陆文华——大型旋转机械的振动检测技术及

1、大型旋转机械的振动大型旋转机械的振动检测技术及发展检测技术及发展 陆文华0、概述、概述 近年来旋转机械的机组容量越来越大，尤其是火电机组。广大工程技术人员为了使火电机组高效、节能、环保，使火电机组的容量、蒸汽压力、蒸汽温度等一直在创历史新高，使用参数一直在靠近运行极限。从刚开始时的低温低压机组，到后来的亚临界机组、超临界机组，发展到现在的超超临界机组，机组容量从以前的几千、几万，到目前的百万等级机组，高容量、高参数的机组势必是：机组越来越庞大，轴系越来越长，造成机组产生的振动因素也越来越多，越来越复杂。如轴承损坏、动静摩擦，转子裂纹、气蚀现象、轴系不对称、不对中、不平衡、转子热弯曲、中心偏斜、

2、油膜振荡、齿轮损伤，电磁振动、导向叶片振动、非线性齿隙游移，气流漩涡激振、喘振等等。上述诸多原因都会造成机组振动大，轻者产生噪声，影响机组寿命，产生环保问题，重者会造成机组的毁灭性灾难，产生重大安全事故。因此，如何控制机组的振动大小是用户极为关心和当务之急。 1、振动参数的定义、振动参数的定义 旋转机械的主要构成部件是转子、支撑它的轴承以及机器壳体、基础等部分组成，转速范围一般为每分钟几百转到每分钟几万转，火电机组的主机和辅机的转速一般为每分钟几千转，由于转子、轴承、壳体、基础等部分的部件加工及安装质量等因素，在高速旋转时机组肯定会产生振动的现象，过大的振动往往是引起机组破坏，影响机组寿命的重

3、要原因。机组振动参数是衡量一台机组运行好坏的主要参数，机组振动是一个矢量，一般用振幅和相位角来描述振动参数的大小和方向。 有三种测量方式来描述机组的振动，即轴承振动、轴对瓦的相对振动、轴振动。1.1轴承振动轴承振动 轴承振动是轴承相对于大地(绝对静止点)的绝对振动，我们俗称的瓦振。以前我国都是以此参数作为衡量机组振动的标准，包括国家标准也是用此参数作为标准。但是机组振动是由于主轴旋转而造成的，而轴与轴承之间由于存在油膜，起到了一定的缓冲作用，使轴承振动远小于轴振动。所以使用轴承振动来描述机组振动，会较大失真地体现机组振动，从而造成比较大的误差。1.2轴相对于轴承的相对振动轴相对于轴承的相对振动

4、 轴承振动是以大地的绝对静止点来作为参考点，而轴瓦相对振动是以轴承为参考点的。在实际运行过程中，轴承也是在振动的，所以只能测量机组振动相对量。尽管如此，相对振动比轴承振动更能反映机组振动的实际情况和机组的运行好坏，准确地获取相对振动的波形，对机组进行波形分析更加合理有效，为此目前世界上更流行和主张用相对振动的测量来取代轴承振动来衡量机组的运行参数。但是20年前，有个国外的TSI 仪表生产厂商为了在商务上的考虑，在产品的宣传中大力宣传相对振动就是轴振动，所以好多国内的电厂用户误认为相对振动就是轴振动，这种观点在国内是流行甚广，其实这是不正确的。 1.3轴振动轴振动 轴振动的正确定以是轴相对于大地

5、（绝对静止点）的绝对振动，简称轴振动，就目前的检测技术，还没有办法来直接获取轴振动波形，目前国际比较通用的方法是采用间接获取法，即采用矢量叠加法来进行测量，具体方法如下： 轴承振动V瓦地瓦地 得到了轴承（瓦）相对于大地的绝对振动，相对振动V轴瓦轴瓦 得到了轴对瓦的相对振动，采用平行四边形法则进行矢量叠加，得到轴振动V轴地轴地 即：V轴地轴地=V瓦地瓦地+V轴瓦轴瓦 示意图如下：示意图如下： 图图1 绝对振动测量传感器结构示意图绝对振动测量传感器结构示意图 图图2 绝对振动测量矢量叠加示意图绝对振动测量矢量叠加示意图 1.4振动信号的处理振动信号的处理 振动信号的处理，在设计线路或在软件处理时要

6、慎之又慎，如处理传感器的频响、固有频率、一阶阻尼系统、积分检波电路、矢量追踪滤波、双一阶相位补偿等等。举个简单的例子，滤波器的设计：在通常情况下，用户仅关心机组振动的振幅大小，我们通常所说的通频带，一般设计了一个低通滤波器，其一可以滤去现场传输过程中的干扰信号，提高信噪比，甚至有助于克服传感器自身的缺点，但是若要连接后续的振动分析系统或故障诊断系统，这些系统需要的振动信号是不失真的，没有相移的波形，最好不使用低通滤波器而采用矢量追踪滤波，选择合适的滤波参数至关重要。2、振动传感器的测量原理、振动传感器的测量原理 2.1涡流式位移传感器涡流式位移传感器FK Series 2.2磁电式速度传感器磁

7、电式速度传感器NSNSNSNSNSNSNSNSNSNSbobbinDetecting CoilDamping CoilHousing caseVibrationVibration BaseStud boltMagnetFlat springE2.3压电式加速度传感器压电式加速度传感器Vibration BaseVibrationStud boltWeight forinitial massElectrodePiezoelectricsHousing caseElectrodeElectrical chargeFig. Modeled Structure Example of Piezoelec

8、tric Accelerometer2.4三种传感器测量方式的比较三种传感器测量方式的比较 涡流式传感器具有频响大、没有相移，输出电压直接反映了振动的振幅，特别适合于振动分析，尤其是那种频率低、振动大的振动测量。 速度式传感器由于结构上存在一个惯性系统，会产生相移，对振动分析造成困难，但它不需要安装供电电源，抗干扰好，使用方便，所以这种测量方式也被广大用户所接受和采用。 加速度传感器在近几年发展很快，因为其关键技术电荷放大器方面取得了突破性进展，加上其结构简单、寿命长、体积小、频响宽、没有相移，适用于振动分析，目前被广大用户普遍采纳，现在基本取代速度传感器。3、各种应用场合的选型分析、各种应用

9、场合的选型分析 我们在讨论应用场合的选型分析之前，必须简单介绍一下振动信号的数学模型和振动的位移、速度以及加速度的相互关系。振动信号可以用正弦波曲线加以描述，如下图所示。 图图5振动信号波形振动信号波形图图6振动计算图振动计算图 从计算公式和表格得出以下几个结论：振动的位移、速度和加速度是相互关联的，它们之间是微分和积分的关系，只要知道其中的一个参数，即可通过计算的办法来求得另外两个参数。在低频段（即低转速机组）采用以涡流式位移传感器直接测量机组振动的振幅比较有利。实际上在10Hz以下（即600r/min）根本无法用速度传感器（因为二阶阻尼系统在固有频率以下输出非线性）和加速度传感器（在低频段

10、由于信号太弱，信号的信噪比太小，精度很差）根本无法测量。在中频段（一般取201000Hz）3种测量办法都可取。在高频段，特别是小振幅、高转速以力量性振动为主的振动测量场合，一般选用加速度传感器更为合适，因为此时的加速度信号很强，而且根据牛顿定律，如果测量机组的加速度信号，更能直接反映力的大小，而采用其他测量方式经过几次转换，势必产生转换误差。根据测量的阿贝原则，直接获取信号，其测量精度更高。从振动分析角度考虑，人们最关心的是振动的频幅特性和轴心轨迹，而经过积分后，引入相移给振动分析带来麻烦，所以用直接测量振动振幅的涡流传感器来测取振动信号是最为理想的为了测量机组的绝对振动，采用带有“静止”参考点的速度传感器有独到的优点，而采用位移式传感器是无法办到的。 各类测量方法所适用的机械类型如下： 涡流式位移传感器适用范围: 汽轮机、大中型泵、燃气轮机、发电机、风机、平面轴承的压缩机、电动机、等采用滑动轴承的旋转机械。 磁电式速度传感器适用范围: 汽轮机、燃气轮机、泵、发电机、电动机、风机等等。 压电式加速度传感器: 高速旋转机械，如航空发动机等；中小型滚动轴承的旋转机械，如电动机、泵、齿轮箱等等。 如果需要组成手持式便携式振动仪，只能选用后2类传感器 4、振动检测技术的发展探索、振动检测技术的发展探索 4.1现场总线方式现场总线