汽轮发电机组振动故障信号采集与诊断工具

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汽轮发电机组振动信号是设备运行状态和故障的有效载体，准确、针对性获取振动信号对评价机组安全状态，及时识别潜在故障，延长机组服役寿命，避免突发事故发生具有重要意义。
目前运行机组，振动信号采集主要为瓦振（汽轮机轴承座）及轴振，大多两者兼具，部分小机组只有瓦振而无轴振测量系统。

现分别介绍两者测量的原理及意义

一、 瓦振信号采集
目前运行机组基本都布置瓦振测量系统，大多采用振动速度传感器拾取瓦振信号，在其频响范围内，采集到的电压信号传输至在线测量系统TSI或离线振动测量系统，部分机组采用加速度传感器拾取瓦振信号,但一般利用软件或者硬件实现一次积分后以速度值（mm/s）显示。

  (一) 瓦振信号测量布置
瓦振信号一般由振动速度或加速度传感器采集轴承座垂直、水平方向振动数据，并布置在轴承座相应方向，特定情况下需要采集轴承座轴向振动，也布置在轴承座轴向位置，但一般是轴向振动存在明显异常时。测量探头布置如图1所示

图1：瓦振探头布置

目前运行机组，瓦振是必备的测量系统，它响应于运转中的转子或外部连接系统等带来的冲击力， 并在振动值上反应。

瓦振值主要采用速度值或位移值表示，单位为mm/s或mm。

对于简谐振动，位移值、速度值和加速度值均可用简谐振动表示，用位移值一次求导得到速度值，二次求导得出加速度值。

无特别注明外，位移值常用峰峰值P-P表示，速度值、加速度值均用单峰值PK表示。

速度的有效值称为振动烈度，为速度的均方根值，是工程应用的表达方式。
（mm/s）

其三者数学表达方式关系如图2

图2：加速度、速度、位移三者关系

对于单一频率振动，振动位移值和速度值可进行换算，在现场条件受限，需粗略估算振动频率成分时，可用同一块便携式振动表在同一工况，相同位置和方向测量振动位移值和速度值，将位移值换算成速度值，看速度测量值的接近程度，以此粗略判断频率是否以工频振动为主。

例：某转速3000r/min的旋转设备，在同一轴承顶部垂直方向测得的位移值和速度值分别为50μm和6mm/s，计算将50μm的位移值转换成速度值，看与实测振动速度值的接近程度。

计算结果接近实测值6mm/s，可粗略判断该振动以工频为主。

振动速度值是振动频率的函数，振动加速度值是振动频率平方的函数，所以对于高频振动，采用速度值或加速度值更易表现。

(二) 速度传感器

当传感器布置在轴承外壳上时，跟随轴承座一起振动。动线圈7用很软的弹簧片固定在外壳上，其自振频率ωn较低，当轴承座振动频率ω≧1.5ωn时，动线圈处于相对传感器外壳静止状态，线圈与永久磁钢2之间发生相对振动，动线圈切割磁力线而产生感应电动势E

当B、L是定值时，输出电动势E正比于振动速度v，所以又称为速度传感器

速度传感器应用需重点关注布置方向，某些可以通用在垂直和水平方向，有一些只能垂直布置，如果不了解传感器在布置方向上的特定要求，会带来数据测量的错误并损伤传感器。

速度传感器主要参数
频率测量范围可在5——1000HZ；
振幅测量范围位移值可在0——1000μm；
速度值0——100mm/s；
灵敏度大多为20mv/mm/s

数据采集时，传感器灵敏度是个重要的参数，需要准确设置，它表示在其线性范围内，速度值和输出电压的线性关系，不正确的灵敏度设置会带来错误的测量结果。

(三) 加速度传感器

加速度传感器使用的压电材料，当外力作用在这些材料上时可产生电荷。

由F=ma，施加在压电晶体片上的作用力与质量块的质量m和振动加速度成正比，压电晶体片输出电荷Q与作用在物体上的力F成正比，质量块m是一个不变量，则压电晶体片输出电荷Q正比于振动加速度a。

采用加速度传感器采集数据，想要获得速度信号须经一次积分，获得位移信号须经两次积分，如此会使原始信号大幅衰减，灵敏度不足，并易受外界干扰。目前部分机组采用加速度传感器采集轴承瓦振信号，但均经一次积分后以速度值显示。

加速度传感器对高频信号更加敏感，常应用于汽轮机末级叶片静频测量，齿轮振动故障、滚动轴承振动故障等含有较丰富高频信号的测量。

轴承是汽轮发电机组轴系结构的重要组成部分，它承受转子静力、运转中的动力、为转子提供润滑冷却黏性液体、形成静压、动压油膜避免转子磨损并减小功耗，提供足够的阻尼力限制转子失稳，承受轴系轴向推力，定位转子位置。

瓦振测量可有效反应轴承所受来自于转子动力，从而判断转子及轴承座本身状态，与轴系旋转频率同步的瓦振，其值过大可反映出来自于转子的过大振动，油膜的低阻尼，轴承座本身结构刚度、连接刚度过低，轴承座自身固有频率与转子旋转频率的共振等故障。异步于转子旋转频率的振动可以反应出来自于转子的谐波振动成分，外部或连接部件对轴承座的外力冲击及轴承座的共振响应，由此诊断故障源、判断轴承座固有频率。

在线瓦振监测通过数据积累、可以反应出轴承及转子在长期运行中所呈现出的状态劣化趋势、可由此评估部件结构寿命，为机组检修时间及策略提供重要的指导。

汽轮机轴承常采用位移值μm或振动速度有效值（振动烈度）mm/s表示，前者意义在于反应轴承座所承受的应力值、后者意义在于反应轴承座因外力而产生的疲劳。

二、 轴振信号采集
轴振信号采集采用电涡流传感器或光电传感器，其中光电传感器一般只应用在临时轴振测量，比如机组本身无轴振测量系统或临时增加轴振测量测点等。在线轴振测量系统中电涡流传感器大多通过专用支架固定在轴承座，所以采集的其实是转轴相对轴承座的振动值，也称相对振动。也有采用涡流传感器与速度传感器组合在一起，涡流传感器测量转轴振动，速度传感器测量轴承座振动，然后通过将两者矢量叠加后获得转轴绝对振动，大多情况测量转轴相对振动对诊断机组故障，判断机组运行状态更有意义，所以测量转轴绝对振动在运行机组上较少应用。

(一) 电涡流传感器布置及测量原理
电涡流传感器测量轴振时在轴承座上的布置，一般习惯从机组机头看向发电机，按照转子旋转方向以中分面为起点，顺转向45o为X方向，再顺转向90o为Y方向。两传感器处在处于同一个轴向平面并相互垂直。布置及测量原理如图3所示

图3：轴振探头布置及测量原理

当电涡流传感器头部感应线圈通上高频（1~2MHz）电流时，线圈周围就产生了高频磁场。如其周围有金属导体，便会在金属表面产生感应电流，这就是电涡流。根据楞次定律，电涡流产生的磁场与感应线圈的磁场方向相反，这两个磁场相互叠加，改变了感应线圈的阻抗，感应线圈的阻抗变化可用公式表示：
Z = f（μ、γ、r、d、I、ω）
其中：
μ—导磁系数；
γ—电导率；
r —线圈尺寸因子；
d—感应线圈与导体之间的间隙；
I—励磁电流；
ω-励磁电流圆频率。

当金属导体结构均匀、各向同性且μ、γ、r、I、ω一定时，感应线圈阻抗Z的变化是感应线圈与金属导体之间距离d的单值函数。

如果当μ、γ、I、ω一定时， 增大线圈尺寸r，磁场分布范围将增大，但磁感应强度减弱，反之亦然。因此这种传感器的线性范围随感应线圈直径增大而增加，而传感器的灵敏度(单位间隙变化对应的阻抗变化）随感应线圈的增大而减小。

为了使感应线圈获得高频电流，将感应线圈接入振荡回路，由此在高频振荡输出端可以获得与间隙d有关的高频谐波信号。该信号经放大、检波、滤波后，就得到一个与d值成正比的输出电压信号，输出电压的直流分量正比于感应线圈与金属导体之间的的静态间隙。被测金属导体与感应线圈间存在振动，则有交流电输出，该交流电压正比于被测金属导体与感应线圈之间的相对位移，所以电涡流传感器不但可以做静态测量，例如被测金属导体与传感器的距离，还可做动态测量，比如振动。

(二) 电涡流传感器特点
  • 属于非接触测量；
  • 频响范围宽：0～10KHz；
  • 灵敏度高；
  • 线性测量范围宽；
  • 可连续长期工作
  • 适应性强，可在油、气、水等恶劣环境中工作；
  • 输出信号可长线传输；

(三) 电涡流传感器的系统响应特性

探头高频线圈检测到的信号变化叠加在线圈的高频电源上。如果这种信号直接长距离传输，即使采用高频电缆，也会使信号显著衰减，而且易受干扰。为了防止这些不利影响，必须在探头高频线圈附近设置放大器、检波器和滤波器，将信号放大并检出后送二次仪表。这一装置称为前置器。前置器到探头的高频电缆是由制造厂精心调配好的，不同传感器之间是不能互换的，而且不能延长或截短。有时为了安装方便，还配置了高频延伸电缆。凡是配了高频延伸电缆的传感器，使用时必须将高频延伸电缆接上。否则会导致信号不准确。

(四) 电涡流传感器的线性范围

从图中可以看出，这个传感器的线性范围为10mil~100mil（不同大小的探头，其线性范围不同），亦即在使用该探头时，探头表面与被测物表面之间的距离，必须在10到100mil之间，在此范围外不能使用。当两者间隙在60mil时，其前置器的输出电压为-12VDC，当间隙变为50mil时，前置器的输出电压为-10VDC。图中表示的是静态情况。如果是振动测量就是机器停止的情况。而机器在运转时，轴相对轴承壳体必然会有振动，即探头与被测表面的距离周期变化。在安装涡流传感器时，要注意平均间隙的选取。要求平均间隙加上振动间隙，也就是总间隙要在线性范围内，否则，在非线性段的灵敏度变化将带来测量误差和波形失真。一般来说，平均间隙选在线性段的中点，这样，在平均间隙两边容许有最大的动态振幅。

(五) 光电传感器测量原理及测量范围
光电传感器可分为可见光和红外线两种，其中激光光电传感器可以实现较远距离的信号感应，为现场信号获取提供了极大的方便。

红外线光电传感器仍有一定的市场应用，其属于不可见光，可以满足现场测量的需要，但是感应距离有限，根据现场实践经验，一般探头距离应设置在20-30mm，太远或者太近都会对测量造成影响，很大程度上限制了其功能。

无论激光或者红外线光电传感器，一般应用在轴振或较多应用在键相基准信号的临时测量上，获取键相基准信号须在机组外露光滑且晃动较小的轴段粘贴专用的反光纸。

(六) 相对轴振测量的意义
电涡流传感器固定在轴承座，实际测量的是转轴相对于轴承座的振动，是转轴绝对振动与轴承座绝对振动的矢量差。

相对振动正比于转轴激振力、正比于轴承座支撑刚度、反比于油膜刚度。

汽轮发电机组高压转子一般重量较轻，轴承座支撑刚度，常表现为较大的轴振值及较小的瓦振值；低压转子一般较重，轴承座支承刚度低，部分机组低压侧轴承座表现为柔性支撑，其自身固有频率低于转子额定工作转速，所以通常表现为较小的轴振、较大的瓦振值。

因油质、温度、轴承型线、光洁度、轴承装配等问题所导致的油膜刚度低，因其与相对轴振成反比，则会表现出较大的轴振和较小的瓦振值。在过大的相对轴振下，轴承乌金长期承受交变循环应力、以及谐波成分中所含的冲击脉冲，易造成轴承乌金过早疲劳损伤，严重缩短轴承服役寿命。

相对轴振可以很好的反应出转轴振动和轴承座支承刚度的相对关系，并可分析油膜刚度是否正常，为轴承缺陷提供判断依据。

三、 振动信号采集系统
对振动信号的采集主要目前主要分为在线和离线采集系统，其各自的意义相近又有不同的目的性。

其中在线振动信号采集系统（TDM）可以实时获取机组振动数据，方便技术人员随时调取查阅，并可以准确观察到机组稳定工况、变工况过程轴系振动异常与系统某一参数变化的相关性，为工程技术人员定位故障原因提供便捷。

离线振动测量系统一般为某一特定测量目的，比如新机开机离线采集一者为了全面评价机组设计、制造、安装质量，再者新机启动易发动静碰磨、转子弯曲等恶性故障，对机组振动信号实时监测可以对异常信息提前预判，起到为机组保驾护航的作用，为该目的所做的信号采集应尽量全面，各个轴承的轴振信号X方向、Y方向、瓦振信号的垂直、水平、必要时轴向都要布置测点；

为获取某一特定信号而实施的离线信号采集，如某些机组在运行中偶发异常振动波动，通过离线测量系统可以获取出现该现象时的振动信号，通过振动分析软件中的分析工具定性故障原因；

为实施动平衡而做的振动信号采集是离线采集的一种形式，其前提是在诊断出机组故障为不平衡后而做的专门振动信号采集，需要机组特定的状态，比如冷热态下的启停机、机组空载、较长时间满功率后的振动变化，以便为动平衡方案提供基础数据；

以上两种为某一特定目的所做的振动信号采集，可以将测点布置在重点关注位置，并对有较明显影响的轴系位置进行测量，对于距离故障点较远，信号传递衰减大的轴向位置可以不布置采集点，探头的布置方式由采集的目的而定。

四、 基本振动特征信号
(一) 相位
振动相位是人为引入的一个相对概念，如前述它需要一个基准信号与振动信号比对，从而在转轴人为设置的基准点开始找到振动的“高点”（注：按照目前绝大多数振动仪器对相位的定义，如bently）。

振动相位为在转轴上找到因转轴同步激振力引起的振动高点提供了极大的方便，比如“不平衡力”，是动平衡技术领域的基础参数。

以bently仪表为例，其测量相位描述的是从触发基准信号开始，从振动测量探头到达转轴振动高点的时间差。将转轴圆周分为360°，以基准信号被触发始，可表示为振动高点到达振动探头所旋转的角度。相位定义如图4

图4：相位定义

图中：k————键相探头（获取基准信号）
          S————振动探头（获取振动信号）

振动相位与基准信号相互间关系如图5

图5：振动相位与基准信号相互间关系

高点H=键相基准信号与振动信号夹角δ+相位信号角度ø

也即是说以基准信号为起点逆转向旋转角度δ+ ø，即是振动高点位置。

基准信号的获取方式，对于在线TDM系统一般在轴系某一外露轴端开槽，固定涡流传感器获取基准信号，并作为永久的键相标志。临时专门为动平衡所需的基准信号获取，除了可直接引用原键相信号（在涡流传感器前置器后引出）外，对于原系统无键相信号的，一般在外露轴段贴专用反光纸，架设光电传感器获取。键相信号获取无论开槽还是贴反光纸应注意以下几点。

1. 应选择在外露且光洁度较高的轴段；
2. 所选轴段低速下晃动值应较低（建议≤0.02mm），不易选择在轴系的外伸端；
3. 开槽长度、宽度、深度除考虑避免影响结构强度外，还应具有一定的尺寸范围，依据现场经验一般可选择50mm×20mm×5mm；
4. 在轴上贴专用反光纸，应彻底清除黏贴位置油污，避免反光纸飞脱；
5. 在反光纸位置应作永久性记号，以便反光纸万一飞脱后还可以找到原位置；
6. 根据不同的光电传感器特性，选择合适的测量距离，某些传感器在高低速下对感应距离的要求不同，这点非常重要！现场常见在低速下键相信号感应正常，升速通过临界转速时，突然无法触发，此时需要重新调整探头与反光纸间距离，则会失去一些重要的数据。
无论键相或者振动探头角度改变均会对相位产生影响，其角度修正如下

1. 振动探头S顺转向移动а角，相位变成ø+а；
2. 振动探头S逆转向移动а角，相位变成ø-а；
3. 键相探头顺转向移动а角，相位变成ø-а；
4. 键相探头逆转向移动а角，相位变成ø+а；
5. 键相槽（反光纸）顺转向移动а角，相位变成ø+а；
6. 键相槽（反光纸）逆转向移动а角，相位变成ø-а。