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1、旋转机械振动故障分析与治理,朱晓东东南大学火电机组振动国家工程研究中心2019年5月,欢 迎 交 流！,朱晓东 博士 副教授东南大学火电机组振动国家工程研究中心副主任江苏省振动工程学会秘书长通讯地址：南京四牌楼2号东南大学 火电机组振动国家工程研究中心邮政编码：210096电话：025-83793248-8302手机：13382782140电子信箱： zxd_seuseu.edu,主 要 内 容,振动基本概念振动测试方法振动分析方法动平衡理论常见故障特征故障诊断方法机组动力学设计若干问题,一、振动基本概念,振动危害振动三大种类振动三要素单圆盘转子升速过程振动特点多圆盘转子升速过程振动特点振动标
2、准,1、振动危害,影响机组安全稳定运行，具体表现在：轴承乌金损坏通流部分磨损转轴承受大幅交变应力大轴弯曲联轴器螺栓断裂噪音,2、振动三大种类,自由振动：外界扰动作用下的振动，危害较小，可不考虑。强迫振动：外界激励力作用下的振动，如：不平衡、不对中等。自激振动：系统内部存在能量反馈环节。如：油膜振荡、汽流激振等。,3、振动三要素,简谐运动是最基本的振动形式，复杂振动可以看成是多个简谐振动的合成。 振动三要素频率： （1）不同故障对应不同频率； （2）同一频率可能对应多种故障； （3）1X振动频率和机器转速相同； 2X振动频率是机器转速的两倍； 1/2X振动频率是机器转速的一半。,幅值：振动强度、
3、振动平稳的标志。相位振动位移、速度和加速度位移、速度、加速度表示的特点低频故障用位移信号高频故障用加速度信号,4、单圆盘转子系统升速过程振动特点,幅频曲线相频曲线波德图临界转速概念,5、多圆盘转子系统升速过程振动特点,是单圆盘转子系统的推广多个临界转速,6、振动标准（I）,两种振动测量方式：轴承座振动（瓦振）轴振三种振动单位振动位移振动烈度振动加速度,6、振动标准（II）,各种测量方法的优缺点瓦振：直接、方便轴振：直观、明显烈度和加速度：考虑了频率影响振动稳定性：很重要，运行中要密切关注。振动监测标准的设置,为确保机组安全，通常要设置振动报警和停机值。报警状态下，运行人员要密切注意振动变化情况
4、，振动不能发散。振动达到跳机值时，立即停机。不同机组振动特性、动静间隙不同，振动保护值的设置可能不同。,10200r/s大型旋转机械振动烈度标准 ISO3945-1985,旋转轴的振动ISO7919/2,二、振动测试方法,瓦振测量轴振（相对、绝对）测量相位测量频谱测量,1、瓦振测量方法,磁电式速度传感器原理：往复式小型发电机特点安装简单、方便低频特性不好（10Hz以下）需要积分一次获得位移信号只能获得动态信号信号可以直接进入分析系统处理价格较便宜,2、轴振测量方法（I）,涡流传感器原理：电涡流效应特点：交、直流信号必须配前置放大器将信号放大传感器要求较严，电缆不能互换、截短或延长非接触式测量对
5、测量表面要求较高（径向跳动） 轴表面腐蚀、轴不园、凹坑、伤痕、压痕、剩磁、局部应力集中、热处理不均匀、镀层厚度不均匀等。频率特性好,2、轴振测量方法（II）,输出位移信号，无需积分需外加电源（12V）安装较困难测量结果与材料有关可以作为转速或键相信号,3、加速度传感器,可测量瓦振原理：压电材料的压电效应加速度传感器特点加速度值频响范围宽积分两次获得位移信号，误差容易放大结构简单，安装方便质量轻，对测量结果影响小。需配备电荷放大器只能测量动态信号,4、涡流传感器的安装,安装后很难调整，安装要求严工作温度120度安装在轴瓦内避免传感器的交叉感染避免传感器头部和侧隙过小避免支架共振和松动正确的初始间
6、隙,5、相位测量,相位基本概念相位的重要性：指导平衡加重测量方法脉冲法闪光测相法脉冲法：反光带光电传感器，现场测试分析开槽或贴片涡流传感器，监测系统,6、频谱测量,两种测量方法：对信号进行快速FFT变换滤波方法通常是在计算机或分析仪表内编写计算程序完成。,三、振动相关的其它参数,轴在轴承内的位置；大轴偏心度：涡流传感器直流分量峰峰值；差胀：机壳与转子之间相对膨胀，防止轴向碰摩；机壳膨胀；对中；瓦温、油压。,四、振动分析方法,常见振动图形振动分析时用到的相关参数常见振动试验方法,1、常见振动图形,振动波形,正弦信号（理想情况）多频率混合信号毛刺削波调频调幅不对称不稳定,振动频谱,最常用分析方法频
7、谱功能不同故障具有不同型式的频谱同一频谱有可能对应多种故障1x、2x概念,波德图,将升、降速过临界振动幅值、相位变化情况以图形的形式记录下来。功能：判断临界转速判断过临界振动判断不平衡量的大小和形式,奈奎斯特图,将升降速过临界振动变化情况以极坐标形式表示出来。功能判断临界转速（幅值、相位变化）过临界振动情况不平衡形式,轴心轨迹,转子平面运动，轴心轨迹描述了轴颈运动情况。功能轴颈中心位置轴颈运动情况不同故障具有不同形式的轨迹，如不平衡、不对中、油膜振荡等。,瀑布图,不同时刻的频谱图叠加在一起功能：形象地反映了不同时刻振动频谱变化情况。,级连图,不同转速下的频谱图叠加在一起功能：反映了机组启停过程
8、中振动频谱变化情况。,趋势图,将一段时间内的振动变化情况表示出来功能：一段时间内振动变化情况，如：是否稳定、变化趋势、有无突变等。,2、振动分析时的相关参数（I）,机组振动异常的历史联轴器瓢偏、晃度、张口、高低差汽缸膨胀和胀差轴承型式和轴承油压、油温、瓦温汽缸排汽温度真空负荷轴瓦紧力、间隙,2、振动分析时的相关参数（II）,轴系中心情况发电机转子风温、水温氢温、氢压、密封油压发电机无功轴系结构、临界转速轴系标高,3、常见振动试验,1、负荷试验,目的：改变传递扭矩改变热状态改变膨胀情况方法：保持其他参数不变，改变负荷。负荷变化后需要稳定一段时间。现象：,振动与负荷无关：转子不平衡负荷改变振动立即
9、改变：与传递力矩有关（联轴器）负荷改变振动变化有滞后：热弯曲或膨胀系统有缺陷。,2、电流试验,目的：验证发电机转子故障发电机转子两种主要故障电气故障：线圈短路转子与静子间空气间隙不均匀热变形故障线圈受热变形转子热变形方法：保持其他参数不变，改变电流。电流变化后需要稳定一段时间。,现象：振动与电流无关：排除发电机问题电流改变振动立即改变：与电气有关电流改变振动变化有滞后：转子热变形或转子线圈受热膨胀变形。,3、转速试验,目的：判断过临界振动情况验证部件共振方法：启停和超速过程中每隔50100rpm记录振动变化情况。试验内容：启停过临界振动有无差别过临界振动情况部件有无共振现象,4、真空试验,目的
10、：判断振动与真空和排汽温度之间的关系。判断轴承座底部接触情况。方法在较低负荷下进行真空变化后需要稳定一段时间记录真空、振动、汽缸温度等参数,现象：振动与真空变化无关真空变化振动立即变化振动变化滞后于真空变化,5、轴承油膜试验,目的：验证润滑油对系统稳定性的影响方法：改变油温改变油压记录瓦温、油温、油压、振动等参数现象：无关少量高频成分供油不足引起乌金摩擦大量低频成分油膜失稳,6、轴承座外特性试验,目的：检查轴承座是否存在松动或接触不良等缺陷。方法：在不同高度、左右两侧对称位置测量轴承座振动。现象：正常：振动沿高度均匀减少、左右侧差别振动小异常：差别振动大，左右两侧振动不等。,四、动平衡原理和方
11、法（I）,平衡基本概念不平衡故障特征和判断转子分类（刚性转子和柔性转子）刚性转子平衡理论基础动平衡的两个基本假设单平面影响系数法双平面影响系数法多平面影响系数法,四、动平衡原理和方法（II）,谐分量法多矢量优化轴系平衡影响轴系振动的因素,1、平衡基本概念,轴系各横截面质心不在轴系中心上偏心轮通过加重调整不平衡量,2、不平衡故障特征和判断,频谱特征：1x分量波形特征：正弦波幅值、相位稳定轴心轨迹：稳定的椭圆形排除其他相似故障，如：热弯曲、中心孔进油、轴承座刚度不足等,3、转子分类,两大类转子：刚性转子：转子没有变形或变形量很小柔性转子：转子存在变形划分刚、柔性转子的必要性刚性转子平衡时可以不考虑
12、转子变形的影响，单一转速下平衡好后在其他转速下也是平衡的。柔性转子必须同时考虑多转速下的平衡问题。区分刚性、柔性转子的方法以转速距离临界转速的远近程度来划分。,4、刚性转子平衡理论基础,刚性转子可以通过在任选的两个端面上加重来平衡任意形式的不平衡分布。力的分解与合成单平面平衡是一个特例风机、联轴器等的平衡可以用单平面来平衡。,5、刚性转子的平衡品质,允许残余不平衡量与转子质量成正比；允许残余不平衡量与旋转速度成反比；ISO将平衡等级分为G0.4G4000多个等级。API612标准：剩余不平衡量产生的离心力，在最大运行转速下，每个轴承所承受的不平衡力不大于轴承所承受静载的10。这一要求比ISO高
13、。平衡品质要求一般在现场进行试验，有时也可在平衡机上进行，但平衡机特性应该与使用此转子的机器在工作状况下的特性基本相同。,刚性转子平衡等级,5、动平衡的两个基本假设,线性假设：振动幅值与不平衡力大小成正比，忽略非线性影响滞后角假设：在恒定转速下，转子振动高点滞后于不平衡力的角度恒定。,6、单平面影响系数法（I）,基本概念振动是一个矢量：幅值、相位矢量加、减、乘、除计算单平面平衡步骤测量原始振动 A0试加重 P0测量加重后的振动 A1计算加重效应（影响系数） (A1-A0)/P0计算平衡重量 P：PA00,6、单平面平衡法（II）实例,原始振动：357试加重：1.99 0加重后振动：8 195影
14、响系数：20.164 141计算加重量：1.62 359,7、双平面平衡法（I）,是单平面影响系数法的推广影响系数变为矩阵计算变为二元二次方程组求解步骤：测量原始振动A0、B0在平面I上试加重P1测量加重后振动A1、B1在平面II上试加重P2测量加重后振动A2、B2计算加重影响系数矩阵计算两个平面上应加平衡重量,7、双平面平衡法（II）实例,原始振动：A0=32 320,B0=78 112平面I试加重：0.5kg 345加重后振动： A1=24 225,B1=43 250平面II试加重：0.48kg 247加重后振动： A2=47 280,B1=10085计算加重影响系数矩阵： 平面I：84
15、190，227.3 292.3 平面II:63.5 351,97.4 146.7计算加重： 平面I 0.1577kg24, 平面II 0.4878kg125,8、多平面平衡,是两平面平衡问题的推广矩阵是一个矛盾方程组，没有唯一解求解必须采用最小二乘法大多采用计算机求解平衡实例（略）,9、谐分量法（I）,影响系数法和谐分量法的优缺点比较影响系数法：原理简单、启动次数较多谐分量法：原理复杂，要求对转子动力特性有一个比较深的认识，启动次数少基本概念同向分量和反向分量同向振动系由同向不平衡力引起反向振动系由反向不平衡力引起两者相互间没有影响,9、谐分量法（II）,同向振动分量用同相加重来平衡反向振动分
16、量用反向加重来平衡,9、谐分量法（III）基本步骤,测量两个测点原始振动A0、B0，分解在两个平面同时加重P1、P2，分解测量加重后振动A1、B1，分解分别计算同向、反向加重影响系数分别计算同向加重和反向加重量合成同向和反向加重，得到两个平面上加重量,9、谐分量法（IV）实例,原始振动：A0=80 345,B0=20 215 分解 34 33247 354试加重：P1=680 99 ,P2=25917 分解 380 79 347120加重后振动：A1=25 225,B1=20 27 分解 4 2722 217影响系数：,9、谐分量法（V）实例,对称加重影响系数： 84 79 反对称加重影响系数
17、：187 67计算加重： 对称加重：48 128 反对称加重：118 330加重合成： 平面I：75 343 平面II：163 143,10、矢量分析法,根据试加重效应，通过试凑的方法找出最优平衡方案特点：方法直观、灵活、实用可以预制加重后振动可以考虑多工况下的振动,11、轴系平衡（I）必要性,对轴系而言，单转子平衡是不够的。联成轴系后转子振型会发生变化运行时会产生热变形靠背轮联接轴系平衡比较复杂启停次数受限制加重面受限制转子间存在相互影响各轴承座动态特性相差较多,11、轴系平衡（II）方法,单转子法和影响系数法单转子法：相邻转子质量相差较大两个不平衡转子间有平衡转子相隔只有一个转子需要平衡影
18、响系数法轴系平衡法实例（略去）,12、影响轴系振动的因素,转子不平衡形式和沿轴向分布情况支撑特性工作转速距离临界转速的远近程度轴系间转子不平衡分布,五、常见故障基本原理和特征,油膜涡动和振荡汽流激振摩擦热弯曲不对中轴承座刚度不足共振,1、油膜涡动和油膜振荡（I）,起因：润滑油压合成后产生了一个垂直于转子偏移方向的切向力导致转子涡动。特征：频谱：低频 0.4x-0.5x与转速关系：振荡会突然产生和发散振幅：涡动时振幅稳定，振荡时振幅发散很快，幅值很大。轨迹：涡动时轨迹较稳定，振荡时轨迹紊乱，轴在瓦内乱跳。转速变化时振幅变化有滞后现象与轴承负荷、标高、油温、油压、轴承型式、长径比等有关,1、油膜振
19、荡（II）治理方案,更换稳定性好的轴承提高轴承载荷提高润滑油温减小轴承长径比,2、气流激振,起因：转子在汽缸内的偏心导致不均匀的气流激振力，该力合成后在转子偏移的垂直方向上产生一切向力，导致涡动。特征：频谱：低频与负荷关系密切主要发生在大容量机组高、中压转子上。治理方法调整转子偏心提高轴承稳定性,3、摩擦（I）,起因：动、静部件之间的碰撞动静间隙小动静间隙不合理汽缸或汽封受热或冷却后产生不均匀变形振动大摩擦导致的两个后果力冲击热冲击力冲击现象和特征波形畸变、毛刺、削波少量高频成分,3、摩擦（II）,热冲击现象和特征振动不稳定相位不稳定启停过临界振动差别大快速停车后轴的晃度较开机前明显增大容易弯
20、轴避免弯轴的注意事项工作转速低于临界转速时，如发生摩擦，应立即降速工作转速高于临界转速时，如发生摩擦，应密切注意振动发展情况。,4、热弯曲,起因转子横截面上因受热或冷却不均导致温度分布不均匀。特征频谱：1x分量，少量2x分量与运行参数有关，如负荷、励磁电流、冷却水温、氢温、氢压等振动变化运运行参数变化之间有滞后现象治理措施：采取连续盘车等措施减小转子上温度的不均匀分布,5、不对中,起因：两个转子对中状况不好特征：频谱：1x、2x量较大与负荷、真空等运行参数有关治理措施：检查联轴器连接情况检查转子对中情况调整轴承标高,6、轴承座刚度不足,振动与不平衡力成正比，与轴承刚度成反比。起因：轴承座支撑系
21、统出现问题特征：频谱：1x振动轴承座外特性较差。轴承座底部接触不好治理措施：调整轴承座各螺栓连接紧力检查轴承座底部接触情况,7、共振,起因：工作转速与系统部件固有频率相距较近。特征：频谱：1x振动与转速关系密切治理措施：降低外界扰动力调整系统固有频率,六、故障诊断基本步骤（I）,给机器看病和给人看病是同样的道理推理模式正向推理反向推理混合推理分层诊断,六、故障诊断基本步骤（II）,智能诊断系统专家系统模糊理论神经网络模式识别统计和概率论,七、机组动力学设计若干问题,临界转速：避开工作转速10。稳定性：对数衰减率0.2共振放大因子：阻尼越大，共振放大因子越小。不平衡响应灵敏度。,欢迎交流与合作！,谢 谢！,谢谢！,
