小波在水轮发电机轴心轨迹提纯中的应用

小波在水轮发电机轴心轨迹

提纯中的应用

伍卫平，李东风

(水利部水工金属结构质量检验测试中心，郑州 450044)

摘要：水轮机轴心轨迹包含了大量的信息，对轴心轨迹的分析是水轮机组振动故障诊断的重要方法。由于轴心轨迹中包含了大量的噪声信息，本文将小波分析的理论应用于轴心轨迹的提纯，并在传统小波分析的基础上引入谐波小波；通过计算机模拟实验，达到了比较理想的轨迹提纯效果。

关键词：故障诊断，轴心轨迹提纯，小波分析，谐波小波

Application of Wavelet in Purification of the Hydraulic

Generators’ Orbit of Shaft Center-line

WU Weiping , LI Dongfeng

(National Center of Quality Inspection&Testing for Hydro Steel Structure Ministry of Water

Resources, Zhengzhou 450044, China)

Abstract：The orbits of shaft center-line include plenty of information，It is a important method of vibration trouble diagnosis of hydraulic generator by the way of shaft center-line orbit analysis. Because much noise is included in the orbits of shaft center-line, the paper applies the wavelet theory to the purification of orbit of shaft center-line, on the basis of traditional wavelet theory, harmonic wavelet is introduced, According to computer simulation, the results are satisfying.

Key Word：trouble diagnosis; purification of orbit of shaft center-line; wavelet analysis; harmonic wavelet

0.引言

对水轮发电机组进行状态检修是非常

必要的，轴心轨迹作为转子振动信号的一类重要图形征兆，包含大量的故障信息；通过对轴心轨迹的分析是水轮机组振动故障诊

断的重要方法[1]。

工程实际中得到的轴心轨迹一般都会

受到噪声的影响，不易提取轴心轨迹的特征。为了得到清晰的轴心轨迹，需要对原始轴心轨迹进行提纯处理[2,3]。

传统傅立叶变换存在不能用于非平稳

信号和不能同时进行时—频局部化分析等

缺陷。近年来，小波理论得到了飞速的发展，小波分析[4]克服了传统傅立叶变换的缺陷，它是一种对信号进行时频分析的手段，具有多分辨率的特点，可以很好的用于非平稳信号的分析，可以方便的从混有强噪声的信号中提取原始信号[5,6]，能够提纯轴心轨迹图得到清晰的轴心轨迹；而谐波小波[7]更是具有函数表达式明确、算法实现简单、保持数据点数与采样频率不变等优点。

1. 水轮机组振动的危害、产生原

因及轴心轨迹特点分析

水轮机组的振动会使设备或结构产生过大的动应力，成为疲劳破坏的重要原因。强烈的振动将影响水轮机组的正常运行，并降低机组和一些零部件的使用寿命。

水轮发电机组振动的因素很多，大致可分为机械、水力和电气三类。一般来说，水轮发电机组的振动是机械、水力、电气等因素相互耦合作用的结果，振动的机理很复杂。

水轮发电机组的轴心轨迹是指机组主轴轴心上一点相对于轴承座运动而形成的轨迹。

由于轴心轨迹中蕴含着大量的故障信息，因此采用轴心轨迹形状来判断机组的运行状态或故障是非常有效的。

常见振动故障的机理与信号特征[3]：

作者简介：伍卫平(1984－)，男，硕士，湖北黄冈人，水利部水工金属结构质量检验测试中心，从事水工金属结构方面的检测工作。E_mail:wp.wu@

转子不平衡：轴心轨迹形状为椭圆，如图1(a)所示；这种椭圆有时也可能蜕变为圆或直线。

轴系不对中：轴心轨迹的形状为香蕉形或外“8”字形等，如图1(b)所示。

油膜涡动与油膜振荡：导致轴心轨迹呈现出内“8”字形，如图1(c)所示。

尾水管涡带：导致轴心轨迹呈现出花瓣形，如图1(d)所示。

如果转子出现全周碰摩故障，则轴心轨迹的形状为圆形或椭圆形，并且轴心轨迹比较杂乱；如果转子出现局部碰摩故障，则轴心轨迹的形状为内“8”字形或花瓣形。

(d)

图1 轴心轨迹图

实际得到的轴心轨迹一般都会受到噪声的影响，原始轴心轨迹会变得比较杂乱，为了得到清晰的轴心轨迹，需要对原始轴心轨迹进行提纯处理。

2. 轴心轨迹的仿真模拟

含有噪声的轴心轨迹的仿真方程为：

1()sin()()()

N

i i t s i S n t A n t F n t F n t w j =D =D ++D +D å (1)

式中 i A 是各个频段的振幅，w 是振动的基频，n 是倍频数，i j 是初相位，t F 、s F 是干扰信号。

首先，通常情况下，构造如式(2)所示的方程来仿真各种轴心轨迹的形状。

11221122()sin()sin(2)()sin()sin(2)x t A t A t y t B t B t w a w a w b w b =+++ìí

=+++î (2)

式中 1A ，2A ，1a ，2a 分别为()x t 的一倍频、二倍频分量的幅值与初相位，1B ，

2B ，1b ，2b 分别为()y t 的一倍频、二倍

频分量的幅值与初相位。

通过改变1A ，2A ，1a

，2a ，1

B ，2B ，

1b

，

2b 这8个参数值的大小 ，基本上可以

获得各种常见的轴心轨迹形状，如图2所示。

图2

模拟轴心轨迹图

其次，加入高频噪声，就可以得到仿真所需要的各种含有噪声的轴心轨迹，如图3所示。

图3 含高频噪声的模拟轴心轨迹图

3. 小波变换及去噪原理

3.1小波变换

简单地说，“小波”就是小的波形。所谓“小“，指的是局部非零，波形具有衰减

性；所谓“波”，指的是它具有波动性，包含频率特性。