[发明专利]高速旋转机械半速涡动在线稳定性特征提取与监测方法

说明书

一、所属领域

本发明属于机械故障诊断和旋转机械模态分析领域，进一步可扩展到涉及信号分析和特征提取的相关应用领域，特别涉及一种高速旋转机械半速涡动在线稳定性特征提取与监测方法。

二、背景技术

半速涡动是高速旋转机械的常见故障，它是由转轴与流体动力润滑轴承之间的流体动力引起的一种自激振动，是系统失去稳定性(简称失稳)的一种表现。在一定条件下，系统一旦失稳，转子涡动振幅会急剧增大，使机组产生强烈振动，振动的发生具有突发性。此外，由于半速涡动频率大约为转子旋转频率的一半(通常为转子转频的0.42到0.48之间)，是一种亚同步振动，因此在转子中会产生交变应力，比由转子失衡等原因引起的同步振动有更大的危害性，常常是造成重大事故的主要原因。所以，通常高速旋转机械在设计阶段都要进行稳定性计算和验算，甚至建立1∶1实验台对稳定性进行模态试验。然而，众多的实例表明，由于许多因素都会影响稳定性，如油温、油压、轴承间隙以及转子平衡、对中情况等，即使稳定性设计良好的机组在运行数月或数年后，同样会出现失稳问题。因此，半速涡动的在线监测十分重要。

现有的半速涡动在线监测方法主要有：频谱分析、瀑布图和轴心位置监测。频谱分析方法是根据失稳后出现半频成分的振动来实现的，主要是在机组运行过程中通过频谱分析监视振动信号中半频成分的存在。如果发现转子的振动中有半频成分，即认为存在半速涡动的可能性；否则，如果未发现半频成分，则认为系统处于稳定状态。这种方法的主要缺陷是：只有当系统已经处于失稳状态时才能发现，难以对稳定性状态进行趋势分析，无法预测半速涡动的发生。由于半速涡动具有突发性和对转子产生交变应力，常常在涡动出现的很短时间内，已经对机组造成危害和破坏，因此这种方法显然不够理想。瀑布图方法与频谱分析法的原理基本相同，也是利用频谱图来监测半频成分，不同的是在机组升速或降速过程中进行。这种方法在不同转速下记录机组的振动信号并求得频谱图，然后将不同转速下获得的频谱图按转速叠放在一起，形成一个频率、转速相对于振幅的三维图形(称为瀑布图)，因此可观察不同转速下的稳定性状态。但是，这种方法同样存在着只有当半速涡动发生后才能发现，以及无法进行稳定性趋势分析和预测的缺陷。轴心位置监测方法是通过监测转子运动的静平衡中心和轴承几何中心的相对位置进行的，轴心位置的变化间接描述了稳定性的变化。通过理论分析和试验方法可以事先确定出轴心位置变化的稳定区域和不稳定区域。在机组运行时，如果轴心位置落入稳定区域，说明系统处于稳定状态；否则，如果轴心位置落入不稳定区域，则可能处于失稳状态。这种方法的优点是可以对稳定性趋势和状态进行在线分析和预测，但缺陷是对轴承几何参数的实际测量精度、传感器的安装和调试等要求非常高，实质上难以实现，我们曾尝试多次均告失败。此外，轴心位置监测是通过间接监测轴心位置的变化来测算稳定性状态，适合于定性分析，难以给出定量的结果。

除以上三种监测方法以外，另一种常用的稳定性分析方法是系统阻尼计算和实验，这种方法应用获得的系统阻尼(例如阻尼比)来评价稳定性状态。系统阻尼能定量反映影响稳定性的各种因素对稳定性的综合影响，在稳定性理论和实验中应用十分普遍，其主要优点是可以定量地进行稳定性裕度和趋势分析，从理论上讲是一种十分理想的稳定性分析方法。但是，以往这种方法只是在机组的设计和制造过程中通过理论计算和模态实验来获取稳定性参数，而对于在实际运行中的机组，这些稳定性参数是难以获得的，因此，就现有技术来说，该方法还不能进行稳定性在线监测。

三、发明内容

针对现有技术的缺陷或不足，本发明的目的在于基于旋转机械故障诊断和半速涡动稳定性在线监测的需要，提供一种高速旋转机械半速涡动在线稳定性特征提取与监测方法，该方法从旋转机械振动位移信号中提取稳定性参数，从而实现对旋转机械系统稳定性裕度和趋势的在线、定量监视和预测。(一)发明的构思基础

1.理论和实践证实：半速涡动的频率与转轴和流体动力润滑轴承之间的流体平均环行速度的频率相等，而且流体平均环行速度是轴承-转子系统的一个特有的固有频率。因此，半速涡动与通常的系统相类似，同样具有阻尼、共振等特性。

2.离心式压缩机、透平发电机等大型旋转机组在工作过程中，流体动力和汽动力会对转子产生随机激励，可激起系统的固有振动，从而激发起半速涡动。如果系统处于稳定状态(系统有足够的阻尼)，涡动会很快在系统阻尼的作用下衰减、消失；如果由于温度、转速、油压、轴承对中等条件发生变化而使系统超过稳定性临界值时(这时系统阻尼已无法抑制涡动)，涡动则以共振的形式保持下去而不再消失。