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振动故障诊断

2020/4/29 9:28:37      点击:


第五节不稳定普通强迫振动


       当振动属普通强迫振,其振幅、相位与机组运行时间、工况明显有关时,排除了轴承座连接刚度、共振不稳定因素之后,便可作出不稳定普通强迫振动故障是由激振力变化所致。

       引起不稳定普通强迫振动激振力故障的范围较稳定普通强迫振动要广泛得多,而且产生振动的机理往往很复杂,不能直观发现,有些不稳定强迫振动需要较长时间(1-2年)以至更长时间的观察,才能把握振动的主要特征,因此这一类振动是机组各类振动故障诊断中难度最大的一种。诊断步骤虽然和稳定普通强迫振动相同,但在具体方法上,更多地涉及机组振动历史、结构、同型机组振动特点以及振动与机组运行工况、时间的关系等,下面具体介绍目前已把握的引起不稳定普通强迫振动故障的范围、分类方法、振动机理、故障特征和消振方法。
2.5.1引起不稳定普通强迫振动的激振力
      由表2-1指出,引起普通强迫振动的激振力有两种,除去轴颈不圆在稳定的普通强迫振非常国已经排除外,剩下三种激振力在不稳定普通强迫振动故障中的表现形式和振动机理如下。
2.5.1.1轴系连接同心度和平直度偏差
      随机组运行时间、工况的改变,轴系同心度和平直度改变的故障原因现已查明,是由于联轴器与转轴配合紧力不足所致,这一故障机理是通过儿台机组较长时间振振动监测和消振经验总结才获得。
      联轴器在连接螺栓拧紧的情况下,不论两半中的一半或两半都与轴配合是否失去紧力,联轴器在转轴上仍是两端支撑,它不可能产生甩头现象,因此它所产生的直接不平衡可以忽略。
      这里要作一些说明,因为一般教科书和传统概念认为,套装部件紧力不足或转轴上有活动部件,会引起振动不稳定,通过下列简单计算即可消除这种误解。
为了使问题明了,这里假设联轴器重量为1t,在高速下联轴器之间存在0.10mm间隙,即其质量偏心为0.05mm,由此引起不平衡重径积为50kg.mm,相当于加重半径0.35m处加重0.14kg,依据一般机组在联轴器上加生影响系数估算,说一加重能产生的振动小于5μm,实际汽轮机转子除后几级叶轮接近或超过1t外,,其他部件均小于1t,因此套装部件与轴配合失去紧力产生的直接不平衡可以忽略。
      机组在运行中由于轴承座标高和联轴器传递扭矩的变化,以及转轴振动的作用,当联轴器与轴配合紧力不足时,在配合处会发生相对位移,由此而改变了轴系连接的同心度和平直度,从而激起不稳定普通强迫振动。这种故障诊断难点是其故障特征与转子不稳定不平衡十分相似,因此必须细比较才能区分,详见表2-3。
2.5.1.2不对称电磁力
      正常的发电机转子产生的电磁力在直径方向是均衡的,因此它不会引起转子振动;均衡的电磁力只对静子产生周期性吸力。但是当转子线圈发生故障时,转子会产生不对称电磁力,引起转子振动;不对称电磁力的频率等于转子磁极对数乘以转子工作效率;对于两极发电机转子来说,不对称电磁力频率与转子工作频率相等。
这种故障引起振动的特点是振动随励磁电流的增大而加大,而且无时滞。因此可以通过改变励磁电流观察振动变化,当振动随励磁电流增大立即增大时,表明不稳定普通强迫振动是由不对称电磁力激起的。
      引起不对称电磁力的故障有发电机转子线圈局部短路、空气间隙不均匀,后者通过测量转子空气间隙值可以查明。
      发电机转子线圈匝间或对地短路,除了会引起不对称电磁力外,还会造成转子局部受热,使转子产生热弯曲,造成不平衡振动,因此振动除了随励磁电流增大而立即增大外,还包括含随时间增大而加大的成分,一般后一种现象较前者显著。
2.5.1.3转子不平衡力
     由于转动部件发生径向,周向位移、转轴裂纹、弯曲等原因,转子平衡状况随运行时间、机组工况变化而变化,这是引起不稳定普通强迫振动的主要激振力,它涉及的故障范围很广。取得这一诊断的要点是,基频振幅或相位随运行时间、机组工况而变,排除了轴承座连接刚度、共振变化、不对称电磁力、联轴器与轴配合紧力不足等故障之后,即可明确引起振动变化的故障原因,是转子平衡状态的变化。为了消振的需要,种故障诊断一般要具体到转子平衡变化是由哪一个部件故障引起的,因此诊断难度很大,在诊断步骤上首先应根据振动特征,对发生的不稳定不平衡进行分类,然后对不稳定不平衡在轴系中的轴向位置、不平衡量作邮诊断再按下稳定不平衡类别、转子结构、振动机理、故障历史进行分析、推理,最后才能对故障部件作出诊断。在诊断过程中,为了采用正向推理,各类不稳定不平衡故障范围应明确。
2.5.2不稳定不平衡故障分类
      由于不稳定不平衡故障范围很广,为了采用正向推理应将各种不稳定不平衡进行合理而有效的分类。这里推荐一种根据振动与时间、工况的关系划分的分类法,如表2-4,将机组发生的不稳定平衡分成八类,各类不稳定不平衡故障的具体诊断方法,见本章第六-十节。
2.5.3不稳定不平衡轴向位置诊断
      由于不平衡处在不同的轴向位置上,对振动的灵敏度有很大的差别,所以首先应判明平衡变化是发生在哪一个转子上,是一阶还是二阶不平衡分量变化,由此才能估算出不平衡量值。
      由于轴系结构,不平衡响应值不同,判定方法也不同,下面首先介绍轴系响应判定方法。
2.5.3.1轴系不平衡响应判定方法
      所谓不平衡响应,具体是指转子上加单位重量(一定半径下)引起的振幅值,在转子平衡中称影响系数,详见第三章第三节。
轴系不平衡响应地过高有两个原因:一是支承动刚度低,在不大的激振力作用下,会产生显著的振动;二是转子或轴系中相邻的某一个转子动刚度低,在不大的激振力(不平衡)作用下,转子产生显著的挠曲使本转子或相连转子不平衡增大,从而使转轴或轴承产生显著振动。判定轴系不平衡响应正常与否,可采用以下方法。
1.直观判定
     依据现场大量振动测试结果可知,下列轴系不平衡响应是正常的:
1/励/发轴系是四支承,即使某些刚度偏低,而呈现较高的不平衡响应,也不会影响不稳定平衡轴向位置的判定;
2/励/发轴系是三动承,但发电机转子二阶临界转速大于3600r/min(额定转速为3000r/min)
下列轴系平平衡响应显著偏高:
1/励/发轴系虽是四支承,但发电机和励磁机转子之间跨距较大、转子质量较大,发电机转子二阶临界转速接近或高于转子工作转速;
2/励/发轴系是三支承,发电机转子二阶临界转速接近或高于转子工作转速,励磁机转子一阶临界转速大于2200r/min。
2、加重试验
     经上述直观判定后,通过转子上加重实测a值,即可得到证实,加重方法和要求见本章第三节。正常机组不平衡响应值可参考表2-2,若实测响应值较表2-2所列值主高出2倍以上,即可认为轴系平平衡响应显著偏高。
2.5.3.2不平衡响应正常的机组不稳定不平衡轴向位置判定
     不稳定不平衡轴向位置判定的主要依据,是轴系各转子临界转速、工作转速(空负荷、带负荷)下振动变化量及其在轴系中的分布,振动变化量的取得详见2.5.4。
依据现场检测到的振动变化现象,可归纳为下列几种类型:
1.工作转速下振动变化不大,第一临界转速下振动变化十分显著。
     平衡变化是发生在转子中部,或沿转子长度均布。
2.工作转速和第一临界转速下振动变化均较大。
     当平衡变化发生在转子一端,或两端不对称,转子外伸端平衡变化是由转子挠曲增大引起的,例如外伸端转轴碰磨,也会产生这种振动特征。
3.工作转速下振动变化很显著,第一临界转速下振动变化不大。
     平衡变化发生在转子外伸端,从有关测点振动变化量值大小,可直接判明平衡变化是发生在转子外伸的哪一端。
2.5.3.3不平衡响应过高的机组不稳定平衡轴向位置判定
     当不稳定不平衡发生在响应值过高的轴系中时,不能依据振幅变化量值在轴系中的分布直观地确定平衡变化是发生在转子主跨内还是在转子外伸端,而应该依据下列振动特征才能作出判定:
1/主跨转子工作转速(空负荷、带负荷)下和第二临界转速下振动变化不大,第一临界转速下振动变化十分显著;外伸转子工作转速和第一临界转速下振动变化较大。
平衡变化发生在主跨转子中部,或沿转子长度均布。
2/主跨转子工作转速、第一、第二临界转速下振动变化较大;外伸转子工作转速和第一临界转速下振动变化也大。
平衡变化发生在主跨转子一端,或两端不对称。
3/主跨转子工作转速、第二临界转速下,振动变化十分显著,但第一临界转速下振动变化不大;外伸转子工作转速下和第一临界转速下振动变化也十分显著。则平衡变化发生在外伸转子上。
2.5.4不稳定不平衡量的估算
     估算不稳定不平衡量的目的,是依据其量值结合转子的具体结构和不稳定不平衡性质(表2-4)及故障特征的综合推理、分析,对不稳定不平衡故障部件作出诊断。
不稳定平衡量U的估算,是根据不稳定不平衡引起振动值A1和该机以往平衡中取得的影响系数a,或同型机组的影响系数,由下列求得:
U=A1/a
式中a虽是矢量,但由于a与A1的相位往往无可比性,因此求出U的相们也没有什么意义。
     不稳定不平衡量U引起的振动A1,对于表2-4八类不稳定不平衡,除转子存在活动部件外,其余七类不稳定不平衡,都可以检测到转子原始不平衡振动,由此可以求得平衡变化后转子临界转速、工作转速(空负荷、带负荷)下振动变化量值,计算方法见第三章第三节。
     当转子平衡变化发生在带负荷过程中,例如随有功负荷或励磁电流增大而加大,一般需要快速打闸停机与电网解列,检测转子一阶临界转速下振动变化量,这一点对检查转子热弯曲十分重要,因为有些轴向对称的转子,当其热弯曲也轴向对称时,在工作转速下振动无明显表现,但在一阶临界转速下会产生强烈振动,只有检测到这一振动特征,才能对其故障作出诊断,例如一台国产50MW机组,空负荷和带负荷下振无明显异常,一次在40MW跳闸停机过程中发生了十分强烈的振动,将厂房顶上水泥块振落,并使汽机转子产生了永久弯曲。事后经调查和振动故障诊断才查明,是因水内冷发电机转子导线严重堵塞,使发电机转子产生显著热弯曲。这种热弯曲在工作转速下无明显振动的原因,见第三章第四节。因此怀疑机组带负荷后转子产生热弯曲,在打闸停机后检测临界转速下振动时,为了避免振动过大引起事故,应先带50负荷解列停机,观察振动;若振动不大,再带大负荷解列停机,进行测试。
当转子上存在活动部件时,由于活动部件在转子方向变化的随机性,往往检测不到转子原始不平衡引起的振动矢量,所以活动部件引起的振动不是简单地等于两次启动中的振动矢量差,而必须从多次启动中找出两次(不一定是相邻的两次)振动相位相同或差180的矢量,而且振幅差为最大的振动,并求它们矢量差的1/2,这才是活动部件引起的振动。换句话说,在不知道转子未发生不稳定不平衡之前的原始振动幅值和相位的情况下,只有检测到两次启动中转子上活动部件分别处在转子原始不平衡相同和相反位置上的振动,才能求得不稳定不平衡引起的振动。但是在实际中很难碰到这种机会,尤其是在机组启停次数较少的情况下更不轻易,因此在大多数情况下,采取从多次启动中找出两次振动相位相同或相反,而且振幅差为最大的振动,求其矢量差的1/2,再乘以修正系数K=1.1-1.5,作为近似不稳定不平衡引起的振动。

修正系数K由两次启动检测的相同或相反振相位的偏差值决定,若其偏差值较大,K值取上限。