【正文】 理 ................................ 23 汽缸偏移引起的碰摩故障處理 ................................ 24 第三章 經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ椒纸饫碚摵拖柌?黃理論分析 ...................... 25 經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ椒纸饫碚? .............................................. 25 瞬時(shí)頻率 ................................................... 25 固有模態(tài)函數(shù) .............................................. 29 EMD 的基本原理和算法 ......................................... 29 南京工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文） 希爾 伯特 黃理論 ............................................... 32 Hilbert 譜與 Hilbert 邊界譜 ................................ 32 HilbertHuang 數(shù)值仿真 .................................... 34 第四章 汽輪機(jī)組動(dòng)靜碰摩振動(dòng)故障信號(hào) EMD 和 HHT 診斷 ................ 38 轉(zhuǎn)子振動(dòng)故障的模擬實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)介 ................................... 38 實(shí)驗(yàn)?zāi)康? ................................................... 38 實(shí)驗(yàn)裝置組成及技術(shù)參數(shù) ................................... 38 實(shí)例分析 ....................................................... 43 嚴(yán)重碰摩時(shí)的振動(dòng)波形及其 HilbertHuang 變換 .............. 43 輕度碰摩時(shí)的振動(dòng)波形及其 HilbertHuang 變換 .............. 45 無(wú)碰摩時(shí)的振動(dòng)波形及其 HilbertHuang 變換 ................. 48 第五章 結(jié)論 ......................................................... 50 致 謝 ............................................................... 51 參考文獻(xiàn) ............................................................. 52 南京工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文） 1 前 言 HilbertHuang變換是一種新型的信號(hào)處理方法， 適用于 非線性、非平穩(wěn)信號(hào) 的分析和處理 ， 包括兩個(gè)過(guò)程：經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ椒纸?(empirical mode deposition，EMD)和 Hilbert變換 。因此，汽輪機(jī)組的診斷一直是故障診斷技術(shù)應(yīng)用的一個(gè)重要方面。 1972 年 ，由 瑞士 ABB 公司制造的 1300MW 雙軸全速汽輪機(jī)在美國(guó)投入運(yùn)行，設(shè)計(jì)參數(shù)達(dá)到 24Mpa，蒸汽溫度 538176。 3）加快電網(wǎng)建設(shè)速度，滿足經(jīng)濟(jì)發(fā)展需要。 5．汽輪機(jī)按照蒸汽參數(shù) (壓力和溫度 )分為： 1） 低壓汽輪機(jī)：主蒸汽壓力小于 ； 2）中壓汽輪機(jī)：主蒸汽壓力 ； 3）高壓汽輪機(jī)：主蒸汽壓力 ； 4）超高壓汽輪機(jī)：主蒸汽壓力 ； 5）亞臨界壓力汽輪機(jī)：主蒸汽壓力 ； 6）超臨界壓力汽輪機(jī)：主蒸汽壓力大于 ； 7）超超臨界壓力汽輪機(jī)：主蒸汽壓力大于 32Mpa； 中國(guó)發(fā)展?fàn)顩r 1. 中國(guó)汽輪機(jī) 技術(shù) 起步 較晚。 但是 隨著汽輪機(jī) 技術(shù) 的不斷發(fā)展， 相應(yīng)的故障也隨之產(chǎn)生。 在高速、高壓汽輪發(fā)電機(jī)或離心壓縮機(jī) 等旋轉(zhuǎn)機(jī)械中，為了提高機(jī)組效率，往往把軸封、 葉片頂隙 、油封間隙和 級(jí)間密封 設(shè)計(jì)得較小，以減小氣體泄漏。 目前對(duì)碰摩故障的研究主要有以下 幾 方面： ① 通過(guò)建立數(shù)學(xué)模型，研究碰摩的發(fā)生及發(fā)展過(guò)程 [4]； ② 通過(guò)模擬實(shí)驗(yàn)研究不同碰摩狀態(tài)下的故障特征 [5]；③ 對(duì)碰摩故障特征提取方法的研究 [6]。 進(jìn)一步將HHT方法應(yīng)用于局部碰摩的早期診斷和全 周 碰摩的故障特征分析，采用 EMD方法分解轉(zhuǎn)子碰摩振動(dòng)信號(hào)，通過(guò)瞬時(shí)頻率分析識(shí)別轉(zhuǎn)子碰摩故障。此外，還有以 Bentley Navada公司的 DDM系統(tǒng)和 ADRE系統(tǒng)為代表的多種機(jī)組在線監(jiān)測(cè)診斷系統(tǒng)等 [1314]。 在故障診斷技術(shù)中，信號(hào)處理技術(shù)一直處于核心地位。以 上的時(shí)頻分析方法在一定程度上解決了非穩(wěn)態(tài)信號(hào)分析的困難，但是 這 幾種 方法 從本質(zhì)上說(shuō)都是積分理論，都要受海森伯格 (Heisenberg)測(cè)不準(zhǔn)原理的約束，因此對(duì)非穩(wěn)態(tài)信號(hào) 的 分析存在局限性。若設(shè)備異常，則經(jīng)過(guò)分析，判斷故障原因，以便維修；或者在故障尚未發(fā)生之前，預(yù)報(bào)可能發(fā)生的故障，以便提前采取措施，避免事故 的 發(fā)生 。 在信號(hào)分析與處理研究領(lǐng)域中 ，最具有吸引力 的是振動(dòng)信號(hào)的分析與處理。 汽輪機(jī)故障診斷機(jī)理的研究方法主要有現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)法、實(shí)驗(yàn)室模擬研究法和計(jì)算機(jī)仿真法。 大型汽輪機(jī)組的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和運(yùn)行條件特點(diǎn)，決定了汽輪機(jī)組的故障診斷要快速、 實(shí)時(shí) 、 準(zhǔn)確和 高效 。 HilbertHuang 變換的研究現(xiàn)狀 HilbertHuang 變換 (HHT)由于具有自適應(yīng)性 且 有效地分析 非線性 、 非平穩(wěn)信號(hào) ，從其公開(kāi)發(fā)表到現(xiàn)在短短幾年 ，一直受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注并 廣泛 應(yīng) 用于 科學(xué)研究和工程應(yīng)用領(lǐng)域： 在設(shè)備診斷領(lǐng)域，如潛艇葉片的故障診斷、旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障診斷；在結(jié)構(gòu)分析領(lǐng)域，如橋梁的監(jiān)測(cè)、結(jié)構(gòu)的辨識(shí)和模態(tài) 響應(yīng)分析、結(jié)構(gòu)破壞檢測(cè)等 。 EMD分解能夠 自適應(yīng)的 把 信號(hào)分解成多個(gè) 固有 模態(tài)函數(shù)。余泊 [19]提出了自適應(yīng)時(shí)變?yōu)V波分解 (ATVFD)經(jīng)驗(yàn)篩法，通過(guò)時(shí)變?yōu)V波直接擬合均值曲線，提高了分解速度和精度。 HilbertHuang 變換存在的困難 HHT是一種很直觀 、很 合理的信號(hào)分析方法，從提出至今，產(chǎn)生了許多可喜成果，展示了其無(wú)比魅力，但作為一種 “經(jīng)驗(yàn) ”的算法，在許多方面仍存在許多困難。 南京工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文） 13 第二章 汽輪機(jī)動(dòng)靜碰摩故障機(jī)理及信號(hào)特征分析 隨著機(jī)組參數(shù)的不斷提高，動(dòng)靜間隙不斷減小，機(jī)組在運(yùn)行過(guò)程中，由于裝配不良、 軸彎曲、機(jī)械松動(dòng)、 轉(zhuǎn)子不平衡量過(guò)大或零部件缺陷等原因，可 能導(dǎo)致動(dòng)靜部件之間發(fā)生碰摩。徑向碰摩主要發(fā)生在汽輪機(jī)前后汽封， 動(dòng)葉圍帶汽封 及 隔板汽封 等部位；軸向碰摩常發(fā)生于汽輪機(jī)隔 板與 葉輪 、 轉(zhuǎn)子 之間。有時(shí)是設(shè)計(jì)上的缺陷造成的，設(shè)計(jì)人員將間隙定為過(guò)小的量值，向安裝部門(mén)提供的間隙要求值太小。由于機(jī)組啟動(dòng)過(guò)程中升速、升負(fù)荷速度過(guò)快，低負(fù)荷暖機(jī)時(shí)間太短產(chǎn)生較大的正脹差；也可能 是因?yàn)?停機(jī)過(guò)程中降負(fù)荷速率過(guò)大產(chǎn)生較大的負(fù)脹差。 動(dòng)靜碰摩故障的主要信號(hào)特征 碰摩有 許 多種征兆，易變的信號(hào)特征與外界條件 之間 有 著 密切的 聯(lián)系 ， 某一時(shí)刻出現(xiàn)的征兆，在其他時(shí)刻可能不 會(huì) 再出現(xiàn)，這使得碰摩故障帶有一些不確定性。 (5)對(duì)于全潤(rùn)滑碰摩，軸心動(dòng)態(tài)軌跡是一個(gè)以間隙圓為極限的封閉曲線。 2) 恒定轉(zhuǎn)速下，由于碰摩造成的轉(zhuǎn)子熱彎曲可使不平衡質(zhì)量點(diǎn)位置發(fā)生變化，相位要發(fā)生連續(xù)的改變。頻率成分除工頻和它的諧波或次同步分量，還有因碰摩 而 改變的轉(zhuǎn)子的固有頻率成分。 正常狀態(tài)下，旋轉(zhuǎn)機(jī)械 的 振動(dòng)信號(hào)時(shí)域波形圖 是 較平滑的正弦波，且重復(fù)性好； 沒(méi)有 動(dòng)不平衡故障時(shí)，在一個(gè)周期內(nèi) 是 典型的正弦波，且振幅較大 ；當(dāng)存在對(duì)中不良故障時(shí)，在一個(gè)周期內(nèi) 波形光滑、 波峰翻倍 、 穩(wěn)定重復(fù)性好； 當(dāng)發(fā)生 自激振動(dòng)時(shí)，波形雜亂、 波動(dòng)性大 、 穩(wěn)定 重復(fù)性差 ；當(dāng) 動(dòng)靜碰摩 發(fā)生 時(shí)，如圖 4(b)所示， 振動(dòng)信號(hào)的波峰多 、 波形毛糙 或有削波現(xiàn)象 、 不穩(wěn)定 。碰摩振動(dòng)信號(hào) 的頻譜中， 不僅 包含低于旋轉(zhuǎn)頻率的低頻成分， 還 有遠(yuǎn) 高于旋轉(zhuǎn)頻率的高頻成分。 （ 3） 振動(dòng) 的 旋轉(zhuǎn)特征 振動(dòng)信號(hào)的旋轉(zhuǎn)特征，是指振動(dòng) 的 幅值 (主要是 工頻成分的振幅 )和相位 (主要是工頻成分的相位 )隨時(shí)間以較慢 的 速度往復(fù)變化，這種變化從表面上具有明顯的周期性特征，只是這種變化 的 周期 并 不固定。在轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生較大的法向力和切向力，見(jiàn)圖 8和圖 9. 南京工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文） 20 圖 8 碰摩產(chǎn)生的沖擊圖 圖 9 碰摩產(chǎn)生的摩擦力 摩擦產(chǎn)生的效應(yīng)： （ 1） 機(jī)組的零部件磨損，影響機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)， 從而降低 機(jī)組的效率。該力引起碰摩點(diǎn)局部壓縮變形， 同時(shí) 引起轉(zhuǎn)軸反彈運(yùn)動(dòng)。摩擦力的大小取決于接觸點(diǎn)的法向力及摩擦表面的性質(zhì)。因此，運(yùn)行中的汽輪機(jī)動(dòng)靜碰摩是難以避免的。 （ 2）根據(jù)不同的碰摩部位和原因，采取相應(yīng)的振動(dòng)控制措施，甚至消除碰摩振動(dòng)。 （ 5）盡量使機(jī)組在大阻尼工況（高負(fù)荷工況）下運(yùn)行。 碰摩故障的診斷方法 機(jī)組發(fā)生靜動(dòng)碰摩時(shí)，在現(xiàn)場(chǎng)有許多處理辦法，如：提高升速率。 振動(dòng)診斷法，就是檢測(cè)旋轉(zhuǎn)機(jī)械的振動(dòng)信號(hào)，用一定的信號(hào)分析方法對(duì)南京工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文） 23 振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行分析，并提取振動(dòng)信號(hào)中的有關(guān)數(shù)值特征，將所提取的特征與正常情況下的振動(dòng)信號(hào)特征進(jìn)行比較，以判斷機(jī)組是否發(fā)生碰摩故障，發(fā)生碰摩故障的位置。因此，需要根據(jù)機(jī)組的安裝、調(diào)試、檢修和運(yùn)行情況，確定一個(gè)恰當(dāng)?shù)妮S封間隙，兼顧機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性和安全性。 汽缸偏移引起的碰摩故障處理 所謂氣缸偏移，是指氣缸整體向某一側(cè)移動(dòng)，或者是其中的一端向一端移動(dòng)而另一端向另一側(cè)移動(dòng)。 （ 2）在凝汽器發(fā)生橫向位移的方向安裝防位移導(dǎo)向裝置。 1937年， Carson首次提出瞬時(shí)頻率 [36]的定義，正是從傅里葉變換基函數(shù)的相位變化開(kāi)始研究可變頻率，對(duì)于一個(gè)頻率調(diào)制信號(hào)： 0 0( ) e x p ( ( ( ) ))ts t j t m t d t???? ? (31) 南京工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文） 26 此處 002 f??? ， 0f 是載波頻率， ? 是一個(gè)實(shí)參數(shù)，表示信號(hào)的調(diào)制強(qiáng)度，()mt 是一個(gè)低頻信號(hào)，即調(diào)制波。從式 (36)可看出，希爾伯特變換是信號(hào) ()Xt 和時(shí)間 t 的倒數(shù)的卷積，因此，希爾伯特變換強(qiáng)調(diào)了信號(hào) ()Xt 的局部特性。為了得到有意義的瞬時(shí)分量， Gabor(1963)， Boashash(1992)討論并提出了限定條件：任何一個(gè)函數(shù)要得到有意義的瞬時(shí)頻率，其傅立葉變換的實(shí)部必須只有正的頻率分量。 如果 1a? ，中心不在圓中：并且 ()xt 不再滿足限制條件，從圖中可以看出，相位函數(shù)與瞬時(shí)頻率都會(huì)出現(xiàn)沒(méi) 有意義的負(fù)值。理想的，它應(yīng)該定義在信號(hào)局部平均值為零的基礎(chǔ)上，但對(duì)于非平穩(wěn)信號(hào)，由于無(wú)法引入局部的時(shí)間尺度來(lái)定義局部均值，作為一個(gè)替代方法，用信號(hào)上下包絡(luò)線的局部平均值來(lái)。對(duì)于一般性的信號(hào)數(shù)據(jù)，任何疊加信號(hào)波將等同于 1a? 的情況；任何不對(duì)稱(chēng)的信號(hào)波形將等同于 1a? 的情況 ( 0)a? 以上的例子促使得到了一類(lèi)函數(shù)的定義，該定義是基于信號(hào)局部特性的，稱(chēng)為本征模態(tài)函數(shù)。對(duì)于數(shù)據(jù)分析，我們必須把這些條件轉(zhuǎn)換成物理上可實(shí)現(xiàn)的步驟，用一個(gè)簡(jiǎn)單的方法加以實(shí)現(xiàn)。的最佳局部擬合。 引入解析信號(hào)，它使我們能夠明確地獲得信號(hào)的相位和幅度，由此就能夠得到瞬時(shí)頻率的表示。同時(shí)，還應(yīng)減小抽汽管道和小汽機(jī)排汽管道對(duì)低壓缸的作用力。因此，在機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中，應(yīng)該嚴(yán)密監(jiān)視氣缸的偏移量，將偏移量限制在允許范圍內(nèi)。控制進(jìn)汽溫度變化率，在需要大量減負(fù)荷時(shí)，要降低進(jìn)汽溫度，同時(shí)汽壓也要降低。 聲發(fā)診斷法就是就是利用聲發(fā)射傳感器來(lái)檢測(cè)碰摩振動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的聲發(fā)射信號(hào)，并提取聲發(fā)信號(hào)的計(jì)數(shù)指標(biāo)，根據(jù)計(jì)數(shù)指標(biāo)的大小來(lái)判斷碰摩故障的嚴(yán)重程度，碰摩故障發(fā)生的位置。整個(gè)機(jī)組沒(méi)有其他的振動(dòng)問(wèn)題時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)也可以采用升速率沖過(guò)這個(gè)轉(zhuǎn)速區(qū)，直接升到高速或3000r/min 的辦法。控制碰摩振動(dòng)地運(yùn)行措施主要包括以下幾項(xiàng)： （ 1）大中型機(jī)組盡量采用滑參數(shù)啟動(dòng)，并嚴(yán)格控制轉(zhuǎn)速升速率和升負(fù)荷率，適當(dāng)延長(zhǎng)低負(fù)荷及中負(fù)荷暖機(jī)時(shí)間，減少氣缸與轉(zhuǎn)子溫差，以控制汽輪機(jī)脹差值在允許范圍內(nèi)；盡量減少氣缸上下缸溫差，上下缸溫差控制在 50 0C以下，以減少?gòu)较蜷g隙的變化。即將振動(dòng)的平均烈度水平和振動(dòng)的波動(dòng)量都控制在有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的控制范圍內(nèi)。如果碰摩進(jìn)入晚期碰摩階段，就會(huì)引起機(jī)組劇烈振動(dòng)，甚至導(dǎo)致轉(zhuǎn)子永久彎曲。因此，這個(gè)過(guò)程的震動(dòng)信號(hào)含有豐富的諧波分量。 （ 2） 由 于轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)，碰摩是重復(fù)過(guò)程，因而產(chǎn)生的是周期性 的 振動(dòng)。 （ 3） 產(chǎn)生切向摩擦力。圖 7為碰摩振動(dòng)信號(hào)的旋轉(zhuǎn)特征示意圖。其中，圖 6(a)為轉(zhuǎn)子上位移傳感器獲 取 的碰摩振動(dòng)信號(hào)