发电机动静碰磨故障摩擦能量模型的建模过程及故障检测方法

摘要

本发明公开了发电机动静碰磨故障摩擦能量模型的建模过程及故障检测方法，在发电机某轴承处测量面i在左、右两侧各45度角的位置处安装有两个相互垂直的位移传感器：X向的X传感器和Y向的Y传感器，通过数学公式推导出发电机动静碰磨故障摩擦的能量模型，用摩擦能量来表征发电机动静碰磨故障，十分符合发电机油挡、密封瓦碰磨的故障特点，实践证明用“摩擦能量”原理分析发电机动静碰磨故障，比以前的“摩擦力”分析方法更灵敏、更直接更准确、更加便于早期发现摩擦故障。本发明还同时公开了采用建立的摩擦能量模型检测发电机动静碰磨摩擦故障的检测方法。

说明书

技术领域

本发明涉及旋转机械振动诊断与控制领域的现场诊断新方法，具体是指发电机动静碰磨故障摩擦能量模型的建模过程及故障检测方法。

背景技术

现有技术中关于发电机动静碰磨的大量研究资料几乎都是着眼于“摩擦力”的特性上，因此得到的结论是：摩擦的动力学特性是非线形的，其频谱分析必然具有很丰富的谐波成分。但是这一“传统的摩擦特征”在我们分析发电机碰磨故障的实际工作中确很难看到。

当实际转子出现摩擦的动力学特性时，摩擦力已经非常的大了，也就是说，有时当看到这些摩擦特征时，往往已经是摩擦晚期，造成严重误诊。因此我们必须找到在摩擦初期，就有敏感反映的物理量。研究发现在摩擦初期，摩擦力的作用并不是很大，但是机组振动确往往有很大变化，这主要是动静碰磨后，转子局部发热，造成热弯曲，打破了机组原来的平衡状态。这个在运行中改变平衡状态的能量，定义为“摩擦能量”。摩擦能量具有以下特性：

(1)振动的主要特征是不平衡的特征

(2)摩擦能量主要反映运行中平衡状态的变化

(3)平衡状态的变化是连续的，用来区分部件脱落

(4)振动幅值不一定是增大，振动减小也表现为具有摩擦能量

(5)振动幅值不变，相位的变化也要在摩擦能量中反映出来

(6)摩擦能量参考轴承金属温度和润滑油温度作为加权修正，效果更好

(7)“摩擦能量”，这个指标与振动能量有本质的区别，机组在稳定工况运行时如果振动大，其振动能量就大，但是其“摩擦能量”可能很小，甚至为零

(8)摩擦能量是振动变化，相位变化，温度变化及其相互关系的一个综合指标。

发明内容

本发明的目的之一是提供一种发电机动静碰磨故障摩擦能量模型的建模过程，该摩擦能量模型能够更灵敏、更准确地发现发电机早期动静碰磨摩擦故障。

本发明的这一目的通过如下技术方案来实现的：发电机动静碰磨故障摩擦能量模型的建模过程，其包括如下过程：

发电机某轴承处测量面i在左、右两侧各45度角的位置处安装有两个相互垂直的位移传感器：X向的X传感器和Y向的Y传感器，工频振动的原始工频分量分别表示为：

$\left(\begin{array}{c}{x}_i=A_i\cos (\mathrm{\omega t}-{\alpha }_i)=s_{\mathrm{xi}}\sin \left(\mathrm{\omega t}\right)+c_{\mathrm{xi}}\cos \left(\mathrm{\omega t}\right)\\ y_i=B_i\cos (\mathrm{\omega t}-{\beta }_i)=s_{\mathrm{yi}}\sin \left(\mathrm{\omega t}\right)+c_{\mathrm{yi}}\cos \left(\mathrm{\omega t}\right)\end{array}\right)---\left(1\right)$

式中：

ω为旋转角速度

x_i为工频振动在X向振动信号

A_i为工频振动在X向振动幅值

α_i为工频振动在X向相位

s_xi＝A_isinα_i为信号x_i的正弦项系数

c_xi＝A_icosα_i为信号x_i的余弦项系数

y_i为工频振动在Y向振动信号

B_i为工频振动在Y向振动幅值

β_i为工频振动在Y向相位

s_yi＝B_isinβ_i为信号y_i的正弦项系数

c_yi＝B_icosβ_i为信号y_i的余弦项系数

当有n个测量面时，发电机任一测量面i的原始工频振动用向量表示为：

r_i＝[s_xi，c_xi，s_yi，c_yi]，i＝1，2，…，n            (2)

其中，测量面为发电机汽端轴承、励端轴承、集电环轴承或励磁机轴承中的一个或多个，全部支承处测量面的工频振动的参数矩阵表达式为：

$R=\left(\begin{array}{c}{r}_1\\ r_2\\ ·\\ ·\\ ·\\ r_n\end{array}\right)---\left(3\right)$

当发生碰磨故障后，转子产生热变形，测量面振动的工频分量变化表示为：

$\left(\begin{array}{c}{x}_i^{\prime }=A_i^{\prime }\cos (\mathrm{\omega t}-{\alpha }_i^{\prime })=s_{\mathrm{xi}}^{\prime }\sin \left(\mathrm{\omega t}\right)+c_{\mathrm{xi}}^{\prime }\cos \left(\mathrm{\omega t}\right)\\ y_i^{\prime }=B_i^{\prime }\cos (\mathrm{\omega t}-{\beta }_i^{\prime })=s_{\mathrm{yi}}^{\prime }\sin \left(\mathrm{\omega t}\right)+c_{\mathrm{yi}}^{\prime }\cos \left(\mathrm{\omega t}\right)\end{array}\right)---\left(4\right)$

用向量表示为r′_i＝[s′_xi，c′_xi，s′_yi，c′_yi]，全部支承处测量面的工频振动表示为R′，在测量面i上，发电机动静碰磨故障导致的振动工频变化量Δr_i为：

Δr_i＝r′_i-r_i＝[Δs_xi，Δc_xi，Δs_yi，Δc_yi]          (5)

在全部支承处测量面处，发电机动静碰磨故障导致的振动工频变化量ΔR表示为：

ΔR＝[Δr₁′Δr₂′…Δr_n′]^T               (6)

每个测量面的工频分量变化均可以表示为一个椭圆，对于某一振动测量面所能感受到的工频振动的摩擦能量用椭圆面积表示，其中，测量面i处椭圆的长轴、短轴及长轴倾角的表达式为：

式中：

a_i为测量面i处椭圆的长轴

b_i为测量面i处椭圆的长轴

为测量面i处椭圆的长轴倾角

在测量面i处，发电机动静碰磨故障的工频振动表征的摩擦能量Q_v表达式为：

Q_V＝πa_ib_i                                      (8)

本发明可做如下改进：当考虑到轴承金属温度、润滑油温的影响，总的摩擦能量Q_R表示为：

Q_R＝Q_V+Q_M+Q_O                                    (9)

式中，Q_M表示引起轴承金属温度变化的摩擦能量，Q_O表示引起润滑油温度变化的摩擦能量，它们均可以通过质量、比容和温升计算得出。

与现有技术相比，本发明取代传统的“摩擦力”，用新的“摩擦能量”来表征发电机动静碰磨故障，十分符合发电机油挡、密封瓦碰磨的故障特点；根据“摩擦能量”的概念，通过对工频振动的信息融合，首次提出了摩擦能量的物理模型表达式，实践证明用“摩擦能量”原理分析发电机动静碰磨故障，比以前的“摩擦力”分析方法更灵敏、更直接更准确、更加便于早期发现摩擦故障。

本发明的目的之二是提供一种发电机动静碰磨故障检测方法，采用上述的摩擦能量模型检测发电机动静碰磨摩擦故障。

本发明的这一目的通过如下技术方案来实现的：一种发电机动静碰磨故障检测方法，其包括如下过程：

(1)在发电机某轴承处测量面i在左、右两侧各45度角的位置处安装有两个相互垂直的位移传感器：X向的X传感器和Y向的Y传感器，其中，测量面为发电机汽端轴承、励端轴承、集电环轴承或励磁机轴承中的一个或多个；

(2)通过采集步骤(1)中得到的测量数据，采用上述建立的摩擦能量模型检测发电机动静碰磨摩擦故障。

附图说明

图1是本发明中X传感器和Y传感器的位置关系示意图；

图2是本发明中每个测量面的工频分量变化表示为一个椭圆的示意图。

具体实施方式

发电机动静碰磨故障摩擦能量模型的建模过程，其包括如下过程：

发电机某轴承处测量面i在左、右两侧各45度角的位置处安装有两个相互垂直的位移传感器：X向的X传感器和Y向的Y传感器如图1所示，工频振动的原始工频分量分别表示为：

$\left(\begin{array}{c}{x}_i=A_i\cos (\mathrm{\omega t}-{\alpha }_i)=s_{\mathrm{xi}}\sin \left(\mathrm{\omega t}\right)+c_{\mathrm{xi}}\cos \left(\mathrm{\omega t}\right)\\ y_i=B_i\cos (\mathrm{\omega t}-{\beta }_i)=s_{\mathrm{yi}}\sin \left(\mathrm{\omega t}\right)+c_{\mathrm{yi}}\cos \left(\mathrm{\omega t}\right)\end{array}\right)---\left(1\right)$

式中：

ω为旋转角速度

x_i为工频振动在X向振动信号

A_i为工频振动在X向振动幅值

α_i为工频振动在X向相位

s_xi＝A_isinα_i为信号x_i的正弦项系数

c_xi＝A_icosα_i为信号x_i的余弦项系数

y_i为工频振动在Y向振动信号

B_i为工频振动在Y向振动幅值

β_i为工频振动在Y向相位

s_yi＝B_isinβ_i为信号y_i的正弦项系数

c_yi＝B_icosβ_i为信号y_i的余弦项系数

当有n个测量面时，发电机任一测量面i的原始工频振动用向量表示为：

r_i＝[s_xi，c_xi，s_yi，c_yi]，i＝1，2，…，n                    (2)

其中，测量面为发电机汽端轴承、励端轴承、集电环轴承或励磁机轴承中的一个或多个，全部支承处测量面的工频振动的参数矩阵表达式为：

$R=\left(\begin{array}{c}{r}_1\\ r_2\\ ·\\ ·\\ ·\\ r_n\end{array}\right)---\left(3\right)$

当发生碰磨故障后，转子产生热变形，测量面振动的工频分量变化表示为：

$\left(\begin{array}{c}{x}_i^{\prime }=A_i^{\prime }\cos (\mathrm{\omega t}-{\alpha }_i^{\prime })=s_{\mathrm{xi}}^{\prime }\sin \left(\mathrm{\omega t}\right)+c_{\mathrm{xi}}^{\prime }\cos \left(\mathrm{\omega t}\right)\\ y_i^{\prime }=B_i^{\prime }\cos (\mathrm{\omega t}-{\beta }_i^{\prime })=s_{\mathrm{yi}}^{\prime }\sin \left(\mathrm{\omega t}\right)+c_{\mathrm{yi}}^{\prime }\cos \left(\mathrm{\omega t}\right)\end{array}\right)---\left(4\right)$

用向量表示为r′_i＝[s′_xi，c′_xi，s′_yi，c′_yi]，全部支承处测量面的工频振动表示为R′，在测量面i上，发电机动静碰磨故障导致的振动工频变化量Δr_i为：

Δr_i＝r_i′-r_i＝[Δs_xi，Δc_xi，Δs_yi，Δc_yi]                        (5)

在全部支承处测量面处，发电机动静碰磨故障导致的振动工频变化量ΔR表示为：

ΔR＝[Δr₁′Δr₂′…Δr_n′]^T                       (6)

每个测量面的工频分量变化均可以表示为一个如图2所示的椭圆，对于某一振动测量面所能感受到的工频振动的摩擦能量用椭圆面积表示，其中，测量面i处椭圆的长轴、短轴及长轴倾角的表达式为：

式中：

a_i为测量面i处椭圆的长轴

b_i为测量面i处椭圆的长轴

为测量面i处椭圆的长轴倾角

在测量面i处，发电机动静碰磨故障的工频振动表征的摩擦能量Q_v表达式为：

Q_V＝πa_ib_i                                         (8)

当考虑到轴承金属温度、润滑油温的影响，总的摩擦能量Q_R表示为：

Q_R＝Q_V+Q_M+Q_O                                       (9)

式中，Q_M表示引起轴承金属温度变化的摩擦能量，Q_O表示引起润滑油温度变化的摩擦能量，它们均可以通过质量、比容和温升计算得出。

需要指出的是，在多次的现场发生的发电机碰磨故障，油挡碰磨和密封瓦碰磨，在支承轴承温度和润滑油回油温度上都没有明显的反映。

因此，在提出摩擦能量概念后，其模型的建立仍以表达式(8)为主，用Q_V代表摩擦能量，并用于实际的摩擦检测中。

本发明还提供了采用上述摩擦能量模型检测发电机动静碰磨摩擦故障的检测方法，其包括如下过程：

(1)在发电机某轴承处测量面i在左、右两侧各45度角的位置处安装有两个相互垂直的位移传感器：X向的X传感器和Y向的Y传感器，如图1所示，其中，测量面为发电机汽端轴承、励端轴承、集电环轴承或励磁机轴承中的一个或多个；

(2)通过采集步骤(1)中得到的测量数据，采用上述建立的摩擦能量模型检测发电机动静碰磨摩擦故障。

在实际的案例分析中，我们构建了摩擦能量谱图，为了是将转速或碰磨的频率也加以综合考虑，以区别于低速下和高速下的摩擦能量等级，这对于启机过程的碰磨故障诊断是十分有效的。

某电厂3号机组系上海电气集团600MW超临界机组，于2006年9月1日下午14:40第一次启动冲转，采用高、中压缸联合启动方式，启动前偏心为56微米。在600r/min下检查听音后，转速升至2350r/min暖机半小时，然后升至2850r/min进行阀切换，6瓦、7瓦(发电机前瓦)振动在阀切换期间工频振动爬升较快，现场人员发现6瓦轴承箱电机侧油档处有火星冒出，为保证安全转速未达到3000r/min即打闸停机。通过摩擦能量谱图分析，发电机7瓦工频分量融合后得到的摩擦能量在2850r/min急剧增加，转子发生了碰磨故障。降速过程发现7瓦轴振在降速过程Bode图中过临界振动大于升速过程，转子由于碰磨已存在一定的临时热弯曲。停机后检查，发现轴承箱电侧外油档与轴颈有明显碰磨痕迹，将外油档修刮增大间隙，再次启动7瓦振动恢复正常。