魏盛輝

（遼寧紅沿河核電有限公司，遼寧 大連 116319）

0 引言

核電站有上千臺(tái)旋轉(zhuǎn)設(shè)備，在旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備的日常維護(hù)和安裝調(diào)試過(guò)程中，經(jīng)常會(huì)遇到因設(shè)備振動(dòng)而無(wú)法可靠運(yùn)行的情況。由于振動(dòng)的原因錯(cuò)綜復(fù)雜，僅靠耳聽(tīng)、手摸的原始方法，很難全面、準(zhǔn)確地分析判斷故障原因。采用先進(jìn)的設(shè)備狀態(tài)檢測(cè)和故障診斷技術(shù)，通過(guò)掌握設(shè)備在一定時(shí)期的運(yùn)行參數(shù)和振動(dòng)頻譜圖，對(duì)這些參數(shù)和頻譜進(jìn)行分析，有利于分析判斷故障原因，縮短檢修工期，合理地安排關(guān)鍵設(shè)備的預(yù)防維修計(jì)劃，從而避免因突發(fā)性設(shè)備故障而造成的經(jīng)濟(jì)損失，確保生產(chǎn)的順利進(jìn)行。

1 振動(dòng)故障診斷來(lái)源

故障是指機(jī)械設(shè)備喪失了原來(lái)所規(guī)定的性能和狀態(tài)，通常把運(yùn)行中的狀態(tài)異常、缺陷、性能惡化及事故前期的狀態(tài)統(tǒng)稱為故障，而故障診斷則是根據(jù)狀態(tài)監(jiān)測(cè)所獲得的信息，結(jié)合設(shè)備的工作原理、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、運(yùn)行參數(shù)及其歷史運(yùn)行狀況，對(duì)設(shè)備有可能發(fā)生的故障進(jìn)行分析、預(yù)報(bào)，對(duì)設(shè)備已經(jīng)或正在發(fā)生的故障進(jìn)行分析、判斷，以確定故障的性質(zhì)、類別、程度、部位及趨勢(shì)。因此故障診斷的目的就是保證機(jī)械設(shè)備運(yùn)行可靠性和穩(wěn)定性；保證安全生產(chǎn)、提高設(shè)備利用率和經(jīng)濟(jì)效益；實(shí)現(xiàn)設(shè)備由糾正行維修、計(jì)劃性維修向預(yù)防性維修轉(zhuǎn)變。

由于在旋轉(zhuǎn)機(jī)械的故障中，振動(dòng)問(wèn)題出現(xiàn)的概率高，因此行業(yè)內(nèi)出現(xiàn)了通過(guò)對(duì)設(shè)備所產(chǎn)生的機(jī)械振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行采集、數(shù)據(jù)處理，根據(jù)振幅、頻率、相位及相關(guān)圖形進(jìn)而判斷是何種故障的分析方法，稱為振動(dòng)故障診斷法。振動(dòng)信號(hào)包含了豐富的機(jī)械及運(yùn)行的狀態(tài)信息，既包含了轉(zhuǎn)子、軸承、聯(lián)軸器、基礎(chǔ)、管線等機(jī)械零部件運(yùn)行中自身狀態(tài)的信息，又包含了諸如轉(zhuǎn)速、流量、進(jìn)出口壓力及溫度、油溫等影響運(yùn)行狀態(tài)的信息；同時(shí)，振動(dòng)信號(hào)易于拾取，便于在不影響機(jī)器運(yùn)行的情況下實(shí)行監(jiān)測(cè)和診斷。因此振動(dòng)分析法是旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障診斷中運(yùn)用最廣泛，也最行之有效的方法。

2 振動(dòng)數(shù)據(jù)的頻譜分析

圖1 動(dòng)態(tài)信號(hào)分析步驟

對(duì)于大多數(shù)機(jī)器來(lái)說(shuō)，當(dāng)它們穩(wěn)定工作時(shí)振動(dòng)有一個(gè)比較穩(wěn)定的水平。當(dāng)設(shè)備內(nèi)部出現(xiàn)缺陷時(shí)，作用在機(jī)器部件上的力或者就是這些部件自身的力學(xué)性能也跟著發(fā)生變化，從而改變了設(shè)備的振動(dòng)水平。這樣測(cè)得的振動(dòng)數(shù)據(jù)與預(yù)先制定的標(biāo)準(zhǔn) （或機(jī)器以往的振動(dòng)水平）進(jìn)行對(duì)比，就可以判斷機(jī)器內(nèi)部是否出現(xiàn)故障。我們測(cè)得的初始振動(dòng)信號(hào)（時(shí)域信號(hào)）反映的是振動(dòng)的通頻值隨時(shí)間的變化，表明了振動(dòng)總量的變化情況，當(dāng)通頻值異常增大時(shí)，說(shuō)明某一個(gè)或幾個(gè)特征頻率的幅值增大，也就是設(shè)備內(nèi)部肯定出現(xiàn)了某種故障，但是因?yàn)椴ㄐ瘟鑱y，不利于狀態(tài)監(jiān)測(cè)工程師明確揭示信號(hào)的頻率組成和各頻率分量大小，也就是無(wú)法確定故障種類。傅立葉變換是將時(shí)域信號(hào)x(t)變換為頻域信號(hào)X(f),從另一個(gè)角度來(lái)了解復(fù)雜信號(hào)的特征。信號(hào)的頻譜X(f)代表了信號(hào)在不同頻率分量處信號(hào)成分的大小，它能夠提供比時(shí)域信號(hào)波形更直觀、豐富的信息（圖1）。

頻譜圖能夠較為細(xì)致、準(zhǔn)確地反映出組成通頻振動(dòng)的所有具體頻率的成份及其幅值。利用傅立葉（FFT）頻譜分析，可以進(jìn)一步了解振動(dòng)的構(gòu)成原因（如圖2）。但是看頻譜圖決不能去找幅值最大的頻率成份，并認(rèn)為其就是造成振動(dòng)大的主要原因，這是非常片面的。不要單純地看各種頻率及其幅值的大小，更要看各種頻率及其幅值變化量的大小，重點(diǎn)是查找有無(wú)新的頻率成份、幅值相對(duì)變化大的頻率成份?？搭l譜圖時(shí)，不能就圖論圖，而應(yīng)該進(jìn)行對(duì)照比較，也就是通過(guò)故障發(fā)生時(shí)與正常運(yùn)行時(shí)的頻譜圖相互之間的比較，查找出主要異常振動(dòng)分量、即幅值相對(duì)變化最大的頻率成份以及新出現(xiàn)的頻率的成份，該頻率成份的振動(dòng)分量最有可能是引起振動(dòng)故障的主要原因。

圖2 利用FFT頻譜分析了解振動(dòng)的構(gòu)成原因

3 核電站旋轉(zhuǎn)設(shè)備常見(jiàn)振動(dòng)故障

旋轉(zhuǎn)設(shè)備的故障種類眾多，包括不平衡（力不平衡、力偶不平衡、動(dòng)不平衡），不對(duì)中（角向不對(duì)中、平行不對(duì)中、卡在軸上不對(duì)中的軸承），偏心轉(zhuǎn)子，共振，機(jī)械松動(dòng)（A、B、C三類），轉(zhuǎn)子摩擦等等。但是核電站通過(guò)制定嚴(yán)格的旋轉(zhuǎn)設(shè)備振動(dòng)監(jiān)測(cè)周期，旋轉(zhuǎn)設(shè)備的故障大多不會(huì)發(fā)展到中后期，也就是說(shuō)出現(xiàn)設(shè)備失效的狀況不多，而多以前期故障為主。如下為幾種常見(jiàn)的故障表現(xiàn)：

圖3 某風(fēng)機(jī)機(jī)械松動(dòng)（A類）故障的振動(dòng)頻譜表現(xiàn)

3．1 機(jī)械松動(dòng)（A類）

總結(jié)核電站旋轉(zhuǎn)設(shè)備長(zhǎng)期的振動(dòng)故障表現(xiàn)，出現(xiàn)頻率最高的故障是A類機(jī)械松動(dòng)，解決措施是需要調(diào)整設(shè)備基礎(chǔ)。圖3就是核電站某風(fēng)機(jī)在機(jī)械松動(dòng)（A類）故障時(shí)的振動(dòng)頻譜表現(xiàn)。

上圖頻譜顯示，振動(dòng)故障以設(shè)備的工頻1X（與設(shè)備轉(zhuǎn)速相同的頻率）為主，那么這種頻譜顯示，有可能對(duì)應(yīng)三種故障：不平衡、轉(zhuǎn)子偏心、A類機(jī)械松動(dòng)，我們可以從故障的出現(xiàn)時(shí)間加以判斷，因?yàn)椴黄胶饣蜣D(zhuǎn)子偏心在設(shè)備剛安裝或是進(jìn)行了設(shè)備解體回裝時(shí)，可能出現(xiàn)，但是如果該頻譜是在設(shè)備長(zhǎng)期運(yùn)行一段時(shí)間之后出現(xiàn)，所以基本可以確定為A類機(jī)械松動(dòng)，原理分析如下：

在線性系統(tǒng)中，部件呈現(xiàn)的振幅與作用在部件上的激振力成正比，與它的動(dòng)剛度成反比，可用下式表示：A=P/Kd

式中：A-振幅；P-激振力；Kd-部件動(dòng)剛度。

部件動(dòng)剛度是表示部件產(chǎn)生單位振幅（位移）所需的交變力，由上述公式可見(jiàn)：在較小的激振力作用下，若部件動(dòng)剛度（Kd）較低，將會(huì)產(chǎn)生很大的振動(dòng)。設(shè)備運(yùn)行初期，由于管道及地腳螺栓緊力較大，提高了設(shè)備的支撐剛度，振動(dòng)水平較低；但是隨著設(shè)備的運(yùn)行，螺栓應(yīng)力緩慢釋放，支撐剛度降低，振動(dòng)就會(huì)逐漸明顯上升，因此可以通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)的地腳螺栓調(diào)整降低振動(dòng)水平。

3．2 機(jī)械松動(dòng)（B類）

機(jī)械松動(dòng)分為A、B、C三類（如圖4），常見(jiàn)故障中A類出現(xiàn)的頻率最大，B類以一定頻率出現(xiàn)，而C類幾乎沒(méi)有。B類的機(jī)械松動(dòng)的頻譜表現(xiàn)是2X頻分量異常增大，甚至超過(guò)了1X分量的50%，圖5就是核電站某泵在機(jī)械松動(dòng)（B類）故障時(shí)的振動(dòng)頻譜表現(xiàn)。

圖4 機(jī)械松動(dòng)類型

圖5 某泵機(jī)械松動(dòng)（B類）故障的振動(dòng)頻譜表現(xiàn)

出現(xiàn)上述的頻譜表現(xiàn)，要排除不對(duì)中的故障可能，因?yàn)椴粚?duì)中也有相近的頻譜表現(xiàn)。理論上講，不對(duì)中故障的最佳指示是聯(lián)軸器兩側(cè)的振動(dòng)相位評(píng)定，當(dāng)聯(lián)軸器兩側(cè)的相位差接近180度時(shí)常常說(shuō)明是不對(duì)中，而對(duì)于同一轉(zhuǎn)子的不對(duì)中將表現(xiàn)為垂直方向與水平方向之間的相位差接近180度（如果外側(cè)軸承與內(nèi)側(cè)軸承之間水平方向相位差約30度，那其垂直方向相位差約210度）。通過(guò)相位評(píng)定排除不對(duì)中的可能后，基本可以判斷為B類的機(jī)械松動(dòng)；如果故障診斷拿不準(zhǔn)時(shí)，我們就需要按照兩種可能分別檢查：一是對(duì)中情況；二是調(diào)整地腳螺栓。

3．3 軸承潤(rùn)滑不良

潤(rùn)滑不良的設(shè)備其振動(dòng)頻譜在高頻段會(huì)出現(xiàn)類似于高頻噪聲的形狀，同時(shí)某些潤(rùn)滑不良的軸承由于發(fā)生金屬對(duì)金屬的接觸，也會(huì)產(chǎn)生軸承故障頻率，但這種情況下其幅值一般比較低，如果我們?cè)黾訚?rùn)滑油后，過(guò)12小時(shí)到24小時(shí)檢查是否出現(xiàn)原先的軸承故障頻率，如果不再出現(xiàn)，則就可以確定為潤(rùn)滑不良。圖6是核電站某風(fēng)機(jī)在軸承潤(rùn)滑不良時(shí)的振動(dòng)頻譜表現(xiàn)。

圖6 某風(fēng)機(jī)軸承潤(rùn)滑不良的振動(dòng)頻譜表現(xiàn)

3．4 滾動(dòng)軸承部件故障

滾動(dòng)軸承包括內(nèi)環(huán)、外環(huán)、滾動(dòng)體和保持架四個(gè)組成部分，其故障發(fā)展分為四個(gè)階段，等發(fā)展到第三個(gè)階段的時(shí)候，軸承部件的故障特征頻率出現(xiàn)，此時(shí)軸承的安全運(yùn)行就難以得到保證。滾動(dòng)軸承故障發(fā)展四個(gè)階段的現(xiàn)象如下：

1）噪聲正常，溫度正常，振動(dòng)總量比較小，只有正常的前三階的轉(zhuǎn)速諧波頻率

2）噪聲略增大，溫度正常，振動(dòng)總量略增大，輕微的軸承故障開(kāi)始“微振”安裝的軸承零件的自振頻率

3）可聽(tīng)到噪聲，溫度略升高，振動(dòng)加速度總量和振動(dòng)速度總量有大的增加，看到軸承故障頻率及其諧波和邊帶。

4）噪聲強(qiáng)度改變，溫度明顯升高，振動(dòng)速度總量位移總量明顯增大，振動(dòng)加速度總量減小。通常首先是1X轉(zhuǎn)速頻率和2X轉(zhuǎn)速頻率幅值開(kāi)始增大，軸承故障頻率的高次諧波頻率和軸承自振頻率的幅值通常也下降。后期，可以辨別的軸承故障頻率和軸承零件的自振頻率實(shí)際上開(kāi)始消失，并且被隨機(jī)的寬帶高頻噪聲所代替。

圖7是核電站某風(fēng)機(jī)滾動(dòng)軸承部件故障時(shí)的頻譜表現(xiàn)，顯示出清晰的各部件故障特征頻率FTF（保持架）、BSF（滾動(dòng)體）、BPOR（外環(huán)）、BPIR（內(nèi)環(huán)），以及2BSF、多倍BSF等，解體檢查后發(fā)現(xiàn)外環(huán)有凹坑存在，及時(shí)消除了設(shè)備隱患。

圖7 某風(fēng)機(jī)滾動(dòng)軸承部件故障的振動(dòng)頻譜表現(xiàn)

4 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)核電站振動(dòng)頻譜分析方法以及電站旋轉(zhuǎn)設(shè)備常見(jiàn)故障淺析，得出如下結(jié)論：

1）核電站通過(guò)對(duì)于旋轉(zhuǎn)設(shè)備的周期性振動(dòng)監(jiān)測(cè)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)其健康狀況的定期評(píng)價(jià)，便于及時(shí)發(fā)現(xiàn)、消除設(shè)備隱患。

2）電站旋轉(zhuǎn)設(shè)備的故障包括A、B類機(jī)械松動(dòng)、軸承潤(rùn)滑不良、個(gè)體軸承失效的情況等，都可以通過(guò)振動(dòng)頻譜的分析方法進(jìn)行診斷。

3）同時(shí)，造成振動(dòng)超標(biāo)的可能原因很多，需要狀態(tài)監(jiān)測(cè)工程師收集設(shè)備運(yùn)行、檢修方面的各種信息，甚至設(shè)備的原理、結(jié)構(gòu)、型號(hào)等，對(duì)于疑點(diǎn)信息采用排除法，逐一去偽存真，才能找出真正原因。

［1］寇勝利.汽輪發(fā)電機(jī)組的振動(dòng)及現(xiàn)場(chǎng)平衡[M].中國(guó)電力出版社,2007,08.

［2］虞和濟(jì),韓慶大,原培新.振動(dòng)診斷的工程應(yīng)用[M].冶金工業(yè)出版社,1992:126-128.