振动状态（精选7篇）
振动状态 篇1
2009-04-24发布2009-12-01实施
4.2.3调制
图9示出了一个被调制的振动信号的轨迹。它看起来与拍相似, 事实上它只有一个分量, 其幅值随时间变化 (调制) 。与拍明显不同的是峰的间距在腹部和腰部是相同的。但腹部的长度可能不同。齿轮故障经常会导致在齿轮转动频率上调制齿轮的啮合频率。
通常振动记录包含两个以上的分量, 并且可能涉及到调制, 也可能还有拍。这样的记录特别难以分析。但分析者可以找到一个记录段, 在这个段里, 一个分量暂时性地占主导地位, 并可得到在那样一段内该分量的频率和幅值。
4.2.4包络分析
包络分析是一个窄频带低量级分量的解调过程, 此时低量级分量被高量级的宽带振动 (脉冲激励的自由振动、齿轮啮合振动和其他) 遮蔽。包络检测为更早并可靠地认识缺陷提供了手段。它是最普遍的应用是齿轮和滚动轴承的分析, 在这里一个低频、一般是低幅值的重复事件 (如一个有缺陷的齿进入啮合, 一个剥落的球或滚柱与保持架碰撞) 就会激发高频共振, 结果高频被缺陷频率调制。一个包络轨迹的例子在图10中显示出来。
应注意被调制的成分需要用窄带滤波器预先分离出来。
4.2.5窄带频谱包络的监测
监测窄带频谱包络可以发现围绕参考频谱的任何包络突破点通常都是报警界限。恒定带宽的包络一般用于恒定转速的机器, 它的频率差在高、低频段谱线是相同的。
恒定百分比带宽的包络与被监测分量之间的频率差 (偏移) 的增加正比于频率的增加。这种方法有优势, 因为所有的谐波分量在小的速度变化范围内将保持相同的频带。
单个频率分量的幅值限有两种类型。恒定百分比偏置是最通用的, 因为它计算最简单, 只需要一个单参考谱。
一个比较有代表性的方法是为包络线上每一段计算一个统计平均值, 然后设定报警限在平均值之上2.5～2.8标准偏差。统计计算需要4或5个高分辨率谱, 并自动计算通常观察得到的机器谱线幅值变化的正常差。
4.2.6轴心轨迹
在同一径向位置上相隔90°安装了两个位移传感器的任何机器都可以进行轴心轨迹分析。对于带有套筒轴承的大型旋转机器, 用轴心轨迹分析确定轴在轴承间隙空间内的运动是适用的。但是, 应注意确保轴心轨迹不能因轴机械的或电气的偏摆而引起不必要的失真。正确的解读轨迹可以判断施加力的性质。确定转轴的正向 (旋转方向) 或反向 (逆旋转方向) 涡动也是有可能的。轴心轨迹可以是未滤波的或是已滤过波的。典型的宽带 (未滤波的) 和单一频率 (已滤波的) 轴心轨迹图示于图11中。
滤波后的同步分量 (1X) 显示是通用的;然而, 为了更深入的描述和解决问题, 其他谐波或次同步频率也可显示在轨迹图上。轨迹图上提供的轴键相信号 (如每转一次的信号) 标记 (点或亮点等) 给出了关于振动频率和旋转频率关系的信息。
轴心轨迹图代表了在测量平面上的旋转轴中心的动态运动。有时称轴心轨迹图为李沙育 (Lissajous) 图。用于轴心轨迹测量的传感器应该是同一类型并且正交安装 (相隔90°) 。如果传感器未正交安装, 轨迹图就会歪斜。在轴心轨迹有切口的情况下, 惯例是采用“空白一亮”表示。空白指示切口开始, 亮指示切口结束。因此, 在图11中, 涡动方向是顺时针的。
轴旋转的方向是顺时针或逆时针取决于视图方向。如果涡动方向与旋转方向相同, 就认为是正向涡动, 反向涡动就是指涡动方向与旋转方向相反。在图11中, 由于旋转方向和涡动方向都是顺时针的, 是正向涡动。
4.2.7轴心平均位置
为了确定轴心平均位置, 位移传感器经常用偏心率表示套筒轴承的相对载荷。由测量信号的直流部分 (即间隙) 测量出的轴颈在轴承中的监测大型机器时是非常有用的。轴心平均位置可以确定合适的轴承抬高量以及正确的轴位置。但是, 需要注意的是, 应避免由于长时间的直流信号的漂移造成的误描述。
4.2.8瞬态振动
变速瞬态振动通常是描述机组在开机和停机期间得到的振动信息。振动数据通常显示成如级联图 (瀑布图) 、波德图、极坐标图 (奈奎斯特图) 、坎贝尔图等格式。
结构的瞬态振动发生在被一瞬时力激励 (该力可能是单个脉冲或一个短时振荡激励) , 当激励停止时, 结构趋向于它的固有频率振动, 系统中的阻尼导致它按指数衰减。
因此, 在激振力停止后结构响应的时间历程是一衰减的正弦波集合。图12给出一个衰减正弦波示例。由于系统的固有模态叠加的复合波形是被瞬时强迫力同时激起的, 一般而言, 比较高的频率分量衰减较迅速, 较高的频率的模态很快被衰减掉, 合成波形逐渐退化为一最低频率模态的有阻尼正弦响应。
滚动轴承的故障通常可以检测到由于球或轴承圈的缺陷引起的重复的高频瞬态响应。
4.2.9脉冲
脉冲响应是机械系统对一冲量的振动响应的时间历程, 此冲量可以表示为F1·dt从t到 (t+Δt) 内的积发, 力F1作用在一个非常短的时间周期Δt内, 见图13。
在许多情况下, 脉冲响应用于识别固定结构的共振频率。
4.2.10阻尼
阻尼是指通过它振动运动被转化为其他形式的能量 (通常是热) , 导致振动的幅值衰减的作用。阻尼的大小c, 一般与振动速度成比例, 即使不是这样的关系, 为了数学分析方便, 它常被假设为这样的关系。系统有一个临界阻尼cc, 它是系统不振荡地恢复到它的平衡位置所要求有的最小阻尼。如果系统的阻尼小于临界阻尼, 系统将作衰减振荡 (见图14和ISO2041) 。对多自由度系统, 一些模态可能小于临界阻尼, 也有些可能大于临界阻尼。
如果一个特定模态的衰减振动的幅值X, 对时间作图, 对数衰减率d可以表示为:
式中n———振幅由X1衰减到Xn+1的循环数。
损耗因数是系统相对阻尼的普通量度。对数衰减率d与
损耗因数h有关, 即h=d/π。
损耗因数也可通过衰减率X′ (每秒分贝) 求出如下:
式中fn———固有频率, 单位为赫兹 (Hz) 。
系统中阻尼的大小c可以用Q表示, Q值是在无阻尼固有频率时的品质因数。品质因数是频率的函数, 是系统动态位移幅值与系统的静态位移 (假如系统被施加一相同量值的恒定的力时) 幅值的比。假如在模态之间没有明显的相互作用, 对于一个特定模态, Q可以由下式得到:
从测量手响应曲线, 在每一个曲线的两侧, 对一个特定的模态Q值可能接近于共振频率fr与半功率点 (0.707倍最大幅值) 两处的频率差的比值。
式中fr———共振频率
Δf=f2-f1———f1和f2是半功率点处的频率
品质因数与对数衰减是通过以下近似关系联系在一起的。
注:如果阻尼很小, Q=1/h。
作为例子, 图15显示了一个从波德图推导Q因数的典型的表示方法。相似的结果可能通过极坐标图得到。
研究旋转机械振动的原因和影响时, 阻尼是一个有用的量。一个接近工作转速的模态要有足够的阻尼, 因此不产生较大的响应时才可以被接受。同样, 阻尼非常小的模态可能非常灵敏, 以致机器响应剧烈, 或者甚至不能通过共振转速。
4.2.11时域平均
每一个信号都包含有与被监测的机器或设备的过程或运动同步的分量, 也有非同步的分量 (有独立于被观测系统之外的来源) 。这些分量可以通过频率分析被分离出来 (见4.3) 。另外一个通用的适用于识别这些事件的技术称为时域平均。在这个过程中, 通过一个参考脉冲或一个触发使每一个数据样本与不同的旋转成分同步。这个平均可以是几个样本到200多个样本在时域中计算, 并且一个谱可以权基于合成的平均时间波形得到。那些与参考信号非同步的时间信号相互之间会逐步渐进地抵消。平均越多越好, 平均次数依赖于应用的需要。
在时域平均时, 每一个记录对应的样本实际是代数相加, 然后除以记录个数。其结果是所要求的重复的波形保存完整, 而所有其他的平均趋于0 (包括其他的重复波形) 。它们衰减的速率等于平均次数的平方根。
注:100次 (个记录) 平均将减少9/10多余的信号;10000次 (个记录) 平均将减少99/100多余的信号。
时域平均可用来识别多转子机器中引起振动的转子。还可以用来检测各种故障, 如造纸机械中失效的齿轮、叶片和滚轮等。
时域平均虽然非常有效, 但不能显示异步事件, 如滑动轴承故障。
频率谱的平均法一般要求稳态的振动状态。如果有一个非稳态的激励频率或变化的转速, 简单的时域平均不再适用。取而代之的是, 信号需要在激励过程的恒定的间隔内采样 (如等转角间距或其他位置, 这可以通过编码器来做) 。频率变换的结果是阶比谱代替了频率谱。对脉冲响应信号, 平均法可以在时域通过事件触发来执行, 如被激励脉冲调节的触发器。
触发源限于旋转设备。其他的应用如造纸机带、传送带等。另外, 信号源不限于振动。它可以是一个与有问题的机器相关的过程信号, 能用于识别故障或过程参数, 这个参数必须被用于监测故障进展。一个频率乘法器也可以用来代替不同转轴的触发, 如齿轮箱有多个转轴时。
输电塔振动状态远程监测系统研究 篇2
随着现代通信技术的发展和计算机技术的广泛应用,无人值守的远程监测系统已成为国内外学术界和工程界研究的热点。这种系统使有关人员在远离输电塔现场的情况下,根据监测系统反馈回来的信息了解输电塔的实际运营状态,为输电塔的设计、施工、维修及健康状况分析提供参考。
输电塔的振动状态是反映输电塔健康状况的重要参数,因此输电塔振动监测是输电塔健康监测的重要内容。针对马锡线500 k V SKT2A型铁塔的具体情况,开发了输电塔振动状态远程监测系统,实现了输电塔振动模态在线测试,数据无线网络远程传输,实时分析输电塔在野外环境长期作用下的振动及模态变化,以及突发载荷下的振动响应,为加深对塔-线振动规律的认识、促进塔-线振动理论的发展具有一定的理论意义和实用价值,并为评估输电塔的健康状态奠定了基础。
1 系统总体结构
江苏省电力试验研究院有限公司、江苏方天电力技术有限公司已于2007年在江苏电网立项,开展了这方面的研究工作。于2008年5月在马锡线116号SKT 2A跨越塔上成功研发及安装了输电塔环境振动状态在线监测及无线远传系统。
该系统目前可进行环境参数(风向、风速、温度、湿度)及16个关键部位振动参数(速度、加速度、位移)的监测。自动记录任意时刻的环境参数及振动参数,通过因特网在远程接收并可进行长期的振动趋势分析、波形分析、频率分析和模态分析等状态监测,为输电塔的长期性能健康诊断提供依据,并能记录在突发载荷作用下输电塔的振动变形,与有限元动力分析计算对比,分析输电塔受力状态。
1.1 振动监测传感器
采用中国地震局工程力学研究所941B型拾振器,它属于动圈往复式拾振器,主要用于地面和结构物的脉动测量,高柔结构的超低频大幅度测量和微弱振动测量。拾振器设有加速度、小速度、中速度和大速度四档。放大器具有放大、积分、高陡度滤波和阻抗变化的功能。输电塔监测应用时采用中速度档进行振动测量。
图1、图2为在输电塔立柱、横担上安装的振动传感器实拍照片。图3为振动监测点布置示意图。图中箭头所示为传感器安装位置,阿拉伯数字为调理器通道号,X、Y表示测点方向。共16个振动测点,X向(沿横担方向)测点5个,1X、5X、7X、9X;Y向(沿导线方向)测点11个,1Y、5Y、7Y、9Y、11Y、12Y、13Y、14Y、15Y、16Y。
1.2 气象数据监测传感器
WJ-3A风速风向传感器和HY-1温湿度传感器都是智能型数传式新颖的气象要素检测传感器,它们具有较高的检测精度和可靠性,并有较长时间的使用寿命。传感器采用RS485接口有较远的传输距离(1 000 m),采用简单的RS485/RS232转换插头就直接可与个人计算机连接,而不必采用专用的二次仪表。
1.3信号调理器
信号调理器专用于振动信号的放大、滤波及与计算机通信。根据输电塔结构的振动特点,在自然环境下的振动微弱,所以必须具有足够大的放大倍数,另外输电塔结构振动的固有频率很低,必须具有很好的低通滤波器且截止频率很低。
本监测系统信号调理器具备信号调理与频率调节功能,共16通道,对振动信号进行调理。信号调理仪低通滤波器截止频率1 Hz、5 Hz、10 Hz可选,本系统选用5 Hz的低通滤波,下跌率>80 d B;高通滤波器下限频率0.01 Hz;放大倍数1~1 000范围内可选,根据输电塔振动信号及传感器测点布置,放大电路分两部分,仪器1~10通道放大倍数为500,11~16通道放大倍数为200;调理输出信号通过NI6224或6220总线接口及专用电缆与工控机相连。图4所示为信号调理器工作原理图。
1.4 数据采集站
输电塔振动状态远程监测系统的关键是现场数据采集子系统,由PCI数据采集卡和工业控制计算机组成。数据采集卡采用美国国家仪器(NI)有限公司PCI 6224数据采集卡,输入分辨率16位;采样率500 k Hz。工业控制计算机采用研华IPC-610H原装工控机。该系统能根据预定的采集频率或触发条件,控制多个不同种类的传感器组启动,采集数据,预处理和存储,当出现异常时进行报警,工作完毕后自动处于休眠待命状态。系统还可以与远端主计算机进行无线网络数据传输,更新应用程序,发送存储的历史信息或执行相应的动作。图5所示为输电塔振动远程监测系统全貌。
2 应用软件系统
为实现输电塔远程振动状态监测系统功能,开发了一套远程状态自动监测软件系统。该软件系统主要由现场数据自动采集应用程序、远程传输与控制应用程序和远端数据管理系统3部分组成。应用程序开发采用VC++6.0,数据采集站操作系统为Microsoft Windows Server 2003,Enterprise,远程PC终端支持Microsoft Windows XP/2000/2003/NT操作系统,用户无需安装应用程序,可以通过IE浏览器查看数据采集站数据。系统功能如下。
(1)采集监测:自动连续、长期、采集永久保存输电塔关键状态参数及环境参数。状态参数为立柱、横担振动,环境参数为风向风速和温度湿度。
(2)查询列表:查询任意时刻上述状态参数和环境参数。对上述参数进行时、日、月、年的变化趋势分析,自动绘制各种趋势图及数据列表。如图6、7为振动速度趋势图,图8为环境参数为风向风速和温度湿度数据列表。
(3)信号分析:对主梁及索的振动进行波形分析、频率分析、模态分析,分析振动和模态的变化及输电塔动力特性的变化。图9、10为振动速度波形图,图11为根据无线传输数据拟合的SKT 2A跨越塔前4阶振动模态振型图。
(4)监测月报:自动生成上述监测功能的月报表。
(5)离线接口:提供其他离线分析接口及状态评估依据。
(6)远程监示:通过CDMA无线网络连接因特网,在远程PC终端上显示全部数据及分析、趋势、月报及为输电塔健康评估提供数据信箱。
3 结论
输电塔振动状态远程监测系统能够自动、定时地采集输电铁塔的振动状态参数和当地气象数据,并能在监控中心远程获得输电塔的状态信息.该系统已经成功应用于马锡线116号SKT 2A跨越塔上,为输电塔的安全健康评估提供分析数据。
由于目前输电塔设计计算以静力载荷和失稳为主,对动力计算很少进行。通过“输电塔环境振动状态在线监测及无线远传系统”的研究和数据积累也可为我国输电塔的设计标准修改提供重要依据。该系统的软硬件设计思想还可应用到新建的500 k V特别是特高压1 000 k V线路以及过江、过峡谷、台风和裹冰多发地区的输电塔。
摘要：根据输电铁塔振动监测的实际要求与特点,设计了输电塔振动状态远程监测系统。该系统可以自动采集输电塔的振动状态参数和当地气象数据,并通过无线网络在远端监控中心的主计算机系统上显示、处理测量结果,实现了振动信号的网络化实时采集和传输。现场应用情况表明,系统具有实时性强、可靠性和准确性高、可移植性好等特点。该系统对于特高压1 000 kV线路以及过江、过峡谷、台风和裹冰多发地区输电塔的远程健康状态监测有一定的参考价值。
高温风机振动状态的诊断分析方法 篇3
1 风机技术参数及其传动配置
风机的技术参数及其传动配置见表1,风机传动示意见图1。
2 振动状态的测试诊断分析
在设备检修结束后的试车过程中,发现高温风机轴承座振动较大,随后对风机进行振动测试分析,以2#风机为例。
首先对基础进行振动相位特征测试(见表2、表3),以判断基础是否有松动现象。
分析:通过对表2、表3数据的分析,结合频谱图我们可以比较出各振值基本变化不大,并且相位差也很小,可以说明5#和6#轴承座各结构之间不存在大的相对运动,即松动现象基本可以排除。
3 对联轴器和轴振动情况的测试分析判断
联轴器不同测点的轴向振动频谱图分别见图2、图3,分析报告见表4。
分析:在联轴器两端轴向测点4与5的轴向振值并不一致,结合频谱图4号测点振值(3.939mm/s)远小于5号测点振值(8.189mm/s)。另外比较两轴承径向和轴向相位差也可以判断出是否存在不同心问题,一般情况180度相位差意味着不同心,测点4与5轴向相位差是32度,径向相位差分别是11度和35度,都低于90度,即可表明不存在联轴器不同心现象。对5号、6号测点进行振动相位测试(见表5),以判断风机轴是否存在弯曲情况。
度
分析:轴弯曲测量也可以通过比较转子两支撑处的相位差来判断,本例中5号和6号测点轴承轴向相位差均小于90度,所以并没有太多迹象暗示轴弯曲,因此轴弯曲可以排除。
4 对叶轮的平衡性进行分析判断
从风机的5号和6号测点轴承的水平与垂直方向频谱图分析(见图4、图5),1X转速频率振值相当高,结合生产过程中叶轮清灰后振值降低的实际情况判断有不平衡问题存在。
对风机5号测点轴承进行测试分析,以判断轴承装配后是否存在松动现象。如:轴承在轴承座内的松动;轴承内部间隙过大;轴承在轴上松动或转动等。5号测点的多倍频谱图见图6。
分析:通过该频谱我们能看出图中包含了10X转速频率以上的谐波振动频率且振值较高,该频谱显示了轴承可能存在松动。
5 采取的措施及效果
(1)首先停机后,打开轴承座,发现轴承外圈有跑动痕迹,通过配合间隙测量,采取了调整措施。
振动状态 篇4
大型机组的振动问题是较复杂的一个课题, 涉及到许多方面。比如, 转子动静平衡不好, 联轴器不对中, 地脚螺栓松动, 轴承间隙过大或过小, 管线应力等。一个机组振动超标后, 首先要找出振动源, 并分析排除可能的情况。有些时候引起振动的原因并不是唯一的, 可能存在多项引起振动的原因, 这个时候判断问题就比较困难一些, 但是只要我们仔细排查, 便能最终找到问题所在。
2 化工一厂机组振动实例分析
2.1 由于BC101机组振动位移明显超标, 在准备采取停车检修时通知状态监测站进行检测。
在转速为5616转/分时的振动状态行了监测和分析, 测点位置见下图、振值见表, 齿轮箱体多点振动超标。
该机齿轮箱体3H测点振幅21.8mm/s, 3Y测点振幅13.9mm/s, 4Y测点13.8mm/s, 4Z测点15.7mm/s, 6Z测点24.7mm/s。振动信号中的主要分量是输入轴一倍频93.5HZ、输出轴一倍频150.6HZ和高频1183HZ、1242HZ、1336HZ、1391HZ、1779HZ、2102HZ、2784HZ的成份, 振动信号的特点是水平向和轴向幅值高。
该机齿轮箱输入轴齿轮齿数是:74个、过轮齿数是:234个、输出轴齿轮齿数是:46个。振动信号频谱图中齿轮的啮合频率成分不明显, 而高频分量中表现出明显的以输入轴转速频率为间隔的成分, 另外齿轮啮合时的冲击较大。
通过分析认为该机齿轮箱振动大的主要原因是:齿轮磨损和输入轴齿轮偏心齿隙不匀。监测数据如下:
在检修处理时, 现场技术人员跟踪测试了轴承的振动以及温度, 获取了大量的数据, 并对数据进行了分析处理。经过检修验证, 证实了该结论。
2.2 化工一厂的EC-301机组中压缸自某日振动明显增大, 通过对EC-301机组中压缸运行在5130～5180转/分时的振动状态行了监测和分析, 测点位置见下图。
振动最大测点是中压缸出口的测点, 其中测点水平方向的相对轴振动由4月26日的67微米增加到目前的83微米, 测点的垂直方向的相对轴振动位移值由61微米增加到目前的82微米, 振动信号中的主要成分是工频分量。谱图如下。
根据机组在前一日做过负荷等调整等现场实际情况分析, 机组的中压缸振动增大的主要原因是, 转子叶轮流道结焦分布状态经过负荷调解后, 冲击程度、气体流量流速等影响, 使分布状态发生较大改变, 改变了转子的平衡状态, 增大了不平衡量。
因此在不影响生产、保证机组气动热力性能平稳的情况下, 尽量将机组转速降低, 尽可能控制振幅在70微米以下。经一段时间后, 再适当提速。采取这一措施后, 振动明显缓解, 平稳运行至计划周期。
3 结束语
大机组的振动是一个比较复杂的问题, 分析与判断的难点在于机组的重要性, 关键性机组在生产中是不轻易停车的, 这样分析问题起来就比较困难, 这就需要我们对机组进行长期的现场跟踪监测、分析, 只有这样方能在实践中积累经验, 从而快速准确的解决问题, 从而避免无谓的停车。
参考文献
[1]濮良贵, 纪名刚.机械设计[M].高等教育出版社.
[2]冉继勇, 董良.滚动轴承状态监测技术与失效根本原因分析[J].现代零部件, 2006 (12) .
振动状态 篇5
7.1概述
第5章给出了推荐用于振动状态监测的测量量和测量类型。机械振动状态监测数据的分析和表示有许多基本格式。这些格式在获取基线数据时开始建立。它们包括, 但不限于:
——宽带幅值趋势;
——频谱分析;
——离散频率的频谱数据趋势;
——有限频带或窄带的频谱数据趋势;
——瀑布图分析;
——波德图、奈奎斯特图或极坐标图、矢量分析;
——轴心轨迹分析。
其他分析和诊断方法, 例如多变量诊断和神经网络没有包括在本部分中。
注:关于上述数据分析技术和数据表示及报告格式的建立方法在GB/T 19873第2部分中给出。
7.2基线测量
7.2.1概述
当机器设备运行在稳定、可接受状态的时候, 测量和观察得到的数据或数据组作为基线振动数据。所有随后的测量将与这些基线值相比较以检测振动的变化。基线数据精确地表示了机器在正常运行模式和流量下运行的初始稳定振动状态。对于具有多个运行状态的机器, 有必要对其每种状态建立基线。
新的和大修后的机器有一个磨合期, 在运行最初几天或几星期的期间内振动一般会有变化。因此, 在磨合期后再采集基线数据。
已经运行相当长时间但首次监测的机器, 仍能建立基线, 并以此次监测作为一个趋势参考点。
振动和运行数据应该在足够数量的时间间隔下采集, 以确认机器已达到稳定状态。这时, 应采集所有的基线数据并与应用标准 (如可用) 比较, 以确定机器的可运行性。基线特征也用于检验异常状态的征兆, 例如轴失稳。
这些数据是以后机器故障检测和诊断的基础, 应安全保存并易于取用。
基线振动数据应包括用于确定机器振动状态的所有可能的振动参数。最初规定越全面则正确检测、分析与跟踪机器劣化的可能性越大。基线振动的数据可包括下列各项的全部或一部分:
——宽带幅值 (位移、速度和/或加速度) ;
——时间信号和波形;
——旋转频率;
——每转一次的振幅;
——振动矢量 (振幅和相位) ;
——稳态时振动信号的频谱分析;
——升速/停机时的频率响应数据 (例如波德图、瀑布图、极坐标图等) ;
——轴心轨迹;
——轴心位置。
基线特征规定的完整性取决于下列各项:
——机器的重要性;
——机器以前的历史;
——可用的分析装置;
——人员的能力;
——其他因素。
没有必要也不应只限在连续监测的测点采集数据。建议基线包含全面的振动分析, 通常要包括比例行程序更多的测点、方向, 更宽的频率范围和更精细的分辨率。相对较少的测点在连续或周期监测之后已确定发生了变化, 重复使用基线分析方法对确定振动变化的原因能提供帮助。
7.2.2宽带振动
除非有确定的经验, 否则, 应采集基线宽带振动, 它应覆盖足够的动态范围和频率响应以包括机器内所有的强迫激励。一般来说, 它要求振动速度均方根值从0.1mm/s至100mm/s, 频率范围为0.2倍的最低旋转频率至所关注最高频的3.5倍。由于测量系统的限制, 对于大多数机器, 频率范围上限通常是10kHz, 下限频率一般为10Hz, 低速机器除外。
转子和固定结构宽带振动测量方法可分别参阅GB/T 6075和GB/T 11348系列标准。
应使用上述的动态范围和频率响应采集基线离散频率振动特性, 以证实包含在附录C中振动激励的可能原因。不过, 附加的分量也可能很明显, 评定这些异常很重要, 这可能有助于早期发现问题。
也可能出现某些意料不到的频率分量, 没有包括在附录C中的一些设计构型中。应存储这些基线数据, 为将来机器评定与诊断作参考。
7.3振动趋势
7.3.1概述
在设置趋势程序时, 重要的是确定测量的时间间隔。新的或刚大修过的机器稳定运行时, 实际的时间间隔由机器的关键程度、可靠性历史和仪器记录的数据存储能力来确定。例如, 对于连续的在线系统, 如果在规定的时间内振动幅值不变化, 将把认为价值不大的历史数据按预定计划“清除”。对于周期监测系统, 在振动开始增加时, 最好减小时间间隔并加强监视。下面给出了这种指南。
在监测升速或停机降速的振动趋势时, 应按机器类型规定测量的转速步长。对于大型、加速较慢的机器, 有时采用的转速增量可低至5r/min。然而, 这种采样率对于加速率或减速率高的机器可能不实用。在这些情况下, 建议在升速或停机降速期间采用连续测量。
7.3.2宽带趋势
7.3.2.1概述
确定转子或固定结构振动幅值的评定准则, 需考虑以下3个因素, 即:
a) 振动幅值;
b) 振动的任何明显变化;
c) 振动的变化率。
在新机器调试时, 振动幅值应依据预先确定并认可的允许值进行评定。一旦机器投入使用, 并且正常运行的幅值已经确定时, 不仅要根据幅值, 而且还要根据振动发生的任何明显变化来评定。
可用如后的两个系列国家标准确定旋转机器安排维修的准则。首先, GB/T 11348包括了非往复式机器在旋转轴上宽带振动的测量与评定;其次, GB/T 6075包括了非旋转部件上宽带振动的测量与评定。这两个系列标准给出了按照4个区域和振动变化的评定准则。
在大多数情况下, 振动速度足以表征在机器运行转速的宽广范围内的振动烈度。然而, 要认识到只使用单一的速度值而忽略频率, 可能漏测不可接受的大振动位移。对于低速运行机器, 当每转一次的振动分量为主时尤其如此。类似地, 高速运行机器或者机器部件发生高频振动, 恒定速度准则可能导致漏测不可接受的加速度。因此, 基于速度的验收准则采用图11的通用形式, 图中指明了上限频率fu和下限频率f1, 并表明低于某给定频率fx和高于某给定频率fy, 允许的振动速度是振动频率的函数。振动频率在fx和fy之间采用恒定速度准则。对于评定准则和具体机器类型的f1, fu, fx和fy的值在GB/T6075的相关部分给出。
新交付使用的机器的振动通常在区域A内。振动处在区域B内的机器通常可无限制地长期运行。
振动处在区域C内的机器一般不适宜作长时间连续运行。通常, 机器可在此状态下运行有限时间直至有合适的机会进行维修。振动处在区域D内, 其振动烈度足以导致机器损坏。
对于具体机器, 报警值可能上下变动相当大。选定的报警值通常相对于基线幅值来设置, 而基线幅值由具体机器或同类机器对于测点位置和方向的经验确定。
建议把报警值设置得比基线值高, 高出的值等于区域B上限值的25%。如果基线值低, 报警值可能在区域C以下。
在大多数还没有建立基线值情况下, 例如新机器, 初始的报警值应根据其他类似机器的经验或相应的已认可的验收值来设置。一段时间之后, 稳态基线值应已建立, 再相应地调整报警值的设置。
不论哪一种情况, 建议报警值通常不应该超过B区域上限值的1.25倍。
如果稳态基线值变化 (例如机器大修后) , 报警值的设置可能需要相应地修改。
停机通常与机器的机械牢固性有关, 而且取决于机器能承受异常动载荷的具体设计特性。因此, 对于类似设计的所有机器采用的停机一般是相同的, 而通常与用于设置报警值的稳态基线值无关。
然而, 不同设计的机器, 其停机值可能不相同, 不可能对绝对的停机值给出明确的指南。一般来说, 停机值将在区域C或D内, 但是建议停机值应该不超过区域C上限值的1.25倍。
GB/T 6075和GB/T 11348系列标准中推荐的区域边界值是依据全世界工业调查的统计分析得出的。
当机器运行于这些区域中之一时, 要求或推荐的措施取决于振动幅值的变化率。
应该用上述准则确定数据采集的最大时间间隔, 或确定用连续监测装置采集的数据回顾检查的最大时间间隔。监测或数据回顾检查的时间间隔将随观察到的振动幅值和/或振动幅值的变化率而变化。这些措施在下面说明并在图12和图13中描述。
7.3.2.2情况1:机器振动幅值在“正常范围”内
在这种情况下, 下面的导则适用于振动趋热曲线在图12的区域B中。
a) 由以往的数据, 如果幅值没有明显变化, 不要求采取措施。
b) 如果振动增大, 增加率是线性的, 而且预计在下次监之前, 幅值不会超过正常范围的上限值, 不要求采取措施。然而, 如果在下次监测之前, 预计幅值将超过该上限值, 由于要达到上限值, 应安排更频繁的监测。
c) 如果增加率是非线性的, 或者在预先设置的时间段内, 由以往的读数变化率增加达25%时, 应采取连续监测或安排更频繁的监测, 及考虑执行诊断程序确认该变化。
7.3.2.3情况2:当前排动幅值在报警区域内
在这种情况下, 下面的导则适用于振动趋势曲线在图13的区域C中。
a) 如果幅值不变化, 保持同样的监测问隔。
b) 如果幅值呈线性增加, 在计划维修之前或者在下次的监测之前, 预计幅值超过需采取措施的幅值, 或者增加率为非线性, 用连续的或更频繁的监测来验证此增加率及重新安排维修计划。增加监测的次数以保证在重新安排维修之前采集三个数据点。建议采用诊断程序以查明问题和确定所要求的维修。如果发现动幅值减小了, 推荐继续两星期一次的监测并建议进行诊断。
7.3.3升速/停机降速期间的振动
升速/停机降速振动是机组启动和停机运行期间获得的振动信息。这种类型的数据能提供对机器机械状态更深入了解的信息, 而在稳定运行期间不能得到这样的数据。由升速/停机降速数据能最好地检测和分析机器的状态。例如, 不平衡响应, 结构及部件共振, 以及临界转速、阻尼、电磁异常、碰摩和轴裂纹。升速/停机降速数据的频谱包含第三维:时间或转速。因此, 升速/停机降速数据的频谱比等效的稳态频谱复杂, 如果要画出对转速的关系曲线, 则要有每转一次的参考信号。这种振动数据通常用波德图、奈奎斯特图、坎贝尔图和瀑布图来显示。
升速/停机降速振动是基线振动数据的重要部分。初始测试越全面, 正确检测、诊断和跟踪机器状态劣化的可能性就越大。7.3.4瞬态振动趋势
虽然瞬态显示比相应的稳态显示复杂, 但它具有随时间而变的趋势, 以检测机器是否有变化。全面分析复杂的三维数据, 可能检测出在稳定运行下不能显现的异常。
即使机器转速保持恒定, 瞬态运行随环境条件 (温度、压力等) 、载荷、过程参数等的变化而发生。因此, 必须使与这些因素变化有关的瞬态振动趋势测量在尽可能相同的运行工况下进行。7.4离散频率振动7.4.1概述
宽带振动对识别报警的具体原因, 时常不能提供足够的信息。这对于在频谱中出现多个激励频率的复杂机器尤其如此。在这种情况下, 建议将宽带振动信号分离为离散频率分量 (幅值和/或相位) 。在大多数情况下, 各个频率能与相应运动的机器部件匹配。当这些振动分量变化时, 不正常或机器损伤通常能检测出来, 甚至在其早期阶段。机械或热导致的转子不平衡、自激振动、碰摩、对中变化、轴承或齿轮损伤和转子裂纹是用离散频率分析能检出的几个典型问题。
按正常的做法, 在新机交付使用或大修后, 要记录机器的参考谱, 并使之成为基线特征。此参考谱允许与以后的频率分析相比较, 以检出其变化。应注意:在比较由FFT分析的结果时, 要保证使用相同的带宽和窗函数。
图14给出频谱图的一个例子, 清楚地表示了各具体频下的振动幅值。重要的是, 当它们的幅值不正常时, 评定重要频率峰值的来源并及时研究, 能早期发现问题。意料外的频率分量也可能显示出不包括在附录C中给出的类型。
注:对于将宽带时域曲线转换为频谱的更详细方法在GB/T 19873第2部分给出。
7.4.2离散频率振动的趋势
在机器振动频谱中离散频率分量的趋势为确定振动限值提供了较全面的数据。图15给出了一个典型例子, 表明基频及其谐波分量作为时间函数的趋势。
7.5高频振动包络分析
在某些情况下, 机器振动状态的变化用高频振动包络分析更容易表征。有多种不同的技术可使用, 但它们超出了本部分的范围。
8数据分析和通信
振动状态 篇6
随着计算机技术的快速发展, 现代机械制造系统正朝着柔性制造系统的方向发展。数控机床在加工过程中, 刀具在切削金属的同时自身也会损坏, 工业统计数据表明, 机床故障中刀具失效导致的停机时间占据了总停机时间的1/3左右。研究数据表明, 安装有刀具监测系统的数控机床生产率提高了10%~60%, 机床的利用率也提高了50%, 同时也节约了30%左右的成本费用[1], 因此对于机床刀具的实时监测意义重大。通常刀具损坏的形式主要是破损和磨损。破损包含脆性破损和塑性破损, 常见的形式有崩刃、裂纹、剥落等。磨损则是指连续的渐进磨损。刀具磨损后, 使得工件表面粗糙度变大, 加工精度降低, 切削温度升高, 刀具的振动也明显增大, 直至刀具不能正常使用。因此刀具磨损的在线状态监测研究对于加工质量、效率和加工成本, 以及精度要求较高的数控机床来说至关重要。刀具磨损的在线监测也是数控自动化柔性制造系统中一个重要的研究课题。
通常将刀具磨损过程划分成三个阶段:初期磨损、中期磨损和剧烈磨损。初期磨损, 由于新刀刀刃表面粗糙度不均匀, 接触应力比较大, 以及表面的加工缺陷导致初期磨损比较快;中期磨损, 当过了初期磨损后, 刀具刀刃较为平整, 此阶段的刀具磨损速度相对较慢, 切削过程平稳, 这一过程占据了整把刀寿命的90%左右;在剧烈磨损期, 刀具正常磨损到一定程度后, 刀具和工件的接触情况渐渐恶化, 刀刃会钝化, 摩擦力会变大, 振动增大, 直至刀具彻底失去切削能力为止。
刀具磨损的监测技术很多, 根据监测机理通常分为两类:直接法和间接法。直接法中常用的包括:接触法、放射线法和光学监测法。由于直接监测法的使用局限比较大, 所以不能满足刀具实时监测的要求。间接法中常用的包括:切削力法、声发射法、主轴电功率法、刀具的振动法、超声波法等。目前认为切削力信号是和刀具磨损相关性最好的信号。
1 刀具磨损监测方法分析
刀具在工作时的状态监测技术通常由传感器采集信号、信号处理及特征提取和识别部分构成。在监测技术中, 刀具状态监测系统中的传感器通常是用来采集相应信号的, 例如切削力、振动、电流及功率、声发射等。
1.1 刀具状态的切削力监测方法
切削力监测技术目前是刀具磨损监测研究中应用最广泛的, 也是最稳定的一种方法。通长在切削过程中, 刀具会慢慢地磨钝, 然后导致切削力的增大, 因此切削力的变化与刀具磨损状态的变化是密切相关的。它的优点有:信号采集方便、响应速度快、灵敏度高等, 可以实时地在线监测刀具。但是通常由于测量切削力的仪器成本高, 且安装起来比较麻烦, 所以对它的使用难以广泛地推广。
刀具磨损过程中, 切削力会随之增大, 切削功率和扭矩变大, 导致主轴的电机电流增大, 负载的功率随之增大, 因此可采用监测主轴电机的电流变化来识别刀具的磨损变化状态。
1.2 刀具状态的振动监测法
通常在振动信号中会包含刀具磨损的有效信息, 使用加速度传感器就可以拾取信号, 进行相关分析, 从中分离出有效的磨损信息, 进而判断刀具对应的磨损状态。
测量振动信号的传感器用的是加速度传感器, 传感器通过底座的磁铁片直接吸附到工件表面或者刀具的外围部分。安装简单方便, 成本低, 携带方便, 但是不同的安装位置对信号产生不同的影响。从整体上来看, 利用振动监测刀具的磨损状态已经实用化了, 所要解决的问题主要是提高振动法监测刀具状态的精度[2]。
1.3 刀具状态的声发射法
声发射 (简称AE) 是近些年才发展起来的一种信号检测技术, 声发射信号是材料内部的弹性变形能突然释放所产生的弹性应力波信号。在金属切削过程中, 存在很多的发生源, 如工件和刀具的摩擦、切屑的折断、刀具的磨损、被切材料的弹性变形等。当刀具发生磨损时, 其发出的声发射信号将发生变化, 它是一种高频表面波, 在传播过程中衰减很快, 通长在靠近切削区的范围, 采用压电式的传感器拾取信号, 同时由于其发射信号频率过高才能避开干扰, 灵敏度高[2], 但是在实际的使用过程中, 较难拾取有效的声发射信号。
1.4 刀具状态的电流及功率法
通常在刀具磨损时, 切削力发生变化, 导致机床主轴功率产生变化, 所以监测机床主轴电流功率的变化也能间接地监测刀具的磨损状态。此法具有安装简便、成本低、不受加工条件限制等优点。它是一种比较简易且可广泛推广的刀具状态的简易监测法, 但是由于精度受限和响应速度慢, 还有传动系统的精度也会造成电机电流和功率的波动, 因此有待发展和完善。
通过分析各类方法的优缺点, 最终选择刀具的振动信号作为监测的对象来采集分析, 并使用时域、频域、时频分析来获取相关特征量, 从而获取刀具磨损状态的对应信息。
2 刀具磨损实验设计
2.1 试验目的与方法
金属铣削过程中对刀具磨损试验目的是使用单因素变量的试验方法, 来研究相关的变化对刀具的磨损机理以及磨损强度的影响规律, 并对试验结果予以分析。
试验主要是采集振动信号作为以后的分析信号, 将加速度传感器安装到装夹刀具的主轴外侧X和Y方向, 所采集的动态信号通过传感器传输到采集仪里面, 采集仪对信号经过相应的处理后, 送入计算机利用分析软件进行相应的分析处理。在机械设备故障诊断中, 常用的振动信号分析方法有时域分析、自谱分析、互功率谱、包络分析等。有些故障信号在频域中故障信息不太明显, 但是在时域中却反应明显, 所以仅通过频谱分析的方法是有局限的, 应该多用几类方法分析。
为了将振动测试法应用于刀具磨损监测, 图1所示的是基于振动的刀具磨损监测系统。
2.2 试验设备
为了证明振动监测组件的正确性和可靠性, 实验是在学校工厂的1台大连机床厂产的立式车铣加工中心 (VDL-600 A) 上进行的, 刀具是西南刀具公司产的用于铣削平面的双刃圆铣刀, 工件是1块长方体的45钢。实验系统由北京东方振动和噪声技术研究所产的加速度传感器 (INV9822型) 、四通道数据采集仪 (INV3018A型) 、振动信号分析软件及相应分析仪器组成。根据实验设计的条件, 采样频率设定为5120 Hz, 信号采集是连续采取多把由新刀至发生剧烈磨损期的振动信号。试验条件如表1所示。
3 试验结果数据分析
通常对于采集到的振动信号单独作时域或者频域分析都不会取得很好的效果, 同时由于在拾取振动信号时, 信号是非稳定的, 因此对于信号的分析采用时域、频域分析相结合的方法才可以较好地获取故障信息。
2014年3月, 在VDL-600 A立式加工中心上进行刀具的振动测试实验, 主轴转速为500 r/min, 进给速度为80 mm/min, 背吃刀量为0.5 mm和1 mm, 加工厚度为10 mm, 测试得到的刀具的磨损量相关数据如表2所示。
对采集到的振动信号分别采用时域、频域和互功率分析的方法, 可以获得很多的故障曲线, 几组典型的时频曲线图, 如图2~图6。
4 试验结论
1) 从加工过程中工件的被加工表面可以看出, 粗糙度是不断变化的。刀具在初期磨损的一段时间内, 工件表面粗糙度比较高, 这是由于新刀的表面本身也不光滑或者由于其表面氧化层等缺陷导致;在其正常磨损过程中, 工件表面的外观比较亮。在剧烈磨损期, 刀具的磨损导致工件表面变得较不平整。
2) 通过显微镜观测, 由于加工工艺限制, 新刀表面不是很平整, 在初期磨损也相对较快, 但是一段时间后磨损趋于平稳, 刀刃的表面也趋于平齐;在后期剧烈磨损阶段, 刀具开始出现较大的振动, 这是由于刀刃出现了较大的磨损, 出现了一些刀刃脱落, 导致加工时磨损的噪声也明显增大。
3) 通过对振动信号进行相关分析, 从得到的时域、频域图中可以观测到, 开始时刻磨损较轻微, 振动程度也属于轻微振动, 到后期当振动较为激烈时, 时域、频域图曲线就显示更多的波动。通过对比试验中刀具相应的磨损状态, 表明振动信号可以揭示刀具磨损的状态。因此可以对振动信号做相关的分析从而监测刀具磨损状态, 也表明试验可行。
4) 试验设计了不同转速、不同进给速度、不同背吃刀量来揭示不同的因素对刀具磨损程度的影响, 从试验结果时域、频域图的分析结果可以看出, 高的转速导致刀具的寿命有所降低, 大的进给量也同样降低刀具寿命, 同样大的背吃刀量比小背吃刀量对刀具的寿命影响也是明显的。因此从提高刀具寿命的角度来讲, 在满足加工要求的前提下, 尽量选取合适的小背吃刀量和进给速度及转速。同时, 我们在同一转速前提下, 从频域功率谱图中发现, 当剧烈磨损时刀具的振动明显大于初期的磨损情况, 剧烈磨损中能量幅值的波动显著多于初期稳定的频率状况。试验结果表明, 完全可以用振动测试技术法对刀具的磨损状态进行监测和故障诊断。
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振动状态 篇7
电力变压器是电力系统中的重要设备, 基于振动监测对变压器运行状态的分析研究取得了一定的成果[1], 在电力系统中, 有载调压开关 (OLTC) 的故障率达到了有载调压变压器故障的41%, 通过有效方式准确掌握OLTC运行状态, 及时发现运行中的异常和故障, 对减少因OLTC引起的损失具有重要意义[2]。目前, 基于OLTC调档操作的振动监测信号及其辅助驱动电机电流信号的分析是一种关联OLTC运行状态的有效方法[3]。应用振动监测对OLTC进行故障诊断的相关研究也开展了一定的工作[4], 但基于振动监测分析OLTC运行状态的研究还需要开展。
1 OLTC与振动监测信号的关联
有载分接开关 (OLTC) 是由带过渡阻抗的切换开关和带或不带转换器的分接选择器组成, OLTC的切换机构一般都由驱动电机提供动力的弹簧机构完成切换动作, 驱动电机电流通过对弹簧机构的稳定功率输出, 完成切换动作能量的储备, 通过对切换过程中电流信号的监测可以得到其正常动作的过程电流波形, 而若切换过程异常或OLTC发生一部分异常状态, 则电机的驱动力矩发生变化, 驱动电流波形也将随之变化。通过监测得到的驱动电机电流信号和档位调节振动信号如图1所示, 图中上部为驱动电机电流信号波形, 下部为振动信号波形。通过OLTC切换动作过程中的驱动电机电流信号和振动信号中包含信息的提取, 可以关联分析OLTC切换动作过程中正常运行、异常运行及故障状态。
对OLTC机械机构及动作过程的分析可知, 不同类型的有载分接开关动作机理不同, 因此对于采集到的振动信号和辅助驱动电机电流信号的分析处理也应基于不同的机械结构加以区分, 以正确地反映设备的运行状态。组合式OLTC的分接选择器和切换开关是两个独立的部分, 动作过程中电动机构通过星形间歇槽轮驱动分接选择器接通将要切换的档位, 与此同时上紧弹簧储能机构;当储能弹黉上紧动作完成后即驱动切换开关快速地动作, 切换到分接选择器接通回路的档位, 完成一次动作。通过分析其结构可知, 组合式OLTC只有两组静触头, 一组接通运行中的档位回路, 调档时, 驱动机构带动间歇槽轮先接通预调的档位, 然后切换开关完成切换, 动触头组切换至另一组静触头位置;下次调档时, 未接通的静触头则完成预调档位的接通, 如此来回往复, 进行OLTC的档位调节操作。当对组合式OLTC的切换动作进行振动信号和驱动电机电流信号监测时, 不仅同台设备的相同档位调节可进行纵向分析, 而且同台设备的奇数次档位调节振动监测数据间也存在很强的关联性信息。复合式OLTC切换与选择功能合一, 构成选择开关, 分接抽头接线已根据档位变换变比接至变压器绕组, 每次档位调节动触头接通的档位都是特定的已接通好的对应的静触头, 每组静触头跟不同档位调节存在一一对应的关系, 对其振动信号和驱动电机电流信号的监测数据分析应用应基于其特定的结构与组合式OLTC的监测数据分析应用区别对待。另外, 过渡电阻数不同, 则对应的过渡触头数也将不同, 通常的过渡电阻数有双电阻、四电阻、八电阻等, 因此切换过程将产生不同次数的冲击振动脉冲, 对应的切换动作监测信号波形也将有较大的区别。
2 OLTC运行状态分析
不同型号OLTC弹簧性能指标不相同, 动、静触头材质不同, 则切换动作形成的振动冲击脉冲的持续时间、幅值都将有较大差距。OLTC又可分为组合式和复合式两种类型, 振动监测信号代表的意义基于不同类型完全不同, 组合式OTC切换开关所有的振动冲击都由动触头在两组静触头间来回反复切换形成, 而复合式OLTC切换开关每组静触头跟不同档位调节存在一一对应的关系, 因此不能用同样的评判标准来对其进行运行状态的判别。在实际监测中, 即使同种型号的OLTC监测数据分析应用中, 由于其投运时间的不同及具体使用环境、切换频繁度的不同, 两台同类型OLTC的监测数据做横向比较也较难得到理想的判断结果, 只能基于一定的评判标准做相关的状态评价和寿命管理等工作, 直接通过量化的特征值横向比较诊断故障难以实现。
通过上述分析可知, 基于振动监测数据分析应用中的特征值量化分析比较方法由于OLTC种类繁多和实际运行状态不同而较难以实现故障的精确诊断。利用监测数据精确提取特征值的分析方法应更多地应用于基于在线监测或大量离线监测数据的积累基础上开展的趋势分析类相关研究应用中。
虽然不同类型的OLTC振动监测特征量值存在较大的差异, 但通过理论研究和大量的试验及实测数据分析可知, OLTC一次正常切换的振动监测结果如图2所示, 其中图中波形为信号包络图形, 上部为辅助驱动电机电流信号, 下部为振动信号。因辅助驱动电机电流信号和振动信号为同步采集, 故两信号在时间轴上有对应的特征量, 在调档操作开始时, 驱动电机带动连接杆开始为弹簧系统储能, 带负载启动, 故产生数倍于稳定输出电流的启动电流, 同时由于驱动连接机构由静止开始振动, 故有一次幅值较大的振动冲击信号;继而驱动电机电流信号开始稳定输出、切换机构弹簧储能, 整个过程振动信号为驱动电机及连接杆件的振动、少量变压器本体的振动 (若为在线测量) , 信号波形为较为平缓、带有少量低幅值“毛刺”的稳定形态;当弹簧机构储能完毕后, 释放能量带动切换机构进行分接触头切换时, 将有一次幅值非常明显、持续时间在200 ms以内的冲击脉冲信号, 脉冲包含数个尖峰, 尖峰个数因OLTC的型号不同、实际运行状态的优劣而难以定量确认;最后切换完成后, 制动器动作, 驱动电机电流和振动信号迅速衰减至零值。驱动电机启动电流值、稳定输出时间 (如图2中范围1) 、振动信号中弹簧储能阶段 (如图2中范围2) 持续时间及幅值、切换振动脉冲 (如图2中范围3) 持续时间及幅值等表征OLTC一次完整的调档操作的特征值因OLTC型号不同及运行环境、时间的不同而难以定量相互比较, 但这些特征量代表的特征信息在每个OLTC调档操作中都存在, 分析这些特征量的正常合理与否, 可以较为准确地判断OLTC运行状态的正常与否, 以及是否存在故障。
通过大量的试验和实测数据的积累分析, OLTC常见的几类典型异常运行状态或故障跟振动监测数据的关联关系如下:
1) 开关滑档故障:OLTC正常的一次切换操作中, 从驱动电机启动到切换操作结束, 每种型号的OLTC都有相对固定的动作时间, 并且切换脉冲只出现一次 (过渡档位动作除外) , 而开关滑档故障时, 这两个特征量都将出现异常。以复合式开关为例 (如图3所示) , 图中驱动电机电流信号在预定的时间内并未消失, 其运行时间比正常的电流持续时间长;同时振动信号出现两次开关切换机械振动脉冲, 说明开关出现连续切换现象, 可判断此开关出现滑档故障。但在开关在过渡档位动作时会出现两次正常切换, 需区别对待。
2) 驱动机构润滑不足:在OLTC正常的切换操作中, 驱动电机电流信号开始稳定输出、切换机构弹簧储能阶段, 整个过程振动信号为驱动电机及连接杆件的振动、少量变压器本体的振动 (若为在线测量) , 信号波形为较为平缓、带有少量低幅值“毛刺”的稳定形态;驱动电机电流信号为稳定输出的平缓形态。当OLTC出现驱动机构润滑不足的异常运行状态时, 由于齿轮控制机构的润滑不足、摩擦增大, 产生的振动较良好润滑时有较大区别, 如图4中某OLTC润滑不足时监测到的波形, 弹簧储能阶段出现幅值很大的规律性尖峰。同时在有些情况时, 在驱动电机电流信号包络图形中, 原本平稳输出的电流值出现数倍稳定输出值、一段时间的电流增大的现象, 这是由于摩擦增大, 电机带动的机械部件出现卡滞使输出力矩变大导致输出电流增大。
3) 弹簧弱化:在OLTC正常的切换操作中, 切换动作反映在振动信号上为一簇较为清晰的尖峰信号, 放大图形后, 可以区分出几个尖峰值;但随着运行年限的增加, 弹簧机构的弹力将弱化, 反映到振动波形图谱上为切换脉冲尖峰值明显减小, 几个尖峰值之间的分界模糊不清, 难以区分, 这是因为OLTC切换动作形成的振动脉冲信号为动、静触头间的刚体碰撞冲击振动, 冲击力的大小与振动振幅的大小有直接的联系, 弹簧弱化, 冲击力变小, 则冲击振幅也将减弱, 弹力正常的弹簧和弹力弱化的弹簧相比较, 振动幅值有较为明显的差异。
4) 弹簧断裂:通过振动相关知识的分析和试验的结果可以得出, OLTC正常动作时, 切换振动信号的高频能量在能量谱中所占比例较小, 当出现弹簧断裂等机械故障时, 振动信号能量谱中高频能量所占比例将明显增加, 与正常运行状态时的比例值有较为明显的差异, 如图6所示为某OLTC正常和弹簧断裂时两次切换操作的振动监测信号能量谱比较, 从中可以看出能量谱在正常和弹簧断裂时的高频能量比例的明显差异。
OLTC运行状态的其它异常或故障, 也大多可以通过分析其振动监测数据发现, 如接触器或电机异常、开关触头磨损、切换不同步等。通过研究分析OLTC的动作原理和振动相关原理, 可以得出通过分析振动监测数据较为准确判断OLTC运行状态, 但对于具体某一项故障或异常运行状态的判别及其与振动监测数据的精确关联关系, 还需要更多运行案例的积累分析和深入研究。
3 结束语
1) 通过监测OLTC调档操作过程中的振动信号和辅助驱动电机电流信号, 可以关联分析OLTC的运行状态, 对OLTC的故障诊断和状态评价具有一定的价值;但对其进行的振动监测数据分析应用应区分不同机械结构的OLTC区别对待, 以提高分析结果的准确性。
2) 基于振动监测数据分析应用的特征值量化分析比较方法由于OLTC种类繁多及实际运行状态不同而难以实现OLTC故障的精确诊断。通过OLTC监测信号波形的比较分析, 关注在每个OLTC调档操作中都存在的特征量的正常合理与否, 可以较为准确地判断OLTC运行状态的正常与否, 以及是否存在故障。但对于具体某一项故障或异常运行状态的判别及其与振动监测数据的精确关联关系, 还需要更多运行案例的积累分析和深入研究。
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