【正文】 必須迅速發(fā)展，以與生產(chǎn)現(xiàn)狀相匹配。直至 70 年代它仍是我國(guó)電力系統(tǒng)主要的診斷方法。 從本世紀(jì) 70年代起，隨著人工智能理論、電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，為機(jī)理振動(dòng)故障診斷技術(shù)向自動(dòng)化、智能化發(fā)展提供了重要的先決條件。 國(guó)外的資料表明：故障診斷的效果是明顯的。 國(guó)內(nèi)外汽輪發(fā)電機(jī)組故障自動(dòng)診斷理論和技術(shù)在近 20 年得到快速發(fā)。 但是 , 現(xiàn)今的狀況仍然不能滿足實(shí)際需要 , 振動(dòng)仍是當(dāng)前影響大型機(jī)組運(yùn)行的關(guān)鍵技術(shù)之一。全國(guó)各電網(wǎng)中在役大機(jī)組出現(xiàn)振動(dòng)故障影響電力生產(chǎn)的事更是屢屢發(fā)生。在 1988 年 10 月 , 北侖電廠 1 號(hào) 600MW 東芝機(jī)組發(fā)生高壓葉片斷裂重大事故 , 直接損失 2400 萬(wàn)元 ( 人民幣 ) 。 汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組故障診斷處理的意義 火力發(fā)電廠中的汽輪機(jī)、發(fā)電機(jī)都屬于旋轉(zhuǎn)機(jī)械，它們?cè)陔娏ιa(chǎn)中處于至關(guān)重要的的地位。 理論上講，轉(zhuǎn)子的外形是一個(gè)軸對(duì)稱的旋轉(zhuǎn)體，其轉(zhuǎn)子上面的葉輪、葉片都沿圓周均勻分布在轉(zhuǎn)軸上。在旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下，偏心的質(zhì)量是轉(zhuǎn)子產(chǎn)生離心力，此離心力在任何一個(gè)通過(guò)旋轉(zhuǎn)中心線的靜止平面上投影是一個(gè)周期性簡(jiǎn)諧外力，這一簡(jiǎn)諧外力就會(huì)引起轉(zhuǎn)子振動(dòng)的激振力。由于共振時(shí)，整個(gè)彈性體的振幅最大，動(dòng)應(yīng)力也急劇增加。汽輪機(jī)事故中，尤其是以振動(dòng)所發(fā)生的事故所占的比例最大，因此我們可以把振動(dòng)作為設(shè)備安全評(píng)估的重要指標(biāo)。一旦機(jī)組振動(dòng)值變大，或振動(dòng)變得不穩(wěn)定，則說(shuō)明了設(shè)備出現(xiàn)了一定程度的故障。蒸汽參數(shù)越高，容量越大，汽輪發(fā)電機(jī)組的故障就越復(fù)雜。我們可以通過(guò)采取對(duì)汽輪發(fā)電機(jī)組故障診斷來(lái)減少或者避免類似情況發(fā)生。隨著傳感技術(shù)、微電子、計(jì)算機(jī)軟硬件和數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)、專家系統(tǒng)、模糊集理論等綜合智能系統(tǒng)的應(yīng)用，設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)和先進(jìn)診斷技術(shù)的研究得到發(fā)展，成為電力系統(tǒng)中的一個(gè)重要研究領(lǐng)域。 因此，通過(guò)對(duì)汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中的故障診斷，及時(shí)有效的判斷其狀態(tài) ，將使汽輪發(fā)電機(jī)長(zhǎng)期、安全可靠的運(yùn)行成為可能。 國(guó)內(nèi)外汽輪機(jī)組故障診斷處理發(fā)展?fàn)顩r 我國(guó)對(duì)于故障診斷的研究開始于八十年代，初期主要應(yīng)用于石化、鋼鐵行業(yè)，在九十年代以后，這一技術(shù)迅速的應(yīng)用到我國(guó)工業(yè)領(lǐng)域。大型汽輪發(fā)電機(jī)組的在線監(jiān)測(cè)與故障診斷技術(shù)在當(dāng)時(shí)成為了國(guó)家‘七五’、‘八五’重大科技攻關(guān)項(xiàng)目，并在‘九五’期間繼續(xù)受到支持，其重要意義是顯而易 見的。但是，一方面由于研究的重點(diǎn)和目標(biāo)受到某些方面的制約，僅僅局限在診斷技術(shù)的數(shù)學(xué)算法上，脫離或沒(méi)有重視現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，也沒(méi)有考慮實(shí)用性，導(dǎo)致偏離了故障診斷的研究本質(zhì)，影響了故障診斷技術(shù)的推廣；另一方面，我國(guó)用電量的需求不斷增長(zhǎng)，考慮節(jié)約能源及環(huán)保的要求，汽輪發(fā)電機(jī)組單機(jī)裝機(jī)容量的不斷增大，已有百萬(wàn)機(jī)組投產(chǎn)，而對(duì)于百萬(wàn)機(jī)組的故障診斷我國(guó)專家及公司尚未完全了解，許多常 見故障機(jī)理、故障特征及現(xiàn)場(chǎng)診斷方法的研究還有待進(jìn)一步的深入。當(dāng)前在國(guó)際故障診斷領(lǐng)域，美國(guó)在大型汽輪機(jī)組在線監(jiān)測(cè)與診斷技術(shù)研究方面成績(jī)突出，這些成績(jī)歸功于該國(guó)的信號(hào)與數(shù)據(jù)分析技術(shù)，因?yàn)檫@些技術(shù)是故障診斷技術(shù)的根本基礎(chǔ)，診斷結(jié)果的準(zhǔn)確性完全取決于信號(hào)與數(shù)據(jù)分析的準(zhǔn)確與否。此外，在歐洲還有許多著名的故障診斷公司，如丹麥的 Bamp。然而國(guó)外的在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、現(xiàn)場(chǎng)診斷儀器及診斷管理軟件等一系列的診斷系統(tǒng)一般價(jià)格十分昂貴，且存在異地維修不便、缺少漢化而使用不便等問(wèn)題，因此還難以在我國(guó)基層電廠普及。 快速傅立葉變換（ FFT）應(yīng)用于汽輪機(jī)故障診斷的簡(jiǎn)介 。然而， STFT 中的固定的窗口意味著在時(shí)頻域內(nèi)的固定時(shí)頻分辨率。例如，在檢測(cè)汽輪機(jī)碰摩信號(hào)時(shí)，由于它是不穩(wěn)定的，而且重要的頻率信號(hào)在幾百 Hz 范圍內(nèi)不均 6 勻分布，因此 STFT 很難精確確定窗口的大小，頻率信息提取的精確性也就受到很大限制。 傅立葉變換的逆變換容易求出 ,而且形式與正變換非常類似 。著名的卷積定理指出 :傅立葉變換可以化復(fù)雜的卷積運(yùn)算為簡(jiǎn)單的乘積運(yùn)算 ,從而提供了計(jì)算卷積的一種簡(jiǎn)單手段 。據(jù)統(tǒng)計(jì)，旋轉(zhuǎn)機(jī)械約有一半以上的故障與轉(zhuǎn)子不平衡有關(guān)。 （ 2） 轉(zhuǎn)子 不對(duì)中故障 轉(zhuǎn)子不對(duì)中包括軸承不對(duì)中和軸系不對(duì)中兩種情況。軸承不對(duì)中本身不會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，它主要影響到油膜性能和阻尼。 機(jī)組各轉(zhuǎn)子之間用聯(lián)軸節(jié)連接時(shí)，如不處在同一直線上，就稱為軸系不對(duì)中。造成軸系不對(duì)中的原因有 安裝誤差、管道應(yīng)變影響、溫度變化熱變形、基礎(chǔ)沉降不均等。 消除此故障引起的振動(dòng)策略： 消除低 /發(fā)轉(zhuǎn)子連接偏心，增加軸瓦油膜剛度，調(diào)整軸系平衡 [7]。轉(zhuǎn)子彎曲有永久性彎曲和臨時(shí)性彎曲兩種情況。造成永久彎曲的原因有設(shè)計(jì)制造缺陷（轉(zhuǎn)軸結(jié)構(gòu)不合理、材質(zhì)性能不均勻）、長(zhǎng)期停放方法不當(dāng)、熱態(tài)停機(jī)時(shí)未及時(shí)盤車等。造成臨時(shí)性彎曲的原因有預(yù)負(fù)荷過(guò)大、開機(jī)運(yùn)行時(shí)暖機(jī)不充分、升速過(guò)快局部碰磨產(chǎn)生溫升等致使轉(zhuǎn)子熱變形不均勻等。 （ 4） 油膜軸承的故障機(jī)理與診斷 隨著工作轉(zhuǎn)速的升高，半速渦動(dòng)頻率也不斷升高，頻譜中半頻諧波的振幅不斷增大，使轉(zhuǎn)子振動(dòng)加劇。同時(shí)軸心軌跡突然變成擴(kuò)散的不規(guī)則曲線，頻譜圖中的半頻諧波振幅值增大到接近或超過(guò)基頻振幅，頻譜會(huì)呈現(xiàn)組合頻率的特征 [8]。 起始失穩(wěn)轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)子的相對(duì)偏心率有關(guān)，輕載轉(zhuǎn)子在第一臨界轉(zhuǎn)速之前就可能發(fā)生不穩(wěn)定的半速渦動(dòng)，但不產(chǎn)生大幅度的振動(dòng)；當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到兩倍第一臨界轉(zhuǎn)速時(shí)，轉(zhuǎn)子由于共振而有較大的振幅；越過(guò)第一臨界轉(zhuǎn)速后振幅再次減少，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá) 到兩倍第一臨界轉(zhuǎn)速時(shí)，振幅增大并且不隨轉(zhuǎn)速的增加而改變，即發(fā)生了油膜振蕩。選用抗振性 8 好的軸承 。 目前，可以使用 2130 振動(dòng)專家診斷系統(tǒng)、 V B 3000 振動(dòng)診斷專家診斷系統(tǒng)對(duì)滑動(dòng)軸承振 動(dòng)數(shù)據(jù)予以采集，并通過(guò) PC 顯示軸心軌跡圖，能準(zhǔn)確識(shí)別滑動(dòng)軸承振動(dòng)故障。 轉(zhuǎn)子與靜止件發(fā)生的徑向摩擦還可以進(jìn)一步分為兩種情況：一種是轉(zhuǎn)子在渦動(dòng)過(guò)程中與靜子發(fā)生的偶然性或周期性的局部碰磨；另一種是轉(zhuǎn)子與靜子的摩擦接觸弧度較大，甚至發(fā)生 360176。 動(dòng)靜件摩擦的故障原因：設(shè)計(jì)間隙不當(dāng)，偏??；轉(zhuǎn)子與定子 不同心；對(duì)中不良；機(jī)組熱膨脹不均勻；轉(zhuǎn)子撓度大，不均勻。當(dāng)過(guò)盈量不足而發(fā)生松動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)子在高速運(yùn)行中由于動(dòng)撓度以及交變激振力的作用，轉(zhuǎn)軸材料內(nèi)部以及轉(zhuǎn)軸與旋轉(zhuǎn)體配合面之間會(huì)發(fā)生摩擦而影響轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定性。支承系統(tǒng)結(jié)合面間隙過(guò)大， 緊力不足，在外力或溫升作用下產(chǎn)生間隙，固定螺栓強(qiáng)度不足導(dǎo)致斷裂或缺乏防松措施造成部件松動(dòng)，基礎(chǔ)施工質(zhì)量欠佳等都是造成松動(dòng)的常見原因。 常見故障診斷技術(shù) 與方法的介紹 設(shè)備 故障診斷 的技術(shù)和 方法 有很多，而且必須結(jié)合設(shè)備故障的特點(diǎn)，采用不同的診斷技術(shù)和 方法 。 為了更好地研究振動(dòng)分析診斷技術(shù)，首先應(yīng)對(duì)波形 理論、機(jī)械理論、以及計(jì)算機(jī)應(yīng)用等有一定的了解。 振動(dòng)診斷技術(shù)包括四個(gè)方面：振動(dòng)信號(hào)的采集 ； 振動(dòng)信號(hào)的處理 ； 故障識(shí)別 ； 故障預(yù)報(bào) 。 （ 2） 智能 診斷 技術(shù) 隨著現(xiàn)代化生產(chǎn)的發(fā)展，設(shè)備復(fù)雜程度增大，對(duì)設(shè)備的運(yùn)行要求也不斷提高，就促使診斷技術(shù)向智能化、自動(dòng)化方向發(fā)展。 （ 3） 專家系統(tǒng) 診斷 專家系統(tǒng)是應(yīng)用大量人類專家的知識(shí)和推理方法求解復(fù)雜實(shí)際問(wèn)題的一種人工 智能 計(jì)算機(jī)程序。故障 診斷 專家系統(tǒng)是專家系統(tǒng)應(yīng)用的一個(gè)重要分支。應(yīng)用對(duì)象主要是設(shè)備和子系統(tǒng)。由 于傅立葉分析方法無(wú)法分析突變信號(hào)和非平穩(wěn)信號(hào)。它是一種時(shí)間 — 頻率的分析方法，具有多分辨力分析的特點(diǎn)，而且在時(shí)頻兩域都具有表征信號(hào)局部特征的能力，是一種窗口大小固定不變，但其形狀可改變，時(shí)間和頻率窗都可以改變的時(shí)域局部化部分方法。 故障診斷的步驟 對(duì)于 大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械所發(fā)生的各種故障，是立即停機(jī)搶修 ， 還是維持運(yùn)行，或者是采取措施加以消除 或減輕，診斷及處理的失誤會(huì)給企業(yè)帶來(lái)相當(dāng)大的經(jīng)濟(jì)損失。 （ 1） 故障真?zhèn)蔚脑\斷 機(jī)械設(shè)備本身是否真的發(fā)生了故障，是否為儀表失靈或工藝系統(tǒng)波動(dòng)所造成的假象，是故障診斷首先應(yīng)解決的問(wèn)題。 （ 2） 故障類型的診斷 發(fā)生了什么類型的故障，是何種原因所造成的故障 ， 是故障診斷的核心。然后對(duì)所收集的信息進(jìn)行篩選，刪除本身正確、正常、未發(fā)生變化的信息。 對(duì)故障類型的診斷，要找主要矛盾，要找肇事者、排除受害者，在確保準(zhǔn)確的前提下，盡可能只明確 一條主要故障，即造成故障的真正原因。 （ 3） 故障程度的評(píng)估 判斷故障所形成的危害程度，對(duì)確定是否需要立即停車、能否維持運(yùn)行、是否需要減負(fù)荷運(yùn)行有著決定性的指導(dǎo)作用。既要考慮原有數(shù)值的大小，更要考慮其變化量的大小，最重要的還是看其當(dāng)前數(shù)值的大小。判斷時(shí)，一定要緊密結(jié)合設(shè)備的具體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)并參考各方面的信息加以綜合考慮。應(yīng)根據(jù)所發(fā)生故障的自身特點(diǎn)及故障發(fā)生后短時(shí)間內(nèi)所呈現(xiàn)的特征來(lái)進(jìn)行判斷。熱態(tài)不對(duì)中所引發(fā)的振動(dòng)發(fā)展趨勢(shì)通常比較平緩，特別是常發(fā)生的軸承支座不均勻膨脹所引起的不對(duì)中振動(dòng)，處理得當(dāng)還可及時(shí)消除。由于時(shí)域分析是直接在時(shí)間域中對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行分析的方法，所以時(shí) 域分析具有直觀和準(zhǔn)確的優(yōu)點(diǎn)。穩(wěn)定性是控制系統(tǒng)最基本的性質(zhì)。當(dāng)系統(tǒng)到達(dá)某狀態(tài)，并且維持在此狀態(tài)而不再發(fā)生變化時(shí)，這樣的狀態(tài)稱為系統(tǒng)的平衡狀態(tài)。 系統(tǒng)穩(wěn)定的條件 系統(tǒng)的全部特征根或閉環(huán)極點(diǎn)都具有負(fù)實(shí)部，或者都位于復(fù)平面左半部。但直接檢查全 部特征根是否都具有負(fù)實(shí)部是困難的。如：穩(wěn)定性的代數(shù)穩(wěn)定判 、 奈奎斯特穩(wěn)定判據(jù) 、 李雅普諾夫穩(wěn)定判據(jù) 。 ?? ?? ??? ri diidiitki ti tBtAeeCty ii 11 )s i nc os()( ???? 12 勞斯穩(wěn)定判據(jù) 勞斯穩(wěn)定判據(jù)：系統(tǒng)穩(wěn)定的充分必要條件是勞斯表的第一列數(shù)的符號(hào)相同。 特殊情況（ 1）：勞斯表中某一行的第一列數(shù)為 0，其余不為 0。 特殊情況（ 2）：勞斯表 中某一行的數(shù)全為 0 解決辦法 ： 用上一行的數(shù)構(gòu)成輔助多項(xiàng)式，將輔助多項(xiàng)式對(duì)變求導(dǎo)得到一個(gè)新的多項(xiàng)式。 （二） 暫態(tài)性能分析 典型輸入信號(hào) 階躍信號(hào)、速度信號(hào)、加速度信號(hào)、脈沖信號(hào)、正弦信號(hào) 暫態(tài)性能指標(biāo) 利用系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)曲線的特征來(lái)定義控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo) ,直觀，含義清楚。（溫度計(jì)系統(tǒng)，單自由度機(jī)械振動(dòng)系統(tǒng)等等） ? 大量的高階、復(fù)雜系統(tǒng)可以在一定的近似范圍內(nèi)簡(jiǎn)化為典型的系統(tǒng)，以便于系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)。 ? 分析和理解高階系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)的基礎(chǔ)。因而，不存在超調(diào)量。 ? 為了提高一階系統(tǒng)的快速響應(yīng)和跟蹤能力，應(yīng)該減少系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù) T。 典型二階系統(tǒng)的暫態(tài)性能 （ 1）典型二階系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型 （ 2）典型二階系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng) 典型二階系統(tǒng)的特征方程： 特征根的分布主要取決于系統(tǒng)的阻尼比 （ 1） 過(guò)阻尼狀態(tài) ζ 1 （ 2） 臨界阻尼狀態(tài) ζ =1 22222 2121)( )()( nnn ssTssTsR sCs ????? ????????02)( 22 ???? nn sssD ???nns ???? 121 ????nns ???? 122 ???? 14 （ 3） 欠阻尼狀態(tài) 0ζ 1 （ 4） 無(wú)阻尼狀態(tài) ζ =0 （ 5） 負(fù)阻尼狀態(tài) ζ 0 欠阻尼狀態(tài)下，系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)為： 在欠阻尼情況下，系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)具有衰減振蕩形式 欠阻尼典型二階系統(tǒng)暫態(tài)性能分析 （ 1）上升時(shí)間 （ 2）超調(diào)時(shí)間 （ 3）超調(diào)量 %100% 21/ ?? ?? ???? ep （ 4）調(diào)節(jié)時(shí)間 TtTtnsns33,244,2???????????? 小結(jié)： ? 當(dāng) ζ =0 時(shí)，系統(tǒng)的輸出為正弦曲線。 ? 當(dāng) 0 ζ 1 時(shí)，系統(tǒng)為欠阻尼振蕩狀態(tài)。 ? 當(dāng) ζ =1 時(shí)，系統(tǒng)為臨界 阻尼狀態(tài)，這是總能保持系統(tǒng)的輸出值小于 1 的最小阻尼值。 ? 當(dāng)自然頻率 ω n 增加時(shí)，系統(tǒng)的響應(yīng)速度加快但是系統(tǒng)響應(yīng)的峰值保持不變，超調(diào)量由阻尼系數(shù)唯一確定。 2）若某極點(diǎn)鄰近有一個(gè)零點(diǎn)，則可忽略該極點(diǎn)引起的暫態(tài)分量。這些分量對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性將起主導(dǎo)作用，這些極點(diǎn)通常稱為主導(dǎo)極點(diǎn)。 控制系統(tǒng)型號(hào)或無(wú)差度的定義 16 系統(tǒng)跟蹤輸入信號(hào)的能 力主要取決于開環(huán)傳遞函數(shù)中所包含的積分環(huán)節(jié)的數(shù)目。此外，由于高階系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)與系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能之間沒(méi)有明確的函數(shù)關(guān)系，因此不易看出系統(tǒng)參數(shù)變化對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的影響。 頻域分析法是研究控制系統(tǒng)的一種經(jīng)典方法，是在頻域內(nèi)應(yīng)用圖解分析法評(píng)價(jià)系統(tǒng)性能的一種工程方法。頻域分析法不必直接求解系統(tǒng)的微分方程，而是間接地揭示系統(tǒng)的時(shí)域性能，它能方便的顯示出系統(tǒng)參數(shù)對(duì)系統(tǒng)性能的影響，并可以進(jìn)一步指明如何設(shè)計(jì)校正。頻率特性可以由實(shí)驗(yàn)方法求出，這對(duì)于一些難以列寫 17 出系統(tǒng)動(dòng)態(tài)方程的場(chǎng)合，頻 域分析法具有重要的工程實(shí)用意義。因此更加具有工程實(shí)用意義。 (4)開環(huán)系統(tǒng)的對(duì)數(shù)坐標(biāo)頻率特性曲線 (伯德圖 )是控制系統(tǒng)分析和設(shè)計(jì)的主要工具。 (5)奈奎斯特穩(wěn)定性判據(jù)是利用系統(tǒng)的開環(huán)幅相頻率特性G(j? )H(j? )曲線 —— 又稱奈氏曲線，是否包圍 GH 平面中的 (— l，j0)