振動(dòng)診斷在水輪機(jī)故障診斷與失效分析中的應(yīng)用

何理瑞

(浙江水利水電學(xué)院 工程實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)中心，浙江 杭州 310018)

水輪機(jī)是水電站運(yùn)行的核心設(shè)備，其工作狀態(tài)是否穩(wěn)定對(duì)整個(gè)電站發(fā)電系統(tǒng)的安全運(yùn)行保障具有很大的影響，若設(shè)備出現(xiàn)重大安全事故往往會(huì)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失.有資料表明，水電機(jī)組所發(fā)生的70%～80%的故障都能通過(guò)水電機(jī)組的振動(dòng)反映出來(lái).振動(dòng)故障預(yù)測(cè)和診斷是保障水輪機(jī)安全運(yùn)行的有效技術(shù)手段之一.對(duì)水輪機(jī)振動(dòng)故障診斷技術(shù)及失效分析的研究，具有很大的實(shí)際意義，有利于推動(dòng)設(shè)備維護(hù)和狀態(tài)檢修工作的正常開展.水輪機(jī)振動(dòng)故障診斷與失效分析研究，及時(shí)、正確地對(duì)水輪機(jī)各種異常狀態(tài)或故障狀態(tài)作出診斷，預(yù)防或消除故障，提高機(jī)械運(yùn)行的可靠性、安全性和有效性，將水輪機(jī)故障的損失降低到最低水平.保證水輪機(jī)發(fā)揮最大的工作能力，制定合理的檢修制度，延長(zhǎng)水輪機(jī)服役期限和使用壽命，降低其全壽命周期費(fèi)用.

1 振動(dòng)診斷的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

利用振動(dòng)信息進(jìn)行故障診斷，一般是出于以下考慮：

(1)振動(dòng)是機(jī)械運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)的必然現(xiàn)象，只要機(jī)械設(shè)備開動(dòng)就有振動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生，而故障信息包含于振動(dòng)信號(hào)之中；

(2)易于實(shí)現(xiàn)在線診斷和監(jiān)控；

(3)大部分機(jī)械內(nèi)部異常時(shí)，會(huì)導(dǎo)致振動(dòng)量的增加以及振動(dòng)頻率成分或振動(dòng)形態(tài)的改變；

(4)不同的故障是由于機(jī)械故障所施加的激勵(lì)不同而引起的.因而產(chǎn)生的振動(dòng)會(huì)具有各自的特點(diǎn)；

(5)測(cè)試手段、方法、理論相對(duì)比較成熟.

2 水輪機(jī)常見振動(dòng)故障特點(diǎn)

水輪機(jī)振動(dòng)與其他機(jī)器設(shè)備一樣，在運(yùn)轉(zhuǎn)中的振動(dòng)是普遍存在的、不可能安全避免和消除的現(xiàn)象.根據(jù)引起振動(dòng)的誘發(fā)原因，水輪機(jī)振動(dòng)故障特點(diǎn)主要表現(xiàn)為：

(1)水輪機(jī)振動(dòng)故障的漸變性.水輪機(jī)轉(zhuǎn)速與其他旋轉(zhuǎn)機(jī)械的轉(zhuǎn)速相比明顯較低，水輪機(jī)振動(dòng)故障的發(fā)展一般屬于漸變性、耗損性故障.同時(shí)也為故障診斷和趨勢(shì)分析，捕捉事故征兆，早期預(yù)警帶來(lái)便捷.

(2)水輪機(jī)振動(dòng)故障的復(fù)雜多樣性.水輪機(jī)是一個(gè)涉及機(jī)械和水力的復(fù)雜系統(tǒng).在運(yùn)行過(guò)程中除了機(jī)械因素外還有水力因素的影響，可能是某一個(gè)因素引起的單一振動(dòng)，也可能是幾種因素共同作用的耦合振動(dòng)，振動(dòng)機(jī)理相對(duì)復(fù)雜.

(3)水輪機(jī)振動(dòng)故障的特殊性.整個(gè)水電站的設(shè)計(jì)、施工受地理位置、地質(zhì)狀況和經(jīng)濟(jì)技術(shù)等多方面的影響.導(dǎo)致了不同于一般振動(dòng)故障的特性.

3 水輪機(jī)振動(dòng)故障診斷

3.1 建立故障診斷專家系統(tǒng)

振動(dòng)故障診斷的“專家系統(tǒng)”是指在計(jì)算機(jī)控制的振動(dòng)在線監(jiān)測(cè)、特征分析和振動(dòng)專家經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，應(yīng)用人工智能方法實(shí)現(xiàn)振動(dòng)故障的一種自動(dòng)診斷系統(tǒng).它通常是水輪機(jī)振動(dòng)在線監(jiān)測(cè)和故障診斷系統(tǒng)的一個(gè)組成部分(見圖1).

圖1 專家系統(tǒng)的構(gòu)成

3.2 振動(dòng)故障的識(shí)別

通常當(dāng)水輪機(jī)運(yùn)行狀態(tài)出現(xiàn)異常時(shí)，必然會(huì)反映到振動(dòng)水平的改變或異常，特別是在振動(dòng)頻率上表現(xiàn)得最為明顯.為了掌握故障征兆參數(shù)與故障原因之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，建立故障樣本數(shù)據(jù)庫(kù).對(duì)異常振動(dòng)原因進(jìn)行分析和推斷.運(yùn)用頻譜分析方法，國(guó)內(nèi)外有關(guān)專家對(duì)遇到的大量實(shí)際故障進(jìn)行分類統(tǒng)計(jì)，按照征兆對(duì)應(yīng)的故障發(fā)生頻率建立了用于故障診斷的征兆頻率表(見表1).

3.3 故障的振動(dòng)部位判別

振動(dòng)幅值的大小是反映故障發(fā)生嚴(yán)重程度的一種度量.大量的工程實(shí)踐表明，當(dāng)發(fā)生振動(dòng)故障時(shí)，總會(huì)在水輪機(jī)的某個(gè)部位檢測(cè)到超過(guò)允許值的振動(dòng).

(1)若在水導(dǎo)軸承處的振動(dòng)比其他部位更明顯時(shí)，可能是蝸殼、導(dǎo)葉及轉(zhuǎn)輪中的水力不平衡所引起的振動(dòng).

(2)若因轉(zhuǎn)輪葉片出水連線型差異、葉片尾部形成卡門渦列、尾水管中產(chǎn)生偏心渦帶等引起的振動(dòng)，則在壓力鋼管、尾水管頂板均可測(cè)得明顯振動(dòng)，蝸殼中會(huì)出現(xiàn)較大水壓波動(dòng).

因此，根據(jù)振動(dòng)部位的不同，也可在一定程度上判斷振動(dòng)故障原因.當(dāng)水輪機(jī)發(fā)生振動(dòng)故障時(shí)，總會(huì)在某個(gè)(或某些)部位產(chǎn)生較大的振動(dòng)，即振動(dòng)部位反映與振動(dòng)故障有著一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系(見表2).

表1 水輪機(jī)振動(dòng)故障頻譜特征表

注：表中f0為轉(zhuǎn)子工作頻率.

表2 水輪機(jī)振動(dòng)故障幅值特征表

4 建立水輪機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)檢修系統(tǒng)

對(duì)于水輪機(jī)來(lái)說(shuō)振動(dòng)引起的各種故障或事故成為其檢修的主要原因.狀態(tài)監(jiān)測(cè)是對(duì)水輪機(jī)運(yùn)行狀況和現(xiàn)存性能指標(biāo)以及安全程度，失效分析的綜合描述.它是對(duì)水輪機(jī)整體或主要部件的各種性能指標(biāo)定量或定性的反映，通過(guò)先進(jìn)的監(jiān)測(cè)分析工具和方法，對(duì)水輪機(jī)的運(yùn)行狀況進(jìn)行監(jiān)測(cè)、記錄與分析，采用在線或離線故障診斷系統(tǒng)，對(duì)機(jī)組現(xiàn)存狀態(tài)作出科學(xué)評(píng)估、趨勢(shì)預(yù)測(cè)和失效分析.

水輪機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)檢修工作主要由五個(gè)環(huán)節(jié)組成：水輪機(jī)→狀態(tài)監(jiān)測(cè)→診斷分析并判斷決策→檢修管理→檢修評(píng)估，并形成有機(jī)的閉環(huán)系統(tǒng)(見圖2).對(duì)水輪機(jī)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，然后對(duì)機(jī)組進(jìn)行故障診斷和綜合狀態(tài)評(píng)估，從而判定是否需要維修、何時(shí)維修、維修部件和部位，并給出狀態(tài)檢修建議，為檢修計(jì)劃、失效與否提供依據(jù).

圖2 水輪機(jī)狀態(tài)檢修系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

5 結(jié) 語(yǔ)

隨著信息技術(shù)和數(shù)學(xué)方法的發(fā)展，尤其是智能化專家系統(tǒng)、模糊理論、灰色理論、遺傳理論和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等新興方法的建立與逐步成熟，計(jì)算機(jī)技術(shù)的有力支持，振動(dòng)診斷在水輪機(jī)故障診斷與失效分析中的應(yīng)用越來(lái)廣泛，應(yīng)用振動(dòng)故障診斷與處理技術(shù)，已成功地解決了水輪機(jī)運(yùn)行中的大許多振動(dòng)問(wèn)題，在保證設(shè)備、企業(yè)安全運(yùn)行方面發(fā)揮了重要作用.深入進(jìn)行振動(dòng)故障診斷與失效分析的研究和探討，努力將新技術(shù)轉(zhuǎn)化為物化系統(tǒng)并應(yīng)用于生活實(shí)際，具有重要理論研究意義和實(shí)際工程價(jià)值.

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