浅谈电厂汽轮机转子振动信号处理与故障诊断1 精品.docx
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浅谈电厂汽轮机转子振动信号处理与故障诊断1精品
广东XXX大学XXX毕业设计（论文）任务书
课题名称
电厂汽轮机转子振动信号处理与故障诊断
学院
自动化学院
专业
电厂热能动力工程
姓名
学号
一、毕业设计（论文）的内容
1.文献综述
2.振动原理概述
3.汽轮发电组轴系稳定性
4.电厂振动常用探测手段与探测方法
5.振动数据分析与处理方法介绍
6.汽轮机组故障的分析、诊断
二、毕业设计（论文）的要求与数据
1.大量阅读汽轮机诊断方面的相关文献，明确课题的研究目的研究意义和研究方法，了解国内外的在该领域的发展状况，存在的问题以及可行性方法的提出。
2.了解振动原理的基本知识
3.掌握汽轮机的工作原理以及汽轮机发电机组的轴系稳定性
4.熟悉常用测振原理与测振方法
5.掌握一种以上信号处理的方法
6.了解振动实验的数据提取过程
7.熟练应用工程软件进行数据分析处理以及作图。
三、毕业设计（论文）应完成的工作
1.阅读与收集相关资料，完成论文综述内容
2.电厂实习期间收集现场的测振知识、现场故障分析知识，完善实践内容
3.学习振动原理与振动故障诊断的知识、学习数据分析处理的知识、学习工程应用软件，完成论文原理内容
4.采用工程应用软件进行计算机编程绘图，完成数据分析处理、结论等内容，初稿完成
5.撰写论文，完成毕业论文
四、毕业设计（论文）进程安排
序号
设计（论文）各阶段名称
地点
起止日期
1
查阅相关文献
学校
3.1-3.15
2
收集现场资料
XX电厂
3.16-3.29
3
学习原理知识
学校
3.29-4.26
4
编程绘图分析
学校
4.27-5.7
5
撰写毕业论文
学校
5.4-5.21
6
毕业答辩
学校
5.22-5.23
五、应收集的资料及主要参考文献
（1）陆颂元，汽轮发电机组振动，中国电力出版社，2000
（2）李录平，汽轮机组故障诊断技术，中国电力出版社，2001
（3）应怀樵，波形和频谱分析与随机数据处理，中国铁道出版社，1983
（4）陈亚勇，MATLAB信号处理详解，人民邮电出版社，2001
（5）李至斌，夏本春，滚动轴承故障的综合诊断，煤炭科技，2002，1（6）南京工学院数学教研组，工程数学－积分变换，人民教育出版社,1978
（7）王肇琪，付勤毅，滚动轴承故障的振动检测方法，中国期刊网，1999
发出任务书日期：
2008年3月10日完成期限：
2008年5月21日
指导教师：
XXX日期：
2008年3月10日
系（所）主任：
主管院长：
学院
自动学院
专业
电厂热能动力工程
毕业时间
2008年6月
学号
B0822029
学生姓名
XXX
班级
XXX
周数
6周
起止日期
3.5~5.20
指导教师
XXX
职称
讲师
设计（论文）题目
电厂汽轮机转子振动信号处理与故障诊断
指
导
教
师
评
语
建议成绩
指导教师签名
年月日
评
阅
人
评
语
建议成绩
评阅人签名
年月日
答辩小组评语
综合成绩
（5级记分制）
答辩小组
负责人签名
年月日
广东工业大学专科生毕业设计（论文）考核评议表
注：
本表一式三份，分别存入学校、学院和学生档案，必须用蓝、黑色钢笔填写或打印。
广东工业大学专科生毕业答辩记录
学院:
自动化学院专业:
电厂热能动力工程答辩人:
XXX学号:
BXXXX9
毕业设计（论文）题目:
电厂汽轮机转子振动信号处理与故障诊断
记录人__________
答辩小组成员：
__________________________________________________
说明：
1.主要记录答辩委员所提的问题及答辩人对问题的回答。
2.本记录与《毕业设计（论文）考核评议书》留院系保存。
记录内容
1.请对你所做的论文内容以及结论做个简要介绍。
答：
随着汽轮机单机容量的增大，汽轮发电机组系统越来越复杂，引起汽轮发电机组事故原
因越多，严重地威胁着电厂设备和人身安全及损害电厂经济效益。
而振动信号是设备状态信
息的载体，蕴含了丰富的设备异常或故障的信息，振动特征是设备运行状态好坏的重要标志，
所以本文主要研究了汽轮发电机组的振动分析，以达到汽轮发电机组故障的诊断。
其研究方
法主要是基于基本科学，利用数学和物理理论知识，及电子技术等综合分析方法研究振动的。
首先从基本上对振动原理作了概述，其次分析了汽轮发电机组轴系的稳定性和电厂振动常用
的探测手段和其组成设备及探测方法，然后介绍了振动信号分析与处理常用方法其中包括有
：
时域分析、傅里叶分析、短时傅里叶分析、小波分析及常用的事故诊断方法包括有波形分
析、频谱分析析、轴心轨迹分析、启停过程分析方法，最后分析了常见的汽轮发电机组故障，
并利用波形图分析和轴心轨迹分析对这些故障进行分析、诊断。
通过研究振动来及早发现汽
轮发电机组故障，找出解决故障的方法，避免事故的发生。
2.常用的对汽轮机转子振动信号分析和处理的方法有哪些？
答：
常用的对汽轮机转子振动信号分析和处理的方法有：
时域分析、傅里叶分析、短时傅里
叶变换、小波变换、波形分析、频谱分析、轴心轨迹分析、启停过程分析等。
3.电厂汽轮机转振动故障可能有哪些？
答：
电厂汽轮机振动故障可能有：
转子不平衡、转子不对中、碰磨、轴承松动、转子裂纹、
油膜涡动、油膜振荡等。
4.请简要解释轴系稳定的基本知识。
答：
轴系稳定即轴系平衡，是指汽轮发电机组各转子连接一个轴系后的平衡，目前国内制造
厂常是仅进行单个转子的低速或高速动平衡，轴系平衡需要电厂进行。
影响转子平衡状态的
因素有以下四个：
支承条件的不同、临界转速的改变、振型的改变、靠背轮的对中不正和热
状态的不同。
常用的轴系平衡方法有：
（1）分别地应用单转子的平衡方法来对各个转平衡；
（2）使用最小二乘影响系数对多转子的多测点系统进行平衡。
5.毕业设计有何心得体会？
答：
在做这个毕业设计过程中，我查阅了许多相关的专业书、期刊，阅读了许多著名的论文
，从中不断地获得重要的材料。
在老师的指导和同学的请教下，通过自己的努力钻研，由最
初粗浅的理解逐渐深入理解汽轮发电机组事故分析、诊断，并最终得以完成设计。
通过这次
毕业设计，我不仅对本课题有了深刻的理解，还从中锻炼了自己的学习能力，同时明白了做
学术研究需要一种实事求是、一丝不苟的学术精神。
这将对我日后的学习、工作带来重大的
影响，使我受益非浅。
摘要
随着汽轮发电机组容量不断增大，结构越来越复杂，各个零部件之间的联系更加紧密，虽然引起机组振动的原因也更趋多样化，复杂化，但振动状态仍是衡量机组运行状况好坏的一个重要标志。
因此，研究汽轮发电机组振动故障诊断技术对机组的安全稳定运行有着十分重要的意义和巨大的经济效益。
本文在了解、阐述旋转机械基本振动原理和汽轮发电机组轴系稳定性的理论基础上，重点介绍了振动测量系统的组成和测量方法及介绍基于傅立叶数学理论、Matlab软件技术而来时或分析法、波形分析法、频谱分析法、轴心轨迹分析法等振动数据与处理方法。
最后分析常见振动事故的特征，并应用上述方法进行了几个振动事故实例分析。
希望通过本文的讲述能给人对汽轮发电机组振动事故分析有一个比较系统的认识。
关键词：
汽轮发电机组振动诊断
Abstract
WiththegrowingcapacityofTurbine,structuremorecomplex,thelinksbetweenvariouspartsmoreclosely,althoughthereasonsforthevibrationcausedunitalsomorediversifiedandcomplicated,butthevibrationisameasureoftheoperationofUnitAnimportantsignofgoodorbad.Therefore,thestudyTurbinevibrationfaultdiagnosistechnologytothesafeandstableoperationofgeneratingunitsisveryimportantandgreateconomicbenefits.BasedontheunderstandingofvibrationonthebasicprincipleofrotatingmachineryandTurbineshaftstabilityonthebasisofthetheory,focusingonthevibrationmeasurementsystemandthecompositionandmethodofmeasurementbasedonFourier,andothermathematicaltheory,MatlabsoftwaretechnologyfromOranalysis,waveformanalysis,spectrumanalysis,orbitanalysis,suchasvibrationdataandprocessingmethods.Finally,commonvibrationcharacteristicsoftheaccident,andapplicationofthesemethodsareafewexamplesofvibrationanalysisoftheaccident.Hopethatthroughthispapercangivethepeopleonthevibrationoftheaccidenthaveasystemofunderstanding.
Keywords:
Turbinevibrationdiagnosis
目录
广东工业大学专科生毕业设计（论文）任务书I
广东工业大学专科生毕业设计（论文）考核评议表III
广东工业大学专科生毕业答辩记录IV
摘要VI
目录VII
绪论1
1.课题研究目的意义任务1
2.国外研究进展，国内研究进展1
3.振动测量的设备技术现状和常用的振动方法理论3
4.事故振动分析存在的问题3
4.1传感器技术问题3
4.2多故障诊断方法的问题3
5.本课题的主要内容4
第一章振动原理概述5
1．振动的基本概念5
2.汽轮发电机组的振动5
3.机组振动的评价标准5
4.机组发生振动的原因6
4.1引起强迫振动的的原因6
4.2引起自激振动的原因7
4.3引起轴系扭振的原因8
第二章汽轮发电机组轴系稳定性9
1.轴系平衡的重要性9
1.1支承条件的不同10
1.2临界转速的改变11
1.3振型的改变11
1.4靠背轮的对中不正效应和热状态的不同11
2.轴系平衡的要求和方法12
第三章电厂振动常用探测手段与探测方法15
1.振动测量系统的组成15
1.1测振仪器的主要技术性能15
2.在电厂常用的振动测量系统之一16
2.1电涡流位移传感器17
2.2非接触式位移振幅测量仪18
2.3磁带记录仪18
3.我国电厂常用的测量方式19
3.1离线定期监测方式19
3.2在线检测离线分析的监测方式19
3.3自动在线监测方式19
第四章振动数据分析与处理方法介绍21
1.时域分析21
2.傅里叶分析21
3短时傅里叶变换22
4小波变换22
第五章汽轮机组故障振动分析、诊断方法23
1.波形分析方法23
2.频谱分析方法24
3轴心轨迹分析方法24
4.启停过程分析方法25
5.三维谱图分析方法26
第六章汽轮机组故障的分析、诊断28
1.转子不平衡28
1.1转子质量偏心、部件缺损的振动特征28
1.2示例分析29
2.转子不对中30
2.1转子不对中故障的振动特征和敏感参数30
2.2示例分析31
3.转子碰磨32
3.1转子碰磨故障的振动特征32
3.2示例分析33
4.转子轴承系统松动33
4.1转子轴承系统松动的振动特征34
4.2示例分析34
总结与展望35
参考文献36
致谢37
绪论
1.课题研究目的意义任务
随着工农业的发展和人民生活水平的提高，电网容量不断增加，用于发电的动力设备——汽轮机单机容量随之增大。
汽轮发电机组的振动也随机组的增大变得越来越受不可忽视，因为汽轮发电机组的异常振动严重的影响电厂设备和人身安全及电厂经济效益。
一般来说，机组的振动是不可以避免，但由于机组的缺陷或某部件损坏会造成机组的振动加剧，这样可能使转动部件和静止部件部件摩擦或咬合，导致机组严重损坏而被迫停机。
同时，振动过大可能使发电机碳刷磨损加剧，有时甚至可能引起汽轮机危急保安器发生,严重的话会造成转轴断裂、汽轮机飞车事故。
如1972年日本关西电力公司海南电厂3号600MW汽轮机发电机能和1988年我国秦岭电厂的200MW汽轮发电机组的严重断轴毁机事件。
振动信号是设备状态信息的载体，蕴含了丰富的设备异常或故障的信息，振动特征是设备运行状态好坏的重要标志，因此利用监测机组的振动情况来进行故障诊断是电厂常用的方法之一，更是防止事故发生有效的方法之一。
汽轮发电机振动故障诊断系统是许多国家多年来致力研究、开发的设备故障诊断系统之一，并取了很大了成效。
有效地减少了汽轮发电机组的事故，一定程度地提高电厂的经济效益。
2.国外研究进展，国内研究进展
从一些国家的旋转机械的检修的历史和现状来看，故障诊断技术的发展大致经历了事后维修、预防性检修、预测性维修三个阶段。
在18世纪及19世纪时期，由于机组设备本身的技术水平和复杂程度很低，设备的利用率和设备的维修费用问题尚未引起人们的注意，对设备事故也缺乏认识。
因此，对设备的管理采取的是出现事故之后才维修的方式，即事后维修方式。
这种维修方式是被动的，当灾难事故发生后，要造成很大的经济损失和危及人身安全。
进入20世纪以后，生产方式起了很大变化，加上出现了预防性维修的方式，它力图在机器发生事故之前就进行维修和更换零件、部件。
但这种定期性预防维修的修理间隔主要是根据经验和统计资料，维修只能保持在较低的水平，很难预防由于随机因素引起的偶然事故，而且汽轮发电机组振动故障本身又十分复杂，零部件多以及影响因素多，从而不可避免地要产生“过剩维修”。
实践表明，在相当多的情况下，频繁拆卸换零件非但不能改善机组设备的性能，反而每次装复后故障率比较高，所以常常得不到预期的效果。
70年代以后，随着计算机技术、电子技术的发展，出现了适用完善的监视和分析诊断系统，对设备运转情况进行在线监测，及早发现机能的异常现象，预测设备可能会出现的故障的维修部方式。
这种维修部方式称为预测性维修。
由于在预测性维修前准备充分，又判断出机组的故障及其发生的部位，所以可大大减少维修所用的时间。
当时，比较出名的状态监测和故障诊断系统有美国公司的“可移动诊断中心”和日本三菱公司的“旋转机械健康管理系统”。
80年代以后，随着监测技术、计算机技术、电子技术和通讯技术的发展，以及模糊数学、专家系统、神经网络技术和小波分析理论等在故障诊断的应用，设备故障诊断技术从理论到实际应用都有了新的发展，已形成一门集数学、物理、力学、化学、电子技术、计算技术、信息处理和人工智能等各种现代科学技术于一体的综合性极强的智能化故障诊断技术。
这种智能化故障诊断技术逐渐由理论转变为实践。
国外的研究成果有美国性BentlyNevadaCoration（BNC）系列产品、ScientificAtlanta公司的M6000系统以及日本三菱公司的MHM系统等。
在我国虽然起步比较慢，经过30多年的发展，振动诊断涉及的领域最广、理论基础最为雄厚、研究得最为充分而最具生机和活力。
由于计算机技术的发展，目前可用于振动测试的设备十分丰富，从少通道（1一2通道）、较低采样频率（<10kHz）、较低精度（sbits）、只有简单的分析功能的低价位简易设备到多通道（可达256通道甚至更多）、超高速（1一ZOOMHZ）、超高精度（16一24bits）、超大容量（几个G）的巨型系统应有尽有。
对于振动信号的采集来说，目前的计算机技术己足以胜任各种场合的需要。
在硬件技术突飞猛进发展的同时，软件技术日新月异的进步也极大地促进了信号分析与处理技术的发展。
在振动信号的分析处理方面，除了经典的统计分析、时频域分析、时序模型分析、参数辨识外，近来又发展了频率细化技术、倒频谱分析、共振解调分析、三维全息谱分析、轴心轨迹分析以及基于非常平稳信号假设的短时傅立叶变换和小波变换等。
目前，随着国际新一轮设备故障的研究发展，振动信号的分析处理技术还在不断的发展之中，新的理论和技术还将不断涌现，多参量、多故障的综合诊断己经兴起即人工智能的研究成果为机械故障诊断注入了新的活力。
人工智能的另一个重要分支—人工神经网络的研究也逐步渗透到机械故障诊断领域，并己成为机械故障诊断领域的一个最新研究热点，但目前还多处于研究室实验阶段，应用成功实例还不多见，最近又有人探索将人工神经网络与传统的专家系统结合起来，建造神经网络专家系统。
初步的研究结果表明，这种新型的专家系统能较好地克服传统的专家系统和人工神经网络各自独立的缺陷而具有很多优点。
我国从事人工智能这方面也积极的探索研究，并取得了一定的进展，具体成果有郑州工业大学的MMDS一9000系统、重庆大学的CDMS一8900系统以及西北工业大学的MD39OO系统等。
3.振动测量的设备技术现状和常用的振动方法理论
传感技术.由于汽轮机组工作环境的特殊性（高温、高压、高应力）,所以在汽轮机组故障诊断系统中,对传感器的性能要求很高,所以在汽轮机组故障诊断系统中,对传感器的性能要求很高.目前,对传感器的研究,主要是提高传感器性能的可靠性、开发新型传感器,以及研究如何诊断传感器故障以减少误诊率和漏诊率等方面问题.当前,许多学者正在研究利用多传感器信息融合技术来诊断故障,提高对故障的分辨率.
在信号分析与处理研究领域中,最具有吸引力的是振动信号的分析与处理.汽轮机组故障诊断系统中的振动信号处理大多采用快速傅立叶变换.快速傅立叶变换的思想在于将一般时域信号表示为具有不同频率的谐波函数的线性叠加,它认为信号是平稳的,所以,分析出的频率具有统计不变性.快速傅立叶对很多平稳信号的情况具有适用性,因而得到了广泛的应用.但是,实际中的很多信号是非线性的,所以为了提高分辨精度,新的信号分析与处理方法成为该领域的重要研究课题.目前,正在研究的信号分析与处理的方法有短时傅立叶变换、小波变换等.
4.事故振动分析存在的问题
4.1传感器技术问题
由于汽轮发电机组工作环境恶劣，常因传感器故障而引起误诊和漏诊现象，高性能的传感器有待研究开发。
4.2多故障诊断方法的问题
由于汽轮发电机组自身的特点，它是一个多故障系统，并且经常出现多种故障同时发生的情况。
目前对于多故障的诊断问题，还未能很好的解决。
原因很多。
第一，系统复杂，对于多故障的研究还不够深入；第二，在工程实际中，多机组同时运行，互相影响，多故障发生的机会增多，诊断分析更加困难；第三，诊断方法不够成熟。
由于规则和知识库的限制，专家系统等人工智能方法对多故障的处理也显得力不从心，在神经网络诊断技术中，如果将各种多故障的组合作为训练样本，将使得网络规模非常庞大，网络的归纳、联想能力将大幅度下降，甚至完全失败。
因此，研究多故障诊断的方法是目前诊断问题所迫切需要的，也是诊断问题求解发展的必然趋势。
5.本课题的主要内容
本课题为了更深刻地了解汽轮发电机组振动问题，首先从基本上对振动原理作了概述，然后分析了汽轮发电机组轴系的稳定性和电厂振动常用探测手段和其组成设备及探测方法，最后介绍了振动信号分析与处理常用方法其中包括有：
时域分析、傅里叶分析、短时傅里叶分析以及小波分析及常用的事故诊断方法包括有波形图分析、频谱分析、轴心轨迹分析、启停过程分析方法，最后分析了常见的汽轮机组故障，并利用波形图分析和轴心轨迹分析对这些故障进行分析、诊断。
第一章振动原理概述
1．振动的基本概念
振动就是物体围绕平衡位置做往复运动，其有三要素：
振幅、频率、相位。
其中振幅可以使用位移振幅、速度振幅和加速度振幅3个物理量表示。
2.汽轮发电机组的振动
汽轮发电机组在运行中振动的大小，是机组安全和经济运行的重要指标，也是判断机组检修质量的重要指标。
若振动过大，可能造成严重危害和后果，主要有以下几个方面：
（1）使转动部件损坏。
机组振动过大时，叶片、叶轮等转动部件上会产生很大的应力，导致疲劳损坏。
（2）使连接部件松动。
机组发生过大振动，将使与其相连的轴承座、主油泵、凝汽器等发生强烈振动，引起螺栓松动甚至断裂，从而造成重大事故。
（3）使机组动、静部分摩擦。
如轴端汽封与轴的摩擦，轻则使汽封磨损，间隙增大，漏汽损失增加，汽轮机相对内效率降低，严重时会造成主轴弯曲。
（4）引起基础甚至厂房建筑物的共振损坏。
（5）有可能引起危急保安器误动作而发生停机事故。
由此可知，为保证机组长期安全运行，必须将它的振动幅度控制在规定范围内。
3.机组振动的评价标准
机组的振动值一般用轴承的振幅或轴的振幅大小来衡量。
振动允许值随机组的不同而不同，一般的振动标准见表1.1。
表1.1汽轮发电机组振动标准
机组转速（r/min）
轴承的双峰振幅（mm）
优秀
良好
合格
3000
.＜0.02
＜0.03
＜0.05
1500
＜0.03
＜0.05
＜0.07
双峰振幅是测点单个振幅的2倍，也称全振幅或峰—峰值，取轴承垂直、水平和轴向三个方面上的最大测量值。
由于受到轴承及油膜刚度等的影响，在轴承上测得的振幅不能完全反映出转动部分的振动情况，因此还应该直接测量转子的振动数值作为振动标准才合理的。
国家规定了3000r/min汽轮机轴承和轴的振动标准，见表1.2
表1.2轴承和轴的振动评价标准
评价
优
良
正常
合格
需重新
找平衡
允许短时运行
立即停机
全振幅（mm）
轴承
＜0.0125
＜0.02
＜0.025
＜0.03
0.03~0.058
＜0.05
0.05~0.063
轴
＜0.038
＜0.064
＜0.076
＜0.089
0.102~0.127
——
0.152
4.机组发生振动的原因
机组的振动的原因是多方面的，也是十分复杂的，它与机组的制造、安装、检修和运行水平等有直接的关系。
机组振动包括强迫振动、自激振动和轴系扭振。
下面简单介绍引起机组振动的常见原因。
4.1引起强迫振动的的原因
4.1.1转子质量不平衡
加工检修偏差、个别元件断裂、松动、转子被不均匀磨损及叶片结垢等均会使转子产生质量偏心，引起机组发生强迫振动。
转子质量不平衡引起的振动，特点是振动频率与转子的转速一
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