立式泵站盤車連續(xù)擺度測(cè)量法及分析處理系統(tǒng)開發(fā)

孫 毅，成 立，李加旭，徐文濤，陳北帥

（1.南水北調(diào)江蘇泵站技術(shù)有限公司，江蘇揚(yáng)州225009；2.揚(yáng)州大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇揚(yáng)州225009）

0 引言

水泵機(jī)組軸線的檢查與調(diào)整，一直是水泵組安裝與檢修的重要部分［1］。國(guó)內(nèi)主流的擺度數(shù)據(jù)的測(cè)量方法依然是傳統(tǒng)的八點(diǎn)測(cè)量，由于機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)部件慣性大，難以準(zhǔn)確檢測(cè)固定點(diǎn)處的數(shù)據(jù)。近幾年出現(xiàn)新的電渦流傳感器用于測(cè)量金屬的間隙，對(duì)于人力盤車或液壓盤車，往往存在難以控制角速度的困難，若不能做到精確地以勻角速度盤車，會(huì)導(dǎo)致測(cè)量的擺度數(shù)據(jù)難以和角度對(duì)應(yīng)，從而導(dǎo)致測(cè)量分析的較大誤差。不管是哪個(gè)方案最終都會(huì)存在盤車時(shí)，人為的主觀能動(dòng)性對(duì)盤車影響很大。

近年來國(guó)內(nèi)學(xué)者針對(duì)立式泵站盤車提出一系列提高精度與適用性的方法，張建峰［2］針對(duì)水泵機(jī)組軸線擺度測(cè)量與調(diào)整方法進(jìn)行了研究，證明了用千斤頂、錘擊和火烘等調(diào)整水泵機(jī)組軸線擺度的方法在實(shí)際中可以有效的利用，但使用過程中可能對(duì)泵軸產(chǎn)生損傷［3］，需要精確把控。李德明［4］提出了采用excel 規(guī)劃求解，編寫盤車計(jì)算表，通過坐標(biāo)分解對(duì)三導(dǎo)水輪發(fā)電機(jī)組盤車數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化處理的方法，有效解決了傳統(tǒng)盤車方法精度不足，無法自動(dòng)準(zhǔn)確調(diào)整方位與角度的問題。談進(jìn)昌［5］對(duì)在惠蓄電站機(jī)組使用的“四表四點(diǎn)”盤車工作方法進(jìn)行了研究，同國(guó)內(nèi)傳統(tǒng)的“兩表八點(diǎn)法”相比，“四表四點(diǎn)”法操作簡(jiǎn)便，數(shù)據(jù)處理簡(jiǎn)單方便。趙永輝［6］對(duì)三峽采用的新型液壓自動(dòng)盤車裝置進(jìn)行了研究，該新型盤車替代了原先的電機(jī)齒輪驅(qū)動(dòng)盤車，具有受力更加均勻，輸出扭矩更大，運(yùn)行平穩(wěn)，操作方便等特點(diǎn)，該裝置針對(duì)之前電機(jī)驅(qū)動(dòng)盤車存在的缺陷，如接口數(shù)量不足，齒盤安裝中心與旋轉(zhuǎn)中心存在偏心距，小齒輪與大齒輪嚙合傳動(dòng)存在傾斜等，進(jìn)行了優(yōu)化與改進(jìn)，取得了良好的效果。

1 擺度測(cè)量計(jì)算調(diào)整原理

大型立式泵站機(jī)組的軸線由電機(jī)軸和水泵軸組成，軸線上任一點(diǎn)所測(cè)得的垂度圓就是該點(diǎn)的擺度圓，其直徑為擺度［7］，全擺度則是指同一測(cè)量部位對(duì)稱兩點(diǎn)的數(shù)值差，凈擺度是指同一側(cè)點(diǎn)上下兩部位全擺度的數(shù)值差。產(chǎn)生擺度的主要原因是鏡板與軸線不垂直或者軸線本身的曲折［8］。泵站變速盤車自適應(yīng)的連續(xù)擺度測(cè)量法是利用電渦流傳感器［9］和新型光柵角度傳感器對(duì)軸線上導(dǎo)、法蘭、水導(dǎo)三處的全擺度進(jìn)行測(cè)量，下面將對(duì)該方法原理進(jìn)行介紹。

1.1 擺度測(cè)量原理

本次測(cè)量采用的傳感器之一是電渦流傳感器。通過電渦流傳感器準(zhǔn)確測(cè)量被測(cè)體（必須是金屬導(dǎo)體）與探頭端面之間靜態(tài)和動(dòng)態(tài)的相對(duì)位移變化e。在轉(zhuǎn)軸上均勻布置光柵，使用新型光柵角度傳感器［10］向光柵發(fā)射紅外線，通過紅外光線的反射光線的不同來繪制光柵反射強(qiáng)度與時(shí)間的頻譜，通過頻譜來判斷轉(zhuǎn)軸角度的變換速度。

1.2 傳感器數(shù)值計(jì)算原理

盤車開始運(yùn)轉(zhuǎn)后，傳感器每隔0.02 s測(cè)量一次數(shù)據(jù)并記錄，得到測(cè)量部位對(duì)稱兩點(diǎn)上的全擺度值。即該傳感器組合可以測(cè)得泵軸旋轉(zhuǎn)一周的若干個(gè)擺度數(shù)據(jù)，以及與其精確對(duì)應(yīng)的角度。

上導(dǎo)處的全擺度為：

式中：φu為上導(dǎo)處的全擺度值，mm；φu180為上導(dǎo)處旋轉(zhuǎn)180°時(shí)的電渦流傳感器讀數(shù)，mm；φu0為上導(dǎo)處旋轉(zhuǎn)0°位置的電渦流傳感器讀數(shù)，mm。

法蘭處的全擺度為：

式中：φf為法蘭處的全擺度值，mm；φf180為法蘭處旋轉(zhuǎn)180°的電渦流傳感器讀數(shù)，mm；φf0為法蘭處旋轉(zhuǎn)時(shí)0°的電渦流傳感器讀數(shù)，mm。

水導(dǎo)處的全擺度為：

式中：φw為水導(dǎo)處的全擺度值，mm；φw180為水導(dǎo)處旋轉(zhuǎn)180°的電渦流傳感器讀數(shù)，mm；φw0為水導(dǎo)處旋轉(zhuǎn)時(shí)0°的電渦流傳感器讀數(shù)，mm。

上導(dǎo)與法蘭處的凈擺度為：

上導(dǎo)與法蘭處軸線的傾斜值即為全擺度之半：

法蘭與水導(dǎo)處的凈擺度為：

同理法蘭與水導(dǎo)處軸線的傾斜值：

將采集到的數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行擬合，從理論上來說，盤車得到法蘭處和水導(dǎo)處的凈擺度值為一條正弦曲線［11］。測(cè)量原理如圖1所示。

“多虧了黨和國(guó)家的好政策和投資促進(jìn)局的大力幫扶，不僅給我們發(fā)種子和化肥，蔬菜銷路不用愁，孩子上大學(xué)還享受到了資助，政府幫忙一把，自己努力一把，大家一起奔小康！”普萬雄信心滿滿地說道。

圖1 測(cè)量原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of measurement principle

1.3 軸線調(diào)整

當(dāng)機(jī)組軸線擺度過大時(shí)，可通過刮削推力頭底面或絕緣墊或法蘭面的方法進(jìn)行調(diào)整［12，13］。當(dāng)機(jī)組軸線是一條直線時(shí)，可按法蘭處的凈擺度和水導(dǎo)處的凈擺度計(jì)算刮削推力頭底面或絕緣墊的最大厚度［14］。

按法蘭處的凈擺度計(jì)算有：

按水導(dǎo)處的凈擺度計(jì)算有：

式中：L1為推力頭底面至法蘭擺度測(cè)量處的距離；L2為法蘭擺度測(cè)量處至水導(dǎo)擺度測(cè)量處的距離；D為推力頭或絕緣墊外徑。軸線調(diào)整參考圖如圖2所示。

圖2 軸線調(diào)整參考圖Fig.2 Axis adjustment reference drawing

2 泵站變速盤車自適應(yīng)連續(xù)擺度測(cè)量法

泵軸開始轉(zhuǎn)動(dòng)后，每間隔一次固定時(shí)間，就通過安置的電渦流傳感器測(cè)量被測(cè)體（必須是金屬導(dǎo)體）與探頭端面之間的相對(duì)位移變化e。同時(shí)，為了測(cè)量對(duì)應(yīng)的泵軸轉(zhuǎn)速，在轉(zhuǎn)軸上均勻布置光柵，使用新型光柵角度傳感器向光柵發(fā)射紅外線，通過紅外光線的反射光線的不同來繪制光柵反射強(qiáng)度與時(shí)間的頻譜，通過頻譜來計(jì)算轉(zhuǎn)軸角度的變換，并最終確定泵軸旋轉(zhuǎn)的角速度。通過將各個(gè)測(cè)點(diǎn)處上過軸心對(duì)稱兩點(diǎn)的電渦流傳感器讀數(shù)相減，可獲得該處的全擺度值，即φ=φ180-φ0，其中，φ為該處某點(diǎn)的全擺度值，φ0為該點(diǎn)處未旋轉(zhuǎn)時(shí)的電渦流傳感器讀數(shù)，φ180為該點(diǎn)旋轉(zhuǎn)180°時(shí)的電渦流傳感器讀數(shù)。將法蘭處與水導(dǎo)處的全擺度值相減，可獲得凈擺度值，即φwf=φw-φf，其中φwf為上導(dǎo)與法蘭處的凈擺度，φf為法蘭處的全擺度值，φw為水導(dǎo)處的全擺度值。同理，可根據(jù)上文公式（2）和公式（3），依次計(jì)算出法蘭與水導(dǎo)處的傾斜值以及軸線調(diào)整需要計(jì)算的刮削值。獲得以上數(shù)據(jù)后，將獲得的擺度值與泵軸上的角度一一對(duì)應(yīng)，并通過程序反映在計(jì)算機(jī)上，以供參考。整個(gè)連續(xù)擺度測(cè)量法的流程如圖3所示。

圖3 連續(xù)擺度測(cè)量法流程圖Fig.3 Flow chart of pendulum measurement method

3 盤車數(shù)據(jù)分析處理系統(tǒng)

本系統(tǒng)軟件是基于Matlab 開發(fā)的。軟件包括“數(shù)據(jù)采集”、“盤車數(shù)據(jù)處理”、“處理意見”、“操作記錄”、“用戶管理”模塊，用戶可根據(jù)需求進(jìn)行選擇操作。

3.1 數(shù)據(jù)采集模塊

本系統(tǒng)擺度測(cè)量數(shù)據(jù)采集模塊采集電機(jī)上導(dǎo)、法蘭和水導(dǎo)的X、Y方向的擺度，如圖4所示，本系統(tǒng)通過RS485/RS232 串口與STM32F407 單片機(jī)相連，單片機(jī)通過RS485/RS232 串口與4個(gè)傳感器相連，4 個(gè)傳感器分別測(cè)量角速度、電機(jī)上導(dǎo)擺度、法蘭擺度、水導(dǎo)擺度。測(cè)量擺度的傳感器為電渦流傳感器，電渦流傳感器是一種非接觸的線性化計(jì)量工具，它能準(zhǔn)確測(cè)量被測(cè)體（必須是金屬導(dǎo)體）與探頭端面之間靜態(tài)和動(dòng)態(tài)的相對(duì)位移變化，在旋轉(zhuǎn)機(jī)械的分析測(cè)量中常采用該傳感器［15］。泵軸旋轉(zhuǎn)的角速度ω，可以利用在轉(zhuǎn)軸上均勻的布置光柵的反射光線的不同來繪制光柵反射強(qiáng)度與時(shí)間的頻譜，通過頻譜來判斷轉(zhuǎn)軸角度的變換速度，最終確定泵軸旋轉(zhuǎn)的角速度。

圖4 數(shù)據(jù)采集模塊Fig.4 Data acquisition module

一個(gè)圓周通過傳感器均勻采集數(shù)千個(gè)點(diǎn)的擺度數(shù)值，在該模塊中以45°為間隔顯示所有采集數(shù)據(jù)中的8個(gè)樣點(diǎn)，供用戶對(duì)擺度數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，8 個(gè)樣點(diǎn)數(shù)據(jù)以一個(gè)圓周為一個(gè)周期更新，用戶可隨時(shí)選擇導(dǎo)出數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

3.2 擺渡數(shù)據(jù)處理模塊

圖5 擺渡數(shù)據(jù)處理模塊Fig.5 Ferry data processing module

3.3 處理意見模塊

根據(jù)采集的數(shù)據(jù)與擬合的特性曲線，系統(tǒng)將自動(dòng)繪制出各個(gè)部位軸線情況示意圖，在“機(jī)組參數(shù)”一欄會(huì)展示出不同測(cè)點(diǎn)間的距離、軸線總長(zhǎng)、轉(zhuǎn)速、各個(gè)部位的全擺度、凈擺度、相對(duì)擺度等參數(shù)，若機(jī)組軸線擺度不符合標(biāo)準(zhǔn)，系統(tǒng)將會(huì)自動(dòng)通過內(nèi)置算法計(jì)算出刮削量并給出刮削方位示意圖，提出供用戶參考的處理意見，如圖6所示。

3.4 操作記錄模塊與用戶管理模塊

如圖7所示，操作記錄模塊中，用戶可以自由選擇導(dǎo)出操作日志信息，查看該用戶的操作記錄，歷史工作記錄信息，也可以選擇導(dǎo)出人員登錄信息，查看歷史人員登錄記錄。

圖7 操作記錄模塊Fig.7 Operation recording module

用戶管理模塊中，用戶可以進(jìn)行注冊(cè)賬號(hào)、登錄、修改密碼等操作，建議盡量保持一人對(duì)應(yīng)一個(gè)賬號(hào)，便于維護(hù)與管理。具體界面如圖8所示。

圖8 用戶管理模塊Fig.8 User management module

4 應(yīng)用軟件分析數(shù)據(jù)

4.1 八點(diǎn)法擺度數(shù)據(jù)處理模塊

本文基于Matlab 開發(fā)了分析處理軟件，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)室測(cè)試，使用傳統(tǒng)八點(diǎn)法得到的數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)機(jī)組盤車數(shù)據(jù) mmTab.1 Experiment unit turning data

從表1 的數(shù)據(jù)可以計(jì)算出電機(jī)上導(dǎo)，法蘭和水導(dǎo)處相對(duì)點(diǎn)的全擺度值以及對(duì)應(yīng)法蘭和水導(dǎo)上的凈擺度值。其數(shù)值計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 實(shí)驗(yàn)機(jī)組計(jì)算擺度數(shù)據(jù) mmTab.2 The experimental set calculates the swing data

而從表1 中的數(shù)據(jù)擬合出的正弦曲線可知，法蘭相對(duì)于電機(jī)上導(dǎo)的最大擺度點(diǎn)的值0.068 4 mm，而此數(shù)值對(duì)應(yīng)的泵軸角度為176.53°。同理，水導(dǎo)相對(duì)于法蘭的最大擺度點(diǎn)的值約為0.067 36 mm，其對(duì)應(yīng)的泵軸角度為352.72°。軟件數(shù)據(jù)展示頁面如圖9所示。

圖9 八點(diǎn)法擺度數(shù)據(jù)展示頁面Fig.9 Eight point method pendulum data display page

4.2 連續(xù)法擺度數(shù)據(jù)處理模塊

通過實(shí)驗(yàn)室測(cè)試，每間隔4°采集一次泵軸測(cè)點(diǎn)的擺度數(shù)值，即使用變速盤車自適應(yīng)的連續(xù)擺度測(cè)量法，并將數(shù)值導(dǎo)入軟件的數(shù)據(jù)采集模塊，可得到一條精度較高的擬合出的正弦曲線。如圖10示。

5 結(jié) 語

機(jī)組泵軸的檢查調(diào)整，是水泵安裝檢修的重要環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)的八點(diǎn)法檢測(cè)存在著精度不高等問題。本文旨在通過利用電渦流傳感器結(jié)合測(cè)量紅外波譜等方式，精確獲得泵軸的連續(xù)擺度數(shù)據(jù)，通過傳感器與計(jì)算機(jī)相連接，配套使用相應(yīng)的基于Matlab開發(fā)的分析處理程序，將數(shù)據(jù)直觀地顯示在計(jì)算機(jī)上，便于檢測(cè)水泵軸線的垂直度是否符合預(yù)期要求，為后續(xù)的維修調(diào)整提供參考?！?/p>