(三峽電力職業(yè)學院 動力工程學院，湖北 宜昌 443000)

1 研究背景

推力軸承是水輪發(fā)電機的關鍵部件，支持水輪發(fā)電機組轉動部分重量和水推力，由鏡面推力頭和推力軸瓦組成，其性能關系到整個機組的穩(wěn)定性、可靠性和經(jīng)濟性。國外水力發(fā)電機組故障統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，約有50%～60%的機組故障由推力軸承引起，由此引起的故障停機比較普遍。我國建成投產(chǎn)的大型水電機組，如水口、廣蓄、吉林臺、白山、龍羊峽等水電廠發(fā)電機組都曾發(fā)生過推力軸承瓦溫升高，瓦面磨損的故障現(xiàn)象。近年來，制造廠商和科研單位做出了巨大努力來改進軸承結構和軸瓦材料，但推力軸承故障問題的現(xiàn)狀沒有得到根本改變。推力軸承運行參數(shù)較多，目前機組運行中主要監(jiān)測對象是推力瓦溫和油溫[1],對于推力軸承的其他重要運行參數(shù)，如推力瓦不水平、推力瓦不水平方位、鏡板與主軸不垂直、鏡板與主軸不垂直方位、鏡板波浪度等還難以實施在線監(jiān)測。因此，對推力軸承實施振動監(jiān)測，并通過量化分析的手段獲取推力軸承的上述狀態(tài)數(shù)據(jù)，是保證機組安全經(jīng)濟運行的振動故障研究的重要手段之一。

眾所周知，溫度量是慢變量，當推力瓦溫和油溫升高時，表明故障已經(jīng)發(fā)生了，因而在故障預警中無法擔當起重要的職責，與之相比較，振動量則是一種快變量，它能對推力軸承在運行中出現(xiàn)的潛在風險作出實時的反應，只要對振動量進行恰當?shù)奶幚?，則不僅能夠預警故障，還能獲得產(chǎn)生故障的原因。

推力軸承在線振動監(jiān)測系統(tǒng)是針對上述問題開發(fā)出來的一種新型監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)具備連續(xù)采樣數(shù)據(jù)8階抗混濾波，截止頻率20～2 000 Hz可程控調整的能力，以鍵相信號為基準計算判定推力瓦不水平方位、鏡板與大軸的不垂直方位，以若干個電渦流傳感器(本文介紹的測試方案中，選擇3只傳感器)測量的振動位移參數(shù)為基本參數(shù)，計算得到鏡板波浪度、鏡板與大軸的不垂直度、推力瓦不水平度等重要參數(shù)。該系統(tǒng)應用方便可靠，測量、計算精度高。目前，該系統(tǒng)已經(jīng)在水電廠得到應用，并具有較高的應用和推廣價值。

2 系統(tǒng)體系

2.1 系統(tǒng)設計思想和應用目標

系統(tǒng)設計思想：利用在推力軸承內(nèi)垂直方向安裝的多只電渦流傳感器，利用渦流效應原理，振動位移發(fā)生變化，傳感器的阻抗發(fā)生變化，利用阻抗變化可測出其檢波電壓，電壓大小便可反映出傳感器與鏡板間的振動位移。鏡板振動位移測量信號經(jīng)過分解及矢量合成，可獲得推力瓦不水平度、推力瓦不水平方位、鏡板與主軸不垂直度、鏡板與主軸不垂直方位、鏡板波浪度等重要參數(shù)。將鏡板位移信號分離去除機組的軸向振動信號，剩余信號分量則是鏡板與主軸不垂直度及鏡板波浪度合成的信號；推力瓦不水平的測量由不同工況下信號的變化計算獲得，鏡板與主軸不垂直方位、推力瓦不水平方位由鍵相信號作為基準進行計算獲得。

系統(tǒng)的應用目標：上述推力軸承振動測量所獲得的數(shù)據(jù)，一方面可以對鏡板的軸向振動進行波形分析和頻譜分析，掌握機組轉動部分軸向振動的基本情況；另一方面，鏡板振動位移信號經(jīng)過分解及矢量合成，獲得的推力瓦不水平、推力瓦不水平方位、鏡板與主軸不垂直、鏡板與主軸不垂直方位、鏡板波浪度等重要參數(shù)，既可以作為評估推力軸承運行狀態(tài)的依據(jù)，也可以對推力軸承的檢修提供直接的參考數(shù)據(jù)，同時也確定了推力軸承檢修的方向與重點，如果結合檢修前后數(shù)據(jù)進行對比，還可以對推力軸承的檢修效果進行評價。

2.2 系統(tǒng)結構

推力軸承在線振動監(jiān)測系統(tǒng)結構示意圖見圖1，系統(tǒng)由4部分組成：傳感器、數(shù)據(jù)采集預處理裝置、數(shù)據(jù)服務器和軟件平臺。

圖1 推力軸承在線振動監(jiān)測系統(tǒng)結構示意圖

2.2.1 傳感器

本系統(tǒng)在實現(xiàn)對推力軸承在線監(jiān)測的過程中對被測點的振動位移和鍵相塊的相位進行連續(xù)采樣，必須裝設相應的傳感器，本系統(tǒng)采用電渦流傳感器測量推力鏡板的軸向振動位移數(shù)據(jù)，為識別鍵相塊的相位，采用電渦流傳感器。

(1) 推力鏡板軸向振動位移測量用傳感器，安裝方位、安裝方法見圖2,圖3。3只傳感器安裝在推力油盆內(nèi)部鏡板下方，傳感器探頭表面低于推力瓦的水平面，傳感器探頭表面與鏡板之間的距離應在傳感器的線性測量范圍之內(nèi)，3只傳感器均勻布置在同一圓周上，當傳感器無法均布時，應記錄好3只傳感器布置方位的角度差，以便計算時給予修正(由軟件系統(tǒng)自動完成)；傳感器采用專用支架固定在推力瓦之間的空隙處。

圖2 傳感器安裝示意圖

技術參數(shù)：

線性量程0.4～4.4 mm；

頻響范圍0～20 kHz(-3 dB)；

靈敏度8 mV/μm；

線性度±1%；

輸出-2～-18 V；

工作溫度-40～180 ℃，漂移<5%；

供電電源-24 V。

(2) 鍵相信號測量用傳感器，鍵相塊安裝方位見圖3。傳感器技術參數(shù)與鏡板軸向振動位移測量用傳感器相同。

圖3 鍵相塊的安裝方位示意圖

2.2.2 數(shù)據(jù)采集預處理裝置

對輸入信號進行放大濾波、AD轉換，再將處理好的信號通過高速并口傳輸給預處理模塊，預處理模塊對信號進行預處理，提取相關數(shù)據(jù)及由這些數(shù)據(jù)派生出的特征數(shù)據(jù)、趨勢數(shù)據(jù)等(表1)，一方面將這些數(shù)據(jù)通過顯示器向用戶顯示；另一方面通過網(wǎng)絡通信模塊將這些數(shù)據(jù)傳給數(shù)據(jù)服務器，供電廠局域網(wǎng)上的用戶使用。

表1 數(shù)據(jù)采集預處理裝置技術指標

(1) 振動信號的采集預處理，原理見圖4。

圖4 模擬信號調理模塊外部接口電路原理圖

(2) 鍵相信號的采集預處理，其鍵相信號的產(chǎn)生是通過在大軸上做一凸臺(4 mm左右)作為鍵相點，并在相應位置放置一只4 mm線性量程的電渦流傳感器作為鍵相信號傳感器。大軸旋轉過程中，由于大軸振動距傳感器較遠，傳感器會產(chǎn)生一接近滿量程信號，而當鍵相塊通過傳感器時由于凸臺作用將會產(chǎn)生相應的位移突變，形成一個脈沖，這一脈沖信號通過信號處理將向系統(tǒng)發(fā)出一中斷信號，即鍵相信號[2]。2個鍵相信號間的時間間隔即是機組旋轉1周所用時間。

利用鍵相信號一方面可以判斷故障產(chǎn)生的方位，另一方面在數(shù)據(jù)采集過程中可以精確地按照整周期采樣，避免頻譜分析中的混疊和泄漏現(xiàn)象[3]。

當傳感器產(chǎn)生一脈沖量輸入系統(tǒng)后，系統(tǒng)首先對脈沖信號進行放大[4]。然后再通過比較器對其進行比較，為提高系統(tǒng)的抗干擾能力，特將比較器設計為施密特滯回比較器[5]，比較電壓可通過電位器在-12～12 V之間進行線性調節(jié)，由此產(chǎn)生一標準脈沖信號。

2.2.3 數(shù)據(jù)服務器

數(shù)據(jù)服務器是存儲系統(tǒng)歷史數(shù)據(jù)的計算機?？梢愿鶕?jù)實際需要選擇一款標配高性能計算機。

2.2.4 軟件平臺

軟件平臺是實現(xiàn)推力軸承在線振動監(jiān)測系統(tǒng)的核心關鍵，該軟件平臺由2部分構成：軟件設置平臺(見圖5)實現(xiàn)了系統(tǒng)參數(shù)設置、運控參數(shù)設置、計算用參數(shù)設置、通道率定、傳感器率定、濾波/開關量設置等；數(shù)據(jù)采集、分析診斷平臺(見圖6)實現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集與處理、實時監(jiān)測、數(shù)據(jù)分析、試驗報告、狀態(tài)報告等全部功能。

圖5 軟件設置平臺

圖6 數(shù)據(jù)采集、分析診斷平臺

3 系統(tǒng)應用

3.1 推力軸承故障機理

3.1.1 推力軸承的剛度特性[6]

推力軸承結構不同，其剛度也各異。水力發(fā)電機組常用的推力軸承包括剛性支撐、彈性油箱支撐、平衡塊支撐、彈簧支撐、支點-彈簧推力軸承、彈性圓盤支撐等結構型式。比較典型的結構是剛性支撐和彈性油箱支撐。剛性支撐推力軸承在中、小容量的機組中采用較多，缺點是各瓦受力不均勻度較大；彈性油箱支撐的推力軸承適用于大容量機組，推力瓦由彈性油箱支撐，各油箱由油管相連并通入壓力油，運行時瓦的不均勻負荷由彈性油箱均衡，使各瓦受力均勻。

3.1.2 推力軸承油膜

機組運行時，推力軸承鏡板與推力瓦面之間會形成一層油膜，油膜傳遞負荷，且防止鏡板與推力瓦直接接觸。油膜厚度與軸向負荷、推力瓦結構、溫度、油的黏度、機組轉速等因素有關，一旦油膜破壞，就會導致事故停機。

3.1.3 推力瓦機械變形(推力瓦不水平度)

在巨大的軸向推力作用下，軸瓦機械變形大，軸瓦在圓周方向凸起，綜合軸瓦因溫度升高而產(chǎn)生的熱變形，可能會導致局部油膜破壞，造成推力瓦磨損。

3.1.4 鏡板波浪度[7]

鏡板波浪度是影響推力軸瓦(含彈性金屬塑料瓦)使用壽命的重要因素。通常鏡板波浪度控制在≤0.05 mm。許多推力鏡板波浪度超過了限定值，使軸瓦接觸面積僅有40%～60%，使得軸瓦運行溫度升高。

3.1.5 鏡板與主軸的不垂直度

鏡板與主軸的不垂直度偏大，會導致轉動部分軸向振動和水平擺度加劇。

3.2 數(shù)據(jù)分析方法

在下述計算中，還要用到上導擺度、下導擺度以及水導擺度等監(jiān)測數(shù)據(jù)作為輔助計算值。

鏡板軸向振動數(shù)據(jù)：選擇機組運行過程中鏡板在各種因素綜合作用下的軸向振動峰峰值；

大軸與鏡板的不垂直度：由鏡板與大軸不垂直度所造成的軸向振動表現(xiàn)為轉頻振動，轉頻振動幅值恒定，不受軸向振動及鏡板波浪度等因素的影響，算法為選擇停機工況，即當轉速達98%額定轉速時的軸向振動成分中的轉頻峰峰值；

鏡板波浪度：鏡板的初始機械變形以及熱變形，算法為選擇停機工況，即機組在機械制動之前的低轉速狀態(tài)，濾除由不垂直度對軸向振動所產(chǎn)生的轉頻成分后的通頻成分；

推力瓦不水平度：推力軸承各個瓦的水平高度差，算法為選擇停機工況，即機組在機械制動之前的低轉速狀態(tài)，此時傳感器與鏡板間隙值(3只傳感器測量的間隙值的均值)所確定的鏡板平面，計算低轉速過程中(近似于此時沒有不平衡質量力、不平衡水力、不平衡電磁力的影響)鏡板平面的變化，根據(jù)兩平面夾角的變化判斷推力瓦的不水平度；

熱變形：機組運行過程中，由于推力瓦受力不勻造成鏡板表面形貌出現(xiàn)變化，反映為鏡板軸向振動信號中的直流成分的變化。

3.3 應用案例

以某水電廠半傘式水輪發(fā)電機組為例，選擇停機過程中某些特定工況進行分析計算，結果如圖7和表2。

圖7 推力軸承狀態(tài)示意圖

表2 數(shù)值計算結果

4 結 語

本文簡單介紹了一種推力軸承在線振動監(jiān)測系統(tǒng)的硬件和軟件平臺，闡述了數(shù)據(jù)處理的關鍵技術和方法。目前，該系統(tǒng)已在國內(nèi)多臺水電機組上獲得了成功應用，彌補了技術空白。由于該系統(tǒng)具有通用性強、精度高等特點，因此有較好的實用與推廣價值。

參考文獻：

[1] 劉 娟,潘羅平,桂中華,等.國內(nèi)水電機組狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷技術[J].大電機技術，2010, 6(2):45-49.(LIU Juan, PAN Luo-ping, GUI Zhong-hua,etal. The Current Status of On-line State Monitoring and Fault Diagnosis Technologies for Hydrogenerating Unit[J]. Large Electric Machine and Hydraulic Turbine, 2010, 6(2):45-49. (in Chinese))

[2] 李方澤.工程振動測試與分析[M].北京：高等教育出版社，1992. (LI Fang-ze. Test and Analysis of Engineering Vibration[M]. Beijing: Higher Education Press,1992. (in Chinese))

[3] IFEACHOR E C, JERVIS B W. 數(shù)字信號處理實踐方法(第二版)[M].北京：電子工業(yè)出版社，1998: 35-38. (IFEACHOR E C, JERVIS B W. Digital Signal Processing: A Practical Approach(Second Edition)[M]. Beijing: Electronic Industry Press,1998: 35-38. (in Chinese))

[4] MORLET J, ARENS G, FOURGEAU E,etal. Wave Propagation and Sampling Theory and Complex Waves[J]. Geophysics, 1982, 47(2): 222-236.

[5] 李舜酩. 高速旋轉機械運行狀態(tài)檢測與故障診斷方法的研究[D]. 西安：西安交通大學,1998: 12-13. (LI Shun-ming. Research on Detection and Fault Diagnosis Method of Running State of High-speed Rotating Machinery[D]. Xi’an: Xi’an Jiaotong University, 1998: 12-13. (in Chinese))

[6] 董毓新. 水輪發(fā)電機組振動[M].大連：大連理工大學出版社，1989: 120-121. (DONG Yu-xing. Vibration of Hydrogenerator Set[M]. Dalian: Dalian University of Technology Press, 1989: 120-121. (in Chinese))

[7] 劉曉亭，劉 昱.大型水電機組推力軸承運行穩(wěn)定性及故障診斷[J].水力發(fā)電，2002, (11):48-51. (LIU Xiao-ting, LIU Yu. Stability and Fault Diagnosis of the Thrust Bearing of Large Hydroelectric Unit[J]. Water Power, 2002, (11): 48-51. (in Chinese))