機(jī)組振動(dòng)測(cè)試與分析技術(shù)培訓(xùn)資料

1、第一講 機(jī)組振動(dòng)測(cè)試與分析技術(shù)第一節(jié) 振動(dòng)測(cè)量振動(dòng)是一種特殊的力學(xué)運(yùn)動(dòng)形式，它是指質(zhì)點(diǎn)或機(jī)械動(dòng)力系統(tǒng)在某一穩(wěn)定平衡位置隨時(shí)間變化所做的一種往復(fù)式運(yùn)動(dòng)。四種振動(dòng)形式：簡(jiǎn)諧振動(dòng)：運(yùn)動(dòng)量隨時(shí)間按諧和函數(shù)的形式變化周期振動(dòng)：運(yùn)動(dòng)量變化經(jīng)過一個(gè)固定的時(shí)間間隔不斷重復(fù)非周期振動(dòng)：振動(dòng)量變化隨時(shí)間不呈現(xiàn)重復(fù)性隨機(jī)振動(dòng)：任一給定時(shí)刻的運(yùn)動(dòng)量不能預(yù)先確定汽輪發(fā)電機(jī)組振動(dòng)的激振力來自于周期旋轉(zhuǎn)的軸，因而多數(shù)是周期振動(dòng)。它們一般可以被分解為若干個(gè)簡(jiǎn)諧振動(dòng)之和。個(gè)別情況下，也會(huì)呈現(xiàn)為單一的簡(jiǎn)諧振動(dòng)的形式。一、簡(jiǎn)諧振動(dòng)與復(fù)合振動(dòng)旋轉(zhuǎn)機(jī)械最基本的振動(dòng)形式是簡(jiǎn)諧振動(dòng)，位移的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：xAsin（t）A：位移幅值，表示園

2、頻率，表示初始相位。兩個(gè)以上頻率不相同的簡(jiǎn)諧振動(dòng)合成在一起，便形成一個(gè)復(fù)合振動(dòng)，反過來，任何周期振動(dòng)又都可以分解成若干個(gè)簡(jiǎn)諧振動(dòng)。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(dòng)信號(hào)都是周期性連續(xù)信號(hào)，汽輪機(jī)組振動(dòng)專業(yè)習(xí)慣稱這種信號(hào)為通頻信號(hào)。用FFT分解后得到的一系列簡(jiǎn)諧信號(hào)中，與轉(zhuǎn)動(dòng)頻率相同的簡(jiǎn)諧振動(dòng)具有特殊的意義，它被稱之為一倍頻振動(dòng)，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(jiǎn)諧振動(dòng)在旋轉(zhuǎn)機(jī)械的振動(dòng)分析也是較常用到的，它們分別被簡(jiǎn)稱為半頻（1/2X）和倍頻（兩倍頻，2X）振動(dòng)。低于工作轉(zhuǎn)速頻率的振動(dòng)，統(tǒng)統(tǒng)被稱為低頻振動(dòng)；高于工作轉(zhuǎn)速頻率的振動(dòng)，被稱為高頻振動(dòng)

3、。它們可能是轉(zhuǎn)動(dòng)頻率的整分?jǐn)?shù)倍或整數(shù)倍，也可能不是。二、振動(dòng)位移、速度和加速度振幅的量度簡(jiǎn)諧振動(dòng)可以用位移、速度和加速度三種形式表示。簡(jiǎn)諧振動(dòng)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(dòng)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(shí)，如果不做特別的注明，所指振幅都是峰峰值，這是目前振動(dòng)測(cè)量?jī)x器對(duì)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(duì)于速度振幅， 因?yàn)檎駝?dòng)能量與速度的平方成正比例，所以更多地是

4、使用均方根值或稱有效值, 又稱作振動(dòng)烈度，單位：mm/s。根據(jù)測(cè)量得到的振動(dòng)速度時(shí)間曲線，速度均方根值Vrms由下式計(jì)算：Vrms（1/T）v2（t）dt對(duì)于復(fù)合振動(dòng)，速度均方根可以按下式計(jì)算：Vrms（mm/s）(（Vrms,12Vrms,22Vrms,n2）/n)3000r/min機(jī)組工作轉(zhuǎn)速下簡(jiǎn)諧振動(dòng)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(cè)量相位是進(jìn)行轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡和故障診斷不可缺少的量值。旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動(dòng)可以看作為一個(gè)矢量在空間隨轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)。任一時(shí)刻，這個(gè)矢量相對(duì)于轉(zhuǎn)軸上一個(gè)實(shí)在的物理標(biāo)志的空間夾角，即是振動(dòng)“相位”。如果聯(lián)

5、系振動(dòng)測(cè)試波形來理解相位，則它是諧振信號(hào)相對(duì)于轉(zhuǎn)軸上某個(gè)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(chǎng)振動(dòng)測(cè)試一、 測(cè)試對(duì)象與內(nèi)容的確定常規(guī)振動(dòng)測(cè)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(cè)試所有軸承的瓦振。2、各主要軸承處的軸振；相對(duì)軸振或絕對(duì)軸振。（1）盤車狀態(tài)；（2）低轉(zhuǎn)速（400r/min500r/min）時(shí)的軸振。（間隙電壓）二、測(cè)點(diǎn)的選擇與布置三、測(cè)試工況、內(nèi)容與步驟測(cè)試前應(yīng)該確定測(cè)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(duì)運(yùn)行的特殊要求：升速率、暖機(jī)時(shí)間、真空、排氣缸溫度、氫壓、油溫等以及測(cè)試步驟、試驗(yàn)安排的次序。

6、測(cè)試通常包含常規(guī)測(cè)試項(xiàng)目和特殊測(cè)試項(xiàng)目。常規(guī)測(cè)試項(xiàng)目有以下內(nèi)容。1、升降速振動(dòng)測(cè)試升降速振動(dòng)測(cè)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(dòng)隨轉(zhuǎn)速的變化情況支撐系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性，共振等動(dòng)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(shí)的測(cè)量3000r/min時(shí)的振動(dòng)是機(jī)組振動(dòng)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(dòng)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(dòng)會(huì)不同。因此，需要注意3000r/min測(cè)量值與定速時(shí)間的關(guān)系。3000r/min定速時(shí)的測(cè)量一般測(cè)量記錄較全的數(shù)據(jù)，包括各軸承垂直、水平軸向三個(gè)方向的振動(dòng)，現(xiàn)有的全部軸振

7、測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)。3、滿負(fù)荷和升負(fù)荷過程的振動(dòng)測(cè)量滿負(fù)荷時(shí)機(jī)組振動(dòng)和3000r/min時(shí)的振動(dòng)一樣是重要的數(shù)據(jù)。機(jī)組絕大多數(shù)時(shí)間是要在滿負(fù)荷狀態(tài)下運(yùn)行的，相對(duì)來說，它比機(jī)組處于其它狀態(tài)下的振動(dòng)更為重要，因此，保證這個(gè)狀態(tài)下機(jī)組的振動(dòng)是首要任務(wù)。如果幾個(gè)重要工況點(diǎn)：過臨界轉(zhuǎn)速、3000r/min、低負(fù)荷、滿負(fù)荷的振動(dòng)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(shí)的振動(dòng)，這是現(xiàn)場(chǎng)處理振動(dòng)的一條基本原則。多數(shù)機(jī)組滿負(fù)荷時(shí)的振動(dòng)基本是穩(wěn)定的，可能會(huì)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(shí)間的延續(xù)振動(dòng)持續(xù)不斷增加以至超標(biāo)，這時(shí)則要進(jìn)行振動(dòng)處理。3000r/min及其之后的升負(fù)荷過程、滿

8、負(fù)荷的振動(dòng)測(cè)試，可以用趨勢(shì)圖來顯示，同時(shí)可以將發(fā)電機(jī)有功功率采集繪制在同一張圖中，振動(dòng)曲線清楚地表明振動(dòng)隨時(shí)間和負(fù)荷的變化情況。在對(duì)汽輪發(fā)電機(jī)組進(jìn)行振動(dòng)故障分析和診斷時(shí)，有時(shí)需要安排一些特殊的試驗(yàn)項(xiàng)目，觀察機(jī)組某些特定運(yùn)行參數(shù)發(fā)生變化時(shí)振動(dòng)是如何變化的，從中找出聯(lián)系，以便確定振動(dòng)原因。特殊試驗(yàn)項(xiàng)目有：4、超速試驗(yàn)5、變真空試驗(yàn)6、變油溫試驗(yàn)7、變調(diào)門開啟次序試驗(yàn)8、變勵(lì)磁電流試驗(yàn)；9、變氫壓試驗(yàn)；10、變有功無功試驗(yàn)。11、變軸承結(jié)構(gòu)參數(shù)試驗(yàn)；12、變支撐剛度試驗(yàn)；13、支撐剛度激振試驗(yàn)；14、改變軸承標(biāo)高試驗(yàn)。 第三節(jié) 振動(dòng)數(shù)據(jù)分析方法一、 頻譜分析兩個(gè)以上頻率不相同的簡(jiǎn)諧振動(dòng)合成在一起，便

9、形成一個(gè)復(fù)合振動(dòng)。這種復(fù)合振動(dòng)是非簡(jiǎn)諧的周期振動(dòng)。反過來，任何周期振動(dòng)又都可以分解成若干個(gè)簡(jiǎn)諧振動(dòng)。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(jì)算信號(hào)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(diǎn)數(shù)比較多時(shí)，計(jì)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(jì)算量，使具體計(jì)算有限付里葉變換成為可能。此后，F(xiàn)FT成為信號(hào)數(shù)字處理的十分有效的工具。二、信號(hào)的幅值域分析最基本的信號(hào)特征的分析是計(jì)算信號(hào)的幅值域參數(shù)，包含最大值最小值均值均方根值三、信號(hào)的相關(guān)分析 相關(guān)

10、分析：研究信號(hào)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(hào)中的有關(guān)聯(lián)的信號(hào)。相關(guān)分析多用于對(duì)于隨機(jī)信號(hào)的處理，旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動(dòng)信號(hào)大多數(shù)是確定性周期信號(hào)，相關(guān)分析較少采用。四、頻響函數(shù)分析及應(yīng)用對(duì)機(jī)組進(jìn)行結(jié)構(gòu)共振分析時(shí)，需要知道機(jī)組構(gòu)件與轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)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(cè)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(xiàng)判斷的難點(diǎn)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(dòng)特性試驗(yàn)測(cè)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

11、邊帶頻率，倒頻譜用一個(gè)量值即可以代表了諧振和邊帶的全部功率，這在分析滾動(dòng)軸承的故障時(shí)是很有用的。六、Wigner時(shí)頻分布七、小波分析（Wavelet Transformation）付里葉變換適用于平穩(wěn)信號(hào)，不適合于非平穩(wěn)時(shí)變信號(hào)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(shí)域局部化思想，窗口寬隨頻率的增高而縮小，保持高頻信號(hào)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(hào)處理技術(shù)。它利用一系列不同尺度的基函數(shù)對(duì)信號(hào)進(jìn)行分解，這些基函數(shù)可以根據(jù)信號(hào)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)

12、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(shí)，振動(dòng)測(cè)量得到的數(shù)據(jù)稱為穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)。啟動(dòng)升速或停機(jī)降速過程的振動(dòng)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(dòng)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(gè)，一個(gè)是振幅峰峰值，一個(gè)是相位。每個(gè)圖上有兩條曲線，分別表示了該測(cè)點(diǎn)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(tái)機(jī)組升速過程從零到3000r/min5軸承垂直振動(dòng)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(jì)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(dòng)靜碰摩

13、分析2、極座標(biāo)圖3、軸心動(dòng)態(tài)軌跡對(duì)應(yīng)一定的轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)軸在支承軸承中的工作點(diǎn)位置，即靜態(tài)工作點(diǎn)是一定的。由于振動(dòng)，轉(zhuǎn)軸中心會(huì)圍繞著這個(gè)工作點(diǎn)做周期運(yùn)動(dòng)形成動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)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(shí)，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(duì)應(yīng)一定的轉(zhuǎn)速，軸頸中心的平均位置是固定的，同時(shí)軸頸中心還要圍繞著這個(gè)平均位置作渦動(dòng)，渦動(dòng)軌跡就是動(dòng)態(tài)軌跡。如果這個(gè)渦動(dòng)是轉(zhuǎn)子不平衡質(zhì)量造成的同步渦動(dòng)，軌跡即如圖中所示的橢圓形。軸心動(dòng)態(tài)軌跡圖形可以提供下列信息：振幅（垂直、水平方向）；絕對(duì)相位（垂直、水平方向）；相對(duì)相位；相對(duì)（于工頻的）振動(dòng)頻率比；進(jìn)動(dòng)方向

14、；振型。不同的振動(dòng)故障會(huì)呈現(xiàn)不同的動(dòng)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(cè)量必須要在一個(gè)平面互相垂直安裝的兩個(gè)渦流傳感器。4、軸心靜態(tài)軌跡當(dāng)轉(zhuǎn)子不轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)它應(yīng)該座落在軸承內(nèi)孔的底部，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)后，由于油楔的動(dòng)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(huì)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。可以用來確定頂軸油泵、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

15、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(shí)對(duì)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(duì)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(duì)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(tái)板上滑動(dòng)不良等缺陷。（5）油膜狀況的變化。發(fā)生油膜失穩(wěn)時(shí)，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(shí)，一個(gè)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

16、方向移動(dòng)，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(shí)，軸心靜態(tài)軌跡是有用的。圖67給出了一臺(tái)50MW機(jī)組高壓轉(zhuǎn)子出現(xiàn)半速渦動(dòng)時(shí)的軸心軌跡圖。這臺(tái)機(jī)組負(fù)荷升到35MW時(shí)出現(xiàn)明顯的半速渦動(dòng)。從圖中可以看到，失穩(wěn)時(shí)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(cè)試是利用渦流傳感器的間隙電壓，且必須用兩個(gè)渦流傳感器才能得到。如果受條件限制，一個(gè)平面只有一個(gè)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(gè)單一量在許多情況下也是有用的。例如，利用

17、垂直安裝的渦流傳感器可以測(cè)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(duì)時(shí)域波形進(jìn)行頻譜分析可以得到信號(hào)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(hào)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(jí)聯(lián)圖和全頻譜級(jí)聯(lián)圖。2、瀑布圖用某一測(cè)點(diǎn)在一段時(shí)間內(nèi)連續(xù)測(cè)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(cè)得的。圖的Z軸是時(shí)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(shí)間如何變化的，對(duì)分析定轉(zhuǎn)速下出現(xiàn)的動(dòng)靜碰摩、熱彎曲、電磁激振、汽流激振等故障是很有用的。3、級(jí)聯(lián)圖級(jí)聯(lián)圖是轉(zhuǎn)速連續(xù)變化時(shí)，不同轉(zhuǎn)速下得到的頻譜圖依次組成的三維譜圖。它