一种基于转子两端运动轨迹的旋转机械振动分析方法与流程

本发明涉及一种旋转机械振动测试分析方法，可以帮助技术人员根据振动测试数据分析转子上不平衡力的分布型式，如力不平衡、力偶不平衡和混合不平衡，指导开展旋转机械动平衡工作，主要应用领域包括：各类旋转机械，如泵、风机、电动机、汽轮发电机组等。

背景技术

不平衡是旋转机械最常见的振动故障，转子动平衡是旋转机械振动故障治理的有效手段，也是经常要开展的工作。准确判定不平衡型式可以提高动平衡效率和精度、减少开机次数，对于提高旋转机械运行稳定性和可靠性具有重要意义。

不平衡包括静不平衡、动不平衡和混合式不平衡。静不平衡状态下，转子中部存在不平衡力，或者在转子两端存在一组大小相等，方向相同的力，又称为力不平衡。动不平衡状态下，在转子两端存在一组大小相等，方向相反的力，又称为力偶不平衡。当转子中同时存在力不平衡和力偶不平衡时，称为混合式不平衡。开展转子动平衡之前，必须首先了解转子上不平衡力的型式和分布。

机组实际运行状态下，无法直接测试到不平衡力，都是根据振动来诊断不平衡故障，并分析转子上是否有不平衡力。振动大，不平衡力大；振动小，不平衡力小。同样，也是根据转子两端的振动来判断不平衡力的型式。如转子两端振动信号中存在较大的同向分量，则认为转子上存在力不平衡；如转子两端振动信号中存在较大的反向分量，则认为转子上存在力偶不平衡；如转子两端振动信号中同时存在较大的同向分量和反向，则认为转子上存在混合型式的不平衡。

目前判断不平衡力型式都是依靠垂直或水平单一方向上的振动进行的。对于汽轮发电机组等大型旋转机械而言，由于机组垂直和水平方向上的支撑刚度、阻尼特性等存在较大差异，转子上不平衡力所引起的轴承振动在垂直和水平方向上也有较大差别。实际工程中，有时会出现根据垂直方向振动和根据水平方向振动所判断得到的不平衡力型式完全不同的情况。因此，其改进和创新势在必行。

技术实现要素：

针对上述情况，为克服现有技术之缺陷，本发明之目的就是提供一种基于转子两端运动轨迹的旋转机械振动分析方法，可有效解决分析转子上的不平衡型式，提高动平衡的效率的问题。

本发明解决的技术方案是：

一种基于转子两端运动轨迹的旋转机械振动分析方法，包括以下步骤：

(1)在转轴上设置一个反光标记，将光电传感器对准反光标记，或者在转轴上开一键槽，将涡流传感器对准键槽，用光电传感器配合反光条或键相传感器配合键槽的方法，测取键相脉冲信号，转轴每旋转一周，产生一个这样的脉冲信号，记相邻两个脉冲之间的时间间隔为t，则实时转动频率f＝1/t；

(2)在转子两端待测部位的垂直和水平方向各布置一组振动传感器，以键相脉冲信号为触发基准，同步采集转子两端垂直和水平方向振动信号，记为x1(t),x2(t),y1(t),y2(t)；

(3)对采集到的振动信号进行快速傅里叶变换，得到与转动频率相同的工频谐波分量的幅值和相位，分别记为：ax1,ax2,ay1,ay2和

(4)根据一倍频谐波分量的幅值和相位，重构出与转子两端垂直和水平振动信号相对应的一倍频谐波分量信号：

(5)记与转动频率f相对应的周期为t，则有：t＝1/f；将[0,t]间划分为1000段，得到转动一周内不同时刻下各点振动值：x1'(ti),y1'(ti),x'2(ti),y'2(ti)；

(7)定义不同时刻下转子振动半径ri

(8)绘制出转子两端在不同时刻下由振动半径组成的振动曲线；

(9)找到t＝0时刻后转子两端振动半径曲线上第1个振动半径峰值点所对应的时间点及其幅值，分别记为：t1,a1和t2,a2；

(10)计算出与振动半径峰值点相对应的相位角ψ1,ψ2；

(11)以振动半径a1∠ψ1,a2∠ψ2作为转子两端振动，根据转子两端振动，将其分解为同向振动at以及反向振动af；

(12)根据得到的同向和反向振动分量值，判断转子上不平衡力型式：

若at大于旋转机械振动标准中规定的优秀值，转子上同向不平衡力大；

若af大于旋转机械振动标准中规定的优秀值，转子上反向不平衡力大；

若at和af都大于旋转机械振动标准中规定的优秀值，转子上混合型式的不平衡力大。

本发明方法简单，认为转子两端振动是在垂直于轴线的平面内进行的，需要用垂直和水平两个方向上的振动来综合表示，据此，提出根据转子两端垂直和水平方向上的振动信号，求得转子两端在垂直轴线平面内的运动轨迹，定义不同时刻下的振动半径为轨迹上该时刻点到圆心的距离，求得转子两端振动半径变化曲线后，以t＝0时刻后第1个振动半径峰值所在点的相位角为该端相位角，以振动半径峰值作为该端振动。在此基础上，对转子两端振动信息进行分析，判断转子上不平衡型式。将转子振动看作是在垂直于轴线的平面内的平面轨迹运动，振动分析和不平衡力型式分析时综合考虑了垂直和水平方向振动，而不是仅仅依据单一方向振动，所得到的分析结论全面、可靠，是旋转机械振动分析方法上的创新。

附图说明

图1是转子系统振动测试示意简图。

图中各个附图标记分别表示：1轴承、2转子、3振动传感器、4键相传感器、5振动数据采集仪、6轮盘

图2是转子测试得到的两端4个振动测点原始波形。

其中：x1和y1是一轴承侧水平和垂直方向振动，x2和y2是另一轴承侧水平和垂直方向振动；

图3是测试得到的键相脉冲信号图。

图4是测试得到的转子两端4个测点原始振动频谱图，图上标注了一倍频谐波分量的幅值和相位。

图5是利用本方法将测试信号重构后得到的与转子两端4个测点一倍频谐波分量相对应的波形图。

图6是利用本方法得到的转子两端振动半径波形图。

图7本发明方法的流程图

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。

由图1-7给出，本发明一种基于转子两端运动轨迹的旋转机械振动分析方法，包括以下步骤：

(1)在转轴上设置一个反光标记，将光电传感器对准反光标记，或者在转轴上开一键槽，将涡流传感器对准键槽，用光电传感器配合反光条或键相传感器配合键槽的方法，测取键相脉冲信号，转轴每旋转一周，产生一个这样的脉冲信号，记相邻两个脉冲之间的时间间隔为t，则实时转动频率f＝1/t；

(2)在转子两端待测部位的垂直和水平方向各布置一组振动传感器，以键相脉冲信号为触发基准，同步采集转子两端垂直和水平方向振动信号，记为x1(t),x2(t),y1(t),y2(t)；

(3)对采集到的振动信号进行快速傅里叶变换，得到与转动频率相同的工频谐波分量的幅值和相位，分别记为：ax1,ax2,ay1,ay2和

(4)根据一倍频谐波分量的幅值和相位，重构出与转子两端垂直和水平振动信号相对应的一倍频谐波分量信号：

(5)记与转动频率f相对应的周期为t，则有：t＝1/f；将[0,t]间划分为1000段，得到转动一周内不同时刻下各点振动值：x1'(ti),y1'(ti),x'2(ti),y'2(ti)；

(7)定义不同时刻下转子振动半径ri

(8)绘制出转子两端在不同时刻下由振动半径组成的振动曲线；

(9)找到t＝0时刻后转子两端振动半径曲线上第1个振动半径峰值点所对应的时间点及其幅值，分别记为：t1,a1和t2,a2；

(10)计算出与振动半径峰值点相对应的相位角ψ1,ψ2；

(11)以振动半径a1∠ψ1,a2∠ψ2作为转子两端振动，根据转子两端振动，将其分解为同向振动at以及反向振动af；

(12)根据得到的同向和反向振动分量值，判断转子上不平衡力型式：

若at大于旋转机械振动标准中规定的优秀值，转子上同向不平衡力大；

若af大于旋转机械振动标准中规定的优秀值，转子上反向不平衡力大；

若at和af都大于旋转机械振动标准中规定的优秀值，转子上混合型式的不平衡力大。

所述键相传感器、振动传感器和数据采集仪均为现有技术，如ros-w型光电键相传感器、zxp型振动传感器、evm-8型振动数据采集仪。

由上述情况可以看出，转子振动和轴承振动作用在垂直于轴线的平面上，这是一个平面运动问题，仅仅依靠单一方向上的振动来进行分析是不完备的，一种发展趋势就是将垂直和水平方向上的振动综合起来分析。例如，传统的频谱分析技术是针对单一信号进行的，而全谱分析技术则是在传统频谱分析技术基础上发展起来的，综合利用了垂直和水平两个方向上的振动信号，可以在传统频谱基础上进一步得到正进动和反进动等深层次信息和特征。本发明认为转子两端振动是在垂直于轴线的平面内进行的，需要用垂直和水平两个方向上的振动来综合表示。据此，提出根据转子两端垂直和水平方向上的振动信号，求得转子两端在垂直轴线平面内的运动轨迹，定义不同时刻下的振动半径为轨迹上该时刻点到圆心的距离，求得转子两端振动半径变化曲线后，以t＝0时刻后第1个振动半径峰值所在点的相位角为该端相位角，以振动半径峰值作为该端振动。在此基础上，对转子两端振动信息进行分析，判断转子上不平衡型式。其方法简单，将转子振动看作是在垂直于轴线的平面内的平面轨迹运动，振动分析和不平衡力型式分析时综合考虑了垂直和水平方向振动，而不是仅仅依据单一方向振动，所得到的分析结论全面、可靠，是旋转机械振动分析方法上的创新经实际应用，取得了良好的技术效果：

如下表所示，是利用本方法得到的转子两端振动半径幅值和相位，以x向振动为依据，同向分量幅值小，反向分量幅值大，转子存在反向型式不平衡力。以y向振动为依据，同向分量幅值大，反向分量幅值小，转子存在同向型式不平衡力。根据x和y向振动对不平衡型式的判断结论不同，存在矛盾。以本方法得到的振动半径为依据，同向分量幅值大于旋转机械振动标准中规定的优秀值，反向分量幅值小于旋转机械振动标准中规定的优秀值，转子存在同向型式不平衡力。本方法综合考虑了x和y两个方向上的振动，而不是仅仅依据单一方向振动，所得到的分析结论全面、可靠，是旋转机械振动分析方法上的创新经实际应用。