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  第二章 振动测量及其评价 振动测量传感器的工作原理 传感器的选择及安装 振动大小的表示方式 相位测量与振动仪表 振动标准 振动报警、跳机值的设定 1 2.1 振动传感器的工作原理 2.1.1 振动传感器的性能指标 目前,振动测量主要基于电磁、压电效应和电感原理,形成了发电厂常用的振动速度传感器、振动加速度传感器和电涡流位移传感器三种主要形式。振动测量还有电容、激光和光纤等形式。就其本质而言主要分为惯性式、电容、电感、光干涉等。  灵敏度 沿传感器灵敏度方向,单位正弦变化机械量输入与传感器稳态响应同频率电压输出的关系。输入: i tx Xe2 输出: 灵敏度: 如果在S不随频率而变,则称在测量范围内无频率失真,反之称为频率失真。 频率范围 在正常灵敏度精度下输入机械量的频率范围。 分辨率 输出电压U的变化量 可以分辨时,输入机械量的最小变化量 。 相移 输出电压信号与正弦输入机械量的相位差。理想的测振传感器的相移是0或180。 ( ) i tu Ue  / S U X u x 3 最低与最高可测振级 信号电平与噪声电平之比不低于某一值的最小输入机械量。 最大可测振级传感器受机械强度、行程和灵敏度等限制所允许的最大输入机械量。 环境条件 温度、湿度及化学、电磁场等。 传感器测量方式 绝对式还是相对式。绝对式总是将传感器固定在被测物体上,或通过机械方式使振动传递给传感器。相对式必须有一个参考点固定传感器,有接触式和非接触式之分。 4 2.1.2 振动速度传感器 原理:线圈与磁钢的相对 运动使线圈中的磁通量变 化,从而产生感应电动势。 惯性式传感器,结构上两 种形式,磁钢固定、线圈 弹性支承产生相磁钢运动; 另一是线圈固定、磁钢弹 性支承产生相对线 振动速度传感器是基于电磁原理的惯性式传感 器,由永久磁钢、线圈、阻尼环等组成。 数学模型: 设: 2 22 2( ) ( )( )d x y d x y d yM C K x y Mdt dt dt     0sin y Y t  2202( ) ( )( ) sind x y d x yM C K x y M Y tdt dt     6 求解得: 传感器设计的目标是在一定的测量范围内A保持定值。只要 , 。 增大阻尼,可以增大传感器的测量范围,缩短过渡过程。但使得相移特性变差。 振动速度传感器的自振频率尽可能低。 一般使用频率范围 。 0sin( ) x y AY t     22 2 2(1 ) (2 )fAf f  1 f 1 A 8.0 500Hz7 8 2.1.3 加速度传感器 惯性式传感器,利用压电晶体(锆钛酸铅)的 正压电效应作机电变换器,将质量块的惯性 力转变为电信号输出。中心压缩式和剪切式。 9 10 加速传感器的频率范围决定于固有频率和阻尼率。在一定阻尼下,固有频率越高,则测量的频率范围就越大。在固有频率一定时,阻尼率为1时,最大频率比可达到0.4以上。通常加速度传感器的固有频率在 ,甚至更高。因此,加速度传感器的频率范围很大。普通型加速度传感器的频率范围为 ,更宽的达到 。 加速度传感器具有质量轻的优点,但对环境要求较高,特别是受环境温度影响较大。 10 50kHz2.0 10kHz 0.2 40kHz11 2.1.4 压电式速度传感器 压电式速度传感器是在压电式加速度传感器基础上,在内部增设阻抗变换、积分和信号调理集成电路,将电荷信号转变为电压信号,积分后转变为与振动速度成正比的信号。由于压电式传感器的低频特性优于电磁式传感器,并且通过增大惯性质量、适当降低传感器固有频率,增大低频、小幅度振动检测时传感器输出、减小传感器放大倍数、降低放大电路本底噪音,提高低频测量精度。压电式速度传感器的频率范围2〜5000Hz。 12 压电式速度传感器 13 压电式速度传感器与电磁速度传感器和压电式加速度传感器的性能比较 14 2.1.4 电涡流位移传感器 电涡流位移传感器是一种电感反射式传感器,是由探头和前置器两部分组成。 前置器产生的高频振荡信号在探头线圈中产生高频交变磁场,作用在被测导电体的表面,高频电场的趋肤效应,在被测导电体的表面产生涡电流。交变涡电流产生的反射反抗磁场,使线圈的电感下降,谐振频率下降,通过前置器调制解调电路,将此电感变化转变为电信号输出。 电涡流位移传感器的特点是频响范围宽,从直流与10KHz,非接触测量,可用于机 15 组的静态位移,即汽缸膨胀及与转子的差胀, 动态测量用于振动位移检测和相对相位测量。 电涡流传感器的不足是传感器与前置器间的 电缆长度不能任意变化,而且与被测体表面 的粗糙度、导电率均匀性等有关,温度特性 不是很好。另外安装时考虑传感器周边金属 部件对传感器电磁场的影响。 16 速度 加速度 电涡流 测量方式 绝对振动 绝对振动 相对振动 动态范围 小 大 大 低频特性 差 好 好 安 装 方便 方便 不很方便 温度特性 好 稍差 稍差 体积重量 大 小 小 主要不足 低频特性 稳定性差 温度特性 低频输出小 互换性差 安装不方便 2.1.5 传感器性能比较 17 2.2 传感器的选择与安装 传感器决定于测量方式和测量的频率范围,对于绝对测量采用速度传感器和加速度传感器,相对振动测量主要采用电涡流传感器。对低频特性有要求的低速旋转机械,如锅炉的送引风机,工作转速在10HZ左右,使用速度传感器的灵敏度和相移特性较差,对绝对测量采用加速度传感器较好。但在振动平衡中,加速度信号经二次积分得到位移,相移特性较差。对相对振动测量,主要采用电涡流传感器。 18 对汽轮发电机组,振动测量主要包括水平() 、垂直()和轴向振动(),测点布置如图所示。 对电流涡传感器的相对振动测量,安装时一考虑支架应有足够的刚度,另一是充分考虑传感器周边金属部件对传感器电磁场的影响。此外,电涡流传感器安装时应根据测量范围、转子旋转后轴颈上浮及水平方向的偏移,设定最大振动测量范围的初始安装间隙。 19 20 电涡流传感器轴振动X-Y方向的安装 21 22 2.3 振动大小的表示方式 振动的大小,通常采用峰值、双峰值、有效值、平均值来表示。 有效值: 平均值: 对单一频率的简谐振动信号双峰值是峰值的两倍,有效值是是峰值的0.707倍,平均值是峰值的0.637倍。 201( )TrmsV v t dtT01( )TcV v t dtT23 对非单一频率振动信号上述关系并不成立,在选用传感器时应了解测量原理,才能作 24 25 相互转换。 实际振动信号为对多频率信号,故振动大小通常用通频振幅、基频振幅、谐分量振幅等表示。 通频振幅:包含所有频率成份振动信号的幅值。 基频振幅:频率与机组转速相同的振动信号幅值。 谐分量振幅:基频整数倍或整分数倍频率振动信号的幅值。 26 对普通的振动测量表,只能提供通频振动,其位移、速度和加速度信号间的转换采用积分和微分,但经多次微分、积分后,相移特性发生很大变化,特别是微分特性较差,工程上不很使用。 对既提供振动通频幅值,又能提供基频和谐分量振动信号的振动测量仪器通常称之为振动分析表。 27 28 2.4 振动相位测量与振动仪表 相对相位:振动信号上的某点,如高点或正向过零点,与同频率基准信号或转子上某个参考点之间的时间或位置关系,即振动信号选定点与基准参考信号超前或滞后的角度。 相对相位测量主要有闪光测相法和参考脉冲法,参考脉冲法有光电法和鉴相器法。不同的参考信号选取和振动信号上取点位置的不同,所得的相对相位是不一致的,在对不同测振仪相对相位相互转换中,应了解其测量原理和定义。 29 2.4.1 闪光测相法 闪光测相法是由振动测量、闪光灯和相位分度系统三部分组成。 相位分度系统由白线和相位分度盘组成。通常白线画于转子上,相位分度盘固定在静 30 子上。 原理 振动传感器来的振动信号经放大后输入到闪光触发回路。斯密特触发回路当振动信号正向过零时发出触发信号,闪光灯导通,闪光灯闪光。人眼观察的滞后效应,当闪光频率大于15HZ时,所观察到的白线静止不动,白线在相位分度盘上位置指示值即为相对相位读数值。 相位分度盘可固定在静子上,也可固定于转子上,且有顺转向和逆转向分度两种形式,从而组合出4种不同的闪光测相方式。 31 32 2.4.2 参考脉冲测相法 参考脉冲测相法有光电测相和鉴相器测相两种。 光电测相 是由反光带和光电传感器两部分组成,反光带粘贴在转子上,光电传感器由发光管和接受管,发射光投射到反光带上时,反射光被接受管接受,产生光电流脉冲。 33 34 鉴相器测相 由转子上的凹凸鉴相标志和鉴相传感器(电涡流位移传感器)构成。通常在转子开设宽约6~10mm、深约0.6~2mm、长50~80mm的鉴相槽,或粘贴厚0.3~0.5mm、宽6~10mm、长30~50mm的铝片。当鉴相标志转到鉴相传感器时,传感器发出鉴相脉冲信号。 相对相位计算 选定振动信号相位计算基准点,如正向过零点或正峰值点;脉冲信号导前于振动信号还是迟后于振动信号。国内使用较多的振动表采用脉冲信号在前、正峰值点相对相位测量方式。 当脉冲信号到达时,触发计数器开始快速计数;当振动基准到达时计数器停止,取出计 35 36 数值N。若计数时间间隔为,基频振动周期为T,则相对相位 相对相位与振动滞后角 理论上,由相对相位可推算出振动位移滞后于激励力的相位角,但因传感器、电子线路都有测量滞后,并且这些滞后与信号频率有关。因此,由相对相位推算振动滞后角有一定困难,但在相同测量条件下,秒速时时彩相对相位的变化直接反映出转子上激励力位置的变化。应当注意:不同振动表相对相位的定义不同,同一点测得的相位 360NT  37 值可能不等;即使同一仪表,但不同类型传感器,同一点测得的相对相位也可能不尽相同。 38 2.5 平衡精度与振动标准 转子质量不平衡是旋转机械的主要振源,也是多种自激振荡的诱发因素。因此,评价机组振动的状态优劣应从制造方面检测剩余不平衡,在发电厂现场检测转子或支承的振动。 2.5.1 平衡精度 转子存在剩余不平衡时,转速越高产生的振动就越大。统计发现:对同类转子,许用剩余不平衡与转速成反比。评价转子平衡精度用转子质心的线速度,即e(mm/s或m/s) 39 在“ISO1940刚性回转件平衡精确度”中,将质心速度分11个等级,分别对应于不同机械的回转部件,每级相差2.5倍。对汽轮发电机组刚性回转部件,精度等级为G2.5,即剩余不平衡的质心速度应小于2.5mm/s。 ISO的标准值一般来说并不高,因此某些行业针对所用设备特定的工作条件,制订出待业平衡精度标准。 2.5.2 振动标准 制订振动标准以验收机组振动是否达到安全状态,并监督机组振动的运行安全。 40 振动评估标准是基于一定振动测量技术,根据振动对机械运行安全的危害和振动失效分析的大量工程实际数据作统计处理而制订的,并且随着经验不断积累作补充和完善。 对汽轮发电机组而言,评价振动的计量尺度主要是轴承座和转轴的振动位移,对壳体等复杂多频率振动还采用振动烈度作振动评价计量尺度。 对汽轮发电机组,54年制订的电力法规,以轴承座振动位移作计测标准,分为优、良、合格三个等级,以水平、垂直、轴向三个方向最大者作评定依据。 41 轴承座振动作为评定标准,前提是认为机组振动主要是质量不平衡引起的,且转轴振动与轴承座振动间有一个固定的比例,三个方向具有相同的效应。但随着机组容量的增大,转子结构多样性和诱发振动因素的复杂性,不同容量、不同结构转子系统的动刚度差异较大,转轴与轴承座间的振动比例分散性较大,有时并不大的轴承座振动,也会引起转轴应力超载并导致动、静碰磨。为能更客观、有效、全面、正确地反映转子的振动,专家们提出对大型旋转机械应以转轴振动作为振动评估的尺度。 42 振动测量技术的进步,为推广转轴振动评估标准提供了技术保障。国际标准化组织发布了ISO7919-2。我国参照ISO7919-2制订了陆地安装大型汽轮发电机组“转轴径向振动测量与评定”标准GB/T11348.2-1997,电力部发文要求贯彻、应用这一标准。 ISO中将振动评定分为A、B、C、D4个区域,赋予特定的含义。 在GB/T11348.2-1997中,给出了基于这一标准的振动测量方法和测量仪通频带上限频率最低设置值。标准中指出,200MW以上机 43 组应根据转轴振动测量和轴承座振动两个方面来评定,小于200MW、大于50MW的机组,一般只要求测量轴承座振动,机组的振动状态按GB1147-89。 振动烈度 大量振动失效分析表明:不同频率的振动有着不同的危害,在相同振幅下,振动频率越高,产生的危害就越大。 实际机组的振动除质量不平衡产生外,还有转子间不对中、汽流或油膜涡动、部件或基础松动等复杂激励频率诱发因素。为充分考虑高频振动和高阶振动对机组运行安全的影 44 响,机组振动状态评定采用振动速度较为合适,因为振动速度正比于振动幅值和振动频率。 振动烈度即为振动速度的均方根值。 GB11347.1-89是参照ISO3845-1985制订的,适用于600~12000 r/min大型旋转机械现场振动评定。该机组分刚性支承和挠性支承两种情况、12个量级、4个区域。由于转子在相同激励下,支承刚度越大,产生的振动就越小,故给予刚性支承和挠性支承不同标准值。 45 2.6 振动报警、跳机值的设定 设定原则 机组振动达到报警和跳闸(遮断)值,并不代表机组处于危急状态。报警是让运行人员集中注意力到振动变化方面来,随时做好采取可能纠正措施的准备;跳闸值到达时,如不停机,机组振动增大将危及机组的安全。报警值一般为良好值的1.8~2倍跳闸值通常为报警值的1.5~2.0倍。跳闸值的设定还应考虑切断机组蒸汽供给所需的时间。 报警、跳闸值的设置,涉及到机组运行、维修和设计制造水平,还应依靠长期运行经验和大量的振动事故分析统计数据。 46 智能化的报警值的设置还应考虑振动变化速度,因为任何振动变化都是一种故障。 振动报警与跳闸值的设置,还应考虑动作的快速性和可靠性,任何不正确的报警和跳闸都不利于机组安全、经济运行。 跳闸方式 手动打闸速度慢于自动跳闸,因此对应手动打闸值应低于自动跳闸值。 保护方式 一对一保护安全性最强,但可能发生误动作,二对二或三对三保护可以减少误动作发生的概率,但增大了风险概率。 轴振不同方向的差别 由于受油膜厚度和转 47 轴涡动的影响,左、右45方向上有较大的差别,对应地设置不同的跳闸值。 不同轴瓦的不等效性 轴承座支承刚度的差异,振动所造成的危害是不同的。对汽轮机的高压转子,支承刚度较大,即使振动没有达到统一规定的报警值,但长期运行也会产生损伤性事故,如乌金碎裂等。 不同振动故障对机组运行安全危害的不同 对于稳定振动,在达到预定跳闸值后停机,一般不会机组产生损伤。但对不稳定振动,有可能产生大的事故。 48 例如:一阶临界转速以上的发生的转子碰磨,由此产生的热弯曲振动超过跳闸值,此时跳闸停机,在降速越过一阶临界转速时有可能发生大轴弯曲。因为一阶临界以上时转子振动有一定自平衡作用,即热弯曲振动高点滞后弯曲凸点大于90。在降速通过一阶临界转速时,滞后角减小,振动幅值增大。 49

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