CN107764557B - 一种转子-椭圆瓦轴承非典型工频故障的快速判别方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种转子‑椭圆瓦轴承非典型工频故障的快速判别方法，利用轴心位置图作为主要分析频谱，通过计算得出轴颈中心在椭圆瓦轴承中的位置变化量的大小，可快速推导出转子‑椭圆瓦轴承失稳是引起振动故障的主因；避免振动故障诊断与处理的盲目性和随意性，大大缩短机组故障排查时间，减少了故障处理次数，节约了企业的检修成本，避免因检修时间过长或检修不彻底，给客户造成的不可估量的经济损失。

Description

一种转子-椭圆瓦轴承非典型工频故障的快速判别方法

技术领域

本发明属于透平机械设备状态监测诊断领域，涉及透平机械运行数据的故障诊断，具体涉及一种转子-椭圆瓦轴承非典型工频故障的快速判别方法。

背景技术

透平机械设备是石油炼化、化工、发电等现代企业的核心设备，转子-椭圆瓦滑动轴承结构的透平机械设备最为常见，而工频故障(又称转频故障)作为一种透平机械设备的常见振动故障，深刻影响着企业的安全和生产效益。但由于工频分量为频谱结构中唯一或主导优势的振动故障，其频谱结构通常非常相似甚至完全相同。雷同的频谱结构导致透平机械设备工频故障的诊断缺乏必要的故障差异化信息，因而造成相关技术人员对透平机械设备工频故障的机理认识不请，难以实现精准的快速判别故障诱因。

目前，透平机械设备工频故障诊断技术的研究大多仍停留在单纯的仿真和实验室验证阶段，研究成果只给出了具有典型图谱特征的工频振动故障诱因，而对于具有典型工频振动图谱特征的非典型工频振动故障诱因，无法给出准确的判别方法，造成基于典型振动图谱分析的转子-椭圆瓦轴承的透平机械设备工频故障的诱因判断不准确，即无法准确的从转子不平衡、管道应力、轴承松动、转子零部件松动、转子裂纹、叶片断裂、转子热弯曲等故障诱因准确判断出哪种故障诱因是主要影响因素。诊断结果的混淆不清，造成了故障排除难度大、处理过程反复、周期冗长，并且大大增加检修成本。

发明内容

针对上述现有技术中存在的问题，本发明的目的在于，提供一种转子-椭圆瓦轴承非典型工频故障的快速判别方法，可以直观、快速、准确、有效的判别转子-椭圆瓦轴承的工频故障。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种转子-椭圆瓦轴承非典型工频故障的快速判别方法，包括以下步骤：

步骤一，针对出现工频故障的透平机械设备，利用振动故障分析仪或远程在线监测设备提取其试车全过程的轴心位置图；

步骤二，在轴心位置图中选择处于工作转速过程中的两个轴颈中心位置点，分别计算两个轴颈中心位置点与所述轴心位置图的坐标原点的连线，与所述轴心位置图的x轴之间的夹角；取计算得到的两个夹角的差值的绝对值作为判别角度值θ；

步骤三，若判别角度值θ>5°，则确认所述透平机械设备出现的工频故障为轴承系统失稳引起的，否则，该工频故障不是轴承系统失稳引起的。

具体地，所述步骤二中的在轴心位置图中选择处于工作转速过程中的两个轴颈中心位置点，其横坐标分别为工作转速下所有的轴颈中心位置点的横坐标的最大值和最小值。

具体地，所述步骤二中的分别计算两个轴颈中心位置点与所述轴心位置图的坐标原点的连线，与所述轴心位置图的x轴之间的夹角；具体方法如下：

(1)若轴心位置图中显示的是轴颈中心点的位置坐标，则进行如下处理：

记选择的处于工作转速过程中的2个轴颈中心位置点分别为A₁(x₁，y₁)和A₂(x₂，y₂)，A₁与坐标原点的连线与x轴的夹角记为θ₁，A₂与坐标原点的连线与x轴的夹角记为θ₂，单位为度；其中，

其中，Δy为升速前椭圆瓦轴承实际测量的顶间隙值，单位为毫米(mm)

(2)若轴心位置图中显示的是轴颈中心点分别与电涡流位移探头X和电涡流位移探头Y之间的间隙电压，则进行如下处理：

记选取的处于工作转速过程中的2个轴颈中心位置点分别为A₁(U_x1，U_y1)和A₂(U_x2，U_y2)，A₁与坐标原点的连线与x轴的夹角记为θ₁，A₂与坐标原点的连线与x轴的夹角记为θ₂，单位为度；转子静止时的间隙电压参数为(U_x0，U_y0)，单位为V；

根据以下公式计算θ₁：

其中，λ为探头的灵敏度参数，单位为V/mm；Δy为升速前椭圆瓦轴承实际测量的顶间隙值；单位为mm；θ′₁采用如下公式计算：

根据以下公式计算θ₂：

其中，θ′₁和θ′₂的值采用以下公式计算：

与现有技术相比，本发明具有以下技术效果：

本发明利用轴心位置图作为主要分析频谱，通过计算得出轴颈中心在椭圆瓦轴承中的位置变化量的大小，可快速推导出转子-椭圆瓦轴承失稳是引起振动故障的主因；本发明充分考虑了转子-椭圆瓦轴承的结构特性和动力学特点、椭圆瓦轴承的装配工艺要求、非典型性工频故障诊断要点、工频振动故障的非典型性图谱分析、轴心位置变化反映的力学意义和转子-椭圆瓦轴承系统的稳定性要求等，准确、快速的定位故障诱因，避免振动故障诊断与处理的盲目性和随意性，大大缩短机组故障排查时间，减少了故障处理次数，节约了企业的检修成本，避免因检修时间过长或检修不彻底，给客户造成的不可估量的经济损失。

附图说明

图1是测振带上的探头布置图；

图2是转子-椭圆瓦轴承系统的作用力示意图；

图3是间隙电压计算方法示意图；

图4是汽轮机的振动趋势图；

图5是排汽侧X和Y测点的波形图，其中，(a)为排汽侧X测点的波形图，(b)为排汽侧Y测点的波形图；

图6是排汽侧X和Y测点的频谱图，其中，(a)为排汽侧X测点的频谱图，(b)为排汽侧Y测点的频谱图；

图7是排汽侧轴心轨迹图；

图8是选取的两个轴颈中心位置点A₁和A₂示意图，其中，(a)为轴颈中心位置点A₁示意图；(b)为轴心中心位置点A₂示意图；

图9是故障处理完成后选取的两个轴颈中心位置点A₁和A₂示意图，其中，(a)为轴心中心位置点A₁示意图；(b)为轴心中心位置点A₂示意图；

图10是故障处理完成后汽轮机的振动趋势图。

下面结合附图和具体实施方式对本发明的方案作进一步详细地解释和说明。

具体实施方式

为了准确检测具有转子-椭圆瓦轴承系统的透平机械设备的振动故障，常采用的方法为在透平机械设备的转子的测振带上设置两个电涡流位移探头X和电涡流位移探头Y，在测振带的某一横截面上某一位置为K，两个电涡流位移探头X和电涡流位移探头Y设置在该横截面上位置K的两侧，电涡流位移探头X和电涡流位移探头Y与横截面的中心点的连线，与位置K与横截面的中心点的连线之间的夹角均为45°；两个探头测得透平机械设备的通频振动值，以时间为横坐标，以通频振动值为纵坐标，得到透平机械设备的振动趋势图；通过观察透平机械设备的振动趋势图，选取发生振动故障区间内的图谱；根据选取的发生振动故障区间内的图谱获取故障发生区间内的波形频谱图和轴心轨迹图等。

通过观察波形频谱图，若发生故障区间内的两个探头X和Y所在测点的振动能量以工频能量占主导时，结合轴心轨迹图的特征图谱表现，判断此时发生的故障为非典型工频故障，则采用本发明的方法对非典型工频故障的类型进行判别。

本发明的转子-椭圆瓦轴承非典型工频故障的快速判别方法，具体包括以下步骤：

步骤一，针对出现工频故障的透平机械设备，利用振动故障分析仪或远程在线监测设备提取其试车全过程的轴心位置图。

试车全过程指的是升速过程、工作转速下未加负荷、工作转速下加减负荷和降速过程，其中工作转速下未加负荷和工作转速下加减负荷统称为工作转速过程。

轴心位置图反映了透平机械设备在试车全过程中，轴颈中心在轴承中心的位置。轴心位置图中坐标原点为测振带的某一横截面的中心点，y轴为位置K与坐标原点的连线，x轴垂直于y轴。

轴承特性数的理论计算方程为：

上式中：F——椭圆瓦轴承的特性系数，

P_m——轴承平均载荷，

ψ——相对间隙，

η_e——润滑油有效黏度，

n——轴颈转速，

F′——椭圆瓦轴承载荷力，

B——轴承的宽度，

D——轴承垂直方向的直径，

R——轴承垂直方向的半径，

r——轴颈的半径。

F′表示的椭圆瓦轴承载荷力的反作用力为椭圆瓦轴承的支反力，其与另外一付轴承的支反力的和，等于转子的重力，当透平机械设备的转子的结构确定后，F′的值保持不变。

透平机械设备在单次升速与加载运行过程中，转子-椭圆瓦轴承结构的系统，参见图2，平均载荷P_m不变、相对间隙ψ值不变、润滑油有效黏度η_e值不变。基于此，在工作转速下，轴颈中心在椭圆瓦轴承中受到的切向力和径向力的大小和方向也保持不变，轴颈中心在轴承中心的位置也不变。

步骤二，在轴心位置图中选择处于工作转速过程中的2个轴颈中心位置点，分别计算2个轴颈中心位置点与所述轴心位置图的坐标原点的连线，与所述轴心位置图的x轴之间的夹角；计算得到的2个夹角的差值的绝对值作为判别角度值θ；具体实现方法如下：

(1)若轴心位置图中显示的是轴颈中心点的位置坐标，轴心位置图的x轴和y轴的单位为微米(μm)

记选择的处于工作转速过程中的2个轴颈中心位置点分别为A₁(x₁，y₁)和A₂(x₂，y₂)，其中，x₁为工作转速下所有的轴颈中心位置点的横坐标的最大值，x₂为工作转速下所有的轴颈中心位置点的横坐标的最小值；A₁与坐标原点的连线与x轴的夹角记为θ₁，A₂与坐标原点的连线与x轴的夹角记为θ₂，单位为度；其中，

其中，Δy为升速前椭圆瓦轴承实际测量的顶间隙值，单位为毫米(mm)。

则判别角度值θ＝|θ₁-θ₂|。

(2)若轴心位置图中显示的是轴颈中心点分别与电涡流位移探头X和电涡流位移探头Y之间的间隙电压，轴心位置图的x轴和y轴的单位为V，参见图3。

记选取的处于工作转速过程中的2个轴颈中心位置点分别为A₁(U_x1，U_y1)和A₂(U_x2，U_y2)，其中，U_x1为工作转速下所有的轴颈中心位置点的横坐标的最大值，U_x2为工作转速下所有的轴颈中心位置点的横坐标的最小值；A₁与坐标原点的连线与x轴的夹角记为θ₁，A₂与坐标原点的连线与x轴的夹角记为θ₂，单位为度；转子静止时的间隙电压参数为(U_x0，U_y0)，单位为V。

根据以下公式计算θ₁：

其中，λ为探头的灵敏度参数，单位为V/mm；Δy为升速前椭圆瓦轴承实际测量的顶间隙值；单位为mm；θ′₁采用如下公式计算：

根据以下公式计算θ₂：

其中，θ′₁和θ′₂的值采用以下公式计算：

则判别角度值θ＝|θ₁-θ₂|。

步骤三，若判别角度值θ>5°，可确认该转子-椭圆瓦轴承系统的透平机械设备在工作转速下未加负荷或工作转速下加减负荷过程出现的工频故障为轴承系统失稳引起的，否则，该工频故障不是轴承系统失稳引起的。系统失稳包含了非典型故障频率(0.42～0.48倍频)下的油膜涡动/油膜振荡及轴承故障的工频故障。

转子-椭圆瓦轴承结构的透平机械，在实际运行过程中，轴承系统因轴承标高、外界温度、装配误差、接触面偏差、润滑油温度、测量误差等因素的影响，θ在工作转速下运转会有微量波动，按照设计标准和实际运行情况，θ一般不大于5°。

实施例

本发明的转子-椭圆瓦轴承非典型工频故障的快速判别方法，通过在工业现场的实际应用，取得了非常明显的效果。在此，以某公司的汽轮机驱动鼓风机组试车过程中的应用为案例，详细介绍了本发明的应用过程，本实例中采用的是汽轮机。

该汽轮机的轴承结构为椭圆瓦轴承，于2017年6月在现场试车(见图4)，当转速升至工作转速7100rpm时，进汽侧的通频振动值最大不超过21μm，排汽侧的振动通频值为32.6μm、34.5μm，均远小于振动报警值71μm；当风机排气压力为150kPa时，汽轮机排汽侧的振动值开始出现缓慢爬升，风机排气压力为250kPa时，排汽侧的振动值最大为57.6μm、79.9μm，一个测点的振动值超过报警值；当风机排气压力降至150kPa以下时，汽轮机排汽侧的振动值降至31.9μm、36.9μm；继续加减负荷试车，汽轮机排汽侧的振动值出现明显的随负荷变化波动，并且很有规律，负荷大，振动大，负荷小，振动小。排汽侧X和Y测点的波形图(见图5)中，波形光滑，存在非常少量的毛刺和削波；频谱图中(见图6)，振动能量主要集中工频，2倍频分量次之，其它频率分量非常小；轴心轨迹图中(见图7)，轴心轨迹呈扁椭圆，水平方向长，垂直方向端，并且重复性较好，另外，还存在轨迹不连续的现象。从典型图谱诊断分析来看，该振动故障为工频故障，不同故障诱因的工频故障典型图谱的相似度高，无法准确判别。

利用本发明的方法进行故障诊断，具体步骤如下：

(1)提取轴心位置图；

(2)选取位置图的点A₁和A₂(见图8)，坐标分别为(-27.6，103)和(-0.998,127)，汽轮机在升速前实际测量的椭圆瓦轴承的顶间隙为0.20mm，根据公式计算得到θ₁和θ₂的值为：-6.22度和-87.88度；

(3)θ的值为81.66度，超过5度的设计和实际运行要求。确认该工频振动故障为轴承系统失稳。

根据转子-椭圆瓦轴承系统失稳的诊断结果，根据设计核算，适当缩小宽径比和减小轴承顶间隙后，根据轴心位置图(见图9)的选取的点的坐标，计算得出θ的角度变化为1.9度，小于5度，汽轮机排汽侧的振动值最大不超过18μm(见图10)，该振动故障得到彻底解决。

Claims (2)

1.一种转子-椭圆瓦轴承非典型工频故障的快速判别方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一，针对出现工频故障的透平机械设备，利用振动故障分析仪或远程在线监测设备提取其试车全过程的轴心位置图；

步骤二，在轴心位置图中选择处于工作转速过程中的两个轴颈中心位置点，分别计算两个轴颈中心位置点与所述轴心位置图的坐标原点的连线，与所述轴心位置图的x轴之间的夹角；取计算得到的两个夹角的差值的绝对值作为判别角度值θ；

步骤三，若判别角度值θ>5°，则确认所述透平机械设备出现的工频故障为转子-椭圆瓦轴承失稳引起的，否则，该工频故障不是转子-椭圆瓦轴承失稳引起的；

所述步骤二中的分别计算两个轴颈中心位置点与所述轴心位置图的坐标原点的连线，与所述轴心位置图的x轴之间的夹角；具体方法如下：

(1)若轴心位置图中显示的是轴颈中心点的位置坐标，则进行如下处理：

记选择的处于工作转速过程中的2个轴颈中心位置点分别为A₁(x₁，y₁)和A₂(x₂，y₂)，A₁与坐标原点的连线与x轴的夹角记为θ₁，A₂与坐标原点的连线与x轴的夹角记为θ₂，单位为度；其中，

其中，Δy为升速前转子-椭圆瓦轴承实际测量的顶间隙值，单位为毫米(mm)；

(2)若轴心位置图中显示的是轴颈中心点分别与电涡流位移探头X和电涡流位移探头Y之间的间隙电压，则进行如下处理：

记选取的处于工作转速过程中的2个轴颈中心位置点分别为A₁(U_x1，U_y1)和A₂(U_x2，U_y2)，A₁与坐标原点的连线与x轴的夹角记为θ₁，A₂与坐标原点的连线与x轴的夹角记为θ₂，单位为度；转子静止时的间隙电压参数为(U_x0，U_y0)，单位为V；(U_x1，U_y1)和(U_x2，U_y2)分别为处于工作转速过程中的轴心位置图中2个轴颈中心位置点A₁和A₂的横纵坐标的值；(U_x0，U_y0)为转子静止时的间隙电压在轴心位置图中的横纵坐标的值；

根据以下公式计算θ₁：

其中，λ为探头的灵敏度参数，单位为V/mm；Δy为升速前转子-椭圆瓦轴承实际测量的顶间隙值，单位为mm；θ₁′采用如下公式计算：

根据以下公式计算θ₂：

其中，θ₁′和θ₂′的值采用以下公式计算：

2.如权利要求1所述的转子-椭圆瓦轴承非典型工频故障的快速判别方法，其特征在于，所述步骤二中的在轴心位置图中选择处于工作转速过程中的两个轴颈中心位置点，其横坐标分别为工作转速下所有的轴颈中心位置点的横坐标的最大值和最小值。