基于弯扭耦合振动与轴心轨迹辨识的水轮发电机组故障诊断研究

论文摘要

随着水电机组的研究、制造和应用向巨型化、大容量方向发展,水轮发电机组振动问题越来越突出,人们针对机组的振动现象开展了深入的研究,积极探寻有效的状态监测与故障诊断方法并取得了许多成果。但由于研究范式的局限,尤其是研究理论在技术实现方法上的限制,使得某些类型的振动故障难以准确诊断。研究水电机组弯扭耦合振动现象并解析其机理极具挑战性,研究成果将有助于全面了解轴系动力学特性,增强振动分析手段,并提高故障诊断的准确性。论文以刚性支撑的单质量不平衡转子为研究对象,建立了计及陀螺效应的转子弯扭耦合振动数学模型,并通过仿真试验分析了该类转子的弯扭耦合振动特性:考虑陀螺效应后,弯振响应变大,单盘转子的临界转速增加。弯振响应主要包含工频(1X分量)以及耦合的|Ω±ωti|、|ω1i±ωti|等频率(Ω为转频、ωti为外扭矩角频率);由于没有重力影响,扭振响应的1X分量很小,主要包含耦合的|Ω±ω1i|(ω1i为外激励角频率)、|Ω±ω2i|(ω2i为质偏角频率)等频率成分。耦合频率成分不大,但在某些特殊情况下可以有效地表征机组运行状况;随着转子转速的升高,2Hz以下的低频分量越来越大,减小转子质量偏心与极转动惯量是高速转子稳定运动的有效途径。在此基础上,论文针对水电机组轴系固定式刚性联轴器与可移式刚性联轴器平行不对中故障的弯扭耦合振动特性进行了深入研究。联轴器不对中转子系统中,转子质量偏心及固结于其上的不平衡质量是弯扭耦合的必要条件。固定式刚性联轴器平行不对中故障,弯振响应以1X为主;扭振响应主要包含一直流负扭角、1X和较大2X分量,该幅扭角很大,对转轴安全极为不利,转子轴心轨迹呈现为椭圆;可移式刚性联轴器弯振响应除1X外,还有扭振在弯振中耦合的2nX成分,其中2X频率较大。扭振稳态响应包含直流与1X分量。在2X分量共振区及附近区域以及其它2X分量较大处,轴心轨迹呈双环椭圆;在远离2X分量共振区及2X分量较小处,轴心轨迹呈椭圆。接着,论文着重研究了水轮发电机组轴系的另一典型故障―动静碰摩的弯扭耦合振动特性。由于没有重力影响,立式机组与卧式机组轴系振动特性有重大区别。水电机组轴系运行状态分为正常运行、局部碰摩与全周碰摩三类:正常运行时,轴系弯振主要表现为1X,几乎没有其他频率成分,扭振响应没有明显的频率成分;机组发生局部碰摩时,弯振出现两种振动特性,第一类弯振响应主要包含1X及其倍频分量,第二类弯振响应主要包含(N/2)倍转频的频谱。扭振也出现两种振动特性,第一类振动响应主要包含1X及其倍频分量,第二类振动响应主要包含(N/2)倍转频的频谱;机组发生全周碰摩时,弯振频谱主要包含1X及2X分量,扭振频谱主要包含1X及2X分量,但2X分量较小。转子偏心距与动静间隙对转子碰摩振动特性有重要影响,转子质量不平衡过大或联轴器不对中等原因造成转子偏心距增大,易造成碰摩故障;当轴系初始平衡位置改变,使得动静间隙变小,也容易造成碰摩故障。因此,机组运行状态恶化时,如转子偏心加大、轴系不对中造成轴间不平衡力加大、机组轴系受到外力作用或其它原因造成动静间隙过小等,都有可能使轴系的运动状态进入碰摩区域而发生碰摩故障。针对水轮发电机组轴心轨迹自动识别技术,论文在总结近年来研究成果的基础上,综合模式识别研究的新成果,提出了三种轴心轨迹自动识别的新方法并对这些方法的识别效果进行了评价:改进Fourier描述子方法具有很高的目标识别能力,但需要对原始轨迹曲线进行非常复杂的变换;PJFMIs方法的目标识别率较高,但需要将轴心轨迹转化为图像模式进行识别;仿射不变矩方法不仅具有很高的目标识别率,而且直接对原始信号进行处理,非常简便,因此具有极大的使用价值。最后,论文结合弯、扭振动特征,研制了一套轴系弯、扭振动监测与诊断系统,详细介绍了该系统总体设计思想、具体功能模块以及系统实现的关键技术。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 课题研究的意义和背景
• 1.3 水轮发电机组轴系振动研究概况
• 1.3.1 水轮发电机组弯振研究
• 1.3.2 水轮发电机组扭振研究
• 1.3.3 旋转机械弯扭耦合振动特性研究
• 1.3.4 转子碰摩研究现状
• 1.3.5 水轮发电机组轴心轨迹自动识别研究
• 1.4 水轮发电机组状态监测与故障诊断技术发展综述
• 1.4.1 水轮发电机组的主要故障及其特点
• 1.4.2 水轮发电机组故障诊断技术研究现状
• 1.4.3 水轮发电机组状态监测与故障诊断系统的研究
• 1.5 论文结构与内容
• 2 考虑陀螺效应的立式转子弯扭耦合振动分析
• 2.1 引言
• 2.2 弯振与扭振基本原理
• 2.2.1 单质量圆盘的弯振
• 2.2.2 单质量圆盘的扭振
• 2.3 单质量不平衡转子的弯扭耦合振动
• 2.3.1 转子弯扭耦合振动模型
• 2.3.2 无阻尼自由振动
• 2.3.3 转子振动特性分析
• 2.4 本章小结
• 3 联轴器不对中弯扭耦合振动分析
• 3.1 引言
• 3.2 固定式刚性联轴器平行不对中
• 3.2.1 固定式刚性联轴器平行不对中受力分析
• 3.2.2 弯扭耦合微分方程
• 3.2.3 弯扭耦合振动特性定性分析
• 3.2.4 数值仿真
• 3.3 可移式刚性联轴器平行不对中
• 3.3.1 可移式刚性联轴器平行不对中机理
• 3.3.2 弯扭耦合微分方程
• 3.3.3 弯扭耦合振动特性定性分析
• 3.3.4 数值仿真
• 3.4 本章小结
• 4 水轮发电机组转子碰摩弯扭振动特性分析
• 4.1 引言
• 4.2 碰摩转子弯扭耦合振动微分方程
• 4.2.1 碰摩力及力矩
• 4.2.2 碰摩转子运动方程
• 4.3 碰摩转子弯振和扭振特性分析
• 4.3.1 碰摩转子弯振特性分析
• 4.3.2 碰摩转子扭振特性分析
• 4.3.3 碰摩转子弯扭耦合振动主要影响因素
• 4.4 本章小结
• 5 水轮发电机组轴心轨迹自动辨识
• 5.1 引言
• 5.2 水轮发电机组轴心轨迹的特点与重要性
• 5.2.1 轴心轨迹形状信息在故障诊断系统中的作用
• 5.2.2 轴心轨迹自动识别方法分析
• 5.2.3 水轮发电机组轴心轨迹的特点[167]
• 5.3 轴心轨迹自动识别原理
• 5.3.1 小波提纯原理
• 5.3.2 轴心轨迹图形特征提取
• 5.3.3 轴心轨迹形状特征自动识别的常规方法
• 5.3.4 神经网络原理
• 5.4 仿射不变性矩
• 5.4.1 位移不变性
• 5.4.2 比例不变性
• 5.4.3 斜变换不变性
• 5.4.4 不变矩的产生方法
• 5.4.5 几个特殊的不变矩
• 5.5 基于PJFMIS 不变矩的轴心轨迹特征提取
• 5.5.1 Pseudo-Jacobi（p=4,q=3）-Fourier 矩（JPFMs）[221][222]
• 5.5.2 Pseudo-Jacobi（p=4,q=3）-Fourier 不变矩（PJFMIs）
• 5.5.3 PJFMs 的快速算法
• 5.5.4 PJFMIs 提取轴心轨迹特征
• 5.6 基于改进FOURIER 描述子的轴心轨迹特征提取
• 5.6.1 Fourier 描述子
• 5.6.2 改进Fourier 描述子
• 5.7 轴心轨迹自动识别
• 5.7.1 轴心轨迹的小波提纯
• 5.7.2 轴心轨迹特征提取
• 5.7.3 神经网络及其参数选择
• 5.8 轴心轨迹识别效果分析
• 5.9 本章小结
• 6 水轮发电机组振动检测与诊断系统实现
• 6.1 引言
• 6.2 总体结构设计
• 6.3 硬件系统设计
• 6.4 数据库管理
• 6.5 决策系统
• 6.6 功能模块
• 6.6.1 时域波形图A-t
• 6.6.2 轴心轨迹图Ax-Ay
• 2-f'>6.6.3 幅值频谱A-f 和功率频谱A²-f
• 2-f'>6.6.4 细化幅值频谱XHA-f 和细化功率频谱XHA²-f
• 6.6.5 伯德图A-f 和φ-f
• 6.6.6 瀑布图n-f-A
• 6.6.7 趋势分析图A-td
• 6.7 本章小结
• 7 全文总结与展望
• 7.1 全文总结
• 7.2 工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录1 攻读博士学位期间发表的论文
• 附录2 攻读博士学位期间参与和完成的科研项目