摘要:本文介紹旋轉機械振動監(jiān)測和設備故障診斷的意義、旋轉機械的常見振動問題
和振動測量的原理及 測試方法。最后介紹研制開發(fā)的以計算機為核心的旋轉機械振動監(jiān)測和分析系統(tǒng)的主要功能。

　　關鍵詞:機械振動;軸振動;頻譜分析;故障診斷

　　1．振動狀態(tài)在線監(jiān)測及預測維修

　　旋轉機械的振動監(jiān)測是設備運轉狀態(tài)監(jiān)測的重 要組成部分。隨著生產技術的發(fā)展,一種以狀態(tài)監(jiān) 測為基礎的故障診斷和預測技術得到推廣與應用。 這種技術的發(fā)展，將使設備的維修方式從傳統(tǒng)的 ‘事故維修”和‘定期維修”過渡到‘預知性維修” 從而大大提高設備的年利用率，減少停機維修時間， 降低維修費用，同時也減少了備件庫存量。此外，旋 轉機械的振動測試技術也是轉子現場動平衡和轉子 動力特性試驗研究不可缺少的手段。

　　近十年來,我國振動狀態(tài)監(jiān)測技術得到了重視和研究，在關鍵設備上配備了監(jiān)測儀表或監(jiān)測系統(tǒng)。 例如從國外引進的燃氣輪機發(fā)電機組都安裝了振動 保護系統(tǒng)。對國內制造的200MW、30CMW和 600MW汽輪發(fā)電機組的儀表設計工作正在選擇相 應的振動保護系統(tǒng)與主機配套。國內原有的電站設 備已逐漸安裝機械保護系統(tǒng)及準備安裝機械保護系統(tǒng)。

　　2　旋轉機械振動測試概要

　　旋轉機械振動測試的主要對象是一個轉動部件 一轉子或轉軸，在進行振動測量和信號分析時，也 總是將振動與轉動密切結合起來，以給出整個轉子 運動的某些特征。

　　2.1旋轉機械的振動問題

　　轉子是旋轉機械的核心部件。通常轉子是用油膜軸承、滾動軸承或其它類型軸承支承在軸承座或 機殼、箱體及基礎等非轉動部件上，構成了所謂的 ‘轉子一支承系統(tǒng)” 一臺旋轉機械能否可靠地工 作主要決定于轉子的運動是否正常。大量事實表明,旋轉機械的大多數振動故障是與轉子直接有關。 比如由質量不平衡、轉軸的彎曲或熱變形、軸線不對 中、油膜渦動及振蕩、潤滑油中斷、推力軸承損壞、軸裂紋或葉片斷裂、徑向軸承磨損、部件脫落、動靜部 件接觸和不均勻氣隙等等原因引起的振動,都是與 轉子直接有關的振動故障。當然，也有少部分故障 是與非轉動部件有關。比如支承損壞、基礎共振、基 礎材料損壞、機殼不均勻熱膨脹，以及機殼固定不妥 和各種管道作用力等原因引起的振動，均屬于與非 轉動部件有關的振動故障。有資料估計，旋轉機械 的80%以上的振動故障是由轉子不平衡、軸線不對 中和軸承不穩(wěn)定這三類原因引起的。顯然,這三類 原因均屬于與轉子直接有關的故障。

　　既然大多數振動故障是與轉子直接有關，而且 當這些故障出現時，轉子振動狀態(tài)的變化要比非轉 動部件的振動變化敏感得多。因此,直接測量轉子 的振動狀態(tài)應能獲得更多的有關故障的信息，這比 測量軸承座或機殼等非轉動部件的振動要更為全面、可靠。曾有人在一臺50MW汽輪發(fā)電機組高壓 缸軸承座(橢圓瓦油膜軸承）上測得峰-峰振幅為0.03~0.04mm,同時測得轉子軸頸相對于軸瓦的峰-峰振幅達0. 4〜0.5mm。如果以軸承座的振幅為 依據，則該軸承座的振級是允許的，但是經打開軸瓦檢查,發(fā)現軸瓦上局部合金表面已被磨損。一些事 例表明,某些與轉子有關的振動故障,比如油膜不穩(wěn) 定振動或葉片損壞引起的不平衡振動等，有時反映 在軸承座等非轉動部件上的振動變化并不十分明顯，如果不是直接測量轉子的振動，這些故障易被忽略。

　　2.2旋轉機械振動測試系統(tǒng)

　　旋轉機械振動測試系統(tǒng)如圖1所示。測試系統(tǒng)分為兩部分:前一部分為傳感器測量系統(tǒng)，它包括各種振動傳感器及其專用測量電路（如轉速整形、低 通濾波、電荷放大等）,其作用是將旋轉機械的振動 變換為具有歸一化靈敏度的電壓信號;后一部分為信號采集與分析系統(tǒng),它的作用在于將原始振動信 號通過A/D轉換，成為數字信號經由計算機按要求 進行分析處理，從不同角度為狀態(tài)監(jiān)測、故障診斷、 動平衡或其它試驗研究目的提供必要的信息。

圖1 旋轉機械振動測試圖框

　　傳感器是監(jiān)測裝置的‘眼”和‘耳”它關系到整 個測試與分析結果的可靠性和準確性。如果傳感器 測量系統(tǒng)不能真實地提供振動信號,致使各頻率振 動幅值和相位上有較大的歪曲，或者由于測點部位 選擇不當致使遺漏某些重要信息，即使后續(xù)有較高級的分析與處理設備，也難以獲得可靠的信息。旋 轉機械振動測試中常用三種類型傳感器:慣性式速 度傳感器、壓電式加速度傳感器和不接觸的電渦流式位移傳感器。與它們配套的專用測量電路分別為 積分放大器、電荷放大器和前置器。測得的振幅分 別為mm/s、mm/s2或g及mm或μm。速度振幅采用有效值，加速度振幅采用單峰值，位移振幅采用峰峰值。在10~1000Hz的頻段內速度均方根值相同的振動被認為具有相同的振動烈度。

　　旋轉機械振動信號分析與數據處理的內容非常 豐富，其基本內容包括基頻檢測、頻譜分析、波形分析(各種幅值的檢測及相關分析等）及趨勢分析。 基頻振動是指旋轉機械振動信號中與轉速同頻率的 振動分量。旋轉機械的實際振動不可能是單一頻率的簡諧振動，它或多或少包含基頻之外的其它頻率分量。基頻檢測的目的就是從總的振動中提取基頻 振動的幅值及相位。頻譜分析則是從頻域分析總的振動中各種頻率分量，以及各頻率分量隨轉速或負荷等因素的變化情況,它是進行故障診斷的重要依據。隨著計算機技術的發(fā)展，以微處理機為控制器 的旋轉機械在線狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)得到了推廣和應用。 隨著計算機存儲容量和內存的不斷擴大，使得長時間的實時采集數據、實時分析數據成為可能,為故障 診斷和分析提供了重要的依據。

　　2.3相位的確定

　　在旋轉機械振動測試中,相位是指基頻振動相對于轉軸上某一確定標記的相位落后。設轉軸端面 如圖2(a)所示。在轉軸本體上某一確定位置設立 一標記線K;另外在固定平面上也設置一固定標記K。并且約定固定刻度盤從定標記K起始,刻度值 按逆轉向增加;軸本體上的刻度從動標記K起始, 刻度值按順轉向增加。設每當動標記K轉至定標記K的瞬時給出一脈沖信號,則這一序列脈沖信號 即作為該旋轉機械各點振動相位的參考，如圖2(b) 所表示的那樣,這一脈沖信號,一般稱為鍵相信號。

圖2旋轉機械振動相位的確定

　　為了獲得相位參考脈沖信號，可采用電渦流傳感器或光電傳感器。本系統(tǒng)采用的是光電傳感器。 當用光電傳感器時，要求在軸表面上動標記K處沿 軸向涂上域粘上）一反射窄帶，其余部分為黑區(qū), 或者相反。如果用電渦流傳感器提供脈沖信號，則要求在動標記K處銑出一條幾毫米的鍵槽,或在軸 上沿軸向粘上一條0.5~1.0mm厚的金屬窄帶。由于鍵槽或反射帶具有一定的寬度，因此脈沖信號也有一定的寬度，而且脈沖上升時間也不是無限短，如圖3所表示的那樣。這時，需將脈沖信號進行整形處理,并選擇脈沖的前沿或后沿作為觸發(fā)的參考，將脈沖信號整形為持續(xù)時間極短的尖脈沖。前、后沿觸發(fā)所得的相位值的差別視脈沖信號的寬度大小而 定。當脈沖的寬度相對于一轉動周期甚小時，這一差別也隨之減小。

圖3用電渦流傳感器或光電傳感器提供相位參考脈沖信號
　　

　　2.4轉軸徑向相對振動的測定

　　轉軸徑向相對振動（簡稱軸振動）是指圓軸橫 截面中心他稱軸心）相對于軸承座在某一半徑方 向的振動。實際上我們不能直接測量到軸心的振動，通常以所能測到的圓軸的轉動表面在某一半徑 方向的振動，作為軸心在該方向的振動。軸振動的測定是分析轉軸振動狀態(tài)的重要依據，特別對于油 膜軸承，由于軸頸與軸瓦之間留有一定的間隙以形 成油膜，因此在多數場合，軸頸處軸振動通常要比軸承座的振動大，有時甚至大數倍至十數倍。這時，軸 的徑向相對振動就足以為我們分析軸的振動故障提供主要信息，而不一定需要再測量軸的徑向絕對振動。

　　用不接觸式電渦流傳感器測量軸振動的裝置如 圖4所示。圖4 (a)上的裝置是用固定卡將兩個渦流傳感器安裝在軸瓦側面兩個選定的相互垂直的半徑方向上傳感器的電纜視具體情況可以從軸承座 下半部和出線孔引出，或從圖上所示的特制密封接頭中引出。利用圖4(a)裝置,我們可以測定轉軸在 兩個正交方向的軸振動，進而可以將這兩個軸振動 合成得軸心在其橫截面內的相對運動軌跡,即軸心 軌跡。圖4(b)是將裝有電渦流傳感器的專用測量盒擰入軸承蓋上特別加工的測量孔內，以實現對軸振動的測量。

圖4 測定轉軸徑向相對振動的裝置
　　

　　3　旋轉機械狀態(tài)在線監(jiān)測軟件

　　隨機信號與振動分析系統(tǒng)簡稱CRAS，是南京汽輪高新技術開發(fā)公司開發(fā)研制的，以計算機為核心的多功能振動分析系統(tǒng)。自上世紀80年代開發(fā) 以來，隨著計算機的發(fā)展以及操作系統(tǒng)、開發(fā)軟件平臺不斷更新，系統(tǒng)也從DOS版升級為Windows XP， 目前正在開發(fā) Windows Vista版，以 Microsoft Visual C++NET為開發(fā)工具的一個成熟的商品軟件。旋轉機械振動監(jiān)測和分析VmCms及機器狀態(tài)在線監(jiān) 測和分析OiMonifcr只是其中的兩個軟件包，機器 狀態(tài)在線監(jiān)測和分析OiMonitor具有VmCras全部 功能并兼有大容量數據管理功能。這兩個軟件包的主要功能和4個通道頻譜界面如下：

圖5 隨機信號與振動分析系統(tǒng)界面  
　　

　　(1)采集方式：內部（FFT等帶寬）、外部（整周 期轉速跟蹤）。
　　(2)轉速傳感器：內部方式可以加轉速也可不 加;外部方式必須加轉速傳感器。轉速傳感器采用 光電轉速傳感器。
　　(3)采集控制:監(jiān)示、定時間間隔、定轉速間隔、 連續(xù)。
　　(4)監(jiān)測值類型:有效值RMS、峰值Peak、峰一 峰值P - P。
　　(5)報警限值:各通道報警限值設定。
　　(6)加窗函數：矩形窗（Rectangle)、漢寧窗(Hanning)、指數窗（Exp)、力窗（Force)等。
　　(7)穩(wěn)態(tài)分析:時基圖、棒圖、軌跡圖、每日趨勢 圖、頻譜圖或階次譜圖。
　　(8)瞬態(tài)分析:時基圖、棒圖、軌跡圖、啟停過程 趨勢圖、波德圖、極坐標圖、轉速階次譜圖和全息譜。
　　(9)趨勢分析:振動時間曲線、振動轉速曲線、 轉速時間曲線。
　　(10)數據列表:采集數據列表、事件列表、統(tǒng)計 列表。

　　以下就是用該軟件對燃氣輪機進行檢測的一些 數據的圖形截屏。

　　3. 1 軌跡圖（Orbit)

　　軸心軌跡是指在給定的轉速下,軸心相對于軸 承座在其與軸線垂直平面內的運動軌跡。我們可以 測定轉軸在兩個正交方向的軸振動,進而可以將這 兩個軸振動合成得軸心在其橫截面內的相對運動軌 跡，即軸心軌跡。僅僅得到了軸心軌跡圖，還沒有顯示頻率信息。在軌跡圖上還必須迭加上轉速鍵相信 號。轉子同步振動時,每轉一圈就振動一次,軌跡圖 上出現一個光亮點。如果軌跡圖上出現二個亮點, 則說明轉子呈現次同步振動，振動頻率等于轉速的 一半。因此軌跡圖上添加一個鍵相參考脈沖，有助于識別軸振動頻率。得到轉子運動軌跡后,可以分 析不平衡、不對中、磨擦、油膜振蕩、轉軸渦動、機械 松動等機械故障，如圖6。

圖6軌跡圖
　　

 　　3.2頻譜圖及階次譜圖

　　旋轉機械振動的頻率分析是診斷振動原因的最 主要方法之一。當采用內部方式采樣即固定采樣頻 率采樣時，分析頻率范圍是恒定的。這種情況下的 頻率分析（功率譜、功率譜密度、能量譜以及均方根 譜)與普通FFT分析儀對各種機械或信號的頻率分析沒有什么區(qū)別，見圖7。當采用外部采樣方式，以轉速信號作為參考進 行整周期采樣的情況下，旋轉一個周期中取得的樣 本數正好等于FFT塊大小（32、64、128、256)。此 外，由于存在一個鍵相脈沖信號作為相位基準，每次 采集所得到的一個周期信號的相位都是相同的。對它們進行FFT計算后，振動信號的基頻（即轉動頻 率)在頻譜圖的第1根線上（第0根線為直流分量）;二倍頻分量在第2根譜線上；……因此，這種 整周期采樣振動信號的頻譜稱為階次譜。如果每轉 取32個點，則可分析到16階振動分量;每轉取64 個點，可分析到32階振動分量；8226;8226;…階次譜分析是 旋轉機械特有的譜分析方法，屬于特征分析的一種。 因為旋轉機械振動的原因往往是與轉子振動有關的，因此，振動的特征也與工頻分量或其整數倍有 關。階次分析對于旋轉機械振動診斷是一個有力的工具。

圖7 頻譜圖
　　

　　3. 3波德圖（Bode)和極坐標圖（Polar)

　　波德圖是描繪基頻振動的幅值及相位隨轉速變 化的兩條曲線，如圖8,波德圖有時也稱為不平衡響 應圖。極坐標圖又稱為乃奎斯特圖，是以各轉速下 基頻幅值為徑向的模,以相位為徑向的幅角,在極坐 標平面上繪制的曲線。所以,極坐標圖實際上就是基頻振動的復數振幅隨轉速變化的向量端圖，如圖 9。波德圖由于是以轉速為橫坐標，因此從幅值曲線 易于確定臨界轉速值,并可由曲線上的半功率帶寬 粗略估計該臨界轉速下的阻尼比（P1、P2稱為半功率點,其寬度為半功率帶寬，H6為半功率點轉速、 r1、r2為振幅最大值凡處的轉速，阻尼比Σ≈（r2-r1）/2rm,但其形狀受軸彎曲或跳動而影響較大。極 坐標圖突出振幅與相位的相互變化關系，其開頭不受軸彎曲或跳動影響,任何彎曲或跳動的存在只表 示為一個初始矢量。極坐標圖在動平衡時常被用來 確定轉子上不平衡質量分布的方位角。

　　3.4三維頻譜圖

　　三維頻譜圖又名級聯(lián)圖、譜陣圖、瀑布圖，它是 以轉速、時間等作為第三維繪制的頻譜曲線集合。

　　波德圖和乃奎斯特圖都受升降速度的限制，升速或降速太快分析的誤差較大。然而，在轉速變化時能經常觀察頻譜的某幾個分量的動態(tài)變化過程,這正是動態(tài)級聯(lián)譜圖的優(yōu)點之一。如圖10,三維頻 譜圖能較清晰地顯示各倍頻分量隨轉速的變化情況。

圖9 極坐標圖

圖10 三維頻譜圖

　　為了適應旋轉機械在轉速變化情況下進行頻率 分析的特殊要求，采用跟蹤階次的外采樣技術可以得到以轉速的階次為橫坐標的頻譜圖，在階次頻譜 圖上各階分量呈平行線，如圖11。

圖11 階次頻譜圖

圖12 全息譜圖

　　3.5全息譜圖

　　另一種動態(tài)級聯(lián)譜，它由許多橢圓組成，橢圓的直徑是該階的振動幅值，傾角是相位，如圖12。目前，旋轉機械振動監(jiān)測和分析VmCras已在 高校、冶金、電力、電機、汽機等行業(yè)得到廣泛應用。圖12全息譜圖我公司的9E燃氣輪機組的出廠試驗檢測中也已應用。

　　4．振動趨勢分析

　　趨勢分析是另外一種廣泛用來近似地確定機器 狀況的方法。用它來確定一臺機器是否處于正常狀態(tài)，或者是否出現惡化。所有的機器都不例外，都會 因為一個不太重要的缺陷處于某一振級水平。然而，在那些沒有出現重大機械故障的地方，振級會在 一段長時期內相對地保持穩(wěn)定。相反，如果出現重 大機械故障，這些故障會使機器的機械狀況惡化，那 么相應振級會隨著機械狀態(tài)和惡化過程的時間而發(fā)生變化。例如一個轉動體的不平衡可能在軸承上產生超過其允許承受的力，因此，軸承很可能會在較短 的時間內開始磨損，并且隨著時間的延續(xù)進一步惡 化，當然結果是明顯地增加振級。因此，通過對機器 的周期性侮日、每星期等）振動檢查，并在趨勢圖 上標出數據，機械狀態(tài)就一目了然。如果振級表示 正常，這種趨勢圖會保持相對平緩。

圖4 廠用電率與修正廠用電率對比圖
　　

　　經常會產生這樣的情況，某機器雖然振動水平曲線非常平滑，在較小范圍內波動，說明電廠廠用電 情況和主變損耗情況正常。舉例計算的結果驗證了 本文修正計算方法的正確性與實用性。同時須指出 的是:若修正綜合廠用電率有異常變化，一定是技術因素導致的,應該尋找原因。比如:重大設備更換, 設備檢修用電量變化,變壓器因溫度變化導致?lián)p耗 變化，電表計量裝置故障等等，本文就不具體分析了。

　　5　結論

　　因聯(lián)合循環(huán)電廠有調峰運行特點，按傳統(tǒng)方法 計算的廠用電率和綜合廠用電率不能全面準確的為 電廠的運行工作給予正確的指導。文中深入分析了 影響廠用電率的因素,并提出了修正綜合廠用電率 的計算方法，通過實例驗證了這套修正計算方法的正確性。這套修正計算方法為電廠數據統(tǒng)計與分析 工作提供了理論依據,且具有
實用性,建議相關電廠采納使用。

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