旋转机械振动故障分析讲义.ppt
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1、旋转机械振动故障分析,1.机械振动与转子动力学的基本概念2.旋转机械振动测试的基本概念3.转子平衡的基本概念与方法4.机组振动的标准,机械振动与转子动力学的基本概念,1.什么是振动 在特指的机械系统中,我们把所有由质量与弹性的物体组成一个动力系统(不是静态的)产生的震荡运动称为振动。,机械振动与转子动力学的基本概念,振动的三要素所有复杂振动均可分解成多个简谐运动的合成。最基本的简谐运动形式:Y=Asin(t+j)振幅 A 位移的最大值频率 f=/2 单位时间同一状态出现的次数相位 j三个参数决定了系统的运动状态,称:振动的三要素,机械振动与转子动力学的基本概念,振动形式的分类自由振动强迫振动参
2、数振动自激振动,机械振动与转子动力学的基本概念,振动系统的分类系统简化后得到一个振动系统的组成模型,按照需要确定系统在空间运动时的几何位置所需要独立坐标的个数可以将振动系统分成:单自由度系统多自由度系统,机械振动与转子动力学的基本概念,转子振动的几个重要概念固有频率振型临界转速共振,旋转机械振动测试的基本概念,振动测试的物理量与传感器的选择位移 速度加速度,旋转机械振动测试的基本概念,振动相位的测量与键相信号在旋转机械振动测量领域内,相位的含义是:振动信号的某一点(高点或零点),与基准脉冲信号之间在时间上的关系。脉冲测相法:在转子上贴一条反光带或开键槽,用光电传感器或涡流传感器产生一个与转速完
3、全同步的脉冲信号,求脉冲信号前沿与振动信号上某一点之间的时间距离,即为振动相位。,旋转机械振动测试的基本概念,振动幅值的度量当我们测量出来振动的位移、速度、加速度后,需要对这些量进行度量,常用的有这样的一些:单峰值,峰峰值,有效值。a.单峰值b.峰峰值c.有效值与振动烈度选用振动烈度的意义。振动烈度与振动位移的换算,旋转机械振动测试的基本概念,常见振动测试的特征图形所有的信号都可以分类成 时域图形和频域图形。最常用的就是:a 波形图 b 频谱图常见的几种振动信号所对应的波形图与频谱图,旋转机械振动测试的基本概念,常见振动测试的特征图形两种连续的三维频谱图:c 瀑布图d 级联图,旋转机械振动测试
4、的基本概念,常见振动测试的特征图形f 趋势图g 波特图h 极坐标图I 轴心动态轨迹j 轴心静态轨迹,转子平衡的基本概念与方法,转子平衡的概念平衡是通过检测和调整转子的质量分布,即在转子的适当地方加上(或减去)一定大小的质量,来减少转子的惯性主轴与旋转轴线的偏离,使机组振动降到容许的范围,保障机组安全、可靠运行。刚性转子与柔性转子的区分刚性转子的平衡柔性转子的平衡,机组振动的标准,汽轮发电机组振动的国家标准制定概况目前我国与汽轮发电机组振动有关的国家标准有:,GB113471989 大型旋转机械振动烈度的现场测定和评定.GB11348.11989 旋转机械转轴径向振动的测量与评定 第一部分:总则
5、GB11348.21997 旋转机械转轴径向振动的测量与评定 第二部分:陆地安装的大型汽轮发电机组.,机组振动的标准,汽轮发电机组振动的国家标准制定概况现在正在批准的标准有:挠性转子机械平衡的方法和准则在非旋转部件上测量和评价机器的机械振动 第一部分:总则在非旋转部件上测量和评价机器的机械振动 第二部分:超过50MW陆地安装的大型汽轮发电机组,机组振动的标准(1),返回,国标“GB11348.21997 旋转机械转轴径向振动的测量与评定 第二部分:陆地安装的大型汽轮发电机组”将振动幅值所划分的区域:,机组振动的标准(2),报批标准“在非旋转部件上测量和评价机器的机械振动 第一部分:总则”给出振
6、动烈度表示的4个区域。,返回,振动,返回,振动三要素,返回,自由振动是系统受到外界干扰,并去掉激振后产生 的振动,又称自由响应。自由振动反映了系统内在的信息。,自由振动,返回,强迫振动,强迫振动:系统在外界干扰作用下的振动响应。外激励力:确定性 周期振动外激励力:非确定性 随机振动,返回,自激振动与参数振动(1),自激振动是非振动性能量在系统内部变成了振动性的激励而产生的振动。产生振动的直接原因是振动力,它是由振动体自身而产生的,且取决于振动体本身的振动,这种振动力是由外部供给的非振动的或振动的能量而产生的。,系统外部的非振动的或振动的能量,振动系统,振动力,参数振动是指振动系统内部的质量、阻
7、尼、弹性等元素随时间周期变化而引起的激振。在这个振动系统中,质量、阻尼、弹性等元素随时间变化,但系统不受到外界的激励仍然可以有周期性的运动。,自激振动与参数振动(2),自激振动与参数振动(3),参数振动属于自激振动的一种。电厂中常见的自激振动有:轴承的油膜振荡。转子的汽流激振。泵及管道的喘振。,返回,单自由度系统,定,可以用一个方程就描述它的运动。,为惯性项,为阻尼项,为弹性恢复项,为外激力,所谓单自由度系统就是在任何时刻,系统的位置只需要一个坐标就可以确,返回,共振(1),对于简化的只受偏心激励力作用的转子,按单自由度振动方程得到的转子稳态解是:,转子的临界转速,转子的转速,共振(2),对系
8、统中弹性势能项、阻尼项、惯性项与外激力项随转速的变化情况的分析:,临界转速前,临界转速,临界转速后,单自由度系统的幅频、相频特性,返回,当干扰力的频率接近系统固有频率时,振动迅速增大,此时系统处于共振状态。对于有阻尼系统,阻尼的耗能作用使共振振幅变小,阻尼越大,共振振幅越小。,多自由度系统(1),多自由度系统就是在任何时刻,系统的位置需要两个以上坐标才能确定的系统。,多自由度系统(2),一个具有n个自由度的强迫振动系统的典型方程可以写做:,版权所有,2001(c)华北电科院 汽机所.,返回,固有频率,一根转子在一定的转速下,如果没有阻尼衰减作用,此时给它一个扰动让其自由振动的话,那么这个转子将
9、按照一定的频率振动下去,这个振动的频率只取决于系统本身的质量、刚度、转速,与外界的因素无关,外界的扰动情况只能影响他振动的幅度,但不会干扰他的振动频率。这个频率我们称:是这根转子的固有频率。,返回,振型,又叫模态,是振动系统各点在固有频率下做简谐振动时,波节与波腹的振动形态。,返回,55型国产200MW机组发电机转子二阶振型,55型国产200MW机组低压转子一阶振型,临界转速,转子在一定的转速下,某一阶固有频率可以被转子的不平衡激起来,这个与固有频率一致的转速就叫做临界转速。如果假设转子的支撑没有阻尼作用,当受到了与自身的固有频率一致的交变的干扰作用力时,转子振动的振幅将会趋于无穷大,这种系统
10、中转子上个位置,各点振动达到最大值的转速是相同的,这个转速就是临界转速。对于这种有阻尼的振动系统,转子各点振幅达到最大值时并不是在同一个转速下,而是在一个转速区间,临界转速的实际意义就是 一个转速的区间。,返回,波形图,波形图就是将振动信号的时间历程表示出来。,从波形图可以看出振动信号是否平稳、毛刺、削波、调频、调幅等异常现象。,返回,频谱图,当对时域波型数据进行频谱分析可以看到信号是由哪些频率成分的分量组成的,以及各个分量的幅值情况。这是目前进行故障诊断与分析最普遍使用的图形。以频率为横坐标,以振幅为纵坐标,将分析结果绘制在图上就可以得到某一时刻的频谱。,返回,常见振动信号对应的波形与频谱图
11、(1),以工频为主的振动,常见振动信号对应的波形与频谱图(2),有低频的次谐波振动,常见振动信号对应的波形与频谱图(3),有高频的超谐波振动,常见振动信号对应的波形与频谱图(4),随机振动,常见振动信号对应的波形与频谱图(5),返回,拍振,瀑布图,用某一测点在连续时间范围内测的的频谱图按时间顺序排列组成瀑布图(通常是在相同的转速下)。瀑布图中可以看到各种频率的组成与振幅是如何随时间变化的。,返回,级联图,级联图是转速连续变化时的频谱图依次组成三维连续的频谱图。他的Z轴是转速,各个频率的轴线是倾斜的直线。级联图用来分析与转速相关的故障比较直观。,返回,趋势图,趋势是观察的某个参数随时间的变化关系
12、。分析机组的振动随时间、负荷等的变化时,趋势图非常直观,对运行人员监视机组状况很有用。,返回,波特图,表示振动的幅值、相位随着转速变化的图形。通常用来确定机组的临界转速。另一个重要用处就是在进行动平衡时有助于用来分析转子不平衡质量所处的轴向位置、不平衡振型的阶数。,返回,极坐标图,极坐标图又叫做奈奎斯特图。就是把波特图的结果绘制在极坐标上,得到的振幅转速曲线是一条环形线。,判断转子的临界转速,容易得到模态参数。用涡流传感器测试轴振动时,很容易得到原始的晃度矢量。,返回,轴心动态轨迹图,轴心轨迹就是将转子在轴承中运转情况以二维轨迹形式表示出来。必须在一个平面安装两个互相垂直的涡流传感器。,可以帮
13、助判断摩擦、油膜涡动、油膜振荡等具有不同轴心轨迹特征的故障。,返回,轴心静态轨迹,轴心静态轨迹给出了不同工况下轴径在轴承中的位置,它是通过涡流传感器的间隙电压发生的变化得到的。许多参数的变化对轴心静态轨迹都有影响。,通过轴心静态轨迹可以确定转子的下列情况:,轴心静态轨迹,送高压顶轴油后轴颈的浮起量。转速升高过程及定速后轴颈在轴承中的位置。支撑状况变化对轴颈静态位置的影响。油膜状况的变化。外部作用力对轴颈静态位置的影响。判断瓦温升高的原因。,返回,涡流传感器性能,1.可以直接测量转轴振动2.采用非接触测量方式,避免了接触磨损3.能做静态和动态测量。可以测量2Hz以下的低频振动,适用于绝大多数机器
14、环境。4.输出信号与振动位移成正比。5.结构简单可靠,尺寸小,没有活动部件。6.可作为转速测量与振动相位测量的键相信号7.材料不同影响传感器线形范围和灵敏度,须重新标定。8.需外加电源和前置器,安装复杂。,返回,速度传感器的性能,1.安装简单,适用于大多数机器环境,对于汽轮发电机组振动,有合适的频响范围。2.无须外加电源,振动信号可不经处理传送直需要的地方3.体积、重量较大,活动部件易损坏,低频响应不好,15Hz以下误差较大。4.标定较麻烦,只可作动态测量,价格较贵。,返回,加速度传感器的性能,1.体积小,重量轻,适用于受附加质量影响显著的振动系统测量,如汽机叶片的振动测量。2.结构紧凑、牢靠
15、,不易损坏。3.环境的噪声、传感器的安装方法、导线的铺设方式,对测试结果有较大影响。4.标定困难,只能做动态测量。5.价格较贵,需设电荷放大器。,返回,振动幅值的度量,单峰值就是振动的最大点到平衡位置之间的距离。峰峰值实际上就是振动的波峰与波谷的距离。振动测量仪器输出的位移振动振幅通常都是峰峰值。有效值又叫均方根值,对于速度振幅的度量,又叫做振动烈度。,Vms 有效值 Vp_p 峰峰值,返回,有效值与振动烈度(1),ISO规定:频率在10Hz到1000Hz范围内振动速度的均方根值叫做振动烈度。速度均方根值:简谐振动 v(t)=1/2*Vp_psin(wt),利用上述定义,可以得到:,返回,有效
16、值与振动烈度(2),选用振动烈度的意义转子故障时的振动频率成分复杂,大量振动失效分析表明:不同频率的振动有不同的危害,在相同的振幅下,振动频率越高,产生的危害越大。同时由于振动的能量与速度的平方成正比,为充分考虑高频振动对机组运行安全的影响,在机组振动状态的评定中更多采用振动烈度。,有效值与振动烈度(3),选用振动烈度的意义例 转子振动由两个同相位的频率分量组成,按位移与振动烈度考核,将得到有不同的结果:(按GB11347.1-89),返回,振动烈度与振动位移的换算,简谐振动下的振动烈度与振动位移的换算,单位:振动位移 um 振动烈度 mm/s 转速 转/分,例:3000转时,振动烈度是 6m
17、m/s,换算出来,振动位移是:54um。,返回,脉冲测相法,图中j 是脉冲信号导前振动信号高点的角度,即振动相位。,返回,刚性转子与柔性转子的区分,转子转速在远低于它的第一阶临界转速时,由振动引起的挠曲变形较小,转子不平衡力的产生主要是由于不平衡质量偏离转子原始曲线,其偏心距不会因为转子的转动发生变化,这种转子可以认为是刚性转子。按ISO的规定,如果转子的最高工作转速与第一临界转速之比小于0.7,就平衡而言,转子可以被认为是刚性的。转子转速接近于它的临界转速时,由于共振转子发生挠曲变形,不平衡质量与原始轴线的距离随转速变化,即运转过程中发生变形的转子称为柔性转子。,返回,刚性转子的平衡(1),
18、.刚性转子上不平衡力的分解与合成,和力矩相等的原则分解到两端平衡面。,两个平面的不平衡和力A、B:,将转子两个不同轴向位置的不平衡力F1、F2按力和力,刚性转子的平衡(2),将作用在两个平面的合力分解为大小相等、方向相同的对称力 与大小相等、方向相反的反对称力,根据它们的大小,转子不平衡可以分成:静不平衡:不平衡的对称分量较大。动不平衡:不平衡的反对称分量较大。混合不平衡:不平衡的对称、反对称分量均较大。,二.转子不平衡的分类,刚性转子的平衡(3),三.平衡时两个基本条件:.阻尼、转速一定时,振动幅值与不平衡力大小成正比。不平衡量增大,振幅也按比例增大。.阻尼、转速一定时,振动高点滞后于不平衡
19、力的角度不变。,返回,柔性转子的平衡,柔性转轴振动特征柔性转轴振动的振型柔性转轴的强迫振动影响转轴振动的因素柔性转轴动平衡的振型分解法柔性转轴动平衡的影响系数法,返回,柔性转轴振动的振型(1),如只考虑X方向,得到等截面转轴弯曲振动的方程:,由上式可以得到转轴振动时的振型与固有频率解:,(n=1,2,3),柔性转轴振动的振型(2),前三阶的振型为:,第一阶振型,第二阶振型,第三阶振型,柔性转轴振动的振型(3),第n阶振型与第m阶振型有关系:,这表明第n阶振型与第m阶振型互不干扰,这就是振型曲线的正交性,即:不平衡只能激发本阶振型曲线;第n阶平衡重量对第m阶振动无影响。,返回,柔性转轴的强迫振动
20、(1),将任意形式的不平衡量的分布分解为转子主振型的形式,均布质量的转轴强迫振动的稳态解都可以表示为:,系数取决于系统的初始条件与边界条件,各阶振型,柔性转轴的强迫振动(2),1.强迫振动的响应是无限多的振型曲线叠加而成的。2.决定了每阶振型响应的大小,转速对其有重要作用。3.当转子在第一临界转速附近时,由于第一阶振型系数很大,转子主要以第一阶振型方式转动;当转速升到第二临界转速附近时,第二阶振型系数比较大,转子主要以第二阶振型方式转动。,返回,影响转轴振动的因素,上面只讨论了均布质量转轴在连续不平衡下的振动,实际转子更为复杂,影响振动的因素主要有:与工作转速距离临界转速的远近程度有关。与不平
21、衡沿转子轴向的分布有关。与支撑特性有关。与轴系间转子的连接及不平衡有关。,返回,柔性转轴动平衡的振型分解法(1),振型分解法原理:由于振型的正交性使第n阶平衡重量只对第n阶不平衡分量有影响,对其他阶不平衡无影响,所以从第一临界转速开始,逐阶进行平衡,就可以使转子在任何转速下平衡。振型分解法平衡过程先将转速升高到第一阶临界转速附近,根据加重引起的振动效应计算应加的对称重量,平衡第一阶分量引起的作用。,柔性转轴动平衡的振型分解法(2),振型分解法平衡过程将转速升速到第二阶临界转速附近,在转子两 个端面加反对称重量,平衡第二阶分量引起的作用。在第三阶临界转速附近需在转子两端加对称重量,转子中部相反方
22、向加一重量,平衡转子第三阶振型。重复上述过程,直至所有振型平衡为止。,返回,柔性转轴动平衡的影响系数法(1),影响系数法平衡原理:影响系数法基于激振力与响应的线性假设,只从数学角度考虑,不考虑转子振动的模态。它只求解线性系统的输入与输出构成的传递函数,并以最小输出为目标,求解最佳加重质量。,影响系数平衡法的求解过程在 A1、A2,.,An等需测试的测点处测取原始振动值 A10、A20,.,An0。,柔性转轴动平衡的影响系数法(2),影响系数平衡法的求解过程在第j平衡平面加试加重重量Pj,测取振动值 A1j、A2j,.,Anj。计算转子j平衡平面处的单位重量引起测点i处的变化,即影响系数aij:
23、,柔性转轴动平衡的影响系数法(3),柔性转轴动平衡的影响系数法(4),影响系数平衡法的求解过程根据影响系数的定义,得到线性方程组:求解该方程,可得到在n个加重平面的平衡重量:,返回,大学课件出品 版权归原作者所有 联系QQ:910670854 如侵权,请告知,吾即删 更多精品文档请访问我的个人主页 http:/,附赠人生心语,人生太短,聪明太晚,人生太短,聪明太晚(1),我们都老得太快却聪明得太迟把钱省下来,等待退休后再去享受结果退休后,因为年纪大,身体差,行动不方便,哪里也去不成。钱存下来等养老,结果孩子长大了,要出国留学,要创业做生意,要花钱娶老婆,自己的退休金都被拗走了。,人生太短,聪明
24、太晚(2),当自己有足够的能力善待自己时,就立刻去做,老年人有时候是无法做中年人或是青少年人可以做的事,年纪和健康就是一大因素。小孩子从小就告诉他,养你到高中,大学以后就要自立更生,要留学,创业,娶老婆,自己想办法,自己要留多一点钱,不要为了小孩子而活我们都老得太快却聪明得太迟,我的学长去年丧妻。这突如其来的事故,实在叫人难以接受,但是死亡的到来不总是如此。学长说他太太最希望他能送鲜花给他,但是他觉得太浪费,总推说等到下次再买,结果却是在她死后,用鲜花布置她的灵堂。这不是太蠢愚了吗?!等到.、等到.,似乎我们所有的生命,都用在等待。,人生太短,聪明太晚(3),等到我大学毕业以后,我就会如何如何
25、我们对自己说等到我买房子以后!等我最小的孩子结婚之后!等我把这笔生意谈成之后!等到我死了以后人人都很愿意牺牲当下,去换取未知的等待;牺牲今生今世的辛苦钱,去购买后世的安逸在台湾只要往有山的道路上走一走,就随处都可看到农舍变精舍,山坡地变灵塔,无非也是为了等到死后,能图个保障,不必再受苦。许多人认为必须等到某时或某事完成之后再采取行动。明天我就开始运动,明天我就会对他好一点,下星期我们就找时间出去走走;退休后,我们就要好好享受一下。,人生太短,聪明太晚(4),然而,生活总是一直变动,环境总是不可预知,现实生活中,各种突发状况总是层出不穷。身为一个医生,我所见过的死人,比一般人要来得多。这些人早上
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