基于彎扭耦合振動與軸心軌跡辨識的水輪發(fā)電機組故障診斷研究.pdf

1、隨著水電機組的研究、制造和應(yīng)用向巨型化、大容量方向發(fā)展，水輪發(fā)電機組振動問題越來越突出，人們針對機組的振動現(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)實現(xiàn)方法上的限制，使得某些類型的振動故障難以準確診斷。研究水電機組彎扭耦合振動現(xiàn)象并解析其機理極具挑戰(zhàn)性，研究成果將有助于全面了解軸系動力學(xué)特性，增強振動分析手段，并提高故障診斷的準確性。 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組運行狀況；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)定運動的有效途徑。 在此基礎(chǔ)上，論文針對水電機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，立式機組與臥式機組軸系振動特性有重大區(qū)別。水電機組軸系運行狀態(tài)分為正常運行、局部碰摩與全周碰摩三類：正常運行時，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，機組運行狀態(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動狀態(tài)進入碰摩區(qū)域而發(fā)生

7、碰摩故障。 針對水輪發(fā)電機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行了評價：改進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行處理，非常簡便，因此具有極