1、第一章 旋轉機械振動分析基礎汽輪機、發電機、燃氣輪機、壓縮機、風機、泵等都屬于旋轉機械，是電力、石化和冶金等行業的關鍵設備。這些設備出現故障后，大多會帶來嚴重的經濟損失。以100MW600MW汽輪發電機組為例，出現故障后，多啟動一次的直接經濟代價（僅考慮燃油和廠用電消耗）約5萬30萬元。機組容量越大，經濟損失越大。振動在設備故障中占了很大比重，是影響設備安全、穩定運行的重要因素。振動又是設備的“體溫計”，直接反映了設備健康狀況，是設備安全評估的重要指標。一臺機組正常運行時，其振動值和振動變化值都應該比較小。一旦機組振動值變大，或振動變得不穩定，都說明設備出現了一定程度的故障。振動對機組安全、穩

2、定運行的危害主要表現在：(1) 振動過大將會導致軸承烏金疲勞損壞。圖1給出了某臺機組軸承烏金損壞圖片。某廠一臺汽輪發電機組1軸承烏金經常損壞。新軸承換上后，短時只能運行2030天，長時也只能運行23個月。測試發現，軸頸處轉軸振動達到280m。大修中對該轉子進行了動平衡，大修后的軸振減小為70m。穩定運行四年多，烏金沒有再次碎裂。某廠一臺壓縮機振動不穩定，三個月內累計發生陣發性振動8次。雖然每次幅值不大、時間不長，但是揭開軸承檢查，經常能發現烏金局部碎裂，有時頂軸油孔甚至被磨損的烏金堵住。圖1 軸承烏金疲勞碎裂(2) 過大振動將會造成通流部分磨損，嚴重時將會導致大軸彎曲。統計數據表明，汽輪發電機

3、組60以上的大軸彎曲事故就是由于摩擦引起的。圖2給出了某臺300MW汽輪機大軸彎曲后實測得到的彎軸曲線1。圖3給出了某臺機組汽封摩擦損壞圖片。某廠1臺汽輪機冷態啟動，在1200rpm下暖機30分鐘后，2號軸承振動逐漸增大到40m。降速到500rpm后再次升速到1200rpm暖機，振動逐漸增大到82m，振動發散速度越來越快。打閘停機過程中，振動未見減小，反而進一步加大。現場人員發現汽封摩擦冒火星。停機后2號軸頸處大軸晃度達到390m。揭開汽缸大蓋檢查發現，動靜部件磨損嚴重，轉子彎曲0.79mm。圖2 某臺300MW機組高中壓轉子實測大軸彎曲曲線圖3 某臺機組汽封摩擦損壞情況(3) 振動過大還將使

4、部件承受大幅交變應力，容易造成轉子、聯結螺栓、管道、地基等的損壞。近五十多年來，國內外發生過多起汽輪發電機組軸系斷裂惡性事故2,3。1953年美國TANNER SCREEK電站1臺125MW機組低壓轉子斷裂，1954年美國REDGLAND電站1臺156MW機組超速試驗中，轉速升到1955rpm（額定轉速1800rpm）時，低壓轉子斷裂。1972年原聯邦德國某電站1臺500MW機組低壓轉子、發電機、主勵磁機與輔助勵磁機之間的聯軸器螺栓被扭斷，低壓轉子在裝葉輪處斷裂。1972年日本海南電廠1臺600MW機組超速試驗過程中低壓轉子、發電機和勵磁機斷裂，整個軸系斷為17段。1974年美國GAILATI

5、N電站1臺225MW冷態啟動時，升速到3400rpm（額定轉速3600rpm）時，低壓轉子突然斷裂。圖4給出了國外發生的一臺600MW汽輪發電機組軸系斷裂圖片4。我國同樣發生過多起比較嚴重的汽輪發電機組軸系損壞事故。1臺50MW機組因汽輪機進入低溫蒸汽，汽缸急劇收縮，動靜徑向間隙減小，引起動靜徑向碰磨，導致大軸彎曲和大不平衡振動。解列甩負荷時，主汽門、調節汽門關閉遲緩，機組超速至3600 r/min左右。在摩擦和大不平衡力的作用下，15m長的汽輪發電機組軸系斷裂成12段，汽輪機缸體爆炸，斷軸拼接后的主軸最大彎曲達186mm。一臺200 MW機組升速過程中，因故障導致轉速飛升到3400 rpm以

6、上，引發機組共振和油膜振蕩，機組振動強烈，導致個別部件損壞，由此引起的大不平衡振動在1011 s內使整個30m長軸系斷成13段。（a）損壞全景 （b）大軸斷裂 （c）葉片斷裂 （d）大軸斷口圖4 國外某600MW汽輪發電機組軸系斷裂事故圖片第一節 振動分析基本概念振動是一個動態量。圖5所示是一種最簡單的振動形式簡諧振動，即振動量按余弦（或正弦）函數規律周期性地變化，可以寫為 （1）式中，y振動位移；A振動幅值；振動相位；圓頻率；振動頻率；周期。幅值反映了振動大小；頻率反映了振動量動態變化的快慢程度；相位反映了信號在時刻的初始狀態。振動是一個動態變化量。為了突出反映交變量的影響，振動監測時常取波

7、形中正、負峰值的差值作為振動幅值，又稱為峰峰值，通常以表示。式（1）中的又稱為半峰值，記為。圖6給出了三組相似的振動波形：（a）圖兩信號幅值不等，（b）圖兩信號相位不等，（c）圖兩信號頻率不等。可見，為了完全描述一個振動信號，必須同時知道幅值、頻率和相位這三個參數，人們稱之為振動分析的三要素。圖5 簡諧振動波形（a）幅值不等 （b）相位不等 （c）頻率不等圖6 三組相似的振動波形簡諧振動是一種最簡單的振動形式，實際發生的振動要比簡諧振動復雜得多。不管振動信號多么復雜，都可以將其分解為若干具有不同頻率、幅值和相位的簡諧分量的合成，圖7給出了一組復雜波形分解實例： （2）旋轉機械振動分析離不開轉速

8、，為了方便和直觀起見，常以1x表示與轉動頻率相等的頻率，又稱為工（基）頻；以0.5x、2x、3x等表示與轉動頻率的0.5倍、2倍和3倍等相等的頻率，又稱為半頻、二倍頻、三倍頻。（a）復雜波形 （b）分解后的簡諧波形圖7 復雜簡諧振動波形分解實例采用信號分析理論中的快速傅立葉變換（FFT）可以很方便地求出復雜振動信號所含頻率分量的幅值和相位。目前頻譜分析已成為振動故障診斷領域最基本的工具。頻譜分析所起的作用可以概括為以下兩點：（1） 不同故障所對應的頻率不同。例如：轉子不平衡故障的頻率為工頻，汽流激振和油膜振蕩等故障的頻率為低頻，電磁激振等故障的頻率為高頻等。頻率特征是故障判斷的必要條件。某種故

9、障必然具備相應的頻率特征。因此，根據頻譜分析結果可以對故障性質作一個初步、定性判斷。本書第35章將詳細介紹每一種故障的頻率特征。（2） 多種故障的頻率特征具有很強的相似性，頻率特征并不是故障判斷的充分條件。例如，熱變形、不平衡、共振、剛度不足、摩擦等故障的特征頻率都是工頻，僅根據頻率特征無法將故障原因進一步定量細化。為了能確診故障原因，振動分析必須結合過程參數和相關試驗數據進行，突出相似故障之間的微小差別。第二節 振動位移、速度和加速度除了振動位移外，振動分析時還經常用到振動速度和加速度。將位移信號對時間求一次和兩次導數，可以分別得到振動速度和加速度： （3）反之，對振動加速度信號進行一次和二

10、次積分可以分別得到速度和位移信號。從式（3）可以看出：（1）振動位移、速度和加速度信號的頻率相同。不管采用何種表示方式，故障性質不會變化，都可以用于振動監測。三種方式在旋轉機械振動分析中都有廣泛應用。（2）在相同位移幅值下，頻率越高，振動所產生的交變應力越大，對設備的危害也越大。因此，故障頻率越高，位移幅值應該控制得越嚴格。對于旋轉機械而言，轉速越高，振動標準越嚴。（3）振動速度（或加速度）幅值是振動位移和頻率（或頻率平方）的乘積，幅值中同時反映了振動頻率和位移幅值的影響，較單純的振動位移幅值更全面。（4）振動加速度相位超前振動速度相位90o，振動速度相位又超前振動位移相位90o。采用不同表示

11、方式時，必須考慮相互之間的相位差。（5）值得指出的是，同一種故障在振動位移、速度和加速度頻譜中表現出來的故障特征不完全相同。假設某故障振動位移信號頻譜如圖8（a）所示，頻譜中10 Hz、20Hz和50Hz分量幅值都為10m。根據式（3）計算出每一頻率分量的速度和加速度幅值，從而得到相應的振動速度和加速度頻譜，如圖8（b、c）所示。比較這三個圖可見，高頻分量在振動速度和加速度頻譜中得到了明顯“放大”。頻率越高，速度和加速度頻譜中高頻分量的“放大”作用越明顯。因此，對于高頻振動故障，為了在故障的早期能夠比較明顯地反映出振動變化，采用振動速度或加速度監測比較有效。假設某故障加速度頻譜如圖8（f）所示

12、，頻譜中10Hz、20Hz和50Hz分量都為1 m/s2。由式（3）可以計算得到相應的速度和位移頻譜，如圖8（d、e）所示。比較這三個圖可見，低頻分量在振動位移頻譜中得到了明顯“放大”。頻率越低，放大效果越明顯。因此，對于低頻振動故障，監測振動位移更能夠突出反映振動變化。表1給出了振動位移、速度和加速度之間的關系。（a） （b） （c） （d） （e） （f）圖8 振動位移、速度和加速度頻譜比較（6）振動位移、速度和加速度之間可以相互轉換。雖然將位移信號對時間求導可以得到速度信號和加速度信號，但是由于求導過程中誤差有可能會放大，實際上很少進行這樣的轉換。信號積分過程中誤差是收斂的，因此，目前采

13、用得比較多的是由加速度或速度信號積分求出位移信號。一些采用加速度傳感器的振動儀表，可以通過積分同時測量出振動加速度、速度和位移值。表1振動位移、速度和加速度之間的關系振動表示形式位移速度加速度幅值相位頻率單位mmmm/smm/s2轉換關系（1）位移信號對時間求導得到速度，再求導得到加速度；（2）加速度對時間積分得到速度，再積分得到位移。選用原則（1） 三種表示方式都可以用于監測；（2） 速度和加速度信號更能突出反映高頻分量的變化；（3） 位移信號進行監測更能突出反映低頻分量的變化。第四節 振動傳感器 傳感器的基本功能是將振動信號轉換成電信號。目前用得比較多的振動傳感器有電渦流型、速度型和加速度

14、型。本節主要介紹這三種傳感器的結構、工作原理和使用注意事項。一、 振動傳感器基本原理圖15 渦流傳感器1感應線圈；2固定螺母；3信號輸出渦流傳感器結構如圖15所示。傳感器頭部有感應線圈，通上高頻電流后，在線圈周圍產生了高頻電磁場。如其周圍有金屬導體，便會在金屬表面產生電渦流。電渦流產生的電磁場與感應線圈的電磁場相互疊加，改變了感應線圈阻抗。在其它參數不變的情況下，該阻抗是線圈與金屬導體之間距離的單值函數。將感應線圈接入振蕩回路，即可輸出一個與距離有關的高頻諧波。在傳感器附近設置前置放大器，將信號放大、檢波和濾波后，即可得到一個與距離成正比的輸出電壓。因此，這種傳感器又稱位移傳感器。傳感器輸出電

15、壓的直流分量正比于感應線圈與金屬導體之間的靜態間隙，交流分量正比于兩者之間的動態位移，即振動。圖16 速度傳感器1簧片；2磁鋼；3阻尼杯；4導磁體；5連接桿；6外殼；7線圈；8簧片；9引出線接頭速度傳感器結構如圖16所示。速度傳感器實際上是一個往復式永磁小發電機。傳感器外殼6固定在被測物體上，與被測物體一起振動。動線圈7用很軟的簧片1、8固定在外殼上，其自振頻率很低。當被測物體振動頻率時，動線圈處于相對靜止狀態。線圈與磁鋼之間發生相對運動，線圈切割磁力線而產生感應電壓。輸出電壓正比于振動速度，所以稱為速度傳感器。圖17 加速度傳感器 1底座；2壓電晶體片；3導電片；4質量塊；5外殼；6碟形簧片

16、；7引出線接頭；8導線加速度傳感器結構如圖17所示。它利用壓電材料的壓電特性，當有外力作用在壓電材料上時便產生電荷。蝶形簧片通過質量塊4和導電片3與壓電晶體片2緊密接觸。將這些部件裝在不銹鋼外殼5內，晶體片的電荷通過導線8引出。壓電晶體片輸出電荷正比于作用在晶體片上的力。物體振動時，晶體片上受到的作用力正比于質量塊質量和振動加速度的乘積。因此，當質量塊質量一定時，傳感器輸出電荷與振動加速度成正比。圖18 接觸式軸絕對振動測量方法 1軸；2滑塊；3測振桿；4速度傳感器圖19 組合式振動傳感器 1軸；2渦流傳感器；3軸承蓋；4外殼；5速度傳感器采用渦流傳感器測量轉軸振動時，傳感器大多固定在支架上，

17、支架又固定在軸瓦上，所測量出的是轉軸相對軸承座的振動，通常稱為轉軸相對振動。轉軸相對于自由空間的振動稱為絕對軸振。絕對軸振可以采用接觸式或組合式方法測量。圖18給出了接觸式轉軸絕對振動測量方法。測振桿的一端與滑塊或碳刷相連，直接壓在轉軸上。臨時測量時，也可將轉軸接觸端做成V字形，將V字形缺口對準轉軸，與轉軸保持垂直并壓緊。測振桿另一端與速度傳感器相連。轉軸振動通過滑塊傳至測振桿，再傳至速度傳感器，對輸出信號積分后，便可得到轉軸絕對振動信號。該法簡單實用，經常用來對渦流傳感器振動讀數進行校核。這種測量方式由于高速旋轉的軸與探頭相接觸，時間長后會出現磨損。圖19給出了組合式轉軸絕對振動測量方法。將

18、速度傳感器和電渦流傳感器組合起來，用速度傳感器和積分器測量軸承絕對振動，用電渦流傳感器測量轉軸相對振動。將這兩個振動信號疊加，可獲得轉軸絕對振動。這種疊加并不是簡單的相加，需要考慮兩個振動信號之間的相位差以及積分過程中相位漂移等因素的影響。二、振動傳感器特點和選用 渦流傳感器輸出與振動位移成正比。傳感器與被測物體不接觸，可以測量轉動部件的振動，并可進一步用于測量旋轉機械振動分析中的兩個關鍵參數：轉速和相位。振動測量的頻率范圍較寬，能同時作靜態和動態測量，適用于絕大多數旋轉機械。傳感器輸出結果與被測物體材料有關，材料不同會影響傳感器線性范圍和靈敏度，須重新標定。為了獲得可靠數據，對傳感器的安裝要

19、求較嚴。 速度傳感器輸出與振動速度成正比，信號可以直接提供給分析系統。傳感器安裝簡單，臨時測量可以采用手扶方式或通過磁座與被測物體固定，長期監測可以通過螺釘與被測物體固定。速度傳感器體積、重量偏大，低頻特性較差。測量10Hz以下振動時，幅值和相位有誤差，需要補償。測量發電機和勵磁機振動時，速度傳感器可能會受到電磁干擾的影響。此時，速度傳感器的輸出信號會變得很不穩定，互大互小，沒有規律。加速度傳感器輸出與振動加速度成正比。體積小、重量輕是加速度傳感器的突出特點，特別適用于細小和質量較輕部件的振動測試。加速度傳感器結構緊湊，不易損壞。渦流、速度和加速度傳感器在旋轉機械振動測試中都得到了廣泛應用。通

20、常是用渦流傳感器測量轉軸振動，用速度或加速度傳感器測量軸承座振動。另外，由位移、速度和加速度之間的關系可知，為了突出反映故障信號中高頻分量或脈沖量的變化，可以選用加速度傳感器；為了突出反映故障信號中低頻分量的變化，可以選用渦流傳感器。三、渦流傳感器的安裝 渦流傳感器安裝要求較嚴，安裝時需要注意以下事項： 1.避免工作溫度過高。溫度過高不僅會降低傳感器靈敏度，而且會損壞傳感器。目前傳感器（非特制）最高容許溫度大部分是在120以下。2.避免交叉感應。如圖20所示，兩個傳感器距離較近時，相互之間將產生交叉感應，降低傳感器靈敏度。不同形式的渦流傳感器對兩個傳感器之間的距離要求不同。例如，本特利公司33

21、00系列渦流傳感器規定mm。圖20 渦流傳感器的交叉感應 3.避免頭部側隙和外露長度過小。如圖21所示，傳感器頭部側隙和外露長度較小時，頭部附近的導體會影響傳感器輸出，一般要求。現場安裝傳感器受位置限制時，可以去掉傳感器頭部附近的金屬，使b和c滿足要求。4.避免支架振動。渦流傳感器有時是固定在支架上，有時是套裝在支承桿上，然后再固定到軸承座上。傳感器安裝時應該盡可能避免因支架的振動和松動而產生誤差。支架和套筒固有頻率必須避開工作轉速，否則會產生共振，導致振動讀數誤差很大。支架共振現象在國內大型汽輪發電機組上已經發生過多起。某300MW機組升速至2400rpm2500rpm時，3、4軸承的軸振超

22、過350m，引發振動保護動作。與此同時，瓦振在該轉速附近，振動一直比較平穩。分析表明這是由于測振桿共振引起的。將測振桿加粗后，該轉速范圍內的振動大大減小。多臺機組的實測表明，測振桿共振現象具有以下幾點共同特征：振動峰值很尖，發生共振的轉速范圍很窄（100200rpm）；該轉速附近軸承座振動較小、變化平穩而且沒有峰值；測振桿是否出現共振可以通過現場敲擊試驗來判定。上臺機組的實測結果表明，3、4號軸承處傳感器支承桿的固有頻率分別為40.2 Hz（2412 rpm）和41.3 Hz（2478 rpm），正好對應著升速過程中3、4號軸承處軸振動的峰值頻率，可見3、4號軸承處的軸振動峰值并非轉子本身的振

23、動，而是傳感器支承桿自身共振引起的。（a）傳感器頭部側隙和外露長度過小 （b）補救方法圖21 避免傳感器頭部側隙和外露長度過小 5.正確的初始間隙。圖22給出了傳感器靜態性能曲線。從圖中可以看出，傳感器與被測物體之間的距離過大或過小時，輸出電壓與距離之間的線性關系較差，傳感器讀數將會產生誤差。因此，傳感器安裝時必須將初始間隙調整到傳感器線性范圍的中部。被測物體振動時，傳感器輸出值在該點附近的線性范圍內變化。以本特利公司3300系列渦流傳感器為例，建議靜態下初始間隙電壓值調整在12 V（1.5mm）左右。圖22 傳感器靜態性能曲線6.避免電磁干擾。渦流傳感器輸出不僅與探頭到軸表面的距離有關，還與

24、軸表面剩磁、導電率和導磁率等有關，受電磁干擾的影響較大。某臺125MW汽輪發電機組空載時，各點軸振、瓦振良好。滿負荷時發電機后軸承處軸振由43m增大為182m。勵磁電流減小，振動也隨之減小。軸振增大的同時，瓦振變化不大。分析發現空載時的軸振波形比較正常，近似于正弦波。帶負荷時波形中出現了很多幅值很大的負向尖毛刺（圖23），每周期內有兩個大小不等的毛刺。毛刺幅值甚至超過了原來的振動幅值，直接導致了振動讀數的增大。頻譜分析結果（圖24）表明，除了工頻分量外，還有大量的2x、4x、6x、8x等倍頻。機組解列后，倍頻分量消失。這種現象普遍存在于50MW、100MW、125MW、135MW等采用雙水內冷

25、的發電機組后軸承上。研究發電機轉子結構發現，采用雙水內冷的發電機，勵磁引線通過發電機勵端軸承處的軸段，轉軸表面存在不同程度的磁化現象，磁導率不同，干擾了傳感器的輸出。隨著勵磁電流的增大，電磁干擾加大。為消除發電機后軸承軸振虛假信號問題，結合機組檢修,對測振裝置進行了改造。將發電機后軸承軸振動測量探頭改為接觸式探頭,通過測振桿與軸的接觸來測量轉軸絕對振動。采用新的測量方法后,基本解決了軸振虛假信號問題。但是由于采用接觸式測量，探頭與轉軸接觸部位存在一定程度的磨損。圖23 電磁干擾后的發電機后軸承軸振波形圖24 電磁干擾后的發電機后軸承軸振頻譜7.減少轉軸初始偏擺。理想狀態下，轉軸不振動時，渦流傳

26、感器輸出應該為一正比于間隙的直流電壓。但是當被測表面存在機械缺陷（如軸表面不圓、局部腐蝕、有凹坑或傷痕、軸有彎曲）或電磁缺陷（如軸表面局部存在較強剩磁或有殘余應力）時，即使不振動，渦流傳感器也會有波動電壓輸出。電磁干擾和機械干擾統稱為初始偏擺，應該盡量避免。初始偏擺的量值可以根據低速下渦流傳感器的輸出來確定。四、渦流傳感器輸出信號可靠性的判斷方法影響渦流傳感器輸出的因素很多。軸振增大時，人們往往首先懷疑傳感器的可靠性。實際上，在目前技術條件下，大多數情況下軸振信號還是比較可靠的。渦流傳感器輸出信號的可靠性可以根據以下幾點綜合判斷：（1）根據間隙電壓判斷。渦流傳感器輸出電壓信號同時包含直流量和交

27、流量。直流量對應著傳感器和探頭之間的平均距離，又稱為間隙電壓。交流量對應著振動信號。如果間隙電壓正常，那么交流量一般也是正常的。（2）根據軸振和瓦振的變化趨勢來判斷。雖然軸振和瓦振的比例關系有大有小，但是正常情況下，軸振和瓦振應該同步變化。（3）根據軸振輸出波形判斷，排除毛刺等異常現象。（4）排除傳感器支架共振和松動故障。（5）測試盤車狀態下的傳感器讀數，去除振動信號中所包含的軸表面初始偏擺。（6）根據升、降速過程中軸振幅值和相位的變化是否符合機械振動規律和轉子動力特性來判斷。（7）采用測振桿+碳刷+速度傳感器的方法臨時測量軸的絕對振動，根據轉軸絕對振動大小來判斷。五、相位測量相位是旋轉機械振

28、動分析不可缺少的參數。相位的變化直接反映了轉軸上不平衡力角度的變化。動平衡試驗時，加重角度的確定在很大程度上取決于相位。相位準確與否，直接影響動平衡工作效率。相位有多種定義方式。旋轉機械振動分析中，相位有其特殊含義。它是指振動信號與轉軸上某一標記之間的相位差。設有轉軸如圖25所示，在軸上某一位置做標記（反光帶或鍵槽），安裝鍵相傳感器。每當轉軸上的標記轉動到鍵相傳感器處時，就會產生一個脈沖信號。相位被定義為基準脈沖與振動信號上某點（例如正峰或零點等）之間的相位差。目前國內外比較通用的相位定義是標準脈沖信號前沿導前振動信號第一個正峰值的角度，即脈沖信號在前，振動信號正峰值在后。獲取脈沖信號的傳感器

29、俗稱為鍵相探頭。基準脈沖信號有兩種獲取方式：1. 在轉子上貼反光帶，配光電傳感器。每當反光帶通過光電傳感器時，由于轉軸表面的色差而產生一個與轉速完全同步的脈沖信號；2. 在轉子上開鍵槽，配渦流傳感器。每當鍵槽通過渦流傳感器時，由于探頭與被測物體之間的距離變化而產生脈沖信號。 圖25 脈沖測相示意圖 使用光電傳感器測量相位很方便。光電傳感器分可見光和紅外線兩種。采用可見光光電傳感器時，轉軸表面必須涂為黑白兩種顏色。光線射到黑色部位時被吸收，光線射到白色部位時，反射到光電管上產生電信號輸出。轉軸上涂的白色標記稱反光帶。制作反光帶時需要將外露軸表面清理干凈，不能有油濺到反光帶上，以防旋轉時反光帶飛脫。使用時要將探頭正對轉軸中心，探頭與轉軸表面距離必須合適。角度不正確或距離不合