陳關(guān)君, 劉 慧, 于云選， 王 冰

(中國電子科技集團(tuán)公司 第四十九研究所，黑龍江 哈爾濱 150001)

0 引 言

大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械是指由渦輪機(jī)(如汽輪機(jī)、水輪機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)、煙氣輪機(jī)等)和驅(qū)動(dòng)的工作機(jī)(如離心式壓縮機(jī)、軸流式壓縮機(jī)、發(fā)電機(jī)等)所組成的透平式流體動(dòng)力機(jī)械，習(xí)慣上簡稱大型機(jī)組。大型機(jī)組是化工、石化、電力、鋼鐵等行業(yè)的關(guān)鍵設(shè)備。

故障診斷的根本目的就是要保證大型機(jī)組的安全、穩(wěn)定、長周期、滿負(fù)荷優(yōu)良運(yùn)行，通過對(duì)大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械特定指標(biāo)參數(shù)的監(jiān)測(cè)保證對(duì)機(jī)組運(yùn)行中的各種異常狀態(tài)做出及時(shí)、正確、有效的判斷，預(yù)防和消除故障；確定合理的故障檢修時(shí)機(jī)和項(xiàng)目；通過狀態(tài)監(jiān)測(cè)，提高設(shè)備性能并為進(jìn)行的技術(shù)改造和優(yōu)化運(yùn)行參數(shù)提供數(shù)據(jù)與信息[1，2]。

本文設(shè)計(jì)了一種通過對(duì)被測(cè)試驗(yàn)臺(tái)上不同工況下軸心軌跡和油膜厚度的變化狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的方法，實(shí)現(xiàn)以軸向位移分析法完成對(duì)大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械潛在故障的診斷。另外，采用目前廣泛應(yīng)用于測(cè)量與控制領(lǐng)域的LabVIEW圖形編程技術(shù)，作為系統(tǒng)軟件開發(fā)平臺(tái)，其中集成了大量的信號(hào)測(cè)量和數(shù)據(jù)處理模塊，便于相關(guān)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(cè)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(cè)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(shè)備、終端控制器、系統(tǒng)測(cè)試軟件組成。

1.2 數(shù)學(xué)模型建立

根據(jù)軸與軸瓦之間的運(yùn)動(dòng)關(guān)系，設(shè)計(jì)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(gè)位置上，其具體位置如圖2所示。4只用于測(cè)量切向位移變化的傳感器Sy1，Sy2和用于測(cè)量徑向位移變化的傳感器Sx1，Sx2，電渦流位移傳感器測(cè)量軸心軌跡和油膜厚度的計(jì)算方法如下述：

圖2 軸心軌跡測(cè)量原理

1)軸心軌跡計(jì)算方法

在軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，其相對(duì)于軸瓦發(fā)生的相對(duì)位移變化分別為dy1，dy2，dx1，dx2，設(shè)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(duì)靜止可以把其所在坐標(biāo)系作為參考坐標(biāo)系,則由圖3 可知，當(dāng)傳動(dòng)軸相對(duì)于軸瓦發(fā)生變化時(shí)，可通過橫截面?zhèn)鞲衅鱏y1，Sy2測(cè)得垂直方向上的傳動(dòng)軸的長度dsy為

dsy=R0-(dy1+dy2).

O1相對(duì)于O0之間的角度θ的余弦值

O1的y坐標(biāo)相對(duì)于O0的y坐標(biāo)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(dāng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)過程中進(jìn)行連續(xù)測(cè)量時(shí)通過記錄每次的圓心O1(x1+Δx,y1+Δy)的數(shù)值，即可得到整個(gè)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下O1所隨傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)而形成的變化曲線和軸心軌跡。

圖3 油膜厚度測(cè)量原理

2)油膜厚度計(jì)算方法

油膜厚度是用來檢測(cè)軸心軌跡的重要指標(biāo)，本文所測(cè)的油膜厚度為最小油膜厚度，由軸心軌跡的測(cè)量結(jié)果可知，如圖3所示的傳動(dòng)軸圓心O1(x1,y1)，相對(duì)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(shè)計(jì)

2.1 電渦流位移傳感器選擇

由于被測(cè)軸與軸瓦間的距離變化范圍為0～5 mm，且被測(cè)工況中最大轉(zhuǎn)速可達(dá)3 000 r/min，所以，對(duì)電渦流傳感器的參數(shù)指標(biāo)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(cè)量范圍內(nèi)具有極高的測(cè)量精度，但其測(cè)量誤差會(huì)隨著測(cè)量距離的增加而增加，需要通過數(shù)學(xué)方法對(duì)其測(cè)量誤差進(jìn)行補(bǔ)償。

2.2 傳感器支架設(shè)計(jì)

檢測(cè)微小位移的電渦流傳感器必須安裝在振動(dòng)符合要求的剛性支架上，保持與軸瓦同步運(yùn)動(dòng)，這樣才能準(zhǔn)確地測(cè)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(zhuǎn)過程中測(cè)量軸與軸瓦之間的相對(duì)位移，并通過數(shù)據(jù)采集設(shè)備進(jìn)行采集。

圖4 傳感器支架

2.3 數(shù)據(jù)采集設(shè)備

采用PXI總線結(jié)構(gòu)的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集設(shè)備，PXI平臺(tái)繼承了PCI的電氣信號(hào)，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(jī)械外型結(jié)構(gòu)，具有高密度、堅(jiān)固外殼及高性能連接器等特性。一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的PXI系統(tǒng)由3個(gè)基本部分組成：機(jī)箱、控制器和功能模塊。結(jié)合本文的實(shí)際需求，其數(shù)據(jù)采集設(shè)備選擇了NI公司的PXI—6221,PXI—6143 多功能卡、PXI—1031 機(jī)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(duì)系統(tǒng)中各種傳感器輸出信號(hào)的數(shù)據(jù)采集工作。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在軟件結(jié)構(gòu)上，采用了事件驅(qū)動(dòng)、逐層調(diào)用的模式完成軟件的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，由于測(cè)試軟件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)將影響軟件最終的運(yùn)行效率、測(cè)試狀態(tài)的可靠性，以及計(jì)算機(jī)相關(guān)資源的利用率，所以,在進(jìn)行軸心軌跡測(cè)試軟件設(shè)計(jì)時(shí)優(yōu)先要完成軟件結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)[4～7]。通過對(duì)軸心軌跡測(cè)試系統(tǒng)的分析，并結(jié)合LabVIEW語言編程模式的特點(diǎn)，采取事件觸發(fā)和逐層調(diào)用的方式完成測(cè)試軟件的設(shè)計(jì)工作。如圖5所示顯示測(cè)試軟件的整體結(jié)構(gòu)圖。

圖5 程序結(jié)構(gòu)圖

3.2 軟件流程設(shè)計(jì)

軟件系統(tǒng)工作流程(見圖6)：當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)行傳動(dòng)軸軸心和油膜厚度的測(cè)試時(shí)，首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化完成對(duì)測(cè)試系統(tǒng)相關(guān)硬件設(shè)備的啟動(dòng)，導(dǎo)通數(shù)據(jù)采集鏈路；根據(jù)反饋結(jié)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(cè)量信息；為保證測(cè)量精度，對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行線性補(bǔ)償；通過數(shù)學(xué)算法完成對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的分析；根據(jù)小波去噪的方法進(jìn)一步進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

圖6 軟件流程圖

4 傳感器補(bǔ)償方法與試驗(yàn)

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

Sx1補(bǔ)償公式

y=0.139 3-0.108 8x+0.001 2x2；

Sx2補(bǔ)償公式

y=0.113 3-0.135 0x-0.000 7x2；

Sy1補(bǔ)償公式

y=0.138 1-0.115 4x+0.001 0x2；

Sy2補(bǔ)償公式

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

通過該公式對(duì)傳感器Sy1，Sy2，Sx1，Sx2測(cè)得的相對(duì)位移變化量dy1，dy2，dx1，dx2進(jìn)行補(bǔ)償，其補(bǔ)償結(jié)果如表1、表2 所示。

表1 Sx1，Sx2測(cè)量徑向位移補(bǔ)償結(jié)果

表2 Sy1，Sy2，測(cè)量切向位移補(bǔ)償結(jié)果

通過表1、表2中的數(shù)據(jù)補(bǔ)償后，用于測(cè)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(nèi)，滿足測(cè)試系統(tǒng)對(duì)測(cè)量精度的要求。

5 結(jié) 論

本文通過對(duì)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(xué)模型，為軸心軌跡和油膜厚度的測(cè)量提供了理論基礎(chǔ)，并采用廣義多項(xiàng)式

算法對(duì)用于測(cè)量傳動(dòng)軸與軸瓦間徑向距離的電渦流位移傳感器進(jìn)行了數(shù)據(jù)補(bǔ)償，使傳感器所在距離測(cè)量范圍內(nèi)的線性度達(dá)到了0.05 %。另外，通過對(duì)傳感器安裝支架的設(shè)計(jì)，減小了測(cè)量傳感器對(duì)傳動(dòng)軸運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的影響，使測(cè)量結(jié)果更接近于實(shí)際工況下的狀態(tài)，并通過在上位機(jī)測(cè)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)。

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