旋转机械振动故障分析与治理幻灯98页PPT

旋转机械振动故障分析与治理朱晓东东南大学火电机组振动国家工程研究中心2019年5月欢迎交流！朱晓东博士副教授东南大学火电机组振动国家工程研究中心副主任江苏省振动工程学会秘书长通讯地址：南京四牌楼2号东南大学火电机组振动国家工程研究中心邮政编码：210096电话：[phone]手机：[phone]电子信箱：zxd_seuseu.edu主要内容•振动基本概念•振动测试方法•振动分析方法•动平衡理论•常见故障特征•故障诊断方法•机组动力学设计若干问题一、振动基本概念振动危害振动三大种类振动三要素单圆盘转子升速过程振动特点多圆盘转子升速过程振动特点振动标准1、振动危害影响机组安全稳定运行，具体表现在：轴承乌金损坏通流部分磨损转轴承受大幅交变应力大轴弯曲联轴器螺栓断裂噪音2、振动三大种类自由振动：外界扰动作用下的振动，危害较小，可不考虑。强迫振动：外界激励力作用下的振动，如：不平衡、不对中等。自激振动：系统内部存在能量反馈环节。如：油膜振荡、汽流激振等。3、振动三要素•简谐运动是最基本的振动形式，复杂振动可以看成是多个简谐振动的合成。•振动三要素频率：（1）不同故障对应不同频率；（2）同一频率可能对应多种故障；（3）1X－振动频率和机器转速相同；2X－振动频率是机器转速的两倍；1/2X－振动频率是机器转速的一半。幅值：振动强度、振动平稳的标志。相位•振动位移、速度和加速度•位移、速度、加速度表示的特点低频故障用位移信号高频故障用加速度信号4、单圆盘转子系统升速过程振动特点•幅频曲线•相频曲线•波德图•临界转速概念5、多圆盘转子系统升速过程振动特点•是单圆盘转子系统的推广•多个临界转速6、振动标准（I）•两种振动测量方式：轴承座振动（瓦振）轴振•三种振动单位振动位移振动烈度振动加速度6、振动标准（II）•各种测量方法的优缺点瓦振：直接、方便轴振：直观、明显烈度和加速度：考虑了频率影响•振动稳定性：很重要，运行中要密切关注。•振动监测标准的设置•为确保机组安全，通常要设置振动报警和停机值。•报警状态下，运行人员要密切注意振动变化情况，振动不能发散。•振动达到跳机值时，立即停机。•不同机组振动特性、动静间隙不同，振动保护值的设置可能不同。10－200r/s大型旋转机械振动烈度标准ISO3945-1985旋转轴的振动ISO7919/2二、振动测试方法瓦振测量轴振（相对、绝对）测量相位测量频谱测量1、瓦振测量方法•磁电式速度传感器•原理：往复式小型发电机•特点安装简单、方便低频特性不好（10Hz以下）需要积分一次获得位移信号只能获得动态信号信号可以直接进入分析系统处理价格较便宜2、轴振测量方法（I）•涡流传感器•原理：电涡流效应•特点：交、直流信号必须配前置放大器将信号放大传感器要求较严，电缆不能互换、截短或延长非接触式测量对测量表面要求较高（径向跳动）轴表面腐蚀、轴不园、凹坑、伤痕、压痕、剩磁、局部应力集中、热处理不均匀、镀层厚度不均匀等。频率特性好2、轴振测量方法（II）输出位移信号，无需积分需外加电源（－12V）安装较困难测量结果与材料有关可以作为转速或键相信号3、加速度传感器•可测量瓦振•原理：压电材料的压电效应•加速度传感器特点加速度值频响范围宽积分两次获得位移信号，误差容易放大结构简单，安装方便质量轻，对测量结果影响小。需配备电荷放大器只能测量动态信号4、涡流传感器的安装•安装后很难调整，安装要求严•工作温度120度•安装在轴瓦内•避免传感器的交叉感染•避免传感器头部和侧隙过小•避免支架共振和松动•正确的初始间隙5、相位测量•相位基本概念•相位的重要性：指导平衡加重•测量方法脉冲法闪光测相法•脉冲法：反光带－光电传感器，现场测试分析开槽或贴片－涡流传感器，监测系统6、频谱测量•两种测量方法：对信号进行快速FFT变换滤波方法•通常是在计算机或分析仪表内编写计算程序完成。三、振动相关的其它参数•轴在轴承内的位置；•大轴偏心度：涡流传感器直流分量峰峰值；•差胀：机壳与转子之间相对膨胀，防止轴向碰摩；•机壳膨胀；•对中；•瓦温、油压。四、振动分析方法•常见振动图形•振动分析时用到的相关参数•常见振动试验方法1、常见振动图形1)振动波形正弦信号（理想情况）多频率混合信号毛刺削波调频调幅不对称不稳定2)振动频谱•最常用分析方法•频谱功能不同故障具有不同型式的频谱同一频谱有可能对应多种故障•1x、2x概念3)波德图•将升、降速过临界振动幅值、相位变化情况以图形的形式记录下来。•功能：判断临界转速判断过临界振动判断不平衡量的大小和形式4)奈奎斯特图•将升降速过临界振动变化情况以极坐标形式表示出来。•功能判断临界转速（幅值、相位变化）过临界振动情况不平衡形式5)轴心轨迹•转子平面运动，轴心轨迹描述了轴颈运动情况。•功能轴颈中心位置轴颈运动情况不同故障具有不同形式的轨迹，如不平衡、不对中、油膜振荡等。6)瀑布图•不同时刻的频谱图叠加在一起•功能：形象地反映了不同时刻振动频谱变化情况。7)级连图•不同转速下的频谱图叠加在一起•功能：反映了机组启停过程中振动频谱变化情况。8)趋势图将一段时间内的振动变化情况表示出来功能：一段时间内振动变化情况，如：是否稳定、变化趋势、有无突变等。2、振动分析时的相关参数（I）•机组振动异常的历史•联轴器瓢偏、晃度、张口、高低差•汽缸膨胀和胀差•轴承型式和轴承油压、油温、瓦温•汽缸排汽温度•真空•负荷•轴瓦紧力、间隙2、振动分析时的相关参数（II）•轴系中心情况•发电机转子风温、水温•氢温、氢压、密封油压•发电机无功•轴系结构、临界转速•轴系标高3、常见振动试验1、负荷试验目的：改变传递扭矩改变热状态改变膨胀情况方法：保持其他参数不变，改变负荷。负荷变化后需要稳定一段时间。现象：振动与负荷无关：转子不平衡负荷改变振动立即改变：与传递力矩有关（联轴器）负荷改变振动变化有滞后：热弯曲或膨胀系统有缺陷。2、电流试验•目的：验证发电机转子故障•发电机转子两种主要故障电气故障：线圈短路转子与静子间空气间隙不均匀热变形故障线圈受热变形转子热变形•方法：保持其他参数不变，改变电流。电流变化后需要稳定一段时间。现象：振动与电流无关：排除发电机问题电流改变振动立即改变：与电气有关电流改变振动变化有滞后：转子热变形或转子线圈受热膨胀变形。3、转速试验•目的：判断过临界振动情况验证部件共振•方法：启停和超速过程中每隔50～100rpm记录振动变化情况。•试验内容：启停过临界振动有无差别过临界振动情况部件有无共振现象4、真空试验•目的：判断振动与真空和排汽温度之间的关系。判断轴承座底部接触情况。•方法在较低负荷下进行真空变化后需要稳定一段时间记录真空、振动、汽缸温度等参数•现象：振动与真空变化无关真空变化振动立即变化振动变化滞后于真空变化5、轴承油膜试验•目的：验证润滑油对系统稳定性的影响•方法：改变油温改变油压记录瓦温、油温、油压、振动等参数•现象：无关少量高频成分－供油不足引起乌金摩擦大量低频成分－油膜失稳6、轴承座外特性试验•目的：检查轴承座是否存在松动或接触不良等缺陷。•方法：在不同高度、左右两侧对称位置测量轴承座振动。•现象：正常：振动沿高度均匀减少、左右侧差别振动小异常：差别振动大，左右两侧振动不等。四、动平衡原理和方法（I）•平衡基本概念•不平衡故障特征和判断•转子分类（刚性转子和柔性转子）•刚性转子平衡理论基础•动平衡的两个基本假设•单平面影响系数法•双平面影响系数法•多平面影响系数法四、动平衡原理和方法（II）•谐分量法•多矢量优化•轴系平衡•影响轴系振动的因素1、平衡基本概念•轴系各横截面质心不在轴系中心上•偏心轮•通过加重调整不平衡量2、不平衡故障特征和判断•频谱特征：1x分量•波形特征：正弦波•幅值、相位稳定•轴心轨迹：稳定的椭圆形•排除其他相似故障，如：热弯曲、中心孔进油、轴承座刚度不足等3、转子分类•两大类转子：刚性转子：转子没有变形或变形量很小柔性转子：转子存在变形•划分刚、柔性转子的必要性刚性转子平衡时可以不考虑转子变形的影响，单一转速下平衡好后在其他转速下也是平衡的。柔性转子必须同时考虑多转速下的平衡问题。•区分刚性、柔性转子的方法以转速距离临界转速的远近程度来划分。4、刚性转子平衡理论基础•刚性转子可以通过在任选的两个端面上加重来平衡任意形式的不平衡分布。•力的分解与合成•单平面平衡是一个特例•风机、联轴器等的平衡可以用单平面来平衡。5、刚性转子的平衡品质•允许残余不平衡量与转子质量成正比；•允许残余不平衡量与旋转速度成反比；•ISO将平衡等级分为G0.4～G4000多个等级。•API612标准：剩余不平衡量产生的离心力，在最大运行转速下，每个轴承所承受的不平衡力不大于轴承所承受静载的10％。这一要求比ISO高。•平衡品质要求一般在现场进行试验，有时也可在平衡机上进行，但平衡机特性应该与使用此转子的机器在工作状况下的特性基本相同。刚性转子平衡等级5、动平衡的两个基本假设•线性假设：振动幅值与不平衡力大小成正比，忽略非线性影响•滞后角假设：在恒定转速下，转子振动高点滞后于不平衡力的角度恒定。6、单平面影响系数法（I）•基本概念振动是一个矢量：幅值、相位矢量加、减、乘、除计算•单平面平衡步骤测量原始振动A0试加重P0测量加重后的振动A1计算加重效应（影响系数）α＝(A1-A0)/P0计算平衡重量P：αP＋A0＝06、单平面平衡法（II）－实例•原始振动：35∠7•试加重：1.99∠0•加重后振动：8∠195•影响系数：20.164∠141•计算加重量：1.62∠3597、双平面平衡法（I）•是单平面影响系数法的推广影响系数变为矩阵计算变为二元二次方程组求解•步骤：测量原始振动A0、B0在平面I上试加重P1测量加重后振动A1、B1在平面II上试加重P2测量加重后振动A2、B2计算加重影响系数矩阵计算两个平面上应加平衡重量7、双平面平衡法（II）－实例•原始振动：A0=32∠320,B0=78∠112•平面I试加重：0.5kg∠345•加重后振动：A1=24∠225,B1=43∠250•平面II试加重：0.48kg∠247•加重后振动：A2=47∠280,B1=100∠85•计算加重影响系数矩阵：平面I：84∠190，227.3∠292.3平面II:63.5∠351,97.4∠146.7•计算加重：平面I0.1577kg∠24,平面II0.4878kg∠1258、多平面平衡•是两平面平衡问题的推广•矩阵是一个矛盾方程组，没有唯一解•求解必须采用最小二乘法•大多采用计算机求解•平衡实例（略）9、谐分量法（I）•影响系数法和谐分量法的优缺点比较影响系数法：原理简单、启动次数较多谐分量法：原理复杂，要求对转子动力特性有一个比较深的认识，启动次数少•基本概念同向分量和反向分量同向振动系由同向不平衡力引起反向振动系由反向不平衡力引起两者相互间没有影响9、谐分量法（II）同向振动分量用同相加重来平衡反向振动分量用反向加重来平衡9、谐分量法（III）－基本步骤•测量两个测点原始振动A0、B0，分解•在两个平面同时加重P1、P2，分解•测量加重后振动A1、B1，分解•分别计算同向、反向加重影响系数•分别计算同向加重和反向加重量•合成同向和反向加重，得到两个平面上加重量9、谐分量法（IV）－实例•原始振动：A0=80∠345,B0=20∠215分解34∠332±47∠354•试加重：P1=680∠99,P2=259∠17分解380∠79±347∠120•加重后振动：A1=25∠225,B1=20∠27分解4∠27±22∠217•影响系数：9、谐分量法（V）－实例对称加重影响系数：84∠7