tsi振动数据的特征分析.docx
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tsi振动数据的特征分析
振动数据的特征分析
由于振动是动态参数，为表示振动特性，通常采用各种图形方式来进行描述。
振动特征分析就是将振动信号时域分析和频域分析的结果用一定的图形或曲线表示出来。
主要有以下几种图形及其特点：
1、波形图（waveformplot）：
包含的信息量大，具有直观、易于理解等特点，但不太容易看出所包含信息与故障的联系
2、频谱图（FrequencySpectrogram）：
频谱分析是机械故障诊断中用得最广泛的信号处理方法之一，在振动分析和故障诊断中起着提取特征和压缩数据的作用
3、轴心轨迹图（OrbitPlot）：
轴心轨迹的形状及其方向对于旋转机械故障的诊断也是很重要的
4、轴心位置图（ShaftCenterPosition）：
轴的中心位置变化趋势，从而可以了解轴承的磨损程度
5、波特图（BodePlot）：
波德图是最常使用的振动分析工具之一，其用来确定机器的临界转速及其过临界转速时的振幅和相位，从2X分量的波德图可以看出转子的副临界转速。
波德图常用作设备的验收试验。
6、极坐标图（PolarPlot,NyquistPlot）：
在极坐标图中很容易得到原始晃矢量，即与低转速所对应的矢量。
7、级联图（CascadePlot）：
可以更清楚地看出各种频率成分随转速的变化情况，这对于故障分析是十分有用的。
这类最典型的故障是油膜涡动和油膜振荡
8、瀑布图（WaterfallPlot）：
可以清楚地看出各种频率的振幅随时间是如何变化的，对分析定转速下出现的动静碰摩、热弯曲、电磁激振、汽流激振等故障是很有用的
9、相关趋势图（RativeVibrationTrendPlot）：
这种曲线非常直观，对运行人员监视机组状况很有用
下面将对分析振动原因极其有用的有关图形作一详述：
1、波形图（WaveformPlot）
波形图是转子响应随时间的变化曲线，其横坐标为时间，通常表示为周期数，纵坐标为振动实时值，通常它近似为正波，是最原始的信号，所以包含的信息量大，具有直观、易于理解等特点，但不太容易看出所包含信息与故障的联系。
从波形图可推导出呈现在振动波形中的基本频率，借助于键相相位信号，时基线信号可被用作相位角的直接显示。
当旋转机械其不平衡故障较严重时，信号中有明显的以旋转频率为特征的周期成分（即一倍频1X成分）（见图3.1）；
而转轴不对中时，信号在一个周期内，比旋转频率大一倍的频率成分（即二倍频2X成分）明显加大，即一周波动二次（见图3.2）；
机组失稳时导致轴振信号中出现明显的低频信号（见图3.3）。
在实际测量中，X、Y两个传感器中任一传感器，都可得到包含许多频率成分的通频波形图，如图3.4所示。
通过波形图还可以分辨由于测量系统存在问题（如传感器安装位置不正确、轴表面存在缺陷、探头受干扰）而导致的振动问题。
图3.6为涡流探头受电磁影响后的振动波形，该异常波形的幅值通常随励磁电流的增大而增大，在机组空载时通常会消失；
图3.7为轴表面存在缺陷的轴振波形，该异常波形的幅值与转速和机组运行工况无关，在机组盘车时就存在。
2、频谱图（FrequencySpectrogram）
工程上所测得的信号一般为时域信号，然而由于故障的发生、发展往往引起信号频率结构的变化，为了通过所测信号了解、观测对象的动态行为，往往需要频域信号。
将时域信号变换至频域加以分析的方法称为频谱分析，如图3.8所示。
频谱分析的目的是把复杂的时间历程波形，经傅里叶变换分解为若干单一的谐波分量，以获得信号的频率结构以及各谐波幅值和相位信息。
频谱分析是机械故障诊断中用得最广泛的信号处理方法之一。
频谱图包括幅值谱和相位谱，若以频率f为横坐标，以幅值为纵坐标所得即为幅值谱的频谱图，以相位为纵坐标所得即为相位谱的频谱图（通常按快速傅里叶分析得到的相位谱是没有实际意义的）。
对于汽轮发电机组的振动，无论是强迫振动还是自激振动，激振源大多数与转子的转速有关，激振力的频率往往是转速的整数倍或整分数倍。
对于线性的转子-轴承-支承系统，振动响应中必然包含这些激振力产生的频率分量；
另一方面，对于多种自激振动，只有当激振力的频率与转子某个临界转速或支承系统固有频率接近时，才会激起大的振动。
所以，在传感器检测到的振动信号中，包含有对应于转子临界转速，支承系统固有频率和转速整数倍或整分数倍的简谐分量，当然也可能含有非线性产生的其它振动分量和随机噪音。
频谱分析就是对复杂周期信号逐一分离成各频率简谐分量，在振动分析和故障诊断中起着提取特征和压缩数据的作用，这是很有用的，因为某些故障能够引起具有特定频率的振动。
3、轴心轨迹图（OrbitPlot）
轴心轨迹是指轴心上一点相对于轴承座的运动轨迹，它是旋转机械故障诊断很重要的信息。
这一轨迹是在与轴垂直的平面内，因此要求在该平面内设置两个相互垂直的传感器。
整个测试装置如图3.12所示。
（1）、轴心轨迹的方向
轴心轨迹有其运动方向，它不是轴的旋转方向，它可能与轴的旋转方向一致，也可能相反，可能是顺时针方向也可能是反时针方向。
轴心轨迹的方向变化是由于垂直和水平振动曲线相位不同所致。
垂直与水平两通道振动信号合成轴心运动转迹后，若再加上键相信号，则可得到如图3.12所示带有键相信号的轴心轨迹图（图中黑点和白点即为键相信号），这样就可以根据键相信号来判断轴心轨迹的运动方向，它是从黑点开始沿着轨迹向着空白方向（这是指键相器为轴上有键槽的情况，若采用凸台的方案则轴心轨迹方向相反，即由空白处指向黑点）。
轴心的运动通常称为“涡动”或“进动”。
当轴心运动方向与轴的旋转方向一致时称为“正进动”；当轴心运动方向与轴的旋转方向相反时称为“反进动”。
轴心轨迹的形状及其方向对于旋转机械故障的诊断也是很重要的。
（2）、轴心轨迹的形状
在不同工况下，轴心轨迹有不同的形状（图3.12左上）。
如果机组动刚度所包含的各种约束力（惯性力、弹性力、阻尼力）在径向各向相等而只有一个不平衡的干扰力（如质量不平衡力）作用在轴上，则轴心轨迹将是一个圆；其它的力或不相等的约束力，将使轴心轨迹变成其他形状。
当径向刚度不同或者轴上的预加载荷有了变化（如由于轴子中心不正引起轴上各点载荷变化）轴心轨迹是椭圆或者使椭圆发生大小方向的变化。
对于不平衡质量引起的轴心运动，假定轴各向弯曲刚度（包括支承刚度）相同时，轴的运动为同步正运动（所谓同步即涡动角速度与轴旋转速度相同），轴心轨迹为一圆。
反映在X和Y方向为只有基频成份的简谐振动，且幅值相等，相位差为90°。
在这种情况下，轴的弯曲相对轴的部位是不变的。
但对于许多实际转子而言，由于轴的各向弯曲刚度及支承刚度存在差异，由不平衡质量引起的轴心轨迹不再是一个圆，而是一个椭圆。
这时，反映在X和Y方向的振动不仅幅值不同，而且相位差也不是90°。
在这种情况下，轴的弯曲部位不是固定不变的，而是以轴上某一线为中心的左右偏摆，这是因为弯曲面不是等角速转动，虽然它的平均角速度仍然等于轴的角速度Ω。
在一般情况下，轴的运动除了上述由不平衡响应引起的同步正进动外，还存在非同步的正进动和反进动，这时轴心轨迹即具有较复杂的形状。
需要说明的是，图3.12所描绘的各种轴心轨迹形状都是理解情况下的几何图形，实际振动除了基频之外，可能包括多种非基频成分，再加上轴系及支承各向刚度不同，因此轴心轨迹往往表现出奇特的形状。
图3.13为实测的某台机组3瓦到6瓦的轴心轨迹。
图3.13所示为在稳态下汽轮机各轴承处轴心轨迹。
如果将表明键相信号的各小黑点用线连接起来，就是一条轴的变形线，从而有助于找出故障发生点或更有利于轴系平衡。
在机组开停机过程或稳定运行过程中，如果发现某瓦轴心轨迹的方向发生了变化，那机组肯定发生了摩擦，图3.13为某200MW机组发生磨擦过程中的轴心轨迹变化过程，从中可以发现轴心轨迹形状和方向均发生了变化。
4、轴心位置图（ShaftCenterPosition）
在稳态工作条件下，低速转动或甚至在停机的情况下，连续监测X、Y涡流探头直流间隙电压，经一段时间后会发现轴心的平均位置（不是轴心轨迹）会发生变化，这是由于转动机械内部受力条件改变所致，参见图3.16。
轴心位置图显示了轴的中心位置随转速或时间的变化趋势。
它可以识别出无振动变化时轴的中心位置是否可能发生变化。
通过长时间的轴心位置图，可看出轴的中心位置变化趋势，从而可以了解轴承的磨损程度。
如图3.16所示，当转子不转动时，轴心位置应该坐落在轴承内孔的底部，理论上讲，在轴承间隙圆的正下方。
如果考虑顶轴油压的作用，它要略微上浮数十微米到一百多微米。
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，这就是轴心位置图。
轴心位置图给出轴颈在轴承中的位置，它是状态诊断的有用工具，用它可以确定转子的下列情况：
●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。
●转速升高过程以及3000r/min定速后轴颈在轴承中的位置。
将轴心位置图和正常情况下的轨迹图形进行比较，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。
●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。
●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。
●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。
●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顺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，轴心位置图是有用的。
●判断瓦温升高的原因。
通常情况，瓦温的升高意味着轴颈与轴瓦面的距离接近，这种变化在轴心静态轨迹图中也很容易看到。
理论上，如果轴承的载荷、油温等参数不变，轴心静态轨迹是唯一的。
但大修后或运行中会有各种不同的因素影响到轴心位置，因而，在不同时期、不同阶段，同一测点的轴心位置轨迹会有差别。
5、波特图（BodePlot）
波德图定义为与转速同步的振动及其相位和运行转速的关系曲线。
波德图是最常使用的振动分析工具之一，其用来确定机器的临界转速及其过临界转速时的振幅和相位，从2X分量的波德图可以看出转子的副临界转速。
波德图常用作设备的验收试验。
一些标准规定转子的临界转速与工作转速必须有一定的避开范围。
波特图显示机组在启停机过程中振动一倍频幅值和相位随转速的变化趋势图（图3.18）。
图形的横坐标是转速，纵坐标分别为一倍频幅值和相位。
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。
波特图是用来确定临界转速的重要工具。
如果振幅曲线出现波峰，同时相位发生急剧增加，增加幅度大于70°,这时所对应的转速有可能是该测点所处的转子或相邻转子的临界转速。
如果机组运行状态良好，则多次开停机数据的波特图形状基本能保持一致。
如果通过比较多次开停机数据的波特图形状，发现不一致，就可以初步判断机组存在故障。
6、极坐标图（PolarPlot,NyquistPlot）
极坐标图是将不同转速下的振幅和相位绘制在极坐标中的图形，它和波特图类似，不同的是波特图是绘制在直角坐标系中的图形。
极坐标图也被称为振型圆图。
振幅－转速曲线在极坐标图中是呈环状出现的，从图中易于得到各阶模态参数。
临界转速处在环状振幅最大处，且此时从弧段上标记的转速应该显示出变化率最大。
用涡流传感器测试轴振时，在极坐标图中很容易得到原始晃矢量，即与低转速所对应的矢量。
从带有原始晃度的图形得到扣除原始晃度后的振动曲线也很容易做到，为此，只需将坐标系坐标原点平移到与需要扣除的原始晃度矢量对应的转速点，原图的曲线形状保持不变。
这样原曲线在新坐标系中的坐标即是扣除原始晃度后的振动响应。
极坐标图实际上是把波特图中的幅频曲线和相频曲线合二为一，成为一条标有转速的曲线，它能形象地显示不同转速下振动响应矢理的大小以及在空间的方位。
在图上可以确定转子振动的高点和不平衡质量的位置，可以从过临界转速时高点滞后于不平衡质量90°确定，也可以根据低于临界转速时滞后角小于90°，高于临界转速时大于90°的规律来确定。
不平衡质量的位置在极坐标图中是固定不变的，如果据此进行动平衡，可以很容易地将施加平衡重块的位置定位在不平衡质量的反面。
从原理上的说明是如此，实际中机组的动平衡一般不用极坐标力，因为这样的方法过于繁复，且计入的因素单一。
7、级联图（CascadePlot）
转子的转速在变化过程中，转子振动呈动态变化。
以转子升速过程为例，当转子升速时，各转速下都有反映转子频域特性的频谱图，把各个转速下的频谱图绘在一张图上，称为“级联图”（图3.21），它是三维频谱图的一种形式。
级联图显示的是机组在启停机过程中不同转速下各种频率成分的大小随转速变化趋势，X向为各频率成分，Y向为振幅，Z向为转速。
级联图与波德图及极坐标图的不同在于它不是对某一频带幅值的描述，而是对全频带的响应进行描述，这样便可以在转速或其它参量变化过程中，观察到转子许多频率分量下转子的动态响应过程。
比如利用级联图可以更清楚地看出各种频率成分随转速的变化情况，这对于故障分析是十分有用的。
这类最典型的故障是油膜涡动和油膜振荡。
图3.22为机组停机过程中存在轴瓦碰磨时的级联图。
图3.23为由于传感器支架存在40Hz共振频率，导致机组在开机过程中测量得到的振动信号一直存在40Hz频率，且在机组转速为2400r/min时造成支架共振，导致测量得到的振动信号存在很大的40Hz信号。
8、瀑布图（WaterfallPlot）
瀑布图显示机组在某一段时间内各种频率成分的大小随时间的变化趋势（图3.24）。
它是在不同一段时间内连续测得的一组频谱图顺序组成的三维谱图，X向为各频率成分，Y向为振幅，Z向为时间。
一般情况下用来分析额定转速下的机组振动变化情况。
它与级联图一样，是三维频谱图的一种形式。
从瀑布图中可以清楚地看出各种频率的振幅随时间是如何变化的，对分析定转速下出现的动静碰摩、热弯曲、电磁激振、汽流激振等故障是很有用的。
图3.25所示是某电厂3号机组带负荷运行时由于发电机轴瓦刚度不够导致发电机振动突然增大时的瀑布图。
图3.26为某300MW机组调门动作时1瓦X向轴振出现明显低频振动的瀑布图。
9、相关趋势图（RativeVibrationTrendPlot）
机组运行时，可以利用趋势图显示、记录振动或其它过程参数是如何随时间、转速、负荷和其它工况变化的。
这种图形的横坐标和纵坐标参数可由用户自由选择。
在分析机组振动随时间、转速、负荷的变化时，这种曲线非常直观，对运行人员监视机组状况很有用。
图3.27给出的是轴振和胀差、位移随转速的变化曲线。
图3.28给出的是机组开机并定速20分钟后在停机过程机组转速及三瓦振动随时间的变化曲线，从中可判断低压转子存在摩擦。
在分析机组振动随时间、负荷的变化时，这种图给出的曲线十分直观，它们对运行人员监视机组状况很有用。
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