汽輪發(fā)電機(jī)組振動(dòng)信號(hào)的特征圖譜

王銳 李世民 馮培峰

摘 要：汽輪發(fā)電機(jī)組作為我國(guó)電能生產(chǎn)的基礎(chǔ)設(shè)備，其安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行責(zé)任重大，本文對(duì)旋轉(zhuǎn)設(shè)備振動(dòng)診斷常用的伯德圖、極坐標(biāo)圖、軸心位置圖、軸心軌跡圖、趨勢(shì)圖的組成特點(diǎn)及用途一一做了介紹，如果能對(duì)這些特征圖譜進(jìn)行深入分析，則足以應(yīng)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程中出現(xiàn)的大部分振動(dòng)故障，汽輪發(fā)電機(jī)組振動(dòng)信號(hào)的頻譜分析也越來(lái)越受到業(yè)內(nèi)人士重視。

關(guān)鍵詞：振動(dòng)故障;診斷;特征圖譜

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.19.140

1 伯德圖

（1）伯德圖的組成及特點(diǎn)。波德圖是表示振動(dòng)幅值、相位與轉(zhuǎn)速之間變化關(guān)系的圖形。

圖形分為上下兩部分，下半部分是振幅-轉(zhuǎn)速曲線，也稱做幅頻特性，縱坐標(biāo)是振幅峰峰值;上半部分是相位-轉(zhuǎn)速，也稱做相頻特性，縱坐標(biāo)是相位;它們公用的橫坐標(biāo)是轉(zhuǎn)速。振幅-轉(zhuǎn)速曲線是雙線：一根是通頻振幅，另一根是倍頻振幅，常用的是一倍頻振幅;相位-轉(zhuǎn)速曲線是單線，表n倍頻振動(dòng)相位。

（2）伯德圖的用途。1）確定臨界轉(zhuǎn)速。臨界轉(zhuǎn)速是旋轉(zhuǎn)機(jī)械最基本的振動(dòng)特性參數(shù)，現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行人員用它來(lái)設(shè)定暖機(jī)轉(zhuǎn)速、升速率等，故障診斷時(shí)同樣要用到。設(shè)備制造廠家提供的臨界轉(zhuǎn)速計(jì)算值有時(shí)偏差較大。臨界轉(zhuǎn)速與安裝基礎(chǔ)、支撐特性有關(guān)，現(xiàn)場(chǎng)的這些特性和制造廠的不一定會(huì)一致，所以，通常以設(shè)備安裝后現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值為準(zhǔn)。根據(jù)升降速波德圖，如果變速過(guò)程振幅曲線出現(xiàn)波峰，同時(shí)相位急劇增加或減小，變化幅度約大于70°，這時(shí)對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速有可能是該測(cè)點(diǎn)所處跨的轉(zhuǎn)子或相鄰跨轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速[1]。對(duì)于實(shí)際機(jī)組，確定臨界轉(zhuǎn)速使用波德圖比用極坐標(biāo)圖方便。如果測(cè)得的波峰明顯，臨界轉(zhuǎn)速識(shí)別起來(lái)容易，可以很容易認(rèn)定測(cè)點(diǎn)2X所處的高中壓轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速為1460r/min。有時(shí)臨界轉(zhuǎn)速的認(rèn)定困難，因?yàn)檎駝?dòng)峰的出現(xiàn)除了共振，還可能有其他原因，并不是所測(cè)得的所有振動(dòng)峰都是轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速的共振峰。2）確定共振放大因子。從波德圖中還可以確定共振放大因子AF，共振放大因子反映了臨界轉(zhuǎn)速時(shí)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的阻尼，也是對(duì)轉(zhuǎn)子在臨界轉(zhuǎn)速區(qū)轉(zhuǎn)子橫向振動(dòng)敏感性的量度。3）動(dòng)平衡加重分析。利用從波德圖得到的振幅、相位隨轉(zhuǎn)速/時(shí)間的變化關(guān)系，在進(jìn)行動(dòng)平衡時(shí)用來(lái)分析轉(zhuǎn)子不平衡質(zhì)量所處的軸向位置、不平衡振型階數(shù)。4）分析結(jié)構(gòu)共振。如果波德圖顯示在一些非臨界轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)速區(qū)出現(xiàn)明顯的一倍頻或二倍頻共振峰。可以作為結(jié)構(gòu)共振的一個(gè)懷疑證據(jù)。5）動(dòng)靜碰磨故障分析。動(dòng)靜碰磨判斷主要依據(jù)是時(shí)間趨勢(shì)圖，但波德圖反映出的升降速過(guò)程振幅差和相位差同樣是一個(gè)重要信息。

2 極坐標(biāo)圖

（1）極坐標(biāo)圖的組成及特點(diǎn)。極坐標(biāo)圖是在極坐標(biāo)系下繪制一系列的振動(dòng)矢量，它是轉(zhuǎn)速（或時(shí)間）的函數(shù)曲線。不同轉(zhuǎn)速下的一倍頻振動(dòng)矢量的幅值和相角直接地被繪制在坐標(biāo)平面上，相應(yīng)的轉(zhuǎn)速也在曲線上表示出來(lái)。極坐標(biāo)圖也可繪制任何經(jīng)過(guò)濾波的高倍頻。

（2）極坐標(biāo)圖的用途。極坐標(biāo)圖實(shí)際上是把波德圖中的幅頻曲線和相頻曲線合二為一。極坐標(biāo)圖包含了與伯德圖相同的信息，雖然包含的信息相同，但是聽(tīng)強(qiáng)調(diào)的信息不同。通常在波德圖中比較容易獲得低轉(zhuǎn)速矢量、共振放大因子，而在極坐標(biāo)圖上比較容易獲得各階模態(tài)參數(shù)、重點(diǎn)和結(jié)構(gòu)共振等。

3 軸心位置圖

（1）軸心位置圖的組成及特點(diǎn)。軸心位置圖表示了軸心線在軸承中的平均相對(duì)位置隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)速度變化的函數(shù)關(guān)系曲線。為了能夠做出軸心位置圖，需要兩個(gè)正交交安裝的（90°）位移探頭測(cè)頭輸出的直流信號(hào)。通常軸心位置也稱軸心靜態(tài)軌跡。

（2）軸心位置圖的用途。1）軸預(yù)浮起量。根據(jù)軸頸浮起高度確定高壓頂軸油泵及油路是否正常。判斷油膜厚度情況。2）軸承載荷。軸頸中心位置高，軸承承載輕，軸承油膜壓力小，承溫度低，反之亦反。通過(guò)軸頸中心位置可判斷軸承瓦溫升高的原因。3）軸承標(biāo)高。運(yùn)行軸承標(biāo)高變化，可引起軸頸相對(duì)軸承的靜態(tài)位置變化，如果軸承標(biāo)高變高，那么軸頸中心位置偏上。如果軸承標(biāo)高變低，那么軸頸中心位置偏上。通過(guò)軸頸中心位置可判斷軸承標(biāo)高變化情況。4）軸頸偏心率。軸頸在軸承中偏心率的變化會(huì)引起軸承油膜剛度和阻尼系數(shù)的變化，從而引起系統(tǒng)動(dòng)力特性的變化。如受高壓調(diào)速汽門開(kāi)啟順序影響，使轉(zhuǎn)子受到額外的向左上的作用力，從而使軸頸在軸承中向小偏心力方向移動(dòng)。

4 軸心軌跡圖

（1）軸心軌跡圖的組成及特點(diǎn)。軸頸在軸承中隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)速度而變化的函數(shù)曲線通過(guò)兩個(gè)正交安裝的（90°）位移探頭測(cè)得其輸出的交流信號(hào)可獲得軸心軌跡圖.軸心軌跡也可稱軸心動(dòng)態(tài)軌跡。

（2）軸心軌跡圖用途。通過(guò)軸心軌跡可獲得如下信息：1）轉(zhuǎn)子進(jìn)動(dòng)方向。將軸心軌跡運(yùn)動(dòng)方向與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向相比，如果進(jìn)動(dòng)方向與旋轉(zhuǎn)方向相同，轉(zhuǎn)子處于正進(jìn)動(dòng)方向;反之，轉(zhuǎn)子處于反進(jìn)動(dòng)狀態(tài)。進(jìn)動(dòng)力方向?qū)τ谂袛噢D(zhuǎn)子動(dòng)靜碰磨故障是非常有用的。當(dāng)動(dòng)靜碰磨嚴(yán)重時(shí)轉(zhuǎn)子有可能處于反進(jìn)動(dòng)狀態(tài)。2）故障診斷。借助軸心軌跡可獲得故障大致信息，不同振動(dòng)故障會(huì)出現(xiàn)不同的軸心軌跡。例如，①不平衡故障時(shí)，軸心軌跡為穩(wěn)定的橢圓;②不對(duì)中故障時(shí)，軸心軌跡為“8”字形或“香蕉形”;③動(dòng)靜部件碰磨時(shí)，軸心軌跡上可能出現(xiàn)鋸齒狀;④膜振蕩故障，軸心軌跡出現(xiàn)紊亂狀。

5 趨勢(shì)圖

額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行的機(jī)組，利用趨勢(shì)圖顯示振動(dòng)參數(shù)或其他過(guò)程參數(shù)單一隨時(shí)間的變化，以對(duì)機(jī)組狀況進(jìn)行判斷和故障診斷，應(yīng)用最多的是趨勢(shì)圖。趨勢(shì)圖以時(shí)間為橫坐標(biāo)，縱坐標(biāo)通常選用振動(dòng)通頻幅值、各分頻幅值、相位、間隙電壓等參數(shù)，以顯示它們隨時(shí)間的變化，橫坐標(biāo)的時(shí)間間隔密度往往根據(jù)不同需要選取。

6 結(jié)語(yǔ)

由幅值域分析和頻域分析得到的振動(dòng)信號(hào)特征，可以用數(shù)字列表的方式表示，也可以繪制成專門的特征圖譜，充分利用分析軟件，將圖譜進(jìn)行綜合分析和推理，對(duì)于工程技術(shù)人員而言無(wú)疑會(huì)是一個(gè)非常有力的工具，目前在國(guó)內(nèi)部分電廠已經(jīng)開(kāi)始這方面生產(chǎn)實(shí)踐，這對(duì)于旋轉(zhuǎn)設(shè)備的經(jīng)濟(jì)安全運(yùn)行和精密檢修也將是一個(gè)新的發(fā)展方向，不斷積累這方面的經(jīng)驗(yàn)將會(huì)推動(dòng)其健康持續(xù)發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

[1]陸頌元，吳崢?lè)?汽輪發(fā)電機(jī)組振動(dòng)故障診斷及案例[M].北京：中國(guó)電力出版社，2016.

[2]郭寶仁，常浩.汽輪發(fā)電機(jī)組振動(dòng)診斷技術(shù)問(wèn)答[M].北京：中國(guó)電力出版社，2016.

[3]劉峻華，黃樹(shù)紅，陸繼東.汽輪機(jī)故障診斷技術(shù)的發(fā)展與展望[J].汽輪機(jī)技術(shù)，2000，42（01）：1-6.