旋转机械振动分析基础

第一章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。以100MW〜600MW汽轮发电机组为例，出现故障后，多启动一次的直接经济代价(仅考虑燃油和厂用电消耗)约5万〜30万元。机组容量越大，经济损失越大。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：振动过大将会导致轴承乌金疲劳损坏。图1给出了某台机组轴承乌金损坏图片。某厂一台汽轮发电机组#1轴承乌金经常损坏。新轴承换上后，短时只能运行20〜30天，长时也只能运行2〜3个月。测试发现，轴颈处转轴振动达到2805。大修中对该转子进行了动平衡，大修后的轴振减小为705。稳定运行四年多，乌金没有再次碎裂。某厂一台压缩机振动不稳定，三个月内累计发生阵发性振动8次。虽然每次幅值不大、时间不长，但是揭开轴承检查，经常能发现乌金局部碎裂，有时顶轴油孔甚至被磨损的乌金堵住。图1轴承乌金疲劳碎裂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。图2给出了某台300MW汽轮机大轴弯曲后实测得到的弯轴曲线［1］图3给出了某台机组汽封摩擦损坏图片。某厂1台汽轮机冷态启动，在1200rpm下暖机30分钟后，2号轴承振动逐渐增大到40um。降速到500rpm后再次升速到1200rpm暖机，振动逐渐增大到82um，振动发散速度越来越快。打闸停机过程中，振动未见减小，反而进一步加大。现场人员发现汽封摩擦冒火星。停机后2号轴颈处大轴晃度达

到390um。揭开汽缸大盖检查发现，动静部件磨损严重，转子弯曲0.79mm。图2某台300MW机组高中压转子实测大轴弯曲曲线图3某台机组汽封摩擦损坏情况（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。近五十多年来，国内外发生过多起汽轮发电机组轴系断裂恶性事故［2,3］。1953年美国TANNERSCREEK电站1台125MW机组低压转子断裂，1954年美国REDGLAND电站1台156MW机组超速试验中，转速升到1955rpm（额定转速1800rpm）时，低压转子断裂。1972年原联邦德国某电站1台500MW机组低压转子、发电机、主励磁机与辅助励磁机之间的联轴器螺栓被扭断，低压转子在装叶轮处断裂。1972年日本海南电厂1台600MW机组超速试验过程中低压转子、发电机和励磁机断裂，整个轴系断为17段。1974年美国GAILATIN电站1台225MW冷态启动时，升速到3400rpm（额定转速3600rpm）时，低压转子突然断裂。图4给出了国外发生的一台600MW汽轮发电机组轴系断裂图片⑷。我国同样发生过多起比较严重的汽轮发电机组轴系损坏事故。1台50MW机组因汽轮机进入低温蒸汽，汽缸急剧收缩，动静径向间隙减小，引起动静径向碰磨，导致大轴弯曲和大不平衡振动。解列甩负荷时，主汽门、调节汽门关闭迟缓，机组超速至3600r/min左右。在摩擦和大不平衡力的作用下，15m长的汽轮发

电机组轴系断裂成12段，汽轮机缸体爆炸，断轴拼接后的主轴最大弯曲达186mm。一台200MW机组升速过程中，因故障导致转速飞升到3400rpm以上，引发机组共振和油膜振荡，机组振动强烈，导致个别部件损坏，由此引起的大不平衡振动在10〜11s内使整个30m长轴系断成13段。（a）损坏全景 （a）损坏全景 （b）大轴断裂（c）叶片断裂 （d）大轴断口图4国外某600MW汽轮发电机组轴系断裂事故图片第一节振动分析基本概念振动是一个动态量。图5所示是一种最简单的振动形式一简谐振动，即振动量按余弦（或正弦）函数规律周期性地变化，可以写为y=Asin（①I+中）1 （1）g2再,f=-式中，y—振动位移；A—振动幅值；中一振动相位；w一圆频率；f一振动频率；t一周期。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r=0时刻的初始状态。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，通常以Ap表示。式（1）中的A又称为半峰值，记为A0p。图6给出了三组相似的振动波形：（a）图两信号幅值不等，（b）图两信号相

位不等，（c）图两信号频率不等。知道幅值、频率和相位这三个参数必须同时图5简谐振动波形nlQA可见，为了完全描述一个振动信号，，人们称之为振动分析的三要素。位不等，（c）图两信号频率不等。知道幅值、频率和相位这三个参数必须同时图5简谐振动波形nlQA（a）幅值不等 （b）相位不等 （c）频率不等图6三组相似的振动波形简谐振动是一种最简单的振动形式，实际发生的振动要比简谐振动复杂得多。不管振动信号多么复杂，都可以将其分解为若干具有不同频率气、幅值A,和相位七的简谐分量的合成，图7给出了一组复杂波形分解实例：（2）y=HAsin（①t+甲）（2）i=1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0.5x,2x、3x等表示与转动频率的0.5倍、2倍和3倍等相等的频率，又称为半频、二倍频、三倍频。（a）复杂波形 （b）分解后的简谐波形图7复杂简谐振动波形分解实例采用信号分析理论中的快速傅立叶变换（FFT）可以很方便地求出复杂振动信号所含频率分量的幅值和相位。目前频谱分析已成为振动故障诊断领域最基本的工具。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。第二节振动位移、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：y=Asin（3t+甲）TOC\o"1-5"\h\zdy 兀、\o"CurrentDocument"v=y= =3Asin（伽+甲+—） （3）dt 2〃d2ya=y= =32Asin（①+甲+兀）dt2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信号。从式（3）可以看出：（1）振动位移、速度和加速度信号的频率相同。不管采用何种表示方式，故障性质不会变化，都可以用于振动监测。三种方式在旋转机械振动分析中都有广泛应用。（2） 在相同位移幅值下，频率越高，振动所产生的交变应力越大，对设备的危害也越大。因此，故障频率越高，位移幅值应该控制得越严格。对于旋转机械而言，转速越高，振动标准越严。（3） 振动速度（或加速度）幅值是振动位移和频率（或频率平方）的乘积，幅值中同时反映了振动频率和位移幅值的影响，较单纯的振动位移幅值更全面。（4） 振动加速度相位超前振动速度相位90。，振动速度相位又超前振动位移相位90o。采用不同表示方式时，必须考虑相互之间的相位差。（5） 值得指出的是，同一种故障在振动位移、速度和加速度频谱中表现出来的故障特征不完全相同。假设某故障振动位移信号频谱如图8（a）所示，频谱中10Hz、20Hz和50Hz分量幅值都为10um。根据式（3）计算出每一频率分量的速度和加速度幅值，从而得到相应的振动速度和加速度频谱，如图8（b、c）所示。比较这三个图可见，高频分量在振动速度和加速度频谱中得到了明显“放大”。频率越高，速度和加速度频谱中高频分量的“放大”作用越明显。因此，对于高频振动故障，为了在故障的早期能够比较明显地反映出振动变化，采用振动速度或加速度监测比较有效。假设某故障加速度频谱如图8（f）所示，频谱中10Hz、20Hz和50Hz分量都为1m/s2。由式（3）可以计算得到相应的速度和位移频谱，如图8（d、e）所示。比较这三个图可见，低频分量在振动位移频谱中得到了明显“放大”。频率越低，放大效果越明显。因此，对于低频振动故障，监测振动位移更能够突出反映振动变化。表1给出了振动位移、速度和加速度之间的关系。

崖速速加7O8-O■3O2-O654---ooO19-O25002050崖速速加7O8-O■3O2-O654---ooO19-O25002050564208642■6400^)^E速加(d)50f/Hz50f/Hz50f/Hz(e)(f)图8振动位移、速度和加速度频谱比较振动位移、速度和加速度之间可以相互转换。虽然将位移信号对时间求导可以得到速度信号和加速度信号，但是由于求导过程中误差有可能会放大，实际上很少进行这样的转换。信号积分过程中误差是收敛的，因此，目前采用得

比较多的是由加速度或速度信号积分求出位移信号。一些采用加速度传感器的振动仪表，可以通过积分同时测量出振动加速度、速度和位移值。表1振动位移、速度和加速度之间的关系振动表示形式位移速度加速度幅值AwAw2A相位中中+兀/2平+兀频率333单位mmmm/smm/s2转换关系位移信号对时间求导得到速度，再求导得到加速度；加速度对时间积分得到速度，再积分得到位移。选用原则三种表示方式都可以用于监测；速度和加速度信号更能突出反映高频分量的变化；位移信号进行监测更能突出反映低频分量的变化。第四节振动传感器传感器的基本功能是将振动信号转换成电信号。目前用得比较多的振动传感器有电涡流型、速度型和加速度型。本节主要介绍这三种传感器的结构、工作原理和使用注意事项。一、振动传感器基本原理图15涡流传感器1—感应线圈；2一固定螺母；3—信号输出涡流传感器结构如图15所示。传感器头部有感应线圈，通上高频电流后，在线圈周围产生了高频电磁场。如其周围有金属导体，便会在金属表面产生电涡流。电涡流产生的电磁场与感应线圈的电磁场相互叠加，改变了感应线圈阻抗。在其它参数不变的情况下，该阻抗是线圈与金属导体之间距离的单值函数。将感应线圈接入振荡回路，即可输出一个与距离有关的高频谐波。在传感器附近设置前置放大器，将信号放大、检波和滤波后，即可得到一个与距离成正比的输出电压。因此，这种传感器又称位移传感器。传感器输出电压的直流分量正比于感应线圈与金属导体之间的静态间隙，交流分量正比于两者之间的动态位移，即振动。图16速度传感器1—簧片；2—磁钢；3—阻尼杯；4—导磁体；5—连接杆；6—外壳；7—线圈；8一簧片；9一引出线接头速度传感器结构如图16所示。速度传感器实际上是一个往复式永磁小发电机。传感器外壳6固定在被测物体上，与被测物体一起振动。动线圈7用很软的簧片1、8固定在外壳上，其自振频率①n很低。当被测物体振动频率①2150〃时，动线圈处于相对静止状态。线圈与磁钢之间发生相对运动，线圈切割磁力线而产生感应电压。输出电压正比于振动速度，所以称为速度传感器。图17加速度传感器1一底座；2—压电晶体片；3—导电片；4—质量块；5—外壳；6一碟形簧片；7一引出线接头；8一导线加速度传感器结构如图17所示。它利用压电材料的压电特性，当有外力作用在压电材料上时便产生电荷。蝶形簧片通过质量块4和导电片3与压电晶体片2紧密接触。将这些部件装在不锈钢外壳5内，晶体片的电荷通过导线8引出。压电晶体片输出电荷正比于作用在晶体片上的力。物体振动时，晶体片上受到的作用力正比于质量块质量和振动加速度的乘积。因此，当质量块质量一定时，传感器输出电荷与振动加速度成正比。图18接触式轴绝对振动测量方法1—轴；2—滑块；3—测振杆；4—速度传感器图19组合式振动传感器1—轴；2—涡流传感器；3—轴承盖；4—外壳；5—速度传感器采用涡流传感器测量转轴振动时，传感器大多固定在支架上，支架又固定在轴瓦上，所测量出的是转轴相对轴承座的振动，通常称为转轴相对振动。转轴相对于自由空间的振动称为绝对轴振。绝对轴振可以采用接触式或组合式方法测量。图18给出了接触式转轴绝对振动测量方法。测振杆的一端与滑块或碳刷相连，直接压在转轴上。临时测量时，也可将转轴接触端做成V字形，将V字形缺口对准转轴，与转轴保持垂直并压紧。测振杆另一端与速度传感器相连。转轴振动通过滑块传至测振杆，再传至速度传感器，对输出信号积分后，便可得到转轴绝对振动信号。该法简单实用，经常用来对涡流传感器振动读数进行校核。这种测量方式由于高速旋转的轴与探头相接触，时间长后会出现磨损。图19给出了组合式转轴绝对振动测量方法。将速度传感器和电涡流传感器组合起来，用速度传感器和积分器测量轴承绝对振动，用电涡流传感器测量转轴相对振动。将这两个振动信号叠加，可获得转轴绝对振动。这种叠加并不是简单的相加，需要考虑两个振动信号之间的相位差以及积分过程中相位漂移等因素的影响。二、振动传感器特点和选用涡流传感器输出与振动位移成正比。传感器与被测物体不接触，可以测量转

动部件的振动，并可进一步用于测量旋转机械振动分析中的两个关键参数：转速和相位。振动测量的频率范围较宽，能同时作静态和动态测量，适用于绝大多数旋转机械。传感器输出结果与被测物体材料有关，材料不同会影响传感器线性范围和灵敏度，须重新标定。为了获得可靠数据，对传感器的安装要求较严。速度传感器输出与振动速度成正比，信号可以直接提供给分析系统。传感器安装简单，临时测量可以采用手扶方式或通过磁座与被测物体固定，长期监测可以通过螺钉与被测物体固定。速度传感器体积、重量偏大，低频特性较差。测量10Hz以下振动时，幅值和相位有误差，需要补偿。测量发电机和励磁机振动时，速度传感器可能会受到电磁干扰的影响。此时，速度传感器的输出信号会变得很不稳定，互大互小，没有规律。加速度传感器输出与振动加速度成正比。体积小、重量轻是加速度传感器的突出特点，特别适用于细小和质量较轻部件的振动测试。加速度传感器结构紧凑，不易损坏。涡流、速度和加速度传感器在旋转机械振动测试中都得到了广泛应用。通常是用涡流传感器测量转轴振动，用速度或加速度传感器测量轴承座振动。另外，由位移、速度和加速度之间的关系可知，为了突出反映故障信号中高频分量或脉冲量的变化，可以选用加速度传感器;为了突出反映故障信号中低频分量的变化，可以选用涡流传感器。三、涡流传感器的安装涡流传感器安装要求较严，安装时需要注意以下事项：避免工作温度过高。温度过高不仅会降低传感器灵敏度，而且会损坏传感器。目前传感器（非特制）最高容许温度大部分是在120°C以下。避免交叉感应。如图20所示，两个传感器距离较近时，相互之间将产生交叉感应，降低传感器灵敏度。不同形式的涡流传感器对两个传感器之间的距离要求不同。例如，本特利公司3300系列涡流传感器规定A25mm。(■»

(■»图20涡流传感器的交叉感应避免头部侧隙和外露长度过小。如图21所示，传感器头部侧隙和外露长度较小时，头部附近的导体会影响传感器输出，一般要求b>d,c22d。现场安装传感器受位置限制时，可以去掉传感器头部附近的金属，使b和c满足要求。避免支架振动。涡流传感器有时是固定在支架上，有时是套装在支承杆上，然后再固定到轴承座上。传感器安装时应该尽可能避免因支架的振动和松动而产生误差。支架和套筒固有频率必须避开工作转速，否则会产生共振，导致振动读数误差很大。支架共振现象在国内大型汽轮发电机组上已经发生过多起。某300MW机组升速至2400rpm〜2500rpm时，#3、#4轴承的轴振超过350um，引发振动保护动作。与此同时，瓦振在该转速附近，振动一直比较平稳。分析表明这是由于测振杆共振引起的。将测振杆加粗后，该转速范围内的振动大大减小。多台机组的实测表明，测振杆共振现象具有以下几点共同特征：①振动峰值很尖，发生共振的转速范围很窄(100〜200rpm)；②该转速附近轴承座振动较小、变化平稳而且没有峰值；测振杆是否出现共振可以通过现场敲击试验来判定。上台机组的实测结果表明，3、4号轴承处传感器支承杆的固有频率分别为40.2Hz(2412rpm)和41.3Hz(2478rpm)，正好对应着升速过程中3、4号轴承处轴振动的峰值频率，可见3、4号轴承处的轴振动峰值并非转子本身的振动，而是传感器支承杆自身共振引起的。(a)传感器头部侧隙和外露长度过小 (b)补救方法图21避免传感器头部侧隙和外露长度过小正确的初始间隙。图22给出了传感器静态性能曲线。从图中可以看出，传感器与被测物体之间的距离过大或过小时，输出电压与距离之间的线性关系较差，传感器读数将会产生误差。因此，传感器安装时必须将初始间隙调整到传感器线性范围的中部。被测物体振动时，传感器输出值在该点附近的线性范围内变化。以本特利公司3300系列涡流传感器为例，建议静态下初始间隙电压值调整在一12V（1.5mm）左右。500 1000 1500 2000 2500 3000 3500距离/“m500 1000 1500 2000 2500 3000 3500距离/“m5O1V桂电5图22传感器静态性能曲线避免电磁干扰。涡流传感器输出不仅与探头到轴表面的距离有关，还与轴表面剩磁、导电率和导磁率等有关，受电磁干扰的影响较大。某台125MW汽轮发电机组空载时，各点轴振、瓦振良好。满负荷时发电机后轴承处轴振由43um增大为182um。励磁电流减小，振动也随之减小。轴振增大的同时，瓦振变化不大。分析发现空载时的轴振波形比较正常，近似于正弦波。带负荷时波形中出现了很多幅值很大的负向尖毛刺（图23），每周期内有两个大小不等的毛刺。毛刺幅值甚至超过了原来的振动幅值，直接导致了振动读数的增大。频谱分析结果（图24）表明，除了工频分量外，还有大量的2x、4x、6x、8x等倍频。机组解列后，倍频分量消失。这种现象普遍存在于50MW、100MW、125MW、135MW等采用双水内冷的发电机组后轴承上。研究发电机转子结构发现，采用双水内冷的发电机，励磁引线通过发电机励端轴承处的轴段，转轴表面存在不同程度的磁化现象，磁导率不同，干扰了传感器的输出。随着励磁电流的增大，电磁干扰加大。为消除发电机后轴承轴振虚假信号问题，结合机组检修，对测振装置进行了改造。将发电机后轴承轴振动测量探头改为接触式探头，通过测振杆与轴的接触来测量转轴绝对振动。采用新的测量方法后，基本解决了轴振虚假信号问题。但是由于采用接触式测量，探头与转轴接触部位存在一定程度的磨损。图23电磁干扰后的发电机后轴承轴振波形图24电磁干扰后的发电机后轴承轴振频谱减少转轴初始偏摆。理想状态下，转轴不振动时，涡流传感器输出应该为一正比于间隙的直流电压。但是当被测表面存在机械缺陷（如轴表面不圆、局部腐蚀、有凹坑或伤痕、轴有弯曲）或电磁缺陷（如轴表面局部存在较强剩磁或有残余应力）时，即使不振动，涡流传感器也会有波动电压输出。电磁干扰和机械干扰统称为初始偏摆，应该尽量避免。初始偏摆的量值可以根据低速下涡流传感器的输出来确定。四、涡流传感器输出信号可靠性的判断方法影响涡流传感器输出的因素很多。轴振增大时，人们往往首先怀疑传感器的可靠性。实际上，在目前技术条件下，大多数情况下轴振信号还是比较可靠的。涡流传感器输出信号的可靠性可以根据以下几点综合判断：（1） 根据间隙电压判断。涡流传感器输出电压信号同时包含直流量和交流量。直流量对应着传感器和探头之间的平均距离，又称为间隙电压。交流量对应着振动信号。如果间隙电压正常，那么交流量一般也是正常的。（2） 根据轴振和瓦振的变化趋势来判断。虽然轴振和瓦振的比例关系有大有小，但是正常情况下，轴振和瓦振应该同步变化。（3） 根据轴振输出波形判断，排除毛刺等异常现象。（4） 排除传感器支架共振和松动故障。（5） 测试盘车状态下的传感器读数，去除振动信号中所包含的轴表面初始偏摆。（6） 根据升、降速过程中轴振幅值和相位的变化是否符合机械振动规律和转子动力特性来判断。（7） 采用测振杆+碳刷+速度传感器的方法临时测量轴的绝对振动，根据转轴绝对振动大小来判断。五、相位测量相位是旋转机械振动分析不可缺少的参数。相位的变化直接反映了转轴上不平衡力角度的变化。动平衡试验时，加重角度的确定在很大程度上取决于相位。相位准确与否，直接影响动平衡工作效率。相位有多种定义方式。旋转机械振动分析中，相位有其特殊含义。它是指振动信号与转轴上某一标记之间的相位差。设有转轴如图25所示，在轴上某一位置做标记（反光带或键槽），安装键相传感器。每当转轴上的标记转动到键相传感器处时，就会产生一个脉冲信号。相位被定义为基准脉冲与振动信号上某点（例如正峰或零点等）之间的相位差。目前国内外比较通用的相位定义是标准脉冲信号前沿导前振动信号第一个正峰值的角度，即脉冲信号在前，振动信号正峰值在后。获取脉冲信号的传感器俗称为键相探头。基准脉冲信号有两种获取方式：在转子上贴反光带，配光电传感器。每当反光带通过光电传感器时，由于转轴表面的色差而产生一个与转速完全同步的脉冲信号；在转子上开键槽，配涡流传感器。每当键槽通过涡流传感器时，由于探头与被测物体之间的距离变化而产生脉冲信号。图25脉冲测相示意图使用光电传感器测量相位很方便。光电传感器分可见光和红外线两种。采用可见光光电传感器时，转轴表面必须涂为黑白两种颜色。光线射到黑色部位时被吸收，光线射到白色部位时，反射到光电管上产生电信号输出。转轴上涂的白色标记称反光带。制作反光带时需要将外露轴表面清理干净，不能