第十章位移振動(dòng)測量

1、機(jī)械量檢測及儀表機(jī)械量檢測及儀表 機(jī)械量檢測儀表是用來對機(jī)械量檢測儀表是用來對尺寸、位移、力、重量、轉(zhuǎn)矩、尺寸、位移、力、重量、轉(zhuǎn)矩、速度和振動(dòng)速度和振動(dòng)等參數(shù)進(jìn)行測量的儀表。等參數(shù)進(jìn)行測量的儀表。 火電廠的汽輪機(jī)組是一種高速旋轉(zhuǎn)的大型設(shè)備，為了?；痣姀S的汽輪機(jī)組是一種高速旋轉(zhuǎn)的大型設(shè)備，為了保障機(jī)組運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，其轉(zhuǎn)動(dòng)部分（如轉(zhuǎn)子、葉片、主軸）障機(jī)組運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，其轉(zhuǎn)動(dòng)部分（如轉(zhuǎn)子、葉片、主軸）與靜止部分（如汽缸、噴嘴和隔板、汽封）之間的與靜止部分（如汽缸、噴嘴和隔板、汽封）之間的間隙很小間隙很小。 在機(jī)組在機(jī)組啟動(dòng)、運(yùn)行和停止過程中啟動(dòng)、運(yùn)行和停止過程中，動(dòng)、靜部分相對膨脹、，動(dòng)、靜部分相

2、對膨脹、收縮量較大。如果發(fā)生動(dòng)靜部分摩擦、碰擊，就有可能產(chǎn)生收縮量較大。如果發(fā)生動(dòng)靜部分摩擦、碰擊，就有可能產(chǎn)生汽輪機(jī)的軸封磨損、葉片斷裂，甚至整機(jī)損壞的事故。汽輪機(jī)的軸封磨損、葉片斷裂，甚至整機(jī)損壞的事故。 為了保證機(jī)組的安全運(yùn)行，為了保證機(jī)組的安全運(yùn)行，汽輪機(jī)上應(yīng)裝設(shè)轉(zhuǎn)速、軸向汽輪機(jī)上應(yīng)裝設(shè)轉(zhuǎn)速、軸向位移、熱膨脹、振動(dòng)及大軸彎曲等機(jī)械參數(shù)的測量儀表和裝位移、熱膨脹、振動(dòng)及大軸彎曲等機(jī)械參數(shù)的測量儀表和裝置。置。這些儀表通?？煞Q為汽輪機(jī)保護(hù)儀表或機(jī)械參數(shù)測量儀這些儀表通常可稱為汽輪機(jī)保護(hù)儀表或機(jī)械參數(shù)測量儀表。表。 位移測量位移測量 測量位移的傳感器種類很多，工作原理各不相同。測量位移的傳感

3、器種類很多，工作原理各不相同。目前火電廠中測量位移常使用的傳感器有目前火電廠中測量位移常使用的傳感器有電渦流式傳電渦流式傳感器和差動(dòng)變壓器式傳感器感器和差動(dòng)變壓器式傳感器。 一、電渦流式傳感器一、電渦流式傳感器 電渦流式傳感器可分為高頻反射式和低頻透射式電渦流式傳感器可分為高頻反射式和低頻透射式兩類。下面主要介紹應(yīng)用廣泛的高頻反射式電渦流傳兩類。下面主要介紹應(yīng)用廣泛的高頻反射式電渦流傳感器。感器。 1. 1.組成組成 電渦流傳感器由探頭、延伸電纜、前置器三部分組成，電渦流傳感器由探頭、延伸電纜、前置器三部分組成，探頭的外形如圖所示。它的外形與普通螺栓十分相似，探頭的外形如圖所示。它的外形與普通

4、螺栓十分相似，頭部有扁平的感應(yīng)線圈，把它固定在不銹鋼螺栓一端，頭部有扁平的感應(yīng)線圈，把它固定在不銹鋼螺栓一端，感應(yīng)線圈的引線從螺栓的另一端與高頻電纜相連。感應(yīng)線圈的引線從螺栓的另一端與高頻電纜相連。 (a) 外形外形 (b) 結(jié)構(gòu)示意結(jié)構(gòu)示意1-頭部線圈；頭部線圈；2-固定螺帽；固定螺帽；3-高頻電纜高頻電纜電渦流傳感器電渦流傳感器2、 工作原理工作原理電渦流式傳感器是在渦流效應(yīng)的基礎(chǔ)上建立起來的。電渦流式傳感器是在渦流效應(yīng)的基礎(chǔ)上建立起來的。 0)()(222112111ILjRIMjUIMjILjR根據(jù)基爾霍夫定律，由圖可列根據(jù)基爾霍夫定律，由圖可列出下列方程式出下列方程式對上述方程聯(lián)立求

5、解，可得對上述方程聯(lián)立求解，可得 1221111)(ILjRMjMjILjRU1222222221222222221ILRMLLjLRMRR12121ILLjRR1I Z調(diào)幅式測量原理示意調(diào)幅式測量原理示意 諧振曲線波形圖諧振曲線波形圖 我國大型汽輪機(jī)上使用的 公司的系列和美國 公司的7200系列汽輪機(jī)監(jiān)視保護(hù)裝置中，都采用了電渦流傳感器。 對于系列的高頻渦流位移傳感器，當(dāng)線性測量范圍為 時(shí)，靈敏度為 , 測量范圍為 時(shí)，靈敏度為 ； 測量范圍為 時(shí)，靈敏度為 。 0.5mm16/V mm1.0mm8 /V mm2.0mm4 /V mmPhilips700RMSBently渦流傳感器的渦流傳感

6、器的特性曲線特性曲線 二、二、電感式位移測量裝置電感式位移測量裝置 電感式傳感器種類很多，根據(jù)轉(zhuǎn)換原理不同，可分電感式傳感器種類很多，根據(jù)轉(zhuǎn)換原理不同，可分為自感式和互感式兩種；根據(jù)結(jié)構(gòu)型式不同，可分為氣為自感式和互感式兩種；根據(jù)結(jié)構(gòu)型式不同，可分為氣隙型和螺管型兩種。隙型和螺管型兩種。 下圖所示的位移測量下圖所示的位移測量裝置采用了變氣隙互感式原理，裝置采用了變氣隙互感式原理，從結(jié)構(gòu)上可看成由電感式位移傳感器和位移指示儀表組從結(jié)構(gòu)上可看成由電感式位移傳感器和位移指示儀表組成。成。 位移傳感器結(jié)構(gòu)示意位移傳感器結(jié)構(gòu)示意1被測物體的凸緣；被測物體的凸緣；2電感位移發(fā)信器；電感位移發(fā)信器；3調(diào)整裝

7、置；調(diào)整裝置；4顯示儀表；顯示儀表；5磁飽磁飽和穩(wěn)壓器和穩(wěn)壓器 線性變化差動(dòng)變壓器線性變化差動(dòng)變壓器 也采用了螺管型互感式原理，也采用了螺管型互感式原理，是美國是美國 72007200系列中線性位移傳感器，可用于測量汽系列中線性位移傳感器，可用于測量汽輪機(jī)的熱膨脹、相對熱膨脹和軸向位移，也可用于汽閥輪機(jī)的熱膨脹、相對熱膨脹和軸向位移，也可用于汽閥調(diào)節(jié)的行程機(jī)構(gòu)中。調(diào)節(jié)的行程機(jī)構(gòu)中。 線性差動(dòng)變壓器線性差動(dòng)變壓器 線性差動(dòng)變壓器的輸出線性差動(dòng)變壓器的輸出 ()LVDTBently 由此可見，線性變化差動(dòng)變壓器的輸出電動(dòng)勢之差正比于被位由此可見，線性變化差動(dòng)變壓器的輸出電動(dòng)勢之差正比于被位移量移量

8、 。其比例常數(shù)取決于原繞組端電壓、電感、耦合系。其比例常數(shù)取決于原繞組端電壓、電感、耦合系數(shù)、繞組匝數(shù)、氣隙導(dǎo)磁率、磁通面積及繞組尺寸等。公式中數(shù)、繞組匝數(shù)、氣隙導(dǎo)磁率、磁通面積及繞組尺寸等。公式中負(fù)號表示感應(yīng)電動(dòng)勢方向與原電壓方向相反。負(fù)號表示感應(yīng)電動(dòng)勢方向與原電壓方向相反。 三、位移測量應(yīng)用舉例三、位移測量應(yīng)用舉例 1. 1. 汽輪機(jī)軸向位移的測量汽輪機(jī)軸向位移的測量 為了監(jiān)視汽輪機(jī)推力軸承的工作狀況，一般在推力瓦上裝為了監(jiān)視汽輪機(jī)推力軸承的工作狀況，一般在推力瓦上裝有溫度測點(diǎn)（回油溫度計(jì)），再有，在轉(zhuǎn)子凸緣處裝上有溫度測點(diǎn)（回油溫度計(jì)），再有，在轉(zhuǎn)子凸緣處裝上 型型鐵芯或高頻渦流位移檢測

9、裝置，以測取運(yùn)行中的實(shí)際軸向位移鐵芯或高頻渦流位移檢測裝置，以測取運(yùn)行中的實(shí)際軸向位移量。量。 汽輪發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，軸向位移量為汽輪發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，軸向位移量為0.3810.3812.159mm2.159mm；超過以上范圍，且在；超過以上范圍，且在0.2540.2542.268 mm2.268 mm范圍之內(nèi)，則范圍之內(nèi)，則必須減負(fù)荷運(yùn)行；最后若超出必須減負(fù)荷運(yùn)行；最后若超出0.2540.2542.268 mm2.268 mm范圍，則應(yīng)停范圍，則應(yīng)停機(jī)跳閘保護(hù)。機(jī)跳閘保護(hù)。 xKxxlSWWkLUE2000002x300MW2.機(jī)組熱膨脹的測量 測量缸脹或差脹的傳感器可以用 型鐵芯傳感器、高

10、頻渦流傳感器或線性變化差動(dòng)變壓器。 機(jī)組高、中、低壓缸缸（差）脹示意機(jī)組高、中、低壓缸缸（差）脹示意1-1-推力軸承推力軸承- -轉(zhuǎn)子死點(diǎn)；轉(zhuǎn)子死點(diǎn)；2 2差脹裝置；差脹裝置；3 3內(nèi)汽缸死點(diǎn)；內(nèi)汽缸死點(diǎn)；4 4外汽外汽缸死點(diǎn)；缸死點(diǎn)；5 5支持軸承；支持軸承；6 6缸脹裝置；缸脹裝置；HP HP 高壓汽缸；高壓汽缸；IPIP中中壓汽缸；壓汽缸； LP-1LP-1、2 2低壓汽缸低壓汽缸1 1和低壓汽缸和低壓汽缸2 2 振動(dòng)測量振動(dòng)測量 振動(dòng)是經(jīng)常發(fā)生的一種物理現(xiàn)象。機(jī)械振動(dòng)在很振動(dòng)是經(jīng)常發(fā)生的一種物理現(xiàn)象。機(jī)械振動(dòng)在很多情況下總是有害的，它使機(jī)器的零部件加快失效，多情況下總是有害的，它使機(jī)器

11、的零部件加快失效，破壞機(jī)器的正常工作，降低設(shè)備的使用壽命，甚至導(dǎo)破壞機(jī)器的正常工作，降低設(shè)備的使用壽命，甚至導(dǎo)致機(jī)器部件損壞而產(chǎn)生事故。致機(jī)器部件損壞而產(chǎn)生事故。 在火電廠中，汽輪機(jī)由于轉(zhuǎn)軸失穩(wěn)、轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡欠在火電廠中，汽輪機(jī)由于轉(zhuǎn)軸失穩(wěn)、轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡欠佳及轉(zhuǎn)系中心不準(zhǔn)，在運(yùn)行中會(huì)產(chǎn)生不同程度的振動(dòng)。佳及轉(zhuǎn)系中心不準(zhǔn)，在運(yùn)行中會(huì)產(chǎn)生不同程度的振動(dòng)。振動(dòng)過大，會(huì)加速軸封的磨損，轉(zhuǎn)動(dòng)部件的疲勞強(qiáng)度振動(dòng)過大，會(huì)加速軸封的磨損，轉(zhuǎn)動(dòng)部件的疲勞強(qiáng)度下降，調(diào)速系統(tǒng)不穩(wěn)定，甚至引起重大事故。因此，下降，調(diào)速系統(tǒng)不穩(wěn)定，甚至引起重大事故。因此，在汽輪機(jī)啟停和運(yùn)行中，對軸承和大軸的振動(dòng)必須嚴(yán)在汽輪機(jī)啟停和運(yùn)行中，

12、對軸承和大軸的振動(dòng)必須嚴(yán)格進(jìn)行監(jiān)視。格進(jìn)行監(jiān)視。 磁電式傳感器磁電式傳感器 基本原理：利用電磁感應(yīng)原理，將輸入（運(yùn)動(dòng)速度）轉(zhuǎn)換成線圈中感應(yīng)電動(dòng)勢輸出二、機(jī)組振動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)二、機(jī)組振動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng) 振動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)通常具有下列測振內(nèi)容：振動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)通常具有下列測振內(nèi)容： （1）采用復(fù)合式振動(dòng)傳感器測取主軸的絕對振動(dòng)量。）采用復(fù)合式振動(dòng)傳感器測取主軸的絕對振動(dòng)量。 國家或公司正常值（m）報(bào)警值（m）緊急停機(jī)值（m）ISO軸相對振動(dòng)80165250ISO軸絕對振動(dòng)100200300國產(chǎn)300MW機(jī)組506090110130160美國西屋公司125254美國GE公司100127178日本三菱公司50125200

13、日本日立公司76125152 軸振動(dòng)評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)參考表軸振動(dòng)評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)參考表 （2 2）由振動(dòng)量及轉(zhuǎn)速工況確定安全、報(bào)警、停機(jī)的區(qū)域，）由振動(dòng)量及轉(zhuǎn)速工況確定安全、報(bào)警、停機(jī)的區(qū)域，以指導(dǎo)機(jī)組的實(shí)時(shí)工況操作。采用振動(dòng)位移和振動(dòng)速以指導(dǎo)機(jī)組的實(shí)時(shí)工況操作。采用振動(dòng)位移和振動(dòng)速度兩種信號綜合，可以及時(shí)防止機(jī)組動(dòng)、靜部分的摩度兩種信號綜合，可以及時(shí)防止機(jī)組動(dòng)、靜部分的摩擦。擦。（3 3）采用矢量監(jiān)視器測知轉(zhuǎn)速與振動(dòng)幅值及相角以指導(dǎo)）采用矢量監(jiān)視器測知轉(zhuǎn)速與振動(dòng)幅值及相角以指導(dǎo)機(jī)組啟動(dòng)或停止過程中的軸故障（如裂紋）或動(dòng)平衡機(jī)組啟動(dòng)或停止過程中的軸故障（如裂紋）或動(dòng)平衡程度的征兆出現(xiàn)與否。程度的征兆出現(xiàn)與否。

14、（4 4）采用頻譜儀對振動(dòng)信號進(jìn)行頻譜分析，對振動(dòng)頻率、）采用頻譜儀對振動(dòng)信號進(jìn)行頻譜分析，對振動(dòng)頻率、相位、振幅等參數(shù)作實(shí)時(shí)記錄，通過對啟停過程的分相位、振幅等參數(shù)作實(shí)時(shí)記錄，通過對啟停過程的分析，了解機(jī)組存在某種隱患缺陷。析，了解機(jī)組存在某種隱患缺陷。 轉(zhuǎn)速測量轉(zhuǎn)速測量 轉(zhuǎn)速是熱力機(jī)械的一個(gè)重要參數(shù)?；痣姍C(jī)組要維轉(zhuǎn)速是熱力機(jī)械的一個(gè)重要參數(shù)?；痣姍C(jī)組要維持電網(wǎng)的周波不變，就必須及時(shí)調(diào)節(jié)汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)速，持電網(wǎng)的周波不變，就必須及時(shí)調(diào)節(jié)汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)速，使其維持在使其維持在30003000轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)/ /分。汽輪機(jī)高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，各轉(zhuǎn)動(dòng)部分。汽輪機(jī)高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，各轉(zhuǎn)動(dòng)部件會(huì)產(chǎn)生很大的離心力，這個(gè)離心力直接與材料

15、承受件會(huì)產(chǎn)生很大的離心力，這個(gè)離心力直接與材料承受的應(yīng)力有關(guān)，而離心力與轉(zhuǎn)速的平方成正比。在設(shè)計(jì)的應(yīng)力有關(guān)，而離心力與轉(zhuǎn)速的平方成正比。在設(shè)計(jì)時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)部件的強(qiáng)度裕量是有限的。運(yùn)行時(shí)若轉(zhuǎn)速超時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)部件的強(qiáng)度裕量是有限的。運(yùn)行時(shí)若轉(zhuǎn)速超過額定值，就會(huì)發(fā)生嚴(yán)重?fù)p壞設(shè)備事故，甚至?xí)斐蛇^額定值，就會(huì)發(fā)生嚴(yán)重?fù)p壞設(shè)備事故，甚至?xí)斐娠w車事故。特別在啟動(dòng)升速過程中，還會(huì)遇到臨界轉(zhuǎn)飛車事故。特別在啟動(dòng)升速過程中，還會(huì)遇到臨界轉(zhuǎn)速的影響，使機(jī)組產(chǎn)生較大的振動(dòng)，甚至發(fā)生共振而速的影響，使機(jī)組產(chǎn)生較大的振動(dòng)，甚至發(fā)生共振而大大超過設(shè)計(jì)強(qiáng)度，故在啟大大超過設(shè)計(jì)強(qiáng)度，故在啟/ /停過程中也要求準(zhǔn)確地測停過程中也要求

16、準(zhǔn)確地測量轉(zhuǎn)速，盡快越過各個(gè)臨界值轉(zhuǎn)速。量轉(zhuǎn)速，盡快越過各個(gè)臨界值轉(zhuǎn)速。 一、轉(zhuǎn)速傳感器一、轉(zhuǎn)速傳感器測量轉(zhuǎn)速常用的有磁阻式、磁敏式和渦流式轉(zhuǎn)速傳感器測量轉(zhuǎn)速常用的有磁阻式、磁敏式和渦流式轉(zhuǎn)速傳感器 。1.1.磁阻式轉(zhuǎn)速傳感器磁阻式轉(zhuǎn)速傳感器（a）開磁路磁阻式轉(zhuǎn)速傳感器）開磁路磁阻式轉(zhuǎn)速傳感器 （b）閉磁路磁阻式轉(zhuǎn)速傳感器）閉磁路磁阻式轉(zhuǎn)速傳感器磁阻式轉(zhuǎn)速傳感器磁阻式轉(zhuǎn)速傳感器1，9-永久磁鐵；永久磁鐵；2-軟鐵；軟鐵；3-感應(yīng)線圈；感應(yīng)線圈；4-齒輪；齒輪；5-轉(zhuǎn)軸；轉(zhuǎn)軸；6-內(nèi)齒輪；內(nèi)齒輪；7a，7b-外外齒輪；齒輪；8-線圈線圈 磁阻式轉(zhuǎn)速傳感器采用轉(zhuǎn)速磁阻式轉(zhuǎn)速傳感器采用轉(zhuǎn)速脈沖變換電

17、路，如脈沖變換電路，如圖所示。傳感器感應(yīng)電壓由二極管圖所示。傳感器感應(yīng)電壓由二極管V V削去負(fù)半周，送到削去負(fù)半周，送到V1V1進(jìn)行放大，再由射極跟隨器進(jìn)行放大，再由射極跟隨器V2V2送入送入V3V3和和V4V4組成的射組成的射極耦合觸發(fā)器進(jìn)行整形，得到方波輸出信號。極耦合觸發(fā)器進(jìn)行整形，得到方波輸出信號。 磁阻式轉(zhuǎn)速磁阻式轉(zhuǎn)速脈沖轉(zhuǎn)換電路脈沖轉(zhuǎn)換電路 3. 3. 渦流式轉(zhuǎn)速傳感器渦流式轉(zhuǎn)速傳感器 采用電渦流傳感器測速時(shí)，在旋轉(zhuǎn)軸上開一條或采用電渦流傳感器測速時(shí)，在旋轉(zhuǎn)軸上開一條或數(shù)條槽，或者在軸上安裝一塊有輪齒的圓盤或圓板，數(shù)條槽，或者在軸上安裝一塊有輪齒的圓盤或圓板，在有槽的軸或有輪齒的圓

18、板附近裝一只電渦流傳感器。在有槽的軸或有輪齒的圓板附近裝一只電渦流傳感器。 當(dāng)軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，由于槽或齒的存在，電渦流傳感器當(dāng)軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，由于槽或齒的存在，電渦流傳感器將周期性地改變輸出信號電壓，此電壓經(jīng)過放大、整將周期性地改變輸出信號電壓，此電壓經(jīng)過放大、整形變成脈沖信號，然后輸入頻率計(jì)指示出脈沖數(shù)，或形變成脈沖信號，然后輸入頻率計(jì)指示出脈沖數(shù)，或者輸入專門的脈沖計(jì)數(shù)電路指示頻率值。此脈沖數(shù)者輸入專門的脈沖計(jì)數(shù)電路指示頻率值。此脈沖數(shù)（或頻率值）與轉(zhuǎn)速相對應(yīng)。（或頻率值）與轉(zhuǎn)速相對應(yīng)。 如有如有6060個(gè)槽或齒，若頻率計(jì)指示個(gè)槽或齒，若頻率計(jì)指示3000Hz3000Hz，則轉(zhuǎn)速，則轉(zhuǎn)速為為3000r/min3000r/min，這時(shí)每分鐘的轉(zhuǎn)數(shù)就可直接讀出。，這時(shí)每分鐘的轉(zhuǎn)數(shù)就可直接讀出。二、轉(zhuǎn)速監(jiān)測器二、轉(zhuǎn)速監(jiān)測器 上述三種傳感器都是把轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換成與轉(zhuǎn)速成比例上述三種傳感器都是把轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換成與轉(zhuǎn)速成比例的脈沖信號。要讀出轉(zhuǎn)速，還必須計(jì)算這些脈沖數(shù)。的脈沖信號。要讀出轉(zhuǎn)速，還必須計(jì)算這些脈沖數(shù)。根據(jù)計(jì)算方法分為測頻率法和測周期法，相應(yīng)的監(jiān)測根據(jù)計(jì)算方法分為測頻率法和測周期法，相應(yīng)的監(jiān)測儀器為數(shù)字轉(zhuǎn)速監(jiān)測器和零轉(zhuǎn)速監(jiān)測器。儀器為數(shù)字轉(zhuǎn)速監(jiān)測器和零轉(zhuǎn)速監(jiān)測器。 1. 1. 數(shù)字轉(zhuǎn)速監(jiān)測器數(shù)字轉(zhuǎn)速監(jiān)測器