汽輪機(jī)和風(fēng)機(jī)振動(dòng)原因分析

引言

對于滑動(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出來,傳感器僅檢測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)簡諧波的合成,通過快速傅里葉變換才能批量分解出各個(gè)頻率分量。濾波器能過濾信號得到簡諧波,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,對于汽輪機(jī)來說,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,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)方向可以通過畫在機(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向國際標(biāo)準(zhǔn)的截面橫向運(yùn)動(dòng)外,從三維來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)和扭振沒有得到應(yīng)有的重視是有原因的,對于扭振,相對于徑向振動(dòng),測量難度大,徑向振動(dòng)和軸向振動(dòng)都可以通過軸承這樣的彈簧元件在軸承箱或別的連接部件上直接測量到,要求力的傳遞越直接、衰減或畸變越小越好。但是扭振不能直接通過軸承并在其上測量,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)的耦合問題,理論上來說,耦合是普遍現(xiàn)象?？偟恼f來,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)耦合并能帶來明顯的影響或者顯性表現(xiàn)的并不多見,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)的非對稱轉(zhuǎn)子上,但這種非對稱轉(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,一般來說更換了新的軸瓦,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)量對轉(zhuǎn)動(dòng)中心不對稱:轉(zhuǎn)子上的葉片、拉金斷落或不對稱磨損:轉(zhuǎn)子鍛件在加工及處理過程中有過大的殘余變形,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)成為首要分析對象。

6奇怪的低頻振動(dòng)

低頻振動(dòng)問題一般容易忽視,因?yàn)闆]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,通過本特利3500監(jiān)測系統(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上的歷史趨勢圖中發(fā)現(xiàn),啟動(dòng)風(fēng)機(jī)后,從2020年4月5日開始,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)信號采集儀采集了幾組振動(dòng)信號,將信號上傳到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。這種低頻信號的最低頻率可能比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。這種低頻信號很容易懷疑是速度傳感器出了問題,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)長條形結(jié)構(gòu)件脫開,卡住進(jìn)氣道,幸好沒有進(jìn)入葉輪中,振動(dòng)表現(xiàn)在水平方向,振動(dòng)趨勢逐步增大,都應(yīng)該和卡的位置相關(guān),如果長條結(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DCs趨勢,趨勢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)的問題,包括傳感器系統(tǒng)本身損壞、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

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。