（机械设计及理论专业论文）转子碰摩故障模拟实验台及其分析系统.pdf

华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 转子碰摩故障严重影响旋转机械的安全稳定运行。本文通过设计一单圆盘 转子系统实验台和碰摩装置，模拟了转子不同程度的单点碰摩故障；在分析转 子碰摩故障信号及其检测方法的基础上，通过选择配置传感器、数据采集卡等 硬件，搭建了基于虚拟仪器技术的测试系统；采用模块化设计思想，应用 l a b v i e w 软件开发了转子实验台数据采集分析系统，实现了振动信号的数据采 集、数据预处理、时域频域分析并实现了针对转子的全信息分析；利用该实验 台及其分析系统进行了碰摩实验研究，得到了碰摩故障的振动特征。实验表明， 该系统能够很好模拟转子的碰摩故障，测试稳定可靠，分析功能强大，为实验 研究碰摩故障机理奠定了坚实基础。 关键词：碰摩，转子实验台，振动测试，振动分析 a b s t r a c t t h er o t o rr u b i m p a c th a sg r e a ti n f l u e n c e0 nt h es t a b i l i t ya n ds a f e t yo fr o t a t i n g m a c h i n e i nt h i sd i s s e r t a t i o n , ar u b i m p a c tl a b o r a t o r yb e n c ho fj e f f c o t tr o t o rs y s t e m i sc r e a t e d ，w h i c hc a ns i m u l a t et h es i n g l er u b i m p a c tf a u l t si nd i f f e r e n td e g r e e s a n a l y z e dt h ef a u l ts i g n a la n dt h ed e t e c t i o nm e t h o do ft h er u b i m p a c t ，a p p r o p r i a t e s e n s o r sa n dd a t aa c q u i r i n gc a r da r ec h o s e na n dat e s t i n gs y s t e mb a s e do nv i s u a l i n s t r u m e n t a t i o nt e c h n o l o g yi sb u i l t m o r e o v e la p p l y i n gt h ec o n c e p to fm o d u l a r i - z a t i o nd e s i g na n dac o m m e r c i a ls o f t w a r el a b v i e w ：as o f t w a r ea i m i n ga ta c q u i r i n g a n da n a l y z i n gr o t o rd y n a m i c sd a t ai sd e v e l o p e d ，w h i c hc a ni m p l e m e n tt h ed a t a a c q u i s i t i o no fv i b r a t i o ns i g n ，d a t ap r e t r e a t m e n t ，t i m ed o m a i na n df r e q u e n c yd o m a i n a n a l y s i s ，a b o v ea l l ，f u l l i n f o r m a t i o na n a l y s i sf o rr o t o r a tt h ee n d ，u s i n gt h e l a b o r a t o r yb e n c ha n dt h es o f t w a r e ，a ne x p e r i m e n to fr u b i m p a c ti sc a r r i e do u ta n d t h ev i b r a t i o nc h a r a c t e r so fr u b i m p a c ta r eo b t a i n e d t h er e s u l t si n d i c a t et h ew h o l e s y s t e mc a np e r f e c t l ys i m u l a t et h er o t o rr u b i m p a c ta n dh a sg o o ds t a b i l i t y , h i g h r e l i a b i l i t ya n dp o w e r f u la n a l y z i n gp e r f o r m a n c e ，w h i c hp r o v i d e sab a s e m e n tf o r f u r t h e rs t u d y i n gt h et h e o r yo f r u b - i m p a c tb a s e do ne x p e r i m e n t y a n gw e n g a n g ( m e c h a n i c a ld e s i g n & t h e o r y ) d i r e c t e db yp r o f w a n gz h a n g q i k e y w o r d s ：r u b - i m p a c t ，r o t o rl a b o r a t o r yb e n c h ，v i b r a t i o nt e s t ， v i b r a t i o na n a l y s i s 声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文转子碰摩故障模拟实验台 及其分析系统，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下 进行的研究工作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和 致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得华北电力大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表 示了谢意。 学位论文作者签名：扬支! m 日 期：丝丑：f ：竖 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即；学 校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用 影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被 查阅或借阅；学校可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；同意 学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名； 扬主! 习4 e t期：2 婴z ：u f 导师签名： 华北电力大学硕士学位论文 1 1 课题的背景及意义 第一章绪论 旋转机械被广泛地应用于汽轮发电机组、航空发动机、工业压缩机及各种电动 机等机械装置中，是电力、航空、化工等国民经济重要部门的关键设备，在这些领 域中起着非常重要的作用这些旋转机械的安全稳定运行，对企业经济效益和国民 经济发展具有重要意义。 转子与定子的碰摩是旋转机械运行中的常见故障。在旋转机械中，为了满足高 转速、高效率的需求，转子系统动静间隙越来越小，转子与定子的碰摩故障不断发 生。特别是汽轮发电机组，随着向高参数、大容量的方向发展，汽轮机动静间隙越 来越小，轴封、油挡、隔板汽封发生动静碰摩的机会越来越多，氢冷发电机的密封 瓦也会经常发生动静碰摩现象。而且转子质量不平衡、热弯曲、轴系不对中以及转 子的涡动失稳等其它故障都可能最终导致动静碰摩。 转子与定子碰摩的过程会对转子的运动状态产生多方面的影响【。动静摩擦会 在转子表面作用一切向作用力，该切向作用力产生的力矩方向与转子的旋转方向相 反，可能会使转子产生扭转振动，使得转子转速下降并产生波动【2 l 。当摩擦力矩大 于转子的阻尼力矩时，转子会从正向涡动转向反向涡动，特别是对于整周摩擦，会 产生所谓的“千摩擦”现象，从而引起自激振动，影响转子正常运行，甚至损坏机 组。而且，动静摩擦使得转子上施加了非线性摩擦力，会使转子产生非线性振动。 转子与定子碰摩时的碰撞相当于给转子和定子施加了一个瞬态激振力，能将转 子和定子的固有频率激发起来。虽然激发起的自由振动是衰减的，但由于碰摩在每 个旋转周期内都产生冲击激励作用，因此在一定条件下有可能使转子的实际振动成 为旋转产生的强迫振动和冲击产生的自由振动的叠加。 动静摩擦和碰撞产生的热量会使转子的温度场发生变化，导致转子热态弯曲， 产生热态不平衡力，引起机组振动。另外，动静件碰摩时，摩擦接触和碰撞使得动 静部件相互抵触，相当于增加了转子的支承条件，会增大系统的刚度，改变转子的 临界转速及振型，而且这种附加支承是随时间变化的，可能会引起转子的不稳定振 动及非线性振动。 总之，转子与定子碰摩会使转子产生非常复杂的运动，轻者使机组出现强烈振 动，严重的可能造成轴永久性弯曲，甚至整个轴系毁坏，影响机组的安全稳定运行。 以汽轮发电机组为例，在国产2 0 0 m w 汽轮发电机组中，已有l o 多台因动静碰摩 而造成转子永久弯曲的事故【1 】；据国内汽轮机弯轴事故统计表明，其中的8 6 是由 l 华北电力大学硕士学位论文 碰摩引起的，碰摩严重时还会引起轴系破坏事故【3 1 ；据不完全统计。目前国内已有 3 0 多台机组在空负荷或带负荷下多次产生碰摩振动事故，引发突发性振动或振幅长 时间大幅度地波动，有些机组因振动过大而被迫打闸停机i 引。当前，大型汽轮发电 机组的碰摩故障的发生率仅次于质量不平衡的发生率，成为大机组的第二大类振动 故障f 2 1 。 因此，转子碰摩振动故障的机理和监测诊断技术的研究对确保机组的安全稳定 运行，防止重大事故发生具有重要意义。汽轮发电机组等大型旋转机械的碰摩振动 问题的研究已经受到了有关高等院校、研究机构、企业和管理部门的高度重视。包 括转子碰摩在内的转子动力学在国内外始终是一个非常活跃的研究领域。目前我国 对转子动力学研究的重点是转子系统的状态监测和故障诊断及转子系统的非线性 振动、分叉与混沌【4 卅，尤其是有关转子碰摩、裂纹和轴承油膜力引起的分叉和混沌 研究是当前研究的热点【6 】。 但是，应当注意到当前转子动力学研究中普遍存在些问题。文献【4 】【7 】在分别 综述了转子动力学和非线性转子动力学的发展和现状后均指出，目前的理论成果指 导应用不够，实验研究水平低。缺乏高水平的实用的分析系统。我国目前在转子动 力学的实验研究方面水平普遍较低，且实验越来越少，验证理论大多是用数值仿真 计算 6 , 8 - 1 4 ，有些研究结论离实际应用的距离很大，用理论研究成果真正解决重大工 程问题的还比较少；尽管我国学者在转子动力学的基础研究方面取得了很多成果， 且也研制了一些用于生产实际和实验的转子动力学分析、监测和诊断系统，但在占 主导地位的仍是国外的产品l ”。 因此，今后在进行转子碰摩研究时，应加强理论和实验的对比研究，提高实验 研究水平，加大实际应用性质的研究力度a 本课题开发转子碰摩故障模拟实验台及 其分析系统的目的正是为后续转子碰摩的理论和实验对比研究提供基础，以便研究 成果能更好地指导实际应用。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 转子碰摩的理论研究 一些学者针对转子碰摩展开了探索性的理论研究。文献【1 5 】对单盘转子系统碰 摩运动规律进行了理论分析，得出了转予初次碰摩转速的解析表达式，并对阻尼、 偏心距和间隙对转子碰摩转速的影响进行了分析讨论。文献【1 6 】利用非线性理论通 过建立转子系统碰摩的p o i n c a r e 映射，将对非光滑碰摩系统的研究转化为对p o i n c a r e 映射的分析，文中主要对单点碰摩下的擦边现象进行了详细研究，得到了转子系统 在接近擦边运动时解随系统参数变化的分岔情形文献t 1 7 根据松动碰摩耦合故障 2 华北电力大学硕士学位论文 转子轴承系统的非线性动力学方程，利用求解非线性非自治系统周期解的延拓打靶 方法，对系统周期运动的稳定性及其失稳规律进行了研究，得到了系统在不平衡量 一转速、碰摩间隙一转速等参数域内的分岔集。 1 2 2 转子碰摩的数值仿真研究 转子碰摩是一个非常复杂的非线性问题，因此数值仿真一直是进行转子碰摩研 究的主要手段之一。目前在对转子碰摩进行各种数值仿真研究时，碰摩运动的描述 主要有两种方法u 8 1 ：一种方法认为碰摩过程需要一段时间完成、碰摩时出现弹性变 形和能量损耗，碰摩力的变化是连续但非光滑的，这种方法可由一个分段光滑的动 力学方程描述；第二种方法认为碰摩过程是瞬时完成的，不考虑撞击过程的细节， 而利用恢复系数去反映碰撞前后的速度变化和能耗，这种描述可表示成一个带有单 侧刚性约束的动力学方程。这两种系统都是非光滑动力学系统，分段光滑模型的力 学意义比较合理，但处理起来比较复杂，一般不便于理论分析，只能用数值方法研 究；刚性约束模型未考虑碰摩的实际力学过程，但比较简单，可进行理论分析，适 合于厚机壳、大刚度转子的系统 文献【1 9 】建立了单圆盘转子非线性碰摩振动模型，研究了转子的转速、转子偏 心量、阻尼系数和转子定子的刚度比对碰摩振动特性的影响。文献 9 】 2 0 】建立了考 虑油膜力的碰摩转子的运动方程，研究了油膜力作用下的转子碰摩振动分叉现象、 刚度比对转子系统碰摩力的影响及轴承参数对转子响应的影响。文献 2 】建立了转子 碰摩引起的弯扭耦合振动数学模型，并分析了碰摩对弯扭耦合振动的影响。文献 2 1 】 构造了具有碰摩故障的转子轴承系统动力学模型，对系统在运行过程中的非线性行 为进行了数值仿真分析，详细讨论了各转速下转子的混沌运动。 1 2 3 转子动力学的实验研究 许多学者对转子碰摩现象进行了一系列的实验研究。清华大学的褚福磊通过转 子实验台研究了碰摩的动特性1 2 2 ，该实验台可以很好的模拟碰摩现象；长沙电力学 院的邹新元等设计了转子系统碰摩故障模拟实验台 3 j ，为了研究碰摩力的大小对转 子动力特性的影响，该装置巧妙设计了施力装置，可以方便地测出所加力的大小， 研究不同碰摩力对转子动力特性的影响；西北工业大学的邓小文、廖明夫等设计了 新型多自由度的双盘转子动静件碰摩实验器，该实验器的动静件碰摩装置设计巧 妙，转子定子间隙可在0 - - 5 m m 之间调节，并能记录碰摩时间；美国的m o h a m m e d 研究了有缺陷轴承悬臂支撑下的转子碰摩的瞬时动特性，并用实验对理论分析结果 进行了验证f 6 1 ；东北大学的刘长利等也建立了转子碰摩故障的实验装置，通过实验 研究了转子系统碰摩故障的非线性振动特征；赵荣珍等则进行了挠性转子系统碰摩 故障传播特性的实验研究【2 3 ；中国海洋大学工程学院的周丽芹介绍了在转子实验台 3 华北电力大学硕士学位论文 上模拟转子不平衡和摩擦两种典型故障的方法，将实验结果与理论分析结果相结合 进行研究，对故障信号进行机理分析，通过时域波形图、f f t 谱图和轴心轨迹图来 进行识别l ，j 。 利用实验台对转子的其它动力学特性也开展了研究。西北工业大学的和兴锁及 万方义研究了有裂纹转子的结构特点和运动特征，通过转子实验台进行了验证【9 ，2 4 1 ； 华北电力大学的傅忠广、杨昆等搭建了j e f f c o t t 转子模型实验台及其测试系统【2 扪， 实验研究了在转盘上加不同偏心时弯曲振动和扭转振动存在的相互影响和作用；西 南科技大学的孙世向、夏季采用解析法对航空发动机组主轴系在偏心条件下所引起 的弯瞳振动和扭转振动耦合特性进行了推理。并利用自己搭建的实验系统进行了实 验验证【2 6 1 ；美国的c a r l r 等研究了磁力轴承支撑下转子的不平衡响应【2 7 l ；b x u 和 y u a n k a n g 分别给出了一种新的转子平衡的方法，并进行了实验验证【1 4 2 引。 对转子实验台的测试、数据处理方法等也展开了一系列的工作清华大学的董 永贵、向莉给出了一种转子系统整周期采样的软件实现方法【2 9 1 。该方法对鉴相信号 与振动信号进行同步采样，而对振动信号的整周期截取则利用软件实现。其优点在 于可利用通用数据采集卡实现整周期采样。在转子实验台上的实验结果表明：这种 方法可有效满足转子振动信号处理对信号采样的要求。中国民用航空学院的徐一 呜、刘静宇就发动机转子试验台开发了一套以l a b v i e w 软件为基础语言的信号测 试系统，以模拟真实状态下对单转子发动机的振动信号检测，通过在实验室调试使 用，证明该系统性能可靠，操作简便，有很大的灵活性和发展潜力【3 0 j 西安交通大 学机械诊断与控制学研究所、美国b e n t l y 公司、郑州大学振动工程研究所等研究了 针对转子的全信息分析技术，该技术基于信息融合技术构建，能够综合考虑转予振 动的幅值和相位信息以及在垂直和水平两方向之间的相互关系，便于了解转子振动 的全貌【4 2 。卯。 1 3 本课题研究内容 转子碰摩故障严重影响旋转机械的安全稳定运行。为通过实验研究碰摩振动的 机理，本课题将研究开发一套完整的转子碰摩故障模拟实验台及其分析系统，并利 用本实验系统对转子碰摩展开初步的实验研究，主要工作分为如下五个方面； l 、转子实验台和碰摩装置的设计 在充分调研已有实验台的基础上对转子实验台提出整体结构方案；利用转子动 力学的知识估算出转子的临界转速，综合考虑电机转速、轴和轴承的强度要求等因 素，最终确定转子的尺寸；考虑传感器、碰摩装置和电机等的固定，合理设计轴承 支座与底座；设计碰摩、转子偏心等故障的模拟装置结构，并确定具体参数；对确 4 华北电力大学硕士学位论文 定的设计方案进行综合考虑、修改，进行合理的工艺结构设计，最后绘制图纸，严 格控制质量进行加工、安装、调试。 2 、数据采集测试硬件系统的配置调试 调研现有的测试系统，搭建基于虚拟仪器的测试系统；分析转子碰摩振动故障 的各种信号及其测试方法，通过比较确定所需采集的数据；考虑测量方式、灵敏度、 响应特性、线性范围、性价比等因素，选择数据采集卡、传感器及配套的信号调理 仪器等。 3 、转子振动信号分析处理技术的研究 分析振动的各种时域、频域分析处理技术，分析针对转子振动的基于信息融合 技术的全信息技术讨论各种分析方法的意义及算法，为开发转子实验台数据采集 分析软件提供基础。 4 、转子实验台数据采集分析软件的开发 对转子实验台数据采集分析软件进行整体规划，包括开发工具的选择、界面风 格的确定、功能模块的划分等；根据数据采集卡的接口驱动程序编写数据采集及存 储模块；编写包括数据统计、截取、运算、重采样等功能的预处理模块；编写数据 的显示分析模块，能完成时域曲线显示和不同窗函数下的频谱分析、相关性分析等； 编写转子的全信息分析等模块。 5 、转子碰摩实验研究 将转子实验台、数据采集系统、转子实验台数据采集分析软件组装成一完整的 系统进行反复调试；利用此系统进行初步的碰摩实验研究，分析碰摩的特征并验证 整个实验系统的性能。 华北电力大学硕士学位论文 第二章转子碰摩实验台硬件系统设计 转子碰摩实验台硬件系统包括转子实验台、碰摩装置、数据采集硬件等，它们 是整个实验系统的基础。 2 1 转子实验台设计 转子实验台的设计目的是模拟工程中旋转机械转子的运动。实验台的转子由质 量相对较轻的弹性轴和装在弹性轴中间位置的圆盘构成，两端由不变形的轴承及轴 承座支承。根据这种模型进行分析的概念和结论在转子动力学中是最基本的。这种 模型得到的结论应用于简单旋转机械足够准确。就是对于复杂的旋转机械，这些概 念和结论虽然不够精确，但仍能定性地说明闯题。采用这种基本的结构能够减小其 它因素对转子运行的影响从而突出碰摩故障。另外，从大量的关于转子碰摩的理论 研究来看，大都采用的是刚性支承的单圆盘转子模型 2 , 3 , 1 0 , 2 0 , 2 3 】，将实验台设计为单 圆盘转子系统能够方便将实验结论和已经获得的理论计算结果进行对比研究。 2 1 1 转子实验台整体设计 该实验台设计为滑动轴承支承的单圆盘转子系统，实验台的整体结构如图2 1 所示。 图2 - 1 转子实验台 转予实验台的转轴在电机的带动下高速旋转，转子的微小偏心都会引起很大的 离心力，而且在碰摩时还会承受冲击载荷。为防止转轴变形并保证其有较高的精度， 要求转轴具有足够的强度、冲击韧性和抗疲劳能力。这里转轴选用了调质处理的 4 0 c r ，该材料强度比碳钢高约2 0 且疲劳强度较高【3 1 1 在转轴的中间位置安装圆盘圆盘采用普通的4 5 # 钢，在圆盘两侧的圆柱突缘 上分别加工三个径向螺纹孔，采用紧定螺钉通过这些径向螺纹孔将圆盘与转轴固 定。在圆盘的边缘沿轴向对称加工一些螺纹孔，用于调节转子的平衡和模拟转子的 6 华北电力大学硕士学位论文 偏心故障。轴与转盘的配合选取伪伪9 ，该配合为间隙定位配合，零件可自由拆装 但能实现定位，避免了由于转轴和圆盘内孔的间隙引起的偏心误差。 转子实验台的轴承使用整体式的滑动轴承。滑动轴承能够在高转速运行，并且 能够承受大的冲击和振动载荷。为使结构简单，滑动轴承没有密封。但这样会使轴 承容易磨损，因此轴承用耐磨性较好的铜合金制造，并在轴承和轴承座的顶部开设 油孔以便能随时加入润滑油进行润滑轴承支座与滑动轴承要实现完全固定，采用 中等压入配合肿居6 ；轴与铜套的配合选取d 9 伪9 ，该配合用于间隙很大的自由转动 配合，且可用于高转速。在实际加工时为保证加工精度，先加工好轴承支座，将加 工完外表面的轴承压入轴承支座，然后再加工轴承内表面和油孔。 底座采用灰口铸铁，铸铁中的石墨组织松软，能够吸收震动，使得铸铁具有良 好的消震性p ”。底座进行消除内应力的退火处理，以避免底座因应力的重新分布而 引起的变形，保证底座表面的平面度，从而确保两个轴承处具有相同的轴心高度。 底座上表面的中心线上加工了个方槽，并在轴承座和电机支座底面的对应位置上 也加工了方槽，在方槽中放置方形键以便对轴承座和电机支座进行定位，方便了轴 承座的左右移动并确保轴承座轴心的同轴度。在底座方槽的两侧加工了两排螺纹 孔，用于轴承座、电机支座、传感器和碰摩装置的固定，方便调整各个部件的位置。 方形键同底座导轨及轴承电机支座的配合不仅要实现支座的精密定位，还要能够自 由拆卸，故选择间隙很小的定位配合h 7 h 6 。 2 1 2 转子实验台参数确定 在确定转子实验台各个零件的参数时，主要考虑了转子的临界转速、转轴强度 和轴承的承载能力。设计思路是：先参照其它的实验台并根据经验初步确定转子及 轴承的参数，然后计算转子的临界转速、校核转轴强度和轴承的承载能力，若都满 足要求则在此基础上确定其它零件的参数。 初选两支座之问轴的跨度，为4 6 0 r a m ，轴的直径d 为1 0 m m ，圆盘的直径d 为 6 4 m m ，宽度曰t 为1 5 m m 。轴选用4 0 c r ，弹性模量e 为2 1 0 g p a 。轴承采用青铜，内 径d 为1 0 m m ，宽度历为1 2 r a m 。 ( 1 ) 临界转速计算 临界转速是转子系统的一个重要参数。一些常见的旋转机械工作转速都小于其 l | 缶界转速。工作转速小于临界转速的转子为刚性转子。但是为了提高旋转机械的工 作容量和效率，转子越来越往高速和细长的方向发展。些大型旋转机械的工作转 速往往高于最低临界转速，这样的转子为挠性转子。刚性转子和挠性转子的碰摩振 动机理不同拉，而且对于汽轮发电机组工作转速往往高于最低的临界转速。为能研 究刚性转子和柔性转予的碰摩振动，这里要求转子能够运行在l i 岛界转速以上。 7 华北电力大学硕士学位论文 将该轴系简化为均质等截面简支梁，在中间有集中质量为朋l 的圆盘。考虑梁本 身的质量m 2 ，利用瑞雷法求出梁的等效质量为p 2 1 m = m l + 磊1 7 胁2 ：0 5 1 3 k g k g ( 2 - 1 ) l + 嚣胁2 2 ) 粱的惯性矩为 ，：譬：4 9 0 9 1 0 。m 4 ( 2 2 ) 6 4 、7 刚度为 七：4 8 e 广i ：5 0 8 1 0 0 8 1 0 4 。m ( 2 3 )露2 下。，“q 3 ) 转子的临界圆频率为 - 。= 4 k m = 3 1 4 7 r a d s( 2 4 ) 转子的临界转速为 , _ - 6 0 翌= 3 0 0 5 ，m i n ( 2 - 5 ) 2 兀 本实验装置选取了6 0 0 0 r m i n 转速的电机。因此该临界转速值能够满足实验要 求。 ( 2 ) 转轴强度校核 在转子实验台运转的过程中，转子会受到偏心质量引起的离心力和碰摩时的冲 击载荷。如果转轴的强度不够，会使转轴发生永久性变形，从而使实验台报废；而 且由于转子的转速很高，如果其强度得不到保证会对实验人员造成安全隐患。 在进行强度校核时，将转轴简化为中间受一集中载荷的简支梁。离心力和碰摩 力都无法预知，选取当转盘位置挠度为3 m m 时对应的载荷值进行校核。在第五章 的实际测量中发现，转子挠度的最大值远远小于l m m ，选择3 r a m 挠度对应的载荷 值进行校核是安全保守的。 当挠度为3 r a m 时，中间位置的载荷 f ：劈：，f 1 4 8 e 广：1 5 2 5 n ( 2 - 6 ) 轴的抗弯截面系数 矽：嬖：9 8 1 8 1 0 4m3(2-7) 3 2 轴的最大弯矩为 华北电力大学硕士学位论文 m=if(2-8) 则最大应力为 = 等= 另= 1 7 s m p a ( 2 - 9 )2 可2 万8 a 该最大应力值小于许用应力3 5 5 m p a ，因此转轴能够满足强度要求。 ( 3 ) 轴承设计计算3 3 】 本轴承采用的润滑方式使轴承在相对运动表面难以产生一个完全的承载油膜， 轴承只能在混合摩擦润滑状态下运行。在工程上，这类轴承常以维持边界油膜不遭 破坏为设计的最低要求。设计时，通常是对轴承的平均压力p 、滑动速度矿和轴承 的p v 值进行验证。 在计算时，电机转速一取其最高转速6 0 0 0 r m i n ；径向载荷仍按转轴中间位置产 生3 r a m 挠度值时的工况计算，则单个轴承受的径向载荷尼为7 6 2 n 。轴承的平均 压力为 p 2 云。0 6 4 m p a ( 2 - l o ) 滑动速度为 v - 而a f f n = 3 1 锄s ( 2 - 1 1 )6 0 1 0 0 0 p v 值为 p v = 2 o o m p a m s ( 2 - 1 2 ) 轴承材料选择的是z c u a l l 0 f e 3 ，其压力最大许用值为1 5 m p a ，滑动速度最大许用 值为4 m s ，p v 值最大许用值为1 2 m p a m s 。因此轴承的设计能够满足需要。 通过计算表明，初选的实验台的核心参数是能够满足实验需要的，并最终在这 些参数的基础上确定了轴承支座、底座等其它零件的结构参数。 2 1 3 碰摩装置设计 在转子碰摩的过程中，运行条件和碰摩程度的不同会导致单点局部碰摩、多点 局部碰摩和整周碰摩等不同形式。在这里设计了模拟单点局部碰摩情况的实验装 置。碰摩的定子部分采用耐摩的铜棒，以保证转子不被损伤；铜棒通过螺纹孔固定 在支架上，以便通过螺纹连接调节转子和定子间的间隙，以模拟不同程度的碰摩； 铜棒与转子碰摩的一端加工成球面，保证两者为单点碰摩；为保护转轴，碰摩位置 选在圆盘上；在实验过程中需要用电涡流传感器获取圆盘的振动信号，由于实验台 9 华北电力大学硕士学位论文 设计的比较紧凑，为充分利用空间，这里将传感器支架与碰摩装置设计为一个整体。 碰摩装置的具体结构如图2 2 所示。 图2 - 2 碰摩装置结构图 2 1 4 转子实验台电机和调速器选择 为了研究转子在不同转速下的碰摩情况，实验过程中需要连续可调的较高转 速。直流电机具有调速范围广、调速平滑、机械特性较硬等优点1 3 4 1 ，因此转子采用 直流电机驱动。这里选择了山东微特电机厂生产的7 0 z y t 5 8 型号的永磁直流电动 机。该电动机配合直流调速器，可以实现无级调速。其主要技术参数为：最高转速 6 0 0 0 r r a i n ，转矩1 9 1 m n m ，功率1 2 0 w ，电压1 1 0 v ，电流不大于1 6 a 该直流电机采用改变其电源电压的方式进行调速，选择了配套的d m c l 型直 流电机调速器。该直流电机调速器电流可调，并且有过压过载保护，尤其适合永磁 式或他励式中小功率直流电机使用。其主要技术参数：输入电压2 2 0 v a c ，输出电 压o 1 8 0 v d c ，适配功率4 5 0 0 w 。 该直流调速器的面板中有一数字显示面板和几个接线端子。数字显示面板用于 实时地显示输出的直流电压值。两个电源端子用于接入外部2 2 0 v 交流电源；电枢 电压输出端子输出直流电源，该端子对应连接直流电机的电枢；转速控制用的三个 接线端子分别接电位器的三个端子，旋转电位器可以调节输出端子电压从而调节电 机的转速。因此该调速器可以方便的对电机进行调速，并能通过数字显示面板实时 显示的输出电压值估算电机的转速 1 0 华北电力大学硕士学位论文 2 2 数据采集硬件配置 转子碰摩模拟实验台不仅要模拟出定子与转子的碰摩故障，而且还要对碰摩信 号进行测试分析。本节在分析转子碰摩故障信号的基础上确定了要监测的振动信 号，构建了基于虚拟仪器思想的整体测试方案，并配置了相关的硬件。 2 2 1 基于虚拟仪器的整体测试方案 2 2 1 1 虚拟仪器的概念及优点 虚拟仪器( v i r t u a li n s t r u m e n t ) 的概念是由美国国家仪器公司( n a t i o n a l i n s t r u m e n t s ) 最先提出的p ”。虚拟仪器基于计算机的软硬件测试平台，它可代替传 统的示波器、逻辑分析仪、信号发生器、频谱分析仪等测量仪器，可集成于自动控 制、工业控制系统之中，也可自由构建成专有仪器系统。虚拟仪器是智能仪器之后 的新一代测量仪器。 虚拟仪器的核心技术思想是“软件即是仪器” 3 6 , 3 7 。该技术把仪器分为计算机、 仪器硬件和应用软件三部分。虚拟仪器以通用计算机和配备标准数字接口的测量仪 器为基础，将仪器硬件连接到各种计算机平台上，直接利用计算机丰富的软硬件资 源，将计算机硬件和测量仪器等硬件资源与计算机软件资源有机的结合起来。 虚拟仪器是基于计算机的功能化硬件模块和计算机软件构成的电子测试仪器。 软件是虚拟仪器的核心，其中软件的基础部分是设备驱动软件，而这些标准的仪器 驱动软件使得系统的开发与仪器的硬件变化无关。这是虚拟仪器最大的优点之一， 有了这一点，仪器的开发和换代时间将大大缩短。由于虚拟仪器的模块化、开放性 和灵活性，以及软件是关键的特点，当用户的测试要求变化时可以方便地由用户自 己来增减硬、软件模块，或重新配置现有系统以满足新的测试要求。这样，当用户 从一个项目转向另一个项目时，就能简单地构造出新的虚拟仪器系统而不丢失己有 的硬件和软件资源。因此虚拟仪器具有传统仪器无法比拟的灵活性。 鉴于虚拟仪器的各种优点，本实验系统也基于虚拟仪器的思想构建，使用传感 器和数据采集卡完成碰摩信号数据的采集，而对于数据的分析处理则在数据采集分 析软件中实现。 2 2 1 2 整体测试系统方案确定 在转子动静碰摩的过程中会伴随着各种物理现象。转子振动信号中包含了系统 丰富的状态和故障信息。当发生碰摩时，振动信号的时域波形、频率结构发生变化， 振幅转速曲线形状、转予的轴心轨迹形状也会改变【3 8 】。 华北电力大学硕士学位论文 金属材料或结构受外力或内力作用变形或滑移时以弹性波形式释放应变能的 现象称为声发射【2 】。碰摩产生的声发射信号能量很强并且随摩擦程度加剧而增强， 其所占频带也很宽但是，声发射特性对材料很敏感，且易受到机电噪声的干扰。 碰摩时的冲击和摩擦现象还会引起噪声声级的异常改变，特别是噪声频谱特性 向高频转移的异常改变。另外当碰摩发生时在碰摩位置的压力和温度也会发生改 变。 总之，在转子系统动静碰摩过程中，会产生振动、声发射、噪声和温升等现象。 但是对于旋转机械而言，振动信号是最为重要的诊断信息来源。振动信号中不仅包 含了丰富的状态和故障信息，而且从测试手段来看，其测试方法简单、方便、实用。 利用振动信号对转子系统的状态进行监测是目前在国内外最为普遍的一种方法【2 1 。 因此在本系统中也主要是对碰摩过程的振动信号进行采集和分析。 振动是一个矢量，为了确切的表示它，不仅要测量振动的幅值大小，还要测量 它的相位。旋转机械振动测量中的相位是针对某一基准信号检相信号而言的， 即振动波形上某一点与检相信号之间的关系。 和其他振动测量不同的是，转子系统振动测量中转速是一个和振幅、相位同等 重要的物理量。转子振动现象和转子转速有不可分割的密切关系，升降速瞬态过程 中的振动分析、动平衡、频谱分析等都必须要有转速量。 因此，数据采集系统要实现转子系统振动信号、检相信号和转速信号的采集。 这里通过石英加速度传感器采集轴承支座的振动信号，通过电涡流位移传感器采集 转子的位移振动信号，并通过光电传感器采集转子的转速及检相信号。最终确定并 设计的整体测试方案如图2 3 所示。 苴褥 陌英加速度传感器情号调理卜一甄 流 转速 子 位移振动信号 据阡 调 控制 实 隐涡流位移传感器 - 情号调理卜-采擤 速睑 转速及检相信号 集 匹 器台 伍潭礤碡磊卜娟手羁前虱圭 2 2 2 数据采集卡的选择 图2 - 3 整体测试方案 由于计算机系统所能识别的信号只能是数字信号，而振动信号经传感器和放大 器输出的信号为模拟信号，因此必须经过离散化和数字化才能被计算机识别并进行 分析处理。数据采集卡就是实现这一任务的转换单元，它在整个虚拟仪器测试技术 华北电力大学硕士学位论文 中起着承前启后的关键作用。 目前，计算机与数据采集部分的连接除利用计算机内各种总线的插卡外，多采 用并口或串口方式。但是，串口方式速度太慢，并口方式虽然速度较快，但不足之 处是中断方式时，优先级较低，将影响系统的实时显示和在线采集分析功能，且采 集卡和打印机不能同时使用。最近几年迅速发展起来的u s b 接口方式克服了串、并 口采集方式的上述缺点，并且现在的计算机已经将u s b 作为标准配置，且大部分计 算机有不止一个u s b 接口，这几个u s b 口可以同时使用但不会相互干扰。 鉴于u s b 接口具有其它接口形式无可比拟的优点，所以本系统选用美国d a t a t r a n s l a t i o n 公司的d t 9 8 0 0 系列的数据采集卡，它具有体积小、支持热拔插和工作 可靠等优点，其主要的性能和技术指标如下； ( 1 ) 模拟电压输入范围：士1 0 v ( 2 ) a d 转换分辨率：1 6 位 ( 3 ) 模拟输入通道数：1 6 路单端8 路双端模拟信号输入 ( 4 ) 模拟输出通道数：2 路单端 ( 5 ) 数字输入输出：各8 路 ( 6 ) 最大采样率：l o o k h z 。 2 2 3 传感器的选择 传感器是感受物体运动并将物体的运动转换成模拟电信号的一种灵敏的转换 元件。本系统选用了石英加速度传感器、电涡流位移传感器和光电传感器。选择传 感器时主要考虑了如下一些选用原则【3 9 删： ( 1 ) 传感器有较高的灵敏度。因为灵敏度越高，意味着传感器所能感知的变化量 越小，被测量稍有一微小变化，传感器就有较大的输出 ( 2 ) 传感器具有较大的线性范围。线性范围越宽，则表明传感器的工作量程越大 传感器工作在线性区域内，是保证测量精确度的基本条件。 ( 3 ) 在所测频率范围内，传感器的响应特性必须满足不失真测量条件。此外，实 际传感器的响应总有一定迟延，但总希望迟延时间越短越好在动态测量中，传感 器的响应特性对测试结果有直接影响，在选用时，应充分考虑到被测物理量的变化 特点。 ( 4 ) 传感器要有较高的精确度。传感器处于测试系统的输入端，因此，传感器能 否真实地反映被测量值，对整个测试系统具有直接影响 ( 5 ) 传感器可靠性要高。为了保证传感器应用中具有高的可靠性，事先须选用设 计、制造良好，使用条件适宜的传感器；使用过程中，应严格保持规定的使用条件， 华北电力大学硕士学位论文 尽量减轻使用条件的不良影响。 ( 6 ) 充分考虑传感器实际条件下的工作方式。例如，接触与非接触测量、在线与 离线测量等，也是选用传感器时应考虑的重要因素工作方式不同对传感器要求亦 不同。 2 2 3 1 电涡流位移传感器 电涡流位移传感器是一种利用电涡流原理测量金属表面相对于传感器头部距 离变化的非接触式传感器。其结构核心是一个固定在框架上的扁平圆线圈，感应线 圈与高频电缆相连，当被测金属表面与传感器之间的距离发生变化时，则由测量线 路输出的电压也随之变化。电涡流位移传感器检测到的信号叠加在线圈的高频电源 上，如果直接将这种混频信号送到采集卡会使传感器的灵敏度显著降低，而且易受 到干扰。为防止这些不利的影响，必须在电涡流传感器附近设置检波电路和放大器 即前置器，将振动信号检出并放大。 电涡流位移传感器的灵敏度高、线性范围大、频率范围宽( 0 1 0 k h z ) 、结构尺 寸小、抗干扰能力强、不受介质影响。由于高速旋转机械的转子表面具有很高的切 线速度，所以用接触式传感器难以实现振动的接收。电涡流位移传感器利用转轴表 面与传感器探头端部的间隙变化来接收振动，从而避免了与转轴表面的直接接触， 适合转子振动的测量。 在本系统中选用北京测振仪器厂生产的电涡流传感器及配套的前置器，该传感 器具有较高的性价比。其主要参数有：探头型号8 5 8 1 1 ，前置器型号8 5 7 4 5 ，标定的 金属为4 5 # 钢，总电缆长度5 m ，间隙电压一l l v ，灵敏度8 m v um ，量程2 m m ，探 头直流电阻4 0 。 2 2 3 2 石英加速度传感器及电荷放大器 压电式加速度传感器是一种绝对式测量的惯性式振动传感器，它是以压电晶体 受力后在其表面产生电荷的压电效应为转化原理的传感器。它有两个压电晶体片， 压电片上放一较重的质量块，质量块事先用硬弹簧压住，保证在一定的振动值下不 会相互分离。将整个系统放置在具有厚底的金属壳中，晶体片的电荷通过导线引出。 当把这样的装置固定到振动物体上时，由于物体振动面产生加速度，质量块在压电 晶体上产生一交变作用力。压电晶体输出的电荷与作用在晶体片上的力成正比，这 样传感器输出的电荷与振动加速度成正比。 压电式加速度传感器输出的是电荷信号，而且比较微弱，不能直接被数据采集 卡采集，所以需要用信号放大器将较弱的电荷信号转化成较强的能被数据采集卡采 集的电压信号。实际中与压电式传感器配套的前置放大器可用电压放大器或电荷放 1 4 华北电力大学硕士学位论文 大器，但使用电压放大器时，由于加速度计电压灵敏度随引线长度改变而改变，给 测试带来不便，而使用电荷放大器则不存在此问题，因此普遍采用电荷放大器作为 压电式传感器的测量放大电路。电荷放大器是一种输出电压与输入电荷量成正比的 放大器，它的核心是一个具有电容负反馈，且输入阻抗高的高增益运算放大器，另 外电荷放大器上还具有低通滤波器和可调节放大倍数的适调放大器。 压电式加速度传感器具有使用频率范围宽，测量范围大，附加重量小，灵敏度 高等优点。压电式传感器的压电晶体可采用多种材料，石英晶体有较好的稳定性， 因此石英加速度传感器被广泛采用。 在本系统中选用了瑞士奇石乐公司生产的8 7 7 6 a 5 0 m 3 型号的石英加速度传感 器。该传感器的主要技术参数有：测量范围5 0 9 ，灵敏度1 0 5 6 m v g ，共振频率 3 8 0 k h z 。与该加速度传感器配套的电荷放大器采用同一公司生产的多通道信调仪， 该信调仪应用于低阻抗压电传感器，4 通道，模拟输出范围1 0 v ，具有增益调节、 滤波、偏值等功能。 2 2 3 3 光电传感器 光电传感器是种能发射光电信号并能接收，然后给出接收脉冲电信号的传感 器。它可用于检测直接引起光电变化的非电量，如强光、光通量、辐射温度等；也 可用来检测能通过敏感元件等转换为光电变化的其它非电量，如物体的几何尺寸及 形状、表面状态、应变、位移、振动、转速等。光电式传感器具有非接触、响应快、 性能可靠、结构简单等特点，在振动测试技术和工业自动化装备中获得了广泛应用。 使用光电传感器获得检相信号是最常见和较方便的一种方法。 使用光电传感器时在转轴上贴上宽1 0 r a m 左右的黑胶带，将光电传感器的发射 接收1 ：3 对准该部分轴段，并调整好距离。当转轴旋转时，光电传感器发射出的红外 线在有黑胶带的部位被吸收，在没有黑胶带的部位被反射并被光电传感器接收，这 样光电传感器就会输出两种电压，产生检相信号。其示意图如图2 - 4 所示。 图2 - 4 光电传感器使用示意图 1 5 华北电力大学硕士学位论文 第三章转子振动信号分析处理技术 对转子碰摩进行实验研究时，需要借助各种丰富的分析方法分析其振动规律和 故障特征。本章对转子振动信号分析处理技术的基本原理及算法进行分析，是开发 数据采集分析软件的基础。 3 1 振动信号时域分析 3 1 1 振动信号的时域统计分析 主要时域统计参数有峰值、均值、方差、均方根值等。 峰值指波形上与零线的最大偏离量，在考核机械强度时，尤其是低频段，结构 的破坏直接与峰值有关，其表达式为： x ，爿x ( t ) l 雎( 3 - 1 ) 在数字信号处理时，采用时域振动信号的数字序列峰值作为其峰值的估计： 童，= m a x 硇2 ) )( 3 2 ) 均值圾表示集合平均值或数学期望值，它描述了振动信号的静态分量，其表达 式为： 叱= t 陆- 。三tj 广ox (r瑚(3-3) 在数字信号处理时，采用时域振动信号的数字序列均值作为其均值的估计。 蜘专荟x ( 3 - 4 ) 信号f ) 的方差表示信号偏离均值平方的均值，描述了随机信号在其均值附近 的分布情况，反映振动信号的波动分量。其表达式为： 2 = 般吾r ) 叱2 d t ( 3 - 5 )