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1、设备状态监测技术设备状态监测技术设备状态监测概念的引入设备状态监测概念的引入 生产力提高，设备结构和工作过程越来生产力提高，设备结构和工作过程越来越复杂，传统的手摸耳听的判断方式受越复杂，传统的手摸耳听的判断方式受到限制到限制 设备状态监测是设备维修体制改革的基设备状态监测是设备维修体制改革的基础，其直接和间接效益巨大础，其直接和间接效益巨大 现代科技手段的进步使得全方位的设备现代科技手段的进步使得全方位的设备状态监测得以实现状态监测得以实现设备状态监测技术首先应用于化工、石化和电设备状态监测技术首先应用于化工、石化和电力行业的关键设备力行业的关键设备 乙烯装置的三机：裂解气透平压缩机组、乙烯
2、透平乙烯装置的三机：裂解气透平压缩机组、乙烯透平压缩机组、丙烯透平压缩机组压缩机组、丙烯透平压缩机组 化肥装置的五机：原料气压缩机组、合成气压缩机组、化肥装置的五机：原料气压缩机组、合成气压缩机组、空气压缩机组、氨压缩机组、二氧化碳压缩机组空气压缩机组、氨压缩机组、二氧化碳压缩机组 炼油厂的三机：烟气轮机、主风机组、石油气压缩机炼油厂的三机：烟气轮机、主风机组、石油气压缩机组组 火力发电厂的大型汽轮发电机组火力发电厂的大型汽轮发电机组通常的状态监测手段通常的状态监测手段 振动和位置监测振动和位置监测 温度监测温度监测 油品监测油品监测 工艺过程量监测工艺过程量监测 其他其他大型回转机械状态监测
3、系统监测方式的发展大型回转机械状态监测系统监测方式的发展 传统的状态监测系统包括：传统的状态监测系统包括：在线监测与保护系统在线监测与保护系统（Bently3300Bently3300、ENTEK6600ENTEK6600等）、离线采集分析系统等）、离线采集分析系统（DataPAC1500DataPAC1500、）-单纯的在线保护系统和单纯的在线保护系统和离线采集分析系统各有一定的局限性离线采集分析系统各有一定的局限性大型回转机械状态监测系统监测方式的发展大型回转机械状态监测系统监测方式的发展 目前过渡阶段的状态监测系统：目前过渡阶段的状态监测系统：利用在线采集模利用在线采集模块将已有的在线保
4、护系统信号接出，实现在线数据自动块将已有的在线保护系统信号接出，实现在线数据自动采集、存储和联网分析；在未安装在线保护系统的设备采集、存储和联网分析；在未安装在线保护系统的设备上安装传感器和在线采集模块上安装传感器和在线采集模块大型回转机械状态监测系统监测方式的发展大型回转机械状态监测系统监测方式的发展 状态监测系统的发展趋势：状态监测系统的发展趋势：在线监测模块化设计，在线监测模块化设计，基于工业总线的布置方式，集实时监测、保护、数据自基于工业总线的布置方式，集实时监测、保护、数据自动采集、存储、分析于一体。动采集、存储、分析于一体。设备维修经历了三个阶段1事后维修事后维修是设备运行到失效再
5、进行维护。其优点是不需要安排计划。对有些设备，更换比修理往往更便宜。缺点是意外停机引起生产损失。灾难性的设备事故。库存备件投资多。引起设备的二次损坏。2定期维修定期维修是按预订的时间间隔或检修周期对设备作维修、调整和更换备件。其优点是机器寿命较长。减少意外停机。备件库存较少。缺点是意外停机引起生产损失。过剩维修导致维修费用增加。过剩维修引起人为维修故障。3预知维修预知维修是有计划地对设备作检查和测试，以确定其健康状态。其优点是减少非计划停机损失。维修时间间隔可以延长。非必要维修减到最少。备件库存最小。缺点是需要初始投资。需学习和培训。事后维修事后维修定期维修定期维修状态维修状态维修主动维修主动
6、维修 出现故障后出现故障后再进行检修再进行检修预先安排等预先安排等周期的检修周期的检修 根据设备状态根据设备状态进行检修进行检修控制引发故障控制引发故障的根源的检修的根源的检修以较小的投资换取最大的经以较小的投资换取最大的经以较小的投资换取最大的经以较小的投资换取最大的经济效益和社会效益济效益和社会效益济效益和社会效益济效益和社会效益ICMICM是设备检修体制改革的前提，从而实现是设备检修体制改革的前提，从而实现ICMICM-Integrated Condition Monitoring设备监测设备监测设备状况评估设备状况评估提供运行及维修建议提供运行及维修建议维修部门维修部门设备保养和维设备
7、保养和维修修维修建议维修建议运行部门运行部门执行生产计划执行生产计划调整生产过程调整生产过程完成作业完成作业健康指数健康指数过程记录过程记录状态检修目标：状态检修目标：安全、稳定、长周期、满负荷、优质安全、稳定、长周期、满负荷、优质ICMICM-Integrated Condition Monitoring故障诊断仪器的广泛应用，使对机械设备的维护由计划、定期维修走向状态、预知维修变为现实，使机械设备的维护方式发生了根本性革命。状态监测避免了机械设备的突发故障，从而避免了被迫停机而影响生产；机械状态分析为预知机械设备的维修期提供了可靠依据，即可做到测量表明有必要时才进行维修。使我们能够及时准备
8、维修部件，安排维修计划，克服了定期维修带来的不必要的经济损失和设备性能的下降；完善的诊断能力可为我们准确指出故障类型和故障部位，避免了维修的盲目性，使检修简捷易行，大大缩短了维修工期；完善的设备管理软件，又可使企业设备管理自动化。由此可见，状态检测给企业带来的经济效益是十分显著的。了解被监测机器当前的运行状况预测被监测机器未来的变化趋势诊断被监测机器故障的发生部位检验被监测机器维修的实际效果ICMICM-Integrated Condition MonitoringICMICM的技术内涵的技术内涵:了解您的设备它是如何制造的 它是如何安装的 它的设计运行状态 它容易出现的故障+选择正确的监测技
9、术在最早的时间发现形成中的故障选择正确的监测技术在最早的时间发现形成中的故障用户成功的关键用户成功的关键ICMICM-Integrated Condition Monitoring设备状况设备状况传感传感器器数据采数据采集硬件集硬件数据数据管理管理多维多维报警报警高级高级分析分析机器机器信息信息状态监测状态监测提供稳定、提供稳定、可靠的硬件可靠的硬件测试技术测试技术提供高效、提供高效、先进的软件先进的软件分析技术分析技术ICMICM-Integrated Condition Monitoring系系统统工工作作方方式式提供专业的提供专业的技术服务技术服务传感器与测试仪器传感器与测试仪器振动测试
10、技术-测试中常用传感器及原理电涡流传感器转 轴 Cut awayNCPU caseNCPU 线线 圈圈 产产 生生 的的 磁磁 场场 电电 涡涡 流流 RF in非非接接触触式式传传感感器器工工作作原原理理传感器头部有线圈和谐振电容构成的并联谐振回路;前置器中有石英晶体提供200KHZ-2MHZ的高频振荡,在传感器头部产生交变磁场;转子金属在交变磁场的作用下产生感应电流-电涡流,使传感器的磁场能量被吸收,传感器线圈电感量减少.间隙越小,感应电流越大,传感器线圈电感量更加减少.振动测试技术-非接触涡流传感器振动测试技术-非接触涡流传感器振动测试技术-非接触涡流传感器1.可以直接测量转轴振动2.采
11、用非接触测量方式，避免了接触磨损3.能做静态和动态测量。可以测量2Hz以下的低频振动，适用于绝大多数机器环境。4.输出信号与振动位移成正比。5.结构简单可靠，尺寸小，没有活动部件。6.可作为转速测量与振动相位测量的键相信号7.材料不同影响传感器线形范围和灵敏度，须重新标定。8.需外加电源和前置器，安装复杂。使用极为广泛，特别是制造厂出厂时经常在机器上配套安装使用极为广泛，特别是制造厂出厂时经常在机器上配套安装测试轴振、偏心、相位等。缺点是对于测试滚动轴承和高速测试轴振、偏心、相位等。缺点是对于测试滚动轴承和高速齿轮箱等强调高频冲击信号的场合效果差。齿轮箱等强调高频冲击信号的场合效果差。放放 大
12、大 器器 惯惯 性性 质质 量量压压 电电 晶晶 体体绝绝 缘缘 体体 导导 电电 平平 面面 绝绝 缘缘 体体 预预 载载 螺螺 钉钉加加 速速 度度 传传 感感 器器 的的 工工 作作 原原 理理 加速度传感器物体振动时,压电晶体受到惯性质量块的惯性力作用而产生电荷,输出的电荷量与振动加速度成正比.特点是灵敏度高,体积小,频率范围宽(10*E4HZ),加速度测量范围宽(10*E-4_+4G)振动测试技术-加速度传感器从左到右传感器的频响范围由低到高！从左到右传感器的频响范围由低到高！振动测试技术-加速度传感器特点1.体积小，重量轻，适用于受附加质量影响显著的振动系统测量，如汽机叶片的振动测
13、量。2.结构紧凑、牢靠，不易损坏。3.环境的噪声、传感器的安装方法、导线的铺设方式，对测试结果有较大影响。4.标定困难，只能做动态测量。使用范围不断扩大，制造厂出厂时经常在机器上配套安装测使用范围不断扩大，制造厂出厂时经常在机器上配套安装测试瓦振。测试滚动轴承和高速齿轮箱等强调高频冲击信号的试瓦振。测试滚动轴承和高速齿轮箱等强调高频冲击信号的场合效果好，缺点是输出信号弱，对屏蔽和接线要求高。场合效果好，缺点是输出信号弱，对屏蔽和接线要求高。振动测试技术-加速度传感器安装的影响振动加速度传感器固定自振频率和最高可用频率螺栓固定螺栓固定振动加速度传振动加速度传感器的固定感器的固定最高可用频最高可用
14、频率率(赫兹赫兹)固定自振频率固定自振频率(赫兹赫兹)胶粘结固定胶粘结固定螺栓固定在稀螺栓固定在稀土磁铁座上土磁铁座上固定在快速连固定在快速连接螺栓固定上接螺栓固定上用用2 2英寸长探英寸长探杆手持固定杆手持固定没有观察没有观察162501625090009000750075006000600080080031887318871207512075101501015014751475可用的频率范围可用的频率范围为传感器固定自振频率Fn的约50%速度传感器物体振动时,使传感器中的可移动线圈在磁场中移动,切割磁力线,产生感应电荷,感应电量和振动速度成正比.精度高,抗干扰能力强.振动测试技术-速度传感
15、器振动测试技术-速度传感器1.安装简单，适用于大多数机器环境，对于汽轮发电机组振动，有合适的频响范围。2.无须外加电源，振动信号可不经处理传送直需要的地方。3.体积、重量较大，活动部件易损坏，低频响应不好，15Hz以下误差较大。高频响应也不好，500Hz以上误差大。对冲击信号（滚动轴承故障最常见）响应很差。4.标定较麻烦，只可作动态测量，价格较贵。以前使用广泛，但是由于频响性能很差，现在以前使用广泛，但是由于频响性能很差，现在逐渐被淘汰。在需要大输出信号和不方便向传逐渐被淘汰。在需要大输出信号和不方便向传感器供电时还有应用。感器供电时还有应用。振动测试技术-测试参数和计量单位单峰值(Peak)
16、峰峰值(Peak-Peak)有效值(RMS)真峰值（TruePeak）真峰峰值（TruePeak-Peak）位移信号：低频测试速度信号：中频测试加速度信号：高频测试振动测试参数的选择振动测试参数的选择振动测试参数幅值的度量振动测试参数幅值的度量振动测试技术-名词术语 通频振动、选频振动、基频振动通频振动：原始的振动波形的峰峰值。选频振动：所选择的频率的振动正弦波的峰峰值。基频振动：与机器工作转速一致频率的振动正弦波的峰峰值，通常又叫做工频振动。振动测试技术-名词术语同步运动与转速频率变化保持一定比例关系的振动频率分量。一般是指与旋转频率的整数倍关系或是分倍数关系：1X、2X、3X、1/2X、1
17、/3X异步运动与转速频率无关的频率振动分量。振动测试技术-名词术语相对轴振转轴相对与轴承座的振动，可以用固定在轴承座上的非接触、传感器测量绝对轴振转轴相对与地面的振动，可以用与轴承座有相对运动的接触式传感器直接测量，也可以用复合传感器进行测量。轴瓦振动轴承座相对于地面的振动，用惯性传感器测量。振动测试技术-转子振型振型一定转速下作用力所引起的转子沿轴向偏离的相对表示。集中式集中式6600离线振动离线振动DP1500Enpac1200自动巡检系统自动巡检系统Enwatch高速在线系统高速在线系统ENTRX分布式分布式XM保护系统保护系统实时数据采集实时数据采集间隔数据采集间隔数据采集人工参与数据
18、采集人工参与数据采集自动数据采集自动数据采集Odyssey&Enshare数数据据采采集集系系统统传感器传感器软软件件压电式加速度压电式加速度传感器传感器9000系列系列Entrx油液油液分析分析控制系统（控制系统（PLCPLC、DCSDCS）PlantlinkRSMACCEOL电涡流式位移电涡流式位移传感器传感器2100系列系列振动测试技术-测试仪器振动总值便携表：仅仅测试振动的通频振动总值，例如VisTec。便携式振动数据采集器：离线采集并存贮振动总值、频谱、波形等数据，通常还和软件系统配合使用。例如恩泰克的DP1500和Enpac1200。在线自动巡检模块：在线自动定期巡检设备的振动，并
19、且上传到主软件中。例如恩泰克Enwatch。高速多通道在线：高速多通道并行采集振动数据，满足压缩机、汽轮机等大型设备的测试需求，例如Entrx系统。监测保护表：实时保护机组。例如恩泰克6600系列和XM系列监测保护表。机械振动定义从狭义上说，从狭义上说，通常把具有时间周期性的运动称为通常把具有时间周期性的运动称为振动。振动。从广义上说，从广义上说，任何一个物理量在某一数值附近作任何一个物理量在某一数值附近作周期性的变化，都称为振动。周期性的变化，都称为振动。什么是振动什么是振动机械振动机械振动机械振动机械振动在特指的机械系统中，我们把在特指的机械系统中，我们把所有由质量与弹性的物体组成一个动力
20、系所有由质量与弹性的物体组成一个动力系统（不是静态的）产生的震荡运动称为振统（不是静态的）产生的震荡运动称为振动动。机械振动分类机机 械械 振振 动动 的的 类类 型型稳稳 态态 振振 动动周周 期期 振振 动动简 谐 振 动周 期 振 动 非非 周周 期期 振振 动动衰 减 振 动准 周 期 振 动随随 机机 振振 动动最基本的振动形式简谐运动在一切振动中，最简单和最基本的振动称为简谐运动。任何复杂的运动都可以看成是若干简谐运动的合成。弹簧振子和单摆的简谐运动弹簧振子和单摆的简谐运动弹簧振子的动力学特征弹簧振子的动力学特征弹簧振子的动力学特征取平衡位置取平衡位置O点为坐标原点，点为坐标原点，
21、水平向右为水平向右为x轴轴的正方向。的正方向。x力的方向与位移的方向相反，始终指向平衡位置的，称为力的方向与位移的方向相反，始终指向平衡位置的，称为回复力回复力。简谐运动简谐运动微分方程微分方程用旋转矢量的描述旋转矢量图示法旋转矢量图示法旋转矢量与简谐运动的关系旋转矢量与简谐运动的关系oxyA 振幅振幅w w 圆频率圆频率j j 初相位初相位 w wt+j+j 相位相位简谐运动可视为一个绕原点做等速圆周运动的点在水平轴上的投影。振动的三个基本单位位移(Displacement)速度(Velocity)加速度(Acceleration)简谐振动三要素振幅振幅反映振动幅度的大小反映振动幅度的大小周
22、期与频率周期与频率反映振动的快慢反映振动的快慢相位相位反映振动信号在时间上的先后反映振动信号在时间上的先后简谐运动的振幅、周期与频率、相位简谐运动的振幅、周期与频率、相位对于一个简谐运动，若振幅、周期和初相位已对于一个简谐运动，若振幅、周期和初相位已知，就可以写出完整的运动方程，即掌握了该知，就可以写出完整的运动方程，即掌握了该运动的全部信息，因此我们把振幅、周期和初运动的全部信息，因此我们把振幅、周期和初相位叫做描述简谐运动的三个特征量，也称三相位叫做描述简谐运动的三个特征量，也称三要素。要素。简谐振动的三要素振幅定义：以位移为单位的单峰值为例为作简谐运动的物体以位移为单位的单峰值为例为作简
23、谐运动的物体离开平衡位置的最大位移的绝对值离开平衡位置的最大位移的绝对值说明：振幅恒为正值振幅恒为正值;振幅的大小与振动系统的能量有振幅的大小与振动系统的能量有关，由系统的初始条件确定关，由系统的初始条件确定简谐振动的三要素周期与频率周期：物体作一次完全振动所需的时间，用周期：物体作一次完全振动所需的时间，用T表表示，单位为秒示，单位为秒(s)频率：单位时间内物体所作的完全振动的次数，频率：单位时间内物体所作的完全振动的次数，用用表示，单位为赫兹表示，单位为赫兹(Hz)。圆频率：物体在圆频率：物体在2秒时间内所作的完全振动的秒时间内所作的完全振动的次数，用次数，用表示，单位为弧度表示，单位为弧
24、度/秒秒(rad.s-1或或s-1)。简谐振动的三要素相位1、相位、相位2、初相位、初相位相位任何振动都有一个初相位。如果两个物体振动的周期相同，乙物体运动超前甲物体角，那么时间相位差是/，是运动角速度。各振动频率成分的初始相位并不重要，我们关心的是各个频率之间的相对相位，特别是激励频率（离心力频率=转速频率）和响应频率之间的相位。激励频率相位（离心力频率=转速频率）：测量转速脉冲信号的光电传感器（键相位）；振动响应频率相位：测量转子或轴承振动的传感器转子振动的相位：激励频率相位（键相位）与振动响应频率相位之差。相位之差：临界转速时90，远大于临界时180-自对中。振动测试技术-名词术语相位与
25、键相-在旋转机械振动测量领域内，相位的含义是：振动信号的某一点（高点或零点），与基准脉冲信号之间在时间上的关系。-脉冲测相法：在转子上贴一条反光带或开键槽，用光电传感器或涡流传感器产生一个与转速完全同步的脉冲信号，求脉冲信号前沿与振动信号上某一点之间的时间距离，即为振动相位。阻尼振动、受迫振动、共振谐振子的阻尼振动振动系统受粘滞阻力与速度大小成正比，方向相反振动系统受粘滞阻力与速度大小成正比，方向相反弹性力或准弹性力和上述阻力作用下的动力学方程弹性力或准弹性力和上述阻力作用下的动力学方程：1、阻尼振动的概念、阻尼振动的概念振幅随时间的变化而减小的振动称为阻尼振动。2、阻尼振动的运动方程、阻尼振
26、动的运动方程谐振子的阻尼振动固有角固有角频率频率阻尼阻尼系数系数弹性力或准弹性力和上述阻力作用下的动力学方程弹性力或准弹性力和上述阻力作用下的动力学方程：谐振子的有阻尼受迫振动强迫力强迫力阻尼力：阻尼力：时，其解为：时，其解为：当当谐振子的有阻尼受迫振动经过足够长的时间，称为稳态解经过足够长的时间，称为稳态解：等幅振动的角频率就是强迫力等幅振动的角频率就是强迫力的频率；的频率；稳定态时的振幅及与强迫力的稳定态时的振幅及与强迫力的相位差分别为：相位差分别为：谐振子的有阻尼受迫振动共振共振的概念共振的概念共振角频率和共振振幅共振角频率和共振振幅当强迫力的频率为某一值时，稳定受迫振动的位移振当强迫力
27、的频率为某一值时，稳定受迫振动的位移振幅出现最大值的现象，叫做位移共振，简称幅出现最大值的现象，叫做位移共振，简称共振共振求振幅对频率的极值求振幅对频率的极值共振角频率共振角频率共振振幅共振振幅谐振子的有阻尼受迫振动共振共振的幅频与相频特性共振的幅频与相频特性共振（共振（resonance）在物体做受迫振动的过程中，当驱动力的频率与物体的固有频率接近或相等时，物体的振幅剧烈增大的现象称为共振。固有振动与固有频率固有振动与固有频率由物体本身结构和特征决定的振动叫做固有振动，其频率叫做固有频率。共振的危害共振的危害TACOMA大桥大桥(塔柯姆)是美国华盛顿州西部是美国华盛顿州西部一座著名的大桥，连
28、接一座著名的大桥，连接TACOMA到大港（到大港（GigHarbor）,1938年开工，年开工，到到1940年七月年七月1日通车，日通车，全长全长5939英尺英尺(860m)。但是在通车后仅仅。但是在通车后仅仅4个个多月，多月，1940年年11月月7日，日，就在一阵每小时就在一阵每小时42英里英里(还不到设计风速限值的1/3)的的“和风和风”吹拂下，吹拂下，坍塌了坍塌了18世纪中叶，法国昂热市一座102米长的大桥上有一队士兵经过。当他们在指挥官的口令下迈着整齐的步伐过桥时，桥梁突然断裂，造成226名官兵和行人丧生。究其原因是共振造成的。因为大队士兵迈正步走的频率正好与大桥的固有频率一致，使桥的
29、振动加强，当它的振幅达到最大以至超过桥梁的抗压力时，桥就断了。类似的事件还发生在俄国和美国等地。鉴于成队士兵正步走过桥时容易造成桥的共振，所以后来各国都规定大队人马过桥，要便步通过。谐振子的有阻尼受迫振动共振转子动力学转子动力学rotordynamics主要研究转子-支承系统在旋转状态下的振动、平衡和稳定性问题，尤其是研究接近或超过临界转速运转状态下转子的横向振动问题。转子是涡轮机、电机等旋转式机械中的主要旋转部件。1869年英国的W.J.M.兰金关于离心力的论文和1889年法国的C.G.P.de拉瓦尔关于挠性轴的试验是研究这一问题的先导。随着近代工业的发展，逐渐出现了高速细长转子。由于它们常
30、在挠性状态下工作，所以其振动和稳定性问题就越发重要。转子动力学的研究内容主要有以下5个：临界转速由于制造中的误差，转子各微段的质心一般对回转轴线有微小偏离。转子旋转时，由上述偏离造成的离心力会使转子产生横向振动。这种振动在某些转速上显得异常强烈，这些转速称为临界转速。1869年，Rankine发表了题为“论旋转轴的离心力”一文，这是第一篇有记载的转子动力学文献，由于略去了柯氏力，得出如下结论：转子在一阶临界转速下工作是稳定的，在临界转速运转时是随遇平衡，在超临界状态时工作是不稳定的。在随后的半个世纪中，这个理论一直使工程师们相信，转子就不可能在一阶临界转速以上工作。随着汽轮机的发展，人们需要转
31、子在所有转速状态下都能稳定运行。1889年法国的C.G.P.de拉瓦尔进行了关于挠性轴的试验。1919年，英国动力学家H.H.Jeffcoott研究了一个简化的挠性转子模型即Jeffcoott转子：一根无质量的弹性轴，轴的两端刚性铰支，轴的中央固定有一个圆盘，圆盘具有质量、不平衡度、有阻尼。即使转子在超临界状态下工作，它也仍然是稳定的，而且由于此时发生了质心自位作用，即质心自动对中，轴承负荷减小。这表明，转子在超临界状态运转是有利的。存在的问题是通过临界转速时共振响应很大，但这个问题可以通过利用适当的阻尼、提高平衡精度、提高加速度等办法加以克服。这样，将转子设计在超临界转速状态下工作，不但可以
32、提高汽轮机、压缩机等的效率，提高功率和产量，还能保证转子运行的稳定性，便是理所当然的事。这种思想在20年代逐渐替代了旧的概念，并设计生产了许多工作转速大大超过其一阶临界转速的透平、压缩机等。为确保机器在工作转速范围内不致发生共振，临界转速应适当偏离工作转速例如10以上。临界转速同转子的弹性和质量分布等因素有关。对于具有有限个集中质量的离散转动系统，临界转速的数目等于集中质量的个数；对于质量连续分布的弹性转动系统，临界转速有无穷多个。计算大型转子支承系统临界转速最常用的数值方法为传递矩阵法。其要点是：先把转子分成若干段，每段左右端4个截面参数（挠度、挠角、弯矩、剪力）之间的关系可用该段的传递矩阵
33、描述。如此递推，可得系统左右两端面的截面参数间的总传递矩阵。再由边界条件和固有振动时有非零解的条件，籍试凑法求得各阶临界转速，并随后求得相应的振型。通过临界转速的状态一般转子都是变速通过临界转速的，故通过临界转速的状态为不平稳状态。它主要在两个方面不同于固定在临界转速上旋转时的平稳状态：一是振幅的极大值比平稳状态的小，且转速变得愈快，振幅的极大值愈小；二是振幅的极大值不像平稳状态那样发生在临界转速上（大于临界转速）。在不平稳状态下，转子上作用着变频干扰力，给分析带来困难。求解这类问题须用数值计算或非线性振动理论中的渐近方法或用级数展开法。动力响应在转子的设计和运行中，常需知道在工作转速范围内，
34、不平衡和其他激发因素引起的振动有多大，并把它作为转子工作状态优劣的一种度量。计算这个问题多采用从临界转速算法引伸出来的算法。大型机组振动特性分析及故障预防1、原法国机组概况：转速：15500rpm；排出压力：3.0MPa：一阶临界：9800rpm；二阶临界18500rpm。2、转子系统运动方程4.大型机组振动特性分析及故障预防3 3、法国进口高压缸转子模态分析a、高压缸转子结构图b、高压转子有限元模型图4.大型机组振动特性分析及故障预防4 c、高压缸转子Y方向前三阶振型4.大型机组振动特性分析及故障预防5 d、转子不平衡响应4.大型机组振动特性分析及故障预防6 4、新设计的压缩机高压缸转子动力
35、特性分析a、第一次新设计的高压缸转子结构示意图4.大型机组振动特性分析及故障预防7 4、新设计的压缩机高压缸转子动力特性分析b、第一次新设计的高压缸转子不平衡响应分析4.大型机组振动特性分析及故障预防8 5、动力学分析结论第一次设计的高压缸转子对转子右端悬臂处不平衡质量比较敏感：转子右端悬臂处存在残余不平衡质量时，中间结点的响应最大幅值为法国转子的二倍左右，而右端悬臂处的响应最大幅值为法国转子的三倍左右。6、高压缸转子动力特性的改进改变了尾部两级轮轮盘的结构及其和轴的连接方式。第一次结构设计中，尾部两级轮轮盘的结构是整体实心结构，通过螺栓和轴连接为一体。尾部悬臂的两级轮轮盘重量很大，是造成强烈
36、转子不平衡响应的直接原因。在第二次的改进设计中，将尾部整体实心结构的两级轮轮盘，改成两级分体独立轮轮盘的组合，通过和轴的过盈配合与转子联成一体，大大减轻了尾部悬臂两级轮轮盘的重量，同时还增大了轴承处的轴径，提高了转子运行的稳定性。4.大型机组振动特性分析及故障预防9 7、转子改进后不平衡响应分析转子稳定性美国通用电气公司为了解决高炉鼓风机发生的振动问题，进行了一系列的实验研究，发现这是一个转子轴承系统的失稳问题。即当转子转速达到某一失稳门槛转速时，转子发生剧烈的自激振动。他们于1924年发表了研究成果，这是第一篇关于转子稳定性的论文，发现了转子动力稳定性的许多重要现象，对转子动力学的认识有了一
37、个飞跃。转子保持无横向振动的正常运转状态的性能。若转子在运动状态下受微扰后能恢复原态，则这一运转状态是稳定的；否则是不稳定的。转子的不稳定通常是指不存在或不考虑周期性干扰下，转子受到微扰后产生强烈横向振动的情况。转子稳定性问题的主要研究对象是油膜轴承。油膜对轴颈的作用力是导致轴颈乃至转子失稳的因素。该作用力可用流体力学的公式求出，也可通过实验得出。一般是通过线性化方法，将作用力表示为轴颈径向位移和径向速度的线性函数，从而求出转子开始进入不稳定状态的转速门限转速。导致失稳的还有材料的内摩擦和干摩擦，转子的弯曲刚度或质量分布在二正交方向不同，转子与内部流体或与外界流体的相互作用，等等。有些失稳现象
38、的机理尚不清楚。动平衡确定转子转动时转子的质心、中心主惯性轴对旋转轴线的偏离值产生的离心力和离心力偶的位置和大小并加以消除的操作。在进行刚性转子（转速远低于临界转速的转子）动平衡时，各微段的不平衡量引起的离心惯性力系可简化到任选的两个截面上去，在这两个面上作相应的校正（去重或配重）即可完成动平衡。为找到两截面上不平衡量的方位和大小可使用动平衡机。在进行挠性转子（超临界转速工作的转子）动平衡时，主要用振型法和影响系数法。它们是转子动力学研究的重点。设备诊断工程设备诊断工程:设备诊断工程设备诊断工程(PDE)(PDE)机电设备运行状态和工况监测机电设备运行状态和工况监测故障诊断和预测故障诊断和预测
39、优化操作优化操作 维修决策维修决策指导改进机器及其设计指导改进机器及其设计2 2 设备诊断工程及其成效设备诊断工程及其成效工程复杂系统故障和事故的诊断与预防工程复杂系统故障和事故的诊断与预防（1）现代工业设备大型化高速化.复杂化.自动化.连续化程度越来越高。一旦出现故障，修理费用高，损失成倍增长，容易引发恶性事故设备安全稳定运行是提高生产效益，保证人身安全的关键。（2）高速叶轮机械结构复杂，故障具有随机性，诊断难度大，高速叶轮机械转子动力学特性研究，故障与特征对应关系的研究以及监测和诊断方法的研究既是热点又是难点。（3）在故障机理分析和故障特征与故障原因研究的基础上根据多年设备诊断实践，提出黑
40、*白*灰集合筛选法，并建立实用性很强的机械故障诊断专家系统。（4）对大型机组设计阶段进行转子动力学分析可提高压缩机性能，杜绝“先天不足”，保证机组安全稳定运行。（5）烟气透平故障诊断案例分析和治愈技术研究对指导工程实践和进行大型烟气透平的应用具有重要意义。征征兆兆参参数数和和故故障障原原因因并并非非一一一一对对应应关关系系，是是多多果果（征征兆兆参参数数）和多因（故障原因）的复杂对应关系。和多因（故障原因）的复杂对应关系。征兆谱征兆谱 原因谱原因谱 S S=S1,S2,-SnR=R1,R2-Rm图图2 2 诊断诊断-逆过程逆过程系统动力特性系统动力特性刚度、阻尼、质量刚度、阻尼、质量响应响应振
41、幅、频率、相位振幅、频率、相位激励激励故障诊断故障诊断外因外因内因内因表2实施设备诊断工程的措施和效果序号措施效果1早期探测故障征兆，及时报警采取应急对策杜绝事故，减少故障停机损失和非计划停机检修2长期监测机器状态、工况，据此安排检修计划实行状态检修，减少检修次数，缩短检修时间3探测出机器异常原因、缺陷部位，尽早确定检修项目，超前准备防止过剩维修，减少停车检修中的等待时间，减少备件、备台储备4改进装备，消除瓶颈，提高系统可靠度和功能可利用性延长装置的运转周期5监测异常工艺参数，及时调整指导优化操作，节能降耗6据监测诊断资料，对在用装备评价指导装备选型、采购和设计改进BENTLY 3300/35
42、00/7200各类DCS PLC现场控制室现场设备便携巡检仪便携巡检仪在线数据采集器已装有传感器的机组没有装传感器的设备现场嵌入式数据采集系统防爆箱防爆箱企业局域网企业局域网InternetInternetInternetInternet数据数据服务器服务器中间件中间件服务器服务器控制室控制室监测站监测站厂、车间办公室厂、车间办公室网关机或网关机或路由器路由器企业通讯企业通讯代理服务器代理服务器企业防火墙企业防火墙拨号上网或拨号上网或ADSLADSL等用户等用户便携远程便携远程诊断客户诊断客户短消息发短消息发送服务器送服务器中石化内部局域网中石化内部局域网（设备管理信息平台）（设备管理信息平台
43、）化工大学诊断与自愈化工大学诊断与自愈工程研究中心网站工程研究中心网站用振动分析方法监测设备状态用振动分析方法监测设备状态分析方法分析方法幅值分析：振动总值（振动水平、列度）、变幅值分析：振动总值（振动水平、列度）、变化趋势、机械动态特性化趋势、机械动态特性频谱分析：引起设备振动原因的具体分析频谱分析：引起设备振动原因的具体分析相位分析：设备振动原因的进一步确认、共振相位分析：设备振动原因的进一步确认、共振（相频特性）、动平衡分析（相频特性）、动平衡分析波形分析：振动总值（峰值、峰峰值波形分析：振动总值（峰值、峰峰值）、周）、周期、拍节期、拍节峰值能量谱分析：轴承、齿轮峰值能量谱分析：轴承、齿
44、轮振动分析的过程：振动分析的过程：问诊问诊 监测监测 诊断诊断 措施措施问诊：问诊：了解设备背景，列出可能引起振动的原因了解设备背景，列出可能引起振动的原因 设设备备结结构构（传传动动链链参参数数，如如齿齿轮轮齿齿数数、轴轴承承型型号号、皮皮带带轮轮直径直径 等）、设备的动态特性等信息等）、设备的动态特性等信息;设备运行工况，过程参数：温度、压力、转速、负荷设备运行工况，过程参数：温度、压力、转速、负荷设备维修档案设备维修档案监测监测:确定振动监测和分析方案确定振动监测和分析方案 测试的工况（转速、负荷）；测点位置；测试参数（振动测试的工况（转速、负荷）；测点位置；测试参数（振动位移、速度、加
45、速度）；绝对振动、相对振动位移、速度、加速度）；绝对振动、相对振动测试振动的方向（测试振动的方向（H/V/AH/V/A）数据类型（幅值、频谱、波形、相位）数据类型（幅值、频谱、波形、相位）信号检测类型：峰值、峰峰值、有效值信号检测类型：峰值、峰峰值、有效值振动分析的过程：振动分析的过程：问诊问诊 监测监测 诊断诊断 措施措施诊断：诊断：引起振动的原因和部位引起振动的原因和部位 振动幅值趋势分析振动幅值趋势分析 振动波形识别振动波形识别频谱分析、峰值能量谱分析频谱分析、峰值能量谱分析 频响特性与相干分析频响特性与相干分析瞬时频率变化与相位分析瞬时频率变化与相位分析措施：措施：给出结论给出结论 继
46、续运行；还能运行多久继续运行；还能运行多久?维修、检查；部位维修、检查；部位?PIS便携式智能巡检仪3 大型机组振动故障的诊断方法(1)最佳诊断方法的探讨 a、在研究故障机理基础上，找出识别特征作为判据（a,b,），对全部故障可能原因集（0）逐一进行判别，凡不具备此特征的为黑集（N），具备的为白集（Y），而不清楚具备与否的称为灰集（YN）。这样可以应用判据去掉黑集（N），余下白集（Y）和灰集（YN）作为新的全集（1），用上述方法多次筛选直至得到满意结果。b、旋转机械响应、激励和系统动力特性三者关系 响应（振幅、频率、相位）产生于激励（力、位移）和系统动力特性（刚度、阻尼、质量）的变化。3 大型
47、机组振动故障的诊断方法(2)振动故障机理及识别特征研究 a、振动故障一次原因分析法及其分类。振动故障一次原因是指产生振动响应的直接原因，其本身是产生激励或是直接使旋转机械系统的刚度、质量、阻尼等系统动力特性发生变化的原因。b、振动的主导频率判别法及其分类。振动的主导频率一般是指在频谱分析中最大或变化最大幅值的频率成分。c、振动故障一次原因与主导频率的关系。d、黑灰白集合进一步筛选判据的研究 3.大型机组振动故障的诊断方法 3.大型机组振动故障的诊断方法 故障类别故障类别精确分频、同频和倍频振动精确分频、同频和倍频振动非精确分频、同频和倍频振动非精确分频、同频和倍频振动故障主导故障主导频率特征频
48、率特征（1/21/n1/21/n）分频）分频（精确（精确1 1倍）同倍）同频频（2n2n）倍频倍频一般亚异步一般亚异步分频滞后分频滞后同频滞后同频滞后倍频滞后倍频滞后故障特征故障特征转转 子子 自自 转转（2n2n）周周发发生生一一次次涡涡动动转转子子自自转转一一周周发生一次振动发生一次振动转转子子自自转转一一周周振振动动（2n2n）振振动动频频率率小小于于转转子子转转动动频频率率但但无无规规律律，有有的的为为第一临界第一临界振振 动动 频频 率率总总 是是 略略 低低于分频于分频振振动动频频率率总总是是略略低低于于同同频频振振动动频频率率总总是是略略低低于倍频于倍频 转子、定子偏心引起流体激
49、振转子、定子偏心引起流体激振故障机理故障机理在在非非线线性性系系统统中中激激励励出出的的切切向向力力使使转转子子产产生生涡涡动动离离心心力力引引起起的的旋旋转转矢矢量量激激振振力力过过大大或或是是每每转转一一周周产产生生一一次交变力次交变力转转子子自自转转一一 周周 受受（2n2n）交变力交变力转转子子内内磨磨擦擦或或转转子子内内部部积液积液流流 体体 激激 振振油油膜膜涡涡动动，油膜振荡油膜振荡转转子子的的部部件件松松动动、旋旋转转失速失速滑差引起滑差引起故障直接故障直接原因类别原因类别支支承承系系统统、摩摩碰碰、流流体体动力、共振动力、共振转转子子自自身身、轴轴系系（预预负负荷荷）、支支承
50、承系系统统、电电磁磁力力、摩摩碰碰、流流体体动动力力、临临界界转转速速（仅仅同同频频、共振、部件、其他）共振、部件、其他）转转 子子 自自 身身、流体动力流体动力支支承承系系统统、流体动力流体动力转转子子自自身身、流体动力流体动力部件部件表表3 3 旋转机械振动故障主导频率及故障原因对应表旋转机械振动故障主导频率及故障原因对应表3.3 基于黑灰白集合筛选法机械故障诊断专家系统 在黑灰白集合筛选法和判据研究的基础上，通过建立多征兆和多故障一次原因故障树，采用黑灰白集合矩阵判别筛选法开发出机械故障诊断专家系统。第第层：机器层：机器类型及测试方式及测试方式 第第层：初步诊断和精确诊断层：初步诊断和精