振動分析基礎(chǔ)知識

1、旋轉(zhuǎn)機械振動分析基礎(chǔ)汽輪機、發(fā)電機、燃?xì)廨啓C、壓縮機、風(fēng)機、泵等都屬于旋轉(zhuǎn)機械，是電力、石化和冶金等行業(yè)的關(guān)鍵設(shè)備。這些設(shè)備出現(xiàn)故障后，大多會帶來嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。振動在設(shè)備故障中占了很大比重，是影響設(shè)備安全、穩(wěn)定運行的重要因素。振動又是設(shè)備的“體溫計”，直接反映了設(shè)備健康狀況，是設(shè)備安全評估的重要指標(biāo)。一臺機組正常運行時，其振動值和振動變化值都應(yīng)該比較小。一旦機組振動值變大，或振動變得不穩(wěn)定，都說明設(shè)備出現(xiàn)了一定程度的故障。振動對機組安全、穩(wěn)定運行的危害主要表現(xiàn)在：(1)振動過大將會導(dǎo)致軸承烏金疲勞損壞。(2)過大振動將會造成通流部分磨損，嚴(yán)重時將會導(dǎo)致大軸彎曲。統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，汽輪發(fā)電機組60

2、%以上的大軸彎曲事故就是由于摩擦引起的。(3)振動過大還將使部件承受大幅交變應(yīng)力，容易造成轉(zhuǎn)子、聯(lián)結(jié)螺栓、管道、地基等的損壞。正因為振動對設(shè)備安全運行相當(dāng)重要，人們對振動問題都很重視。目前大型機組上普遍安裝了振動監(jiān)測系統(tǒng)，并將振動信號投了保護(hù)。振動超標(biāo)時，保護(hù)動作，機組自動停機，從而保證設(shè)備的絕對安全。一、振動分析基本概念振動是一個動態(tài)量。圖所示是一種簡單的振動形式-簡諧振動，即振動量按余弦（或正弦）函數(shù)規(guī)律周期性地變化，幅值反映了振動大??；頻率反映了振動量動態(tài)變化的快慢程度；相位反映了信號在t=0時刻的初始狀態(tài)。可見，為了完全描述一個振動信號，必須同時知道幅值、頻率和相位這三個參數(shù)，人們稱之

3、為振動分析的三要素。振動是一個動態(tài)變化量。為了突出反映交變量的影響，振動監(jiān)測時常取波形中正、負(fù)峰值的差值作為振動幅值，又稱為峰峰值。簡諧振動是一種簡單的振動形式，實際機組上發(fā)生的振動比簡諧振動要復(fù)雜得多。不管振動多么復(fù)雜，由信號分析理論可知，都可以將其分解為若干具有不同頻率、幅值和相位的簡諧分量的合成。旋轉(zhuǎn)機械振動分析離不開轉(zhuǎn)速，為了方便和直觀起見,常以1x表示與轉(zhuǎn)動頻率相等的頻率，又稱為工(基)頻;以0.5x、2x、3x等表示與轉(zhuǎn)動頻率的0.5倍、2倍和3倍等相等的頻率，又稱為半頻、二倍頻、三倍頻。采用信號分析理論中的快速傅立葉變換(FFT)可以快速、方便地求出復(fù)雜振動信號中所含頻率分量的幅

4、值和相位。該過程稱為頻譜分析，并已成為振動故障分析領(lǐng)域？基本和常用的工具。頻譜分析所起的作用可以概括為以下兩點：(1)不同故障所對應(yīng)的頻率不同。例如：轉(zhuǎn)子不平衡故障的頻率為工頻，汽流激振和油膜振蕩等故障的頻率為低頻，電磁激振等故障的頻率為高頻等。頻率特征是故障判斷的必要條件。某種故障必然具備相應(yīng)的頻率特征。因此,根據(jù)頻譜分析結(jié)果可以對故障性質(zhì)作一個初步、定性判斷。本書第35章將詳細(xì)介紹每一種故障的頻率特征。(2)多種故障的頻率特征具有很強的相似性，頻率特征并不是故障判斷的充分條件。例如，熱變形、不平衡、共振、剛度不足、摩擦等故障的特征頻率都是工頻，僅根據(jù)頻率特征無法將故障原因進(jìn)一步定量細(xì)化。為

5、了能確診故障原因，振動分析必須結(jié)合過程參數(shù)和相關(guān)試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行，突出相似故障之間的微小差別。二、振動位移、速度和加速度除了振動位移外，振動分析時還經(jīng)常用到振動速度和加速度。將位移信號對時間求一次和兩次導(dǎo)數(shù)，可以分別得到振動速度和加速度；反之，對振動加速度信號進(jìn)行一次和二次積分可以分別得到速度和位移信號。(1)振動位移、速度和加速度信號的頻率相同。不管采用何種表示方式，故障性質(zhì)不會變化，都可以用于振動監(jiān)測。三種方式在旋轉(zhuǎn)機械振動分析中都有廣泛應(yīng)用。(2)在相同位移幅值下，頻率越高，振動所產(chǎn)生的交變應(yīng)力越大，對設(shè)備的危害也越大。因此，故障頻率越高，位移幅值應(yīng)該控制得越嚴(yán)格。對于旋轉(zhuǎn)機械而言，轉(zhuǎn)速越高

6、，振動標(biāo)準(zhǔn)越嚴(yán)。(3)振動速度(或加速度)幅值是振動位移和頻率(或頻率平方)的乘積，幅值中同時反映了振動頻率和位移幅值的影響，較單純的振動位移幅值更全面。(4)振動加速度相位超前振動速度相位90°,振動速度相位又超前振動位移相位90°。采用不同表示方式時，必須考慮相互之間的相位差。(5)值得指出的是，同一種故障在振動位移、速度和加速度頻譜中表現(xiàn)出來的故障特征不完全相同。于高頻振動故障，為了在故障的早期能夠比較明顯地反映出振動變化，采用振動速度或加速度監(jiān)測比較有效。對于低頻振動故障，監(jiān)測振動位移更能夠突出反映振動變化(6)振動位移、速度和加速度之間可以相互轉(zhuǎn)換雖然將位移信號對

7、時間求導(dǎo)可以得到速度信號和加速度信號，但是由于求導(dǎo)過程中誤差有可能會放大，實際上很少進(jìn)行這樣的轉(zhuǎn)換。信號積分過程中誤差是收斂的，因此，目前采用得比較多的是由加速度或速度信號積分求出位移信號。一些采用加速度傳感器的振動儀表，可以通過積分同時測量出振動加速度、速度和位移值。轉(zhuǎn)換關(guān)系(1)位移信號對時間求導(dǎo)得到速度，再求導(dǎo)得到加速度(2)加速度對時間積分得到速度，再積分得到位移選用原則(1)二種表水方式都可以用于監(jiān)測；(2)速度和加速度信號更能突出反映高頻分量的變化；(3)位移信號進(jìn)行監(jiān)測更能突出反映低頻分量的變化三、旋轉(zhuǎn)機械振動標(biāo)準(zhǔn)振動直接影響到大型旋轉(zhuǎn)機械的安全、穩(wěn)定運行。目前,大型旋轉(zhuǎn)機械振動

8、評定尺度主要有軸承座振動位移、軸承座振動烈度和軸徑向位移三種（一）、軸承座振動軸承座振動，又稱為軸承振動或瓦振，它是以軸承座垂直、水平和軸向三個方向中的最大振動為評定依據(jù)。振動位移和振動烈度是軸承座振動監(jiān)測所主要采用的兩個尺度。1、軸承座振動位移表3給出了我國電力工業(yè)技術(shù)管理法規(guī)中給出的汽輪發(fā)電機組軸承振動標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)以軸承振動位移信號峰峰值為尺度，在我國電力行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用，是汽輪發(fā)電機組軸承座振動評判的主要依據(jù)。表3汽輪發(fā)電機組軸承振動標(biāo)準(zhǔn)（單位：w項汽輪發(fā)電機組轉(zhuǎn)速優(yōu)良合格1500rpm3050703000rpm2030502、軸承振動烈度振動速度幅值同時反映了振動位移幅值和頻率的影響

9、，因此又稱為振動烈度。對于高頻振動或沖擊型振動，監(jiān)測振動烈度比振動位移更為有效。支承剛度對軸承振動的影響很大。相同激勵力下，支承剛度越小，軸承振動越大。因此，軸承振動烈度評定時，針對剛性支承和柔性支承給出了不同標(biāo)準(zhǔn)。剛性支撐通常指的是支撐系統(tǒng)固有頻率高于激振力頻率，柔性支撐通常指的是支撐系統(tǒng)固有頻率低于激振力頻率。ISO10816:1996規(guī)定：如在測量方向上機器與支撐系統(tǒng)組合的？低自振頻率至少大于主激振頻率（大多數(shù)情況下為旋轉(zhuǎn)頻率）25%,則支撐系統(tǒng)在該方向上可看作剛性支撐，其它支撐系統(tǒng)都可看作柔性支撐。例如：大型電動機、泵和小型汽輪發(fā)電機組一般是剛性支承，大型汽輪發(fā)電機組部分軸承座則采用柔

10、性支承。某些情況下，支撐部件可能在某一測量方向上為剛性，而在其它方向上為柔性。A區(qū)域新投產(chǎn)機組的振動應(yīng)在此區(qū)域內(nèi)。B區(qū)域振動在此區(qū)域內(nèi)的機組通常認(rèn)為是合格的，可以長期運行。C區(qū)域振動在此區(qū)域內(nèi)的機組不適宜長期連續(xù)運行。一般來說，該機器可在這種狀態(tài)卜運行有限時間，直到有采取補救行動的合適時機為止。D區(qū)域振動在此區(qū)域內(nèi)，通常認(rèn)為其劇烈程度足以引起機組破壞。表6功率50MW陸地安裝的大型汽輪發(fā)電機組區(qū)域邊界軸轉(zhuǎn)速（rpm)1500或18003000或3600振動速度mm/s(rms)A/B2.83.8B/C5.37.5C/D8.511.8（二）、轉(zhuǎn)軸振動標(biāo)準(zhǔn)軸承座振動并不能完全反映轉(zhuǎn)軸在軸瓦內(nèi)的振動

11、（軸振）。軸承振動和軸振的比值與軸承支承剛度有關(guān)。激振力一定時，支承剛度越大，軸承座振動越小，軸振越大。即使在不大的軸承振動下，轉(zhuǎn)軸仍有可能存在較大的相對振動。轉(zhuǎn)軸振動過大，可能使軸承烏金疲勞損壞并導(dǎo)致動、靜部件碰磨。振動評定標(biāo)準(zhǔn)中應(yīng)充分考慮該因素。為彌補軸承振動不能全面反映轉(zhuǎn)軸振動的不足，大型旋轉(zhuǎn)機械一般考慮以轉(zhuǎn)軸振動作為機組振動狀態(tài)評定標(biāo)準(zhǔn)的尺度。大型汽輪發(fā)電機軸振標(biāo)準(zhǔn)（峰峰值，GB/T11348.2-1997）mm區(qū)域相對振動絕對振動界限A80120-165180-260100150-200250-320報警打閘BCD四、大唐集團(tuán)轉(zhuǎn)動設(shè)備振動標(biāo)準(zhǔn)1軸承振動標(biāo)準(zhǔn)：1.1以振幅為標(biāo)準(zhǔn)（峰值p

12、p）mm工作轉(zhuǎn)速優(yōu)良（A）合格（B）報警（C）打閘（D）1500<30<50>703000<20<30>50>100表中：當(dāng)軸承振幅大于B而小于C時，不發(fā)報警，但應(yīng)設(shè)法消除。1.2以振動烈度為標(biāo)準(zhǔn)（有效值rms）工作轉(zhuǎn)速(r/min)A(mm/s)B(mm/s)C(mm/s)D(mm/s)60012000<1.8<4.6<11.2>11.2表中A新投產(chǎn)機器應(yīng)達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)B一機器可以長期運行C一機器尚可短期運行，但必須采取補救措施D一停機，不允許運行2轉(zhuǎn)軸振動標(biāo)準(zhǔn)相對軸振(m)絕對軸振(mm)優(yōu)良(A)<80<100合格(

13、B)<120<150報警(C)>120>150打閘(D)>260>320注：(1)具體機組的振動限值應(yīng)根據(jù)機組設(shè)計、長期運行特點確定后，由廠總工程師批準(zhǔn)后執(zhí)行；(2)按兩個互成90。的傳感器的大值考核；(3)相對軸振增減超過40wm或絕對軸振增減超過50wm時應(yīng)報警；(4)新投產(chǎn)機組的軸振水平應(yīng)在(A)以內(nèi)；3機組通過臨界轉(zhuǎn)速的振動標(biāo)準(zhǔn)3.1 軸承振動：3.2 轉(zhuǎn)軸振動：(1)相對軸振：(2)絕對軸振：4機組起動過程中,合格值50wm打閘值100mmwm或軸振動超過軸承振動超過，100合格值80wm合格值100林m在中速暖機之前，抹m立即打閘停機；打閘值260p打閘值320p軸承振動超過mm30100mm,相對軸振超過200機。嚴(yán)禁強行通過臨界轉(zhuǎn)