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文檔簡介

第一講 機(jī)組振動測試與分析技術(shù)第一節(jié) 振動測量振動是一種特殊的力學(xué)運(yùn)動形式,它是指質(zhì)點或機(jī)械動力系統(tǒng)在某一穩(wěn)定平衡位置隨時間變化所做的一種往復(fù)式運(yùn)動。四種振動形式:簡諧振動:運(yùn)動量隨時間按諧和函數(shù)的形式變化周期振動:運(yùn)動量變化經(jīng)過一個固定的時間間隔不斷重復(fù)非周期振動:振動量變化隨時間不呈現(xiàn)重復(fù)性隨機(jī)振動:任一給定時刻的運(yùn)動量不能預(yù)先確定汽輪發(fā)電機(jī)組振動的激振力來自于周期旋轉(zhuǎn)的軸,因而多數(shù)是周期振動。它們一般可以被分解為若干個簡諧振動之和。個別情況下,也會呈現(xiàn)為單一的簡諧振動的形式。一、簡諧振動與復(fù)合振動旋轉(zhuǎn)機(jī)械最基本的振動形式是簡諧振動,位移的數(shù)學(xué)表達(dá)式為:xAsin(t)A:位移幅值,表示園頻率,表示初始相位。兩個以上頻率不相同的簡諧振動合成在一起,便形成一個復(fù)合振動,反過來,任何周期振動又都可以分解成若干個簡諧振動。付里葉變換是進(jìn)行這種分解的有效工具。旋轉(zhuǎn)機(jī)械的振動信號都是周期性連續(xù)信號,汽輪機(jī)組振動專業(yè)習(xí)慣稱這種信號為通頻信號。用FFT分解后得到的一系列簡諧信號中,與轉(zhuǎn)動頻率相同的簡諧振動具有特殊的意義,它被稱之為一倍頻振動,也有稱之為工頻、基頻、選頻、同頻或1X等。頻率為轉(zhuǎn)速二分之一和兩倍的簡諧振動在旋轉(zhuǎn)機(jī)械的振動分析也是較常用到的,它們分別被簡稱為半頻(1/2X)和倍頻(兩倍頻,2X)振動。低于工作轉(zhuǎn)速頻率的振動,統(tǒng)統(tǒng)被稱為低頻振動;高于工作轉(zhuǎn)速頻率的振動,被稱為高頻振動。它們可能是轉(zhuǎn)動頻率的整分?jǐn)?shù)倍或整數(shù)倍,也可能不是。二、振動位移、速度和加速度振幅的量度簡諧振動可以用位移、速度和加速度三種形式表示。簡諧振動位移的大小,用振幅 Ap 表示,即最大位移到平衡位置之間的距離,也稱作單峰值;振動的波峰與波谷之間的垂直距離稱作為峰峰值,表示為 Ap-p;單位都是微米(m)或毫米(mm)。電廠習(xí)慣用“絲”或“道”表示,1毫米是100絲,1絲等于10微米。在描述振幅的大小時,如果不做特別的注明,所指振幅都是峰峰值,這是目前振動測量儀器對位移振幅習(xí)慣的輸出值。同樣,速度和加速度的振幅也可以用峰值或峰峰值來表示。對于速度振幅, 因為振動能量與速度的平方成正比例,所以更多地是使用均方根值或稱有效值, 又稱作振動烈度,單位:mm/s。根據(jù)測量得到的振動速度時間曲線,速度均方根值Vrms由下式計算:Vrms(1/T)v2(t)dt對于復(fù)合振動,速度均方根可以按下式計算:Vrms(mm/s)((Vrms,12Vrms,22Vrms,n2)/n)3000r/min機(jī)組工作轉(zhuǎn)速下簡諧振動的速度均方根和位移峰峰值的換算公式: Vrms(mm/s) Ap-p(微米)/9三、旋轉(zhuǎn)機(jī)械相位的物理意義和測量相位是進(jìn)行轉(zhuǎn)子動平衡和故障診斷不可缺少的量值。旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動可以看作為一個矢量在空間隨轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)。任一時刻,這個矢量相對于轉(zhuǎn)軸上一個實在的物理標(biāo)志的空間夾角,即是振動“相位”。如果聯(lián)系振動測試波形來理解相位,則它是諧振信號相對于轉(zhuǎn)軸上某個固定的物理標(biāo)記產(chǎn)生的每轉(zhuǎn)一次脈沖之間的角度差。第二節(jié)現(xiàn)場振動測試一、 測試對象與內(nèi)容的確定常規(guī)振動測試包含有如下方面:1、各主要軸承的瓦振;在條件容許的情況下,測試所有軸承的瓦振。2、各主要軸承處的軸振;相對軸振或絕對軸振。(1)盤車狀態(tài);(2)低轉(zhuǎn)速(400r/min500r/min)時的軸振。(間隙電壓)二、測點的選擇與布置三、測試工況、內(nèi)容與步驟測試前應(yīng)該確定測試工況:升速、降速、3000r/min、超速、低負(fù)荷、變負(fù)荷過程以及滿負(fù)荷等;對運(yùn)行的特殊要求:升速率、暖機(jī)時間、真空、排氣缸溫度、氫壓、油溫等以及測試步驟、試驗安排的次序。測試通常包含常規(guī)測試項目和特殊測試項目。常規(guī)測試項目有以下內(nèi)容。1、升降速振動測試升降速振動測試可以確定:軸系各階臨界轉(zhuǎn)速某一特殊轉(zhuǎn)速區(qū)段振動隨轉(zhuǎn)速的變化情況支撐系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)振動特性,共振等動靜碰摩幅變化情況,特別是在臨界轉(zhuǎn)速之前。2、3000r/min定速時的測量3000r/min時的振動是機(jī)組振動的基本而重要的數(shù)據(jù),常常以此作為平衡的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。有一部分機(jī)組振動隨溫度變化顯著,冷態(tài)啟機(jī)剛到3000r/min和數(shù)十分鐘后的振動會不同。因此,需要注意3000r/min測量值與定速時間的關(guān)系。3000r/min定速時的測量一般測量記錄較全的數(shù)據(jù),包括各軸承垂直、水平軸向三個方向的振動,現(xiàn)有的全部軸振測點的數(shù)據(jù)。3、滿負(fù)荷和升負(fù)荷過程的振動測量滿負(fù)荷時機(jī)組振動和3000r/min時的振動一樣是重要的數(shù)據(jù)。機(jī)組絕大多數(shù)時間是要在滿負(fù)荷狀態(tài)下運(yùn)行的,相對來說,它比機(jī)組處于其它狀態(tài)下的振動更為重要,因此,保證這個狀態(tài)下機(jī)組的振動是首要任務(wù)。如果幾個重要工況點:過臨界轉(zhuǎn)速、3000r/min、低負(fù)荷、滿負(fù)荷的振動互有矛盾而無法全部顧及,則首先要保證的還是滿負(fù)荷時的振動,這是現(xiàn)場處理振動的一條基本原則。多數(shù)機(jī)組滿負(fù)荷時的振動基本是穩(wěn)定的,可能會有些不顯著的變化。通常用最高值或平均值來衡定。如果隨滿負(fù)荷時間的延續(xù)振動持續(xù)不斷增加以至超標(biāo),這時則要進(jìn)行振動處理。3000r/min及其之后的升負(fù)荷過程、滿負(fù)荷的振動測試,可以用趨勢圖來顯示,同時可以將發(fā)電機(jī)有功功率采集繪制在同一張圖中,振動曲線清楚地表明振動隨時間和負(fù)荷的變化情況。在對汽輪發(fā)電機(jī)組進(jìn)行振動故障分析和診斷時,有時需要安排一些特殊的試驗項目,觀察機(jī)組某些特定運(yùn)行參數(shù)發(fā)生變化時振動是如何變化的,從中找出聯(lián)系,以便確定振動原因。特殊試驗項目有:4、超速試驗5、變真空試驗6、變油溫試驗7、變調(diào)門開啟次序試驗8、變勵磁電流試驗;9、變氫壓試驗;10、變有功無功試驗。11、變軸承結(jié)構(gòu)參數(shù)試驗;12、變支撐剛度試驗;13、支撐剛度激振試驗;14、改變軸承標(biāo)高試驗。 第三節(jié) 振動數(shù)據(jù)分析方法一、 頻譜分析兩個以上頻率不相同的簡諧振動合成在一起,便形成一個復(fù)合振動。這種復(fù)合振動是非簡諧的周期振動。反過來,任何周期振動又都可以分解成若干個簡諧振動。付里葉變換是進(jìn)行這種分解的有效工具。有限離散付里葉變換可以計算信號的頻譜、功率譜以及解決其它方面的問題。但是,當(dāng)離散的點數(shù)比較多時,計算的工作量太大,無法廣泛應(yīng)用。1965年,Gooley和Tukey提出了快速付里葉變換算法,即FFT(Fast Fourier Transform),大大減少了計算量,使具體計算有限付里葉變換成為可能。此后,F(xiàn)FT成為信號數(shù)字處理的十分有效的工具。二、信號的幅值域分析最基本的信號特征的分析是計算信號的幅值域參數(shù),包含最大值最小值均值均方根值三、信號的相關(guān)分析 相關(guān)分析:研究信號之間關(guān)聯(lián)程度的分析叫自相關(guān)函數(shù)、互相關(guān)函數(shù)能夠?qū)ふ译[藏在噪聲信號中的有關(guān)聯(lián)的信號。相關(guān)分析多用于對于隨機(jī)信號的處理,旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動信號大多數(shù)是確定性周期信號,相關(guān)分析較少采用。四、頻響函數(shù)分析及應(yīng)用對機(jī)組進(jìn)行結(jié)構(gòu)共振分析時,需要知道機(jī)組構(gòu)件與轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動之間隨轉(zhuǎn)速變化的關(guān)系,這種傳遞關(guān)系可以用頻響函數(shù)來研究。常常采用錘擊法測量結(jié)構(gòu)的頻響函數(shù)。知道H(f)后,可以判斷機(jī)組結(jié)構(gòu)系統(tǒng)是否存在共振。這項判斷的難點在于需要有足夠大的力的輸入以激起足夠大的響應(yīng)。頻響函數(shù)還用在軸承油膜動特性試驗測定中。五、倒頻譜分析倒頻譜分析的目的是尋找頻譜中的周期成分。利用倒頻譜可以精確地量度功率譜中的諧振頻率和邊帶頻率,倒頻譜用一個量值即可以代表了諧振和邊帶的全部功率,這在分析滾動軸承的故障時是很有用的。六、Wigner時頻分布七、小波分析(Wavelet Transformation)付里葉變換適用于平穩(wěn)信號,不適合于非平穩(wěn)時變信號的處理。加窗付里葉變換一定的局限性。小波變換發(fā)展了加窗付里葉變換的時域局部化思想,窗口寬隨頻率的增高而縮小,保持高頻信號仍具有較高的分辨率。小波變換適當(dāng)離散化之后可構(gòu)成標(biāo)準(zhǔn)的正交系。小波變換是一種多分辨率的信號處理技術(shù)。它利用一系列不同尺度的基函數(shù)對信號進(jìn)行分解,這些基函數(shù)可以根據(jù)信號不同的頻率段,通過母小波的伸縮與平移而得到。八、非線性特征分析分形維數(shù),盒維數(shù)第四節(jié) 穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)和瞬態(tài)數(shù)據(jù)的特征圖形機(jī)組轉(zhuǎn)速不變,運(yùn)行參數(shù)不斷變化時,振動測量得到的數(shù)據(jù)稱為穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)。啟動升速或停機(jī)降速過程的振動的數(shù)據(jù),稱之為瞬態(tài)數(shù)據(jù)。一、 瞬態(tài)數(shù)據(jù)的特征圖形1、波特圖波特圖是表示振動幅值、相位隨轉(zhuǎn)速變化的圖形。圖形的橫坐標(biāo)是轉(zhuǎn)速,縱坐標(biāo)有兩個,一個是振幅峰峰值,一個是相位。每個圖上有兩條曲線,分別表示了該測點振幅、相位隨轉(zhuǎn)速是如何變化的,或稱作幅頻、相頻特性。圖62是某臺機(jī)組升速過程從零到3000r/min5軸承垂直振動波特圖。圖 62波特圖是用來確定:臨界轉(zhuǎn)速共振放大因子AF:兩種計量法:半功率帶寬法和幅值比率法分析轉(zhuǎn)子不平衡質(zhì)量所處的軸向位置不平衡振型階數(shù)結(jié)構(gòu)共振分析動靜碰摩分析2、極座標(biāo)圖3、軸心動態(tài)軌跡對應(yīng)一定的轉(zhuǎn)速,轉(zhuǎn)軸在支承軸承中的工作點位置,即靜態(tài)工作點是一定的。由于振動,轉(zhuǎn)軸中心會圍繞著這個工作點做周期運(yùn)動形成動態(tài)運(yùn)動軌跡,如圖65所示。圖中的大圓弧是軸頸的靜態(tài)軌跡,轉(zhuǎn)速為零時,軸頸中心在A1,隨轉(zhuǎn)速的增加,軸頸向左上方浮起,轉(zhuǎn)速越高,上浮量越大。對應(yīng)一定的轉(zhuǎn)速,軸頸中心的平均位置是固定的,同時軸頸中心還要圍繞著這個平均位置作渦動,渦動軌跡就是動態(tài)軌跡。如果這個渦動是轉(zhuǎn)子不平衡質(zhì)量造成的同步渦動,軌跡即如圖中所示的橢圓形。軸心動態(tài)軌跡圖形可以提供下列信息:振幅(垂直、水平方向);絕對相位(垂直、水平方向);相對相位;相對(于工頻的)振動頻率比;進(jìn)動方向;振型。不同的振動故障會呈現(xiàn)不同的動態(tài)軌跡。因而,軸心軌跡可以用來進(jìn)行故障診斷。軸心軌跡的測量必須要在一個平面互相垂直安裝的兩個渦流傳感器。4、軸心靜態(tài)軌跡當(dāng)轉(zhuǎn)子不轉(zhuǎn)動時它應(yīng)該座落在軸承內(nèi)孔的底部,轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動后,由于油楔的動壓作用,轉(zhuǎn)子要上抬。隨轉(zhuǎn)速的升高,油膜產(chǎn)生的向上的作用力增加,軸心的位置會畫出一條向上的連續(xù)曲線來,這就是軸心靜態(tài)軌跡。軸心靜態(tài)軌跡圖給出了軸頸在軸承中的位置,它是診斷的有用工具,用它可以確定轉(zhuǎn)子的下列情況:(1)送高壓頂軸油后軸頸浮起量??梢杂脕泶_定頂軸油泵、油路是否正常。(2)轉(zhuǎn)速升高過程以及3000r/min定速后軸頸在軸承中的位置。將軸心軌跡和正常情況下的進(jìn)行比較,可以知道當(dāng)前的轉(zhuǎn)子是否受到不正常的約束力作用,或判斷軸瓦是否異常。(3)支承狀況變化時對軸頸靜態(tài)位置的影響。支承狀況較多是由于溫度變化引起的標(biāo)高變化,進(jìn)而引起軸頸相對軸承的靜態(tài)位置的變化。(4)缸體左右位置變化引起軸承相對軸頸位置的變化。判斷缸體跑偏,缸體受到側(cè)向推力,軸承座在臺板上滑動不良等缺陷。(5)油膜狀況的變化。發(fā)生油膜失穩(wěn)時,軸頸在軸承中應(yīng)該處于小偏心的位置。根據(jù)軸心靜態(tài)軌跡以及和油溫、油壓等相應(yīng)參數(shù)的比較,可以確定軸頸偏心率的變化是否是油膜變化所致。(6)外部作用力,如汽流激振力等。轉(zhuǎn)子發(fā)生汽流激振時,一個可能的原因是汽門的開啟次序使得轉(zhuǎn)子受到額外的向上的作用力,軸頸在軸承中向小偏心方向移動,抑制失穩(wěn)的能力降低,進(jìn)而發(fā)生失穩(wěn)。在判斷失穩(wěn)是否出自這一原因時,軸心靜態(tài)軌跡是有用的。圖67給出了一臺50MW機(jī)組高壓轉(zhuǎn)子出現(xiàn)半速渦動時的軸心軌跡圖。這臺機(jī)組負(fù)荷升到35MW時出現(xiàn)明顯的半速渦動。從圖中可以看到,失穩(wěn)時的偏心率要小于正常情況下的偏心率。(7)判斷瓦溫升高的原因。通常情況,瓦溫的升高意味著軸頸距離軸瓦面的接近,這種變化在軸心靜態(tài)軌跡圖中也很容易看到。軸心靜態(tài)軌跡的測試是利用渦流傳感器的間隙電壓,且必須用兩個渦流傳感器才能得到。如果受條件限制,一個平面只有一個傳感器,雖然不能得到兩維軌跡圖,但可以得到軌跡在傳感器方向的位移變化,這個單一量在許多情況下也是有用的。例如,利用垂直安裝的渦流傳感器可以測得軸頸在軸承中垂直方向上的變化,同樣可以用來判斷軸承標(biāo)高、外部激振力、頂軸油壓等造成的軸頸位置的變化。二、穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)的特征圖形1、 頻譜圖對時域波形進(jìn)行頻譜分析可以得到信號中所含各諧振分量的頻率和幅值。以頻率為橫坐標(biāo),以振幅為縱坐標(biāo),將分析結(jié)果繪制在圖上即可得到頻譜圖。頻譜圖是目前進(jìn)行故障分析和診斷的最普遍使用的圖形,從中可以得到有關(guān)信號所含頻率成分的重要信息。有三種連續(xù)的三維頻譜圖:瀑布圖、級聯(lián)圖和全頻譜級聯(lián)圖。2、瀑布圖用某一測點在一段時間內(nèi)連續(xù)測得的一組頻譜圖順序組成的三維譜圖是瀑布圖,一般情況是在相同轉(zhuǎn)速下測得的。圖的Z軸是時間軸,相同頻率的譜線和Z軸應(yīng)該是平行的,從圖中可以清楚地看出各種頻率的振幅隨時間如何變化的,對分析定轉(zhuǎn)速下出現(xiàn)的動靜碰摩、熱彎曲、電磁激振、汽流激振等故障是很有用的。3、級聯(lián)圖級聯(lián)圖是轉(zhuǎn)速連續(xù)變化時,不同轉(zhuǎn)速下得到的頻譜圖依次組成的三維譜圖。它

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