CN110231161A - 基于三维坐标系的单跨度转子故障位置诊断方法及*** - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于三维坐标系的单跨度转子故障位置诊断方法及***，涉及汽轮机发电机组故障诊断领域，该方法包括以下步骤：建立三维坐标系，以转子其中一个端面的圆心为原点，X轴、Z轴沿转子的径向，Y轴沿转子的轴向；建立转子的YZ平面轴向的力学模型；计算转子的故障在三维坐标系中的坐标位置。本发明的优点在于：能够精确识别出转子的故障点在三维空间下的具***置，为后续故障诊断处理提供有利佐证。

Description

基于三维坐标系的单跨度转子故障位置诊断方法及***

技术领域

本发明涉及汽轮机发电机组故障诊断领域，尤其涉及一种基于三维坐标系的单跨度转子故障位置诊断方法及***。

背景技术

在实际现场汽轮机发电机组出现的故障中，判断转子故障位置是诊断过程重要的一个环节。例如转子的碰摩故障通常发生在隔板汽封、叶片围带汽封以及轴端汽封部位，径向碰摩还可能发生在各轴承的油挡、挡汽片部位，发电机的径向碰摩可能发生在密封瓦处、轴瓦乌金面处等。在现场故障处理中，故障部位的诊断对解决故障问题起到决定性作用，只有诊断出故障的具体部位才可以对故障进行进一步的处理工作。

现阶段对转子故障位置进行判断时，以转子不平衡故障为例，根据电涡流传感器的相位角度可以计算出转子某平面故障位置，而对转子在三维空间下的故障位置难以识别，无法对故障做出精确的诊断。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种能够识别出转子的故障点在三维空间下的具***置的转子故障位置诊断方法及***。

本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的：基于三维坐标系的单跨度转子故障位置诊断方法，包括以下步骤：

步骤A，建立三维坐标系，以转子其中一个端面的圆心为原点，X轴、Z轴沿转子的径向，Y轴沿转子的轴向；

步骤B，建立转子的YZ平面轴向的力学模型，两个振动测点A、B分别设在转子两端的轴承处，两个加重质量盘M₁、M₂分别设在转子的两端，设原始不平衡在两个振动测点A、B的振动幅值响应分别为

故障发生后加入一个故障产生的物理量m，m与两个加重质量盘M₁、M₂的距离分别为L₁、L₂，两个加重质量盘M₁、M₂之间的距离为L，L＝L₁+L₂，由于离心力的作用产生一个不平衡力F，故障发生后不平衡力F在两个振动测点A、B的振动幅值响应分别为

步骤C，计算转子的故障在三维坐标系中的坐标位置，计算式如下：

式中，为由分解得到的对称分量，为由分解得到的反对称分量，为由分解得到的对称分量，为由 分解得到的反对称分量，α_d为对称加重影响系数，α_f为反对称加重影响系数，L为两个加重质量盘M₁、M₂之间的距离，ω为径向转子不平衡量在XZ平面投影的夹角。

作为优化的技术方案，步骤C中，计算转子的故障在三维坐标系中的坐标位置(x，y，z)，具体包括以下步骤：

步骤c1，根据力平移原理，先将不平衡力F平移到转子的YZ平面轴向中间位置O，等效于在O处施加一个力F和力偶M，再将力F与力偶M向两个加重质量盘M₁、M₂处分解，将两个加重质量盘M₁、M₂处看作一对对称分量力以及一对反对称分量力偶M_A、M_B，M_A＝FL₁、M＝M_B-M_A；

步骤c2，根据谐分量法原理，将分解为对称分量和反对称分量

同理，将分解为对称分量和反对称分量

步骤c3，一对对称分量力等价于在转子动平衡试验中两个加重质量盘M₁、M₂处对称加重，一对反对称分量力偶M_A、M_B等价于在转子动平衡试验中两个加重质量盘M₁、M₂处反对称加重，根据故障前后数据得出对称加重质量m_d和反对称加重质量m_f：

步骤c4，根据力的平移与合成，在加重质量盘M₂处有m_d+m_f＝0，得：

步骤c5，根据谐分量法，计算出对称不平衡量与反对称不平衡量将与进行矢量合成得出径向转子不平衡量的大小与方向：

步骤c6，为矢量值，将在XZ平面分解为ω为在XZ平面投影的夹角，得：

基于三维坐标系的单跨度转子故障位置诊断***，包括三维坐标系模块、力学模型模块、计算模块；

三维坐标系模块，建立三维坐标系，以转子其中一个端面的圆心为原点，X轴、Z轴沿转子的径向，Y轴沿转子的轴向；

力学模型模块，建立转子的YZ平面轴向的力学模型，两个振动测点A、B分别设在转子两端的轴承处，两个加重质量盘M₁、M₂分别设在转子的两端，设原始不平衡在两个振动测点A、B的振动幅值响应分别为

故障发生后加入一个故障产生的物理量m，m与两个加重质量盘M₁、M₂的距离分别为L₁、L₂，两个加重质量盘M₁、M₂之间的距离为L，L＝L₁+L₂，由于离心力的作用产生一个不平衡力F，故障发生后不平衡力F在两个振动测点A、B的振动幅值响应分别为

计算模块，计算转子的故障在三维坐标系中的坐标位置，计算式如下：

式中，为由分解得到的对称分量，为由分解得到的反对称分量，为由分解得到的对称分量，为由 分解得到的反对称分量，α_d为对称加重影响系数，α_f为反对称加重影响系数，L为两个加重质量盘M₁、M₂之间的距离，ω为径向转子不平衡量在XZ平面投影的夹角。

作为优化的技术方案，计算模块中，计算转子的故障在三维坐标系中的坐标位置(x，y，z)，具体包括以下步骤：

步骤c1，根据力平移原理，先将不平衡力F平移到转子的YZ平面轴向中间位置O，等效于在O处施加一个力F和力偶M，再将力F与力偶M向两个加重质量盘M₁、M₂处分解，将两个加重质量盘M₁、M₂处看作一对对称分量力以及一对反对称分量力偶M_A、M_B，M_A＝FL₁、M＝M_B-M_A；

步骤c2，根据谐分量法原理，将分解为对称分量和反对称分量

同理，将分解为对称分量和反对称分量

步骤c3，一对对称分量力等价于在转子动平衡试验中两个加重质量盘M₁、M₂处对称加重，一对反对称分量力偶M_A、M_B等价于在转子动平衡试验中两个加重质量盘M₁、M₂处反对称加重，根据故障前后数据得出对称加重质量m_d和反对称加重质量m_f：

步骤c4，根据力的平移与合成，在加重质量盘M₂处有m_d+m_f＝0，得：

步骤c5，根据谐分量法，计算出对称不平衡量与反对称不平衡量将与进行矢量合成得出径向转子不平衡量的大小与方向：

步骤c6，为矢量值，将在XZ平面分解为ω为在XZ平面投影的夹角，得：

本发明的优点在于：

1、本发明创新性地提出一种基于三维坐标系的单跨度转子故障位置诊断方法及***，可以精确识别出转子的故障点在三维空间下的具***置，为后续故障诊断处理提供有利佐证，本发明可以应用于现阶段大多数的故障，如不平衡故障、热弯曲故障、碰摩故障。

2、采用本发明基于三维坐标系的单跨度转子故障位置诊断方法及***，在机组停机检修期间，可以减免不必要的检修工作，通过判断故障点在三维空间下的具***置，可以有目的地对该部位进行揭缸或揭瓦检修，显著提高了检修进程与经济效益。

3、采用本发明基于三维坐标系的单跨度转子故障位置诊断方法及***，在机组运行过程中，可以根据故障点在三维空间下的具***置，针对该位置的运行参数进行调整，减小故障带来的危害，及时处理可消除的在线故障，减少了不必要的机组启停，带来很高的经济效益，大大降低了机械设备不必要的损伤。

4、采用本发明基于三维坐标系的单跨度转子故障位置诊断方法及***，针对故障诊断技术人员，在结合机组运行状态以及采集的故障数据的同时，根据计算推导出故障发生在转子的某一范围，可以为现场的故障诊断工作提供有利的佐证依据。

附图说明

图1是本发明实施例基于三维坐标系的单跨度转子故障位置诊断方法的原理的简化力学模型图。

图2是本发明实施例基于三维坐标系的单跨度转子故障位置诊断方法的三维坐标系的模型图。

图3是本发明实施例基于三维坐标系的单跨度转子故障位置诊断方法的转子的YZ平面轴向的力学模型图。

具体实施方式

如图1所示，转子表面故障反映在转子受力表达上，根据转子在任意位置的受力情况，建立基于三维坐标系的单跨度转子故障位置诊断方法的原理的简化力学模型。

设为转子上两个不平衡力，平面Ⅰ、平面Ⅱ为两个任选的平衡面，根据力和力矩相等的原则，可以将分解到两个平面上去，即：

将平面Ⅰ、平面Ⅱ内的力合成得到等效不平衡力

可以分解为大小相等、方向相同的对称力和大小相等、方向相反的反对称力其中：

现设原始不平衡在平面Ⅰ、平面Ⅱ的振动幅值响应分别为将分解为对称分量和反对称分量

在平面Ⅰ、平面Ⅱ上同时试加重同理，将分解为对称分量和反对称分量

加重后在平面Ⅰ、平面Ⅱ的振动幅值响应为同理，将分解为对称分量和反对称分量

谐分量法认为，加重前后振动变化量中的对称分量是由于对称加重引起的，反对称分量是由于反对称加重引起的，即振动到的响应是引起的，据此，根据谐分量计算方法，可以分别计算对称加重影响系数和反对称加重影响系数

应加平衡重量所引起的振动变化应该能够消除原始振动根据对称加重影响系数和反对称加重影响系数计算对称加重和反对称加重

将对称加重和反对称加重在平面Ⅰ、平面Ⅱ上合成，得到平面Ⅰ上的加重量和平面Ⅱ上的加重量

基于三维坐标系的单跨度转子故障位置诊断方法，包括以下步骤：

如图2所示，步骤A，建立三维坐标系，以转子其中一个端面的圆心为原点，X轴、Z轴沿转子的径向，Y轴沿转子的轴向，通过三维坐标系确定故障点的三维坐标。

如图3所示，步骤B，建立转子的YZ平面轴向的力学模型，两个振动测点A、B分别设在转子两端的轴承处，两个加重质量盘M₁、M₂分别设在转子的两端，设原始不平衡在两个振动测点A、B的振动幅值响应分别为

故障发生后加入一个故障产生的物理量m，m与两个加重质量盘M₁、M₂的距离分别为L₁、L₂，两个加重质量盘M₁、M₂之间的距离为L，L＝L₁+L₂，由于离心力的作用产生一个不平衡力F，故障发生后不平衡力F在两个振动测点A、B的振动幅值响应分别为

步骤C，计算转子的故障在三维坐标系中的坐标位置(x，y，z)，具体包括以下步骤：

步骤c1，根据力平移原理，先将不平衡力F平移到转子的YZ平面轴向中间位置O，等效于在O处施加一个力F和力偶M，再将力F与力偶M向两个加重质量盘M₁、M₂处分解，将两个加重质量盘M₁、M₂处看作一对对称分量力以及一对反对称分量力偶M_A、M_B，M_A＝FL₁、M＝M_B-M_A。

步骤c2，根据谐分量法原理，转子的振动幅值响应可分解为对称分量和反对称分量，对称分量由转子的一阶不平衡量引起，反对称分量由转子的二阶不平衡量引起，且两者相互正交互不影响，将分解为对称分量和反对称分量

同理，将分解为对称分量和反对称分量

步骤c3，一对对称分量力等价于在转子动平衡试验中两个加重质量盘M₁、M₂处对称加重，一对反对称分量力偶M_A、M_B等价于在转子动平衡试验中两个加重质量盘M₁、M₂处反对称加重，根据故障前后数据得出对称加重质量m_d和反对称加重质量m_f：

步骤c4，根据力的平移与合成，在加重质量盘M₂处有m_d+m_f＝0，得：

步骤c5，根据谐分量法，计算出对称不平衡量与反对称不平衡量将与进行矢量合成得出径向转子不平衡量的大小与方向：

步骤c6，为矢量值，将在XZ平面分解为ω为在XZ平面投影的夹角，得：

式中，为由分解得到的对称分量，为由分解得到的反对称分量，为由分解得到的对称分量，为由 分解得到的反对称分量，α_d为对称加重影响系数，α_f为反对称加重影响系数，L为两个加重质量盘M₁、M₂之间的距离，ω为径向转子不平衡量在XZ平面投影的夹角。

基于三维坐标系的单跨度转子故障位置诊断***，包括三维坐标系模块、力学模型模块、计算模块；

三维坐标系模块，建立三维坐标系，以转子其中一个端面的圆心为原点，X轴、Z轴沿转子的径向，Y轴沿转子的轴向；

力学模型模块，建立转子的YZ平面轴向故障的力学模型，第一振动测点A、第一振动测点B分别设在转子两端，第一加重质量盘M1、第二加重质量盘M2分别设在转子两端，设原始不平衡在第一振动测点A、第一振动测点B的振动幅值响应分别为故障发生后不平衡力在第一振动测点A、第一振动测点B产生的振动幅值响应分别为

计算模块，通过下式计算转子的在三维坐标下的坐标位置(x，y，z)，

式中，为由分解得到的对称分量，为由分解得到的反对称分量，为由分解得到的对称分量，为由 分解得到的反对称分量，α_d为对称加重影响系数，α_f为反对称加重影响系数，L为两个加重质量盘M₁、M₂之间的距离，ω为径向转子不平衡量在XZ平面投影的夹角。

计算模块中，计算转子的故障在三维坐标系中的坐标位置(x，y，z)，具体包括以下步骤：

步骤c1，根据力平移原理，先将不平衡力F平移到转子的YZ平面轴向中间位置O，等效于在O处施加一个力F和力偶M，再将力F与力偶M向两个加重质量盘M₁、M₂处分解，将两个加重质量盘M₁、M₂处看作一对对称分量力以及一对反对称分量力偶M_A、M_B，

M_A＝FL₁、M＝M_B-M_A；

步骤c2，根据谐分量法原理，将分解为对称分量和反对称分量

同理，将分解为对称分量和反对称分量

步骤c3，一对对称分量力等价于在转子动平衡试验中两个加重质量盘M₁、M₂处对称加重，一对反对称分量力偶M_A、M_B等价于在转子动平衡试验中两个加重质量盘M₁、M₂处反对称加重，根据故障前后数据得出对称加重质量m_d和反对称加重质量m_f：

步骤c4，根据力的平移与合成，在加重质量盘M₂处有m_d+m_f＝0，得：

步骤c5，根据谐分量法，计算出对称不平衡量与反对称不平衡量将与进行矢量合成得出径向转子不平衡量的大小与方向：

步骤c6，为矢量值，将在XZ平面分解为ω为在XZ平面投影的夹角，得：

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于三维坐标系的单跨度转子故障位置诊断方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤A，建立三维坐标系，以转子其中一个端面的圆心为原点，X轴、Z轴沿转子的径向，Y轴沿转子的轴向；

步骤B，建立转子的YZ平面轴向的力学模型，两个振动测点A、B分别设在转子两端的轴承处，两个加重质量盘M₁、M₂分别设在转子的两端，设原始不平衡在两个振动测点A、B的振动幅值响应分别为

故障发生后加入一个故障产生的物理量m，m与两个加重质量盘M₁、M₂的距离分别为L₁、L₂，两个加重质量盘M₁、M₂之间的距离为L，L＝L₁+L₂，由于离心力的作用产生一个不平衡力F，故障发生后不平衡力F在两个振动测点A、B的振动幅值响应分别为

步骤C，计算转子的故障在三维坐标系中的坐标位置，计算式如下：

式中，为由分解得到的对称分量，为由分解得到的反对称分量，为由分解得到的对称分量，为由 分解得到的反对称分量，α_d为对称加重影响系数，α_f为反对称加重影响系数，L为两个加重质量盘M₁、M₂之间的距离，ω为径向转子不平衡量在XZ平面投影的夹角。

2.如权利要求1所述的基于三维坐标系的单跨度转子故障位置诊断方法，其特征在于：步骤C中，计算转子的故障在三维坐标系中的坐标位置(x，y，z)，具体包括以下步骤：

步骤c1，根据力平移原理，先将不平衡力F平移到转子的YZ平面轴向中间位置O，等效于在O处施加一个力F和力偶M，再将力F与力偶M向两个加重质量盘M₁、M₂处分解，将两个加重质量盘M₁、M₂处看作一对对称分量力以及一对反对称分量力偶M_A、M_B，M_A＝FL₁、M＝M_B-M_A；

步骤c2，根据谐分量法原理，将分解为对称分量和反对称分量

同理，将分解为对称分量和反对称分量

步骤c3，一对对称分量力等价于在转子动平衡试验中两个加重质量盘M₁、M₂处对称加重，一对反对称分量力偶M_A、M_B等价于在转子动平衡试验中两个加重质量盘M₁、M₂处反对称加重，根据故障前后数据得出对称加重质量m_d和反对称加重质量m_f：

步骤c4，根据力的平移与合成，在加重质量盘M₂处有m_d+m_f＝0，得：

步骤c5，根据谐分量法，计算出对称不平衡量与反对称不平衡量将与进行矢量合成得出径向转子不平衡量的大小与方向：

步骤c6，为矢量值，将在XZ平面分解为ω为在XZ平面投影的夹角，得：

3.一种基于三维坐标系的单跨度转子故障位置诊断***，其特征在于：包括三维坐标系模块、力学模型模块、计算模块；

三维坐标系模块，建立三维坐标系，以转子其中一个端面的圆心为原点，X轴、Z轴沿转子的径向，Y轴沿转子的轴向；

力学模型模块，建立转子的YZ平面轴向的力学模型，两个振动测点A、B分别设在转子两端的轴承处，两个加重质量盘M₁、M₂分别设在转子的两端，设原始不平衡在两个振动测点A、B的振动幅值响应分别为

故障发生后加入一个故障产生的物理量m，m与两个加重质量盘M₁、M₂的距离分别为L₁、L₂，两个加重质量盘M₁、M₂之间的距离为L，L＝L₁+L₂，由于离心力的作用产生一个不平衡力F，故障发生后不平衡力F在两个振动测点A、B的振动幅值响应分别为

计算模块，计算转子的故障在三维坐标系中的坐标位置，计算式如下：

式中，为由分解得到的对称分量，为由分解得到的反对称分量，为由分解得到的对称分量，为由 分解得到的反对称分量，α_d为对称加重影响系数，α_f为反对称加重影响系数，L为两个加重质量盘M₁、M₂之间的距离，ω为径向转子不平衡量在XZ平面投影的夹角。

4.如权利要求3所述的基于三维坐标系的单跨度转子故障位置诊断***，其特征在于：计算模块中，计算转子的故障在三维坐标系中的坐标位置(x，y，z)，具体包括以下步骤：

步骤c1，根据力平移原理，先将不平衡力F平移到转子的YZ平面轴向中间位置O，等效于在O处施加一个力F和力偶M，再将力F与力偶M向两个加重质量盘M₁、M₂处分解，将两个加重质量盘M₁、M₂处看作一对对称分量力以及一对反对称分量力偶M_A、M_B，M_A＝FL₁、M＝M_B-M_A；

步骤c2，根据谐分量法原理，将分解为对称分量和反对称分量

同理，将分解为对称分量和反对称分量

步骤c3，一对对称分量力等价于在转子动平衡试验中两个加重质量盘M₁、M₂处对称加重，一对反对称分量力偶M_A、M_B等价于在转子动平衡试验中两个加重质量盘M₁、M₂处反对称加重，根据故障前后数据得出对称加重质量m_d和反对称加重质量m_f：

步骤c4，根据力的平移与合成，在加重质量盘M₂处有m_d+m_f＝0，得：

步骤c5，根据谐分量法，计算出对称不平衡量与反对称不平衡量将与进行矢量合成得出径向转子不平衡量的大小与方向：

步骤c6，为矢量值，将在XZ平面分解为ω为在XZ平面投影的夹角，得：