燃?xì)廨啓C(jī)振動(dòng)數(shù)據(jù)采集及分析

徐文濤

(南京汽輪電機(jī)(集團(tuán))有限責(zé)任公司，南京 210037)

在透平機(jī)械設(shè)備中，振動(dòng)一直是一個(gè)影響機(jī)組安全運(yùn)行的重要因素，更是影響機(jī)組壽命的關(guān)鍵因素。本文將以燃?xì)廨啓C(jī)為例，對(duì)振動(dòng)的產(chǎn)生因素、降低方法、振動(dòng)監(jiān)測(cè)方面進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。

1 燃?xì)廨啓C(jī)找中

對(duì)于燃?xì)廨啓C(jī)，找中是保證較小振動(dòng)的首要工作。燃?xì)廨啓C(jī)在工廠組裝時(shí)，就應(yīng)該對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)行工廠找中，到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)后還應(yīng)該對(duì)其進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)找中，即為冷態(tài)找中。冷態(tài)找中數(shù)據(jù)是根據(jù)熱態(tài)對(duì)中狀態(tài)下預(yù)計(jì)的熱膨脹量而得出的最佳冷態(tài)找中值。找中設(shè)定值是依據(jù)適當(dāng)?shù)妮S承負(fù)載、最小軸彎曲應(yīng)力和軸穿過(guò)軸承時(shí)最小斜率的狀態(tài)確定的[1]。找中時(shí)應(yīng)考慮軸系的臨界轉(zhuǎn)速，并留有安全余量。以江陰某6F.03現(xiàn)場(chǎng)找中為例，發(fā)電機(jī)對(duì)負(fù)荷齒輪箱的找中，其法蘭相對(duì)位置如圖1所示，圖中單位為mm。其中，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際所測(cè)數(shù)據(jù)中，底部開(kāi)口為0.007 5 mm，發(fā)電機(jī)法蘭高出1.01 mm，端面平行右開(kāi)口為0.012 5 mm，發(fā)電機(jī)法蘭靠右側(cè)0.08 mm，均在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。

圖1 發(fā)電機(jī)對(duì)齒輪箱的找中位置示意圖

燃?xì)廨啓C(jī)對(duì)負(fù)荷齒輪箱的找中，其法蘭相對(duì)位置如圖2所示，圖中單位為mm。其中，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際所測(cè)數(shù)據(jù)中，底部開(kāi)口為0.09 mm，燃?xì)廨啓C(jī)法蘭高出0.14 mm，端面平行右開(kāi)口為0.005 mm，燃機(jī)法蘭靠右側(cè)0.57 mm，均在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。

圖2 燃?xì)廨啓C(jī)對(duì)齒輪箱的找中位置示意圖

2 燃?xì)廨啓C(jī)啟動(dòng)

為防止燃?xì)廨啓C(jī)啟動(dòng)時(shí)振動(dòng)過(guò)大，應(yīng)注意以下幾個(gè)問(wèn)題：

1) 盤(pán)車(chē)前必須提供足量的潤(rùn)滑油至需要用油的部位，并檢查是否有潤(rùn)滑油泄漏的情況。

2) 在所有條件具備的情況下，點(diǎn)動(dòng)盤(pán)車(chē)電機(jī)，觀察盤(pán)車(chē)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向是否正確，進(jìn)而確定燃?xì)廨啓C(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向是否正確。

3) 啟動(dòng)盤(pán)車(chē)電機(jī)，查看啟動(dòng)電機(jī)電流是否正常。

4) 盤(pán)車(chē)時(shí)檢查現(xiàn)場(chǎng)情況，是否有摩擦聲或過(guò)度振動(dòng)的情況。

3 燃?xì)廨啓C(jī)停機(jī)

燃?xì)廨啓C(jī)停機(jī)時(shí)，需要特別注意燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)子的冷卻，轉(zhuǎn)子必須持續(xù)旋轉(zhuǎn)至少8 h，并且輪間溫度必須小于或等于150℉(65.6 ℃)。在強(qiáng)制冷卻期間，任何時(shí)候都不允許點(diǎn)火啟動(dòng)燃?xì)廨啓C(jī)。停機(jī)期間持續(xù)盤(pán)車(chē)是為了防止燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)子從高溫到常溫時(shí)產(chǎn)生變形，從而引起下次啟動(dòng)時(shí)燃?xì)廨啓C(jī)振動(dòng)過(guò)大。

4 振動(dòng)傳感器

燃?xì)廨啓C(jī)上的振動(dòng)傳感器分為兩種。一種是安裝在軸承座上的振動(dòng)傳感器，適用于測(cè)量垂直或水平方向振動(dòng)，我們稱(chēng)之為瓦振，用于發(fā)出報(bào)警和跳閘信號(hào)(見(jiàn)圖3)。當(dāng)振動(dòng)達(dá)到25.4 mm/s時(shí)，輸出電壓為(150±4.5)mV,輸出電壓達(dá)到峰值，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)發(fā)出燃?xì)廨啓C(jī)跳閘信號(hào)；當(dāng)振動(dòng)達(dá)到12.7 mm/s，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)發(fā)出燃?xì)廨啓C(jī)振動(dòng)高的報(bào)警信號(hào)。還有一種是伸入到軸承箱里的振動(dòng)傳感器，用于測(cè)量軸頸表面和軸承之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，我們稱(chēng)之為軸振，只參與報(bào)警而不作為跳機(jī)信號(hào)(見(jiàn)圖4)。探頭到轉(zhuǎn)子表面間隙的標(biāo)定標(biāo)準(zhǔn)為：信號(hào)放大器的輸出電壓-10.5 VDC，允許偏差在0.5 VDC以?xún)?nèi)。

圖3 軸瓦振動(dòng)傳感器

圖4 軸承振動(dòng)傳感器

5 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

燃?xì)廨啓C(jī)性能振動(dòng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是可實(shí)現(xiàn)同步測(cè)量機(jī)組的轉(zhuǎn)速、通頻振幅、選頻振幅及相位，記錄完整的振動(dòng)原始數(shù)據(jù)，不僅可提供轉(zhuǎn)速-時(shí)間曲線(xiàn)、振動(dòng)-轉(zhuǎn)速曲線(xiàn)或振動(dòng)-時(shí)間曲線(xiàn)，而且可提供振動(dòng)的時(shí)基圖、軸心軌跡圖、頻譜圖、階次譜、升降速的波特圖、極坐標(biāo)圖、三維轉(zhuǎn)速頻譜圖等。

在燃?xì)廨啓C(jī)上安裝了轉(zhuǎn)速傳感器，在1#、2#軸承安裝了振動(dòng)速度傳感器。4個(gè)振動(dòng)速度傳感器信號(hào)及燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)速傳感器信號(hào)進(jìn)入數(shù)據(jù)采集箱。

數(shù)據(jù)采集箱記錄機(jī)組升速、穩(wěn)速、降速全過(guò)程的振動(dòng)、轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)，并可提供振動(dòng)波形及頻譜、振動(dòng)-轉(zhuǎn)速曲線(xiàn)或振動(dòng)-時(shí)間曲線(xiàn)。由于采用了當(dāng)前最先進(jìn)的轉(zhuǎn)速跟蹤、整周期采樣及FFT分析技術(shù)，不僅可測(cè)量振動(dòng)的通頻振幅，而且可以測(cè)量振動(dòng)的工頻分量、相位及其高倍頻的幅值、相位。

在機(jī)組進(jìn)行啟動(dòng)程序時(shí)，需進(jìn)行以下振動(dòng)測(cè)量。

1) 1#軸承的垂直和水平方向(1Y、1X)、2#軸承的垂直和水平方向(2Y、2X)的振動(dòng)速度在12～600 Hz范圍內(nèi)的通頻振幅，且為振動(dòng)速度的真單峰值，單位mm/s。

2) 振動(dòng)速度測(cè)點(diǎn)1Y、1X、2Y、2X的選頻值，即工頻振幅，單位mm/s。

3) 1Y或2Y的工頻(或二倍頻)相角，以確定“異常點(diǎn)”即不平衡角的位置。

6 振動(dòng)測(cè)量的原理

6.1 通頻振幅測(cè)量

來(lái)自燃?xì)廨啓C(jī)的振動(dòng)速度信號(hào)經(jīng)電壓放大和12～600 Hz帶通濾波器濾波后進(jìn)入AD模數(shù)轉(zhuǎn)換卡。測(cè)試系統(tǒng)以2 560 Hz的采樣頻率對(duì)每路振動(dòng)測(cè)點(diǎn)截取1 024個(gè)點(diǎn)的振動(dòng)信號(hào)后，對(duì)所獲得的振動(dòng)樣本通過(guò)全過(guò)程搜索得到振動(dòng)的最大值(正峰或負(fù)峰)。此最大值即為此轉(zhuǎn)速(或此時(shí)刻)該測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)通頻振幅。

6.2 選頻振幅的測(cè)量

為了測(cè)試振動(dòng)量，必須合理地在機(jī)組上安裝振動(dòng)傳感器及轉(zhuǎn)速傳感器，將振動(dòng)傳感器的測(cè)試信號(hào)及轉(zhuǎn)速信號(hào)接入一接口箱，在該接口箱中要完成帶通濾波、放大、轉(zhuǎn)速整形等功能處理。將處理后的振動(dòng)信號(hào)送給模/數(shù)轉(zhuǎn)換板，通過(guò)模/數(shù)轉(zhuǎn)換后，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)給計(jì)算機(jī)處理。同時(shí)接口箱處理后的轉(zhuǎn)速通道的脈沖也要送給計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理，以便得到機(jī)組轉(zhuǎn)速及確定相角。

7 數(shù)據(jù)采集箱

數(shù)據(jù)采集箱是一個(gè)多功能的接口箱，該接口箱既是作為計(jì)算機(jī)連接的接口，也可以作為一臺(tái)獨(dú)立使用的儀器，數(shù)據(jù)采集箱作用如下：

1) 對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行濾波、放大，將處理過(guò)的模擬信號(hào)送到振動(dòng)信號(hào)采集板中進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換，變?yōu)橛?jì)算機(jī)能處理的數(shù)字信號(hào)。

2) 對(duì)轉(zhuǎn)速信號(hào)進(jìn)行整形、放大，產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)的信號(hào)送到計(jì)算機(jī)的轉(zhuǎn)速卡中進(jìn)行測(cè)速。

數(shù)據(jù)采集箱的主要技術(shù)指標(biāo)如下：

1) 通道數(shù)：8個(gè)輸入通道的輸入/輸出。

2) 電壓放大：可以進(jìn)行×1、×4、×16、×64四檔放大，誤差不高于1%。

3) 濾波：帶通濾波器，頻率12～600 Hz，帶通濾波器有直通和濾波二檔可選。

4) 轉(zhuǎn)速整形：輸出信號(hào)，脈寬1 ms。

另外數(shù)據(jù)采集箱具有與計(jì)算機(jī)連接的插口，可以將處理完的振動(dòng)信號(hào)通過(guò)專(zhuān)用電纜與計(jì)算機(jī)連接，可以作為儀器輸出。

7.1 帶通濾波器

為了獲取有用的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行分析，必須對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波，以達(dá)到抑制干擾和抗混疊的目的，使得分析可靠準(zhǔn)確，必須設(shè)置一個(gè)頻率為12～600 Hz的帶通濾波器。

數(shù)據(jù)采集箱中帶通濾波器是由高通濾波器和低通濾波器組合而成，它們的截止頻率分別是由外部振蕩電路根據(jù)不同的頻率面提供的。

7.2 放大器

考慮到傳感器的靈敏度，在信號(hào)較小的情況下需要進(jìn)行電壓放大，在數(shù)據(jù)采集箱中電壓放大器部分設(shè)置了四檔電壓放大，增益分別×1、×4、×16、×64。

由于考慮到信號(hào)的直流分量的疊加，因而在每一路的信號(hào)輸入加上了隔直流電容，有效地抑制了直流信號(hào)的輸入。放大器的主要器件采用了運(yùn)算放大器，并采用了同相放大技術(shù)。

7.3 轉(zhuǎn)速整形電路

為了計(jì)算出有關(guān)相角及其他有用參數(shù)，必須要準(zhǔn)確測(cè)量燃?xì)廨啓C(jī)的轉(zhuǎn)速。為了測(cè)量燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)速，我們會(huì)在燃?xì)廨啓C(jī)的測(cè)試點(diǎn)旁安裝一光電傳感器，在燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)子的端面貼上一反光標(biāo)簽，轉(zhuǎn)子每旋轉(zhuǎn)一周則通過(guò)光電接收管發(fā)出一脈沖信號(hào)，進(jìn)而得到了燃?xì)廨啓C(jī)的轉(zhuǎn)速。為了測(cè)試的精確，必須對(duì)該脈沖信號(hào)進(jìn)行處理，數(shù)據(jù)采集箱中設(shè)計(jì)了轉(zhuǎn)速整形電路，它的原理圖見(jiàn)圖5。

圖5 數(shù)據(jù)采集箱原理圖

在整個(gè)線(xiàn)路中實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)隔直流和整形放大后，為了讓進(jìn)入計(jì)算機(jī)的信號(hào)保證具有一定脈寬，所以加上單穩(wěn)電路，單穩(wěn)電路電容及電阻使得信號(hào)產(chǎn)生了脈寬1 ms的信號(hào)。為了保證可靠性，在其后加了一級(jí)射隨器。經(jīng)過(guò)這樣的步驟，輸出的轉(zhuǎn)速信號(hào)抗干擾性強(qiáng)，可靠性高。

振動(dòng)系統(tǒng)主要功能有：

1) 測(cè)量4個(gè)振動(dòng)測(cè)點(diǎn)的通頻及選頻。

2) 當(dāng)機(jī)組在升、降速過(guò)程中，記錄各測(cè)量參數(shù)及振動(dòng)時(shí)域信號(hào)，當(dāng)機(jī)組處于穩(wěn)速運(yùn)行(120 min考核運(yùn)行)時(shí)，每間隔20 s(可設(shè)置)記錄一組測(cè)試數(shù)據(jù)。

3) 每個(gè)試車(chē)程序結(jié)束，可提供振動(dòng)曲線(xiàn)報(bào)告，振動(dòng)數(shù)據(jù)瀏覽、查詢(xún)、打印。

4) 當(dāng)機(jī)組處于非重要運(yùn)轉(zhuǎn)如冷拖，振動(dòng)系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)機(jī)組振動(dòng)狀況。

振動(dòng)系統(tǒng)首先進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，把試車(chē)程序中所記錄的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行處理，得到時(shí)間、轉(zhuǎn)速、各振動(dòng)測(cè)點(diǎn)的通頻振幅、選頻振幅和相位。程序一般顯示時(shí)間、轉(zhuǎn)速、各振動(dòng)測(cè)點(diǎn)的通頻振幅、工頻振幅和工頻相位。當(dāng)程序以工頻來(lái)確定振動(dòng)情況時(shí)，數(shù)據(jù)查詢(xún)將列出二倍的幅值及相位，而不是工頻的信息。這里的振動(dòng)速度值均為真單峰值，而不是一般的有效值。

8 臨界轉(zhuǎn)速時(shí)的振動(dòng)過(guò)大

在燃?xì)廨啓C(jī)過(guò)臨界轉(zhuǎn)速時(shí)，振動(dòng)會(huì)突然增加(如圖6，bb4和bb5為燃?xì)廨啓C(jī)2#軸承兩個(gè)振動(dòng)傳感器)。在燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到1 485 r/min時(shí)，2#軸承振動(dòng)突然增加，之后馬上回落到正常水平，我們稱(chēng)為第一臨界轉(zhuǎn)速。臨界轉(zhuǎn)速是由燃?xì)廨啓C(jī)的物理特性決定的，包括重心分布、質(zhì)量分布、工作條件等[2]。因此在運(yùn)行過(guò)程中，要盡量減少燃?xì)廨啓C(jī)在臨界轉(zhuǎn)速時(shí)的運(yùn)行時(shí)間。

圖6 高盤(pán)時(shí)振動(dòng)隨轉(zhuǎn)速的變化

9 結(jié)論

燃?xì)廨啓C(jī)振動(dòng)在其正常啟動(dòng)和運(yùn)行過(guò)程是不可能消除的，我們只能在生產(chǎn)、安裝、調(diào)試的過(guò)程中盡量減小，通過(guò)振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)時(shí)刻監(jiān)測(cè)并記錄振動(dòng)的數(shù)據(jù)，設(shè)置其報(bào)警和跳機(jī)值，從而保證燃?xì)廨啓C(jī)在一個(gè)安全振動(dòng)范圍內(nèi)的正常運(yùn)行。