旋轉(zhuǎn)機(jī)械講義

1、旋轉(zhuǎn)機(jī)械狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障故障主 講 人 簡(jiǎn) 介軒建平博士軒建平博士 華中科技大學(xué) 控制科學(xué)與工程系博士后 機(jī)械與電子信息系副教授中國振動(dòng)工程學(xué)會(huì)故障診斷專業(yè)委員會(huì)理事 一 旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動(dòng)分析基礎(chǔ)二 旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障特征三 旋轉(zhuǎn)機(jī)械狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)四 旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障診斷實(shí)例主要內(nèi)容MKt自由振動(dòng)是系統(tǒng)受到外界干擾，并去掉激振后產(chǎn)生 的振動(dòng)，又稱自由響應(yīng)。自由振動(dòng)反映了系統(tǒng)內(nèi)在的信息。強(qiáng)迫振動(dòng)：系統(tǒng)在外界干擾作用下的振動(dòng)響應(yīng)。外激勵(lì)力 ：確定性 周期振動(dòng)外激勵(lì)力 ：非確定性 隨機(jī)振動(dòng)系統(tǒng)外部的非振動(dòng)的或振動(dòng)的能量振動(dòng)系統(tǒng)振動(dòng)力0)()()(xtkxtcxtm 定，可以用一個(gè)方程就描述它的運(yùn)動(dòng)。)sin

2、( tfkxxcxm xc kxxm 為慣性項(xiàng)為阻尼項(xiàng)為彈性恢復(fù)項(xiàng))sin(tf為外激力所謂單自由度系統(tǒng)就是在任何時(shí)刻，系統(tǒng)的位置只需要一個(gè)坐標(biāo)就可以確rmy)sin(4)1 (1222222tkmrynnn轉(zhuǎn)子的固有頻率轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速nn當(dāng)干擾力的頻率接近系統(tǒng)固有頻率時(shí)，振動(dòng)迅速增大，此時(shí)系統(tǒng)處于共振狀態(tài)共振狀態(tài)。對(duì)于有阻尼系統(tǒng)，阻尼的耗能作用使共振振幅變小，阻尼越大，共振振幅越小。)()()(.21212122221112112121222211121121212222111211tftftfxxxkkkkkkkkkxxxcccccccccxxxmmmmmmmmmnnnnnnnnnnnnnnn

3、nnnnnnn 一根轉(zhuǎn)子在一定的轉(zhuǎn)速下，如果沒有阻尼衰減作用，此時(shí)給它一個(gè)擾動(dòng)讓其自由振動(dòng)的話，那么這個(gè)轉(zhuǎn)子將按照一定的頻率振動(dòng)下去，這個(gè)振動(dòng)的頻率只取決于系統(tǒng)本身的質(zhì)量、剛度，與外界的因素?zé)o關(guān)，外界的擾動(dòng)情況只能影響他振動(dòng)的幅度，但不會(huì)干擾他的振動(dòng)頻率。這個(gè)頻率我們稱：是這根轉(zhuǎn)子的固有頻率。又叫模態(tài)，是振動(dòng)系統(tǒng)各點(diǎn)在固有頻率下做簡(jiǎn)諧振動(dòng)時(shí)，波節(jié)與波腹的振動(dòng)形態(tài)?；蛘f沿軸向分布的橫向振動(dòng)大小。振型有助于估算轉(zhuǎn)子與固定部件之間的內(nèi)部間隙，并能估算出轉(zhuǎn)軸上節(jié)點(diǎn)的位置。節(jié)點(diǎn)為轉(zhuǎn)軸上振幅為零的位置。55型國產(chǎn)200MW機(jī)組發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子二階振型55型國產(chǎn)200MW機(jī)組低壓轉(zhuǎn)子一階振型波形圖就是將振動(dòng)信號(hào)的

4、時(shí)間歷程表示出來。從波形圖可以看出振動(dòng)信號(hào)是否平穩(wěn)、毛刺、削波、調(diào)頻、調(diào)幅等異?，F(xiàn)象。-101-101010020000.511.50100200300400-1012以工頻為主的振動(dòng)-202-202010020000.510100200300400-202有低頻的次諧波振動(dòng)-2-1012-202010020030040000.511.5050100150200250300350400-202有高頻的超諧波振動(dòng)-2-1012-20205010015020000.0050.0102040608010000.51隨機(jī)振動(dòng)-2-1012-20205010000.511.502000400060008

5、00010000-2024拍振用某一測(cè)點(diǎn)在連續(xù)時(shí)間范圍內(nèi)測(cè)的的頻譜圖按時(shí)間順序排列組成瀑布圖（通常是在相同的轉(zhuǎn)速下）。瀑布圖中可以看到各種頻率的組成與振幅是如何隨時(shí)間變化的。級(jí)聯(lián)圖是轉(zhuǎn)速連續(xù)變化時(shí)的頻譜圖依次組成三維連續(xù)的頻譜圖。他的Z軸是轉(zhuǎn)速，各個(gè)頻率的軸線是傾斜的直線。級(jí)聯(lián)圖用來分析與轉(zhuǎn)速相關(guān)的故障比較直觀。趨勢(shì)是觀察的某個(gè)參數(shù)隨時(shí)間的變化關(guān)系。分析機(jī)組的振動(dòng)隨時(shí)間、負(fù)荷等的變化時(shí)，趨勢(shì)圖非常直觀，對(duì)運(yùn)行人員監(jiān)視機(jī)組狀況很有用。表示振動(dòng)的幅值、相位隨著轉(zhuǎn)速變化的圖形。通常用來確定機(jī)組的臨界轉(zhuǎn)速。另一個(gè)重要用處就是在進(jìn)行動(dòng)平衡時(shí)有助于用來分析轉(zhuǎn)子不平衡質(zhì)量所處的軸向位置、不平衡振型的階數(shù)。極

6、坐標(biāo)圖又叫做奈奎斯特圖。就是把波特圖的結(jié)果繪制在極坐標(biāo)上，得到的振幅轉(zhuǎn)速曲線是一條環(huán)形線。判斷轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速，容易得到模態(tài)參數(shù)。用渦流傳感器測(cè)試軸振動(dòng)時(shí)，很容易得到原始的晃度矢量。軸心軌跡就是將轉(zhuǎn)子在軸承中運(yùn)轉(zhuǎn)情況以二維軌跡形式表示出來。必須在一個(gè)平面安裝兩個(gè)互相垂直的渦流傳感器?？梢詭椭袛嗄Σ?、油膜渦動(dòng)、油膜振蕩等具有不同軸心軌跡特征的故障。單峰值就是振動(dòng)的最大點(diǎn)到平衡位置之間的距離。峰峰值實(shí)際上就是振動(dòng)的波峰與波谷的距離。振動(dòng)測(cè)量?jī)x器輸出的位移振動(dòng)振幅通常都是峰峰值。有效值又叫均方根值，對(duì)于速度振幅的度量，又叫做振動(dòng)烈度。 Vms 有效值 Vp_p 峰峰值22_ pVpVms Tdttv

7、TVms02)(12022_/81)sin(_/81pVpdttpVpVmsT22_ pVpVms組成：1X：30um2X：30um振動(dòng)位移(um)振動(dòng)烈度(mm/s)合成值52.87.45考核結(jié)果B 區(qū)：機(jī)組可以長(zhǎng)期運(yùn)行C 區(qū)：不允許長(zhǎng)期運(yùn)行，利用機(jī)會(huì)進(jìn)行處理260103msPPVAPPAmsV 圖中 是脈沖信號(hào)導(dǎo)前振動(dòng)信號(hào)高點(diǎn)的角度，即振動(dòng)相位。轉(zhuǎn)于不平衡的軸心軌跡)48. 043. 0(油膜振蕩是轉(zhuǎn)子的渦動(dòng)頻率與轉(zhuǎn)子固有頻率油膜振蕩是轉(zhuǎn)子的渦動(dòng)頻率與轉(zhuǎn)子固有頻率接近時(shí)發(fā)生的自激振動(dòng)接近時(shí)發(fā)生的自激振動(dòng)。空透轉(zhuǎn)速及振動(dòng)傳感器 氧透轉(zhuǎn)速及振動(dòng)傳感器 氮透轉(zhuǎn)速及振動(dòng)傳感器 E臺(tái)氧透振動(dòng)信號(hào) E

8、臺(tái)氮透振動(dòng)信號(hào)F臺(tái)空透振動(dòng)信號(hào) F臺(tái)氮透振動(dòng)信號(hào) F臺(tái)氧透振動(dòng)信號(hào)信號(hào)采集站1信號(hào)采集站2信號(hào)采集站3E臺(tái)空透振動(dòng)信號(hào)信號(hào)采集服務(wù)器工程師站服務(wù)器信號(hào)采集站4監(jiān)測(cè)診斷工作站信號(hào)采集站2信號(hào)采集站2系 統(tǒng) 主 頁系 統(tǒng) 組 態(tài)狀 態(tài) 監(jiān) 測(cè)診 斷 分 析采 樣 數(shù) 據(jù) 庫 管 理輔 助 模 塊系 統(tǒng) 定 義信 號(hào) 采 集 組 態(tài)信 號(hào) 特 征 量 提 取 組 態(tài)監(jiān) 測(cè) 組 態(tài)分 析 組 態(tài)報(bào) 表 組 態(tài)設(shè) 備 維 修 記 錄記 錄 編 輯 、 修 改 、 刪 除數(shù) 據(jù) 備 份統(tǒng) 計(jì) 報(bào) 表W W W 信 息 發(fā) 布W W W 信 息 檢 索軟 件 下 載 服 務(wù)實(shí) 時(shí) 動(dòng) 態(tài) 監(jiān) 測(cè) （ 虛 擬

9、 儀 器界 面 ）可 視 化 處 理 （ 設(shè) 備 音 、 動(dòng)畫 顯 示 ）信 號(hào) 分 析 ： 信 號(hào) 波 形 分 析 ，軸 心 軌 跡 分 析 ， 信 號(hào) 相 關(guān) 分 析信 號(hào) 頻 譜 分 析 ， 譜 陣 分 析數(shù) 字 濾 波 分 析 ， 其 它 分 析（ 小 波 ， 倒 頻 譜 ， 頻 率 細(xì) 化 等 ）設(shè) 備 趨 勢(shì) 分 析 ：統(tǒng) 計(jì) 圖 ，統(tǒng) 計(jì) 報(bào) 表 ，設(shè) 備 劣 化 曲 線診 斷 專 家 系 統(tǒng) ：故 障 診 斷規(guī) 則 編 輯平整軋機(jī)系統(tǒng) 傳感器布置 系統(tǒng)軟件信號(hào)采集狀態(tài)監(jiān)測(cè)精密分析數(shù)據(jù)庫管理數(shù)據(jù)通信通道選擇硬件設(shè)置參數(shù)設(shè)定信號(hào)采集信號(hào)保存特征量計(jì)算 實(shí)時(shí)振動(dòng)頻譜特征量報(bào)警用戶存盤

10、打印 系統(tǒng)設(shè)置參數(shù)入庫數(shù)據(jù)查詢報(bào)表系統(tǒng)打印時(shí)域分析（鑒相處理、轉(zhuǎn)速處理、數(shù)學(xué)運(yùn)算、相關(guān)處理）頻域分析（幅值譜、對(duì)數(shù)譜、倒譜等）時(shí)頻分析統(tǒng)計(jì)過程控制（控制圖、PCA分析、PLS分析等）去廠級(jí) MIS 網(wǎng)設(shè)備管理層網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集層（560點(diǎn)）S-NET輸力強(qiáng)分散采集系統(tǒng)振動(dòng)信號(hào)流熱工信號(hào)流主機(jī)服務(wù)器工程師站鍋爐操作站汽機(jī)操作站振動(dòng)信號(hào)采 集 站工藝參數(shù)采 集 站IMPIMPIMP200MW汽輪發(fā)電機(jī)組網(wǎng)橋打印機(jī) 1打印機(jī) 2振動(dòng)信號(hào)預(yù)處理裝置汽機(jī)操作站鍋爐操作站系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖 2.6 荊門熱電廠 200MW#4 機(jī)組分布式監(jiān)測(cè)診斷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖采用分布式采集系統(tǒng)，布置簡(jiǎn)潔、采集可靠。系統(tǒng)采集的信號(hào)類型復(fù)

11、雜、量大，共有560個(gè)測(cè)點(diǎn)，并可根據(jù)用戶需要進(jìn)行擴(kuò)充。信號(hào)包括慢變模擬量、快變振動(dòng)信號(hào)、狀態(tài)型開關(guān)量、脈沖量和中斷型開關(guān)量，能滿足火電廠單元機(jī)組運(yùn)行監(jiān)測(cè)需要。系統(tǒng)是一個(gè)大型多功能系統(tǒng)，是集單元機(jī)組DAS與狀態(tài)監(jiān)測(cè)、汽機(jī)和鍋爐以及熱力系統(tǒng)能損分析、現(xiàn)場(chǎng)軸系高速動(dòng)平衡及汽輪發(fā)電機(jī)組故障診斷專家系統(tǒng)于一體的綜合系統(tǒng)。 系統(tǒng)具有靈活實(shí)用的在線組態(tài)功能。可對(duì)測(cè)點(diǎn)管理信息、各操作站顯示畫面和顯示參數(shù)、過程參數(shù)的成組相關(guān)圖、故障追憶參數(shù)表、機(jī)組運(yùn)行管理指標(biāo)體系（小指標(biāo)）等進(jìn)行在線修改和組態(tài)，不影響系統(tǒng)的正常工作。修改和組態(tài)的結(jié)果立即反映在系統(tǒng)運(yùn)行中。 系統(tǒng)有完整的數(shù)據(jù)庫，可記錄一年內(nèi)機(jī)組的運(yùn)行數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)庫包括熱工參數(shù)歷史數(shù)據(jù)庫、振動(dòng)參數(shù)歷史數(shù)據(jù)庫（波形及各倍頻特征量）、開關(guān)量歷史數(shù)據(jù)庫、異常參數(shù)數(shù)據(jù)庫、啟停機(jī)數(shù)據(jù)庫、事故追憶數(shù)據(jù)庫等。 系統(tǒng)與廠級(jí)MIS系統(tǒng)互聯(lián)，既給MIS系統(tǒng)提供豐富信息，又與MIS系統(tǒng)相互獨(dú)立，MIS系統(tǒng)故障不會(huì)影響本系統(tǒng)的安全正常工作。獲得授權(quán)的MIS系統(tǒng)用戶可以在網(wǎng)絡(luò)上運(yùn)行本系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)部分，詳細(xì)了解機(jī)組狀況。同時(shí)，在異地可通過Modem進(jìn)行遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸，獲取機(jī)組的狀態(tài)數(shù)據(jù)，進(jìn)行性能分析和故障診斷。 系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單，維護(hù)工作量小。小屏幕監(jiān)視器的操作站只有五個(gè)按鍵，通過操作這五個(gè)按鍵，可選擇監(jiān)視模擬量或開關(guān)量或脈沖量參數(shù)表、棒圖、趨勢(shì)曲線、啟