CN103398831B - 截面进动轨迹识别旋转机械支承差异故障的方法 - Google Patents
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Abstract
截面进动轨迹识别旋转机械支承差异故障的方法，以旋转机械各测振截面转频进动轨迹测试为基础，通过分析各测振截面转频进动轨迹之间的差异关系，实现旋转机械系统支承差异的估计，进而确定旋转机械系统的故障处理方案，本发明提出的支承差异故障识别方法是一种在旋转机械工作状态下的直接测试评估，并不需要在旋转机械系统上添加额外的激振力，对于工业现场中以轴承安装参数保证支承系统力学特性的旋转机械系统故障处理，该方法的提出对于降低平衡操作的盲目性，减少现场故障处理的时间具有重要的作用。
Description
技术领域
本发明属于旋转机械故障诊断技术领域，具体涉及截面进动轨迹识别旋转机械支承差异故障的方法。
背景技术
在旋转机械的转频振动故障处理中，动平衡是控制旋转机械截面振动通常使用的一种方法。但是在旋转机械的平衡操作中，受系统支承各向异性的影响，测振截面转频进动轨迹表现为椭圆，配重方案的振动响应效果也会受支承差异各向异性的影响。专利“转子全息动平衡法”(参见中国发明专利ZL97108694.X)考虑了旋转机械支承各项刚度异性的影响，通过测振截面多传感器信息融合和配重方案的优化实现测振截面椭圆长轴方向振动的控制。
对于支承各向异性的旋转机械转子的平衡操作，虽然可以通过优选配重方案对截面残余椭圆参量进行控制。然而，在平衡操作时，当平衡截面位置选择确定后，理论上平衡能够保证测振截面椭圆参数的理想方案已经确定，优化算法获取的配重响应无法超越最优方案。当理想方案不能满足现场要求的振动量级时，这时平衡操作将进入僵局性。对于支承差异下转子系统的平衡操作，在旋转机械的平衡操作之前对系统的各向异性进行评估，对于减少平衡操作的盲目性具有至关重要的作用。
对于旋转机械系统，支承差异和转子的失衡都是客观存在的。受支承差异的影响，不同失衡截面失衡量对特定测振截面振动在X，Y两个方向影响是存在一定差异的。失衡截面对测点振动影响的差异关系与失衡截面、测振截面的轴向分别位置，支承差异的程度以及转子的工作转速等密切相关。固定工作转速下的旋转机械系统，特定平衡面对测点振动影响的差异关系与支承系统的差异程度密切相关，在特定平衡面上理论可控振动也受失衡量与平衡截面在空间位置上的差异影响。
由于特定平衡截面对测点振动影响在X，Y方向上的差异关系与支承差异程度密切相关，这样可以通过转子系统的振动响应评估系统的差异程度。本发明是在转子系统支承差异对系统在不同方向振动影响差异理论研究的基础上提出的。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供截面进动轨迹识别旋转机械支承差异故障的方法，识别精度高，操作、判断简单，易于编程实现。
为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：
截面进动轨迹识别旋转机械支承差异故障的方法，包含以下步骤：
步骤一：振动响应数据序列的FFT变换，获取第i测振截面的X和Y方向转频响应的幅值Ai和Bi，相位φi和ψi；
步骤二：计算X和Y振动响应的幅值差异系数χi，选Y方向振动响应与X方向振动响应幅值比值作为幅值差异系数χi，即χi＝Bi/Ai；
步骤三：计算X和Y振动响应的相位差异系数选Y振动响应与X方向振动响应相位计算相位差异系数即
步骤四：构造第i测振截面的轨迹参量特征矩阵Hi，其中
步骤五：在步骤一至步骤四中通过改变测振截面i，获取其它测振截面的轨迹参量特征矩阵；
步骤六：构造平均幅值差异系数χ和相位差异系数对应下的轨迹参量特征矩阵H，其中
步骤七：构造测振截面i的轨迹参量特征矩阵中，平均差异系数对应轨迹参量特征矩阵Hi＝τiH+Pi，其中τi为平均差异系数对应轨迹的形状比例系数，Pi为估计残余轨迹参量特征矩阵；
步骤八：在步骤七中改变测振截面i，获取其它测振截面的估计方程，并组成估计方程组；
步骤九：在估计方程组中添加约束条件获取平均幅值差异系数χ和相位差异系数和各测振截面平均差异系数对应轨迹的形状比例系数τi以及估计残余轨迹参量特征矩阵Pi，其中方程组以各截面残余轨迹参量特征矩阵Pi和其转置矩阵Pi T的乘积PiPi T的和矩阵为参量，以和矩阵的迹最小为方程组的求解约束条件；
步骤十：依据上述步骤九得到的参数评估系统的差异程度，实现旋转机械支承差异状况的评估。
本发明是以支承差异和旋转机械测振截面轨迹形状影响关系的研究为基础，以测振截面响应轨迹形状估计系统的支承差异情况，并进而执行旋转机械的故障处理方案的。本发明提供的支承差异识别方法在旋转机械的故障诊断和故障处理中，开辟了新的思路，主要优点在于：
1、本发明提供的支承差异识别方法仅根据旋转机械测振截面的振动响应数据作为评估原数据，其不需要对系统添加额外的激振力进行参数的识别，具有操作简单。
2、本发明提供的支承差异识别方法以旋转机械测振截面椭圆相似程度为指标，具有判断简单，易于编程实现等优点。
3、本发明提供的支承差异识别方法在支承差异程度识别中具有识别精度高的特定，这对于故障机组的故障处理方案的制定和减少故障处理的时间等均具有重要的意义。
支承差异识别方法是基于支承差异、转子失衡截面与测振截面轴线位置分布以及转速等参量综合影响关系分析的基础上提出的，理论和实践证明该方法可以在无试重的情况下实现转子系统平衡效果的估计，为系统平衡故障处理提供依据。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做详描述，需要说明的是，这些实例仅为证明本发明方法的有效性的实例，本申请不限于这些实施例。
截面进动轨迹识别旋转机械支承差异故障的方法，包含以下步骤：
步骤一：振动响应数据序列的FFT变换，获取第i测振截面的X和Y方向转频响应的幅值Ai和Bi，相位φi和ψi；
步骤二：计算X和Y振动响应的幅值差异系数χi，不失一般性选Y方向振动响应与X方向振动响应幅值比值作为幅值差异系数χi，即χi＝Bi/Ai；
步骤三：计算X和Y振动响应的相位差异系数不失一般性选Y振动响应与X方向振动响应相位计算相位差异系数即
步骤四：构造第i测振截面的轨迹参量特征矩阵Hi，其中
步骤五：在步骤一至步骤四中通过改变测振截面i，获取其它测振截面的轨迹参量特征矩阵；
步骤六：构造平均幅值差异系数χ和相位差异系数对应下的轨迹参量特征矩阵H，其中
步骤七：构造测振截面i的轨迹参量特征矩阵中，平均差异系数对应轨迹参量特征矩阵Hi＝τiH+Pi，其中τi为平均差异系数对应轨迹的形状比例系数，Pi为估计残余轨迹参量特征矩阵；
步骤八：在步骤七中改变测振截面i，获取其它测振截面的估计方程，并组成估计方程组；
步骤九：在估计方程组中添加约束条件获取平均幅值差异系数χ和相位差异系数和各测振截面平均差异系数对应轨迹的形状比例系数τi以及估计残余轨迹参量特征矩阵Pi，其中方程组以各截面残余轨迹参量特征矩阵Pi和其转置矩阵Pi T的乘积PiPi T的和矩阵为参量，以和矩阵的迹最小为方程组的求解约束条件；
步骤十：依据上述步骤九得到的参数评估系统的差异程度，实现旋转机械支承差异状况的评估。
实施例1
本实施例是在申请人所在单位“转子模拟实验台”上实验进行的，实验台的一阶临界转速在2500r/min左右，工作转速为4500r/min。P1和T1分别为靠近电机侧的测振截面和加重截面，P2和T2为转子支承自由端的测振截面和加重截面，X，Y方向的传感器根据转子的转向按右手螺旋规则确定。
表1 振动数据
表1列出了转子系统测振截面原始及不同试重情况下的转频振动响应数据，表2和表3分别为不同目标平衡的配重方案以及模拟响应的残余长轴信息。
表2 平衡方案
从表2中的数据可以看出，在不同的平衡方案中无论是加重量还是加重方位，其之间都有很大的差别。表3模拟配重响应数据可知，X，Y方向的平衡方案降低各自方向的振动是以牺牲与之对立方向的振动为代价的。
表3 不同方案的配重响应
表4列取了不同方案的配重残余椭圆长轴信息。即使混合X，Y方向的信号进行最小二乘优化后各截面残余椭圆的长轴方降低也是有限的。
表4 不同方案配重响应的长轴
表5是基于本发明方法估计获取数据，平均差异系数相对于理论无差异系数1之间有很大偏差；同时，当失衡截面对测振截面的理论平均差异系数相对估计评价差异系数偏差越大，或者配重截面对测振截面分散性越大，在失衡截面上进行平衡操作能够控制实现的残余椭圆最小的方案越偏离残余估计的最小残余椭圆。这也是最小二乘的方案残余椭圆长轴的几何均值并不优于估计方案的残余椭圆几何均值。这样，当转子要求控制残余椭圆响应的几何均值严格优于估计方案时，仅通过转子的平衡操作是很难实现的，这时可以通过改变转子的转速或者通过调整支承系统的差异情况之后再进行转子系统的平衡操作实现振动的最优控制。
表5 基于各向同性假设下差异系数与残余椭圆信息估计
实施例2
故障机组为某炼油厂10WM汽轮发电机组，机组由汽轮机、发电机和励磁机三部分组成。机组为两跨四轴承支承结构，机组各轴承均为椭圆瓦结构，每个轴承左右两侧斜45度方向均布置有传感器。各轴承的标记从汽轮机到发电机端轴承依按照升序排列依次为1#～4#，机组设置的报警值为100。由表6中各轴承处的转频振动可以看出各轴瓦轴振均有不同程度的超标。
表6 某炼油厂原始振动数据(相位为本特利相位)
表7为转子测振截面振动差异估计及残差，四个截面同时做估计时，系统平均差异系数值相对1(整个转子系统理论上的各向同性)之间的距离偏差较大，说明在工作转速下，支承系统对X，Y振动差异影响比较大，虽然四截面同时估计时理论可以将最大振动降低到70以下，两截面估计时，理论可以控制的振动可以进一步降低，但是考虑到估计差异系数相对1的距离比较大，说明整个转子上，差异系数分散比较严重。同实施例1，平均差异系数仅是由测振截面的振动响应估计的，失衡截面对测振截面的理论平均差异系数相对估计评价差异系数会有一定的偏差，这样转子系统平衡能够降低的振动比估计值要更大，这样，受差异系数影响，仅通过平衡操作很难使得系统的振动降低到满意的程度。在对机组故障处理的同时，根据需要在现场也多次试重平衡试重，虽然转子系统对试重有响应，但是多次的平衡操作并无法将振动降低到满意的程度。
表7 某炼油厂差异等效下残余振动
Claims (1)
1.截面进动轨迹识别旋转机械支承差异故障的方法，其特征在于，包含以下步骤：
步骤一：振动响应数据序列的FFT变换，获取第i测振截面的X和Y方向转频响应的幅值Ai和Bi，相位φi和ψi；
步骤二：计算X和Y振动响应的幅值差异系数χi，选Y方向振动响应与X方向振动响应幅值比值作为幅值差异系数χi，即χi＝Bi/Ai；
步骤三：计算X和Y振动响应的相位差异系数选Y振动响应与X方向振动响应相位计算相位差异系数即
步骤四：构造第i测振截面的轨迹参量特征矩阵Hi，其中
步骤五：在步骤一至步骤四中通过改变测振截面i，获取其它测振截面的轨迹参量特征矩阵；
步骤六：构造平均幅值差异系数χ和相位差异系数对应下的轨迹参量特征矩阵H，其中
步骤七：构造测振截面i的轨迹参量特征矩阵中，平均差异系数对应轨迹参量特征矩阵Hi＝τiH+Pi，其中τi为平均差异系数对应轨迹的形状比例系数，Pi为估计残余轨迹参量特征矩阵；
步骤八：在步骤七中改变测振截面i，获取其它测振截面的估计方程，并组成估计方程组；
步骤九：在估计方程组中添加约束条件获取平均幅值差异系数χ和相位差异系数和各测振截面平均差异系数对应轨迹的形状比例系数τi以及估计残余轨迹参量特征矩阵Pi，其中方程组以各截面残余轨迹参量特征矩阵Pi和其转置矩阵Pi T的乘积PiPi T的和矩阵为参量，以和矩阵的迹最小为方程组的求解约束条件；
步骤十：依据上述步骤九得到的参数评估系统的差异程度，实现旋转机械支承差异状况的评估。
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