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旋转机械振动分析基础
汽轮机、发电机、燃气轮机、压缩机、风机、泵等都属于旋转机械,是电力、石化和冶金等行业的关键设备。这些设备出现故障后,大多会带来严重的经济损失。
振动在设备故障中占了很大比重,是影响设备安全、稳定运行的重要因素。振动又是设备的“体温计”,直接反映了设备健康状况,是设备安全评估的重要指标。一台机组正常运行时,其振动值和振动变化值都应该比较小。一旦机组振动值变大,或振动变得不稳定,都说明设备出现了一定程度的故障。振动对机组安全、稳定运行的危害主要表现在:
(1)振动过大将会导致轴承乌金疲劳损坏。
(2)过大振动将会造成通流部分磨损,严重时将会导致大轴弯曲。统计数据表明,汽轮发电机组 60%以上的大轴弯曲事故就是由于摩擦引起的。
(3)振动过大还将使部件承受大幅交变应力,容易造成转
子、联结螺栓、管道、地基等的损坏。
正因为振动对设备安全运行相当重要,人们对振动问题都很重视。目前大型机组上普遍安装了振动监测系统,并将振动信号投了保护。振动超标时,保护动作,机组自动停机,从而保证设备的绝对安全。
一、振动分析基本概念
振动是一个动态量。图所示是一种简单的振动形式-简谐振动,即振动量按余弦(或正弦)函数规律周期性地变化,幅值反映了振动大小;频率反映了振动量动态变化的快慢程度;相位反映了信号在t=0时刻的初始状态。
可见,为了完全描述一个振动信号,必须同时知道幅值、频率和相位这三个参数,人们称之为振动分析的三要素。
振动是一个动态变化量。为了突出反映交变量的影响,振动监测时常取波形中正、负峰值的差值作为振动幅值,又称为峰峰值。
简谐振动是一种简单的振动形式,实际机组上发生的振动比简谐振动要复杂得多。不管振动多么复杂,由信号分析理论可知,都可以将其分解为若干具有不同频率、幅值和相位的简谐分量的合成。
旋转机械振动分析离不开转速,为了方便和直观起见,常以 1x 表示与转动频率相等的频率,又称为工(基)频;以 、2x、3x 等表示与转动频率的 倍、2 倍和 3 倍等相等的频率,又称为半频、二倍频、三倍频。
采用信号分析理论中的快速傅立叶变换(FFT)可以快速、方便地求出复杂振动信号中所含频率分量的幅值和相位。该过程称为频谱分析,并已成为振动故障分析领域᳔基本和常用的工具。频谱分析所起的作用可以概括为以下两点:
(1) 不同故障所对应的频率不同。例如:转子不平衡故障的频率为工频,汽流激振和油膜振荡等故障的频率为低频,电磁激振等故障的频率为高频等。频率特征是故障判断的必要条件。某种故障必然具备相应的频率特征。因此,根据频谱分析结果可以对故障性质作一个初步、定性判断。本书第 3~5 章将详细介绍每一种故障的频率特征。
(2) 多种故障的频率特征具有很强的相似性,频率特征并不是故障判断的充分条件。例如,热变形、不平衡、共振、刚度不足、摩擦等故障的特征频率都是工频,仅根据频率特征无法将故障原因进一步定量细化。为了能确诊故障原因,振动分析必须结合过程参数和相关试验数据进行,突出相似故障之间的微小差别。
二、振动位移、速度和加速度
除了振动位移外,振动分析时还经常用到振动速度和加速度。将位移信号对时间求一次和两次导数,可以分别得到振动速度和加速度;反之,对振动加速度信号进行一次和二次积分可以分别得到速度和位移