在实施xTCM系统中，电厂应用人员普遍反映对机组振动方面的知识了解的不多。因此为了更好地理解xTCM系统的分析和计算的结果，使其在机组状态监测与管理中发挥应有的作用，本文以问答的形式，介绍部分机组振动监测分析与诊断相关的知识。我们将在后续的简报中陆续刊出类似的文章。同时，也欢迎大家与我们，就感兴趣的问题展开讨论。
　　
　　■为什么振动监测对汽轮机的安全运行很重要？
　　
　　汽轮机主要通过旋转运动来实现能量转换而完成预定的功能的，因此转子是汽轮机的核心部件。汽轮机的绝大多数机械故障都与转子及其组件直接相关。
　　
　　振动是转子系统的一种属性，汽轮机工作过程中发生异常时，一般都会出现振动的加大和变化。与温度、压力等过程参数相比，振动不仅对汽轮机的状态变化要敏感的多，而且振动信号可以提供丰富的机组状态信息。因此，人们可以根据振动测量、分析和识别的结果，在不停机、不解体的情况下，对汽轮机的故障原因、部位以及劣化程度进行监测诊断，以避免汽轮机出现失效及影响安全经济运行。
　　
　　■汽轮机有哪些振动形式？
　　
　　从测量的振动部件来分，主要有转子的振动、轴承座（瓦）的振动、缸体的振动三种，其中前两种是目前广泛监测的振动形式。
　　
　　从测量的振动方向来分，主要有转子的径向振动、轴向振动和扭转振动，轴承座的径向振动、轴向振动等。
　　
　　从振动的激振力来分，主要有自由振动、强迫振动和自激振动等。
　　
　　■如何测量和获取振动信号？
　　
　　对转子的振动，一般通过非接触的涡流传感器测量振动的位移量。此时测量的振动位移是转子轴表面相对于涡流传感器探头间的位置变化，因此又称作相对振动测量。
　　
　　对于轴承座或缸体的振动，可以通过接触式的惯性速度传感器测量振动的变化速度，或者通过接触式的压电加速度传感器测量振动变化的加速度。测量的振动变化速度和加速度都是相对于大地这一固定的参照系度量的，因此又称作振动测量。一般来说，人们习惯于将测量的振动速度值和加速度值通过积分变换成位移量。
　　
　　另外，也有一种复合振动测量的方式，是针对转子振动测量而言的。它是指将同一位置的转子相对振动测量和轴承座的振动测量（积分为位移形式）复合，形成对转子振动的测量值。注：这种测量方式获取的振动信息容易引起误判断，详见下面的分析。
　　
　　■测量转子的相对振动有什么优势？
　　
　　首先，转子上的振动变化比轴承座及机壳要敏感的多。这是因为有某轴承具有较大的轴承间隙，因此轴颈的相对振动与轴承座的振动有显著的差别，尤其是当支撑系统的刚度相对较硬时，轴颈的振动常常可以比轴承座的振动大几倍到十几倍。
　　
　　其次，轴承座的振动容易受到周围其它振动源的干扰，当这种干扰较大，或出现共振时，利用复合探头测量的转子振动，并不能真实地反映转子的振动状态。
　　
　　再者，复合的转子振动的大小还取决于转子振动与轴承座振动的相对相位。当转子振动与轴承座振动同相时，复合生成的振动值偏大；否则，反相时，复合生成的振动值偏小。
　　
　　zui后，转子的相对振动一般利用涡流传感器测量，测量的信号有两部分组成：交流量反映转子的振动情况，直流量反映转子中心线与探头间的平均距离。利用该直流信号，结合转子和轴承内圈的间隙数据，可以确定转子中心在轴承中位置，它可以反映转子振动的稳定性，用于判断不同的故障状态。
　　
　　■什么是同步整周期采样？
　　
　　同步整周期采样是指对旋转机械每周期均匀地采样固定的点数，并连续采集若干个周期。其主要特点可概括为三个"同步"，即：
　　
　　1）采集频率随工作转速的变化而变化（频率同步）；
　　
　　2）多个通道的采样点在时间上为同一时刻的（时间同步）；
　　
　　3）多个通道的采样起始点是由同一个键相信号触发（相位同步）。
　　
　　与传统的固定采样频率的数据采集相比，同步整周期采集的优势在于：
　　
　　1）克服致命的"泄漏效应"：采用转子同步采样技术，可避免信号FFT转换时的泄漏，大大提高了系统的分析精度，zui重要的是可准确提取信号中的相位信息。
　　
　　2）保证历史数据的可比性：为了保证每次信号采集的起始点采用的基准相同，系统采用键相信号的下降/上升沿触发采集，从而使所有历史振动数据的相位具有纵向可比性。
　　
　　■什么是键相信号？
　　
　　键相测量就是通过在被测轴上设置一个凹槽或凸键，称键相标记。当这个凹槽或凸键转到探头位置时，相当于探头与被测面间距宊变，传感器会产生一个脉冲信号，轴每转一圈，就会产生一个脉冲信号，产生的时刻表明了轴在每转周期中的位置
　　
　　键相信号对旋转机械的振动测量具有重要的意义，它除了可用于测量转速外，还可作为相位参考脉冲，也是旋转机械种常用的同步整周期采样方法的基础。　　
　　■振动相位是如何定义的？
　　
　　旋转机械中的振动相位的通常是指基频信号相对于转轴上某一确定标记（键相位）的相位差。一般定义为振动高点滞后键相脉冲（如下降沿）的角度。如右图所示，角度r即为振动信号的相位。　　
　　■实际转子的振动形式如何？
　　
　　实际转子的工作速度往往超过其本身的临界速度，转子在回转的过程中将产生明显的变形--动挠度，这时我们称其为挠性转子。挠性转轴的旋转实际上是两种运动的合成。一种是转轴绕其轴线的定轴转动，转动角速度就是旋转速度w；另一种则是转子中心的轴线绕其静平衡位置的空间回转，回转角速度Ω仍然是w。后种回转运动就是涡动，或称进动。挠性转子的运动如下图所示。

　　
　　分析转子的涡动可以将其分解为两种涡动分量的合成：正进动（涡动方向与转子转动方向相同）和反进动（涡动方向与转子转动方向相反）。如下图所示。当正进动分量大于反进动分量时，转子的涡动为正向涡动；反之，则为反向涡动。
　　

　　正常转轴的涡动角速度Ω和旋转角速度w相等，因此称它为同步涡动。凡是同步涡动，如转轴上某一方向受拉或受压，则在旋转状态下将始终受拉或受压。同步涡动一般表现为正向涡动。
　　
　　但是当转子发生自激振动时，由于涡动转速与转子转速不符，将发生异步涡动。对于异步涡动，转子既可能为正向涡动，也可能为反向涡动。而不论是那种方向的涡动，转轴上某一方向将交替受拉或受压，即转子在转动状态下转子上高点位置周期性顺转向或逆转向移动。显然，当涡动速度低于转子转速时，转子上高点位置将逆转向移动，反之则顺转向移动，移动速度为w-Ω或Ω-w。
　　
　　■如何从振动信号中获取所需要的信息？
　　
　　振动与其他过程状态量不同在于，其通过一系列连续变化的时间序列来反映系统的工作状态。对同步整周期采样来说，一次采集的振动信号中包含若干个完整的振动波形。由于不是单个数值，我们需要借助其他手段将系统的状态信息提取出来。
　　
　　一般来说，从表征振动信号特征的信息形式有数值特征和图形特征。
　　
　　数值特征是指用单个的数值量反映振动的状态，如振动的峰峰值、各倍频的幅值和相位、轴中心线的位置等。
　　
　　图形特征是指通过图形表现形式反映振动的状态，常用的振动分析图形有波形图、频谱图、轴心轨迹图、极坐标图、波德图和瀑布图等。
　　
　　两种振动信号表现形式各有优缺点：
　　
　　数值特征的优点是便于报警设置和自动监测，缺点是表现能力有限、不直观；
　　
　　图形特征的优点是直观，表现力丰富，缺点是需要人的理解，不便于自动监测。
　　
　　■什么是振动的静态信息、动态信息和暂态信息？
　　
　　振动的静态信息是指由单个数值表示的振动特征，如幅值、相位、频率等。
　　
　　振动的动态信息是指由一系列连续变化的数值组成的时间序列，也就是振动的时域波形。
　　
　　振动的暂态信息是指机组在变工况运行时，振动随工况的变化情况。如启停机过程中，振动随转速的变化情况。
　　
　　■什么是波形图？
　　
　　波形图反映振动量随时间的变化情况，横轴为时间，纵轴为振动的幅值。结合键相信号（注：xTCM的波形图中黄色的点代表了键相位置），从波形图上大致可以看以下信息：
　　
　　两个相点间出现的波数对应了振动的周期成分；
　　
　　相点的漂移可能会是转子的平衡状态、频率组成发生变化等。
　　
　　■什么是频谱图？
　　
　　频谱图反映振动信号的频率组成情况，横轴为频率，纵轴可以是幅值或相位，分别称为幅值谱或相位谱。频谱图是利用FFT（FastFourierTransformation）对振动信号的时域波形变换得到的。一般来说，不同的故障有其不同的特征频率，因此利用频谱图可便于确定故障的类型。
　　
　　■什么是轴心轨迹图？
　　
　　轴心轨迹图是利用同一截面相互垂直的两个涡流传感器测量的振动波形复合生成的，一般在X-Y或复数平面绘出。结合键相信号，从轴心轨迹图我们可以分析振动的频率、轨迹的进动方向、zui大的振幅和方向、支撑刚度的对称情况、转子所受的外力情况等。下图给出了三种典型的转子轴心轨迹图。


　　
　　■什么是波德图？
　　
　　波德图是描述振动某一频率分量的幅值和相位随过程的变化而变化的两组曲线。常用波德图的过程变化参数为转速，此时波德图反映的是机组的幅频响应和相频响应特性，通过转子趋近和通过临界转速时的幅值响应和相位响应，可以辨识系统的临界转速及系统的阻尼情况。例如，转子系统在通过临界转速区时，振动的幅值会大幅升高、相位会发生180度反转，如下图所示。


　　
　　■什么是极坐标图？
　　
　　极坐标图是将振动信号的单个频率分量的幅值和相位在同一幅图上用极坐标的形势绘出，其实质上就是振动向量的矢端图，也可看成是波德图在极坐标上的综合曲线。因此，极坐标图和波德图一般是一起使用的。利用极坐标图，可以确定振动的慢速矢量、临界转速、同步放大因子、不平衡量的方位等。
　　
　　■什么是瀑布图？
　　
　　瀑布图是将不同转速下振动的频谱图以三维谱阵的形式绘制在同一张图上形成的。瀑布图主要用于机组的启动和停机过程，可以对振动全频带的响应动态过程进行描述。从瀑布图上可以直接观察出许多常见故障的特征，如油膜涡动、油膜振荡、不平衡等。右边的瀑布图反映了一个典型的油膜振荡故障的发展过程。即，故障初期为油膜涡动，振动频率大致为转频的一半；在转速升至*临界转速两倍以后，振动频率大致等于*临界转速，且不变。

　　
　　■什么是全息谱图？
　　
　　全息谱图是将多个频率分量的轴心轨迹在同一张图上绘制生成的。它可以同时反映两个通道振动的频率、幅值和相位信息，因此对区分不同的故障状态十分有利。通过将多个截面的同频的轴心轨迹绘制在一张图上，还可以生成三维全息谱图，它可以观察整个轴系的振动变形情况。例如，油膜振荡和管道激励产生的振动的特征都是有明显的1/2X振动分量，单从一个方向振动信号的频谱图不容易将这两种故障区分开。但两者全息谱图上的特征却不相同：管道激励引起的1/2X振动轨迹的形状是细高的，而油膜振荡引起的1/2X振动轨迹的形状是接近圆形的。如下图所示。

　　
　　■如何识别和诊断机组常见的振动故障？
　　
　　对机组的振动故障进行识别和诊断，应在获取了机组的稳态数据、瞬态数据以及过程参数、运行状态、历史工况等信息的基础上，通过提取机组*的故障征兆和敏感参数，经过综合分析后判断后才能作出符合实际的诊断结论。附表中给出了机组常见故障的特征和识别方法。
　　
　　■什么是专家系统？
　　
　　专家系统是为了解决某一专门领域的问题，如振动故障诊断，而研制的计算机软件系统，它以知识为基础，是人工智能技术在工程中的应用。专家系统模拟人类专家解决问题的方式，按一定的规则，从已知的事实中推理产生出结论。专家系统一般还包括对推理过程的解释和对新知识的学习功能。专家系统的工作原理如下图所示。

　　
　　■专家系统能完成什么工作？
　　
　　设计良好的专家系统可以做以下的工作：对大量的、复杂的信号和征兆进行自动处理；将典型故障的判断方法程序化；辅助一般人员对故障进行判断和处理；对一般人员进行培训；对人类专家的知识进行收集、整理和保存。注：这很重要，专家系统理论上的服务"寿命"可以是无限长的！
　　
　　■专家系统可以代替人类专家吗？
　　
　　不可以。
　　
　　专家系统是人类研制的计算机软件系统，在人脑不能解释自身工作机制的情况下，也不可能让电脑*模仿自身的功能，因此专家系统对人类专家的模拟只能是局部的和近似的。就目前来说，专家系统还面临着许多发展中的问题，如知识表达问题，知识获取的瓶颈、推理效率问题等。
　　
　　附表：机组常见故障的特征（省略）