【正文】 噪音，要求對振動信號進(jìn)行消噪，還有對信號處理， 快速傅氏變換（ FFT），是離散傅氏變換的快速算法，它是根據(jù)離散傅氏變換的奇、偶、虛、實(shí)等特性，對離散傅立葉變換的算法進(jìn)行改進(jìn)獲得的。因此，汽輪發(fā)電機(jī)組的故障診斷一直是故障診斷技術(shù)應(yīng)用的一個重要方面。 汽輪機(jī)振動是影響機(jī)組安全運(yùn)行的一個重要指標(biāo)。它對傅氏變換的理論并沒有新的發(fā)現(xiàn)，但是對于在計算機(jī)系統(tǒng)或者說數(shù)字系統(tǒng)中應(yīng)用離散傅立葉變換，可以說是進(jìn)了一大步。在近一、二十年里，隨著電力工業(yè)的迅猛發(fā)展，出現(xiàn)了與故障診斷相關(guān)的如下特點(diǎn)：機(jī)組日趨大型化、復(fù)雜化，自動化程度日益提高，現(xiàn)代電力生產(chǎn)對設(shè)備的可靠性，提出了更高的要求，機(jī)組參數(shù)的提高和容量的增加，使得由于軸系振動缺陷造成的機(jī)組 非計劃停機(jī)帶來的經(jīng)濟(jì)損失也隨之成倍地增加。實(shí)際上，當(dāng)今大量的現(xiàn)場實(shí)際疑難振動，也還是采用這種人工故障診斷方法進(jìn)行診斷分析，所不同的則是測量工具和信號分析手段不斷改進(jìn)和更新。據(jù)日本統(tǒng)計，在采用診斷技術(shù)后，事故率減少 75%，維修費(fèi)用降低 36%左右，英國對 2021個企業(yè)進(jìn)行的調(diào)查表明，診斷技術(shù)的采納使得每年節(jié)省的維修費(fèi)用達(dá) 3 億英鎊。 1988 年 ,曲靖電廠在新機(jī)組調(diào)試期間 , 均由于振動缺陷影響了機(jī)組順利投運(yùn)。 本文概述了現(xiàn)今國內(nèi)外機(jī)組振動故障技術(shù) , 包括當(dāng)今故障診斷 理論研究現(xiàn)狀、 應(yīng)用開發(fā)情況等 , 并對國內(nèi)在此項(xiàng)技術(shù)發(fā)展中的一些相關(guān)問題進(jìn)行了粗淺的討論 , 以期對今后的發(fā)展能有所啟發(fā)。但實(shí)際上，由于制造水平和裝備的誤差以及材質(zhì)的不均勻，所以轉(zhuǎn)子的幾何中心 不重合產(chǎn)生了質(zhì)量的偏差。因此會對汽輪發(fā)電機(jī)組造成嚴(yán)重的影響，甚至發(fā)生事故。 5 隨著國民經(jīng)濟(jì)水平的提高和技術(shù)的進(jìn)步，汽輪發(fā)電機(jī)組向高容量高參數(shù)的方向發(fā)展。 設(shè)備的故障診斷是 指在設(shè)備不解體的情況下，根據(jù)人類積累的經(jīng)驗(yàn)和數(shù)據(jù)，采用一定的技術(shù)手段對設(shè)備所處的狀態(tài)進(jìn)行判斷、對設(shè)備的故障及其發(fā)展及其發(fā)展變化進(jìn)行診斷和估計的技術(shù)。無論是從重要性還是具有的經(jīng)濟(jì)效益來衡量，都將對電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行產(chǎn)生重要的意義。西安交通大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、清華大學(xué)等一些高校及西安熱工研究院等一些研究單位在大型汽輪發(fā)電機(jī)組故障機(jī)理及其診斷技術(shù)研究方面總體處于國內(nèi)領(lǐng)先水平。在商業(yè)領(lǐng)域上，美國的幾大專業(yè)性極強(qiáng)的公司，如 Bently、IRD、 BEI，長期從事對汽輪機(jī)組的運(yùn)行和監(jiān)控的研究，對機(jī)組可靠性、安全性與經(jīng)濟(jì)管理技術(shù)方面有了深入的認(rèn)識，已經(jīng)建立了強(qiáng)大的數(shù)據(jù)庫 管理系統(tǒng)，專家系統(tǒng)的研究已然十分深入，再加上雄厚的軟件實(shí)力和龐大的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，其在故障診斷領(lǐng)域的地位是很堅固的。還有診斷思想上，國外的許多專家及公司已經(jīng)不僅僅停留在典型故障診斷與分析上，其龐大的專家經(jīng)驗(yàn)已使故障診斷設(shè) 計更廣闊的領(lǐng)域。頻率信息提取的精確性受限于窗口的長度。 正弦基函數(shù)是微分運(yùn)算的本征函數(shù) ,從而使得線性微分方程的求解可以轉(zhuǎn)化為常系數(shù)的代數(shù)方程的求解 .在線性時不變的物理系統(tǒng)內(nèi) ,頻率是個不變的性質(zhì) ,從而系統(tǒng)對于復(fù)雜激勵的響應(yīng)可以通過組合其對不同頻率正弦信號的響應(yīng)來獲取 。 目前 ，南京航空航天大學(xué)提出了一種基于模型的雙轉(zhuǎn)子不平衡故障的識別方法，該方法可以同時識別內(nèi)外轉(zhuǎn)子不平衡故障的大小和相位，具有較高的識別精度 。在轉(zhuǎn)子不平衡情況下，由于軸承不對中對不平衡力的反作用，會出現(xiàn)工頻振動。由于不對中，將導(dǎo)致軸向、徑向交變力，引起軸向振動和徑向振動。永久性彎曲是指轉(zhuǎn)子軸呈弓形彎曲后無法恢復(fù)。 目前，對轉(zhuǎn)子系統(tǒng)故障診斷的研究主要集中在三個方面：①從理論上分析各類故障，尤其是非線性故障的特性并確定故障特征量；②利用先進(jìn)的信號采集和處理技術(shù)提取故障特征；③研制故障診斷軟、硬件系統(tǒng)和建立專家?guī)?，并?yīng)用于實(shí)際轉(zhuǎn)子系統(tǒng)。若繼續(xù)提高轉(zhuǎn)速，則轉(zhuǎn)子的渦動頻率保持不變，始終等于轉(zhuǎn)子的一階臨界轉(zhuǎn)速，即 Ω＝ wc1，這種現(xiàn)象稱為油膜振蕩。 油膜振蕩的防治措施： 提高軸的臨界轉(zhuǎn)速，使軸的轉(zhuǎn)速不超過 2 倍臨界轉(zhuǎn)速， 設(shè)計上盡量避開油膜共振區(qū)，增加軸承比壓，減小軸承間隙，調(diào)整油溫。的全周向接觸摩擦。 （ 7） 轉(zhuǎn)子支承部件松動的故障機(jī)理 轉(zhuǎn)子支承部件連接松動是指系統(tǒng)結(jié)合面存在間隙或連接剛度不足，造成機(jī)械阻尼偏低、機(jī)組運(yùn)行振動過大的一種故障。 下面介紹幾種典型的診斷技術(shù)與方法： （ 1） 振動診斷技術(shù) 振動診斷技術(shù)就是對設(shè)備的振動信號進(jìn)行檢測、分析處理，故障識別和預(yù)報的一種技術(shù)。 振動診斷技術(shù)有很多方法可以采用，例如：振動特征分析，振動譜分析，振動倒譜分析，振動包絡(luò)分析，振動全息譜分析，振動三位譜圖分析，振動超工頻或亞工頻諧波分析，振動時域分析，振動模態(tài)分析等。一般包括知識庫、數(shù)據(jù)庫、推理機(jī)、人 機(jī)接口及知識庫管 9 理系統(tǒng)、解釋系統(tǒng)等。 （ 5） 小波分析 診斷 小波分析 診斷 是近幾年得到迅速發(fā)展并形成研究熱點(diǎn)的信號分析新技術(shù)，被認(rèn)為是對傅立葉分析方法的突破進(jìn)展。即在低頻部分具有較高的頻率分辨力和較低的時間分辨力，在高頻部分具有較低的頻率分辨力和較高的時間分辨力。 由于儀表失靈在大機(jī)組所發(fā)生的各類故障診斷中所占的概率較大，以及因工藝系統(tǒng)波動或操作不當(dāng)（特別是在開車或工藝負(fù)荷調(diào)整的過程中）而產(chǎn)生的故障也常有發(fā)生，因此切忌僅限于一、兩個因素就輕易判斷發(fā)生了機(jī)械設(shè)備故障，而應(yīng)該根據(jù)系統(tǒng)、儀表、運(yùn)行、現(xiàn)場等多方面情況進(jìn)行綜合的判 斷。最后，對剩下的疑點(diǎn)信息采用排除法，逐一去偽存真，特別要注意排除因發(fā)生故障所連帶產(chǎn)生的異?，F(xiàn)象，從而找出導(dǎo)致故障發(fā)生的真正原因。 判斷時應(yīng)根據(jù)故障前后有關(guān)的運(yùn)行及監(jiān)測參數(shù)的數(shù)值進(jìn)行慎重的比較，然后參照有關(guān) 規(guī)范 、規(guī)定及設(shè)備的歷史狀況加以綜合判斷。 （ 5） 故障趨勢的預(yù)測 判斷故障的發(fā)展趨勢，除了對確定是否需要停車有決定性作用外，還對如何維持運(yùn)行有著具體的指導(dǎo)作用。 11 第三章 簡介幾種信號處理方法 時域分析法 時域分析 指控制系統(tǒng)在一定的輸入下，根據(jù)輸出量的時域表達(dá)式，分析系統(tǒng)的穩(wěn)定性、暫態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能。 （一） 穩(wěn)定性的概念 系統(tǒng)的平衡狀態(tài) 系統(tǒng)沒有輸入作用時，處于自由運(yùn)動狀態(tài)。 系統(tǒng)的脈沖響應(yīng)為 系統(tǒng)穩(wěn)定的充分必要條件是穩(wěn)定性分析的基礎(chǔ)。 系統(tǒng)穩(wěn)定性必要條件 ： 系統(tǒng)穩(wěn)定的必要條件是系統(tǒng)特征方程的系數(shù)同號，而且都不為零 。 解決辦法：用一個很小的正數(shù)（也可以是負(fù)數(shù)）然后繼續(xù)列勞斯表。 （ 1） （最大）超調(diào)量 （ 2）（最大）超調(diào)時間 （ 3） 上升時間 （ 4）調(diào)節(jié)時間 一階系統(tǒng)的暫態(tài)性能分析 為什么要研究典型系統(tǒng)的性能分 析？ 13 ? 現(xiàn)實(shí)中存在大量的系統(tǒng)，他們本身就屬于典型的一階或二階系統(tǒng)。 ? 一階系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)是單調(diào)升的。 ? 單位階躍輸入，一階系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)值為 K，穩(wěn)態(tài)值與 T 無關(guān)。 ζ 增加，將減少系統(tǒng)的振蕩，減少超調(diào)量；但上升時間、調(diào)節(jié)時間加大。 （三） 高階系統(tǒng)的暫態(tài)性能近似分析 21 ( ) 1 s in ( ) ( 0 )1 t dc t e t t? ??? ?? ? ? ??drt ?????dpt ??? 15 設(shè)系統(tǒng)閉環(huán)極點(diǎn)均為單極點(diǎn)（實(shí)際系統(tǒng)大都如此），單位階響 應(yīng)的拉氏變換式為： ?? ? ????? si ips pssDs sMsDMsC i1 1|)( )(1)0( )0()( ? 對于上式求拉氏反變換得到高階系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)為： ???????????????????diiiiiiiiijpidiiptssitppstAesDs sMDMesDs sMDMtc????? ?? )c o s (|)()()0()0(|)( )()0( )0()(1?? 結(jié)論： 1）若某極點(diǎn)遠(yuǎn)離 虛軸與其它零、極點(diǎn)，則該極點(diǎn)對應(yīng)的響應(yīng)分量較小。 （四 ） 穩(wěn)態(tài)性能分析 控制系統(tǒng)誤差與穩(wěn)態(tài)誤差的定義 e(t)=r(t)b(t) 偏差 H(s)=1(單位反饋 )，期望輸出為參考輸入，反饋信號與輸出相同 。當(dāng)系統(tǒng)的動態(tài)性能不能滿足生產(chǎn)上要求的性能指標(biāo)時，很難提出改善系統(tǒng)性能的途 徑。 (1)頻域分析法是在頻域內(nèi)應(yīng)用圖解法評價系統(tǒng)性能的一種工程方法，頻域分析法不必求解系統(tǒng)的微分方程而可以分析系統(tǒng)的動態(tài)和穩(wěn)態(tài)時域性能。 (3)控制系統(tǒng)一般由若干典型環(huán)節(jié)所組成，熟悉典型環(huán)節(jié)的頻率特性可以方便的獲得 系統(tǒng)的開環(huán)頻率特性，利用開環(huán)幅相頻率特性可以方便的分析閉環(huán)系統(tǒng)的性能。它不但能判斷閉環(huán)系統(tǒng)的絕對穩(wěn)定性 (穩(wěn)態(tài)性能 )，還能分析系統(tǒng)的相對穩(wěn)定性 (動態(tài)性能 )。 （ 一 ） 、幅相頻率特性 (奈氏圖 ) 18 由以上的介紹可知，若已知系統(tǒng)的傳遞函數(shù) G(s)，那么令 s＝ jω，立即可得頻率特性為 )j G ?( 。 （ 二 ） 、對數(shù)頻率特性 (伯德圖 ) 由上面的介紹可知，幅相頻率特性是一個以ω為參變量的圖形，在定量分析時有一定的不便之處。 19 對數(shù)幅頻特性和對數(shù)相頻特性合稱為對數(shù)頻率特性，或稱作伯德圖（ Bode） （ 三 ） 、對數(shù)幅相頻率特性 (尼柯爾斯圖 ) 將對數(shù)幅頻特性和對數(shù)相頻特性畫在一個圖上，即以 )(?? （度）為線性分度的橫軸，以 )(lg20)( ?? ML ? （ db）為線性分度的縱軸，以ω為參變量繪制的 )(?jG 曲線，稱為對數(shù)幅相頻率特性，或稱作尼柯爾斯圖（ Nichols）。與矢量 OA 對應(yīng)的數(shù)學(xué)表達(dá)式為 )(11 1( ??? jGje)G (j )j G ?? 當(dāng)頻率ω從零連續(xù)變化至∞ (或從 ∞→ 0→∞ )時，矢量端點(diǎn) A 的位置也隨之連續(xù)變化并形成軌跡曲線。同樣，在直角坐標(biāo)圖 5— 1(b)上也可 20 以作出ω從 0 變化到∞的 G(jω )軌跡曲線。要用頻率特性的極坐標(biāo)圖示法分析控制系統(tǒng)的性能，首先要掌握典型環(huán)節(jié)頻率特性的極坐標(biāo)圖。并且都與ω?zé)o關(guān)，它表示輸出為輸入的 K 倍，且相位相同。其幅值變化與ω成正比： M(ω )＝ω，當(dāng)ω＝ 0 時， M(ω )也為零，當(dāng)ω→∞時， M(ω )也→∞。 當(dāng)ω從 0→∞時， M(ω )從 l→ 0；φ (ω )從 00→ 900，因此，一階慣性環(huán)節(jié)的頻率特性位于直角坐標(biāo)圖的第四象限，且為一半圓，如圖 5— 5 所示。由式 (5— 18)及圖 56 可知，當(dāng)ω＝ 0 時， M(ω )＝ 1，φ (ω )＝ 00 ；在 0 ＜ ξ ＜ 1 的 欠 阻 尼 情 況 下 ， 當(dāng) ω ＝T1時，090)(,21)( ??? ????M ，頻率特性曲線與負(fù)虛軸相交，相交處的頻率為無阻尼自然振蕩頻率ω＝ T1 ＝ n? 。此外，對于不同的ξ值的特性曲線都有一個最大幅值 rM 存在，這個 rM 被稱為諧振峰值，對應(yīng)的頻率ω r稱為諧振頻率。 6．延遲環(huán)節(jié) 延遲環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)為 G(s)＝ se?? 其頻率特性為 ??? jejG ??)( (519) 相應(yīng)的幅頻特性和相頻特性為 ???? ? M ???)( 1)( 圖 5— 7 延遲環(huán)節(jié)頻率特性極坐標(biāo)圖 當(dāng)頻率ω從 0→∞變化時，延遲環(huán)節(jié)頻率特性極坐標(biāo)圖如圖 57所示，它是一個半徑為1，以原點(diǎn)為圓心的一個圓。 倒頻譜變量 q 的物理意義 為了使其定義更加明確，還可以定義： （ ） 即倒頻譜定義為信號的雙邊功率譜對數(shù)加權(quán)，再取其傅里葉逆變換 ，聯(lián)系一下信號的自相關(guān)函數(shù)： 看出，這種定義方法與自相關(guān)函數(shù)很相近，變量 q 與τ在量綱上完全相同。還可以解卷積 (褶積 )成分，易于對原信號的分離和識別。 若系統(tǒng)的輸入為 x(t)，輸出為 y(t)，脈沖響應(yīng)函數(shù)是 h(t)，兩者的時域關(guān)系為： y(t)=x(t)*h(t) 頻域?yàn)椋? Y(f)=X(f)*H(f)或 Sy(f)=Sx(f)*|H(f)|2 對上式兩邊取對數(shù)，則有： （ ） 式 ()關(guān)系如圖 ()所示，源信號為具有明顯周期特征的信號，經(jīng)過系統(tǒng)特性 logGk(f)的影響修正，合成而得輸出信號 logGy(f)。兩部分在倒頻譜圖上占有不同的倒頻率范圍，根據(jù)需要可以將信號與系統(tǒng)的影響分開，可以刪除以保留源信號。 什么叫邊帶頻率，它又是如何產(chǎn)生的？ 設(shè)在旋轉(zhuǎn)機(jī)械中有兩個頻率 w1 與 w2 存在，在這二頻率的激勵下，機(jī)械振動的響應(yīng)呈現(xiàn)出周期性脈沖的拍，也就是呈現(xiàn)其振幅以差頻 ( (w2 w1)設(shè) w2w1 )進(jìn)行幅度調(diào)制的信號，從而形成拍的波形，這種調(diào)幅信號是自然產(chǎn)生的。 假如上例中對于一個具 有四個輪幅的 100 個齒的齒輪，其軸準(zhǔn)轉(zhuǎn)數(shù)為 50轉(zhuǎn) /秒，而其嚙合頻率 5000Hz。 在一個頻譜圖上出現(xiàn)過多的頻差，難以識別，而倒頻譜圖則有利于識別，如圖 所示。由于其依賴于傳統(tǒng)的