在實施xTCM系統中，電廠應用人員普遍反映對機組振動方面的知識了解的不多。因此為了更好地理解xTCM系統的分析和計算的結果，使其在機組狀態監測與管理中發揮應有的作用，本文以問答的形式，介紹部分機組振動監測分析與診斷相關的知識。我們將在后續的簡報中陸續刊出類似的文章。同時，也歡迎大家與我們，就感興趣的問題展開討論。
　　
　　■為什么振動監測對汽輪機的安全運行很重要？
　　
　　汽輪機主要通過旋轉運動來實現能量轉換而完成預定的功能的，因此轉子是汽輪機的核心部件。汽輪機的絕大多數機械故障都與轉子及其組件直接相關。
　　
　　振動是轉子系統的一種屬性，汽輪機工作過程中發生異常時，一般都會出現振動的加大和變化。與溫度、壓力等過程參數相比，振動不僅對汽輪機的狀態變化要敏感的多，而且振動信號可以提供豐富的機組狀態信息。因此，人們可以根據振動測量、分析和識別的結果，在不停機、不解體的情況下，對汽輪機的故障原因、部位以及劣化程度進行監測診斷，以避免汽輪機出現失效及影響安全經濟運行。
　　
　　■汽輪機有哪些振動形式？
　　
　　從測量的振動部件來分，主要有轉子的振動、軸承座（瓦）的振動、缸體的振動三種，其中前兩種是目前廣泛監測的振動形式。
　　
　　從測量的振動方向來分，主要有轉子的徑向振動、軸向振動和扭轉振動，軸承座的徑向振動、軸向振動等。
　　
　　從振動的激振力來分，主要有自由振動、強迫振動和自激振動等。
　　
　　■如何測量和獲取振動信號？
　　
　　對轉子的振動，一般通過非接觸的渦流傳感器測量振動的位移量。此時測量的振動位移是轉子軸表面相對于渦流傳感器探頭間的位置變化，因此又稱作相對振動測量。
　　
　　對于軸承座或缸體的振動，可以通過接觸式的慣性速度傳感器測量振動的變化速度，或者通過接觸式的壓電加速度傳感器測量振動變化的加速度。測量的振動變化速度和加速度都是相對于大地這一固定的參照系度量的，因此又稱作振動測量。一般來說，人們習慣于將測量的振動速度值和加速度值通過積分變換成位移量。
　　
　　另外，也有一種復合振動測量的方式，是針對轉子振動測量而言的。它是指將同一位置的轉子相對振動測量和軸承座的振動測量（積分為位移形式）復合，形成對轉子振動的測量值。注：這種測量方式獲取的振動信息容易引起誤判斷，詳見下面的分析。
　　
　　■測量轉子的相對振動有什么優勢？
　　
　　首先，轉子上的振動變化比軸承座及機殼要敏感的多。這是因為有某軸承具有較大的軸承間隙，因此軸頸的相對振動與軸承座的振動有顯著的差別，尤其是當支撐系統的剛度相對較硬時，軸頸的振動常常可以比軸承座的振動大幾倍到十幾倍。
　　
　　其次，軸承座的振動容易受到周圍其它振動源的干擾，當這種干擾較大，或出現共振時，利用復合探頭測量的轉子振動，并不能真實地反映轉子的振動狀態。
　　
　　再者，復合的轉子振動的大小還取決于轉子振動與軸承座振動的相對相位。當轉子振動與軸承座振動同相時，復合生成的振動值偏大；否則，反相時，復合生成的振動值偏小。
　　
　　zui后，轉子的相對振動一般利用渦流傳感器測量，測量的信號有兩部分組成：交流量反映轉子的振動情況，直流量反映轉子中心線與探頭間的平均距離。利用該直流信號，結合轉子和軸承內圈的間隙數據，可以確定轉子中心在軸承中位置，它可以反映轉子振動的穩定性，用于判斷不同的故障狀態。
　　
　　■什么是同步整周期采樣？
　　
　　同步整周期采樣是指對旋轉機械每周期均勻地采樣固定的點數，并連續采集若干個周期。其主要特點可概括為三個"同步"，即：
　　
　　1）采集頻率隨工作轉速的變化而變化（頻率同步）；
　　
　　2）多個通道的采樣點在時間上為同一時刻的（時間同步）；
　　
　　3）多個通道的采樣起始點是由同一個鍵相信號觸發（相位同步）。
　　
　　與傳統的固定采樣頻率的數據采集相比，同步整周期采集的優勢在于：
　　
　　1）克服致命的"泄漏效應"：采用轉子同步采樣技術，可避免信號FFT轉換時的泄漏，大大提高了系統的分析精度，zui重要的是可準確提取信號中的相位信息。
　　
　　2）保證歷史數據的可比性：為了保證每次信號采集的起始點采用的基準相同，系統采用鍵相信號的下降/上升沿觸發采集，從而使所有歷史振動數據的相位具有縱向可比性。
　　
　　■什么是鍵相信號？
　　
　　鍵相測量就是通過在被測軸上設置一個凹槽或凸鍵，稱鍵相標記。當這個凹槽或凸鍵轉到探頭位置時，相當于探頭與被測面間距宊變，傳感器會產生一個脈沖信號，軸每轉一圈，就會產生一個脈沖信號，產生的時刻表明了軸在每轉周期中的位置
　　
　　鍵相信號對旋轉機械的振動測量具有重要的意義，它除了可用于測量轉速外，還可作為相位參考脈沖，也是旋轉機械種常用的同步整周期采樣方法的基礎。　　
　　■振動相位是如何定義的？
　　
　　旋轉機械中的振動相位的通常是指基頻信號相對于轉軸上某一確定標記（鍵相位）的相位差。一般定義為振動高點滯后鍵相脈沖（如下降沿）的角度。如右圖所示，角度r即為振動信號的相位。　　
　　■實際轉子的振動形式如何？
　　
　　實際轉子的工作速度往往超過其本身的臨界速度，轉子在回轉的過程中將產生明顯的變形--動撓度，這時我們稱其為撓性轉子。撓性轉軸的旋轉實際上是兩種運動的合成。一種是轉軸繞其軸線的定軸轉動，轉動角速度就是旋轉速度w；另一種則是轉子中心的軸線繞其靜平衡位置的空間回轉，回轉角速度Ω仍然是w。后種回轉運動就是渦動，或稱進動。撓性轉子的運動如下圖所示。

　　
　　分析轉子的渦動可以將其分解為兩種渦動分量的合成：正進動（渦動方向與轉子轉動方向相同）和反進動（渦動方向與轉子轉動方向相反）。如下圖所示。當正進動分量大于反進動分量時，轉子的渦動為正向渦動；反之，則為反向渦動。
　　

　　正常轉軸的渦動角速度Ω和旋轉角速度w相等，因此稱它為同步渦動。凡是同步渦動，如轉軸上某一方向受拉或受壓，則在旋轉狀態下將始終受拉或受壓。同步渦動一般表現為正向渦動。
　　
　　但是當轉子發生自激振動時，由于渦動轉速與轉子轉速不符，將發生異步渦動。對于異步渦動，轉子既可能為正向渦動，也可能為反向渦動。而不論是那種方向的渦動，轉軸上某一方向將交替受拉或受壓，即轉子在轉動狀態下轉子上高點位置周期性順轉向或逆轉向移動。顯然，當渦動速度低于轉子轉速時，轉子上高點位置將逆轉向移動，反之則順轉向移動，移動速度為w-Ω或Ω-w。
　　
　　■如何從振動信號中獲取所需要的信息？
　　
　　振動與其他過程狀態量不同在于，其通過一系列連續變化的時間序列來反映系統的工作狀態。對同步整周期采樣來說，一次采集的振動信號中包含若干個完整的振動波形。由于不是單個數值，我們需要借助其他手段將系統的狀態信息提取出來。
　　
　　一般來說，從表征振動信號特征的信息形式有數值特征和圖形特征。
　　
　　數值特征是指用單個的數值量反映振動的狀態，如振動的峰峰值、各倍頻的幅值和相位、軸中心線的位置等。
　　
　　圖形特征是指通過圖形表現形式反映振動的狀態，常用的振動分析圖形有波形圖、頻譜圖、軸心軌跡圖、極坐標圖、波德圖和瀑布圖等。
　　
　　兩種振動信號表現形式各有優缺點：
　　
　　數值特征的優點是便于報警設置和自動監測，缺點是表現能力有限、不直觀；
　　
　　圖形特征的優點是直觀，表現力豐富，缺點是需要人的理解，不便于自動監測。
　　
　　■什么是振動的靜態信息、動態信息和暫態信息？
　　
　　振動的靜態信息是指由單個數值表示的振動特征，如幅值、相位、頻率等。
　　
　　振動的動態信息是指由一系列連續變化的數值組成的時間序列，也就是振動的時域波形。
　　
　　振動的暫態信息是指機組在變工況運行時，振動隨工況的變化情況。如啟停機過程中，振動隨轉速的變化情況。
　　
　　■什么是波形圖？
　　
　　波形圖反映振動量隨時間的變化情況，橫軸為時間，縱軸為振動的幅值。結合鍵相信號（注：xTCM的波形圖中黃色的點代表了鍵相位置），從波形圖上大致可以看以下信息：
　　
　　兩個相點間出現的波數對應了振動的周期成分；
　　
　　相點的漂移可能會是轉子的平衡狀態、頻率組成發生變化等。
　　
　　■什么是頻譜圖？
　　
　　頻譜圖反映振動信號的頻率組成情況，橫軸為頻率，縱軸可以是幅值或相位，分別稱為幅值譜或相位譜。頻譜圖是利用FFT（FastFourierTransformation）對振動信號的時域波形變換得到的。一般來說，不同的故障有其不同的特征頻率，因此利用頻譜圖可便于確定故障的類型。
　　
　　■什么是軸心軌跡圖？
　　
　　軸心軌跡圖是利用同一截面相互垂直的兩個渦流傳感器測量的振動波形復合生成的，一般在X-Y或復數平面繪出。結合鍵相信號，從軸心軌跡圖我們可以分析振動的頻率、軌跡的進動方向、zui大的振幅和方向、支撐剛度的對稱情況、轉子所受的外力情況等。下圖給出了三種典型的轉子軸心軌跡圖。


　　
　　■什么是波德圖？
　　
　　波德圖是描述振動某一頻率分量的幅值和相位隨過程的變化而變化的兩組曲線。常用波德圖的過程變化參數為轉速，此時波德圖反映的是機組的幅頻響應和相頻響應特性，通過轉子趨近和通過臨界轉速時的幅值響應和相位響應，可以辨識系統的臨界轉速及系統的阻尼情況。例如，轉子系統在通過臨界轉速區時，振動的幅值會大幅升高、相位會發生180度反轉，如下圖所示。


　　
　　■什么是極坐標圖？
　　
　　極坐標圖是將振動信號的單個頻率分量的幅值和相位在同一幅圖上用極坐標的形勢繪出，其實質上就是振動向量的矢端圖，也可看成是波德圖在極坐標上的綜合曲線。因此，極坐標圖和波德圖一般是一起使用的。利用極坐標圖，可以確定振動的慢速矢量、臨界轉速、同步放大因子、不平衡量的方位等。
　　
　　■什么是瀑布圖？
　　
　　瀑布圖是將不同轉速下振動的頻譜圖以三維譜陣的形式繪制在同一張圖上形成的。瀑布圖主要用于機組的啟動和停機過程，可以對振動全頻帶的響應動態過程進行描述。從瀑布圖上可以直接觀察出許多常見故障的特征，如油膜渦動、油膜振蕩、不平衡等。右邊的瀑布圖反映了一個典型的油膜振蕩故障的發展過程。即，故障初期為油膜渦動，振動頻率大致為轉頻的一半；在轉速升至*臨界轉速兩倍以后，振動頻率大致等于*臨界轉速，且不變。

　　
　　■什么是全息譜圖？
　　
　　全息譜圖是將多個頻率分量的軸心軌跡在同一張圖上繪制生成的。它可以同時反映兩個通道振動的頻率、幅值和相位信息，因此對區分不同的故障狀態十分有利。通過將多個截面的同頻的軸心軌跡繪制在一張圖上，還可以生成三維全息譜圖，它可以觀察整個軸系的振動變形情況。例如，油膜振蕩和管道激勵產生的振動的特征都是有明顯的1/2X振動分量，單從一個方向振動信號的頻譜圖不容易將這兩種故障區分開。但兩者全息譜圖上的特征卻不相同：管道激勵引起的1/2X振動軌跡的形狀是細高的，而油膜振蕩引起的1/2X振動軌跡的形狀是接近圓形的。如下圖所示。

　　
　　■如何識別和診斷機組常見的振動故障？
　　
　　對機組的振動故障進行識別和診斷，應在獲取了機組的穩態數據、瞬態數據以及過程參數、運行狀態、歷史工況等信息的基礎上，通過提取機組*的故障征兆和敏感參數，經過綜合分析后判斷后才能作出符合實際的診斷結論。附表中給出了機組常見故障的特征和識別方法。
　　
　　■什么是專家系統？
　　
　　專家系統是為了解決某一專門領域的問題，如振動故障診斷，而研制的計算機軟件系統，它以知識為基礎，是人工智能技術在工程中的應用。專家系統模擬人類專家解決問題的方式，按一定的規則，從已知的事實中推理產生出結論。專家系統一般還包括對推理過程的解釋和對新知識的學習功能。專家系統的工作原理如下圖所示。

　　
　　■專家系統能完成什么工作？
　　
　　設計良好的專家系統可以做以下的工作：對大量的、復雜的信號和征兆進行自動處理；將典型故障的判斷方法程序化；輔助一般人員對故障進行判斷和處理；對一般人員進行培訓；對人類專家的知識進行收集、整理和保存。注：這很重要，專家系統理論上的服務"壽命"可以是無限長的！
　　
　　■專家系統可以代替人類專家嗎？
　　
　　不可以。
　　
　　專家系統是人類研制的計算機軟件系統，在人腦不能解釋自身工作機制的情況下，也不可能讓電腦*模仿自身的功能，因此專家系統對人類專家的模擬只能是局部的和近似的。就目前來說，專家系統還面臨著許多發展中的問題，如知識表達問題，知識獲取的瓶頸、推理效率問題等。
　　
　　附表：機組常見故障的特征（省略）