全息谱在旋转机器碰磨故障诊断中的应用

全息谱在旋转机器碰磨故障诊断中的应用

牛刚

中国石油化工股份有限公司天津分公司原油储运部，天津，300271

摘  要：部件碰磨是旋转机器运行中经常出现的故障类型，应用全息诊断技术可以对此类故障做出准确诊断，在状态监测中对于及早发现和诊断碰磨的类型、程度有良好的应用效果。

关键词：碰磨；全息诊断技术；状态监测；类型；程度

1 前言

旋转机器在启、停机阶段出现部件碰磨现象比较普遍。造成碰磨的主要原因：一是机器检修时更换进、出口密封和级间密封等部件后的径向间隙往往小于设计要求正常运行时的间隙；二是一些设计的紧密间隙形式密封，如汽轮发电机组汽轮机的级间密封等，由固定的耐磨材料和旋转部件上的密封线组成，其运行间隙是通过短时间的密封线切割固定的耐磨材料建立的；三是转子通过临界过程中，振动增大造成。上述情况的碰磨体现为持续时间较短，绝大部分可自行消除。

    在机器运行过程中，由于生产工艺故障、转子动平衡状态变化、对中状态变化等原因也会造成机器部件碰磨的发生。碰磨的类型通常分为：轻微摩擦、间歇摩擦和严重摩擦。轻微摩擦造成部件碰磨主要是由于介质通流不稳定、介质带液或外界干扰造成。间歇摩擦造成部件碰磨主要是由于旋转失速、喘振等严重的介质通流不稳定；油膜涡动；叶轮、叶片等部件结焦、结垢造成的转子动平衡状变化或在密封等位置结垢、结焦的堆积造成间隙减小；转子对中状态的较大变化等。严重摩擦造成部件碰磨主要是由于严重的喘振故障；部件损伤、脱落等造成的转子动平衡状态劣化；联轴器失效等。

2 全息诊断技术

对于旋转机械振动状态监测最早使用的方法是FFT幅值谱图、趋势图、轴心轨迹图等。目前国外对旋转机械振动状态监测和故障诊断的手段仍仅限于此。传统方法的缺陷在于单个测点的幅值信息和相位信息分别提供，多个测点之间的信息彼此孤立，诊断过程中提取单一测点和机器各测点的振动相干性特征信息困难。全息谱是一种在频域中融合信息的方法，在一张谱图中集成了转子振动的全部幅值、频率和相位信息。

全息谱的重点是在一张谱图中集成了振动的全部幅值、频率、相位信息，应用内插技术精确地确定出谱线的幅值、频率、相位信息，同时降低了传统FFT信号处理技术的相位误差。定义相位为键相信号脉冲前沿滞后第一个正向过零点的角度。提取同测量截面的两方向振动1倍频分量后合成得到：

                                  （1）

式中：Ai、Bi为X和Y两方向振动的幅值，αi、βi为两方向振动的相位，ω为旋转的角速度。上式（1）为转子振动1倍频轴心轨迹的参数方程，其形成的轨迹为椭圆，就是振动1倍频的二维全息谱。

初相点、椭圆偏心率和倾斜角是多数全息谱图中包含的重要信息参量。在以键相位置做为0点建立的相位的基础上确定了每个支撑位置振动的初相点，初相点的变化主要体现了转子测量截面重心的变化和质量不均位置的变化。椭圆偏心率是单一频率正、反进动圆半径的比例关系参量，主要体现了转子涡动的进动方向和稳定性。各分频椭圆倾斜角的相对关系特征和变化是区分特征频率相近故障的重要参量。

全息诊断技术在我国提出后得到了较为广泛的实践应用，并逐步形成了由二维全息谱、三维全息谱、短时复谱、短时轴谱、提纯轴心轨迹、滤波轴心轨迹、合成轴心轨迹和全息瀑布图等方法构成的完整的谱分析、诊断技术。

3 碰磨故障的诊断

碰磨引起的振动是非线性振动，动静部件碰磨通常会造成转子局部受热不均，额外的支撑引起的刚度变化。同时，由于介质通流不稳造成的碰磨情况下，流体激振会产生低频成分，加上转子固有的动平衡问题和对中问题等形成的复合故障表现。因此，碰磨产生的频率成分往往是丰富且随机变化的，除了转子涡动方向会出现反进动外，必须引入更多的同步相位信息做诊断。以便于频域特征相近松动等故障加以区分、准确诊断。                                  

运行中的转子发生碰磨时，轴瓦、密封等静止部件作用在其上的反弹力和摩擦力是很大的，产生碰磨的瞬间会使转子发生横向自由振动，横向自由振动响应与转子旋转运动、转子涡动运动相叠加形成一种复杂的转子振动形态。横向自由振动的大小取决于转子不平衡质量，同时随接触圆弧的大小发生变化，因而体现出振动频率的变化。接触力和转子运动之间的非线性关系造成转子产生次谐波和高次谐波振动响应。在次谐波响应中，对称型的非线性振动产生奇次谐波响应，非对称型的非线性振动产生偶次谐波响应。局部碰磨一般是非对称的非线性振动，因此多数情况下是产生转速频率的0.5倍频响应。当转速高于一阶自振频率的二倍时，就会激起0.5倍频谐波共振。

F：摩擦力； K：附加弹性力；P：反弹力； N：正压力

全息诊断技术对碰磨故障诊断的定义为：(1)碰磨造成的转子热弯曲和支撑刚度的变化均不会影响振动1倍频成分初相点的位置，因此1倍频成分初相点稳定；(2)摩擦作用力具有较稳定的方向性，二维全息谱图中体现为一组长轴方向相同的偏心率很大的椭圆。低阶倍频和高阶倍频成分丰富；(3)受支撑刚度的变化和气流通流问题的影响，各倍频椭圆的偏心率和倾斜角会出现随机变化。

4 应用案例

下面以某乙烯冷媒制冷压缩机组部件碰磨故障为例进行说明。

某公司烯烃部乙烯冷媒制冷压缩机组，机组总貌图/轴振动测点位置示意图如图4.1。

压缩机非联轴器侧径向轴振动值较大且存在短时波动现象。振动1倍频幅值数值在30um以上，振动1倍频相位数值存在快速波动，相位数值平稳。近期振动1倍频趋势如下图4.2。

图4.1总貌图                   图4.2 振动1倍频幅值、相位趋势图

压缩机非联轴器侧测量位置轴心轨迹主要体现3种形态。一是双稳态运行，转子随机的运行在两个相对稳定的涡动形态轨迹上，且在两个相对稳态之间变动；二是涡动平均位置不稳定，当两径向振值相对平稳时涡动形态稳定，但每周重合性较差；三是全摩擦，两径向振动值波动较大时，涡动体现了轴瓦结构限定下的形态。典型轴心轨迹如下图4.3中(a)、(b)、(c)。   

(a)                        (b)                        (c)                   

图4.3 轴心轨迹图

以上传统诊断技术提供的信息体现出压缩机存在介质通流稳定相差，非联轴侧怀疑存在动静部件碰磨现象。之所以仅是怀疑存在动静部件碰磨是由于压缩机转子在各典型轴心轨迹形态中的进动方向一直保持正进动。需要更为准确、清晰的振动相位信息做最终的诊断、确认。利用全息诊断技术在压缩机运行相对平稳时和出现短时波动时非联轴器侧振动测量位置二维全息谱图中可以看到，两运行状态下振动1倍频椭圆偏心率和直径存在变化，初相点数值不变。谱图中均存在丰富的高阶倍频成分和0.5倍频成分，高阶倍频成分的椭圆偏心率和倾斜角数值存在变化，0.5倍频的进动方向存在正进动和反进动的切换变化。如下图4.4中(a)、(b)。   

(a)                                    (b)

图4.4二维全息谱图

二维全息谱图综合展示的幅值、频率、相位信息，通过监测机组各运行状态下径向振动1倍频初相点数值的趋势，振动1倍频椭圆偏心率和倾斜角数值的变化，低阶倍频和高阶倍频成分的进动方向变化，使部件碰磨情况得以清晰的显现。

5 结论

全息谱图将同一振动测量截面的两个传感器采集的信息以及不同振动测量位置的多个传感器采集的信息融合，融合的纽带是各传感器采集到的相位数据信息，因此对传感器的配置也有详尽的要求：

(1)传感器的安装条件相同；

(2)传感器的特性一致；

(3)信号传输路径相似，采样频率和起始采样时间相同；

(4)应用全息谱内插技术精确的定义谱线的频率、幅值和相位。

以此为基础的全息诊断谱图清晰的展示了机组各支撑位置和整体的振动形态，是诊断技术研究和应用的新的发展方向。

参考文献：

[1]屈梁生. 机械故障的全息诊断原理[M].科学出版社.2008年5月.

[2]沈庆根，郑水英. 设备故障诊断[M].化学工业出版社.2006年3月.