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[導(dǎo)讀]摘要:汽輪機(jī)和風(fēng)機(jī)振動(dòng)大小,是評(píng)價(jià)汽輪機(jī)組和風(fēng)機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行可靠性的重要指標(biāo)。對(duì)于高速轉(zhuǎn)動(dòng)的汽輪機(jī)來(lái)說(shuō),微小的振動(dòng)是不可避免的,只要幅度不超過(guò)規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)就屬于正常振動(dòng),對(duì)汽輪機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)沒(méi)有影響,但是當(dāng)振動(dòng)超過(guò)規(guī)定限值時(shí),對(duì)整個(gè)汽輪機(jī)組的運(yùn)行是有害的,表明機(jī)組內(nèi)部存在缺陷。鑒于此,對(duì)汽輪機(jī)和風(fēng)機(jī)幅度過(guò)大的異常振動(dòng)產(chǎn)生的原因進(jìn)行了分析。

引言

對(duì)于滑動(dòng)軸承支承的大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械,主要的振動(dòng)源是轉(zhuǎn)子系統(tǒng)。產(chǎn)生振動(dòng)的原因非常復(fù)雜,本文試圖從振動(dòng)軸心軌跡的變化、扭振、碰磨、低頻振動(dòng)的角度分析振動(dòng)的原因,并給出了部分案例。

1振動(dòng)基礎(chǔ)及其模型

各向同性轉(zhuǎn)子基礎(chǔ)模型如圖l所示,圖中彈簧剛度用K表示。

圖1各向同性轉(zhuǎn)子基礎(chǔ)模型

振動(dòng)是一種圍繞平衡參考位置的往復(fù)運(yùn)動(dòng),作用力、系統(tǒng)、響應(yīng)、X/Y向、幅值、相角等構(gòu)成振動(dòng)分析的數(shù)學(xué)模型:振動(dòng)就是振動(dòng)響應(yīng),振動(dòng)的響應(yīng)一般由渦流傳感器、非接觸(趨近)式傳感器、速度傳感器等才能檢測(cè)出來(lái),傳感器僅檢測(cè)與傳感器沿軸向相同方向的振動(dòng),有幅值和頻率。振動(dòng)值常用峰峰值表示,頻率是指其頻率成分,可以看作是多個(gè)簡(jiǎn)諧波的合成,通過(guò)快速傅里葉變換才能批量分解出各個(gè)頻率分量。濾波器能過(guò)濾信號(hào)得到簡(jiǎn)諧波,如1x、2x、0.5x、0.47x等,其中x是轉(zhuǎn)速的頻率。所謂"跟蹤"就是跟蹤轉(zhuǎn)速頻率,需要有鍵相信號(hào)才能跟蹤。

2振動(dòng)軸心軌跡(Orbit圖)分析

圖2是直角坐標(biāo)系,x、Y方向與探頭安裝方向一致,原點(diǎn)就是xY時(shí)域波形的平均值,幅值的刻度/量程、方向與各自波形一致,orbit圖上的每一個(gè)點(diǎn),對(duì)應(yīng)的分別是同一時(shí)刻x、Y方向傳感器的時(shí)域波形的瞬時(shí)位移值。orbit圖形的視角是以物理垂直上方為0o參考的,對(duì)于汽輪機(jī)來(lái)說(shuō),一般的約定是從驅(qū)動(dòng)端往非驅(qū)動(dòng)端看的方向。轉(zhuǎn)子朝向探頭運(yùn)動(dòng)的方向,是振動(dòng)位移的正方向。另外,無(wú)論轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向如何,Y方向約定都在x方向逆時(shí)針轉(zhuǎn)90o的方向。orbit圖是兩個(gè)時(shí)域波形的物理合成,所以本身是時(shí)域圖形。鍵相標(biāo)記是一轉(zhuǎn)一個(gè)事件的有別于x/Y向的傳感器,整個(gè)汽輪機(jī)軸系共用一個(gè)鍵相傳感器,連續(xù)的兩個(gè)鍵相標(biāo)記點(diǎn)表示轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)了一圈,所以本質(zhì)上它是計(jì)時(shí)標(biāo)記。鍵相標(biāo)記所在的位置表示的是當(dāng)鍵相槽正好經(jīng)過(guò)鍵相探頭時(shí)軸中心的位置。因此,同時(shí)基圖一樣,一個(gè)orbit圖中也可以有多個(gè)周期。圖2中,從時(shí)域波形的鍵相標(biāo)記來(lái)看,轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)了兩圈,orbit也是兩圈,只是第二圈與第一圈完全重合。轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向也要在orbit圖中表達(dá)出來(lái),它只與汽輪機(jī)物理安裝和轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)工藝有關(guān),一般是固定的,因工藝參數(shù)的變化,轉(zhuǎn)子出現(xiàn)反轉(zhuǎn)故障另當(dāng)別論。機(jī)器的旋轉(zhuǎn)方向可以通過(guò)畫(huà)在機(jī)器上的箭頭找到:另外一個(gè)方法是從慢轉(zhuǎn)速orbit上猜到,因?yàn)槁D(zhuǎn)速進(jìn)動(dòng)方向通常是正進(jìn)動(dòng),正進(jìn)動(dòng)方向就是振動(dòng)方向和轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向一致時(shí)的方向,而振動(dòng)方向是從空點(diǎn)到亮點(diǎn)轉(zhuǎn)的方向。

圖2軸心軌跡(0rbit圖)

現(xiàn)代的orbit圖都是計(jì)算機(jī)處理的,軸心軌跡的形狀與傳感器的安裝位置無(wú)關(guān),只和觀察的參考位置有關(guān)。

3關(guān)注扭振和橫向振動(dòng)

除x/Y向國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的截面橫向運(yùn)動(dòng)外,從三維來(lái)看還有一種方向的振動(dòng)即Z方向不曾表達(dá),機(jī)器部件在Z方向的運(yùn)動(dòng),也叫軸向振動(dòng),而繞旋轉(zhuǎn)軸的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)的扭動(dòng)為扭振。軸向振動(dòng)和扭振沒(méi)有得到應(yīng)有的重視是有原因的,對(duì)于扭振,相對(duì)于徑向振動(dòng),測(cè)量難度大,徑向振動(dòng)和軸向振動(dòng)都可以通過(guò)軸承這樣的彈簧元件在軸承箱或別的連接部件上直接測(cè)量到,要求力的傳遞越直接、衰減或畸變?cè)叫≡胶?。但是扭振不能直接通過(guò)軸承并在其上測(cè)量,因?yàn)樗鼈兣c轉(zhuǎn)子的支撐關(guān)系不大,扭振很少耦合到轉(zhuǎn)子外的機(jī)器部件上。但實(shí)際運(yùn)行的機(jī)器,扭振可以是很嚴(yán)重的,存在足夠的殺傷力,有能力產(chǎn)生周期性的應(yīng)力,導(dǎo)致疲勞失效,往往被稱為"隱形殺手",發(fā)生扭振的案例不在少數(shù)。

扭振和橫向振動(dòng)的耦合問(wèn)題,理論上來(lái)說(shuō),耦合是普遍現(xiàn)象。總的說(shuō)來(lái),凡是扭矩的變動(dòng)都可能產(chǎn)生扭振,如同步/異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)的機(jī)器、流體介質(zhì)機(jī)器等等。但是,實(shí)際上扭振和橫向振動(dòng)耦合并能帶來(lái)明顯的影響或者顯性表現(xiàn)的并不多見(jiàn),一般多出現(xiàn)在帶有齒輪傳動(dòng)的機(jī)器上,也可能發(fā)生在轉(zhuǎn)子幾何結(jié)構(gòu)的非對(duì)稱轉(zhuǎn)子上,但這種非對(duì)稱轉(zhuǎn)子只有極少的轉(zhuǎn)子才有。

4摩擦的影響

汽輪機(jī)動(dòng)靜部分之間的摩擦往往是造成振動(dòng)大的原因,一般來(lái)說(shuō)更換了新的軸瓦,或者機(jī)械上有所改變,很容易出現(xiàn)碰磨現(xiàn)象,一般摩擦一段時(shí)間,振動(dòng)會(huì)慢慢降低,這是最好的結(jié)局。但還有一種情況,振動(dòng)隨著碰磨的發(fā)生不會(huì)減小。有經(jīng)驗(yàn)的診斷師,不會(huì)將摩擦作為最終結(jié)論,而是當(dāng)成次生故障。還有最根本的原因,例如,轉(zhuǎn)子軸向位置安裝不精確,使得流體通道發(fā)生輕微改變,從而產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)失速。徑向軸承間隙過(guò)大導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)失速的閾值降低,瓦與軸承箱之間的接觸間隙偏大,則降低了失速的穩(wěn)定裕度。這些因素才是初生故障。所以,振動(dòng)發(fā)生時(shí),不僅要關(guān)注振動(dòng)值,還要關(guān)注軸位移和差脹有無(wú)異常。

5轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡

轉(zhuǎn)子上的裝配部件在安裝或當(dāng)初機(jī)械加工時(shí),內(nèi)孔與轉(zhuǎn)子中心不同心,或部件質(zhì)量對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)中心不對(duì)稱:轉(zhuǎn)子上的葉片、拉金斷落或不對(duì)稱磨損:轉(zhuǎn)子鍛件在加工及處理過(guò)程中有過(guò)大的殘余變形,引起轉(zhuǎn)子永久性撓曲:檢修時(shí),在轉(zhuǎn)子上拆裝葉輪和葉片,更換聯(lián)軸器零件,更換發(fā)電機(jī)線圈、車削轉(zhuǎn)子軸頸或直軸等,都有可能造成轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡。轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡是汽輪機(jī)振動(dòng)異常的最主要原因,70%以上的異常振動(dòng)是轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡引起的,其特點(diǎn)是,振幅與不平衡質(zhì)量成正比,振動(dòng)頻率等于轉(zhuǎn)子的振動(dòng)頻率,波形為正弦波,振幅及相位始終保持常數(shù),而與負(fù)荷無(wú)關(guān)。這類振動(dòng)只需要找好平衡即可解決。由于其發(fā)生概率高,解決方便,在汽輪機(jī)組發(fā)生振動(dòng)時(shí),應(yīng)成為首要分析對(duì)象。

6奇怪的低頻振動(dòng)

低頻振動(dòng)問(wèn)題一般容易忽視,因?yàn)闆](méi)有足夠的檢維修數(shù)據(jù)支持和驗(yàn)證,能夠抓拍到的案例極少,以下是一起送風(fēng)機(jī)振動(dòng)大跳閘的案例:兩端軸承上安裝的是本特利加速度傳感器,通過(guò)本特利3500監(jiān)測(cè)系統(tǒng)將振動(dòng)值送到DCs系統(tǒng)中,屬于風(fēng)機(jī)大修后啟機(jī),從DCs上的歷史趨勢(shì)圖中發(fā)現(xiàn),啟動(dòng)風(fēng)機(jī)后,從2020年4月5日開(kāi)始,風(fēng)機(jī)兩端的水平方向振動(dòng)(通頻振動(dòng),單位為速度有效值,一般也叫"振速")逐步爬升,非驅(qū)動(dòng)端振動(dòng)比驅(qū)動(dòng)端稍大,一直原因不明。

本特利服務(wù)人員利用sCoUTl40便攜式振動(dòng)信號(hào)采集儀采集了幾組振動(dòng)信號(hào),將信號(hào)上傳到systeml軟件中進(jìn)行分析。發(fā)現(xiàn)引起振動(dòng)上升的頻率成分主要是2.5Hz的低頻信號(hào)。這種低頻信號(hào)的最低頻率可能比2.5Hz還低,因?yàn)轭l譜圖中的頻譜分辨率最低是2.5Hz,如果增加分辨率,這個(gè)頻率可能還會(huì)降低。這種低頻信號(hào)很容易懷疑是速度傳感器出了問(wèn)題,如速度傳感器的接線松動(dòng),電纜隨著進(jìn)出氣流的擾動(dòng)而抖動(dòng),或傳感器連接及質(zhì)量問(wèn)題等等。還有一種可能是導(dǎo)葉失控(導(dǎo)葉的控制失靈),導(dǎo)致氣流擾動(dòng)葉片產(chǎn)生激勵(lì)力,這種原因以前有過(guò)案例。本例是振動(dòng)值單方向逐漸增大,另一方向稍小,與以前的案例不盡相同。

通過(guò)停機(jī)檢查發(fā)現(xiàn),在風(fēng)機(jī)進(jìn)氣道入口,有一個(gè)長(zhǎng)條形結(jié)構(gòu)件脫開(kāi),卡住進(jìn)氣道,幸好沒(méi)有進(jìn)入葉輪中,振動(dòng)表現(xiàn)在水平方向,振動(dòng)趨勢(shì)逐步增大,都應(yīng)該和卡的位置相關(guān),如果長(zhǎng)條結(jié)構(gòu)件方向位置改變,振動(dòng)表現(xiàn)可能是垂直方向。本案例只是低頻振動(dòng)的原因中的一種。拿掉這個(gè)脫落構(gòu)件后,機(jī)器重新啟動(dòng),迄今振動(dòng)正常、穩(wěn)定。參見(jiàn)DCs趨勢(shì),趨勢(shì)圖中很低的底部振動(dòng)是停機(jī)狀態(tài)。

低頻振動(dòng)還有其他幾個(gè)案例,均表現(xiàn)在零點(diǎn)幾赫茲的低頻信號(hào)下振動(dòng)大,類似于振動(dòng)分析中典型的"滑雪坡"現(xiàn)象,而"滑雪坡"現(xiàn)象通常是傳感器系統(tǒng)的問(wèn)題,包括傳感器系統(tǒng)本身?yè)p壞、電纜、接線等。在更換了前置器和探頭后還存在這種振動(dòng)大現(xiàn)象,說(shuō)明不是傳感器的原因,筆者將這一案例稱為"類滑雪坡"現(xiàn)象,原因至今未明。

7結(jié)語(yǔ)

振動(dòng)產(chǎn)生的原因十分復(fù)雜,而且每個(gè)汽輪機(jī)組或風(fēng)機(jī)的情況也都不同,因此需要針對(duì)每個(gè)機(jī)組進(jìn)行一系列的試驗(yàn),找出振動(dòng)的規(guī)律,做好記錄工作,結(jié)合運(yùn)行與檢修時(shí)的資料,進(jìn)行綜合分析,才能找到振動(dòng)的原因,進(jìn)而加以消除。在生產(chǎn)運(yùn)行中,還必須做好振動(dòng)監(jiān)測(cè)工作,避免異常振動(dòng)的發(fā)生,確保整個(gè)電廠的正常運(yùn)行。

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