軸心軌跡與油膜厚度測量系統(tǒng)設計

陳關君, 劉 慧, 于云選， 王 冰

(中國電子科技集團公司 第四十九研究所，黑龍江 哈爾濱 150001)

0 引 言

大型旋轉機械是指由渦輪機(如汽輪機、水輪機、燃氣輪機、煙氣輪機等)和驅動的工作機(如離心式壓縮機、軸流式壓縮機、發(fā)電機等)所組成的透平式流體動力機械，習慣上簡稱大型機組。大型機組是化工、石化、電力、鋼鐵等行業(yè)的關鍵設備。

故障診斷的根本目的就是要保證大型機組的安全、穩(wěn)定、長周期、滿負荷優(yōu)良運行，通過對大型旋轉機械特定指標參數(shù)的監(jiān)測保證對機組運行中的各種異常狀態(tài)做出及時、正確、有效的判斷，預防和消除故障；確定合理的故障檢修時機和項目；通過狀態(tài)監(jiān)測，提高設備性能并為進行的技術改造和優(yōu)化運行參數(shù)提供數(shù)據(jù)與信息[1，2]。

本文設計了一種通過對被測試驗臺上不同工況下軸心軌跡和油膜厚度的變化狀態(tài)實時監(jiān)測的方法，實現(xiàn)以軸向位移分析法完成對大型旋轉機械潛在故障的診斷。另外，采用目前廣泛應用于測量與控制領域的LabVIEW圖形編程技術，作為系統(tǒng)軟件開發(fā)平臺，其中集成了大量的信號測量和數(shù)據(jù)處理模塊，便于相關程序模塊的編寫，大大縮短軟件的開發(fā)周期[3]。

1 系統(tǒng)組成與測試原理

1.1 系統(tǒng)組成

如圖1所示，軸心軌跡和油膜厚度測量系統(tǒng)主要由電渦流位移傳感器、加速度傳感器、溫度傳感器、供電電源、數(shù)據(jù)采集設備、終端控制器、系統(tǒng)測試軟件組成。

1.2 數(shù)學模型建立

根據(jù)軸與軸瓦之間的運動關系，設計用4只傳感器通過特殊的安裝支架固定在同一橫截面上相互垂直的4個位置上，其具體位置如圖2所示。4只用于測量切向位移變化的傳感器Sy1，Sy2和用于測量徑向位移變化的傳感器Sx1，Sx2，電渦流位移傳感器測量軸心軌跡和油膜厚度的計算方法如下述：

圖2 軸心軌跡測量原理

1)軸心軌跡計算方法

在軸轉動時，其相對于軸瓦發(fā)生的相對位移變化分別為dy1，dy2，dx1，dx2，設軸瓦和軸的圓心分別為O0(x0,y0)，O1(x1,y1)，已知軸瓦和軸的半徑分別為R0，R1，由于軸瓦相對靜止可以把其所在坐標系作為參考坐標系,則由圖3 可知，當傳動軸相對于軸瓦發(fā)生變化時，可通過橫截面?zhèn)鞲衅鱏y1，Sy2測得垂直方向上的傳動軸的長度dsy為

dsy=R0-(dy1+dy2).

O1相對于O0之間的角度θ的余弦值

O1的y坐標相對于O0的y坐標的變化值Δy為

Δy=R1cosθy.

同理可知,dsx，cosθx，Δx值分別為

dsx=R0-(dx1+dx2),

Δx=R1×cosθx.

可得軸的圓心O1(x1,y1)的位置變?yōu)镺1(x1+Δx,y1+Δy)，則當軸轉動過程中進行連續(xù)測量時通過記錄每次的圓心O1(x1+Δx,y1+Δy)的數(shù)值，即可得到整個運動狀態(tài)下O1所隨傳動軸轉動而形成的變化曲線和軸心軌跡。

圖3 油膜厚度測量原理

2)油膜厚度計算方法

油膜厚度是用來檢測軸心軌跡的重要指標，本文所測的油膜厚度為最小油膜厚度，由軸心軌跡的測量結果可知，如圖3所示的傳動軸圓心O1(x1,y1)，相對于軸瓦圓心O0(x0,y0)發(fā)生的位移變化為ΔR，則最小油膜厚度為

Dmin=R0-(R1+ΔR).

2 硬件設計

2.1 電渦流位移傳感器選擇

由于被測軸與軸瓦間的距離變化范圍為0～5 mm，且被測工況中最大轉速可達3 000 r/min，所以，對電渦流傳感器的參數(shù)指標有較高的要求。本文選擇美國BENTLY公司3 300系列電渦流傳感器，其在0～2.5 mm測量范圍內具有極高的測量精度，但其測量誤差會隨著測量距離的增加而增加，需要通過數(shù)學方法對其測量誤差進行補償。

2.2 傳感器支架設計

檢測微小位移的電渦流傳感器必須安裝在振動符合要求的剛性支架上，保持與軸瓦同步運動，這樣才能準確地測量軸與軸瓦之間的間隙變化。傳感器安裝支架如圖4所示。由電渦流傳感器在高速旋轉過程中測量軸與軸瓦之間的相對位移，并通過數(shù)據(jù)采集設備進行采集。

圖4 傳感器支架

2.3 數(shù)據(jù)采集設備

采用PXI總線結構的現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集設備，PXI平臺繼承了PCI的電氣信號，使其具有如PCI總線的高數(shù)據(jù)傳輸能力，另外，PXI采用CompactPCI的機械外型結構，具有高密度、堅固外殼及高性能連接器等特性。一個標準的PXI系統(tǒng)由3個基本部分組成：機箱、控制器和功能模塊。結合本文的實際需求，其數(shù)據(jù)采集設備選擇了NI公司的PXI—6221,PXI—6143 多功能卡、PXI—1031 機箱和 PXI—8105 控制器，附加SCB—68接線端子模塊和SHC68—68—EPM并口電纜，用于完成對系統(tǒng)中各種傳感器輸出信號的數(shù)據(jù)采集工作。

3 軟件設計

3.1 軟件結構設計

在軟件結構上，采用了事件驅動、逐層調用的模式完成軟件的系統(tǒng)設計，由于測試軟件的結構特點將影響軟件最終的運行效率、測試狀態(tài)的可靠性，以及計算機相關資源的利用率，所以,在進行軸心軌跡測試軟件設計時優(yōu)先要完成軟件結構的設計[4～7]。通過對軸心軌跡測試系統(tǒng)的分析，并結合LabVIEW語言編程模式的特點，采取事件觸發(fā)和逐層調用的方式完成測試軟件的設計工作。如圖5所示顯示測試軟件的整體結構圖。

圖5 程序結構圖

3.2 軟件流程設計

軟件系統(tǒng)工作流程(見圖6)：當系統(tǒng)進行傳動軸軸心和油膜厚度的測試時，首先進行系統(tǒng)初始化完成對測試系統(tǒng)相關硬件設備的啟動，導通數(shù)據(jù)采集鏈路；根據(jù)反饋結果判斷系統(tǒng)工作狀態(tài)，若工作狀態(tài)正常,則開始接收由電渦流位移傳感器等傳感器得到的測量信息；為保證測量精度，對測量結果進行線性補償；通過數(shù)學算法完成對測量數(shù)據(jù)的分析；根據(jù)小波去噪的方法進一步進行數(shù)據(jù)處理。

圖6 軟件流程圖

4 傳感器補償方法與試驗

曲線擬合是在測量領域采用較廣的數(shù)據(jù)補償方法，依據(jù)本文設計傳感器測量范圍為0～5 mm，且所取進行補償?shù)臏y量點數(shù)較少的特點，采用以廣義多項式擬合的方式完成補償曲線公式的推導。該方法采用已知測量范圍以兩端數(shù)據(jù)為起始端點數(shù)據(jù)，所得平滑曲線遍歷經(jīng)過所有已知測量點。輸出電壓值與距離之間呈線性關系，得出傳感器Sy1，Sy2，Sx1，Sx2的補償公式，如下:

Sx1補償公式

y=0.139 3-0.108 8x+0.001 2x2；

Sx2補償公式

y=0.113 3-0.135 0x-0.000 7x2；

Sy1補償公式

y=0.138 1-0.115 4x+0.001 0x2；

Sy2補償公式

y=0.115 2-0.137 3x-0.000 8x2.

通過該公式對傳感器Sy1，Sy2，Sx1，Sx2測得的相對位移變化量dy1，dy2，dx1，dx2進行補償，其補償結果如表1、表2 所示。

表1 Sx1，Sx2測量徑向位移補償結果

表2 Sy1，Sy2，測量切向位移補償結果

通過表1、表2中的數(shù)據(jù)補償后，用于測量軸心軌跡和油膜厚度的位移參數(shù)dy'1，dy'2，dx'1，dx'2的誤差范圍控制在0.05 %(0～1.25 μm)以內，滿足測試系統(tǒng)對測量精度的要求。

5 結 論

本文通過對軸心軌跡和油膜厚度隨工作狀態(tài)變化的狀態(tài)分析，建立了軸心軌跡和油膜厚度的數(shù)學模型，為軸心軌跡和油膜厚度的測量提供了理論基礎，并采用廣義多項式

算法對用于測量傳動軸與軸瓦間徑向距離的電渦流位移傳感器進行了數(shù)據(jù)補償，使傳感器所在距離測量范圍內的線性度達到了0.05 %。另外，通過對傳感器安裝支架的設計，減小了測量傳感器對傳動軸運動狀態(tài)的影響，使測量結果更接近于實際工況下的狀態(tài)，并通過在上位機測量軟件中的數(shù)據(jù)處理模塊完成了濾波去噪,完整地還原了軸心軌跡和油膜厚度的變化狀態(tài)。

參考文獻:

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