旋转机械讲义

1、旋转机械状态监测与故障故障主 讲 人 简 介轩建平博士轩建平博士 华中科技大学 控制科学与工程系博士后 机械与电子信息系副教授中国振动工程学会故障诊断专业委员会理事 一 旋转机械振动分析基础二 旋转机械故障特征三 旋转机械状态监测与故障诊断系统四 旋转机械故障诊断实例主要内容MKt自由振动是系统受到外界干扰，并去掉激振后产生 的振动，又称自由响应。自由振动反映了系统内在的信息。强迫振动：系统在外界干扰作用下的振动响应。外激励力 ：确定性 周期振动外激励力 ：非确定性 随机振动系统外部的非振动的或振动的能量振动系统振动力0)()()(xtkxtcxtm 定，可以用一个方程就描述它的运动。)sin

2、( tfkxxcxm xc kxxm 为惯性项为阻尼项为弹性恢复项)sin(tf为外激力所谓单自由度系统就是在任何时刻，系统的位置只需要一个坐标就可以确rmy)sin(4)1 (1222222tkmrynnn转子的固有频率转子的转速nn当干扰力的频率接近系统固有频率时，振动迅速增大，此时系统处于共振状态共振状态。对于有阻尼系统，阻尼的耗能作用使共振振幅变小，阻尼越大，共振振幅越小。)()()(.21212122221112112121222211121121212222111211tftftfxxxkkkkkkkkkxxxcccccccccxxxmmmmmmmmmnnnnnnnnnnnnnnn

3、nnnnnnn 一根转子在一定的转速下，如果没有阻尼衰减作用，此时给它一个扰动让其自由振动的话，那么这个转子将按照一定的频率振动下去，这个振动的频率只取决于系统本身的质量、刚度，与外界的因素无关，外界的扰动情况只能影响他振动的幅度，但不会干扰他的振动频率。这个频率我们称：是这根转子的固有频率。又叫模态，是振动系统各点在固有频率下做简谐振动时，波节与波腹的振动形态。或说沿轴向分布的横向振动大小。振型有助于估算转子与固定部件之间的内部间隙，并能估算出转轴上节点的位置。节点为转轴上振幅为零的位置。55型国产200MW机组发电机转子二阶振型55型国产200MW机组低压转子一阶振型波形图就是将振动信号的

4、时间历程表示出来。从波形图可以看出振动信号是否平稳、毛刺、削波、调频、调幅等异常现象。-101-101010020000.511.50100200300400-1012以工频为主的振动-202-202010020000.510100200300400-202有低频的次谐波振动-2-1012-202010020030040000.511.5050100150200250300350400-202有高频的超谐波振动-2-1012-20205010015020000.0050.0102040608010000.51随机振动-2-1012-20205010000.511.502000400060008

5、00010000-2024拍振用某一测点在连续时间范围内测的的频谱图按时间顺序排列组成瀑布图（通常是在相同的转速下）。瀑布图中可以看到各种频率的组成与振幅是如何随时间变化的。级联图是转速连续变化时的频谱图依次组成三维连续的频谱图。他的Z轴是转速，各个频率的轴线是倾斜的直线。级联图用来分析与转速相关的故障比较直观。趋势是观察的某个参数随时间的变化关系。分析机组的振动随时间、负荷等的变化时，趋势图非常直观，对运行人员监视机组状况很有用。表示振动的幅值、相位随着转速变化的图形。通常用来确定机组的临界转速。另一个重要用处就是在进行动平衡时有助于用来分析转子不平衡质量所处的轴向位置、不平衡振型的阶数。极

6、坐标图又叫做奈奎斯特图。就是把波特图的结果绘制在极坐标上，得到的振幅转速曲线是一条环形线。判断转子的临界转速，容易得到模态参数。用涡流传感器测试轴振动时，很容易得到原始的晃度矢量。轴心轨迹就是将转子在轴承中运转情况以二维轨迹形式表示出来。必须在一个平面安装两个互相垂直的涡流传感器。可以帮助判断摩擦、油膜涡动、油膜振荡等具有不同轴心轨迹特征的故障。单峰值就是振动的最大点到平衡位置之间的距离。峰峰值实际上就是振动的波峰与波谷的距离。振动测量仪器输出的位移振动振幅通常都是峰峰值。有效值又叫均方根值，对于速度振幅的度量，又叫做振动烈度。 Vms 有效值 Vp_p 峰峰值22_ pVpVms Tdttv

7、TVms02)(12022_/81)sin(_/81pVpdttpVpVmsT22_ pVpVms组成：1X：30um2X：30um振动位移(um)振动烈度(mm/s)合成值52.87.45考核结果B 区：机组可以长期运行C 区：不允许长期运行，利用机会进行处理260103msPPVAPPAmsV 图中 是脉冲信号导前振动信号高点的角度，即振动相位。转于不平衡的轴心轨迹)48. 043. 0(油膜振荡是转子的涡动频率与转子固有频率油膜振荡是转子的涡动频率与转子固有频率接近时发生的自激振动接近时发生的自激振动。空透转速及振动传感器 氧透转速及振动传感器 氮透转速及振动传感器 E台氧透振动信号 E

8、台氮透振动信号F台空透振动信号 F台氮透振动信号 F台氧透振动信号信号采集站1信号采集站2信号采集站3E台空透振动信号信号采集服务器工程师站服务器信号采集站4监测诊断工作站信号采集站2信号采集站2系 统 主 页系 统 组 态状 态 监 测诊 断 分 析采 样 数 据 库 管 理辅 助 模 块系 统 定 义信 号 采 集 组 态信 号 特 征 量 提 取 组 态监 测 组 态分 析 组 态报 表 组 态设 备 维 修 记 录记 录 编 辑 、 修 改 、 删 除数 据 备 份统 计 报 表W W W 信 息 发 布W W W 信 息 检 索软 件 下 载 服 务实 时 动 态 监 测 （ 虚 拟

9、 仪 器界 面 ）可 视 化 处 理 （ 设 备 音 、 动画 显 示 ）信 号 分 析 ： 信 号 波 形 分 析 ，轴 心 轨 迹 分 析 ， 信 号 相 关 分 析信 号 频 谱 分 析 ， 谱 阵 分 析数 字 滤 波 分 析 ， 其 它 分 析（ 小 波 ， 倒 频 谱 ， 频 率 细 化 等 ）设 备 趋 势 分 析 ：统 计 图 ，统 计 报 表 ，设 备 劣 化 曲 线诊 断 专 家 系 统 ：故 障 诊 断规 则 编 辑平整轧机系统 传感器布置 系统软件信号采集状态监测精密分析数据库管理数据通信通道选择硬件设置参数设定信号采集信号保存特征量计算 实时振动频谱特征量报警用户存盘

10、打印 系统设置参数入库数据查询报表系统打印时域分析（鉴相处理、转速处理、数学运算、相关处理）频域分析（幅值谱、对数谱、倒谱等）时频分析统计过程控制（控制图、PCA分析、PLS分析等）去厂级 MIS 网设备管理层网络数据采集层（560点）S-NET输力强分散采集系统振动信号流热工信号流主机服务器工程师站锅炉操作站汽机操作站振动信号采 集 站工艺参数采 集 站IMPIMPIMP200MW汽轮发电机组网桥打印机 1打印机 2振动信号预处理装置汽机操作站锅炉操作站系统拓扑结构图 2.6 荆门热电厂 200MW#4 机组分布式监测诊断系统结构图采用分布式采集系统，布置简洁、采集可靠。系统采集的信号类型复

11、杂、量大，共有560个测点，并可根据用户需要进行扩充。信号包括慢变模拟量、快变振动信号、状态型开关量、脉冲量和中断型开关量，能满足火电厂单元机组运行监测需要。系统是一个大型多功能系统，是集单元机组DAS与状态监测、汽机和锅炉以及热力系统能损分析、现场轴系高速动平衡及汽轮发电机组故障诊断专家系统于一体的综合系统。 系统具有灵活实用的在线组态功能。可对测点管理信息、各操作站显示画面和显示参数、过程参数的成组相关图、故障追忆参数表、机组运行管理指标体系（小指标）等进行在线修改和组态，不影响系统的正常工作。修改和组态的结果立即反映在系统运行中。 系统有完整的数据库，可记录一年内机组的运行数据。数据库包括热工参数历史数据库、振动参数历史数据库（波形及各倍频特征量）、开关量历史数据库、异常参数数据库、启停机数据库、事故追忆数据库等。 系统与厂级MIS系统互联，既给MIS系统提供丰富信息，又与MIS系统相互独立，MIS系统故障不会影响本系统的安全正常工作。获得授权的MIS系统用户可以在网络上运行本系统的实时监测部分，详细了解机组状况。同时，在异地可通过Modem进行远距离数据传输，获取机组的状态数据，进行性能分析和故障诊断。 系统操作简单，维护工作量小。小屏幕监视器的操作站只有五个按键，通过操作这五个按键，可选择监视模拟量或开关量或脉冲量参数表、棒图、趋势曲线、启