机组振动测试与分析技术培训.docx
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机组振动测试与分析技术培训
第一讲机组振动测试与分析技术
第一节振动测量
振动是一种特殊的力学运动形式，它是指质点或机械动力系统在某一稳定平衡位置随时间变化所做的一种往复式运动。
四种振动形式：
简谐振动：
运动量随时间按谐和函数的形式变化
周期振动：
运动量变化经过一个固定的时间间隔不断重复
非周期振动：
振动量变化随时间不呈现重复性
随机振动：
任一给定时刻的运动量不能预先确定
汽轮发电机组振动的激振力来自于周期旋转的轴，因而多数是周期振动。
它们一般可以被分解为若干个简谐振动之和。
个别情况下，也会呈现为单一的简谐振动的形式。
一、简谐振动与复合振动
旋转机械最基本的振动形式是简谐振动，位移的数学表达式为：
x＝Asin（ωt＋φ）
A：
位移幅值，ω表示园频率，φ表示初始相位。
两个以上频率不相同的简谐振动合成在一起，便形成一个复合振动，反过来，任何周期振动又都可以分解成若干个简谐振动。
付里叶变换是进行这种分解的有效工具。
旋转机械的振动信号都是周期性连续信号，汽轮机组振动专业习惯称这种信号为通频信号。
用FFT分解后得到的一系列简谐信号中，与转动频率相同的简谐振动具有特殊的意义，它被称之为一倍频振动，也有称之为工频、基频、选频、同频或1X等。
频率为转速二分之一和两倍的简谐振动在旋转机械的振动分析也是较常用到的，它们分别被简称为半频（1/2X）和倍频（两倍频，2X）振动。
低于工作转速频率的振动，统统被称为低频振动；高于工作转速频率的振动，被称为高频振动。
它们可能是转动频率的整分数倍或整数倍，也可能不是。
二、振动位移、速度和加速度振幅的量度
简谐振动可以用位移、速度和加速度三种形式表示。
简谐振动位移的大小，用振幅Ap表示，即最大位移到平衡位置之间的距离，也称作单峰值；振动的波峰与波谷之间的垂直距离称作为峰峰值，表示为Ap-p；
单位都是微米（μm）或毫米（mm）。
电厂习惯用“丝”或“道”表示，1毫米是100丝，1丝等于10微米。
在描述振幅的大小时，如果不做特别的注明，所指振幅都是峰峰值，这是目前振动测量仪器对位移振幅习惯的输出值。
同样，速度和加速度的振幅也可以用峰值或峰峰值来表示。
对于速度振幅，因为振动能量与速度的平方成正比例，所以更多地是使用均方根值或称有效值,又称作振动烈度，单位：
mm/s。
根据测量得到的振动速度－时间曲线，速度均方根值Vrms由下式计算：
Vrms＝√（1/T）∫v2（t）dt
对于复合振动，速度均方根可以按下式计算：
Vrms（mm/s）＝√（（Vrms,12＋Vrms,22＋……＋Vrms,n2）/n）
3000r/min机组工作转速下简谐振动的速度均方根和位移峰峰值的换算公式：
Vrms（mm/s）≈Ap-p（微米）/9
三、旋转机械相位的物理意义和测量
相位是进行转子动平衡和故障诊断不可缺少的量值。
旋转机械振动可以看作为一个矢量在空间随转轴的旋转。
任一时刻，这个矢量相对于转轴上一个实在的物理标志的空间夹角，即是振动“相位”。
如果联系振动测试波形来理解相位，则它是谐振信号相对于转轴上某个固定的物理标记产生的每转一次脉冲之间的角度差。
第二节 现场振动测试
一、测试对象与内容的确定
常规振动测试包含有如下方面：
1、各主要轴承的瓦振；在条件容许的情况下，测试所有轴承的瓦振。
2、各主要轴承处的轴振；相对轴振或绝对轴振。
（1）盘车状态；
（2）低转速（400r/min－500r/min）时的轴振。
（间隙电压）
二、测点的选择与布置
三、测试工况、内容与步骤
测试前应该确定测试工况：
升速、降速、3000r/min、超速、低负荷、变负荷过程以及满负荷等；对运行的特殊要求：
升速率、暖机时间、真空、排气缸温度、氢压、油温等以及测试步骤、试验安排的次序。
测试通常包含常规测试项目和特殊测试项目。
常规测试项目有以下内容。
1、升降速振动测试
升降速振动测试可以确定：
●轴系各阶临界转速
●某一特殊转速区段振动随转速的变化情况
●支撑系统和结构振动特性，共振等
●动静碰摩
●幅变化情况，特别是在临界转速之前。
2、3000r/min定速时的测量
3000r/min时的振动是机组振动的基本而重要的数据，常常以此作为平衡的基础数据。
有一部分机组振动随温度变化显著，冷态启机刚到3000r/min和数十分钟后的振动会不同。
因此，需要注意3000r/min测量值与定速时间的关系。
3000r/min定速时的测量一般测量记录较全的数据，包括各轴承垂直、水平轴向三个方向的振动，现有的全部轴振测点的数据。
3、满负荷和升负荷过程的振动测量
满负荷时机组振动和3000r/min时的振动一样是重要的数据。
机组绝大多数时间是要在满负荷状态下运行的，相对来说，它比机组处于其它状态下的振动更为重要，因此，保证这个状态下机组的振动是首要任务。
如果几个重要工况点：
过临界转速、3000r/min、低负荷、满负荷的振动互有矛盾而无法全部顾及，则首先要保证的还是满负荷时的振动，这是现场处理振动的一条基本原则。
多数机组满负荷时的振动基本是稳定的，可能会有些不显著的变化。
通常用最高值或平均值来衡定。
如果随满负荷时间的延续振动持续不断增加以至超标，这时则要进行振动处理。
3000r/min及其之后的升负荷过程、满负荷的振动测试，可以用趋势图来显示，同时可以将发电机有功功率采集绘制在同一张图中，振动曲线清楚地表明振动随时间和负荷的变化情况。
在对汽轮发电机组进行振动故障分析和诊断时，有时需要安排一些特殊的试验项目，观察机组某些特定运行参数发生变化时振动是如何变化的，从中找出联系，以便确定振动原因。
特殊试验项目有：
4、超速试验
5、变真空试验
6、变油温试验
7、变调门开启次序试验
8、变励磁电流试验；
9、变氢压试验；
10、变有功无功试验。
11、变轴承结构参数试验；
12、变支撑刚度试验；
13、支撑刚度激振试验；
14、改变轴承标高试验。
第三节振动数据分析方法
一、频谱分析
两个以上频率不相同的简谐振动合成在一起，便形成一个复合振动。
这种复合振动是非简谐的周期振动。
反过来，任何周期振动又都可以分解成若干个简谐振动。
付里叶变换是进行这种分解的有效工具。
有限离散付里叶变换可以计算信号的频谱、功率谱以及解决其它方面的问题。
但是，当离散的点数比较多时，计算的工作量太大，无法广泛应用。
1965年，Gooley和Tukey提出了快速付里叶变换算法，即FFT（FastFourierTransform），大大减少了计算量，使具体计算有限付里叶变换成为可能。
此后，FFT成为信号数字处理的十分有效的工具。
二、信号的幅值域分析
最基本的信号特征的分析是计算信号的幅值域参数，包含
最大值
最小值
均值
均方根值
三、信号的相关分析
相关分析：
研究信号之间关联程度的分析叫
自相关函数、互相关函数
能够寻找隐藏在噪声信号中的有关联的信号。
相关分析多用于对于随机信号的处理，旋转机械振动信号大多数是确定性周期信号，相关分析较少采用。
四、频响函数分析及应用
对机组进行结构共振分析时，需要知道机组构件与转轴转动之间随转速变化的关系，这种传递关系可以用频响函数来研究。
常常采用锤击法测量结构的频响函数。
知道H（f）后，可以判断机组结构系统是否存在共振。
这项判断的难点在于需要有足够大的力的输入以激起足够大的响应。
频响函数还用在轴承油膜动特性试验测定中。
五、倒频谱分析
倒频谱分析的目的是寻找频谱中的周期成分。
利用倒频谱可以精确地量度功率谱中的谐振频率和边带频率，倒频谱用一个量值即可以代表了谐振和边带的全部功率，这在分析滚动轴承的故障时是很有用的。
六、Wigner时频分布
七、小波分析（WaveletTransformation）
付里叶变换适用于平稳信号，不适合于非平稳时变信号的处理。
加窗付里叶变换一定的局限性。
小波变换发展了加窗付里叶变换的时域局部化思想，窗口宽随频率的增高而缩小，保持高频信号仍具有较高的分辨率。
小波变换适当离散化之后可构成标准的正交系。
小波变换是一种多分辨率的信号处理技术。
它利用一系列不同尺度的基函数对信号进行分解，这些基函数可以根据信号不同的频率段，通过母小波的伸缩与平移而得到。
八、非线性特征分析
分形维数，盒维数
第四节稳态数据和瞬态数据的特征图形
机组转速不变，运行参数不断变化时，振动测量得到的数据称为稳态数据。
启动升速或停机降速过程的振动的数据，称之为瞬态数据。
一、瞬态数据的特征图形
1、波特图
波特图是表示振动幅值、相位随转速变化的图形。
图形的横坐标是转速，纵坐标有两个，一个是振幅峰峰值，一个是相位。
每个图上有两条曲线，分别表示了该测点振幅、相位随转速是如何变化的，或称作幅频、相频特性。
图6－2是某台机组升速过程从零到3000r/min＃5轴承垂直振动波特图。
图6－2
波特图是用来确定：
●临界转速
●共振放大因子AF：
两种计量法：
半功率带宽法
和幅值比率法
●分析转子不平衡质量所处的轴向位置
不平衡振型阶数
●结构共振分析
●动静碰摩分析
2、极座标图
3、轴心动态轨迹
对应一定的转速，转轴在支承轴承中的工作点位置，即静态工作点是一定的。
由于振动，转轴中心会围绕着这个工作点做周期运动形成动态运动轨迹，如图6－5所示。
图中的大圆弧是轴颈的静态轨迹，转速为零时，轴颈中心在A1，随转速的增加，轴颈向左上方浮起，转速越高，上浮量越大。
对应一定的转速，轴颈中心的平均位置是固定的，同时轴颈中心还要围绕着这个平均位置作涡动，涡动轨迹就是动态轨迹。
如果这个涡动是转子不平衡质量造成的同步涡动，轨迹即如图中所示的椭圆形。
轴心动态轨迹图形可以提供下列信息：
●振幅（垂直、水平方向）；
●绝对相位（垂直、水平方向）；
●相对相位；
●相对（于工频的）振动频率比；
●进动方向；
●振型。
不同的振动故障会呈现不同的动态轨迹。
因而，轴心轨迹可以用来进行故障诊断。
轴心轨迹的测量必须要在一个平面互相垂直安装的两个涡流传感器。
4、轴心静态轨迹
当转子不转动时它应该座落在轴承内孔的底部，转子转动后，由于油楔的动压作用，转子要上抬。
随转速的升高，油膜产生的向上的作用力增加，轴心的位置会画出一条向上的连续曲线来，这就是轴心静态轨迹。
轴心静态轨迹图给出了轴颈在轴承中的位置，它是诊断的有用工具，用它可以确定转子的下列情况：
（1）送高压顶轴油后轴颈浮起量。
可以用来确定顶轴油泵、油路是否正常。
（2）转速升高过程以及3000r/min定速后轴颈在轴承中的位置。
将轴心轨迹和正常情况下的进行比较，可以知道当前的转子是否受到不正常的约束力作用，或判断轴瓦是否异常。
（3）支承状况变化时对轴颈静态位置的影响。
支承状况较多是由于温度变化引起的标高变化，进而引起轴颈相对轴承的静态位置的变化。
（4）缸体左右位置变化引起轴承相对轴颈位置的变化。
判断缸体跑偏，缸体受到侧向推力，轴承座在台板上滑动不良等缺陷。
（5）油膜状况的变化。
发生油膜失稳时，轴颈在轴承中应该处于小偏心的位置。
根据轴心静态轨迹以及和油温、油压等相应参数的比较，可以确定轴颈偏心率的变化是否是油膜变化所致。
（6）外部作用力，如汽流激振力等。
转子发生汽流激振时，一个可能的原因是汽门的开启次序使得转子受到额外的向上的作用力，轴颈在轴承中向小偏心方向移动，抑制失稳的能力降低，进而发生失稳。
在判断失稳是否出自这一原因时，轴心静态轨迹是有用的。
图6－7给出了一台50MW机组
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