基于彎扭耦合振動與軸心軌跡辨識的水輪發(fā)電機(jī)組故障診斷研究.pdf

1、隨著水電機(jī)組的研究、制造和應(yīng)用向巨型化、大容量方向發(fā)展，水輪發(fā)電機(jī)組振動問題越來越突出，人們針對機(jī)組的振動現(xiàn)象開展了深入的研究，積極探尋有效的狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷方法并取得了許多成果。但由于研究范式的局限，尤其是研究理論在技術(shù)實(shí)現(xiàn)方法上的限制，使得某些類型的振動故障難以準(zhǔn)確診斷。研究水電機(jī)組彎扭耦合振動現(xiàn)象并解析其機(jī)理極具挑戰(zhàn)性，研究成果將有助于全面了解軸系動力學(xué)特性，增強(qiáng)振動分析手段，并提高故障診斷的準(zhǔn)確性。 論文以剛性支撐的單

2、質(zhì)量不平衡轉(zhuǎn)子為研究對象，建立了計及陀螺效應(yīng)的轉(zhuǎn)子彎扭耦合振動數(shù)學(xué)模型，并通過仿真試驗(yàn)分析了該類轉(zhuǎn)子的彎扭耦合振動特性：考慮陀螺效應(yīng)后，彎振響應(yīng)變大，單盤轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速增加。彎振響應(yīng)主要包含工頻（1X分量）以及耦合的|Ω±ωti|、|ω1i±ωti|等頻率（Ω為轉(zhuǎn)頻、ωti為外扭矩角頻率）；由于沒有重力影響，扭振響應(yīng)的1X分量很小，主要包含耦合的|Ω±ω1i|（ω1i為外激勵角頻率）、|Ω±ω2i|（ω2i為質(zhì)偏角頻率）等頻率成分。耦合

3、頻率成分不大，但在某些特殊情況下可以有效地表征機(jī)組運(yùn)行狀況；隨著轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的升高，2Hz以下的低頻分量越來越大，減小轉(zhuǎn)子質(zhì)量偏心與極轉(zhuǎn)動慣量是高速轉(zhuǎn)子穩(wěn)定運(yùn)動的有效途徑。 在此基礎(chǔ)上，論文針對水電機(jī)組軸系固定式剛性聯(lián)軸器與可移式剛性聯(lián)軸器平行不對中故障的彎扭耦合振動特性進(jìn)行了深入研究。聯(lián)軸器不對中轉(zhuǎn)子系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)子質(zhì)量偏心及固結(jié)于其上的不平衡質(zhì)量是彎扭耦合的必要條件。固定式剛性聯(lián)軸器平行不對中故障，彎振響應(yīng)以1X為主；扭振響應(yīng)主要包

4、含一直流負(fù)扭角、1X和較大2X分量，該幅扭角很大，對轉(zhuǎn)軸安全極為不利，轉(zhuǎn)子軸心軌跡呈現(xiàn)為橢圓；可移式剛性聯(lián)軸器彎振響應(yīng)除1X外，還有扭振在彎振中耦合的2nX成分，其中2X頻率較大。扭振穩(wěn)態(tài)響應(yīng)包含直流與1X分量。在2X分量共振區(qū)及附近區(qū)域以及其它2X分量較大處，軸心軌跡呈雙環(huán)橢圓；在遠(yuǎn)離2X分量共振區(qū)及2X分量較小處，軸心軌跡呈橢圓。 接著，論文著重研究了水輪發(fā)電機(jī)組軸系的另一典型故障―動靜碰摩的彎扭耦合振動特性。由于沒有重力影

5、響，立式機(jī)組與臥式機(jī)組軸系振動特性有重大區(qū)別。水電機(jī)組軸系運(yùn)行狀態(tài)分為正常運(yùn)行、局部碰摩與全周碰摩三類：正常運(yùn)行時，軸系彎振主要表現(xiàn)為1X，幾乎沒有其他頻率成分，扭振響應(yīng)沒有明顯的頻率成分；機(jī)組發(fā)生局部碰摩時，彎振出現(xiàn)兩種振動特性，第一類彎振響應(yīng)主要包含1X及其倍頻分量，第二類彎振響應(yīng)主要包含（N/2）倍轉(zhuǎn)頻的頻譜。扭振也出現(xiàn)兩種振動特性，第一類振動響應(yīng)主要包含1X及其倍頻分量，第二類振動響應(yīng)主要包含（N/2）倍轉(zhuǎn)頻的頻譜；機(jī)組發(fā)生全周

6、碰摩時，彎振頻譜主要包含1X及2X分量，扭振頻譜主要包含1X及2X分量，但2X分量較小。轉(zhuǎn)子偏心距與動靜間隙對轉(zhuǎn)子碰摩振動特性有重要影響，轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡過大或聯(lián)軸器不對中等原因造成轉(zhuǎn)子偏心距增大，易造成碰摩故障；當(dāng)軸系初始平衡位置改變，使得動靜間隙變小，也容易造成碰摩故障。因此，機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)惡化時，如轉(zhuǎn)子偏心加大、軸系不對中造成軸間不平衡力加大、機(jī)組軸系受到外力作用或其它原因造成動靜間隙過小等，都有可能使軸系的運(yùn)動狀態(tài)進(jìn)入碰摩區(qū)域而發(fā)生

7、碰摩故障。 針對水輪發(fā)電機(jī)組軸心軌跡自動識別技術(shù)，論文在總結(jié)近年來研究成果的基礎(chǔ)上，綜合模式識別研究的新成果，提出了三種軸心軌跡自動識別的新方法并對這些方法的識別效果進(jìn)行了評價：改進(jìn)Fourier描述子方法具有很高的目標(biāo)識別能力，但需要對原始軌跡曲線進(jìn)行非常復(fù)雜的變換；PJFMIs方法的目標(biāo)識別率較高，但需要將軸心軌跡轉(zhuǎn)化為圖像模式進(jìn)行識別；仿射不變矩方法不僅具有很高的目標(biāo)識別率，而且直接對原始信號進(jìn)行處理，非常簡便，因此具有極