汽轮发电机组振动信号的特征图谱
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摘 要：汽轮发电机组作为我国电能生产的基础设备，其安全经济运行责任重大，本文对旋转设备振动诊断常用的伯德图、极坐标图、轴心位置图、轴心轨迹图、趋势图的组成特点及用途一一做了介绍，如果能对这些特征图谱进行深入分析，则足以应对生产过程中出现的大部分振动故障，汽轮发电机组振动信号的频谱分析也越来越受到业内人士重视。
关键词：振动故障;诊断;特征图谱
DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.19.140
1 伯德图
（1）伯德图的组成及特点。波德图是表示振动幅值、相位与转速之间变化关系的图形。
图形分为上下两部分，下半部分是振幅-转速曲线，也称做幅频特性，纵坐标是振幅峰峰值;上半部分是相位-转速，也称做相频特性，纵坐标是相位;它们公用的横坐标是转速。振幅-转速曲线是双线：一根是通频振幅，另一根是倍频振幅，常用的是一倍频振幅;相位-转速曲线是单线，表n倍频振动相位。
（2）伯德图的用途。1）确定临界转速。临界转速是旋转机械最基本的振动特性参数，现场运行人员用它来设定暖机转速、升速率等，故障诊断时同样要用到。设备制造厂家提供的临界转速计算值有时偏差较大。临界转速与安装基础、支撑特性有关，现场的这些特性和制造厂的不一定会一致，所以，通常以设备安装后现场实测值为准。根据升降速波德图，如果变速过程振幅曲线出现波峰，同时相位急剧增加或减小，变化幅度约大于70°，这时对应的转速有可能是该测点所处跨的转子或相邻跨转子的临界转速[1]。对于实际机组，确定临界转速使用波德图比用极坐标图方便。如果测得的波峰明显，临界转速识别起来容易，可以很容易认定测点2X所处的高中压转子临界转速为1460r/min。有时临界转速的认定困难，因为振动峰的出现除了共振，还可能有其他原因，并不是所测得的所有振动峰都是转子临界转速的共振峰。2）确定共振放大因子。从波德图中还可以确定共振放大因子AF，共振放大因子反映了临界转速时转子系统的阻尼，也是对转子在临界转速区转子横向振动敏感性的量度。3）动平衡加重分析。利用从波德图得到的振幅、相位随转速/时间的变化关系，在进行动平衡时用来分析转子不平衡质量所处的轴向位置、不平衡振型阶数。4）分析结构共振。如果波德图显示在一些非临界转速的转速区出现明显的一倍频或二倍频共振峰。可以作为结构共振的一个怀疑证据。5）动静碰磨故障分析。动静碰磨判断主要依据是时间趋势图，但波德图反映出的升降速过程振幅差和相位差同样是一个重要信息。
2 极坐标图
（1）极坐标图的组成及特点。极坐标图是在极坐标系下绘制一系列的振动矢量，它是转速（或时间）的函数曲线。不同转速下的一倍频振动矢量的幅值和相角直接地被绘制在坐标平面上，相应的转速也在曲线上表示出来。极坐标图也可绘制任何经过滤波的高倍频。
（2）极坐标图的用途。极坐标图实际上是把波德图中的幅频曲线和相频曲线合二为一。极坐标图包含了与伯德图相同的信息，虽然包含的信息相同，但是听强调的信息不同。通常在波德图中比较容易获得低转速矢量、共振放大因子，而在极坐标图上比较容易获得各阶模态参数、重点和结构共振等。
3 轴心位置图
（1）轴心位置图的组成及特点。轴心位置图表示了轴心线在轴承中的平均相对位置随转子转动速度变化的函数关系曲线。为了能够做出轴心位置图，需要两个正交交安装的（90°）位移探头测头输出的直流信号。通常轴心位置也称轴心静态轨迹。
（2）轴心位置图的用途。1）轴预浮起量。根据轴颈浮起高度确定高压顶轴油泵及油路是否正常。判断油膜厚度情况。2）轴承载荷。轴颈中心位置高，轴承承载轻，轴承油膜压力小，承温度低，反之亦反。通过轴颈中心位置可判断轴承瓦温升高的原因。3）轴承标高。运行轴承标高变化，可引起轴颈相对轴承的静态位置变化，如果轴承标高变高，那么轴颈中心位置偏上。如果轴承标高变低，那么轴颈中心位置偏上。通过轴颈中心位置可判断轴承标高变化情况。4）轴颈偏心率。轴颈在轴承中偏心率的变化会引起轴承油膜刚度和阻尼系数的变化，从而引起系统动力特性的变化。如受高压调速汽门开启顺序影响，使转子受到额外的向左上的作用力，從而使轴颈在轴承中向小偏心力方向移动。
4 轴心轨迹图
（1）轴心轨迹图的组成及特点。轴颈在轴承中随转子转动速度而变化的函数曲线通过两个正交安装的（90°）位移探头测得其输出的交流信号可获得轴心轨迹图.轴心轨迹也可称轴心动态轨迹。
（2）轴心轨迹图用途。通过轴心轨迹可获得如下信息：1）转子进动方向。将轴心轨迹运动方向与转子旋转方向相比，如果进动方向与旋转方向相同，转子处于正进动方向;反之，转子处于反进动状态。进动力方向对于判断转子动静碰磨故障是非常有用的。当动静碰磨严重时转子有可能处于反进动状态。2）故障诊断。借助轴心轨迹可获得故障大致信息，不同振动故障会出现不同的轴心轨迹。例如，①不平衡故障时，轴心轨迹为稳定的椭圆;②不对中故障时，轴心轨迹为“8”字形或“香蕉形”;③动静部件碰磨时，轴心轨迹上可能出现锯齿状;④膜振荡故障，轴心轨迹出现紊乱状。
5 趋势图
额定转速运行的机组，利用趋势图显示振动参数或其他过程参数单一随时间的变化，以对机组状况进行判断和故障诊断，应用最多的是趋势图。趋势图以时间为横坐标，纵坐标通常选用振动通频幅值、各分频幅值、相位、间隙电压等参数，以显示它们随时间的变化，横坐标的时间间隔密度往往根据不同需要选取。
6 结语
由幅值域分析和频域分析得到的振动信号特征，可以用数字列表的方式表示，也可以绘制成专门的特征图谱，充分利用分析软件，将图谱进行综合分析和推理，对于工程技术人员而言无疑会是一个非常有力的工具，目前在国内部分电厂已经开始这方面生产实践，这对于旋转设备的经济安全运行和精密检修也将是一个新的发展方向，不断积累这方面的经验将会推动其健康持续发展。
参考文献：
[1]陆颂元，吴峥峰.汽轮发电机组振动故障诊断及案例[M].北京：中国电力出版社，2016.
[2]郭宝仁，常浩.汽轮发电机组振动诊断技术问答[M].北京：中国电力出版社，2016.
[3]刘峻华，黄树红，陆继东.汽轮机故障诊断技术的发展与展望[J].汽轮机技术，2000，42（01）：1-6.
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