汽輪發電機組振動信號的特征圖譜

王銳 李世民 馮培峰

摘 要：汽輪發電機組作為我國電能生產的基礎設備，其安全經濟運行責任重大，本文對旋轉設備振動診斷常用的伯德圖、極坐標圖、軸心位置圖、軸心軌跡圖、趨勢圖的組成特點及用途一一做了介紹，如果能對這些特征圖譜進行深入分析，則足以應對生產過程中出現的大部分振動故障，汽輪發電機組振動信號的頻譜分析也越來越受到業內人士重視。

關鍵詞：振動故障;診斷;特征圖譜

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.19.140

1 伯德圖

（1）伯德圖的組成及特點。波德圖是表示振動幅值、相位與轉速之間變化關系的圖形。

圖形分為上下兩部分，下半部分是振幅-轉速曲線，也稱做幅頻特性，縱坐標是振幅峰峰值;上半部分是相位-轉速，也稱做相頻特性，縱坐標是相位;它們公用的橫坐標是轉速。振幅-轉速曲線是雙線：一根是通頻振幅，另一根是倍頻振幅，常用的是一倍頻振幅;相位-轉速曲線是單線，表n倍頻振動相位。

（2）伯德圖的用途。1）確定臨界轉速。臨界轉速是旋轉機械最基本的振動特性參數，現場運行人員用它來設定暖機轉速、升速率等，故障診斷時同樣要用到。設備制造廠家提供的臨界轉速計算值有時偏差較大。臨界轉速與安裝基礎、支撐特性有關，現場的這些特性和制造廠的不一定會一致，所以，通常以設備安裝后現場實測值為準。根據升降速波德圖，如果變速過程振幅曲線出現波峰，同時相位急劇增加或減小，變化幅度約大于70°，這時對應的轉速有可能是該測點所處跨的轉子或相鄰跨轉子的臨界轉速[1]。對于實際機組，確定臨界轉速使用波德圖比用極坐標圖方便。如果測得的波峰明顯，臨界轉速識別起來容易，可以很容易認定測點2X所處的高中壓轉子臨界轉速為1460r/min。有時臨界轉速的認定困難，因為振動峰的出現除了共振，還可能有其他原因，并不是所測得的所有振動峰都是轉子臨界轉速的共振峰。2）確定共振放大因子。從波德圖中還可以確定共振放大因子AF，共振放大因子反映了臨界轉速時轉子系統的阻尼，也是對轉子在臨界轉速區轉子橫向振動敏感性的量度。3）動平衡加重分析。利用從波德圖得到的振幅、相位隨轉速/時間的變化關系，在進行動平衡時用來分析轉子不平衡質量所處的軸向位置、不平衡振型階數。4）分析結構共振。如果波德圖顯示在一些非臨界轉速的轉速區出現明顯的一倍頻或二倍頻共振峰?？梢宰鳛榻Y構共振的一個懷疑證據。5）動靜碰磨故障分析。動靜碰磨判斷主要依據是時間趨勢圖，但波德圖反映出的升降速過程振幅差和相位差同樣是一個重要信息。

2 極坐標圖

（1）極坐標圖的組成及特點。極坐標圖是在極坐標系下繪制一系列的振動矢量，它是轉速（或時間）的函數曲線。不同轉速下的一倍頻振動矢量的幅值和相角直接地被繪制在坐標平面上，相應的轉速也在曲線上表示出來。極坐標圖也可繪制任何經過濾波的高倍頻。

（2）極坐標圖的用途。極坐標圖實際上是把波德圖中的幅頻曲線和相頻曲線合二為一。極坐標圖包含了與伯德圖相同的信息，雖然包含的信息相同，但是聽強調的信息不同。通常在波德圖中比較容易獲得低轉速矢量、共振放大因子，而在極坐標圖上比較容易獲得各階模態參數、重點和結構共振等。

3 軸心位置圖

（1）軸心位置圖的組成及特點。軸心位置圖表示了軸心線在軸承中的平均相對位置隨轉子轉動速度變化的函數關系曲線。為了能夠做出軸心位置圖，需要兩個正交交安裝的（90°）位移探頭測頭輸出的直流信號。通常軸心位置也稱軸心靜態軌跡。

（2）軸心位置圖的用途。1）軸預浮起量。根據軸頸浮起高度確定高壓頂軸油泵及油路是否正常。判斷油膜厚度情況。2）軸承載荷。軸頸中心位置高，軸承承載輕，軸承油膜壓力小，承溫度低，反之亦反。通過軸頸中心位置可判斷軸承瓦溫升高的原因。3）軸承標高。運行軸承標高變化，可引起軸頸相對軸承的靜態位置變化，如果軸承標高變高，那么軸頸中心位置偏上。如果軸承標高變低，那么軸頸中心位置偏上。通過軸頸中心位置可判斷軸承標高變化情況。4）軸頸偏心率。軸頸在軸承中偏心率的變化會引起軸承油膜剛度和阻尼系數的變化，從而引起系統動力特性的變化。如受高壓調速汽門開啟順序影響，使轉子受到額外的向左上的作用力，從而使軸頸在軸承中向小偏心力方向移動。

4 軸心軌跡圖

（1）軸心軌跡圖的組成及特點。軸頸在軸承中隨轉子轉動速度而變化的函數曲線通過兩個正交安裝的（90°）位移探頭測得其輸出的交流信號可獲得軸心軌跡圖.軸心軌跡也可稱軸心動態軌跡。

（2）軸心軌跡圖用途。通過軸心軌跡可獲得如下信息：1）轉子進動方向。將軸心軌跡運動方向與轉子旋轉方向相比，如果進動方向與旋轉方向相同，轉子處于正進動方向;反之，轉子處于反進動狀態。進動力方向對于判斷轉子動靜碰磨故障是非常有用的。當動靜碰磨嚴重時轉子有可能處于反進動狀態。2）故障診斷。借助軸心軌跡可獲得故障大致信息，不同振動故障會出現不同的軸心軌跡。例如，①不平衡故障時，軸心軌跡為穩定的橢圓;②不對中故障時，軸心軌跡為“8”字形或“香蕉形”;③動靜部件碰磨時，軸心軌跡上可能出現鋸齒狀;④膜振蕩故障，軸心軌跡出現紊亂狀。

5 趨勢圖

額定轉速運行的機組，利用趨勢圖顯示振動參數或其他過程參數單一隨時間的變化，以對機組狀況進行判斷和故障診斷，應用最多的是趨勢圖。趨勢圖以時間為橫坐標，縱坐標通常選用振動通頻幅值、各分頻幅值、相位、間隙電壓等參數，以顯示它們隨時間的變化，橫坐標的時間間隔密度往往根據不同需要選取。

6 結語

由幅值域分析和頻域分析得到的振動信號特征，可以用數字列表的方式表示，也可以繪制成專門的特征圖譜，充分利用分析軟件，將圖譜進行綜合分析和推理，對于工程技術人員而言無疑會是一個非常有力的工具，目前在國內部分電廠已經開始這方面生產實踐，這對于旋轉設備的經濟安全運行和精密檢修也將是一個新的發展方向，不斷積累這方面的經驗將會推動其健康持續發展。

參考文獻：

[1]陸頌元，吳崢峰.汽輪發電機組振動故障診斷及案例[M].北京：中國電力出版社，2016.

[2]郭寶仁，常浩.汽輪發電機組振動診斷技術問答[M].北京：中國電力出版社，2016.

[3]劉峻華，黃樹紅，陸繼東.汽輪機故障診斷技術的發展與展望[J].汽輪機技術，2000，42（01）：1-6.