轴心轨迹 - 2. 图形解读
汽轮机组油膜振荡分析与处理
有 时 为 了 尽 可 能 较 大 幅 度 的降 低 粘 度 ， 可 以更 也
图 ６ 油膜振荡 时的轴心轨迹 图
换 润 滑 油 。在 发 电厂 内 ， 滑 油 的 粘 度 不 可 能 变 润
通 过 比对分 析 图 ４ 图 ５和 图 ６可 知 ， 子 在 正 、 转 常情况 下工 作 时 ， 其轴 心轨 迹 图呈 圆形 ， 尽管 有不 对 中的 因 素 ， 影 响 不 大 ， 时 ， 子 系 统 是 稳 定 的 。 但 此 转 当发 生油膜 涡 动时 ， 轴 心轨迹 图呈 内 ８字 形 ， 其 由于
失 ， 就是 油膜 振荡 的惯 性 现 象 。从 图 ３的两 个 振 这 幅峰值 可 以看 出 ， 发生 油膜 振荡 时 ， 子系 统 的振 幅 转
可 以达 到转 子经 过 一 阶 临界 转 速 的振 幅 ， 至 振 幅 甚
更大。
据 实验 需要 选用 。用 ‘ ｐ 流 传感 器 测 量转 子 振 动 ８涡
烈 ， 速到 ６ ８ｒｍｎ时 ， 幅达 到最 大值 ２０ ｍ， 转 ７０／ ｉ 振 ４１ ￣
此 时发 生油 膜振 荡 ， 速继 续升 高 ， 膜振 荡并不 消 转 油
格 ：２ ｍ ３０ ｍ轴 ３根 、０ ｍ 油膜 振荡 专 用轴 １根 ； ５０ ｍ 沿
轴 的轴 向任何部 位均 可选作 试验 中的支承 点 。试 验 台共 配有 六只 转 子 ， 为 两种 规 格 ：￣６ ５ 分 ｑ ｍｍ Ｘ２ ｍｍ ７
２１ ０ ２年 ５月 第 １ ５卷 第 ５期
２ １ ０ ２，Ｖｏ ，１ ｌ ５，Ｎｏ ５ ．
贵 州 电 力 技 术
ＧＵＩ ＨＯＵ Ｚ ＥＬＥＣＴＲＩ ＰＯＷ ＥＲ Ｃ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ
轴心轨迹-3.应用
轴心轨迹-3.应用在“轴心轨迹- 2. 图形解读”中已经部分涉及了轴心轨迹的应用。
这里再进一步展开讨论。
先详细讨论精确半倍频的判断。
Orbit图是时域图形，是两个时基图的合成。
组成Orbit图的缺省时基图是同步波形，同步波形有更好的表达，当然特殊情况下也有用异步波形来做的，比如有低频信号时，同好们不得不知。
举例比较一下：同步采样：每转采集128个点，采集8转，样本点数1024；转速假设3000 rpm，样本时长 160 ms。
异步采样：分析频率500Hz，800线，采样频率1280Hz，样本点数2048，样本时长1600 ms，采集了80转。
所以，对于时域波形，同步采样一般比异步采样更密，图形精细。
对于整数倍频，Orbit图中的键相标记点是重合的，很容易理解；而对于精确的分数倍频，键相标记点其实也是重复/重合的，也就是通常所说的“锁定”。
如果频率分量不是精确的整数谐波或者精确的分数倍频，Orbit图会是什么样的呢？下面通过实例说明：实际应用中用得最多的情形是识别故障是动静摩擦还是油膜涡动。
通常出现精确的半倍频时，最先想到的是摩擦，而油膜涡动的频率与半倍频非常接近，比如0.47X，与0.5X仅相差0.03X，假设1X=50Hz，两者相差1.5Hz。
下面举例看看通常的频谱分析方法是否容易分辨0.5X和0.47X的差别：假设异步采样的分析频率为1000 Hz，800线采集数据，两根相邻谱线的间隔频率是1.25Hz，所以频谱分辨率就不那么够了，两根谱线将画在一根谱线上或者很难肉眼分开，容易混淆。
如果使用同步采样，假设每转采集128个点，采集8转，分析频率范围是64X，频谱线数固定在1024线，还是假设转子的转速是3000 rpm，频谱分辨率是3200/1024=3.125Hz，所以频谱分辨率更差，更不能区分精确半倍频和上述的0.47X。
结论是通常采集方式设置的频谱图难以识别是摩擦还是油膜涡动。
在没条件高分辨率重采数据(异步采样)的前提下，这时可以用同步Orbit图来判断、区分。
第6章旋转机械故障诊断
▪ 半速涡动
➢ 因为油具有黏性，所 以轴颈表面的油流速 度与轴颈线速度相同， 均为rω，而轴瓦表面 的油流速度为0
➢ 假设油流速度呈直线 分布
➢ 轴颈某一直径扫过的 面积，即为油楔入口 与出口的流量差
rωl C e dt rωl C e dt 2rlΩedt dQ
2
2
1 1 dQ
（1）原始不平衡； （2）渐变不平衡； （3）突发不平衡。
转子不平衡的轴心轨迹
同步采集
转子不平衡故障谱图
转子不平衡与转速的关系
•当ω<ωn，即在临界转速下，振幅随着转速的增加而增 大； •当ω接近ωn时，发生共振，振幅具有最大峰值； •当ω>ωn，即在临界转速上，转速增加时振幅趋于一个 较小的稳定值； •当工作转速一定时，相位稳定.
第6章旋转机械故障诊断
2021年7月30日星期五
大型汽轮机外形及转子
多级汽轮机转子
转子是由合金钢锻件整体精加工，并且在装配上叶片后，进行全速转动试验和精确动平衡
6．1 动力学特征及信号特点
▪ 何谓旋转机械
➢ 主要运动由旋转运动来完成的机械
汽轮机、离心式压缩机、水泵、风机、电动机
➢ 核心：转轴组件
中
向振动较大。
频谱中2X较大，常常超过1X，这与联轴节
A
结构类型有关。 角不对中和平行不对中严重时，会产生较多
谐波的高次（4X～8X）振动。
联轴节两侧径向振动相位差180。
联角
轴不
器
Байду номын сангаас
对 中
不
典型的频谱
相位关系
对
定义：当转子轴线之间存在偏角位移。
2x值相对于1x幅值的高度常取决于联轴器的类 型和结构
轴心轨迹图分析-机械故障诊断
轴心轨迹在时域中使用两个数据通道来显示，来自两个通道的信号绘制在X 和Y平面上，以显示轴位置变化与旋转角度的关系。
轴心轨迹显示给出了旋转轴运动的二维视觉图像。
该功能位于晶钻仪器动态信号分析系统中的后处理软件（PA）中。
一个平衡良好的轴，在任何方向都不会移动，并会在（轴心轨迹）图中间产生一个点。
轴运动可以给出振动源的指示，例如如果有很多上/下运动，可能是机座没有拧紧。
要创建轨迹图，您需要采用双通道同时测量水平轴和垂直轴上的数据。
位移或加速度传感器位置必须相互间隔90°。
轴心轨迹显示采用时域中的测量对。
它不需要阶次跟踪技术。
轴心轨迹显示格式类似于极点显示，但它由2个彼此垂直的信号构成。
通常，它与轴的当前旋转速度相关联。
目前晶钻在手持式动态信号分析仪CoCo-80X上专门设计了一个Rotor Dynamics测试功能，即转子动力学分析。
包括轴心轨迹图、阶次相位跟踪等，当数据被获取和分析时，可以实时查看测量结果。
在线显示包括时间历史、轨道图、阶次谱、阶次轨迹、瀑布图、频谱图和等高线图。
用户还可以查看以时间变量的瞬时RPM函数。
手持式动态信号分析仪CoCo-80X 轴心轨迹图显示
杭州锐达数字技术有限公司是美国晶钻仪器公司中国总代理，负责产品销售、技术支持与产品维护，是机械状态监测、振动噪声测试、动态信号分析、动态数据采集、应力应变测试等领域的供应商，提供手持一体化动态信号分析系统、多通道动态数据采集系统、振动控制系统、多轴振动控制系统、三综合试验系统和远程状态监测系统等。
状态监测术语(中英对照)
诊断名词术语和释义基本术语(1)状态监测(condition monitoring)－对机械设备的工作状态（静的和动的）进行监视和测量（实时的或非实时的），以了解其正常与不正常。
(2)故障诊断(fault diagnosis)又称为技术诊断(technical diagnosis)－采用一定的诊断方法和手段，确定机械设备功能失常的原因、部位、性质、程度和类别，明确故障的存在和发展。
(3)简易诊断(simple diagnosis)－使用简易仪器和方法进行诊断。
(4)精密诊断(meticulous diagnosis)－使用精密仪器进行的诊断（优于精确诊断或精度诊断术语）。
(5)故障征兆(symptom of fault)（或称故障症状）－能反映机械设备功能失常，存在故障的各种状态量。
(6)征兆参数(symptom of parameter)－能有效识别机械设备故障源故障的各种特征量，包括：原始量和处理量。
(7)状态识别(condition recognition/identification)－为判断机械设备工作状态的正常与不正常和通过故障状态量的区别，诊断其故障的方法。
(8)特征提取(feature extraction)－为了正确识别和诊断机械设备故障的存在与否，对征兆参数进行特别的处理。
(9)故障类别(fault classification)－反映机械设备功能失常、结构受损、工作实效的专用分类、名称。
(10)故障性质(nature of fault)－描述故障发生速度、危险程度、发生规律、发生原因等问题。
(11)突发故障(sudden fault)－突然发生的故障。
在故障发生瞬间，必须采用实时监控、保安装置、紧急停机等措施。
(12)渐发故障(slow fault)－故障的形成和发展比较缓慢，能够提供监测与诊断的条件。
(13)破坏性故障(damaging fault)或称灾难性故障(catastrophic fault)－故障的发生影响机械设备功能的全部失去，并造成局部或整体的毁坏，难以修复重新使用。
轴心轨迹自动识别及其在旋机诊断中的应用
轴心轨迹自动识别及其在旋机诊断中的应用许飞云 钟秉林 黄 仁(东南大学机械工程学院 南京,210096)摘要 提出了一种基于Zernike不变矩特征和神经网络分类器的轴心轨迹自动识别方法。
通过对原始Zer nike矩特征进行二次提取和处理,获得了对轴心轨迹识别更为敏感的矩特征量,降低了后续神经网络分类器设计的难度。
仿真研究表明,基于Zer nike矩的轴心轨迹识别方法,其识别精度优于常用的几何矩方法。
将所提方法应用于汽轮发电机组和高速离心压缩机组轴心轨迹的自动识别,并结合频谱能量分布特征进行故障诊断,结果表明,引入轴心轨迹特征可以有效地提高旋转机械故障诊断的精度。
关键词 轴心轨迹 不变矩 神经网络 旋转机械 故障诊断中图分类号 T H133 T P277 T P391.41引 言轴心轨迹作为旋转机械故障诊断的重要特征,其自动识别技术近年来受到了广泛的关注。
轴心轨迹的自动识别实质是二维图形的不变性模式识别[1]问题,即模式识别的结果不随图形的平移、伸缩、旋转乃至反射等而改变。
不变性图形识别主要通过提取图形的不变性特征进行,常用的不变性特征包括各种矩特征[2-5](几何矩[2]、Zernike矩[3-4]、伪Zernike 矩[4-5]、复矩[5]等)、Fourier-Mellin描述子[1]、高阶相关特征[1]等。
在轴心轨迹识别方面,文献[6-13]应用几何不变矩进行轴心轨迹形状特征的定量提取,并采用诸如神经网络、灰色系统理论等不同的方法研究了轴心轨迹的自动识别问题;文献[14]通过几何矩提取经高分辨谱分析提纯后的轴心轨迹特征用于旋转机械的故障诊断;文献[15]提出了基于小波局部极大模法和BP神经网络分类器的轴心轨迹识别法;文献[16]应用改进Fourier描述子提取轴心轨迹特征,同样通过BP网络实现轴心轨迹的识别;文献[17]则采用复值过程表示轴心轨迹,通过复值过程高阶累积量谱对轴心轨迹定量特征进行了研究;文献[18-19]分别研究了基于小波变换以及小波变化和AR建模相结合的轴心轨迹识别方法;文献[20-21]研究了基于离散余弦变换的轴心轨迹识别技术;文献[22]则对轴心轨迹的进动方向识别进行了专门的研究。
动载滑动轴承轴心轨迹计算
动载滑动轴承轴心轨迹计算在往复式机械中，作用在连杆大小端及曲轴的滑动轴承上的载荷，无论大小和方向都随时间作周期性变化。
动载轴承由于油膜动压受旋转效应和挤压效应的综合作用，其轴心轨迹是变化的。
在正常的工况下，其轴心轨迹收敛于固定的轨迹曲线。
动载轴承的轴心轨迹的计算可以估计出轴承的失效形式及失效位置，从而在设计时可作有效的预防。
对轴心轨迹的计算，不能用稳态下的计算方法来确定，这是因为其油膜动压涉及挤压效应和旋转效应的综合作用，因而要采用非稳态下的计算方法才能确定。
本文主要采用Holland方法并通过计算机模拟进行计算。
图1 轴承模型示意图1.建立模型在进行轴心轨迹的计算之前，对有限宽的动载轴承作以下假设：（1）轴承的间隙中充满润滑油介质，流动服从雷诺方程，不考虑润滑油的涡动现象；（2）整圆轴承，轴承的轴线和轴颈平行；（3）轴承外表面光整；（4）不考虑温度场变化引起的油粘度变化。
求解轴心轨迹的基本思路如下，在油膜力和载荷互相平衡的情况下（由于轴颈惯性力相对较小，因此可以忽略不计），轴心都会逐渐收敛于一个确定的轨迹，所以可在轴颈的任意初始位置上根据力平衡关系确定轴心变化速度。
由此得到经过一微小时间间隔后的新的轴颈位置。
从这个位置再确定新的轴心变位速度，又得到另一时间间隔后的另一个轴颈位置。
如此不断进行下去，直到收敛于一个封闭的轴心轨迹。
分析动载轴承轴心轨迹的具体方法有Holland法、和Hahn法和移动率（Mobility）法。
为了克服对动载Reynolds方程在数学上求通解的困难，采用Holland法进行分析。
图1为物理模型的受力关系示意。
图中，F为动载荷，γ为动载荷与Y轴的方向角，δ为偏位角，Ωb为轴承角速度，Ωj为轴颈角速度，轴颈中心O j绕轴承中心O b的回转变位角速度为δ’，偏心率随时间的增长速率为ε’，R为轴承的内径。
P D是由轴颈和轴承相对油楔的旋转角速度引起的油膜动压，P V是由轴颈与轴承之间的挤压引起的油膜动压，称为挤压油压。
点检基础篇-3-机械设备精密点检技术介绍
第三章 机械设备精密点检技术介绍设备状态管理的核心内容是设备状态的监测与分析。
点检人员主要的工作就是通过日常的点检、检测来监测设备的状态，及时、准确地发现故障，寻找出故障源，从而实现视情维修。
这就对现场的设备管理人员（点检人员）提出了较高的要求。
经过多年的改造，我们拥有了国内、外一流的设备，设备的结构越来越复杂，精度越来越高，仅仅靠传统的“眼看、手摸、耳听”等五官来检测设备的状态，无法及时有效地发现设备的故障，已不能满足现在设备状态管理的需要。
本章主要介绍用振动检测的方法来检测设备（部件）的状态，并预测设备状态的发展趋势。
内容主要包括：用测振仪、分析仪等振动检测仪的日常检测，来实施简易的诊断，发现设备的故障；对于复杂的设备再通过频谱分析等手段实现精密点检，分析故障的原因，找出故障源。
3．1 简易振动诊断基础知识3．1．1 振动基础知识3．1．1．1振动的种类及其特点我们可以从不同的角度来考察振动问题，常把机械振动分成以下几种类型：1．按振动规律分类按振动的规律，一般将机械振动分为如图3-1所示几种类型。
2．按产生振动的原因分类机械振动分为三种类型：（1）自由振动 给系统一定的能量后，系统所产生的振动。
若系统无阻尼，则系统维持等幅振动；若系统有阻尼，则系统为衰减振动。
（2）受迫振动 元件或系统的振动是由周期变化的外力作用所引起的，如不平衡、不对中所引起的振动。
（3）自激振动 在没有外力作用下，只是由于系统自身的原因所产生的激励而引起的振动，如油膜振荡、喘振等。
因机械故障而产生的振动，多属于受迫振动和自激振动。
3．按振动频率分类按着振动频率的高低，通常把振动分为3种类型。
3．1．1．2 振动三要素及其在振动诊断中的应用构成一个确定性振动有3个基本要素，即振幅d,频率f和相位φ。
振幅、频率、相位，这是振动诊断中经常用到的三个最基本的概念。
现在，我们以确定性振动中的简谐振动为例，来说明振动三要素的概念、它们之间的关系以及在振动诊断中的应用。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
轴心轨迹- 2. 图形解读
轴心轨迹的本身能够提供很多重要的信息。
概括来说有下列的6项：
1.X和Y方向的各种变量的振动幅值，包括通频幅值、过滤分量幅值等
2.X和Y方向的各种过滤分量的绝对相位角
3.X和Y方向的同频各种过滤分量的相对相位角
4.X和Y方向包含的频率分量组成和阶次
5.进动方向
6.形状
先说振动幅值。
从Orbit图中看到的幅值，与组成Orbit的波形有关，而波形长度、分辨率等是由采样定义决定的；采样又分为同步采样和异步采样，它们各有各的不同，各有各的用途。
根据这些不同的样本得到的幅值，甚至与波形或者Orbit图形的题头显示的幅值不同，很多人为此困惑，甚至怀疑系统的可靠性。
其实，只要明白了这些不同的值来源- 采样的方式不同，因为信号的复杂性，特别是存在低频和冲击信号时，它们之间的差异就好理解了，并进而能利用它们发现机器的某些特定故障。
关于不同硬件、软件系统对同一对象为什么读数不同的问题，以后再行详细讨论。
总之，善于综合利用不同的数据源和不同的图形，是一个合格振动分析师的基本技能。
上图是对于一个简单的Orbit计算/测量其X方向的振动幅值的步骤，很容易理解，这里就不多解释了。
再说说绝对相位角和相对相位角。
凡是谈到相位角，都是指的跟踪窄带滤波后的单频率波形的相位角，也就是所谓的过滤波形的相位角。
通频或者多频率合成波形是没有相位角意义的。
另外，在Orbit 中去看相位关系，无论是绝对相位还是相对相位角，并不直接和精确，下图是示意方法、步骤。
精确的测量还是用时基图更好些。
通过Orbit图分别看X/Y方向包含的频率分量也不是很方便的，用频谱图更好。
但对于某些应用，比如要确定振动频率是否是精确的半倍频，以便确认是摩擦还是流体诱导失稳，但现有的频谱图的分辨率不
高，又没有机会，或者因其它原因，以高频率分辨率去重采数据（同步采样：减小每转采集的点数；异步采样：增加线数和/或减小分析频率范围，或细化分析），可以看Orbit图键相标记点是否“锁定”不失为一个好的方法。
如下图所示，细节描述在轴心轨迹的应用部分讨论。
下图是一个实际的Orbit图，X方向一转中有一个正向极值，所以只有1X分量；而Y方向有两个正向极值，所以存在1X和2X频率分量。
利用Orbit图看进动方向是较为便利的。
进动方向是振动方向相对于转子的旋转方向的关系，两者相同是为正进动，两者相反是为反进动。
一般进动方向是指单频率Orbit图的进动方向。
下图显示的1X分量是正进动。
但是看通频复杂Orbit图形的进动方向也有意义。
下图是左边是有内环的Orbit图，整个轨迹都是正进动；而右边的外环，部分轨迹是正进动，部分轨迹则是反进动。
说明了什么问题，也到应用章节再讲。
最后谈谈orbit图形状。
无论是未过滤还是过滤后的Orbit图的形状，都能提供一维时基图表现不了的机器状态及其变化，为故障诊断提供重要的依据。
包括同一轴向截面不同转速的Orbit形状，以及同一转速不同截面的Orbit形状，还可以表达载荷改变、机器工艺参数改变等前后Orbit的变化。
转子运动的信号中，包括直流成分，表达的是转子运动的平均位置，也包括交流成分，即振动。
Orbit图作为交
流振动信号的合成，自然没有直流成分，它们在转子平均轴中心位置图中再介绍。
Orbit形状直接反映的是转子受到的径向载荷。
高的径向载荷，总是试图将转子推到偏心更大的滑动轴承的边缘上去。
偏心率越大，支承转子的油膜刚度越大，最大的刚度方向是径向方向，最小的方向是与径向垂直的切向方向。
如下图所示，弧线是瓦的接触面，红色箭头是径向载荷方向，蓝色的Orbit图示出了在径向载荷的作用下变得较扁的Orbit图形状。
同一位置转速改变（如启、停机过程）Orbit图的变化表示的是转子瞬态特性。
如下图所示，一个停机过一阶临界前后1X分量Orbit的变化，注意相位、幅值、形状的改变。
同一时间不同位置的Orbit图的变化，表达了转子沿轴线的三维绕曲特性。
注意的是，这个技术对于刚性联轴节连接的轴系最有效，
而对于柔性联轴节，每个缸的转子间的相互影响较弱。
还要明白的是，因为不同的时间，Orbit可能是不同的，所以只能说是在一定时刻的绕曲形状。
另外，因为只在有限的几个平面安装有X/Y涡流传感器能作出orbit图，两个相邻的Orbit中间的细节形变就不知道了，因而它只是一种插值估计。
总之，结合更精确的模态分析，能检验转子的绕曲变形形状，发现机器的异常。
下图示例的是将机组轴向不同测量位置的1X分量的Orbit图上的键相标示点连接起来，表示同一时刻轴系的不同轴心位置，以此估计轴系的三维模态或者绕曲、形状图。
连接键相标示点的理由是因为它表达了同一时刻，如果在各个Orbit图是同一时刻开始采样的样本，又能同步示出Orbit图中的某一或者任一其它点，连接这些同时刻点，一样能提炼出有效的模态/绕曲形状。
用通频Orbit图道理、方法相同。
同一位置不同的其它运行条件的改变对Orbit的影响类似，可以提供故障诊断的有力证据。
如气体出口压力不变，改变入口压力，如通过Orbit图的形状变化可能观察到流体诱导失稳的故障。