陳明華，劉紅彥，李政

（中海油能源發(fā)展裝備技術(shù)有限公司，天津 300452）

石油石化行業(yè)高速渦輪機(jī)械，包括蒸汽輪機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)、離心壓縮機(jī)、軸流壓縮機(jī)等，在生產(chǎn)流程中屬于關(guān)鍵動(dòng)設(shè)備，通常采用振動(dòng)實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)技術(shù)監(jiān)測(cè)其運(yùn)行、評(píng)估其狀態(tài)。下文將就振動(dòng)參數(shù)數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)分析組態(tài)技術(shù)要點(diǎn)進(jìn)行討論。

1 設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)及其轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)特性

設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)可從多角度進(jìn)行分類，設(shè)備負(fù)載狀態(tài)、設(shè)備故障狀態(tài)、設(shè)備不同轉(zhuǎn)速運(yùn)行狀態(tài)等。本文主要從設(shè)備轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速變化狀態(tài)進(jìn)行分類，包括啟車提速狀態(tài)、穩(wěn)定轉(zhuǎn)速運(yùn)行狀態(tài)、降轉(zhuǎn)速狀態(tài)（包括被動(dòng)停機(jī)及主動(dòng)降速運(yùn)行）。啟車提速、停車降轉(zhuǎn)速過(guò)程中，轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)剛度及振動(dòng)處于連續(xù)動(dòng)態(tài)變化狀態(tài)，稱為瞬態(tài)運(yùn)行狀態(tài)；穩(wěn)定轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)剛度及轉(zhuǎn)子振動(dòng)變化很小，稱為穩(wěn)態(tài)運(yùn)行狀態(tài)。

通過(guò)簡(jiǎn)化的轉(zhuǎn)子振動(dòng)數(shù)據(jù)分析模型，對(duì)于振動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析討論。對(duì)于使用動(dòng)壓滑動(dòng)軸承的旋轉(zhuǎn)機(jī)械，其簡(jiǎn)單模型中在不平衡力作用下強(qiáng)迫振動(dòng)的振動(dòng)響應(yīng)數(shù)學(xué)表達(dá)式：

由式（1）可知，轉(zhuǎn)子的振動(dòng)大小取決于不平衡力與轉(zhuǎn)子的動(dòng)態(tài)剛度之比k動(dòng)=k-MΩ2+jD(1-λ)Ω。

1.1 瞬態(tài)運(yùn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)子振動(dòng)特性

對(duì)于高速渦論機(jī)械，大多數(shù)轉(zhuǎn)子的運(yùn)行轉(zhuǎn)速設(shè)計(jì)在一階臨界轉(zhuǎn)速上，轉(zhuǎn)子在啟車提速過(guò)程中，都要經(jīng)歷三個(gè)典型階段，低于臨界轉(zhuǎn)速階段，臨界轉(zhuǎn)速附近階段（通常在臨界轉(zhuǎn)速正負(fù)20%～30%范圍內(nèi)），以及高于臨界轉(zhuǎn)速階段。由式（1）可知，在低于臨界轉(zhuǎn)速階段轉(zhuǎn)子動(dòng)態(tài)剛度以徑向彈性剛度為主，升速過(guò)程中由于與彈性剛度反向的質(zhì)量剛度逐漸增大，徑向剛度逐漸減小，在不平衡離心力的激勵(lì)下，振動(dòng)值則逐漸增大。當(dāng)進(jìn)入臨界轉(zhuǎn)速附近，徑向剛度趨于零，轉(zhuǎn)子剛度主要表現(xiàn)為切向剛度，振動(dòng)達(dá)到峰值，相位角變化約90°。當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速進(jìn)入高于臨界轉(zhuǎn)速階段，轉(zhuǎn)子剛度以徑向的質(zhì)量剛度為主，其方向與彈性剛度相反，振動(dòng)相位角變化約180°。轉(zhuǎn)子在降速過(guò)程中，則反向經(jīng)歷上述過(guò)程。

1.2 穩(wěn)態(tài)運(yùn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)子振動(dòng)特性

高速渦輪機(jī)械正常運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)子通常穩(wěn)定運(yùn)行在一階臨界轉(zhuǎn)速以上的區(qū)域，轉(zhuǎn)子動(dòng)態(tài)剛度穩(wěn)定。

但高速渦輪機(jī)械在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行過(guò)程中，因設(shè)備故障導(dǎo)致激勵(lì)力與轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)剛度的變化，也會(huì)改變轉(zhuǎn)子各部件振動(dòng)大小、方向以及轉(zhuǎn)子振動(dòng)模態(tài)。如轉(zhuǎn)子不平衡故障將改變轉(zhuǎn)子重點(diǎn)位置與不平衡力的大小，從而改變振動(dòng)大小與方向；轉(zhuǎn)子受到的渦動(dòng)力與轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的固有頻率一致時(shí)，會(huì)產(chǎn)生自激振動(dòng)，此時(shí)，振動(dòng)頻率、振動(dòng)大小、振動(dòng)方向、轉(zhuǎn)子回轉(zhuǎn)的軸心軌跡大小與形狀都會(huì)改變。

2 轉(zhuǎn)子振動(dòng)監(jiān)測(cè)參數(shù)

高速渦輪機(jī)械的轉(zhuǎn)子主要振動(dòng)監(jiān)測(cè)參數(shù)包括振動(dòng)位移、軸向位移、相位、轉(zhuǎn)速；設(shè)備殼體的主要振動(dòng)監(jiān)測(cè)參數(shù)包括振動(dòng)速度（軸承座、設(shè)備殼體）、振動(dòng)加速度（齒輪箱）。第一類參數(shù)通常采用采用渦流位移傳感器測(cè)取，直接反應(yīng)轉(zhuǎn)子相對(duì)軸瓦動(dòng)態(tài)運(yùn)行情況；第二類參數(shù)，通常采用速度、加速度傳感器在軸瓦或設(shè)備殼體測(cè)取，反映了軸承座及殼體在轉(zhuǎn)子的動(dòng)態(tài)作用力下的動(dòng)態(tài)運(yùn)行情況。本文僅討論第一種參數(shù)的數(shù)據(jù)采集與應(yīng)用要點(diǎn)。

3 振動(dòng)數(shù)據(jù)采集及基本要求

高速渦輪機(jī)械的振動(dòng)數(shù)據(jù)主要采集兩類數(shù)據(jù)，鍵相數(shù)據(jù)和振動(dòng)時(shí)域波形數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)采集的過(guò)程是通過(guò)對(duì)傳感器測(cè)得的模擬信息進(jìn)行高頻數(shù)字化采樣，得到與模擬信號(hào)接近的數(shù)字化信息；確保采集到的數(shù)字化信息不丟失設(shè)備故障信息是數(shù)據(jù)采集的基本要求。

4 數(shù)據(jù)分析圖譜及繪制圖譜的振動(dòng)數(shù)據(jù)需求

4.1 數(shù)據(jù)分析圖譜

高速渦論機(jī)械數(shù)據(jù)分析圖譜采集的信號(hào)時(shí)域波形圖、軸心軌跡圖、半頻譜圖、全頻譜圖、伯德圖、極坐標(biāo)圖等，各圖譜圖例如圖1 ～6。

圖1 時(shí)域圖

圖2 軸心軌跡圖

圖3 半頻譜圖

圖5 伯德圖

圖6 極坐標(biāo)圖

4.2 繪制數(shù)據(jù)分析圖譜的數(shù)據(jù)需求

時(shí)域波形圖：鍵相參考點(diǎn)、每個(gè)采樣點(diǎn)對(duì)應(yīng)的時(shí)間及振動(dòng)值大小。

軸心軌跡圖：鍵相參考點(diǎn)，X 方向，Y 方向的時(shí)域波形數(shù)據(jù)。

半頻譜圖：由時(shí)域波形傅里葉變化得到頻率與振動(dòng)值大小的數(shù)據(jù)。

全頻譜圖：由繪制軸心軌跡圖的X 方向和Y 方向的時(shí)域圖轉(zhuǎn)換得到，它將每個(gè)單一頻率的軸心軌跡考慮為一個(gè)正向矢量與一個(gè)反向矢量的合成，對(duì)每個(gè)可能的單個(gè)頻率（激振力）都做上述的分解，就得到每個(gè)頻率下的正進(jìn)動(dòng)分量和反進(jìn)動(dòng)分量，放在頻率-幅值坐標(biāo)中，就得到了全頻譜圖。

伯德圖：振動(dòng)值與相位隨轉(zhuǎn)速的變化數(shù)據(jù)，并分別繪制在相位/轉(zhuǎn)速，振動(dòng)大小/轉(zhuǎn)速圖內(nèi)。

極坐標(biāo)圖：振動(dòng)值與相位隨轉(zhuǎn)速的變化數(shù)據(jù)，直接以矢量繪制，并連接其矢量頂點(diǎn)形成矢量變化曲線。

5 數(shù)據(jù)采集組態(tài)技術(shù)要點(diǎn)

依據(jù)高頻數(shù)據(jù)采集定理，振動(dòng)數(shù)據(jù)采樣頻率應(yīng)大于數(shù)據(jù)分析頻率的兩倍，實(shí)際應(yīng)用通常取2.56 倍。對(duì)于啟車與停車這樣的瞬態(tài)過(guò)程，數(shù)據(jù)分析頻率的范圍是動(dòng)態(tài)變化的，應(yīng)通過(guò)鎖定測(cè)取的鍵相信號(hào)動(dòng)態(tài)調(diào)整采樣頻率，以滿足采樣定理要求。因鍵相點(diǎn)在時(shí)域波形與軸心軌跡分析中可起到分辨振動(dòng)周期差的作用，所以高速渦輪機(jī)械振動(dòng)數(shù)據(jù)采集對(duì)于頻率分辨率沒(méi)有嚴(yán)格要求，可根據(jù)數(shù)據(jù)分析需要，設(shè)定在800 ～3200 線。

5.1 穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)分析圖譜組態(tài)要點(diǎn)

對(duì)于穩(wěn)態(tài)過(guò)程的振動(dòng)數(shù)據(jù)，相位參考點(diǎn)是固定的，此時(shí)，轉(zhuǎn)子系統(tǒng)剛度也是相對(duì)穩(wěn)定的，時(shí)域波形數(shù)據(jù)采集僅需滿足采樣定理、頻率分析分辨率即可。

由于渦流位移傳感器測(cè)取的信號(hào)包括機(jī)械與電磁噪聲帶來(lái)的干擾，因此應(yīng)采集低頻段的振動(dòng)矢量或低頻含鍵相點(diǎn)的時(shí)域波形，并補(bǔ)償穩(wěn)態(tài)過(guò)程測(cè)取的振動(dòng)信號(hào)。一般將一階臨界轉(zhuǎn)速的10%的振動(dòng)矢量或時(shí)域波形作為慢滾動(dòng)補(bǔ)償數(shù)據(jù)。

慢滾動(dòng)補(bǔ)償數(shù)據(jù)包括慢滾動(dòng)矢量、滿滾動(dòng)時(shí)域波形數(shù)據(jù)，如時(shí)域波形圖可用低頻時(shí)域波形圖補(bǔ)償，穩(wěn)態(tài)軸心軌跡圖可同時(shí)采用含鍵相點(diǎn)的X 軸、Y 軸低頻時(shí)域波形波補(bǔ)償；軸心軌跡圖及伯德圖可采用，慢滾動(dòng)矢量數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)償。對(duì)于頻譜數(shù)據(jù)，失去了相位參考點(diǎn)，無(wú)法直接補(bǔ)償，可采用補(bǔ)償后的時(shí)域波形數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化，獲得新的頻譜圖形。

5.2 瞬態(tài)數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)分析圖譜組態(tài)要點(diǎn)

瞬態(tài)過(guò)程中，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子系統(tǒng)剛度隨轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速在動(dòng)態(tài)變化，此時(shí)，動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集頻率應(yīng)與鍵相點(diǎn)動(dòng)態(tài)關(guān)聯(lián)，如通過(guò)跟蹤濾波的方式，動(dòng)態(tài)鎖定轉(zhuǎn)子瞬態(tài)轉(zhuǎn)速，并據(jù)此調(diào)整采集頻率，獲得動(dòng)態(tài)的時(shí)域波形信號(hào)。由于數(shù)據(jù)采集的時(shí)間與頻率分辨率成反比，因此，為保障數(shù)據(jù)采集能夠在轉(zhuǎn)子提速或降速的瞬態(tài)過(guò)程中完成，振動(dòng)數(shù)據(jù)分辨率不宜設(shè)置太高，應(yīng)與數(shù)據(jù)采集頻率匹配，一般設(shè)置為800 線。

與穩(wěn)態(tài)過(guò)程相同，瞬態(tài)過(guò)程的振動(dòng)數(shù)據(jù)也可通過(guò)帶相位參考點(diǎn)的時(shí)域波形補(bǔ)償，去除機(jī)械與電磁噪聲的影響；如軸心軌跡圖，可同時(shí)采用含鍵相點(diǎn)的X 軸、Y 軸低頻時(shí)域波形波補(bǔ)償；伯德圖與極坐標(biāo)圖可采用慢滾動(dòng)矢量進(jìn)行補(bǔ)償。實(shí)際上，慢滾動(dòng)矢量，還包括轉(zhuǎn)子機(jī)械故障本身在低頻段的振動(dòng)表現(xiàn)，如軸彎曲、軸裂紋等；因此，在數(shù)據(jù)分析時(shí)，應(yīng)考慮補(bǔ)償后對(duì)數(shù)據(jù)的影響。

6 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，對(duì)于高速渦論設(shè)備，在對(duì)數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)分析圖譜的組態(tài)過(guò)程中，應(yīng)依據(jù)設(shè)備的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)，均衡考慮采集頻率、分辨率、數(shù)據(jù)補(bǔ)償方法，切忌突出單一采集參數(shù)高指標(biāo)，才能保障數(shù)據(jù)的真實(shí)性、可靠性、可用性。