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轴振动测量中的虚假信号
寇胜利
(北京博德威电力振动科技有限公司,北京100101)
摘要:
轴振动测量中因虚假信号的存在而使结果失真,不能反映出真实的振动状态。
论述了产生虚假信号的原因、
如何确定虚假信号的大小以及处理方法。
关键词:
轴振动;虚假信号
分类号:
TK234.4
文献标识码:
A
文章编号:
1001-5884(2012)02-0147-04
FalseSignalsinShaftVibrationMeasurement
KOUSheng-li
(BeijingBodevPowerVibrationTechnodogyCompanyLimited,Beijing100101,China)
Abstract:
Theexistenceoffalsesignalscannotreflecttherealvibration,andcausesthewrongresultsinshaftvibrationmeasurement.Thisarticlediscussesthecauseofthefalsesignals,andhowtodeterminethevalueofthefalsesingles,andhowtoadjustandminimizeit.
Keywords:
shaftvibration;falsesignals
并且稳定时进行。
但是应注意,在低转速下测量转轴偏摆,
可能会受到转轴的暂时弯曲、轴颈在轴承内不规则运动、轴颈的径向运动等因素的影响。
应采取一定的措施减少上述因素引起的误差。
另外,还应确保测量系统低频特性满足要求。
偏移信号将混入振动信号中。
总的偏移值不应超过许用振动位移的25%。
如果偏移在此范围内,在转轴振动测量
中可以不扣除其影响。
如果偏移超过此范围,应分析原因并
采取补偿或其它措施。
作为标准,只能对这个问题进行扼要的说明。
鉴于它在轴振测量中的重要性和普遍性,需要对相关问题进行深入的论述。
这就是本文的目的。
本文从轴振动测量的原理出发,论述了出现虚假信号的原因、如何确定虚假信号的大小、虚假信号的消除措施。
标准中涉及到的虚假信号只是在低转速下的可以测量到的。
实际上还有一类虚假信号,低转速下并不一定出现,而在运行过程可以出现。
对这个问题本文也将论述。
0
前
言
振动的大小是反映汽轮发电机组安全性最重要的指标
之一。
机组振动的监测有两种不同的方法:
一种是使用速度传感器测量轴承座振动,另一种是使用涡流传感器测量轴的振动。
早期的振动监测只测量轴承座振动。
90年代之后轴振动测量在国内逐渐普及。
目前大型机组几乎都配备测量轴振动的装置。
轴振动测量的优点在于:
它直接测量转轴的振动,灵敏度较高。
汽轮机的轴承由于刚度较高,有时轴承座振动的反
应不够灵敏。
而轴振动测量可以避免这种缺点,对机组的安全更为有利。
轴振动测量的缺点是:
容易受到虚假信号的干扰而使测量结果失真,不能反映出真实的振动状态。
有的机组实际振动并不大,因虚假信号的存在,使轴振的显示值超标。
如果
不了解这个问题,往往会花费很大的精力来处理实际并不存
在的“振动超标”,这样的情况普遍存在着。
真实信号与虚假信号的本质区别在于:
真实的轴振在结构(轴承座、基础)上产生动应力,虚假信号并不会产生动应力。
关于虚假信号的问题,在大型汽轮发电机组轴振动的国家标准GB/T11348.2—1997(等同于ISO7919-2:
1996)中
已有说明。
该标准将虚假信号称为“偏移”(run-out),有关
叙述如下:
偏移是由机械的、电磁的、材料的因素,例如被测轴段偏心、弯曲、轴表面不圆度及局部缺陷、剩磁、材质不均匀、表面残余应力等,引起的非振动偏差。
如需测量转轴偏移,应在低转速下,轴承油膜已经建立
1
轴振测量原理
轴振动的测量采用涡流传感器。
它通过传感器的端部
线圈与被测物体(转子)的间隙变化来测量轴振动。
如图1(a)所示的转子。
静态下转子的几何中心为o。
如果存在偏心质量m,转动后在离心力的作用下,转子会发生弯曲变形,使转子中心从o偏离到o'(假设变形的方向与偏心质量m的方向一致)。
由于变形的存在,转动过程中转子表面与探头的距离是变化的。
如果m转动到最上端,转子与探头最近;如果m转
收稿日期:
2011-08-01
作者简介:
寇胜利(1945-),男,陕西西安人,教授级高级工程师。
长期从事汽轮发电机组振动的研究和现场振动问题的处理。
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汽 轮 机 技 术
第54卷
图1轴振测量原理
动到最下端,转子与探头最远。
距离最大的变化范围A定义
为轴振的振幅,又称为动挠度。
它反映了在离心力作用下,测点处转子的变形量。
不平衡在结构(轴承座、基础等)上产生的动应力与动挠度(或轴振)的大小成正比。
转子与探头的距离的时序特征是一个谐波信号(图1
(b)),其频谱是基频(即转速的频率,图1(c))。
一个矩形脉冲。
它可以看作1X、2X、3X、4X…等谐波成分的
合成,称为高次谐波(图3(c),图中各谐波的比例关系视不同情况有所不同)。
2.3材质缺陷
涡流传感器的输出取决于传感器与被测物的距离、被测物的磁导率和电导率。
只有在轴的材质各向同性(即轴表面的电导率和磁导率是恒定的)的前提下,输出才是间隙的单值函数。
如果材质存在缺陷,即便传感器与被测物的距离没有变化,也可以产生轴振输出。
材质缺陷可以由以下几个因素引起:
表面剩磁、局部应力集中、轴的材质不均匀、镀层厚度不均匀。
2.4安装缺陷
涡流传感器基于电磁感应的原理。
探头安装的不正确,例如,靠近油挡、靠近轴截面突变部位、探头端部没有伸出固定螺栓,都将影响电场和磁场的形成。
综上所述,虚假信号按照其频谱特征可以分为两类。
一类是基频,它反映测点处的轴段存在弯曲;另一类是高次谐波,它表明轴表面存在几何或材质缺陷,或者安装存在缺陷。
2
产生虚假信号的原因
如上所述,轴振动的大小是通过传感器与转子之间间隙
的变化来测量的。
虽然振动可以引起间隙的变化,但是非振动因素也可以引起这种变化。
将这种非振动因素引起的间隙变化称为虚假信号。
真实信号与虚假信号的本质区别在于:
前者会在结构上产生动应力,但后者不会。
以下介绍产生虚假信号的原因。
2.1轴弯曲
例如:
转子存在永久弯曲、联轴器端面飘偏引起的弯曲、
被测轴段局部弯曲。
在这种情况下,转动过程中同样可以引起传感器与转子表面间隙的变化。
它的信号特征与不平衡的信号特征是相同的。
即是一个谐波信号,频率与转速相同(图2)。
转子存在弯曲时,也会产生不平衡,但是弯曲本身不是振动。
而此时轴振输出中同时包含弯曲量和振动量。
只有将弯曲量从轴振输出中扣除才是真实的振动。
2.2轴的几何缺陷
例如:
轴不圆、轴表面有凹坑、轴表面腐蚀、有刮痕、压痕。
在以上情况下,会产生高次谐波成分的虚假信号。
如图3所示,轴表面存在凹槽时,每转动一周就会出现
3
虚假信号的测量
当转速很低时转子可视为刚性轴,它的动扰度(即轴振)
可以忽略不计。
这时显示的轴振值就是虚假信号,它的大小就是虚假信号的大小。
通常转速低于一转阶临界转速50%时转子可以视为刚性轴。
汽轮机转子的一转阶临界转速在1400r/min~2000r/min的范围。
发电机转子在700r/min~1500r/min的范围。
依据刚性轴的定义和现场经验,通常把200r/min~500r/min
图2轴弯曲产生的虚假信号
图3虚假信号
第2期
寇胜利:
轴振动测量中的虚假信号
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的轴振输出视为虚假信号。
大型发电机的副临界转速可能
落入500r/min之内,这时测量转速可以取200r/min~300r/min。
图4是秦岭5号机6号轴承X方向(简称6X)升速过程的轴振曲线。
在200r/min~500r/min的轴振为42μm,定速
30000r/min时的轴振为88μm。
说明虚假信号为42μm。
如果扣除这虚假成分,定速时的实际轴振约为46μm。
准指出可以采取补偿的措施。
所谓“补偿”就是将轴振中的
虚假部分扣除,使其接近于真实值。
如何进行补偿,ISO标准并没有说明。
因为振动信号是由各次谐波成分叠加而成的。
从严格意义上讲在补偿时应该将各中谐波成分中的虚假成分逐一扣除(矢量减),然后迭加得到真实轴振。
这样处理过于复杂,甚至难以实行。
建议可以采取以下的扣除方法:
(1)简单的扣除方法
真实值≈定速值(通频)-低速值(通频)
这种方法虽简单易行,而且大多数情况下的偏差不大。
当虚假信号的成分为高次谐波可以采用这种方法。
如果为基频,但工作转速基频值与低速基频值相位的偏差不大(小于20°~30°)也可采用这种方法。
(2)虚假信号的成分为基频
设C∠γ和B∠β分别为工作转速(3000r/min)和400r/
min左右的1X输出,则1X的真实值为
A∠α=C∠γ-B∠β
例如:
设两者分别为93∠110,50∠70,则1X的真实值为
93∠110-50∠70=63∠140
也就是说1X的真实值比显示值低30μm(93-63=30)。
在轴振显示中可以扣除这部分。
由于轴振信号中容许有少量虚假成分,在采用以上两种扣除方法时,也可以适当少扣一些。
这种扣除可以通过对监测仪表的调整实现,以便使控制室的显示与实际较为吻合。
图4秦岭5号机6X轴振升速曲线
4
虚假信号的处理方法
轴振信号中完全不存在虚假成分是不可能的,但必须对
它的大小有限制。
ISO标准规定:
虚假成分不得超过容许振动值的25%。
如果在此范围内,在测量中可以不扣除其影
响。
如果超过此范围,应分析原因并采取补偿或其它措施。
目前国内电厂一般规定轴振低于76μm为“良好”。
如果按照这个指标要求,则虚假成分不得超过19μm。
下面讨论消除虚假信号的方法。
4.1
更换测点位置
虚假信号的产生是由于轴振探头对应的轴段存在各种
5
其它类型的虚假信号
缺陷引起的。
彻底消除这些缺陷往往有困难。
最简单的办
法是将轴振探头换一个位置安装,以避开有缺陷的轴段。
下面有几个实例。
(1)大亚湾核电站1号机组
该机组检修后4号轴振达到300μm左右,主要是高次谐波成分,而且在500r/min之内也是如此。
因此判断属于虚假
信号。
这台机组在检修前的振动是正常的,检修期间曾在4号轴颈表面喷镀。
产生虚假信号的原因可能是探头距离喷镀
层太近。
因此将探头移出镀层段,轴振恢复正常。
(2)漳山电厂1号机组
这台机组6号轴振(发电机前轴承)报警。
停机过程转速降到400r/min时轴振仍在70μm。
说明轴振信号包含较
大的虚假成分。
6号轴振探头安装在发电机端盖内。
检修期间检查发现探头对应的轴颈表面有一个凹坑。
将探头移至发电机端盖
之外后振动恢复正常。
(3)北京太阳宫电厂3号机组
这台机组1号轴振为165μm,通过平衡后降低到100μm
左右。
但是要达到优良指标(<75μm)很困难,原因是存在
65μm的虚假成分,主要是是高次谐波成分。
检修中发现轴振探头安装在油挡部位。
油挡会对传感器的磁路产生影响。
将探头移到另一光洁轴段安装,轴振降低到50μm。
上面论述的虚假信号都是可以在低速下测量的。
但是
还有一类虚假信号在低速下反映不出来,而是在运行过程中出现。
5.1
脉冲式信号
运行过程中轴振突然跳动,其瞬时振幅往往超过打闸
值。
接着突然消失,其过程只持续几秒中。
趋势图出现一个
脉冲(图5)。
图5脉冲信号
机组的任何一种真实的振动都不可能具有这样的特点。
只要出现这种脉冲式的轴振,基本可以判断为虚假信号。
当然可以结合当时轴承座振动、其它轴振的情况进行分析。
这种现象往往是由干扰信号引起。
干扰信号一般是高次谐波。
为了防止这种虚假信号引起的误跳机,在保护设置时可以采用以下方法:
(1)延时保护。
比如只有轴振连续10s超过打闸值才停机。
(2)多个测点同时达到跳机值时保护才动作。
比如:
一个轴承的两个轴振测点,或者一根转子两个轴
4.2
补偿
在很多情况下通过检修消除虚假信号难度较大。
ISO标
150
汽 轮
机 技 术
第54卷
承的轴振测点。
如果轴振经常出现这种脉冲式的跳动,应该检查测量系统有无接触不良。
轴振测量系统有涡流探头、电容电缆、前置器、屏蔽电缆、二次仪表这五个环节。
可以逐一排查。
首先可以检查涡流探头的直流电压是否在规定范围。
如果是则说明探头是正常的。
还可以将信号接到二次仪表的其它通道,由此判断二次仪表是否正常等等。
实例:
广州石化电厂2号机
该机组的1号轴承安装有两个轴振测点(1X和1Y)。
1Y轴振长期不正常。
通频值经常大范围波动,指示可以达到300um以上,而基频变化不大。
诊断:
假设1Y轴振的波动是由于机组的振动引起的,1Y变化时,1X也应该变化。
但1X是正常的。
说明1Y的变化很可能是假信号。
通过各种排查,确定故障在屏蔽电缆。
更换一根新的电缆后故障消除。
5.2双水内冷发电机励端轴振的虚假信号
双水内冷发电机转子的冷却水是从励端的中心孔进入,因此励磁绕组的引线只有从偏心孔接入。
励磁电流会磁化转子,在引线偏心的情况下,转子表面沿圆周方向的磁导率是变化的。
仪表就会将磁导率的变化当作振动信号显示。
这时的轴振输出有以下特点:
(1)虚假信号出现在发电机后轴承;
(2)并网时振动突变;(3)振动为高次谐波;(4)轴振变化过程轴承座振动不变。
此类发电机后轴承的轴振不能反映真实情况,因此不宜安装轴振测点。
5.3支架共振
涡流传感器由支架固定在轴承座的一侧。
支架要有足
支架共振时往往表现在很窄的转速范围内振动急剧增
大又急剧回落。
测试中如果在转子临界转速之外的区域出现这种现象,应该怀疑支架的问题。
图6是平圩电厂2号机组启动过程的6号轴振。
1800r/min是临界转速,轴振约80μm。
但是在2600r/min左右急剧增大到280μm。
该机组5号~8号轴振都存在同样的现象。
对问题的分析是:
(1)2600r/min不是临界转速,
(2)轴振增大时轴承座振动并没有变化,(3)共振带很窄。
由此判断是支架的共振引起。
更换支架后振动消失。
图6支架共振
6
总
结
(1)虚假的轴振信号会使测量结果失真,不能反映真实
的振动状况。
所以在轴振异常时首先要判断信号的真实性。
(2)虚假成分可以由低转速(200r/min~500r/min)下的测量确定。
这时的轴振读数就表示虚假成分的大小。
(3)虚假成分可以分为两类。
一类是由于弯曲引起的,频率以基频(1X)为主;另一类是轴的几何缺陷、材质、安装缺陷引起,频率以高次谐波为主。
(4)虚假成分可以通过改变测点位置或补偿的方法消除。
(5)有一类虚假成分是在运行过程中出现的。
产生的原因和处理措施可以见文中的论述。
够的刚度,其固有频率至少要在工作频率的10倍以上(
500Hz)。
如果制作支架的钢板太薄,后者固定支架的螺栓松动,都可能使支架的固有频率落入汽轮机的转速范围内而发生共振。
此时涡流传感器输出的不是轴振信号,而是支架的振动。
>
(上接第146页)
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[2]
4
结
论
[3]
造成该机大修后投运中的振动故障有多方面的原因。
其主要原因为对凝汽器改造后对低压缸的影响掌握不足,在找中心这个原则问题上没有按照常规找中心方式进行,从而影响轴系找中质量、通流间隙控制质量,是机组低压轴振偏大的主要原因,也是引起瓦振超大的重要原因。
低压内缸有积水和动静碰磨也是本次大修后屡次启动不顺利,瓦振不稳定不可忽视的因素。
[4]
[5]
[6]
[7]
参考文献
[8]
[1]
张学延.汽轮发电机组振动诊断[M].北京:
中国电力出版
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- 振动 测量 中的 虚假 信号