振動(dòng)分析基礎(chǔ)知識(shí)

1、旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動(dòng)分析基礎(chǔ)汽輪機(jī)、發(fā)電機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)、壓縮機(jī)、風(fēng)機(jī)、泵等都屬于旋轉(zhuǎn)機(jī)械，是電力、石化和冶金等行業(yè)的關(guān)鍵設(shè)備。這些設(shè)備出現(xiàn)故障后，大多會(huì)帶來(lái)嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。振動(dòng)在設(shè)備故障中占了很大比重，是影響設(shè)備安全、穩(wěn)定運(yùn)行的重要因素。振動(dòng)又是設(shè)備的“體溫計(jì)”，直接反映了設(shè)備健康狀況，是設(shè)備安全評(píng)估的重要指標(biāo)。一臺(tái)機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)，其振動(dòng)值和振動(dòng)變化值都應(yīng)該比較小。一旦機(jī)組振動(dòng)值變大，或振動(dòng)變得不穩(wěn)定，都說(shuō)明設(shè)備出現(xiàn)了一定程度的故障。振動(dòng)對(duì)機(jī)組安全、穩(wěn)定運(yùn)行的危害主要表現(xiàn)在：(1)振動(dòng)過(guò)大將會(huì)導(dǎo)致軸承烏金疲勞損壞。(2)過(guò)大振動(dòng)將會(huì)造成通流部分磨損，嚴(yán)重時(shí)將會(huì)導(dǎo)致大軸彎曲。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，汽輪發(fā)電機(jī)組60

2、%以上的大軸彎曲事故就是由于摩擦引起的。(3)振動(dòng)過(guò)大還將使部件承受大幅交變應(yīng)力，容易造成轉(zhuǎn)子、聯(lián)結(jié)螺栓、管道、地基等的損壞。正因?yàn)檎駝?dòng)對(duì)設(shè)備安全運(yùn)行相當(dāng)重要，人們對(duì)振動(dòng)問(wèn)題都很重視。目前大型機(jī)組上普遍安裝了振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并將振動(dòng)信號(hào)投了保護(hù)。振動(dòng)超標(biāo)時(shí)，保護(hù)動(dòng)作，機(jī)組自動(dòng)停機(jī)，從而保證設(shè)備的絕對(duì)安全。一、振動(dòng)分析基本概念振動(dòng)是一個(gè)動(dòng)態(tài)量。圖所示是一種簡(jiǎn)單的振動(dòng)形式-簡(jiǎn)諧振動(dòng)，即振動(dòng)量按余弦（或正弦）函數(shù)規(guī)律周期性地變化，幅值反映了振動(dòng)大??；頻率反映了振動(dòng)量動(dòng)態(tài)變化的快慢程度；相位反映了信號(hào)在t=0時(shí)刻的初始狀態(tài)?？梢?jiàn)，為了完全描述一個(gè)振動(dòng)信號(hào)，必須同時(shí)知道幅值、頻率和相位這三個(gè)參數(shù)，人們稱(chēng)之

3、為振動(dòng)分析的三要素。振動(dòng)是一個(gè)動(dòng)態(tài)變化量。為了突出反映交變量的影響，振動(dòng)監(jiān)測(cè)時(shí)常取波形中正、負(fù)峰值的差值作為振動(dòng)幅值，又稱(chēng)為峰峰值。簡(jiǎn)諧振動(dòng)是一種簡(jiǎn)單的振動(dòng)形式，實(shí)際機(jī)組上發(fā)生的振動(dòng)比簡(jiǎn)諧振動(dòng)要復(fù)雜得多。不管振動(dòng)多么復(fù)雜，由信號(hào)分析理論可知，都可以將其分解為若干具有不同頻率、幅值和相位的簡(jiǎn)諧分量的合成。旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動(dòng)分析離不開(kāi)轉(zhuǎn)速，為了方便和直觀(guān)起見(jiàn),常以1x表示與轉(zhuǎn)動(dòng)頻率相等的頻率，又稱(chēng)為工(基)頻;以0.5x、2x、3x等表示與轉(zhuǎn)動(dòng)頻率的0.5倍、2倍和3倍等相等的頻率，又稱(chēng)為半頻、二倍頻、三倍頻。采用信號(hào)分析理論中的快速傅立葉變換(FFT)可以快速、方便地求出復(fù)雜振動(dòng)信號(hào)中所含頻率分量的幅

4、值和相位。該過(guò)程稱(chēng)為頻譜分析，并已成為振動(dòng)故障分析領(lǐng)域？基本和常用的工具。頻譜分析所起的作用可以概括為以下兩點(diǎn)：(1)不同故障所對(duì)應(yīng)的頻率不同。例如：轉(zhuǎn)子不平衡故障的頻率為工頻，汽流激振和油膜振蕩等故障的頻率為低頻，電磁激振等故障的頻率為高頻等。頻率特征是故障判斷的必要條件。某種故障必然具備相應(yīng)的頻率特征。因此,根據(jù)頻譜分析結(jié)果可以對(duì)故障性質(zhì)作一個(gè)初步、定性判斷。本書(shū)第35章將詳細(xì)介紹每一種故障的頻率特征。(2)多種故障的頻率特征具有很強(qiáng)的相似性，頻率特征并不是故障判斷的充分條件。例如，熱變形、不平衡、共振、剛度不足、摩擦等故障的特征頻率都是工頻，僅根據(jù)頻率特征無(wú)法將故障原因進(jìn)一步定量細(xì)化。為

5、了能確診故障原因，振動(dòng)分析必須結(jié)合過(guò)程參數(shù)和相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行，突出相似故障之間的微小差別。二、振動(dòng)位移、速度和加速度除了振動(dòng)位移外，振動(dòng)分析時(shí)還經(jīng)常用到振動(dòng)速度和加速度。將位移信號(hào)對(duì)時(shí)間求一次和兩次導(dǎo)數(shù)，可以分別得到振動(dòng)速度和加速度；反之，對(duì)振動(dòng)加速度信號(hào)進(jìn)行一次和二次積分可以分別得到速度和位移信號(hào)。(1)振動(dòng)位移、速度和加速度信號(hào)的頻率相同。不管采用何種表示方式，故障性質(zhì)不會(huì)變化，都可以用于振動(dòng)監(jiān)測(cè)。三種方式在旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動(dòng)分析中都有廣泛應(yīng)用。(2)在相同位移幅值下，頻率越高，振動(dòng)所產(chǎn)生的交變應(yīng)力越大，對(duì)設(shè)備的危害也越大。因此，故障頻率越高，位移幅值應(yīng)該控制得越嚴(yán)格。對(duì)于旋轉(zhuǎn)機(jī)械而言，轉(zhuǎn)速越高

6、，振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)越嚴(yán)。(3)振動(dòng)速度(或加速度)幅值是振動(dòng)位移和頻率(或頻率平方)的乘積，幅值中同時(shí)反映了振動(dòng)頻率和位移幅值的影響，較單純的振動(dòng)位移幅值更全面。(4)振動(dòng)加速度相位超前振動(dòng)速度相位90°,振動(dòng)速度相位又超前振動(dòng)位移相位90°。采用不同表示方式時(shí)，必須考慮相互之間的相位差。(5)值得指出的是，同一種故障在振動(dòng)位移、速度和加速度頻譜中表現(xiàn)出來(lái)的故障特征不完全相同。于高頻振動(dòng)故障，為了在故障的早期能夠比較明顯地反映出振動(dòng)變化，采用振動(dòng)速度或加速度監(jiān)測(cè)比較有效。對(duì)于低頻振動(dòng)故障，監(jiān)測(cè)振動(dòng)位移更能夠突出反映振動(dòng)變化(6)振動(dòng)位移、速度和加速度之間可以相互轉(zhuǎn)換雖然將位移信號(hào)對(duì)

7、時(shí)間求導(dǎo)可以得到速度信號(hào)和加速度信號(hào)，但是由于求導(dǎo)過(guò)程中誤差有可能會(huì)放大，實(shí)際上很少進(jìn)行這樣的轉(zhuǎn)換。信號(hào)積分過(guò)程中誤差是收斂的，因此，目前采用得比較多的是由加速度或速度信號(hào)積分求出位移信號(hào)。一些采用加速度傳感器的振動(dòng)儀表，可以通過(guò)積分同時(shí)測(cè)量出振動(dòng)加速度、速度和位移值。轉(zhuǎn)換關(guān)系(1)位移信號(hào)對(duì)時(shí)間求導(dǎo)得到速度，再求導(dǎo)得到加速度(2)加速度對(duì)時(shí)間積分得到速度，再積分得到位移選用原則(1)二種表水方式都可以用于監(jiān)測(cè)；(2)速度和加速度信號(hào)更能突出反映高頻分量的變化；(3)位移信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測(cè)更能突出反映低頻分量的變化三、旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)振動(dòng)直接影響到大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械的安全、穩(wěn)定運(yùn)行。目前,大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動(dòng)

8、評(píng)定尺度主要有軸承座振動(dòng)位移、軸承座振動(dòng)烈度和軸徑向位移三種（一）、軸承座振動(dòng)軸承座振動(dòng)，又稱(chēng)為軸承振動(dòng)或瓦振，它是以軸承座垂直、水平和軸向三個(gè)方向中的最大振動(dòng)為評(píng)定依據(jù)。振動(dòng)位移和振動(dòng)烈度是軸承座振動(dòng)監(jiān)測(cè)所主要采用的兩個(gè)尺度。1、軸承座振動(dòng)位移表3給出了我國(guó)電力工業(yè)技術(shù)管理法規(guī)中給出的汽輪發(fā)電機(jī)組軸承振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)以軸承振動(dòng)位移信號(hào)峰峰值為尺度，在我國(guó)電力行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用，是汽輪發(fā)電機(jī)組軸承座振動(dòng)評(píng)判的主要依據(jù)。表3汽輪發(fā)電機(jī)組軸承振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)（單位：w項(xiàng)汽輪發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)速優(yōu)良合格1500rpm3050703000rpm2030502、軸承振動(dòng)烈度振動(dòng)速度幅值同時(shí)反映了振動(dòng)位移幅值和頻率的影響

9、，因此又稱(chēng)為振動(dòng)烈度。對(duì)于高頻振動(dòng)或沖擊型振動(dòng)，監(jiān)測(cè)振動(dòng)烈度比振動(dòng)位移更為有效。支承剛度對(duì)軸承振動(dòng)的影響很大。相同激勵(lì)力下，支承剛度越小，軸承振動(dòng)越大。因此，軸承振動(dòng)烈度評(píng)定時(shí)，針對(duì)剛性支承和柔性支承給出了不同標(biāo)準(zhǔn)。剛性支撐通常指的是支撐系統(tǒng)固有頻率高于激振力頻率，柔性支撐通常指的是支撐系統(tǒng)固有頻率低于激振力頻率。ISO10816:1996規(guī)定：如在測(cè)量方向上機(jī)器與支撐系統(tǒng)組合的？低自振頻率至少大于主激振頻率（大多數(shù)情況下為旋轉(zhuǎn)頻率）25%,則支撐系統(tǒng)在該方向上可看作剛性支撐，其它支撐系統(tǒng)都可看作柔性支撐。例如：大型電動(dòng)機(jī)、泵和小型汽輪發(fā)電機(jī)組一般是剛性支承，大型汽輪發(fā)電機(jī)組部分軸承座則采用柔

10、性支承。某些情況下，支撐部件可能在某一測(cè)量方向上為剛性，而在其它方向上為柔性。A區(qū)域新投產(chǎn)機(jī)組的振動(dòng)應(yīng)在此區(qū)域內(nèi)。B區(qū)域振動(dòng)在此區(qū)域內(nèi)的機(jī)組通常認(rèn)為是合格的，可以長(zhǎng)期運(yùn)行。C區(qū)域振動(dòng)在此區(qū)域內(nèi)的機(jī)組不適宜長(zhǎng)期連續(xù)運(yùn)行。一般來(lái)說(shuō)，該機(jī)器可在這種狀態(tài)卜運(yùn)行有限時(shí)間，直到有采取補(bǔ)救行動(dòng)的合適時(shí)機(jī)為止。D區(qū)域振動(dòng)在此區(qū)域內(nèi)，通常認(rèn)為其劇烈程度足以引起機(jī)組破壞。表6功率50MW陸地安裝的大型汽輪發(fā)電機(jī)組區(qū)域邊界軸轉(zhuǎn)速（rpm)1500或18003000或3600振動(dòng)速度mm/s(rms)A/B2.83.8B/C5.37.5C/D8.511.8（二）、轉(zhuǎn)軸振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)軸承座振動(dòng)并不能完全反映轉(zhuǎn)軸在軸瓦內(nèi)的振動(dòng)

11、（軸振）。軸承振動(dòng)和軸振的比值與軸承支承剛度有關(guān)。激振力一定時(shí)，支承剛度越大，軸承座振動(dòng)越小，軸振越大。即使在不大的軸承振動(dòng)下，轉(zhuǎn)軸仍有可能存在較大的相對(duì)振動(dòng)。轉(zhuǎn)軸振動(dòng)過(guò)大，可能使軸承烏金疲勞損壞并導(dǎo)致動(dòng)、靜部件碰磨。振動(dòng)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)中應(yīng)充分考慮該因素。為彌補(bǔ)軸承振動(dòng)不能全面反映轉(zhuǎn)軸振動(dòng)的不足，大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械一般考慮以轉(zhuǎn)軸振動(dòng)作為機(jī)組振動(dòng)狀態(tài)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)的尺度。大型汽輪發(fā)電機(jī)軸振標(biāo)準(zhǔn)（峰峰值，GB/T11348.2-1997）mm區(qū)域相對(duì)振動(dòng)絕對(duì)振動(dòng)界限A80120-165180-260100150-200250-320報(bào)警打閘BCD四、大唐集團(tuán)轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)1軸承振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)：1.1以振幅為標(biāo)準(zhǔn)（峰值p

12、p）mm工作轉(zhuǎn)速優(yōu)良（A）合格（B）報(bào)警（C）打閘（D）1500<30<50>703000<20<30>50>100表中：當(dāng)軸承振幅大于B而小于C時(shí)，不發(fā)報(bào)警，但應(yīng)設(shè)法消除。1.2以振動(dòng)烈度為標(biāo)準(zhǔn)（有效值rms）工作轉(zhuǎn)速(r/min)A(mm/s)B(mm/s)C(mm/s)D(mm/s)60012000<1.8<4.6<11.2>11.2表中A新投產(chǎn)機(jī)器應(yīng)達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)B一機(jī)器可以長(zhǎng)期運(yùn)行C一機(jī)器尚可短期運(yùn)行，但必須采取補(bǔ)救措施D一停機(jī)，不允許運(yùn)行2轉(zhuǎn)軸振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)相對(duì)軸振(m)絕對(duì)軸振(mm)優(yōu)良(A)<80<100合格(

13、B)<120<150報(bào)警(C)>120>150打閘(D)>260>320注：(1)具體機(jī)組的振動(dòng)限值應(yīng)根據(jù)機(jī)組設(shè)計(jì)、長(zhǎng)期運(yùn)行特點(diǎn)確定后，由廠(chǎng)總工程師批準(zhǔn)后執(zhí)行；(2)按兩個(gè)互成90。的傳感器的大值考核；(3)相對(duì)軸振增減超過(guò)40wm或絕對(duì)軸振增減超過(guò)50wm時(shí)應(yīng)報(bào)警；(4)新投產(chǎn)機(jī)組的軸振水平應(yīng)在(A)以?xún)?nèi)；3機(jī)組通過(guò)臨界轉(zhuǎn)速的振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)3.1 軸承振動(dòng)：3.2 轉(zhuǎn)軸振動(dòng)：(1)相對(duì)軸振：(2)絕對(duì)軸振：4機(jī)組起動(dòng)過(guò)程中,合格值50wm打閘值100mmwm或軸振動(dòng)超過(guò)軸承振動(dòng)超過(guò)，100合格值80wm合格值100林m在中速暖機(jī)之前，抹m立即打閘停機(jī)；打閘值260p打閘值320p軸承振動(dòng)超過(guò)mm30100mm,相對(duì)軸振超過(guò)200機(jī)。嚴(yán)禁強(qiáng)行通過(guò)臨界轉(zhuǎn)