旋转机械振动监测和分析

第23卷󰀁第1期2010年3月󰀁燃󰀁气󰀁轮󰀁机󰀁技󰀁术󰀁GASTURBINETECHNOLOGYVol󰀁23󰀁No.1Mar.,2010

旋转机械振动监测和分析

郑月珍

(南京汽轮电机(集团)有限责任公司,南京󰀁210037)

摘󰀁要:本文介绍旋转机械振动监测和设备故障诊断的意义、旋转机械的常见振动问题和振动测量的原理及测试方法。最后介绍我公司研制开发的以计算机为核心的旋转机械振动监测和分析系统的主要功能。

关󰀁键󰀁词:机械振动;轴振动;频谱分析;故障诊断中图分类号:O329󰀁󰀁󰀁文献标识码:A󰀁󰀁󰀁文章编号:1009-2889(2010)01-0039-06

1󰀁振动状态在线监测及预测维修

旋转机械的振动监测是设备运转状态监测的重

要组成部分。随着生产技术的发展,一种以状态监测为基础的故障诊断和预测技术得到推广与应用。

这种技术的发展,将使设备的维修方式从传统的󰀁事故维修󰀁和󰀁定期维修󰀁过渡到󰀁预知性维修󰀁,

从而大大提高设备的年利用率,减少停机维修时间,降低维修费用,同时也减少了备件库存量。此外,旋

转机械的振动测试技术也是转子现场动平衡和转子

动力特性试验研究不可缺少的手段。近十年来,我国振动状态监测技术得到了重视

和研究,在关键设备上配备了监测仪表或监测系统。

例如从国外引进的燃气轮机发电机组都安装了振动

保护系统。对国内制造的200MW、300MW和600MW汽轮发电机组的仪表设计工作正在选择相

应的振动保护系统与主机配套。国内原有的电站设

备已逐渐安装机械保护系统及准备安装机械保护系统。

2󰀁旋转机械振动测试概要

旋转机械振动测试的主要对象是一个转动部件󰀁转子或转轴,在进行振动测量和信号分析时,也

总是将振动与转动密切结合起来,以给出整个转子

运动的某些特征。2.1旋转机械的振动问题

转子是旋转机械的核心部件。通常转子是用油膜轴承、滚动轴承或其它类型轴承支承在轴承座或

机壳、箱体及基础等非转动部件上,构成了所谓的󰀁转子󰀁支承系统󰀁。一台旋转机械能否可靠地工

作主要决定于转子的运动是否正常。大量事实表明,旋转机械的大多数振动故障是与转子直接有关。

比如由质量不平衡、转轴的弯曲或热变形、轴线不对

中、油膜涡动及振荡、润滑油中断、推力轴承损坏、轴

裂纹或叶片断裂、径向轴承磨损、部件脱落、动静部件接触和不均匀气隙等等原因引起的振动,都是与

转子直接有关的振动故障。当然,也有少部分故障

是与非转动部件有关。比如支承损坏、基础共振、基础材料损坏、机壳不均匀热膨胀,以及机壳固定不妥

和各种管道作用力等原因引起的振动,均属于与非

转动部件有关的振动故障。有资料估计,旋转机械

的80%以上的振动故障是由转子不平衡、轴线不对中和轴承不稳定这三类原因引起的。显然,这三类

原因均属于与转子直接有关的故障。

既然大多数振动故障是与转子直接有关,而且当这些故障出现时,转子振动状态的变化要比非转

动部件的振动变化敏感得多。因此,直接测量转子

的振动状态应能获得更多的有关故障的信息,这比

测量轴承座或机壳等非转动部件的振动要更为全面、可靠。曾有人在一台50MW汽轮发电机组高压

缸轴承座(椭圆瓦油膜轴承)上测得峰-峰振幅为

0.03~0.04mm,同时测得转子轴颈相对于轴瓦的峰-峰振幅达0.4~0.5mm。如果以轴承座的振幅为

依据,则该轴承座的振级是允许的,但是经打开轴瓦

*收稿日期:2009-07-02󰀁改稿日期:2009-08-10燃气轮机技术第23卷󰀁

检查,发现轴瓦上局部合金表面已被磨损。一些事

例表明,某些与转子有关的振动故障,比如油膜不稳

定振动或叶片损坏引起的不平衡振动等,有时反映在轴承座等非转动部件上的振动变化并不十分明

显,如果不是直接测量转子的振动,这些故障易被忽

略。

2.2旋转机械振动测试系统旋转机械振动测试系统如图1所示。测试系统分为两部分:前一部分为传感器测量系统,它包括各

种振动传感器及其专用测量电路(如转速整形、低

通滤波、电荷放大等),其作用是将旋转机械的振动变换为具有归一化灵敏度的电压信号;后一部分为

信号采集与分析系统,它的作用在于将原始振动信

号通过A/D转换,成为数字信号经由计算机按要求

进行分析处理,从不同角度为状态监测、故障诊断、动平衡或其它试验研究目的提供必要的信息。

图1󰀁旋转机械振动测试框图󰀁󰀁传感器是监测装置的󰀁眼󰀁和󰀁耳󰀁,它关系到整

个测试与分析结果的可靠性和准确性。如果传感器

测量系统不能真实地提供振动信号,致使各频率振动幅值和相位上有较大的歪曲,或者由于测点部位

选择不当致使遗漏某些重要信息,即使后续有较高

级的分析与处理设备,也难以获得可靠的信息。旋转机械振动测试中常用三种类型传感器:惯性式速

度传感器、压电式加速度传感器和不接触的电涡流

式位移传感器。与它们配套的专用测量电路分别为

积分放大器、电荷放大器和前置器。测得的振幅分别为mm/s、mm/s2或g及mm或󰀁m。速度振幅采

用有效值,加速度振幅采用单峰值,位移振幅采用峰

峰值。在10~1000Hz的频段内速度均方根值相同的振动被认为具有相同的振动烈度。

旋转机械振动信号分析与数据处理的内容非常

丰富,其基本内容包括基频检测、频谱分析、波形分

析(各种幅值的检测及相关分析等)及趋势分析。基频振动是指旋转机械振动信号中与转速同频率的

振动分量。旋转机械的实际振动不可能是单一频率

的简谐振动,它或多或少包含基频之外的其它频率分量。基频检测的目的就是从总的振动中提取基频

振动的幅值及相位。频谱分析则是从频域分析总的

振动中各种频率分量,以及各频率分量随转速或负荷等因素的变化情况,它是进行故障诊断的重要依

据。随着计算机技术的发展,以微处理机为控制器

的旋转机械在线状态监测系统得到了推广和应用。随着计算机存储容量和内存的不断扩大,使得长时

间的实时采集数据、实时分析数据成为可能,为故障

诊断和分析提供了重要的依据。

2.3相位的确定在旋转机械振动测试中,相位是指基频振动相

对于转轴上某一确定标记的相位落后。设转轴端面

如图2(a)所示。在转轴本体上某一确定位置设立一标记线K󰀁;另外在固定平面上也设置一固定标记

K。并且约定固定刻度盘从定标记K起始,刻度值

按逆转向增加;轴本体上的刻度从动标记K󰀁起始,

刻度值按顺转向增加。设每当动标记K󰀁转至定标记K的瞬时给出一脉冲信号,则这一序列脉冲信号

即作为该旋转机械各点振动相位的参考,如图2(b)

所表示的那样,这一脉冲信号,一般称为键相信号。40第1期旋转机械振动监测和分析

图2󰀁旋转机械振动相位的确定󰀁󰀁为了获得相位参考脉冲信号,可采用电涡流传

感器或光电传感器。本系统采用的是光电传感器。当用光电传感器时,要求在轴表面上动标记K󰀁处沿

轴向涂上(或粘上)一反射窄带,其余部分为黑区,

或者相反。如果用电涡流传感器提供脉冲信号,则要求在动标记K󰀁处铣出一条几毫米的键槽,或在轴

上沿轴向粘上一条0.5~1.0mm厚的金属窄带。由

于键槽或反射带具有一定的宽度,因此脉冲信号也有一定的宽度,而且脉冲上升时间也不是无限短,如

图3所表示的那样。这时,需将脉冲信号进行整形处理,并选择脉冲的前沿或后沿作为触发的参考,将

脉冲信号整形为持续时间极短的尖脉冲。前、后沿

触发所得的相位值的差别视脉冲信号的宽度大小而定。当脉冲的宽度相对于一转动周期甚小时,这一差别也随之减小。

图3󰀁用电涡流传感器或光电传感器提供相位参考脉冲信号2.4转轴径向相对振动的测定

转轴径向相对振动(简称轴振动)是指圆轴横

截面中心(也称轴心)相对于轴承座在某一半径方

向的振动。实际上我们不能直接测量到轴心的振

动,通常以所能测到的圆轴的转动表面在某一半径

方向的振动,作为轴心在该方向的振动。轴振动的

测定是分析转轴振动状态的重要依据,特别对于油

膜轴承,由于轴颈与轴瓦之间留有一定的间隙以形

成油膜,因此在多数场合,轴颈处轴振动通常要比轴承座的振动大,有时甚至大数倍至十数倍。这时,轴的径向相对振动就足以为我们分析轴的振动故障提供主要信息,而不一定需要再测量轴的径向绝对振

动。

用不接触式电涡流传感器测量轴振动的装置如

图4所示。图4(a)上的装置是用固定卡将两个涡

流传感器安装在轴瓦侧面两个选定的相互垂直的半

径方向上。传感器的电缆视具体情况可以从轴承座

下半部和出线孔引出,或从图上所示的特制密封接

头中引出。利用图4(a)装置,我们可以测定转轴在

两个正交方向的轴振动,进而可以将这两个轴振动合成得轴心在其横截面内的相对运动轨迹,即轴心

轨迹。图4(b)是将装有电涡流传感器的专用测量41燃气轮机技术第23卷󰀁

盒拧入轴承盖上特别加工的测量孔内,以实现对轴振动的测量。

(a)(b)图4󰀁测定转轴径向相对振动的装置3󰀁旋转机械状态在线监测软件

随机信号与振动分析系统简称CRAS,是南京汽轮高新技术开发公司开发研制的,以计算机为核

心的多功能振动分析系统。自上世纪80年代开发

以来,随着计算机的发展以及操作系统、开发软件平

台不断更新,系统也从DOS版升级为WindowsXP,目前正在开发WindowsVista版,以MicrosoftVisual

C++.NET为开发工具的一个成熟的商品软件。旋

转机械振动监测和分析VmCras及机器状态在线监测和分析OnMonitor只是其中的两个软件包,机器

状态在线监测和分析OnMonitor具有VmCras全部

功能并兼有大容量数据管理功能。这两个软件包的

主要功能和4个通道频谱界面如下:

图5󰀁随机信号与振动分析系统界面󰀁󰀁(1)采集方式:内部(FFT等带宽)、外部(整周

期转速跟踪)。

(2)转速传感器:内部方式可以加转速也可不

加;外部方式必须加转速传感器。转速传感器采用

光电转速传感器。

(3)采集控制:监示、定时间间隔、定转速间隔、

连续。

(4)监测值类型:有效值RMS、峰值Peak、峰󰀁

峰值P-P。

(5)报警限值:各通道报警限值设定。(6)加窗函数:矩形窗(Rectangle)、汉宁窗(Hanning)、指数窗(Exp)、力窗(Force)等。

(7)稳态分析:时基图、棒图、轨迹图、每日趋势

图、频谱图或阶次谱图。

(8)瞬态分析:时基图、棒图、轨迹图、启停过程

趋势图、波德图、极坐标图、转速阶次谱图和全息谱。

(9)趋势分析:振动时间曲线、振动转速曲线、

转速时间曲线。

(10)数据列表:采集数据列表、事件列表、统计

列表。

以下就是用该软件对燃气轮机进行检测的一些

数据的图形截屏。42