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新聞主題 |
縱向振動(dòng)對柴油發(fā)電機的影響和危害 |
摘要：新裝柴油發(fā)電機組試運或大修后第一次啟動(dòng)時(shí)，振動(dòng)問(wèn)題是影響其能否成功啟動(dòng)的關(guān)鍵。一般而言，造成振動(dòng)的原因均由發(fā)電機定轉子勵磁線(xiàn)對中不準、燃燒的不穩定性及各缸工作的不均勻性引起的。同時(shí)不應忽視聯(lián)軸器對軸系縱向振動(dòng)的影響，以往的案例中也出現過(guò)因高彈安裝問(wèn)題導致的發(fā)電機組縱向振動(dòng)故障。經(jīng)驗表明，盡可能的減小發(fā)電機轉子軸與軸向定位裝置之間的間隙也有助于減輕縱向振動(dòng)。因此，應根據發(fā)電機的極坐標圖、頻譜瀑布圖、極聯(lián)圖、軸心位置圖、軸心軌跡圖、振動(dòng)趨勢圖、波形頻譜圖來(lái)分析得知，設法減少旋轉機械的不良振動(dòng)是重要的研究課題。
一、機械振動(dòng)定義和標準
1、旋轉機械振動(dòng)的標準
我國是參照國際標準化組織《ISO1086-2：1996》制定旋轉機械振動(dòng)烈度評價(jià)標準的。分為A、B、C、D四個(gè)區域，它們的分界線(xiàn)是根據以下公式得出：區域邊界A/B Sρρ=4800/√n；區域邊界B/C Sρρ=9000/√n；區域邊界C/D Sρρ=13200/√n，如圖1和表1所示。
表1 柴油發(fā)電機組振動(dòng)烈度評價(jià)標準
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區域A
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新投產(chǎn)發(fā)電機組的振動(dòng)應在此區域內
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區域B
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振動(dòng)在此區域內的發(fā)電機組通常認為是合格的，可以照常運行
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區域C
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振動(dòng)在此區域內的發(fā)電機組不適宜長(cháng)期連續運行。一般來(lái)說(shuō)，該發(fā)電機可在這種狀態(tài)下運行有限時(shí)間，直到有采取補救行動(dòng)的適合時(shí)機為止
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區域D
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振動(dòng)在此區域內，通常認為其劇烈程度足以引起發(fā)電機組損壞
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2、振動(dòng)定義
機械振動(dòng)是指系統在某一位置（通常是靜平衡位置）附近所作的往復運動(dòng)。振動(dòng)的專(zhuān)業(yè)術(shù)語(yǔ)比較多，這里只介紹兩個(gè)重要術(shù)語(yǔ)：振幅、振動(dòng)頻率。
（1）振幅——振動(dòng)體距平衡位置的最大位移。顯然振幅越大，則振動(dòng)越大，反之，則振動(dòng)越小。
（2）振動(dòng)頻率——單位時(shí)間內完成的運動(dòng)數。振動(dòng)頻率越大，則振動(dòng)越劇烈。
振動(dòng)可分為自由振動(dòng)和受迫振動(dòng)：系統受一個(gè)初始擾動(dòng)后任其自身振動(dòng)稱(chēng)為自由振動(dòng)；系統在外力作用下（通常是重復性的力）所作的振動(dòng)稱(chēng)為受迫振動(dòng)。柴油機發(fā)電機組在運轉時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)都是受迫振動(dòng)。
3、波德圖
波德圖是反映發(fā)電機振動(dòng)幅值、相位隨轉速變化的關(guān)系曲線(xiàn)，見(jiàn)圖2。圖形的橫坐標是轉速，縱坐標有兩個(gè)，一個(gè)是振幅的峰－峰值，另一個(gè)是相位。從波德圖上可以得到以下信息：
（1）轉子系統在各種轉速下的振幅和相位；
（2）轉子系統的臨界轉速；
（3）轉子系統的共振放大系數(Q=Amax/ε)，一般小型發(fā)電機組Q在3～5甚至更小，而大型發(fā)電機組在5～7，超過(guò)上述數值，很可能是不安全的；
（4）轉子的振型；
（5）系統的阻尼大??；
（6）轉子上機械偏差和電氣偏差的大??；
（7）轉子是否發(fā)生了熱彎曲。
由這些數據可以獲得有關(guān)發(fā)電機振動(dòng)、動(dòng)平衡狀況和振動(dòng)體的剛度、阻尼特性等動(dòng)態(tài)數據。
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圖1 柴油發(fā)電機組振動(dòng)烈度曲線(xiàn) |
圖2 發(fā)電機振動(dòng)幅值和相位波德圖 |
二、振動(dòng)的原因及其危害
1、旋轉機械振動(dòng)產(chǎn)生的原因
（1）連接剛度不足發(fā)電機組基座單薄，支撐強度不夠；基座與機座之間墊片連接不好，螺絲松動(dòng)；機座結構剛度不足。
（2）機械本身存在缺陷由于長(cháng)期使用，缺乏保養，運動(dòng)副的間隙過(guò)大；運動(dòng)件損壞，產(chǎn)生不平衡質(zhì)量，運動(dòng)時(shí)產(chǎn)生不平衡力。
（3）聯(lián)軸節缺陷齒輪式聯(lián)軸器長(cháng)時(shí)間運行，齒輪因磨損產(chǎn)生齒厚和齒隙不均，齒面接觸不良；彈性柱銷(xiāo)聯(lián)軸器長(cháng)時(shí)間運行，彈性膠老化、變形、磨損脫落，聯(lián)接膠座孔磨損變形，聯(lián)接螺絲疲勞折斷。剛性聯(lián)軸器平面跳動(dòng)大，端面與軸中心不垂直等。
（4）修理、安裝的精度差修理中更換運動(dòng)件時(shí)沒(méi)有考慮質(zhì)量、間隙；電機與柴油機中線(xiàn)調整不合規范；在調整中線(xiàn)時(shí)墊片使用不合理等。
2、發(fā)電機縱向振動(dòng)的危害
機械振動(dòng)往往會(huì )導致軸承的過(guò)度磨損、機件裂紋的形成、緊固件松弛、結構和機械的破壞、機械設備頻繁的維修，以及由此引起的過(guò)高費用、焊點(diǎn)破裂引發(fā)的電路故障、絕緣材料磨損造成的短路等。工作人員長(cháng)時(shí)間在振動(dòng)環(huán)境中會(huì )感到疼痛、不適，工作效率低下。
（1）造成曲軸曲柄銷(xiāo)承受額外的彎曲應力和拉壓應力，嚴重時(shí)會(huì )產(chǎn)生曲軸的彎曲疲勞破壞；
（2）降低與曲軸相接觸的零部件的可靠性和使用壽命，比如造成止推瓦的磨損、活塞和缸套的偏磨等。
（3）對于非電控柴油發(fā)電機，縱向振動(dòng)會(huì )影響到康明斯發(fā)電機組的配氣相位和供油正時(shí)，降低設備整體性能；
（4） 對于剛性連接發(fā)電機組，縱向振動(dòng)會(huì )造成連接螺栓承受額外的拉壓應力，嚴重時(shí)會(huì )造成疲勞損壞；對于彈性連接發(fā)電機組，由于高彈普遍采用過(guò)盈配合連接方式，過(guò)大的縱向振動(dòng)振幅勢必會(huì )造成高彈減振橡膠件的損壞；
（5） 包括縱向振動(dòng)在內的各種振動(dòng)是發(fā)電機組主要的噪聲源之一，
三、柴發(fā)振動(dòng)頻譜圖表
1、極坐標圖
極坐標圖是把振幅和相位隨轉速變化的關(guān)系用極坐標的形式表示出來(lái)，見(jiàn)圖3。圖中用一旋轉矢量的點(diǎn)代表轉子的軸心，該點(diǎn)在各個(gè)轉速下所處位置的極半徑就代表了軸的徑向振幅，該點(diǎn)在極坐標上的角度就是此時(shí)振動(dòng)的相位角。這種極坐標表示方法在作用上與波德圖相同，但它比波德圖更為直觀(guān)。
振幅-轉速曲線(xiàn)在極坐標圖中是呈環(huán)狀出現的，臨界轉速處在環(huán)狀振幅最大處，且此時(shí)從弧段上標記的轉速應該顯示出變化率為最大。用電渦流傳感器測試軸的振動(dòng)時(shí)，在極坐標圖中可以很容易得到軸的原始晃度矢量，即與低轉速所對應的矢量。從帶有原始晃度的圖形要得到扣除原始晃度后的振動(dòng)曲線(xiàn)也很容易做到，為此，只要將極坐標系的坐標原點(diǎn)平移到與需要扣除的原始晃度矢量相對應的轉速點(diǎn)，原圖的曲線(xiàn)形狀保持不變。這樣，原曲線(xiàn)在新坐標系中的坐標即是扣除原始晃度后的振動(dòng)響應。
2、頻譜瀑布圖
用某一測點(diǎn)在啟停機（或正常運行中）時(shí)連續測得的一組頻譜圖按時(shí)間順序組成的三維譜圖就是頻譜瀑布圖，見(jiàn)圖4。圖中Z軸是時(shí)間軸相同階次頻率的譜線(xiàn)集和Z軸是平行的。從圖中可以清楚地看出各種頻率的振幅隨時(shí)間是如何變化的。
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圖3 發(fā)電機極坐標圖 |
圖4 發(fā)電機頻譜瀑布圖 |
3、極聯(lián)圖
極聯(lián)圖是在啟停機轉速連續變化時(shí)，不同轉速下得到的頻譜圖依次組成的三維譜圖，如圖5所示。它的Z軸是轉速，工頻和各個(gè)倍頻及分頻的軸線(xiàn)在圖中是都以0點(diǎn)為原點(diǎn)相外發(fā)射的傾斜的直線(xiàn)。在分析振動(dòng)與轉速有關(guān)的故障時(shí)是很直觀(guān)的。該圖常用來(lái)了解各轉速下振動(dòng)頻譜變化情況，可以確定轉子臨界轉速及其振動(dòng)幅值、半速渦動(dòng)或油膜振蕩的發(fā)生和發(fā)展過(guò)程等。
4、軸心位置圖
軸心位置圖用來(lái)顯示軸頸中心相對于軸承中心位置，如圖6所示。這種圖形提供了轉子在軸承中穩態(tài)位置變化的觀(guān)測方法，用以判別軸頸是否處于正常位置。
當軸心位置超出一定范圍時(shí)，說(shuō)明軸承處于不正常的工作狀態(tài)，從中可以判斷轉子的對中好壞、軸承的標高是否正常，軸瓦是否磨損或變形等等。如果軸心位置上移，則預示著(zhù)轉子不穩定的開(kāi)始。通過(guò)對軸頸中心位置變化的監測和分析，可以預測到某些故障的來(lái)臨，為故障的防治提供早期預報。一般來(lái)說(shuō)軸心位置的偏位角應該在20°～50°之間。
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圖5 發(fā)電機極聯(lián)圖 |
圖6 發(fā)電機軸心軌跡圖 |
5、軸心軌跡圖
軸心軌跡一般是指轉子上的軸心一點(diǎn)相對于軸承座在其與軸線(xiàn)垂直的平面內的運動(dòng)軌跡，如圖7所示。通常，轉子振動(dòng)信號中除了包含由不平衡引起的基頻振動(dòng)分量之外，還存在由于油膜渦動(dòng)、油膜振蕩、氣體激振、摩擦、不對中、嚙合等等原因引起的分數諧波振動(dòng)、亞異步振動(dòng)、高次諧波振動(dòng)等等各種復雜的振動(dòng)分量，使得軸心軌跡的形狀表現出各種不同的特征，其形狀變得十分復雜，有時(shí)甚至是非常地混亂。
6、振動(dòng)趨勢圖
在發(fā)電機組運行時(shí)，可利用趨勢圖來(lái)顯示、記錄發(fā)電機的通頻振動(dòng)、各頻率分量的振動(dòng)、相位或其它過(guò)程參數是如何隨時(shí)間變化的，如圖8所示。這種圖形以不同長(cháng)度的時(shí)間為橫坐標，以振幅、相位或其它參數為縱坐標。在分析發(fā)電機組振動(dòng)隨時(shí)間、負荷、軸位移或其它工藝參數的變化時(shí)，這種圖給出的曲線(xiàn)十分直觀(guān)，對于運行管理人員來(lái)說(shuō)，用它來(lái)監視發(fā)電機組的運行狀況是非常有用的。
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圖7 發(fā)電機軸心軌跡圖 |
圖8 發(fā)電機振動(dòng)趨勢圖 |
7、波形頻譜圖
在對振動(dòng)信號進(jìn)行分析時(shí)，在圖9時(shí)域波形圖上可以得到一些相關(guān)的信息，如振幅、周期（即頻率）、相位和波形的形狀及其變化。這些數據有助于對振動(dòng)起因的分析及振動(dòng)機理的研究。但由于從波形圖上不能直接得到我們所需要的精確數據，現在已經(jīng)很少有人用它來(lái)確定振動(dòng)參數。但它可以在實(shí)時(shí)監測中作為示波器用來(lái)觀(guān)察振動(dòng)的形態(tài)和變化。
我們知道，對于一個(gè)復雜的非諧和的周期性的振動(dòng)信號，可以用傅立葉級數展開(kāi)的方法得到一系列的頻率成分。對振動(dòng)波形進(jìn)行FFT處理則得到振動(dòng)的頻譜分布，即頻譜圖（如圖10所示），該圖反映了振動(dòng)的頻率結構。
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圖9 發(fā)電機波形頻譜圖 |
圖10 發(fā)電機頻譜分析的示意圖 |
四、縱向振動(dòng)激勵力源分析
1、軸系縱向振動(dòng)激勵力源分析
軸系縱向振動(dòng)主要是由軸向（X向）不平衡擾力造成的，如圖11所示。在理想情況下，康明斯發(fā)電機組曲軸軸向（X向）并不受力，但在實(shí)際工作中，受零部件的加工及裝配誤差和部件的不均勻受熱、受力變形（主要指曲軸的受力變形）等因素的影響，康明斯發(fā)電機組缸內燃燒壓力推動(dòng)活塞在Y向運動(dòng)時(shí)，其燃燒壓力在X向會(huì )存在一個(gè)分力（1、2、3、4、5、n為氣缸數） ，該分力通過(guò)連桿共同作用在曲軸上。
2、發(fā)電機縱向振動(dòng)激勵力源分析
根據發(fā)電機的工作特點(diǎn)，發(fā)電機在起勵后其定、轉子磁勵線(xiàn)將自動(dòng)尋找對中，以保證磁場(chǎng)穩定，即決定電機X向（軸向）擾力大小及特性的是發(fā)電機內部定、轉子磁勵線(xiàn)的相對位置。發(fā)電機X向擾力主要會(huì )在如下兩種情況下出現：
（1） 發(fā)電機在靜止狀態(tài)下定、轉子磁勵線(xiàn)出現錯位，使得發(fā)電機組在啟動(dòng)后的起勵過(guò)程中，為了保證電機運行中磁場(chǎng)的穩定，磁場(chǎng)在X向上會(huì )產(chǎn)生一個(gè)軸向力迫使轉子軸移動(dòng)至系統穩定。
（2） 發(fā)電機在靜止狀態(tài)下定、轉子磁勵線(xiàn)對中良好，如果穩定運轉的電機轉子收到一個(gè)軸向外力影響并造成一定位移時(shí)，磁場(chǎng)在X向上會(huì )產(chǎn)生一個(gè)相反的軸向力迫使轉子回到原來(lái)的穩定位置。當外力和位移為一變量時(shí)，在發(fā)電機組的磁場(chǎng)特性作用下，便會(huì )出現軸系的縱向振動(dòng)。
（3）固定于發(fā)電機轉子軸上的冷卻風(fēng)扇在運轉時(shí)也會(huì )產(chǎn)生一個(gè)X向力，該軸向力的大小與發(fā)電機組轉速成正比。
3、聯(lián)軸器縱向振動(dòng)激勵力源分析
發(fā)電機組所采用的高彈聯(lián)軸器連接部分的減振橡膠，該聯(lián)軸器在運轉過(guò)程中只是起到傳遞扭矩和減振的作用，只要安裝得當，并不會(huì )在軸向上產(chǎn)生額外的振動(dòng)。減震系統示意圖如圖12所示。
4、其它縱向振動(dòng)激勵力源分析
在氣體壓力和往復慣性力產(chǎn)生的徑向簡(jiǎn)諧力的作用下，曲柄會(huì )舒張變形，形成所謂的彎曲一縱向耦合振動(dòng)；同時(shí)一缸曲柄的舒張變形會(huì )造成其他缸曲柄的X向位移，對氣缸燃燒壓力的X向分力產(chǎn)生影響。軸系縱向振動(dòng)也可能由軸系弭烈的扭轉振動(dòng)藕合激發(fā)產(chǎn)生，特別是當兩者臨界轉速相同或相近時(shí)更易產(chǎn)生圃。
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圖11 柴油發(fā)電機組縱向振動(dòng)示意圖 |
圖12 柴油發(fā)電機隔振系統圖 |
五、縱向振動(dòng)激勵力源故障排除
從上述激勵源的分析中可知，造成縱向振動(dòng)的激勵源較多，為找出主要原因，在分析研究之后，采用了試驗的方法對各種可能原因逐一進(jìn)行了排除和驗證。
由于加工和裝配都存在一定誤差，故就算是同型號發(fā)電機，其定、轉子磁勵線(xiàn)對中情況都會(huì )存在一定差別，為了了解發(fā)電機擾力對發(fā)電機組縱向振動(dòng)的影響，在同一臺位上更換多臺同型號發(fā)電機進(jìn)行了試驗，數次試驗下的縱向振動(dòng)現象存在明顯差別，但故障并未消除。結合分析可知，發(fā)電機擾力是造成縱向振動(dòng)的影響因素之一，但不是主要因素；在滿(mǎn)足電機其他設計要求的前提下，盡可能的減小轉子軸與軸向定位裝置之間的間隙有助于減輕縱向振動(dòng)。
通過(guò)上述分析可知，柴油發(fā)動(dòng)機此時(shí)的工作特性應是造成發(fā)電機組縱向振動(dòng)的主要原因。結合故障特點(diǎn)，發(fā)現劇烈縱向振動(dòng)都是在啟動(dòng)和停車(chē)時(shí)轉速約為480rpm左右出現，理論分析可知，此低負荷低轉速工況下康明斯發(fā)電機組缸內燃油霧化差，燃燒不穩定。由于發(fā)電機組試驗中不能在此故障工況下長(cháng)時(shí)停留，因此無(wú)法獲得該工況下的燃燒參數，故采用類(lèi)似低負荷工況 I下（100％額定轉速，25％額定負荷）康明斯發(fā)電機組參數進(jìn)行類(lèi)比分析，發(fā)現該機型在類(lèi)似低負荷下各缸工作均勻性較差，這勢必會(huì )造成曲軸受力不均勻，而曲軸的不均勻受力變形將促使擾動(dòng)力的增大；同時(shí)各缸的不穩定燃燒和各缸扭矩輸出的不均勻性還會(huì )引起扭振，通過(guò)扭振測試和數據分析，發(fā)電機組在480印m下的確出現了明顯的扭振特性，雖然曲軸應力、電機扭矩及電角均未超差，但明顯的扭振特性勢必會(huì )激發(fā)一定的縱向振動(dòng)。由此可見(jiàn)，康明斯發(fā)電機組各缸工作的穩定性和均勻性是造成發(fā)電機組縱向振動(dòng)的重要因素。
可用Matlab 工具箱編寫(xiě)程序對柴油發(fā)電機組的雙層隔振系統進(jìn)行計算，分析了采用不同中間質(zhì)量、鐘狀罩剛度、上下減震器的剛度及減振器阻尼系數等對隔振效果的影響，為該發(fā)電機組的隔振器選用提供參考依據。Matlab 工具箱編寫(xiě)程序，通過(guò)輸入不同參數，對柴油發(fā)電機組的雙層隔振系統的隔振性能進(jìn)行計算，對隔振效果進(jìn)行了比較。
總結：
柴油發(fā)電機振動(dòng)原因多種多樣，振動(dòng)故障診斷是一件復雜的系統工程。很多故障之間有著(zhù)相似性。這時(shí)就必須突出故障的“征兆”，以區分振動(dòng)的原因，排除可疑因素，將故障范圍盡可能縮小，進(jìn)而為制定消振方案提供依據。要獲得較高的振動(dòng)診斷正確率，首先要認識發(fā)電機組振動(dòng)，即掌握發(fā)電機組振動(dòng)特征，在消振工作中不要依據振動(dòng)現象，直接套用以往的消振經(jīng)驗，因為類(lèi)似的振動(dòng)現象相同的故障，在實(shí)際中是極少遇到的，所遇到的振動(dòng)問(wèn)題也大多是從未見(jiàn)過(guò)的，也必須親自測試和搜集振動(dòng)數據，即使是以往工作中遇到過(guò)的振動(dòng)故障，也需要在振動(dòng)數據測試較全的情況下，進(jìn)行仔細地分析和推理，才能對振動(dòng)故障做出明確的診斷。發(fā)電機組振動(dòng)突升與突降皆是不正?，F象，發(fā)電機組振動(dòng)大有危害，振動(dòng)突降也不是好現象，要引起重視，可能是振動(dòng)增大的征兆，運行人員更不可麻痹大意。
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