水轮机故障诊断振动分析1

电力设备
状态检测与故障诊断
华中科技大学 水电与数字化工程学院
第四章 振动分析方法 4．1 概述
1、机械设备振动的形式及原因 各种机械设备都是由许多零部件和各种各样的结构及安装基础所 组成。由于某些条件或因素的作用，可能引起这些物体在其平衡位 臵附近作微小的往复运动，这种每隔一定时间的往复机械运动，称 为机械振动。
c 2 km
为系统的阻尼比；

为激振力的角频率。
对于不同的 值，幅频特性曲线和相频特性曲线如下图所示。
A ( )
3 .0
( )
0 . 15
180

0 . 05
0 .5
2 .0
0 . 25
1 .0
1 .0
0 .5
90

1 .0 0 3 .0
/n
2 .0 0 1 .0 2 .0
（1）振动信号的幅值分析方法
应用于幅值分析的参数有：均值、均方根值、最大值、最小值和 绝对平均值等。这些参数计算简单，对于故障诊断有一定的作用， 但它们会因工作条件（负载、转速等）的改变而变化，所以又存在 对故障不十分敏感、不好区分的缺点。
因此，在振动信号的幅值分析中人们又引入了无量纲的幅值参数， 如波形指标、峰值指标、脉冲指标、裕度指标以及峭度指标等。
m
z0
k
z 01
c
z1
由于作用在质量块上的弹性力为 k [ z 0 ( t ) z1 ( t )] ，而粘性阻尼力为
dz 0 ( t ) dz 1 ( t ) c ，根据牛顿第二定律有 dt dt d z0 (t ) dt
2 2
m
c
dz 0 ( t ) dt
/n
3 .0
1 .0
2、由基础运动所引起的受迫振动
在许多情况下，受迫运动是由系统的基础的运动所引起的。如 图所示，设基础的绝对位移为 z1 ( t ) ，质量块 m 的绝对位移为 z 0 ( t )， 质量块对基础的相对位移为 z 01 ( t ) ，即
z 01 ( t ) z 0 ( t ) z1 ( t )
由于上式是一个典型的二阶系统，故可以写出系统的频率 响应函数，及其幅频特性和相频特性：
H ( ) 1 m jc k
2

1 k 1 n
2
1 2 j n
A ( )
（2）自激振动 是依靠系统自身各部分间相互偶合而维持的稳态周期振动， 并且无需周期变化的外力就能维持的稳态振动，因而与强迫振 动有原则性的区别。 自激振动的突出特点是它的自治性，即当它处于自振状态时 并不承受随时间变化的外力，而是依靠系统的各个组成部分间 相互作用的内力来维持稳态周期振动的。
引起自激振动的原因很多，其产生的机理也十分复杂，但自激振
系统的传递特性、系统的输入与输出关系，这可以帮助我们了解系
统的固有特性以及故障源的信息如何传递变化等。
（4）振动信号的时序分析方法
时序分析法是对有序的观测数据进行统计学处理与分析的一
种数学方法，同时它也是对数据的统计处理与系统分析相结合的 一种方法。一方面可以对系统进行动态分析，另外还可以对系统 的未来状态和趋势进行预报和控制。
dt dz 01 ( t ) 。这种拾振器称为速度拾振器； dt
利用压电效应或应变效应，将与相对位移 z 01成正比的弹性力转换
成电信号。可以证明在适当频率范围内， 01将与壳体的加速度成正比 z
。因此，力学模型的输入为 z1 。这种拾振器称为加速度拾振器。
二、振动分析仪 由拾振器检测的振动信号，根据测量数目的不同，可以送到模拟 的或数字式的各种不同的仪器中进行相应的分析处理，使之变换成所 需的数据形式。主要的振动信号处理仪器是振动计和频率分析仪。 1、振动计 振动计是用来指示位移、速度、加速度等振动量的峰值 z max 、峰峰值z p p 或均方根值的仪器。这种仪器的主要部分有微分积分电路、 放大器、检波器、指示表等。振动计只能获得振动强度（振级）。为 了获得更多的信息，常将振动信号进行频谱分析，或作进一步的处理。
（5）振动信号的特征分析方法 特征分析主要是依据旋转机械最基本的运动变量—转速在变化时 或在某一稳定转速时，机器的各重要部位振动量大小来进行特征描 述。一般随自变量选用的不同，特征分析有如下的几种方法，即功 率谱分析、阶比谱分析、跟踪谱分析（又分频率跟踪、阶比跟踪及
复合功率跟踪）、坎贝尔跟踪分析（又分频率坎贝尔图和阶次坎贝

将研究对象（一台设备、一种结构）称为系统；


将外界对系统的作用或设备自身运动产生的力称为激励或输入；
将设备或结构在激励作用下产生的动态行为称为响应或输出。
对于机械设备来说，通常会产生强迫振动和自激振动这两种不同 形式的振动：
（1）强迫振动
是从外界不断地获得能量来补充阻尼所消耗的能量，使系统得以 维持持续的等幅振动。即强迫振动是由外界对系统持续激励所引起的。
z 01 z max
z p p
t
2、频谱分析仪
对振动信号进行频率分析是确定产生振动原因的基础。实现数字 频谱分析主要有两种方法：一种是数字滤波法；另一种是快速傅里叶 分析法。
（1）数字滤波法 输入信号经抗频混滤波器、采样保持和A/D转换等数据采集部分后， 送入到数字滤波器。数字滤波器的中心频率 f 1 , f 2 , 由控制时基电路 顺序改变。滤波后的信号经放大器后送至显示器。
度的时间函数描述；在频域内，用振动的频谱来描述。 机械系统在外力的作用下的运动称为该作用力的响应。
在错综复杂的振动系统中，抽象出一种最简单的力学模型-振动 体的单自由度振动系统（如图）来作为分析的基础。
f (t )
m x
k
c
该系统的全部质量 m ( kg ) 集中在一点，并由一个刚度为 k ( N / m ) 的弹簧和一个粘性阻尼系数为 c [ N /( m / s )] 的阻尼器支持着。讨论 中假定系统呈线性。
1、由作用在质量块上的力所引起的受迫振动 单自由度系统质量 m 在外力
d x (t ) m dt
2 2
f (t ) 的作用下，其运动方程为
kx ( t ) f ( t )
c
dx ( t ) dt
式中，( t ) 为振动的位移。 x
实际上，外力（激振力）f (t ) 为系统的输入，振动的位移 x ( t ) 是系统的输出。
动在现实中普遍存在，并且，自激振动可能会对设备造成危害。
例如：汽车前轮的摆振、机翼发生的颤振（结构与气流相互作用 而产生的自激现象）、水轮发电机组转子动静部分间的干摩擦引起
的振动等。
自激振动对许多工程领域都具有重要的影响。
2、振动分析的几种方法
机械设备故障的振动诊断方法主要有：信号的幅值域、时间域和 频率域的分析方法。
1 k 1 n
2
1
2 2 n 2
2 j
n

2
( ) arctan
1 n
式中， n

k m
为系统的固有角频率
( rad / s ) ；
时序分析的手段就是建立时序模型。而时序模型谱具有许多优点， 如谱峰清晰、谱线光滑、频率坐标准确、分辨率高、不要求周期采样 及加窗处理等，因而克服了常规FFT 谱分析所存在的缺陷，即要求固 定数据长度、短数据信号处理失真、加窗引起泄漏、产生误差、降低 分辨率等。 机器故障诊断的时序模型法就是在设备的运行过程中，首先选定 恰当的诊断参数，然后建立一个时序模型，通过时序模型的相应判据 以诊断机器状态的变化。这种方法在相当多的场合下能可靠地回答机 器是属于正常或异常状态。
z 01
z0
m
c
k
z1
惯性式拾振器的工作原理是：将拾振器的壳体紧固在被测件上 ，并同被测件一起振动。拾振器内的惯性系统受基础运动的激振， 产生受迫振动，其运动方程如前所述。此时，被测的量是壳体的运 动 z1 ，而直接变换成电信号的却是质量块对壳体的相对运动 z 01 。因 此，仅从力学模型来看，可以认为拾振器的输入是壳体的绝对运动 ，输出是质量块对壳体的相对运动。
输入 抗频混 滤波器 采样保持 A/D转换 数字 滤波器
检波器
放大器
An
控制 和时基
主振器
显示器
f1
f2
f3

fn
f
（2）快速傅里叶分析法
下图是快速傅里叶分析仪的原理图。其中抗频混滤波器、采样电 路、A/D转换器和存储器等组成采集系统，将被测信号转换为数字量。 这些数字量在FFT运算器中按一定算法转换为被测信号的频谱，并显 示在显示器上。
这些参数对故障有足够的灵敏度，对信号的幅值、频率变化不敏 感，而只取决于概率密度函数的形状，在故障诊断中有广泛的应用。
（2）振动信号的相关分析方法
相关分析主要是应用相关系数与相关函数来实现，即通过相关
函数来研究两个信号之间的相关性和收敛性。不同的信号有不同 的相关函数，自相关函数不含有信号的相位信息，只存在单一的
水轮发电机组运行的稳定性包括：
水压力脉动、水流周期性冲击； 机组支撑部分的振动；
机组转子振摆；
调速系统的震荡； 机组内部不正常的音响（噪音、异常声音）等。
上述稳定性的基本表现形式就是振动。水轮发电机组振动是一
种非常有害的现象，影响机组的使用寿命。过分的振动，会使焊缝
开裂，零部件疲劳断裂飞出，严重地影响着机组的运行安全。但机 组的振动又是不可避免的，故我们只能在一定的技术条件下将振动
目前，将质量块对壳体的相对运动转换成电信号通常采用如下 三种方案： 利用电感、电容或电涡流等位移传感器将相对位移转换成电信 号。此时将壳体的位移 z1 视为力学模式的输入，将质量块对壳体的 相对位移 z 01 视为输出。这时拾振器称为位移拾振器； 利用电磁感应原理，将相对速度转换成电信号。这时，力学模 型的输入为 dz 1 ( t ) ，输出为