论文总字数：22136字

摘 要

振动是影响汽轮发电机组安全稳定运行关键技术问题，振动常见故障的分析诊断是关注的热点，论文重点掌握汽轮发电机组振动的基本知识及不平衡、摩擦、油膜自激故障的特征；分析转子的不平衡和碰摩故障的机理，以及比较各类主要影响因素以及消除方法；掌握基本振动测量和分析方法；通过转子试验台模拟试验，试验模拟典型振动故障，并分析验证故障特征。通过转子的模拟，了解汽轮机转子的振动特性。详细介绍振动试验台转子振动故障实验，结合数据分析振动过程和故障特性，采取合适的方法来平衡故障以及分析平衡后转子的振动特性。

关键词：机械振动、频谱分析、影响系数法、谐分量法、柔性转子

The Analysis and Diagnosis of Typical Vibration Fault Feature of

Turbo Generator

Abstract

Turbine vibration is the key technical issues of affecting security and stability,. Vibration analysis and diagnosis of common failure is the focus of attention, Articles focus on mastering the basics and unbalanced turbo generator vibration, friction, the film features a self-excited failure. The comparative analysis of the main factors and the elimination of all kinds of methods. Master the basic vibration measurement and analysis methods. Through test rig simulation test, test simulates typical vibration analysis to verify the fault and the fault features. Through the rotor simulation, to understand the vibration characteristics of the turbine rotor. The article details the rotor vibration test stand Vibration test, combined with data analysis and fault characteristic vibration process. Elaborated take appropriate way to balance failures and vibration analysis balancing after the rotor.

Keywords: mechanical vibration, spectrum analysis, the method of influence coefficient, the method of harmonic component, flexible rotor

目录

第一章 绪 论 4

1.1选题背景和意义 4

1.2当前研究现状 4

1.3本文的研究目的和主要内容 6

第二章 振动的信号分析和测量 7

2.1振动的测量信号 7

2.2波德图（Bode图） 7

2.3频谱图 8

2.4振动的测量 9

2.4.1振动测量的传感器及其原理 10

2.4.2振动传感的应用和选择 12

2.4.3振动相位测量原理和测点 13

第三章典型振动故障的理论分析 14

（特征、主要影响因素以及消除方法） 14

3.1转子不平衡振动故障 14

3.3.1单圆盘转子不平衡机理 14

3.1.2质量不平衡的类型 16

3.1.3质量不平衡引起的振动特征 17

3.1.4质量不平衡振动的诊断和识别 18

3.1.5类似质量不平衡振动特性的其他故障 19

3.2转子的动平衡 19

3.2.1转子的动平衡的概念 19

3.2.2转子的不平衡和动平衡机理 20

3.3转子的碰摩故障 24

3.3.1转轴摩擦引起振动的机理 24

3.3.2动静碰摩的种类 26

3.3.3 动静碰摩的原因 26

3.3.4动静碰摩的振动现象 27

3.3.5转轴摩擦引起的振动发展过程 27

3.3.6动静碰摩的识别 28

3.4转子的油膜自激故障 28

第四章 实 验 32

4.1实验目的 32

4.2实验设备 32

4.3实验原理 32

4.4实验过程 33

4.5实验流程和图表的数据验证 34

4.6实验总结 43

第五章 总 结 44

致 谢 45

参考文献 46

第一章 绪 论

1.1选题背景和意义

当今世界已经步入现代化社会，国家的科学和经济的发展越来越迅速，社会对电力质量的要求也越来越高，需求量也越来越大，汽轮机发电机组作为电力生产行业中的重要设备，其设计结构也越来越复杂，所需要适应的工况也越来越复杂，人们对其稳定性以及安全性的要求也在不断地增加，保证汽轮机安全有效运行有着重大的意义。

汽轮发电机组故障诊断方法在早期主要就是人工诊断,虽然这是很早期低智能的, 但是在故障诊断中是最基础的方法。这种诊断方法依然电力系统中诊断是最基本的方法一直到70年代。实际上,现在很多的实际振动依然是用人工的方法进行诊断分析，其中不同的也就是包括不断进步的测量工具和信号分析方法。一直从本世纪70年代起, 随着电脑技术和计算机计算能力、计算方法的发展， 为机组的诊断的故障的诊断进入自动化和智能化提供了基础。

从国外的资料我们可以发现: 汽轮机机组的诊断方法发挥了很大的作用。日本的统计结果显示，使用诊断技术后，在该单元中的事故发生率减少75％，维护成本减少了25％至50％;英国公司对2000个公司的调查结果表明，通过诊断技术后，维护成本每年节约3亿英镑。

在近30年国内外涡轮故障自动诊断的理论和技术得到了快速发展。国内大型机组的振动和状态监测和分析等方面，故障的诊断和治疗方面取得了一定的成绩，为安全生产和电力主要设备的安全运行提供重要的技术支持。然而，今天的情况仍然不能满足实际需要，振动效果还是关键技术目前大型机组的操作之一。

对于汽轮机而言，影响其运行安全的因素有很多，本次选题针对汽轮机运行的振动对其运行的影响，分析振动故障特性以及诊断。引起汽轮机的振动的因素有很多，例如：轴系不对中，质量分布不均，各部分之间的碰撞等。如果忽视这些问题可能会引起灾难性的的事故，所以我们对汽轮机组振动故障进一步的研究也是非常重要的。

1.2当前研究现状

国内外经过多年的技术发展汽轮机发电机组的现场动平衡的研究方面已经做了大量的工作。转子的动平衡过程方面主要是模态平衡法和影响系数法两种。模态平衡法，在国内也被称为模态平衡法。模态平衡法主要适用于柔性转子的平衡，其中包括振型分离法和谐分量法。振型分离法根据曲线的正交性，在第一临界转速附近，转子的挠曲主要就是一阶振型，所以也就是不平衡的一阶分量起作用主要就是不平衡重量起作用，所以可以在各阶临界转速附件平衡该阶振型曲线。而谐分量法常用于轴向基本对称的挠性转子，其两侧支撑条件附近振型曲线近似为轴向对称。影响系数法不考虑转子的动平衡理论，一般情况下不考虑转子的柔性转子的振型，这种方法主要就是数学计算，对于影响系数法可否平衡挠性转子得到争论，结论是在吸收模态平衡法理论的基础上，影响系数法可以平衡挠性转子。

对于不平衡故障研究，张振在《汽轮发电机组不平衡故障研究》论文中着重介绍不平衡故障研究，详细阐述了不平衡引起振动的机理，讨论了汽轮发电机组不平衡振动故障，对汽轮机组不平衡振动的来源、特征、产生的原因作了详细的阐述，并给出诊断方法，分析比较转子动平衡的平衡原理和平衡方法。

宋周建在《汽轮发电机组现场动平衡方法研究》[3]中详细介绍了转子动力学理论以及诊断测试和信号分析的方法，深度分析了实际转子动平衡最常用的影响系数法和振型平衡法。

对于碰摩故障诊断方法的研究而言，国内外的学者都做了很多的工作，国外的对碰摩现象的研究诊断工作很对国内而言较早，很多学者对碰摩故障进行建模分析，实现了比较精确的诊断。碰摩故障方面主要就是动静碰摩，碰摩模型方面，摩擦力被很多学者指出是一个很重要的参数，考虑摩擦力的方向时转子的系统的稳定性会发生很大的变化。

对于摩擦故障的研究，参考王涛的《大型发电机组轴系碰摩故障仿真》[4]，以某百万千瓦级大型发电机组为研究对象，详细介绍了有限元分析方法的原理，对大型通用有限元软件进行了介绍，并运用ANSYS对转子进行了建模，探讨了利用ANSYS建模的可行性和重要办法，模拟轴系碰摩过程的APDL程序，详细探讨了不同碰摩情况下轴系的动态响应特点，并加以分析。

对于而轴承自激振动，参考《汽轮机发电机组振动诊断》[1]，轴承自激振动是由滑动轴承里的油膜所激发的一种振动现象，表现为类似油膜的“起泡”。轴承自激振动是大型汽轮发电机组的常见故障之一。轴承正常运动条件的改变（如倾角和偏心率）引起油楔“推动”转轴在轴承中运动，因而在旋转方向上产生的不稳定力使转子产生向前涡动（或正向进动）。如果系统有足够大的正阻尼，则转轴能回到正常位置，不然，转子将会继续发生涡动，出现大的不稳定振动。代凤霞《国产300 M W 汽轮机自激振动特征与诊断》[10]中对具体的汽轮机汽组中的动静碰摩 进行了全面的分析和应对方法。

1.3本文的研究目的和主要内容

振动是影响汽轮发电机组安全稳定运行关键技术问题，振动常见故障的分析诊断是关注的热点，为了进一步的加深对汽轮机的运行、工作原理的理解。对本科期间的相关专业课知识进项进一步的理解与运用。本毕业设计的主要内容为分析不平衡、摩擦、油膜自激等典型故障的机理、特征，研究消除这些故障的技术方法，具体内容如下：

1．熟悉汽轮发电机组振动的基本知识及不平衡、摩擦、油膜自激故障的特征；

2．分析比较各类主要影响因素以及消除方法；

3.了解基本振动测量和分析方法；

4．通过转子试验台模拟试验，试验模拟典型振动故障，并分析验证故障特征。

第二章 振动的信号分析和测量

2.1振动的测量信号

振动是一种动态量，有最简单的振动形式——简谐振动，也就是振动按照正弦函数或余弦函数的规律变化。

y=Asin(ωt φ)；ω=2πf，f=1/T （2-1）

y——振动位移；A——振动幅值；φ——振动相位；

ω——圆频率；f——振动频率；T——周期

图2-1最简单振动形式——简谐振动

一、振幅

振幅表示振动或者动态运动的幅度，是表示机组振动的严重程度的重要指标。

二、频率

振动的频率是指振动的物体在单位时间内振动的周期数，是周期的倒数，反映了振动的快慢，是分析振动原因的重要依据。

三、相位

振动相位（角）是键相信号和选频振动信号构成的相对关系，转子或者轴承座某一瞬间的振动的选频信号和轴上某一固定标志的相位差。

2.2波德图（Bode图）

波德图（Bode图）定义为基频振动的幅值A和相位α随转速n的变化而变化的曲线（幅、相频特性曲线），其中以n为横坐标，以A及α为纵坐标描绘的两条曲线如图所示。

图2-2伯德图示意图

波德图是最常用的振动分析工具之一，一般是通过伯德图确定机器的临界转速及过临界转速时的振动振幅和相位的变化，同时也可以确定轴系中不平衡质量的所处的位于轴向的位置和其不平衡形式，可以为何种动平衡方案提供依据。

我们所说的升速曲线和降速曲线都是伯德图，我们可以从这些图中得到很多我们所需要的数据，如临界转速。现实中我们通常以停机过程得到的伯德图为主，是升速的逆过程，因为在机组升速的过程中，受升速率、膨胀、温度、温差等因素的影响，振动的数据会存在很多的误差，相比之下，停机的时候会比较的平稳。

伯德图的作用非常大，在动平衡的过程中就需要临界参数这一个重要的参数，我们可以从图中读出，它主要关系于试加重的角度，在实验中影响实验的效率和准确性，振动出现峰值和相位的变化是判断临界转速的重要依据。当图上的峰值相对而言非常多的时候，我们就可以根据相位的变化来判断临界转速。

2.3频谱图

振动的波形表示的是某一时间采样周期内振动传感器采集的振动原始数据，对振动的波形进行FFT分析测得的振动频谱分布就是频谱分析图，如图：

图2-3频谱图举例

机组的振动常见的振动频率包括:

1X——与转速的频率同步的振动分量，也叫基频振动分量；

2X——二倍转速频率的振动分量；

nX——转速频率的高倍频振动分量（n=2,3,4…）；

1/nX——转速频率的分数频振动分量（n=2,3,4…）。

在振动故障的诊断中，频谱图是非常重要的依据，它可以对振动进行科学的分类，同时还可以通过频谱分析来对判断振动不平衡的严重程度，所以，频谱图在振动诊断中也是最普遍的图形。

频谱图上的横坐标就是频率的分度值，具体的数字是振动信号基频信号的频率确定的，比如在3000r/min下测量的轴承的振动，那么在信号中一定有显著的50Hz，这样就可以确定读点的分度值。纵坐标就是该频率下的振动的振幅。

特别注意的是，并不存在比较弱的频率分量突然出现一直上升在较短时间内破坏机器的正常工作。

2.4振动的测量

振动的各种特征量主要就是通过传感器的测量而获取。目前机械的振动相关的测量普遍采用的是电测法，也就是通过电量进行测量和分析，然后转换成机械振动的各种特征量。

2.4.1振动测量的传感器及其原理

一、电涡流位移传感器

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