论文总字数：23965字

摘 要

本论文主要研究的是汽轮发电机组常见的振动故障。在国内外发电设备故障的案例中，转子不平衡、摩擦故障、轴系不对中以及轴瓦自激振动这四类振动故障占据了绝大多数。因此本文主要介绍了这四类典型的振动故障，并通过实验模拟了转子不平衡以及摩擦振动故障，对其振动特性进行了验证。

论述了振动测量中所需要的基本参数：位移、速度、加速度。之后分析了振动故障所需要的基本图谱：频谱图、波形图、轴心轨迹图，伯德图，奈奎斯特图等，以及它们的主要功能。最后指出了振动故障的分类方法。

分别阐述了四大典型振动故障：转子不平衡、轴系不对中、摩擦以及轴瓦自激振动的产生机理，产生原因和振动特性，并分析比较了它们振动特性上的异同。之后通过实验得出了转子在不平衡以及摩擦时的振动特性，这些特征与理论结果基本吻合，进一步证明了理论结果的正确性。最后通过对现场振动故障振动特征的分析，加深对这些典型故障的研究，并验证了其能够用于实际。

关键词：汽轮发电机组，转子不平衡，动静碰磨，振动故障诊断

ABSTRACT

This article mainly studies the common vibration faults of turbo-generator set. In the domestic and foreign power generation equipment faults, rotor unbalance, dynamic static friction, misalignment of shafting and self-excited vibration of bearing bush occupy the majority of the four types of vibration faults. Therefore, this paper mainly introduces these four kinds of typical vibration faults, and simulates the unbalance and friction vibration faults of the rotor through experiments, and verifies its vibration characteristics.

The basic parameters of displacement, velocity and acceleration which can be measured in rotating machinery are discussed. After that, the basic atlases of vibration faults are analyzed: spectrum, waveform, axis trajectory, Bird diagram, Nyquist diagram, and their main functions. Finally, I summary the classification ways to the problem of failure diagnosis of steam turbine generator set

The causes of four typical vibration faults, such as unbalance of rotor, misalignment, friction and self-excited vibration of bearing bush, are described respectively. The induced mechanism of these faults are studied. And the vibration characteristics of these faults are compared. The vibration characteristics of the rotor under unbalance and friction are obtained through experiments. These characteristics are basically consistent with the theoretical results.

KEY WORDS: turbine-generator sets，vibration monitoring，dynamic static friction，rotor unbalance

目 录

摘 要 I

ABSTRACT II

第一章 绪论 1

1.1振动故障特征课题研究的背景及其意义 1

1.2国内外研究现状 1

1.3课题研究的主要内容 2

第二章 汽轮发电机组振动故障诊断技术 4

2.1振动的测量参数 4

2.2振动测量分析方法 5

2.3汽轮发电机组诊断故障分类 7

2.4 本章小结 9

第三章 汽轮发电机组典型振动故障分析比较 10

3.1转子不平衡 10

3.1.1 转子不平衡故障机理 10

3.1.2 转子不平衡振动故障原因 11

3.1.3 转子不平衡故障振动特性 12

3.2轴系不对中 12

3.2.1 轴系不对中故障机理 12

3.2.2 轴系不对中振动故障原因 13

3.2.3 轴系不对中故障振动特性 14

3.3动静碰磨 15

3.3.1 动静碰磨故障机理 15

3.3.2 动静碰磨振动故障原因 15

3.3.3 动静碰磨故障振动特性 16

3.4轴瓦自激振动 16

3.4.1 轴瓦自激振动故障机理 17

3.4.2 轴瓦自激振动故障原因 17

3.4.3 轴瓦自激振动振动特性 18

3.5振动特征比较 19

3.6本章小结 20

第四章 转子不平衡、动静碰摩实验模拟及现场振动故障分析 21

4.1实验模拟目的 21

4.2实验测试系统及仪器 21

4.3实验结果及分析 22

4.3.1 原始振动实验分析 22

4.3.2 转子不平衡振动实验分析 23

4.3.3 动静碰磨振动实验结果分析 24

4.4现场振动故障分析 26

4.4.1 振动故障概况 26

4.4.2 振动测试结果及分析 27

4.5本章小结 28

第五章 总结 29

第一章 绪论

1.1振动故障特征课题研究的背景及其意义

随着电力体制改革的深入，各个电力企业对于经济效益的关注度越来越高。而各个电厂在要求保持低投入高回报的经济效益的同时，还需要考虑到节能减排，社会责任，环境友好等方面的严格要求。因此，发电厂需要通过一些先进的技术手段，建立高参数，大容量的汽轮发电机组，来满足低排放，高利用率，高效率等各方面的要求，同时还要能够保持最大的经济效益。对于发电厂而言，安全就是最大的经济效益。汽轮发电机组的状态就决定着整个电厂发电的稳定可靠和安全。实际的生产过程中，不容许出现任何影响设备运转和安全的故障，因此保证设备的正常运作，让其处于良好的工作状态，就成为了发电厂的一项重要工作。

汽轮发电机组通常处于高温，高压，高转速的运行工况，能够实时反映设备内部状态的物理参量也是多种多样的，如机组的温度，压力，转速，频率，振动等。其中，振动是十分重要的一个参量，直接反映了设备安全运行状况。因为机组振动的大小和设备零部件所受到的作用力的大小是息息相关的，而作用力的大小又会和设备零部件的变形程度或是否损坏有着直接的联系。汽轮发电机组中出现的多数机械故障，都会表现出振动的异常。因此，振动是与汽轮发电机组正常运行直接相关的重要技术指标，也是发电企业经济损失严重的重要原因之一。

而由于设计制造质量不够、安装检修不当、运行状况存在差异等一些无法避免的因素影响，汽轮发电机组会有各种振动故障，例如： 转子不平衡，轴系不对中，动静碰摩，轴瓦自激振动等，这些故障对机组的安全运行都会产生重大的影响。一旦振动故障发生，不仅会导致无法达到工作质量的标准，而且还会影响机组的整体运行，造成非计划停机而使经济损失成倍的增加。如果不能及时对振动故障进行处理，在短时间或经过一段时间的运行后，不仅会对机组部件造成毁坏，严重时还会导致振动事故的产生。

因此通过对汽轮发电机组中转子不平衡、轴系不对中、动静碰磨、轴瓦自激振动等典型故障的产生机理、振动特征的研究，得出消除这些故障的技术方法，及时地对故障进行处理，提高机组运行的稳定性、安全性、可靠性以及使用寿命，避免突发的振动故障使机组停机而带来的经济损失，避免影响热力电力的供应和造成振动事故，是一个很具有现实意义的课题，也是振动技术研究人员关注的热点。

1.2国内外研究现状

振动技术是发电设备设计制造和电力生产相关诸多技术中的一项重要技术。振动技术本身的内容和理论覆盖范围很宽，它以转子动力学，固体力学，振动力学为基础，涵盖了设计测试技术、测试仪器硬件和软件，信号分析，发电设备结构与运行，数值计算分析，线性和非线性动力学，故障诊断的逻辑思维和人工智能等知识，除此之外，它还包含实际工程技术上的经验。因此设备故障诊断技术是一门既具有很高的难度，又具有极强的实用性的技术。

早在上世纪60年代前^[7]，国外就已经开始从事了旋转机械振动故障诊断的研究。当时振动故障诊断被称为振动原因寻找，基本上都是采用解体检查寻找。到了上世纪60年代中期以后^[7]，随着振动测试技术的发展和对振动现象、特征、机理的研究、认识的深入，并积累了一定的消振经验后，前苏联，美国，日本，和西欧的一些发达国家，开始以振动故障源对机组振动的现象、特征进行描述，并发展出了一系列的振动故障诊断系统。例如美国西屋电气公司开发出的三套人工智能诊断系统软件、英国在60年代末70年代初建立的机器保健中心，瑞典轴承监测技术等。而在上世纪的80年代，以计算机为核心的振动故障振动系统开始兴起，国外已经实现通过在计算机上进行操作来对振动故障进行诊断。到现在，随着人工智能的兴起，以及神经网络，模糊逻辑，专家系统等在振动故障诊断中的进一步发展，不管是在理论方面还是工程实践应用上都取得了较大进展

而在国内，我国的振动诊断技术发展要比国外晚，在20世纪70年代末期才提出振动故障诊断。之后的十年左右的时间内，我国主要是吸收了国外的先进技术，并对一些故障机理和诊断方法展开了研究^[20]。我国自1985年以来，国家自然科学基金会每年会对旋转机械的振动机理、诊断理论或方法、诊断系统等方面开展多项研究。经过四十来年的发展，再加上国内众多高等院校、各大电厂、制造厂、以及科研机构的努力，我国的振动故障诊断技术已经步入了国际先进行列。但仍然还存在着一些问题：检测方式存在问题、材料性能诊断效果差、智能化诊断技术的应用水平较低、故障诊断复杂化^[21]。这些问题都仍待改进。

1.3课题研究的主要内容

本文主要研究对象为汽轮发电机组中的旋转机械。根据振动测量技术的基本知识，分析了汽轮发电机组中常见振动故障的产生机理，一般是由激振力所引起的。产生原因，一般有设计制造因素以及运行因素。还有就是振动特性，一般有时域特性，频域特性，轴心轨迹等几方面。并通过模拟实验转子不平衡以及碰磨故障，分析验证振动故障振动特性，对于实际工程中振动故障诊断具有重要意义。

第一章：讨论了对于“汽轮发电机组常见振动故障特征分析诊断”课题研究的背景以及研究它有什么作用，综述了振动故障诊断技术国内外的研究历史及研究现状，最后给出本文章节内容的安排。

第二章： 介绍了振动测量的参数选择，并对振动测量的基本分析方法做出了简要介绍，之后综述了振动故障的分类。

第三章：分别介绍了转子不平衡故障，动静碰磨故障，轴系不对中故障以及轴瓦自激振动的产生机理，产生原因，以及振动特性，最后对这四类的振动故障特性进行了比较汇总。

第四章：在转子试验台上模拟了转子不平衡振动故障以及动静碰磨振动故障实验，采集了其产生的振动信号，通过频谱图、波形图、轴心轨迹图对其进行了分析，并与前文所述理论结果进行对比。并通过伯德图分析了现场的振动故障，进一步加深了对振动故障的研究。

第五章：对论文的分析模拟做出总结。

第二章 汽轮发电机组振动故障诊断技术

2.1振动的测量参数

当机械动力系统在某一个稳定的平衡位置附近随时间做着往复性运动时，就称这种运动为振动。振动的类型有以下几类：随机振动，非周期振动，周期振动。其中周期振动是指物体是在一个个相等的时间间隔内不断重复的往复运动。对于汽轮发电机组来说，振动的激振力主要来自于旋转的轴承，因此汽轮发电机组的大多数振动都是周期振动。而利用傅里叶变换或其他数学方法，复杂的周期振动都能拆分为若干个简谐振动。

振动的强弱用振动量的大小来表示。描述振动量大小的参数有振动位移即振幅y、振动速度和振动加速度a。将y对时间t求一次导就可以得到速度，将速度再对时间t求一次导就可以得到振动加速度a。如简谐振动：

位移表示为： （2-1）

速度表示为： （2-2）

加速度表示为： （2-3）

在上式中，y表示的是振动位移；A表示的是振动最大幅值；表示的是振动初始相位；表示的是圆频率；t表示的是时间；表示的是振动速度；表示的是振动加速度。

对于同一种振动故障，用振动位移表示，或是振动速度表示，亦或是振动加速度表示，所体现出来的振动特征并不是一模一样的。对于较低频率（习惯于100 Hz以下）的振动，采用振动位移合适一些；对于高频率（数百赫兹以上），用加速度更为合适；而振动速度则适用于中等频率范围的振动。而对于汽轮发电机组而言，频率一般在数百赫兹以下。因此汽轮发电机组的测量采用振动位移或是振动速度比较合适

而根据近代和现代工程中的实际经验，机械设备由振动造成的绝大多数故障都是疲劳失效的结果，零件疲劳失效的时间既取决于振动位移大小，也取决于振动频率。其中，位移仅是振动距离的度量，频率也只是在个给定的时间间隔 (如1min 或1s)内振动次数的度量。如果知道在给定的时间间隔内的路程，则可以很简单地计算出速度或者速率。因此，振动速度值是与疲劳关联的更直接的度量。

但测量振动位移，比测量振动速度更加准确且方便。同时，振动位移也是最为直观的，很容易想象，振动越剧烈，则位移振幅越大，即振动的严重程度与位移成正比。并且机械设备中还有由于脆性断裂或者是部件变形量超过一定限度而产生的的裂缝，这只决定于振动位移。

因此由于以上原因，采用振动位移作为振动参数在现阶段更为合适。

2.2振动测量分析方法

振动信号特征不仅可以用数字列表的方法表示，还可以通过一些专用的特征图谱来表示。这些图谱能够更加形象的显现出各种振动状态的特征，使得我们能够更加迅速准确的把握各参量和振动状态之间的联系，有助于状态分析和故障诊断。特征图谱主要有以下几种：

1. 振动频谱

对振动信号在任意时间间隔内进行采样，再通过傅立叶变换，得到各个谐波频率分量所对应的幅值。以频率为X轴，振幅为Y轴，将结果绘制出来，称为振动频谱图。频谱图可以将一个复杂波形分解成一个个频率不同的正弦波，将不同频率下的振幅大小反映出来。

1. 振动波形

振动波形就是将每一时刻的振动幅值都表示在时间-幅值坐标系中而形成的图形，即信号的时域特征。通过振动波形，我们不仅仅能观察振动量的大小，还能通过波形中是否出现削波，撞击，毛刺，拍形波以及波形是否稳定等现象来初步判断振动故障。并且这些特征在别的特征图谱上都表现的不是很明显。

1. 波德（Bode）图

图2-1 波德图

如上图2-1所示，伯德图就是将振动幅值的大小以及相位随转速增大或减小时的变化情况表示出来的图形。图形分为上下两部分，上图为相位随转速的变化情况，也称为相频特性；下图为振幅随转速的变化情况，也称作幅频特性。振幅-转速曲线是双线：一根是通频振幅，另一根是n倍频振幅，一般是一倍频振幅；相位-转速曲线是单线，表示的是n倍频振动相位。波德图主要功能有：

1、动平衡加重分析

2、判定系统临界转速值，在临界转速处，振幅曲线会出现先增大后减小的现象，相位会急剧增加或减小（变化幅度约大于70°）。

3、分析多次启停过程中振动变化有无差别及异常。

4、确定共振放大因子Q。

5、动静碰摩的故障分析。

1. 奈奎斯特（Nyquist）图

图2-2 奈奎斯特（Nyquist）图

如图2-2所示，奈奎斯特图就是将振动矢量与转子转速的关系以极坐标形式。图2-2中半径代表振动幅值，圆周角度代表相位，曲线上标注的数字为转速。奈奎斯特图的功能与波德图相似。不同的是它还有助于确定转子上不平衡所在轴向位置。

1. 轴心轨迹图

图2-3 轴心轨迹图

如图2-3所示，轴心轨迹就是通过传感器将两个方向的振动幅值合成后，显示在X-Y坐标轴上。以此来将转轴中心在轴瓦中的运动情况表示出来。轴心轨迹可以为我们提供以下信息：振幅（垂直和水平方向）、相位（垂直和水平方向）、进动方向，以及轴心位置情况。通过这些可以用来诊断动静碰磨，轴系不对中，轴瓦自激振动等振动故障。

1. 频谱瀑布图

图2-4 频谱瀑布图

如图2-4所示，频谱瀑布图就是在转轴转速一定时，将某一测点在一段时间间隔内连续测得的一组频谱图顺序组成的三维立体谱图。图中它的Z轴为时间轴。根据频谱瀑布图，可以直观的看到不同频率下的振动大小随时间的变化情况，这些对诊断固定转动速度下的产生的振动故障，例如动静碰磨、热弯曲、电磁激振、汽流激振等故障，是十分有帮助。

2.3汽轮发电机组诊断故障分类

汽轮机组振动故障按故障源可以分为机组中心不正（不对中）、转子不平衡、共振、转子永久弯曲、热弯曲、轴瓦不稳、轴瓦松动、机械松动、发电机转子匝间短路等^[10]。而汽轮机组振动故障按振动性质可分为强迫振动和自激振动两大类^[7]。

强迫振动是由于汽轮发电机组在外力的作用下而引起的振动^[9]。强迫振动可分为普通强迫振动，电‌.磁‌.激振，高次谐波共振，分谐波共振，拍振，撞击振动，随机振动^[7]。

自激振动^[9]则是由于汽轮发电机组通过本身存在的运动，不断地向振动系统内传送能量，从而维持振动。自激振动可分为轴瓦自激振动，参数振动，汽流激振，摩擦涡动^[7]。

多数的文献研究显示，在汽轮发电机组的所有振动故障中，强迫振动占90%以上，其中普通强迫振动占60％以上，而自激振动小于10％。文献[7]总结了各类振动的主要特征，见表2-1。

表2-1 机组振动的分类

2.4 本章小结

本章第一节介绍了振动测量能够选取的参数，振动位移，振动速度和振动加速度。并通过对比分析得出现阶段最好的测量参数选择还是振动位移。第二节则介绍了振动故障诊断中常用的一些图谱，并介绍了他们各自的主要作用。第三节则是介绍了振动故障的分类方法，让我们对于其分类能有一个初步的概念。

第三章 汽轮发电机组典型振动故障分析比较

3.1转子不平衡

转子不平衡是发电设备中出现次数最多的故障类型，约占了现场振动故障总数的80%。转子周向质量分布的理想状态就是转子的惯性主轴与转动轴线能相重合，即转子重心与回转中心相重合。当不重合时，偏心的质量就会造成不平衡力，这个激振力就会使得转子的振动增大。

3.1.1 转子不平衡故障机理

转子的不平衡可分为两类：转子的静不平衡和转子的动不平衡。

1. 转子静不平衡机理

图3-1 转子静不平衡离心力

转子的静不平衡指的是静止状态下转子本身的质心不在旋转中心上。且只有在转子的偏心质量位于垂直方向上才能够保持静止。

现将机组的转轴简化成如图3-1所示，一个平面支撑在轴承上，且无阻尼。假设转子的质量为M，偏心在距离圆心r处，转子以角速度旋转。转动时在垂直方向上偏心造成的离心力F为：

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