【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 別特征和敏感參數(shù)： 裂紋振動(dòng)特征Tab. Vibration characteristic of crack特征頻率常伴頻率振動(dòng)穩(wěn)定性振動(dòng)方向相位特征軸心軌跡進(jìn)動(dòng)特征矢量區(qū)域半臨界點(diǎn)的2X2X、3X等高頻諧波不穩(wěn)定徑向、軸向不規(guī)則變化雙橢圓或不規(guī)則正進(jìn)動(dòng)改變 裂紋敏感參數(shù)Tab. Sensitive parameter of crack振動(dòng)隨轉(zhuǎn)速變化振動(dòng)隨負(fù)荷變化振動(dòng)隨溫度變化振動(dòng)隨流量變化振動(dòng)隨壓力變化其他識(shí)別方法變化不規(guī)則變化不變不變不變非線性振動(dòng)，過(guò)半臨界點(diǎn)2X諧波有共振峰值 小結(jié)本章主要介紹了旋轉(zhuǎn)機(jī)械轉(zhuǎn)子系統(tǒng)主要故障機(jī)理及其識(shí)別特征，除此之外，其他的故障還有：滑動(dòng)軸承故障、旋轉(zhuǎn)失速、喘振、迷宮密封的氣流激振、不均勻氣流渦動(dòng)、非轉(zhuǎn)動(dòng)部分的配合松動(dòng)和轉(zhuǎn)子內(nèi)壁吸附液體等。了解了這些轉(zhuǎn)子的故障特征，在分析中就可以結(jié)合這些特征選取有效的故障診斷方法，進(jìn)行有針對(duì)性的分析。4 轉(zhuǎn)子故障診斷的有效方法上一章介紹了一些轉(zhuǎn)子典型故障及其振動(dòng)特征，本章則主要闡述在識(shí)別這些特征方面非常有效的故障診斷方法。 軸心軌跡診斷方法 軸心軌跡的概念軸心軌跡是在一個(gè)支承截面上的兩個(gè)渦流傳感器拾取的振動(dòng)信號(hào)中去除所包含的直流分量加以合成得到的。它表征轉(zhuǎn)子軸心在一個(gè)支承面內(nèi)運(yùn)行軌跡。在轉(zhuǎn)軸同一截面內(nèi)安裝兩個(gè)徑向位移傳感器，彼此互成90176。，將其兩路信號(hào)用雙通道數(shù)據(jù)采集器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，然后再以屏幕上的X和Y方向進(jìn)行圖形顯示，成為表示軸心的軌跡()。軸心軌跡表示轉(zhuǎn)子軸心一點(diǎn)相對(duì)于軸承座的運(yùn)動(dòng)。為了去掉振動(dòng)信號(hào)中的直流分量，可使信號(hào)先通過(guò)高通濾波[24]。 典型的軸心軌跡Fig. Typical axis orbitsa－橢圓；b－雙橢圓；c－發(fā)散轉(zhuǎn)子振動(dòng)信號(hào)中除包含不平衡引起的同步振動(dòng)分量外，一般還存在亞同步(其頻率低于轉(zhuǎn)速)分量和高次諧波(其頻率是轉(zhuǎn)速的整數(shù)倍)分量，使軸心軌跡形狀復(fù)雜，甚至非?；靵y，造成分析困難。例如，一臺(tái)壓縮機(jī)高壓缸轉(zhuǎn)子系統(tǒng)發(fā)生油膜渦動(dòng)導(dǎo)致機(jī)組停機(jī)，由于油膜渦動(dòng)周期并不恰好是轉(zhuǎn)子回轉(zhuǎn)周期的2倍，其軸心軌跡不完全重合，顯得很凌亂，(a)所示。目前發(fā)展了一直模擬軸心軌跡技術(shù)，它是根據(jù)頻率分析原理，將X、Y方向的振動(dòng)信號(hào)分解成各個(gè)頻率分量，然后將某些頻率分量提取出來(lái)加以合成，再用計(jì)算機(jī)重新做出軸心軌跡，可將原本零亂的軌跡顯得十分清楚，(b)所示。由圖上可以看出，軸心軌跡呈雙橢圓形，這是油膜渦動(dòng)的典型特征。 油膜渦動(dòng)時(shí)的軸心軌跡和模擬軸心軌跡Fig. Axis orbit when oil whirla－軸心軌跡；b－模擬軸心軌跡 分析軸心軌跡的方法(1) 注意軸心軌跡的形狀及其變化。軸心軌跡常用來(lái)監(jiān)視滑動(dòng)軸承中的油膜振蕩。當(dāng)轉(zhuǎn)子穩(wěn)定轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，軸心軌跡近似于橢圓，(a)。(b)，表示滑動(dòng)軸承中出現(xiàn)了半速渦動(dòng)(又稱(chēng)雙圈晃動(dòng))，這是轉(zhuǎn)軸失穩(wěn)的初期征兆。再如，觀察汽輪發(fā)電機(jī)組起動(dòng)過(guò)程中轉(zhuǎn)速振動(dòng)分量的軸心軌跡()，發(fā)現(xiàn)其大小、形狀和最大振動(dòng)方向不斷發(fā)生變化并逐漸趨于穩(wěn)定轉(zhuǎn)速下的振幅和最大振動(dòng)方向，這是因?yàn)槠饎?dòng)過(guò)程中，機(jī)器由冷態(tài)逐步過(guò)渡到熱平衡狀態(tài)，機(jī)器的熱容量較大，所以需要的過(guò)渡時(shí)間長(zhǎng)，相反，突然停機(jī)過(guò)程中()，由于降速快，機(jī)器熱平衡狀態(tài)來(lái)不及變化，所以轉(zhuǎn)速振動(dòng)分量軸心軌跡只是隨轉(zhuǎn)速的降低而逐步減小，其形狀和最大振動(dòng)方向并無(wú)明顯變化。 發(fā)電機(jī)組起動(dòng)過(guò)程基頻軸心軌跡Fig. Main frequency’s axis orbit in the process of generating unit starting up 發(fā)電機(jī)組起停車(chē)過(guò)程基頻軸心軌跡Fig. Main frequency’s axis orbit in the process of generating unit closing down(2) 注意軸心軌跡的穩(wěn)定性。正常情況下，軸心軌跡比較穩(wěn)定，基本上互相重合。如果軸心軌跡紊亂，形狀和大小不斷變化，不能重合，則表明運(yùn)動(dòng)狀態(tài)出現(xiàn)異常，例如，出現(xiàn)油膜渦動(dòng)或油膜振蕩時(shí)，軸心軌跡將不斷發(fā)散，(c)所示，此時(shí)可用模擬軸心軌跡進(jìn)行觀察。(3) 觀察軸心軌跡的旋轉(zhuǎn)反向。旋轉(zhuǎn)方向與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)方向一致，稱(chēng)為正向進(jìn)動(dòng)；二者相反時(shí)，成為反進(jìn)動(dòng)。多數(shù)情況下，軸心軌跡都為正向進(jìn)動(dòng)，有時(shí)出現(xiàn)反向進(jìn)動(dòng)，可能是由于轉(zhuǎn)子徑向干摩擦所致。利用軸心軌跡，可以發(fā)現(xiàn)一些離心式壓縮機(jī)典型的故障，具體可參照第三章各表。 全譜診斷方法由于轉(zhuǎn)子渦動(dòng)的物理特性，旋轉(zhuǎn)機(jī)械的測(cè)量一般采用同一截面相互垂直的兩個(gè)探頭來(lái)完成。然而，同一截面用于監(jiān)測(cè)旋轉(zhuǎn)機(jī)械的兩個(gè)探頭中的任一探頭所檢測(cè)到的信息，無(wú)論在量值和結(jié)構(gòu)方面均很難反映機(jī)組運(yùn)行的實(shí)際狀況。在很多情況下，差異是很大的，會(huì)直接影響到診斷結(jié)果并造成誤判。為了能夠客觀地反映轉(zhuǎn)子的振動(dòng)狀態(tài)，避免因此造成的誤判，許多學(xué)者做了大量的研究和應(yīng)用工作。全譜(Full Spectrum)分析技術(shù)就是其中的一種[2528]。 全譜分析技術(shù)基礎(chǔ)假定旋轉(zhuǎn)機(jī)械的運(yùn)行是平穩(wěn)的，則采用雙向垂直探頭獲得轉(zhuǎn)子振動(dòng)信息，在探頭所在平面內(nèi)以若干角頻率的組合做穩(wěn)態(tài)渦動(dòng)，其x ， y 向的運(yùn)動(dòng)方程式一般可以表達(dá)為[29] ()式中：，表示頻率為的運(yùn)動(dòng)幅值；，表示頻率為的諧波運(yùn)動(dòng)的相位角。對(duì)于某一諧波，設(shè) ()式中：其運(yùn)動(dòng)規(guī)律為一橢圓，即 ()式中：在轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)上，一般可以把一個(gè)沿橢圓軌跡的運(yùn)動(dòng)看成沿兩個(gè)圓軌跡運(yùn)動(dòng)的合成 。這兩個(gè)分運(yùn)動(dòng)的圓頻率(角速度) 相等而轉(zhuǎn)向相反， 所示。 純頻下轉(zhuǎn)子的回轉(zhuǎn)軌跡Fig. Rotor orbit in pure frequency 設(shè)，為圓頻率為的圓軌跡的半徑(幅值)和相位角；，為圓頻率為的圓軌跡的半徑和相位角。則 ()式中：若也像式()那樣定義， 及，令 ()則有其復(fù)數(shù)表示方式 ()對(duì)應(yīng)的運(yùn)動(dòng)與轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方向相同稱(chēng)為正進(jìn)動(dòng)，對(duì)應(yīng)運(yùn)動(dòng)與轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方向相反稱(chēng)為反進(jìn)動(dòng)。 ()設(shè)為橢圓的長(zhǎng)軸或最大強(qiáng)度，定義為主振矢；為橢圓的短軸或最大強(qiáng)度的垂直方向, 定義為副振矢，則上述兩個(gè)正圓與其對(duì)應(yīng)的橢圓軌跡如下關(guān)系 ()在進(jìn)行信息處理時(shí)，將各諧波頻率下組成橢圓的兩個(gè)正圓，取其半徑分別按正、負(fù)頻率軸展示出來(lái)，比較同一諧波下正、負(fù)頻率下的幅度大小，可以斷定該橢圓的進(jìn)動(dòng)方向以及定性的振動(dòng)強(qiáng)度[29][30]。全譜分析的優(yōu)點(diǎn)是判斷進(jìn)動(dòng)方向方便，圖譜分辨率高。其缺點(diǎn)是由于圖譜是直接用正圓半徑表示的，故圖譜中難以準(zhǔn)確表達(dá)各諧波下的振動(dòng)強(qiáng)度。 全譜分析數(shù)值計(jì)算假定和分別為，方向上的離散序列，為了進(jìn)一步提高計(jì)算效率,采用通過(guò)一次FFT計(jì)算四個(gè)參數(shù)，，的方法, 用序列，構(gòu)成復(fù)序列，即，其Fourier變換為，、分別為的實(shí)部和虛部,這樣可以大大提高融合算法的計(jì)算效率[29]。即 ()式中：。從而 ()式中： 。 全譜分析圖譜表示全譜分析從機(jī)理上講各個(gè)諧波頻率下的轉(zhuǎn)子的橢圓軌跡分解為兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反的正圓，一個(gè)為正進(jìn)動(dòng)，另一個(gè)為反進(jìn)動(dòng)，其中半徑較大的正圓的渦動(dòng)方向決定了該頻率下的轉(zhuǎn)子的進(jìn)動(dòng)方向，因此全譜分析在圖譜在橫坐標(biāo)上采用了正負(fù)頻率軸的表達(dá)方式，其中正頻率軸依次表達(dá)正進(jìn)動(dòng)的正圓半徑值，負(fù)頻率依次表達(dá)反進(jìn)動(dòng)正圓的半徑值。如果在某一頻率下，正半頻率的譜值大于負(fù)半頻率的譜值，則表明轉(zhuǎn)子在該頻率下是正進(jìn)動(dòng)[29]。同時(shí)也可以根據(jù)正、負(fù)頻率處的譜值絕對(duì)大小來(lái)判斷該諧波下轉(zhuǎn)子的運(yùn)行軌跡,基本思路是橢圓軌跡的長(zhǎng)軸為兩個(gè)圓半徑之和,橢圓軌跡的短軸為兩個(gè)圓半徑之差。利用這一經(jīng)驗(yàn)可以判斷轉(zhuǎn)子的振動(dòng)強(qiáng)度和回轉(zhuǎn)軌跡。全譜分析圖譜可以分析穩(wěn)態(tài)下轉(zhuǎn)子的運(yùn)行狀況,也可以分析瞬態(tài)下轉(zhuǎn)子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài),在瞬態(tài)情況下其形式為雙向瀑布圖方式。 全譜圖信號(hào)分析過(guò)程：從兩個(gè)傳感器得出的信號(hào)的譜圖Fig. Full spectrum dataprocessing sequence: the spectrum obtained from the data from two probes.[31]。 二維全息譜診斷法前述是一些目前應(yīng)用比較廣泛的在線監(jiān)測(cè)及故障診斷方法，反映了當(dāng)前國(guó)內(nèi)外工廠通過(guò)振動(dòng)信號(hào)監(jiān)測(cè)機(jī)械設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)和診斷機(jī)械故障的現(xiàn)狀。但是，深入考慮這些方法，似乎仍然存在有不足之處。頻域中各種分析方法給出的結(jié)果都不很直觀，幅值值譜和相位譜相分離，垂直方向和水平方向振動(dòng)分別考慮，很難根據(jù)這些分析結(jié)果在頭腦中得出一個(gè)清晰的轉(zhuǎn)子振動(dòng)圖像[1]。況且，旋轉(zhuǎn)機(jī)械轉(zhuǎn)子振動(dòng)機(jī)理復(fù)雜．僅通過(guò)一個(gè)測(cè)點(diǎn)得到的轉(zhuǎn)子在該截面處某個(gè)方向上的振動(dòng)譜，其幅值也不一定是該截面上的最大振幅，其間的差別往往很大。在時(shí)域中，軸心軌跡由轉(zhuǎn)子在同一截面中兩個(gè)方向上的振動(dòng)信號(hào)合成，雖然可以反映轉(zhuǎn)子在該截面內(nèi)的振動(dòng)圖像，但當(dāng)振動(dòng)狀態(tài)復(fù)雜時(shí)，依靠軸心軌跡往往很難判斷轉(zhuǎn)子振動(dòng)的特點(diǎn)和故障原因。近年來(lái)發(fā)展起來(lái)一種轉(zhuǎn)子振動(dòng)分析方法——全息譜(holospectrum)分析法，結(jié)合振動(dòng)信號(hào)的幅值及相位信息，可將轉(zhuǎn)子的綜合振動(dòng)情況精確、直觀地表達(dá)出來(lái)。(1) 二維全息譜的建立二維全息譜是建立在改進(jìn)FFT算法[32]基礎(chǔ)上，通過(guò)改進(jìn)的FFT算法，求出轉(zhuǎn)子同一支承面內(nèi)垂直和水平兩個(gè)方向振動(dòng)信號(hào)各倍頻及其諧波準(zhǔn)確的幅值、頻率和相位，以轉(zhuǎn)子振動(dòng)階次為橫坐標(biāo)，包括低頻、基頻、倍頻等，將兩個(gè)方向分解后又合成的軌跡依次放置在橫坐標(biāo)地相應(yīng)位置上()。 二維全息譜的一般形式Fig. General form of twodimensional holospectrum這種二維全息譜的一般形式，由直線、圓和橢圓組成。這些圖形將轉(zhuǎn)子中心的振動(dòng)軌跡分解為不同的頻率分量。一根傾斜的直線是由兩個(gè)相位差為0176?；?80176。的兩個(gè)分量合成的，直線的傾角取決于兩分量的幅值比。當(dāng)兩個(gè)分量的幅值相等并且相位差為90176?；?70176。時(shí)，在全息譜上合成一個(gè)圓。在其余情況下，全息譜上將得到偏心率不同的橢圓，橢圓的偏心率和長(zhǎng)軸的方向也不同程度的表征了軸心振動(dòng)的行為[33]。(2) 二維全息譜提供的轉(zhuǎn)子振動(dòng)信息[1]二維全息譜的建立與傳統(tǒng)頻譜分析相比，它合并了幅值譜和相位譜，不但反映了兩個(gè)方向振動(dòng)信號(hào)的幅值，而且也反映了它們之間的相位關(guān)系，是幅、頻、相的有機(jī)結(jié)合和高度綜合，提供了下列轉(zhuǎn)子振動(dòng)信息：① 各振動(dòng)分量的形狀：圓、近似圓、橢圓、直線；② 橢圓的長(zhǎng)軸、偏心率以及長(zhǎng)軸與坐標(biāo)軸的夾角；③ 各振動(dòng)分量軌跡的旋轉(zhuǎn)方向，是正進(jìn)動(dòng)還是反進(jìn)動(dòng)；④ 各振動(dòng)分量的初始相位，初始相位包括橢圓起始點(diǎn)與X軸的夾角和橢圓起始點(diǎn)旋轉(zhuǎn)到X軸所歷經(jīng)的角度。對(duì)于沒(méi)有安裝相位傳感器的轉(zhuǎn)子振動(dòng)監(jiān)測(cè)中，初始相位取當(dāng)基頻起始相位為零時(shí)各階倍頻分量的起始相位，這樣各次計(jì)算出的二維全息信息才具有可比性；⑤ 各振動(dòng)分量長(zhǎng)軸之間的夾角、形狀是否相似等各振動(dòng)分量的相互關(guān)系。需要說(shuō)明的是這里橢圓的偏心率是指橢圓短軸與橢圓長(zhǎng)軸之比，圓的偏心率為1，直線的偏心率為0，偏心率越大，說(shuō)明橢圓越近似于圓；旋轉(zhuǎn)為正，表示振動(dòng)分量的渦動(dòng)軌跡與轉(zhuǎn)子回轉(zhuǎn)方向相同，旋轉(zhuǎn)方向?yàn)樨?fù)，表示振動(dòng)分量的渦動(dòng)軌跡與轉(zhuǎn)子回轉(zhuǎn)方向相反。應(yīng)當(dāng)注意：對(duì)于一個(gè)軌跡近似正圓的振動(dòng)分量，其長(zhǎng)軸以及與X軸的夾角已經(jīng)不具有什么意義；對(duì)于一個(gè)軌跡近似直線的振動(dòng)分量，旋轉(zhuǎn)方向也不能反映什么振動(dòng)特性。一般的，橢圓起始點(diǎn)與X軸的夾角與橢圓起始點(diǎn)旋轉(zhuǎn)到X軸所經(jīng)歷的角度不等，只有振動(dòng)分量在二維全息譜上是一個(gè)圓時(shí)，兩者才相等或者相反。以某工廠離心壓縮機(jī)振動(dòng)為例，備注中主要用來(lái)反映各分量之間的相互關(guān)系，如形狀是否相似、長(zhǎng)軸之間的夾角等振動(dòng)信息。表中各項(xiàng)的計(jì)算公式見(jiàn)參考文獻(xiàn)[1]。 空壓機(jī)轉(zhuǎn)子振動(dòng)二維全息譜信息Tab. Twodimensional holospectrum information of pressor rotor頻率形狀長(zhǎng)軸或半徑長(zhǎng)軸與坐標(biāo)X軸夾角初始相位偏心率旋轉(zhuǎn)方向備注橢圓176。176。正向176。1X橢圓176。176。正向2X直線176。176。——3X圓176。176。反向4X直線176。176。——二維全息譜與傳統(tǒng)的譜分析相比提供的轉(zhuǎn)子振動(dòng)信息比較直觀、全面。，工頻分量與四倍頻分量都很突出，而四倍頻分量近似于一條直線，二、四倍頻振動(dòng)方向垂直等信息。像四倍頻這種近似一條直線的的振動(dòng)，可以認(rèn)為轉(zhuǎn)子受到一個(gè)作用方向在小角度范圍變化的力所引起的，常見(jiàn)的是齒輪聯(lián)軸節(jié)不對(duì)中故障引起這樣的振動(dòng)方式。 空壓機(jī)轉(zhuǎn)子振動(dòng)垂直方向振幅圖Fig. Vibration spectrum of pressor rotor on vertical 空壓機(jī)轉(zhuǎn)子二維全息譜圖Fig. Twodimensional holospectrum of pressor rotor 小結(jié)本章主要介紹了三種在轉(zhuǎn)子系統(tǒng)故障診斷中極為有效的三種分析方法，軸心軌跡法、全譜法、全息譜法。軸心軌跡用于直接判斷轉(zhuǎn)子故障；全譜可用來(lái)判斷轉(zhuǎn)子正反進(jìn)動(dòng)和回轉(zhuǎn)強(qiáng)度，全息譜則可判斷轉(zhuǎn)子在較長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)運(yùn)行是否穩(wěn)定，故障源是否出現(xiàn)變化等情況。5 轉(zhuǎn)子在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及關(guān)鍵技術(shù)北京燕化聚酯廠氧氣車(chē)間離心壓縮機(jī)HC101是前西德DEMAG在上世紀(jì)70年代末制造的大型回轉(zhuǎn)式壓縮機(jī)。該壓縮機(jī)分低壓機(jī)組和高壓機(jī)組，低壓機(jī)組為H型離心式壓縮機(jī)，分四級(jí)；高壓