摘要:本文介绍旋转机械振动监测和设备故障诊断的意义、旋转机械的常见振动问题
和振动测量的原理及 测试方法。最后介绍研制开发的以计算机为核心的旋转机械振动监测和分析系统的主要功能。

　　关键词:机械振动;轴振动;频谱分析;故障诊断

　　1．振动状态在线监测及预测维修

　　旋转机械的振动监测是设备运转状态监测的重 要组成部分。随着生产技术的发展,一种以状态监 测为基础的故障诊断和预测技术得到推广与应用。 这种技术的发展，将使设备的维修方式从传统的 ‘事故维修”和‘定期维修”过渡到‘预知性维修” 从而大大提高设备的年利用率，减少停机维修时间， 降低维修费用，同时也减少了备件库存量。此外，旋 转机械的振动测试技术也是转子现场动平衡和转子 动力特性试验研究不可缺少的手段。

　　近十年来,我国振动状态监测技术得到了重视和研究，在关键设备上配备了监测仪表或监测系统。 例如从国外引进的燃气轮机发电机组都安装了振动 保护系统。对国内制造的200MW、30CMW和 600MW汽轮发电机组的仪表设计工作正在选择相 应的振动保护系统与主机配套。国内原有的电站设 备已逐渐安装机械保护系统及准备安装机械保护系统。

　　2　旋转机械振动测试概要

　　旋转机械振动测试的主要对象是一个转动部件 一转子或转轴，在进行振动测量和信号分析时，也 总是将振动与转动密切结合起来，以给出整个转子 运动的某些特征。

　　2.1旋转机械的振动问题

　　转子是旋转机械的核心部件。通常转子是用油膜轴承、滚动轴承或其它类型轴承支承在轴承座或 机壳、箱体及基础等非转动部件上，构成了所谓的 ‘转子一支承系统” 一台旋转机械能否可靠地工 作主要决定于转子的运动是否正常。大量事实表明,旋转机械的大多数振动故障是与转子直接有关。 比如由质量不平衡、转轴的弯曲或热变形、轴线不对 中、油膜涡动及振荡、润滑油中断、推力轴承损坏、轴裂纹或叶片断裂、径向轴承磨损、部件脱落、动静部 件接触和不均匀气隙等等原因引起的振动,都是与 转子直接有关的振动故障。当然，也有少部分故障 是与非转动部件有关。比如支承损坏、基础共振、基 础材料损坏、机壳不均匀热膨胀，以及机壳固定不妥 和各种管道作用力等原因引起的振动，均属于与非 转动部件有关的振动故障。有资料估计，旋转机械 的80%以上的振动故障是由转子不平衡、轴线不对 中和轴承不稳定这三类原因引起的。显然,这三类 原因均属于与转子直接有关的故障。

　　既然大多数振动故障是与转子直接有关，而且 当这些故障出现时，转子振动状态的变化要比非转 动部件的振动变化敏感得多。因此,直接测量转子 的振动状态应能获得更多的有关故障的信息，这比 测量轴承座或机壳等非转动部件的振动要更为全面、可靠。曾有人在一台50MW汽轮发电机组高压 缸轴承座(椭圆瓦油膜轴承）上测得峰-峰振幅为0.03~0.04mm,同时测得转子轴颈相对于轴瓦的峰-峰振幅达0. 4〜0.5mm。如果以轴承座的振幅为 依据，则该轴承座的振级是允许的，但是经打开轴瓦检查,发现轴瓦上局部合金表面已被磨损。一些事 例表明,某些与转子有关的振动故障,比如油膜不稳 定振动或叶片损坏引起的不平衡振动等，有时反映 在轴承座等非转动部件上的振动变化并不十分明显，如果不是直接测量转子的振动，这些故障易被忽略。

　　2.2旋转机械振动测试系统

　　旋转机械振动测试系统如图1所示。测试系统分为两部分:前一部分为传感器测量系统，它包括各种振动传感器及其专用测量电路（如转速整形、低 通滤波、电荷放大等）,其作用是将旋转机械的振动 变换为具有归一化灵敏度的电压信号;后一部分为信号采集与分析系统,它的作用在于将原始振动信 号通过A/D转换，成为数字信号经由计算机按要求 进行分析处理，从不同角度为状态监测、故障诊断、 动平衡或其它试验研究目的提供必要的信息。

图1 旋转机械振动测试图框

　　传感器是监测装置的‘眼”和‘耳”它关系到整 个测试与分析结果的可靠性和准确性。如果传感器 测量系统不能真实地提供振动信号,致使各频率振 动幅值和相位上有较大的歪曲，或者由于测点部位 选择不当致使遗漏某些重要信息，即使后续有较高级的分析与处理设备，也难以获得可靠的信息。旋 转机械振动测试中常用三种类型传感器:惯性式速 度传感器、压电式加速度传感器和不接触的电涡流式位移传感器。与它们配套的专用测量电路分别为 积分放大器、电荷放大器和前置器。测得的振幅分 别为mm/s、mm/s2或g及mm或μm。速度振幅采用有效值，加速度振幅采用单峰值，位移振幅采用峰峰值。在10~1000Hz的频段内速度均方根值相同的振动被认为具有相同的振动烈度。

　　旋转机械振动信号分析与数据处理的内容非常 丰富，其基本内容包括基频检测、频谱分析、波形分析(各种幅值的检测及相关分析等）及趋势分析。 基频振动是指旋转机械振动信号中与转速同频率的 振动分量。旋转机械的实际振动不可能是单一频率的简谐振动，它或多或少包含基频之外的其它频率分量。基频检测的目的就是从总的振动中提取基频 振动的幅值及相位。频谱分析则是从频域分析总的振动中各种频率分量，以及各频率分量随转速或负荷等因素的变化情况,它是进行故障诊断的重要依据。随着计算机技术的发展，以微处理机为控制器 的旋转机械在线状态监测系统得到了推广和应用。 随着计算机存储容量和内存的不断扩大，使得长时间的实时采集数据、实时分析数据成为可能,为故障 诊断和分析提供了重要的依据。

　　2.3相位的确定

　　在旋转机械振动测试中,相位是指基频振动相对于转轴上某一确定标记的相位落后。设转轴端面 如图2(a)所示。在转轴本体上某一确定位置设立 一标记线K;另外在固定平面上也设置一固定标记K。并且约定固定刻度盘从定标记K起始,刻度值 按逆转向增加;轴本体上的刻度从动标记K起始, 刻度值按顺转向增加。设每当动标记K转至定标记K的瞬时给出一脉冲信号,则这一序列脉冲信号 即作为该旋转机械各点振动相位的参考，如图2(b) 所表示的那样,这一脉冲信号,一般称为键相信号。

图2旋转机械振动相位的确定

　　为了获得相位参考脉冲信号，可采用电涡流传感器或光电传感器。本系统采用的是光电传感器。 当用光电传感器时，要求在轴表面上动标记K处沿 轴向涂上域粘上）一反射窄带，其余部分为黑区, 或者相反。如果用电涡流传感器提供脉冲信号，则要求在动标记K处铣出一条几毫米的键槽,或在轴 上沿轴向粘上一条0.5~1.0mm厚的金属窄带。由于键槽或反射带具有一定的宽度，因此脉冲信号也有一定的宽度，而且脉冲上升时间也不是无限短，如图3所表示的那样。这时，需将脉冲信号进行整形处理,并选择脉冲的前沿或后沿作为触发的参考，将脉冲信号整形为持续时间极短的尖脉冲。前、后沿触发所得的相位值的差别视脉冲信号的宽度大小而 定。当脉冲的宽度相对于一转动周期甚小时，这一差别也随之减小。

图3用电涡流传感器或光电传感器提供相位参考脉冲信号
　　

　　2.4转轴径向相对振动的测定

　　转轴径向相对振动（简称轴振动）是指圆轴横 截面中心他称轴心）相对于轴承座在某一半径方 向的振动。实际上我们不能直接测量到轴心的振动，通常以所能测到的圆轴的转动表面在某一半径 方向的振动，作为轴心在该方向的振动。轴振动的测定是分析转轴振动状态的重要依据，特别对于油 膜轴承，由于轴颈与轴瓦之间留有一定的间隙以形 成油膜，因此在多数场合，轴颈处轴振动通常要比轴承座的振动大，有时甚至大数倍至十数倍。这时，轴 的径向相对振动就足以为我们分析轴的振动故障提供主要信息，而不一定需要再测量轴的径向绝对振动。

　　用不接触式电涡流传感器测量轴振动的装置如 图4所示。图4 (a)上的装置是用固定卡将两个涡流传感器安装在轴瓦侧面两个选定的相互垂直的半径方向上传感器的电缆视具体情况可以从轴承座 下半部和出线孔引出，或从图上所示的特制密封接头中引出。利用图4(a)装置,我们可以测定转轴在 两个正交方向的轴振动，进而可以将这两个轴振动 合成得轴心在其横截面内的相对运动轨迹,即轴心 轨迹。图4(b)是将装有电涡流传感器的专用测量盒拧入轴承盖上特别加工的测量孔内，以实现对轴振动的测量。

图4 测定转轴径向相对振动的装置
　　

　　3　旋转机械状态在线监测软件

　　随机信号与振动分析系统简称CRAS，是南京汽轮高新技术开发公司开发研制的，以计算机为核心的多功能振动分析系统。自上世纪80年代开发 以来，随着计算机的发展以及操作系统、开发软件平台不断更新，系统也从DOS版升级为Windows XP， 目前正在开发 Windows Vista版，以 Microsoft Visual C++NET为开发工具的一个成熟的商品软件。旋转机械振动监测和分析VmCms及机器状态在线监 测和分析OiMonifcr只是其中的两个软件包，机器 状态在线监测和分析OiMonitor具有VmCras全部 功能并兼有大容量数据管理功能。这两个软件包的主要功能和4个通道频谱界面如下：

图5 随机信号与振动分析系统界面  
　　

　　(1)采集方式：内部（FFT等带宽）、外部（整周 期转速跟踪）。
　　(2)转速传感器：内部方式可以加转速也可不 加;外部方式必须加转速传感器。转速传感器采用 光电转速传感器。
　　(3)采集控制:监示、定时间间隔、定转速间隔、 连续。
　　(4)监测值类型:有效值RMS、峰值Peak、峰一 峰值P - P。
　　(5)报警限值:各通道报警限值设定。
　　(6)加窗函数：矩形窗（Rectangle)、汉宁窗(Hanning)、指数窗（Exp)、力窗（Force)等。
　　(7)稳态分析:时基图、棒图、轨迹图、每日趋势 图、频谱图或阶次谱图。
　　(8)瞬态分析:时基图、棒图、轨迹图、启停过程 趋势图、波德图、极坐标图、转速阶次谱图和全息谱。
　　(9)趋势分析:振动时间曲线、振动转速曲线、 转速时间曲线。
　　(10)数据列表:采集数据列表、事件列表、统计 列表。

　　以下就是用该软件对燃气轮机进行检测的一些 数据的图形截屏。

　　3. 1 轨迹图（Orbit)

　　轴心轨迹是指在给定的转速下,轴心相对于轴 承座在其与轴线垂直平面内的运动轨迹。我们可以 测定转轴在两个正交方向的轴振动,进而可以将这 两个轴振动合成得轴心在其横截面内的相对运动轨 迹，即轴心轨迹。仅仅得到了轴心轨迹图，还没有显示频率信息。在轨迹图上还必须迭加上转速键相信 号。转子同步振动时,每转一圈就振动一次,轨迹图 上出现一个光亮点。如果轨迹图上出现二个亮点, 则说明转子呈现次同步振动，振动频率等于转速的 一半。因此轨迹图上添加一个键相参考脉冲，有助于识别轴振动频率。得到转子运动轨迹后,可以分 析不平衡、不对中、磨擦、油膜振荡、转轴涡动、机械 松动等机械故障，如图6。

图6轨迹图
　　

 　　3.2频谱图及阶次谱图

　　旋转机械振动的频率分析是诊断振动原因的最 主要方法之一。当采用内部方式采样即固定采样频 率采样时，分析频率范围是恒定的。这种情况下的 频率分析（功率谱、功率谱密度、能量谱以及均方根 谱)与普通FFT分析仪对各种机械或信号的频率分析没有什么区别，见图7。当采用外部采样方式，以转速信号作为参考进 行整周期采样的情况下，旋转一个周期中取得的样 本数正好等于FFT块大小（32、64、128、256)。此 外，由于存在一个键相脉冲信号作为相位基准，每次 采集所得到的一个周期信号的相位都是相同的。对它们进行FFT计算后，振动信号的基频（即转动频 率)在频谱图的第1根线上（第0根线为直流分量）;二倍频分量在第2根谱线上；……因此，这种 整周期采样振动信号的频谱称为阶次谱。如果每转 取32个点，则可分析到16阶振动分量;每转取64 个点，可分析到32阶振动分量；8226;8226;…阶次谱分析是 旋转机械特有的谱分析方法，属于特征分析的一种。 因为旋转机械振动的原因往往是与转子振动有关的，因此，振动的特征也与工频分量或其整数倍有 关。阶次分析对于旋转机械振动诊断是一个有力的工具。

图7 频谱图
　　

　　3. 3波德图（Bode)和极坐标图（Polar)

　　波德图是描绘基频振动的幅值及相位随转速变 化的两条曲线，如图8,波德图有时也称为不平衡响 应图。极坐标图又称为乃奎斯特图，是以各转速下 基频幅值为径向的模,以相位为径向的幅角,在极坐 标平面上绘制的曲线。所以,极坐标图实际上就是基频振动的复数振幅随转速变化的向量端图，如图 9。波德图由于是以转速为横坐标，因此从幅值曲线 易于确定临界转速值,并可由曲线上的半功率带宽 粗略估计该临界转速下的阻尼比（P1、P2称为半功率点,其宽度为半功率带宽，H6为半功率点转速、 r1、r2为振幅最大值凡处的转速，阻尼比Σ≈（r2-r1）/2rm,但其形状受轴弯曲或跳动而影响较大。极 坐标图突出振幅与相位的相互变化关系，其开头不受轴弯曲或跳动影响,任何弯曲或跳动的存在只表 示为一个初始矢量。极坐标图在动平衡时常被用来 确定转子上不平衡质量分布的方位角。

　　3.4三维频谱图

　　三维频谱图又名级联图、谱阵图、瀑布图，它是 以转速、时间等作为第三维绘制的频谱曲线集合。

　　波德图和乃奎斯特图都受升降速度的限制，升速或降速太快分析的误差较大。然而，在转速变化时能经常观察频谱的某几个分量的动态变化过程,这正是动态级联谱图的优点之一。如图10,三维频 谱图能较清晰地显示各倍频分量随转速的变化情况。

图9 极坐标图

图10 三维频谱图

　　为了适应旋转机械在转速变化情况下进行频率 分析的特殊要求，采用跟踪阶次的外采样技术可以得到以转速的阶次为横坐标的频谱图，在阶次频谱 图上各阶分量呈平行线，如图11。

图11 阶次频谱图

图12 全息谱图

　　3.5全息谱图

　　另一种动态级联谱，它由许多椭圆组成，椭圆的直径是该阶的振动幅值，倾角是相位，如图12。目前，旋转机械振动监测和分析VmCras已在 高校、冶金、电力、电机、汽机等行业得到广泛应用。图12全息谱图我公司的9E燃气轮机组的出厂试验检测中也已应用。

　　4．振动趋势分析

　　趋势分析是另外一种广泛用来近似地确定机器 状况的方法。用它来确定一台机器是否处于正常状态，或者是否出现恶化。所有的机器都不例外，都会 因为一个不太重要的缺陷处于某一振级水平。然而，在那些没有出现重大机械故障的地方，振级会在 一段长时期内相对地保持稳定。相反，如果出现重 大机械故障，这些故障会使机器的机械状况恶化，那 么相应振级会随着机械状态和恶化过程的时间而发生变化。例如一个转动体的不平衡可能在轴承上产生超过其允许承受的力，因此，轴承很可能会在较短 的时间内开始磨损，并且随着时间的延续进一步恶 化，当然结果是明显地增加振级。因此，通过对机器 的周期性侮日、每星期等）振动检查，并在趋势图 上标出数据，机械状态就一目了然。如果振级表示 正常，这种趋势图会保持相对平缓。

图4 厂用电率与修正厂用电率对比图
　　

　　经常会产生这样的情况，某机器虽然振动水平曲线非常平滑，在较小范围内波动，说明电厂厂用电 情况和主变损耗情况正常。举例计算的结果验证了 本文修正计算方法的正确性与实用性。同时须指出 的是:若修正综合厂用电率有异常变化，一定是技术因素导致的,应该寻找原因。比如:重大设备更换, 设备检修用电量变化,变压器因温度变化导致损耗 变化，电表计量装置故障等等，本文就不具体分析了。

　　5　结论

　　因联合循环电厂有调峰运行特点，按传统方法 计算的厂用电率和综合厂用电率不能全面准确的为 电厂的运行工作给予正确的指导。文中深入分析了 影响厂用电率的因素,并提出了修正综合厂用电率 的计算方法，通过实例验证了这套修正计算方法的正确性。这套修正计算方法为电厂数据统计与分析 工作提供了理论依据,且具有
实用性,建议相关电厂采纳使用。