一种基于轴心轨迹的旋转机械二倍频故障检测方法及系统.pdf

摘要
申请专利号：	CN201410629011.6	申请日：	2014.11.10
公开号：	CN104374557A	公开日：	2015.02.25
当前法律状态：	授权	有效性：	有权
法律详情：	授权\|\|\|实质审查的生效IPC(主分类):G01M 13/00申请日:20141110\|\|\|公开
IPC分类号：	G01M13/00; G01M7/02	主分类号：	G01M13/00
申请人：	西安陕鼓动力股份有限公司
发明人：	鹿守杭; 金颖; 郎博; 袁博
地址：	710075陕西省西安市高新区沣惠南路8号
优先权：
专利代理机构：	西安恒泰知识产权代理事务所61216	代理人：	李郑建; 王芳
PDF下载：	PDF下载

内容摘要

本发明公开了一种基于轴心轨迹的旋转机械二倍频故障检测方法及系统，方法包括如下步骤：步骤1，使用两个相互垂直的探头检测旋转机械振动数据，如果任一探头检测的振动数据中二倍频成分≥10um，执行步骤2；步骤2，将两个探头检测得到的振动数据中的二倍频数据合成二倍频轴心轨迹，该轨迹呈椭圆形；计算二倍频轴心轨迹的离心率；根据离心率得到引起振动的原因。本方法直观、快速、准确地区分对中不良和测振带晃度过大问题，从而快速精确地判别具体的二倍频故障原因，并对这两种故障对振动所造成影响进行了量化分析，因此，本发明有效缩短了机组故障排查时间，避免工程人员盲目进行机组检修维修，提高了故障识别精度和故障处理效率。

权利要求书

权利要求书
1.  一种基于轴心轨迹的旋转机械二倍频故障检测方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，使用两个相互垂直的探头检测旋转机械振动数据，如果任一探头检测的振动数据中二倍频成分≥10um，执行步骤2；
步骤2，将两个探头检测得到的振动数据中的二倍频数据合成二倍频轴心轨迹，该轨迹呈椭圆形；计算二倍频轴心轨迹的离心率；根据离心率得到引起振动的原因。

2.  如权利要求1所述的基于轴心轨迹的旋转机械二倍频故障检测方法，其特征在于，所述步骤2中离心率得到引起振动的原因的具体步骤如下：
如果二倍频轴心轨迹的离心率≤0.5，认为主要由对中不良引起振动，执行步骤3；如果0.8≤离心率＜1，认为主要由测振带晃度过大引起振动，执行步骤4；如果0.5＜离心率＜0.8，认为振动由对中不良以及测振带晃度共同引起，分别执行步骤3和步骤4；
步骤3，计算测振带的晃度并计算晃度超标值；如果测振带晃度满足ψ≤5um，则认为测振带晃度正常；否则测振带晃度超标，超标量为测试带晃度与5um的差值；
步骤4，计算二倍频轴心轨迹的短轴b，如果二倍频轴心轨迹的短轴长度b≥10um，认为对中不良，如果b＜10um，认为对中程度对振动的影响在允许范围内。

3.  如权利要求1所述的基于轴心轨迹的旋转机械二倍频故障检测方法，其特征在于，所述步骤3中计算测振带的晃度的步骤如下：
在盘车状态下，利用下式计算测振带晃度：
ψ≈22a=0.707×x2+y2]]>
其中，x、y为盘车状态下X、Y两探头所在测点测到的振动数据。

4.  一种基于轴心轨迹的旋转机械二倍频故障检测系统，其特征在于，包括如下两个相连接的模块：
振动检测模块，该模块是用于实现如下功能的模块：使用两个相互垂直的探头检测旋转机械振动数据，如果任一探头检测的振动数据中二倍频成分≥10um，进入；
振动原因检测模块，该模块是用于实现如下功能的模块：将所述两个探头检测得到的振动数据中的二倍频数据合成二倍频轴心轨迹，该轨迹呈椭圆形；计算二倍频轴心轨迹的离心率，根据离心率得到引起振动的原因。

5.  如权利要求4所述的基于轴心轨迹的旋转机械二倍频故障检测系统，其特征在于，所述振动原因检测模块中，所述根据离心率得到引起振动的原因的实现包括如下模块：
离心率判断模块，是用于实现如下功能的模块：如果二倍频轴心轨迹的离心率≤0.5，认为主要由对中不良引起振动，连接至测振带晃度检测模块；如果0.8≤离心率＜1，认为主要由测振带晃度过大引起振动，连接至对中检测模块；如果0.5＜离心率＜0.8，认为振动由对中不良以及测振带晃度共同引起，分别连接测振带晃度检测模块和对中检测模块；
所述测振带晃度检测模块，是用于实现如下功能的模块：计算测振带的晃度并计算晃度超标值；如果测振带晃度满足ψ≤5um，则认为测振带晃度正常；否则测振带晃度超标，超标量为测试带晃度与5um的差值；
所述对中检测模块，是用于实现如下功能的模块：计算二倍频轴心轨迹的短轴b，如果二倍频轴心轨迹的短轴长度b≥10um，认为对中不良，如果b＜10um，认为对中程度对振动的影响在允许范围内。

6.  如权利要求4所述的基于轴心轨迹的旋转机械二倍频故障检测系统，其特征在于，所述测振带晃度检测模块中，计算测振带的晃度如下：
在盘车状态下，利用下式计算测振带晃度：
ψ≈22a=0.707×x2+y2]]>
其中，x、y为盘车状态下X、Y两探头所在测点测到的振动数据。

说明书

说明书一种基于轴心轨迹的旋转机械二倍频故障检测方法及系统
技术领域
本发明属于设备状态监测技术领域，具体涉及一种基于轴心轨迹的旋转机械二倍频故障检测方法及系统。
背景技术
在旋转机械运行中，各种故障的原因很复杂，这些故障中有相当一部分是由于二倍频振动较大引起，在二倍频故障中，对中不良占有较大比例，此外测振带晃度过大有时也表现为二倍频。两种故障处理方式相差甚远，如判断错误，不仅会浪费人力物力，更延长设备检修时间，严重影响设备投产。如何对这些二倍频故障进行准确判别，进而采取正确的应对措施，始终是旋转机械故障诊断的重要研究课题之一。
根据多年大型旋转机械状态监测的经验与实践，单纯从振动信号的波形频谱进行分析判别，往往只能确定故障的大概范围，存在较大的不准确性，易于把气流激振、旋转脱离、喘振、油膜涡动等低频类故障，不平衡、转子热弯、测振带偏心等工频故障，以及不对中、椭圆形测振带等二倍频故障混淆。
轴心轨迹是风机振动故障分析的最常用工具之一，不过目前主要根据通频轴心轨迹的形状进行风机的主要故障判别，比如动平衡问题、不对中问题、油膜涡动与油膜振荡问题、气流激振问题，旋转失速与喘振问题、机组碰磨问题等。有时根据工频轴心轨迹的形状判别不平衡问题、支撑系统刚性问题等。但到目前为止，还没有专门根据二倍频轴心轨迹进行振动分析的方法，对于一些二倍频引起的故障原因无法进行深入的分析与判别。
发明内容
针对上述现有技术中存在的缺陷或不足，本发明的目的在于，提供一种基于轴心轨迹的旋转机械二倍频故障检测方法。
为了实现上述任务，本发明采用如下技术方案予以解决：
一种基于轴心轨迹的旋转机械二倍频故障检测方法，包括如下步骤：
步骤1，使用两个相互垂直的探头检测旋转机械振动数据，如果任一探头检测的振动数据中二倍频成分≥10um，执行步骤2；
步骤2，将两个探头检测得到的振动数据中的二倍频数据合成二倍频轴心轨迹，该轨迹呈椭圆形；计算二倍频轴心轨迹的离心率；根据离心率得到引起振动的原因。
进一步的，所述步骤2中离心率得到引起振动的原因的具体步骤如下：
如果二倍频轴心轨迹的离心率≤0.5，认为主要由对中不良引起振动，执行步骤3；如果0.8≤离心率＜1，认为主要由测振带晃度过大引起振动，执行步骤4；如果0.5＜离心率＜0.8，认为振动由对中不良以及测振带晃度共同引起，分别执行步骤3和步骤4；
步骤3，计算测振带的晃度并计算晃度超标值；如果测振带晃度满足ψ≤5um，则认为测振带晃度正常；否则测振带晃度超标，超标量为测试带晃度与5um的差值；
步骤4，计算二倍频轴心轨迹的短轴b，如果二倍频轴心轨迹的短轴长度b≥10um，认为对中不良，如果b＜10um，认为对中程度对振动的影响在允许范围内。
进一步的，所述步骤3中计算测振带的晃度的步骤如下：
在盘车状态下，利用下式计算测振带晃度：
ψ≈22a=0.707×x2-y2]]>
其中，x、y为盘车状态下X、Y两探头所在测点测到的振动数据。
本发明的另一个目的在于，提供一种基于轴心轨迹的旋转机械二倍频故障检测系统。该系统包括如下两个相连接的模块：
振动检测模块，该模块是用于实现如下功能的模块：使用两个相互垂直的探头检测旋转机械振动数据，如果任一探头检测的振动数据中二倍频成分≥10um，连接至振动原因检测模块；
振动原因检测模块，该模块是用于实现如下功能的模块：将所述两个探头检测得到的振动数据中的二倍频数据合成二倍频轴心轨迹，该轨迹呈椭圆形；计算二倍频轴心轨迹的离心率，根据离心率得到引起振动的原因。
进一步的，所述振动原因检测模块中，所述根据离心率得到引起振动的原因的实现包括如下模块：
离心率判断模块，是用于实现如下功能的模块：如果二倍频轴心轨迹的离心率≤0.5，认为主要由对中不良引起振动，连接至测振带晃度检测模块；如果0.8≤离心率＜1，认为主要由测振带晃度过大引起振动，连接至对中检测模块；如果0.5＜离心率＜0.8，认为振动由对中不良以及测振带晃度共同引起，分别连接测振带晃度检测模块和对中检测模块；
所述测振带晃度检测模块，是用于实现如下功能的模块：计算测振带的晃度并计算晃度超标值；如果测振带晃度满足ψ≤5um，则认为测振带晃度正常；否则测振带晃度超标，超标量为测试带晃度与5um的差值；
所述对中检测模块，是用于实现如下功能的模块：计算二倍频轴心轨迹的短轴b，如果二倍频轴心轨迹的短轴长度b≥10um，认为对中不良，如果b＜10um，认为对中程度对振动的影响在允许范围内。
进一步的，所述测振带晃度检测模块中，计算测振带的晃度如下：
在盘车状态下，利用下式计算测振带晃度：
ψ≈22a=0.707×x2-y2]]>
其中，x、y为盘车状态下X、Y两探头所在测点测到的振动数据。
本发明根据对中不良和测振带晃度过大时的二倍频轴心轨迹特点，将其与真实的二倍频轴心轨迹进行相似度比较，能够准确检测出不对中和测振带晃度过大问题，以及两者对故障分别的影响程度。本方法可以直观、快速、准确地区分对中不良和测振带晃度过大问题，从而快速精确地判别具体的二倍频故障原因，并对这两种故障对振动所造成影响进行了量化分析，因此，本发明有效缩短了机组故障排查时间，避免工程人员盲目进行机组检修维修，提高了故障识别精度和故障处理效率。
附图说明
图1是X、Y两个测振探头的垂直布置示意图。
图2是完全对中不良引起振动时的二倍频轴心轨迹。
图3是完全测振带晃度较大引起振动时的二倍频轴心轨迹。
图4是现场真实的二倍频轴心轨迹示意图。
图5是风机在额定转速下运行时的振动波形频谱图(光标处为一倍频)。其中，图(a)和图(b)分别是风机自由端X和Y方向测点的波形频谱图，图(c)和图(d)分别是风机联轴端X和Y方向测点的波形频谱图。
图6是本发明的实施例中，试车过程中的二倍频轴心轨迹。其中，图(a)为自由端二倍频轴心轨迹，图(b)为联轴端二倍频轴心轨迹。
图7是风机低转速下的波形频谱图。其中，图(a)和图(b)分别是风机自由端X和Y方向测点的波形频谱图，图(c)和图(d)分别是风机联轴端X和Y方向测点的波形频谱图。
图8是低转速下的二倍频轴心轨迹图。其中，图(a)为自由端二倍频轴心轨迹，图(b)为联轴端二倍频轴心轨迹。
以下结合附图和具体实施方式对本发明进一步解释说明。
具体实施方式
本发明的研究思路是，首先对振动引起的两个主要原因进行单独分析，在每种原因单独发生的情况下采集振动数据并由此得到二倍频轴心轨迹，从而得到每种原因单独发生的情况下的二倍频轴心轨迹的形状参数特点。本发明的方法即是基于二倍频轴心轨迹的形状参数特点，首先快速得到引起二倍频振动的主要原因，再进一步得到另一个二倍频振动原因的发生程度。最终得到旋转机械的准确故障原因，能够为随后的消除故障提供快速而准确的指导。
一、两种原因单独发生时二倍频轴心轨迹的特征研究
1、对中不良
根据对中不良时的二倍频波形值特点，发明人得到完全是对中不良状态下的二倍频轴心轨迹图。如果振动完全由不对中引起，转子的旋转角速度为ω，二倍频振动高点的移动速度为2ω，X、Y探头测得该振动高点的时差为T/8，则X、Y两探头所在测点测得的波形值振动方程为：

公式(1)、(2)中：A——二倍频振动单峰值(振幅)，
T——转子旋转周期，T＝2π/ω，
——振动初相角。
则(X(t))2+(Y(t))2＝A2，轨迹为正圆(见图2)。
2、测振带晃度过大
根据测振带晃度过大时的二倍频波形值特点，发明人推导出这种状态下的二倍频轴心轨迹图。如果振动完全是由于测振带晃度过大引起，转子的旋转角速度为ω，二倍频振动高点的移动速度也为ω(此时振动高点的移动速度就是转子转速，之所以会出现二倍频是因为一个周期内有两个高点)，X、Y探头测得该振动高点的时差为T/4，则X、Y两探头所在测点测得的波形值振动方程为

(3)

(4)
公式(3)和(4)中：A——二倍频振动单峰值(振幅)，
T——转子旋转周期，T＝2π/ω，
——振动初相角。
则X(t)+Y(t)＝0，轨迹为一直线(见图3)。
通过上面的分析得出结论：如果二倍频轴心轨迹是正圆，则振动完全是由于不对中引起，如果二倍频轴心轨迹为一直线，则振动完全是由于测振带晃度过大引起。实际应用中，通常是两个因素都有，得到的二倍频轴心轨迹必然是一个椭圆(见图4)，通过该椭圆的形状能够判别出引起二倍频振动的主要原因。
经大量现场试验，使用二倍频轴心轨迹的形状参数的大小来反映二倍频故障，得到以下结论：(1)如果二倍频轴心轨迹的离心率≤0.5，接近正圆，认为主要是由对中不良引起振动；(2)如果0.8≤离心率＜1，接近直线，认为主要是由测振带晃度过大引起振动；(3)如果0.5＜离心率＜0.8，表明对中不良和测振带晃度超标这两者对振动的影响都比较大。
上述三种情况发生时，需要进一步进行处理：
A、在情况(1)发生时，还需要进一步计算测振带晃度的大小并判断晃度是否在正常范围内。
在盘车状态下(转速＜200转/分)，椭圆轴心轨迹的短轴长度b很小，测振带晃度值可用式(5)表示：
ψ≈22a---(5)]]>
考虑到工程实际中，晃度除了测转带椭圆形的影响外(振动表现为二倍频)，有时还受测振带偏心的影响(振动表现为一倍频)，因此晃度可用式(6)计算：
ψ≈22a=0.707×x2-y2---(6)]]>
式(6)中，x、y为盘车状态下X、Y两探头所在测点测到的振动值。
根据API617标准，测振带的晃度一般不允许超过5um，即
ψ≤5um (7)
通过上面分析即可判别测振带晃度是否超标，以及超标多少。
B、在情况(2)发生时，还需要进一步得到对中程度并判断对中程度是否在正常范围内。
由于二倍频轴心轨迹是一个椭圆，可看成是一个正圆(对中不良引起)和一条直线(测振带晃度引起)合成而来，此时的椭圆形状接近直线，二倍频振动原因主要是测振带晃度过大，这样状态下，椭圆的短轴长度b就是对中不良引起的圆形轴心轨迹的直径。工程应用中，如果二倍频振动≥10um就认为偏大，因此如果椭圆短轴b≥10um，就表明对中不良，如果b≤10um，则表明对中程度对振动的影响在允许范围内。
C、在情况(3)的综合性情况发生时，对两种故障都要进行处理，因此还需要进一步计算测振带晃度的大小以及对中程度。
此时的测振带晃度的大小的计算以及是否合适的判断原则与上述情况(1)发生时的处理相同；对中程度的计算以及是否合适的判断原则与上述情况(3)发生时的处理相同。
实施例：
本发明的方法通过在工业现场的应用，取得了非常明显的效果。在此，以发明人在某国内大型旋转机械制造厂商八万空分机组试车过程中的应用为案例，展示了该专利的应用过程，本实施例中的空压机组型号为EIZ160-4。需要说明的是，给出本实施例的目的是为了更详细地解释本发明的具体实施情况，本发明所要求保护的范围不仅限于该实施例。
上述EIZ机组于2014年1月4日开始厂内试车，多次试车振动都偏高，频率成分除了工频外，二倍频比较明显(见图5)。对于该二倍频的形成原因，现场始终认为是对中不良造成。调取二倍频轴心轨迹(图6)，通过应用本方法得到结论：自由端二倍频主要是由于测振带机械电气不圆度引起；联轴端二倍频的原因是综合性的，对中不良和测振带晃度都有。
判别步骤如下：
①对测振探头采集到的数据进行频谱分析，得到自由端两个通道的二倍频振动值分别是23um和21um，联轴端两个通道的二倍频振动值分别是13um和16um，均≥10um。说明二倍频偏大，执行步骤②。
②调取风机两端的二倍频轴心轨迹图(图6)，可以看出，自由端二倍频轴心接近一条直线，可以判断振动主要是由于测振带晃度过大引起(这是必然的，因为自由端不存在对中问题)。联轴端二倍频轴心轨迹介于圆和直线之间，说明对中不良和测振带晃度问题都存在。测振带晃度大小的计算执行步骤③，对中问题的计算执行步骤④。
③通过调取低转速下(通常在200rpm以内)的波形频谱和轴心轨迹(图7和图8)，计算转子两端的晃度值：
自由端：
ψ1≈a×2/2=x12+y12×2/2=2/2×27.32+23.22=25.3um---(15)]]>
联轴端：
ψ2≈a×2/2=x22+y22×2/2=2/2×29.42+28.62=29um---(16)]]>
经计算，得出自由端测振带晃度约25um，联轴端测振带晃度29um(千分表实测自由端21um，联轴端38um，千分表只能测到机械不圆度，无法测到电气不圆度，因此实测的晃度值与计算的晃度值有差异属于正常)，远大于5um的允许值。
④联轴端的对中问题对振动的影响进行量化，工作转速下联轴端的二倍频轴心轨迹椭圆(图6)的短轴长度大约7um，没有超过10um，因此可判断对中影响在可接受范围内。
通过应用本发明的方法的判别得出结论：该EIZ160风机引起二倍频振动的主要原因是测振带晃度问题，对中不良的影响在可接受范围内。因此，仅需要根据晃度值，对测振带晃度过大问题进行处理即可。

资源描述

《一种基于轴心轨迹的旋转机械二倍频故障检测方法及系统.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《一种基于轴心轨迹的旋转机械二倍频故障检测方法及系统.pdf（15页珍藏版）》请在专利查询网上搜索。

1、(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201410629011.6 (22)申请日 2014.11.10 G01M 13/00(2006.01) G01M 7/02(2006.01) (71)申请人西安陕鼓动力股份有限公司地址 710075 陕西省西安市高新区沣惠南路 8 号 (72)发明人鹿守杭金颖郎博袁博 (74)专利代理机构西安恒泰知识产权代理事务所 61216 代理人李郑建王芳 (54) 发明名称一种基于轴心轨迹的旋转机械二倍频故障检测方法及系统 (57) 摘要本发明公开了一种基于轴心轨迹的旋转机械二倍频故障检测方法及系统，方法包括如下步。

2、骤：步骤 1，使用两个相互垂直的探头检测旋转机械振动数据，如果任一探头检测的振动数据中二倍频成分10um，执行步骤2 ；步骤2，将两个探头检测得到的振动数据中的二倍频数据合成二倍频轴心轨迹，该轨迹呈椭圆形；计算二倍频轴心轨迹的离心率；根据离心率得到引起振动的原因。本方法直观、快速、准确地区分对中不良和测振带晃度过大问题，从而快速精确地判别具体的二倍频故障原因，并对这两种故障对振动所造成影响进行了量化分析，因此，本发明有效缩短了机组故障排查时间，避免工程人员盲目进行机组检修维修，提高了故障识别精度和故障处理效率。 (51)Int.Cl.。

3、 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请权利要求书2页说明书6页附图6页 (10)申请公布号 CN 104374557 A (43)申请公布日 2015.02.25 CN 104374557 A 1/2 页 2 1. 一种基于轴心轨迹的旋转机械二倍频故障检测方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤 1，使用两个相互垂直的探头检测旋转机械振动数据，如果任一探头检测的振动数据中二倍频成分 10um，执行步骤 2 ；步骤 2，将两个探头检测得到的振动数据中的二倍频数据合成二倍频轴心轨迹，该轨迹呈椭圆形；计算二倍频轴心轨迹的离心率；根据离心率得到引。

4、起振动的原因。 2. 如权利要求 1 所述的基于轴心轨迹的旋转机械二倍频故障检测方法，其特征在于，所述步骤 2 中离心率得到引起振动的原因的具体步骤如下：如果二倍频轴心轨迹的离心率 0.5，认为主要由对中不良引起振动，执行步骤 3 ；如果0.8离心率1，认为主要由测振带晃度过大引起振动，执行步骤4 ；如果0.5离心率 0.8，认为振动由对中不良以及测振带晃度共同引起，分别执行步骤 3 和步骤 4 ；步骤 3，计算测振带的晃度并计算晃度超标值；如果测振带晃度满足 5um，则认为测振带晃度正常；否则测振带晃度超标，超标量为测试带晃度与 5um 的差值；。

5、步骤4，计算二倍频轴心轨迹的短轴b，如果二倍频轴心轨迹的短轴长度b10um，认为对中不良，如果 b 10um，认为对中程度对振动的影响在允许范围内。 3. 如权利要求 1 所述的基于轴心轨迹的旋转机械二倍频故障检测方法，其特征在于，所述步骤 3 中计算测振带的晃度的步骤如下：在盘车状态下，利用下式计算测振带晃度：其中， x、 y 为盘车状态下 X、 Y 两探头所在测点测到的振动数据。 4. 一种基于轴心轨迹的旋转机械二倍频故障检测系统，其特征在于，包括如下两个相连接的模块：振动检测模块，该模块是用于实现如下功能的模块：使用两个相互垂直的探头检测旋转。

6、机械振动数据，如果任一探头检测的振动数据中二倍频成分 10um，进入；振动原因检测模块，该模块是用于实现如下功能的模块：将所述两个探头检测得到的振动数据中的二倍频数据合成二倍频轴心轨迹，该轨迹呈椭圆形；计算二倍频轴心轨迹的离心率，根据离心率得到引起振动的原因。 5. 如权利要求 4 所述的基于轴心轨迹的旋转机械二倍频故障检测系统，其特征在于，所述振动原因检测模块中，所述根据离心率得到引起振动的原因的实现包括如下模块：离心率判断模块，是用于实现如下功能的模块：如果二倍频轴心轨迹的离心率 0.5，认为主要由对中不良引起振动，连接至测振带晃度检测模块；。

7、如果 0.8 离心率 1，认为主要由测振带晃度过大引起振动，连接至对中检测模块；如果 0.5 离心率 0.8，认为振动由对中不良以及测振带晃度共同引起，分别连接测振带晃度检测模块和对中检测模块；所述测振带晃度检测模块，是用于实现如下功能的模块：计算测振带的晃度并计算晃度超标值；如果测振带晃度满足 5um，则认为测振带晃度正常；否则测振带晃度超标，超标量为测试带晃度与 5um 的差值；所述对中检测模块，是用于实现如下功能的模块：计算二倍频轴心轨迹的短轴 b，如果二倍频轴心轨迹的短轴长度 b 10um，认为对中不良，如果 b 10um，。

8、认为对中程度对振动权利要求书 CN 104374557 A 2 2/2 页 3 的影响在允许范围内。 6. 如权利要求 4 所述的基于轴心轨迹的旋转机械二倍频故障检测系统，其特征在于，所述测振带晃度检测模块中，计算测振带的晃度如下：在盘车状态下，利用下式计算测振带晃度：其中， x、 y 为盘车状态下 X、 Y 两探头所在测点测到的振动数据。权利要求书 CN 104374557 A 3 1/6 页 4 一种基于轴心轨迹的旋转机械二倍频故障检测方法及系统技术领域 0001 本发明属于设备状态监测技术领域，具体涉及一种基于轴心轨迹的旋转机械二倍频故障检测方法。

9、及系统。背景技术 0002 在旋转机械运行中，各种故障的原因很复杂，这些故障中有相当一部分是由于二倍频振动较大引起，在二倍频故障中，对中不良占有较大比例，此外测振带晃度过大有时也表现为二倍频。两种故障处理方式相差甚远，如判断错误，不仅会浪费人力物力，更延长设备检修时间，严重影响设备投产。如何对这些二倍频故障进行准确判别，进而采取正确的应对措施，始终是旋转机械故障诊断的重要研究课题之一。 0003 根据多年大型旋转机械状态监测的经验与实践，单纯从振动信号的波形频谱进行分析判别，往往只能确定故障的大概范围，存在较大的不准确性，易于把气流激振、旋转脱离。

10、、喘振、油膜涡动等低频类故障，不平衡、转子热弯、测振带偏心等工频故障，以及不对中、椭圆形测振带等二倍频故障混淆。 0004 轴心轨迹是风机振动故障分析的最常用工具之一，不过目前主要根据通频轴心轨迹的形状进行风机的主要故障判别，比如动平衡问题、不对中问题、油膜涡动与油膜振荡问题、气流激振问题，旋转失速与喘振问题、机组碰磨问题等。有时根据工频轴心轨迹的形状判别不平衡问题、支撑系统刚性问题等。但到目前为止，还没有专门根据二倍频轴心轨迹进行振动分析的方法，对于一些二倍频引起的故障原因无法进行深入的分析与判别。发明内容 0005 针对上述现有技术中存在的缺陷。

11、或不足，本发明的目的在于，提供一种基于轴心轨迹的旋转机械二倍频故障检测方法。 0006 为了实现上述任务，本发明采用如下技术方案予以解决： 0007 一种基于轴心轨迹的旋转机械二倍频故障检测方法，包括如下步骤： 0008 步骤 1，使用两个相互垂直的探头检测旋转机械振动数据，如果任一探头检测的振动数据中二倍频成分 10um，执行步骤 2 ； 0009 步骤 2，将两个探头检测得到的振动数据中的二倍频数据合成二倍频轴心轨迹，该轨迹呈椭圆形；计算二倍频轴心轨迹的离心率；根据离心率得到引起振动的原因。 0010 进一步的，所述步骤 2 中离心率得到引起振动的原因。

12、的具体步骤如下： 0011 如果二倍频轴心轨迹的离心率 0.5，认为主要由对中不良引起振动，执行步骤 3 ；如果0.8离心率1，认为主要由测振带晃度过大引起振动，执行步骤4 ；如果0.5离心率 0.8，认为振动由对中不良以及测振带晃度共同引起，分别执行步骤 3 和步骤 4 ； 0012 步骤 3，计算测振带的晃度并计算晃度超标值；如果测振带晃度满足 5um，则认为测振带晃度正常；否则测振带晃度超标，超标量为测试带晃度与 5um 的差值； 0013 步骤4，计算二倍频轴心轨迹的短轴b，如果二倍频轴心轨迹的短轴长度b10um，说明书 CN 10437。

13、4557 A 4 2/6 页 5 认为对中不良，如果 b 10um，认为对中程度对振动的影响在允许范围内。 0014 进一步的，所述步骤 3 中计算测振带的晃度的步骤如下： 0015 在盘车状态下，利用下式计算测振带晃度： 0016 0017 其中， x、 y 为盘车状态下 X、 Y 两探头所在测点测到的振动数据。 0018 本发明的另一个目的在于，提供一种基于轴心轨迹的旋转机械二倍频故障检测系统。该系统包括如下两个相连接的模块： 0019 振动检测模块，该模块是用于实现如下功能的模块：使用两个相互垂直的探头检测旋转机械振动数据，如果任一探头检测的振动数据中二倍频成。

14、分 10um，连接至振动原因检测模块； 0020 振动原因检测模块，该模块是用于实现如下功能的模块：将所述两个探头检测得到的振动数据中的二倍频数据合成二倍频轴心轨迹，该轨迹呈椭圆形；计算二倍频轴心轨迹的离心率，根据离心率得到引起振动的原因。 0021 进一步的，所述振动原因检测模块中，所述根据离心率得到引起振动的原因的实现包括如下模块： 0022 离心率判断模块，是用于实现如下功能的模块：如果二倍频轴心轨迹的离心率 0.5，认为主要由对中不良引起振动，连接至测振带晃度检测模块；如果 0.8 离心率 1，认为主要由测振带晃度过大引起振动，连接至对。

15、中检测模块；如果 0.5 离心率 0.8，认为振动由对中不良以及测振带晃度共同引起，分别连接测振带晃度检测模块和对中检测模块； 0023 所述测振带晃度检测模块，是用于实现如下功能的模块：计算测振带的晃度并计算晃度超标值；如果测振带晃度满足5um，则认为测振带晃度正常；否则测振带晃度超标，超标量为测试带晃度与 5um 的差值； 0024 所述对中检测模块，是用于实现如下功能的模块：计算二倍频轴心轨迹的短轴 b，如果二倍频轴心轨迹的短轴长度 b 10um，认为对中不良，如果 b 10um，认为对中程度对振动的影响在允许范围内。 0025 进一步。

16、的，所述测振带晃度检测模块中，计算测振带的晃度如下： 0026 在盘车状态下，利用下式计算测振带晃度： 0027 0028 其中， x、 y 为盘车状态下 X、 Y 两探头所在测点测到的振动数据。 0029 本发明根据对中不良和测振带晃度过大时的二倍频轴心轨迹特点，将其与真实的二倍频轴心轨迹进行相似度比较，能够准确检测出不对中和测振带晃度过大问题，以及两者对故障分别的影响程度。本方法可以直观、快速、准确地区分对中不良和测振带晃度过大问题，从而快速精确地判别具体的二倍频故障原因，并对这两种故障对振动所造成影响进行了量化分析，因此，本发明有效缩短了机组故障排查。

17、时间，避免工程人员盲目进行机组检修维修，提高了故障识别精度和故障处理效率。说明书 CN 104374557 A 5 3/6 页 6 附图说明 0030 图 1 是 X、 Y 两个测振探头的垂直布置示意图。 0031 图 2 是完全对中不良引起振动时的二倍频轴心轨迹。 0032 图 3 是完全测振带晃度较大引起振动时的二倍频轴心轨迹。 0033 图 4 是现场真实的二倍频轴心轨迹示意图。 0034 图 5 是风机在额定转速下运行时的振动波形频谱图 ( 光标处为一倍频 )。其中，图 (a) 和图 (b) 分别是风机自由端 X 和 Y 方向测点的波形频谱图，图 (c) 和图 (d) 。

18、分别是风机联轴端 X 和 Y 方向测点的波形频谱图。 0035 图 6 是本发明的实施例中，试车过程中的二倍频轴心轨迹。其中，图 (a) 为自由端二倍频轴心轨迹，图 (b) 为联轴端二倍频轴心轨迹。 0036 图 7 是风机低转速下的波形频谱图。其中，图 (a) 和图 (b) 分别是风机自由端 X 和 Y 方向测点的波形频谱图，图 (c) 和图 (d) 分别是风机联轴端 X 和 Y 方向测点的波形频谱图。 0037 图 8 是低转速下的二倍频轴心轨迹图。其中，图 (a) 为自由端二倍频轴心轨迹，图 (b) 为联轴端二倍频轴心轨迹。 0038 以下结合附图和具体实施方式对本发。

19、明进一步解释说明。具体实施方式 0039 本发明的研究思路是，首先对振动引起的两个主要原因进行单独分析，在每种原因单独发生的情况下采集振动数据并由此得到二倍频轴心轨迹，从而得到每种原因单独发生的情况下的二倍频轴心轨迹的形状参数特点。本发明的方法即是基于二倍频轴心轨迹的形状参数特点，首先快速得到引起二倍频振动的主要原因，再进一步得到另一个二倍频振动原因的发生程度。最终得到旋转机械的准确故障原因，能够为随后的消除故障提供快速而准确的指导。 0040 一、两种原因单独发生时二倍频轴心轨迹的特征研究 0041 1、对中不良 0042 根据对中不良时的二倍频波形值特点，发。

20、明人得到完全是对中不良状态下的二倍频轴心轨迹图。如果振动完全由不对中引起，转子的旋转角速度为，二倍频振动高点的移动速度为 2， X、 Y 探头测得该振动高点的时差为 T/8，则 X、 Y 两探头所在测点测得的波形值振动方程为： 0043 0044 0045 公式 (1)、 (2) 中： A二倍频振动单峰值 ( 振幅 )， 0046 T转子旋转周期， T 2/， 0047 振动初相角。说明书 CN 104374557 A 6 4/6 页 7 0048 则 (X(t)2+(Y(t)2 A2，轨迹为正圆 ( 见图 2)。 0049 2、测振带晃度过大 0050 根据测振带。

21、晃度过大时的二倍频波形值特点，发明人推导出这种状态下的二倍频轴心轨迹图。如果振动完全是由于测振带晃度过大引起，转子的旋转角速度为，二倍频振动高点的移动速度也为 ( 此时振动高点的移动速度就是转子转速，之所以会出现二倍频是因为一个周期内有两个高点 )， X、 Y 探头测得该振动高点的时差为 T/4，则 X、 Y 两探头所在测点测得的波形值振动方程为 0051 0052 (3) 0053 0054 (4) 0055 公式 (3) 和 (4) 中： A二倍频振动单峰值 ( 振幅 )， 0056 T转子旋转周期， T 2/， 0057 振动初相角。 0058 则 X(t)+Y(t。

22、) 0，轨迹为一直线 ( 见图 3)。 0059 通过上面的分析得出结论：如果二倍频轴心轨迹是正圆，则振动完全是由于不对中引起，如果二倍频轴心轨迹为一直线，则振动完全是由于测振带晃度过大引起。实际应用中，通常是两个因素都有，得到的二倍频轴心轨迹必然是一个椭圆 ( 见图 4)，通过该椭圆的形状能够判别出引起二倍频振动的主要原因。 0060 经大量现场试验，使用二倍频轴心轨迹的形状参数的大小来反映二倍频故障，得到以下结论： (1) 如果二倍频轴心轨迹的离心率 0.5，接近正圆，认为主要是由对中不良引起振动； (2) 如果 0.8 离心率 1，接近直线，。

23、认为主要是由测振带晃度过大引起振动； (3)如果0.5离心率0.8，表明对中不良和测振带晃度超标这两者对振动的影响都比较大。 0061 上述三种情况发生时，需要进一步进行处理： 0062 A、在情况 (1) 发生时，还需要进一步计算测振带晃度的大小并判断晃度是否在正常范围内。 0063 在盘车状态下 ( 转速 200 转 / 分 )，椭圆轴心轨迹的短轴长度 b 很小，测振带晃度值可用式 (5) 表示： 0064 0065 考虑到工程实际中，晃度除了测转带椭圆形的影响外 ( 振动表现为二倍频 )，有时还受测振带偏心的影响 ( 振动表现为一倍频 )，因此晃度可用式。

24、(6) 计算： 0066 说明书 CN 104374557 A 7 5/6 页 8 0067 式 (6) 中， x、 y 为盘车状态下 X、 Y 两探头所在测点测到的振动值。 0068 根据 API617 标准，测振带的晃度一般不允许超过 5um，即 0069 5um (7) 0070 通过上面分析即可判别测振带晃度是否超标，以及超标多少。 0071 B、在情况 (2) 发生时，还需要进一步得到对中程度并判断对中程度是否在正常范围内。 0072 由于二倍频轴心轨迹是一个椭圆，可看成是一个正圆 ( 对中不良引起 ) 和一条直线(测振带晃度引起)合成而来，此时的椭圆形状接近。

25、直线，二倍频振动原因主要是测振带晃度过大，这样状态下，椭圆的短轴长度 b 就是对中不良引起的圆形轴心轨迹的直径。工程应用中，如果二倍频振动 10um 就认为偏大，因此如果椭圆短轴 b 10um，就表明对中不良，如果 b 10um，则表明对中程度对振动的影响在允许范围内。 0073 C、在情况 (3) 的综合性情况发生时，对两种故障都要进行处理，因此还需要进一步计算测振带晃度的大小以及对中程度。 0074 此时的测振带晃度的大小的计算以及是否合适的判断原则与上述情况 (1) 发生时的处理相同；对中程度的计算以及是否合适的判断原则与上述情况 (3) 发生时的处理。

26、相同。 0075 实施例： 0076 本发明的方法通过在工业现场的应用，取得了非常明显的效果。在此，以发明人在某国内大型旋转机械制造厂商八万空分机组试车过程中的应用为案例，展示了该专利的应用过程，本实施例中的空压机组型号为EIZ160-4。需要说明的是，给出本实施例的目的是为了更详细地解释本发明的具体实施情况，本发明所要求保护的范围不仅限于该实施例。 0077 上述 EIZ 机组于 2014 年 1 月 4 日开始厂内试车，多次试车振动都偏高，频率成分除了工频外，二倍频比较明显(见图5)。对于该二倍频的形成原因，现场始终认为是对中不良造成。调取二倍频轴心。

27、轨迹 ( 图 6)，通过应用本方法得到结论：自由端二倍频主要是由于测振带机械电气不圆度引起；联轴端二倍频的原因是综合性的，对中不良和测振带晃度都有。 0078 判别步骤如下： 0079 对测振探头采集到的数据进行频谱分析，得到自由端两个通道的二倍频振动值分别是 23um 和 21um，联轴端两个通道的二倍频振动值分别是 13um 和 16um，均 10um。说明二倍频偏大，执行步骤。 0080 调取风机两端的二倍频轴心轨迹图 ( 图 6)，可以看出，自由端二倍频轴心接近一条直线，可以判断振动主要是由于测振带晃度过大引起 ( 这是必然的，因为自由端不存在。

28、对中问题)。联轴端二倍频轴心轨迹介于圆和直线之间，说明对中不良和测振带晃度问题都存在。测振带晃度大小的计算执行步骤，对中问题的计算执行步骤。 0081 通过调取低转速下 ( 通常在 200rpm 以内 ) 的波形频谱和轴心轨迹 ( 图 7 和图 8)，计算转子两端的晃度值： 0082 自由端： 0083 说明书 CN 104374557 A 8 6/6 页 9 0084 联轴端： 0085 0086 经计算，得出自由端测振带晃度约 25um，联轴端测振带晃度 29um( 千分表实测自由端 21um，联轴端 38um，千分表只能测到机械不圆度，无法测到电气不圆度，。

29、因此实测的晃度值与计算的晃度值有差异属于正常 )，远大于 5um 的允许值。 0087 联轴端的对中问题对振动的影响进行量化，工作转速下联轴端的二倍频轴心轨迹椭圆 ( 图 6) 的短轴长度大约 7um，没有超过 10um，因此可判断对中影响在可接受范围内。 0088 通过应用本发明的方法的判别得出结论：该 EIZ160 风机引起二倍频振动的主要原因是测振带晃度问题，对中不良的影响在可接受范围内。因此，仅需要根据晃度值，对测振带晃度过大问题进行处理即可。说明书 CN 104374557 A 9 1/6 页 10 图 1 图 2 图 3 图 4 说明书附图 CN 104374557 A 10 2/6 页 11 说明书附图 CN 104374557 A 11 3/6 页 12 图 5 说明书附图 CN 104374557 A 12 4/6 页 13 图 6 说明书附图 CN 104374557 A 13 5/6 页 14 图 7 说明书附图 CN 104374557 A 14 6/6 页 15 图 8 说明书附图 CN 104374557 A 15 。

展开阅读全文