（机械制造及其自动化专业论文）旋转机械状态监测传感器布置与信息融合方法研究.pdf

中文摘要 旋转机械状态监测传感器布置与信息融合方法研究 研究生姓名：张怡 导师姓名：贾民平教授 学校名称：东南大学 旋转机械是现代工业生产的关键设备，正朝着火型化、高速化和自动化的方向发展。若发生故 障将造成巨人的经济损失甚至人员伤亡，因此，有必要在旋转机械中布置人量的传感器进行状态监 测，实现故障的预防和识别。旋转机械状态监测和故障识别是一个系统工程，涉及传感器的选择和 安装、信号的采集以及信息的有效提取和综合利用。 本文首先简要分析旋转机械状态监测传感器，主要是振动传感器的类型和选择方式。随后从转 子轴承系统的结构出发，分析油膜系数对转子振动特性的影响，提出振动传感器径向位置的选择 策略。根据转子响应中模态叠加法的基本理论，阐述了依据t 作转速和主要振犁进行振动传感器轴 向位置选择的方法，并列举实例进行说明。另外，还分析了联轴节对多跨转子系统动态振动特性的 影响，提出刚性联轴节连接状态下和挠性联轴节连接状态卜振动传感器布置方案。 其次，研究旋转机械中基于信息融合的故障识别方法。针对缓变信号多传感器数据级融合中， 恒窗长方差估计算法对噪声变化跟踪能力不强的缺点，提出了一种根据噪声变化白适应调整窗长的 方差估计算法。给出了对方差估计曲线突变段的寻找方式以及自适应窗长的选择策略。快变信号( 主 要是振动信号) 的特征级和决策级融合中，先考虑每个测点时间尺度上的融合，再综合不同的振动 测点信息在空间尺度上进行融合。单传感器时间尺度的融合中，提出基丁奇异谱熵、功率谱熵和近 似熵三种熵度量的约简方法对振动信号特征进行提取和约简，一方面人人减少了信号的特征数目， 另一方面可以全面挖掘和提取信号的深层信息。在此基础上，进一步研究分级概率神经网络在多传 感器信息融合系统中的应用。 最后，应用文中提出的状态监测传感器布置策略在转子实验台上进行了不平衡、碰摩和不对中 三种故障实验，得到大量故障数据。将前文提出的信息融合结构和方法用在转子实验台的故障分类 和识别中，有效的提高了识别精度，具有较好的适用性。 关键词：旋转机械，传感器布置，信息融合，熵 a b s t r a c t r e s e a r c ho ns e n s o ra r r a n g e m e n ti nc o n d i t i o nm o n i t o r i n go ft h e r o t a t i n gm a c h i n e r ya n di n f o r m a t i o nf u s i o nm e t h o d b y z h a n g s u p e r v i s e db yp r o f e s s o rj 认m i n - p i n g s o u t h e a s tu n i v e r s i t y t h er o t a t i n gm a c h i n e r yi st h ek e ye q u i p m e n ti nt h ei n d u s t r i a lp r o d u c t i o n m o d e mr o t a t i n gm a c h i n e r y d e v e l o p e do nt h et r e n do fl a r g es i z e ，h i g hs p e e da n da u t o m a t i o n am a l f u n c t i o no ft h er o t a t i n gm a c h i n e r y c a nc a u s cg r e a te c o n o m i cl o s sa n dc a s u a l t y , s oi ti sn e c e s s a r yt op l a c en u m e r o u ss e n s o r sf o rc o n d i t i o n m o n i t o r i n gi no r d e rt op r e v e n ta n di d e n t i f yf a i l u r e s t h ec o n d i t i o nm o n i t o r i n ga n df a i l u r ei d e n t i f i c a t i o no f t h er o t a t i n gm a c h i n e r yi sas y s t e m i ce n g i n e e r i n gw h i c hi n v o l v e ss e n s o rs e l e c t i o na n di n s t a l l a t i o n ，s i g n a l a c q u i s i t i o na n dc o m p r e h e n s i v eu t i l i z a t i o no fi n f o r m a t i o n v i b r a t i o ns e n s o rt y p e sa n ds e l e c t i o nm e t h o d si nc o n d i t i o nm o n i t o r i n go ft h er o t a t i n gm a c h i n e r ya r e a n a l y z e d t h er o t o rv i b r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c si n d u c e db yt h es q u e e z ef i l mi ss t u d i e da n dt h es t r a t e g yo f c h o i c ef o rr a d i a lp o s i t i o n so fv i b r a t i o ns e n s o r si sp r e s e n t e d o nt h em o d es u p e r p o s i t i o nm e t h o di nr o t o r d y n a m i cr e s p o n s e s ，t h es t r a t e g yo fc h o i c ef o ra x i a lp o s i t i o n so fv i b r a t i o ns e n s o r si sp r e s e n t e dw i t hat y p i c a l e x a m p l e m e a n w h i l et h ed y n a m i cv i b r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fm u l t i - b e a r i n gs y s t e mi n d u c e db yc o u p l i n g s a r ef o u n da n dt h ev i b r a t i o ns e n s o rp l a c e m e n ti nm u l t i b e a r i n gs y s t e mw i t hr i g i dc o u p l i n g sa n df l e x i b l e c o u p l i n g si si l l u s t r a t e d t h em e t h o do fs e n s o rf u s i o na n df a i l u r ei d e n t i f i c a t i o ni ss t u d i e d i ni n f o r m a t i o nf u s i o no fs l o w g o i n g s i g n a l ，i no r d e rt os o l v et h ed i s a d v a n t a g et h a tt h ev a r i a n c e - e s t i m a t i o na l g o r i t h mb a s e do nt h ec o n s t a n t w i n d o wl e n g t hc a nn o tf o l l o wn o i s e c h a n g e sa c c u r a t e l y i nm u l t i s e n s o rd a t a f u s i o n ，an e w v a r i a n c e - e s t i m a t i o na l g o r i t h mi sp r o p o s e d ，b a s i n gt h ea d a p t i v ew i n d o wl e n g t ha c c o r d i n gt on o i s ec h a n g e s t h ea p p r o a c ht of i n dj u m ps e c t i o n so ft h ev a r i a n c e - e s t i m a t i o nc u r v ea n dt h ea d a p t i v ew i n d o w - c h o i c e s t r a t e g ya r ep r e s e n t e d t h ea p p r o a c hc a nf o l l o wn o i s ec h a n g e so fs e n s o r sm o r es e n s i t i v e l ya n d b e i n d e p e n d e n to ft h ei n i t i a lw i n d o wl e n g t h i ni n f o r m a t i o nf u s i o no nf e a t u r el e v e la n dd e c i s i o nl e v e lo f f a s t g o i n gs i g n a l ，t h es i n g l es e n s o rd a t ai sp r e l i m i n a r i l yf u s e do v e rat i m ep e r i o d ，t h e nt h ei n f o r m a t i o nf o r m v a r i o u ss e n s o r si sf u s e di nt h eo v e r a l lf u s i o nc e n t e r i nt h es i n g l es e n s o rf u s i o n ，s i n g u l a rs p e c t r u me n t r o p y , p o w e rs p e c t r u me n t r o p ya n da p p r o x i m a t ee n t r o p ya r er e s e a r c h e d t h ee n t r o p yi su s e da sam e t h o do f f e a t u r ee x t r a c t i o na n dd a t ar e d u c t i o nb e c a u s ei tc o u l dr e d u c et h ed i m e n s i o n so fs i g n a lf e a t u r e sa sw e l la s m i n ei n f o r m a t i o nm o r ec o m p r e h e n s i v e l y f u r t h e r m o r e ，t h ea p p l i c a t i o no fh i e r a r c h i c a lp r o b a b i l i s t i cn e u r a l n e t w o r k si nm u l t i - s e n s o rf u s i o ns y s t e mi ss t u d i e d t h es e n s o rp l a c e m e n ts t r a t e g yi sa p p l i e di nr o t o r - b e a r i n gs y s t e ma n du n b a l a n c ef a u l t m i s a l i g n m e n tf a u l t a n dr u b b i n gf a u l ta r es i m u l a t e dw h e nn u m e r o u sd a t aa r eo b t a i n e d t h es e n s o rf u s i o ns t r u c t u r ea n dm e t h o d p r e s e n t e da r eu s e dt oc l a s s i f ya n di d e n t i f yt h ef a u l t so fr o t o r - b e a r i n gs y s t e mw h i c hi m p r o v et h e i d e n t i f i c a t i o na c c u r a c ye f f e c t i v e l y k e yw o r d s ：r o t a t i n gm a c h i n e r y , s e n s o rp l a c e m e n t , i n f o r m a t i o nf u s i o n ，e n t r o p y i l 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它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。 研究生签名：丛主鱼 e t 期：纠：生苎c | 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 研究生签名：丛丝导师签名：嘞出 、 1 日 期：华 第1 章绪论 1 1 课题研究背景及意义 第1 章绪论 机械设备中大部分都是旋转机械，它覆盖了电力、化工、冶金、机械制造等重要工程领域。旋 转机械运行速度一般较高，且往往是工厂的关键设备，如发电机、汽轮机、鼓风机、大型轧钢机等， 其工作状态不仅影响该机器设备本身的安全稳定运行，而且还会对后续生产造成直接影响，故障严 重时会造成重大经济损失，甚至机毁人亡的事故，因此对故障诊断技术的要求更加迫切。为保证机 组安全运行，降低机组维修费用和提高机组利用率，大型旋转机械的状态监视与故障识别越米越受 到研究者和j 二业部门的重视l jj 。 在高速旋转机械的状态监测过程中，可用于状态识别的信息很多，包括振动、温度、压力、声 响、位移、扭矩和变形等。由于转子、轴承、壳体、联轴节、密封和基础等部分的结构及加工和安 装方面的缺陷，使机器在运行时引起振动，过大的振动义往往是机器破坏的主要原| 天l ，所以旋转机 械的振动测量监测和分析非常重要。又由于振动参数比起其它状态参数，例如润滑油或内部流体的 温度、压力、流量或电机的电流等更能直接、快速、准确地反映机组运行状态，所以一般把振动作 为对机组状态进行监测和识别的主要依据。 目前国内外对旋转机械状态监测和识别有许多研究，但对于高速旋转机械，在一些关键环节上 还存在着空白和问题。比如，由于旋转机械结构的庞大性和系统的复杂性，可以进行测量的状态景 和机组可能发生的故障众多，故障之间的传递关系复杂，如何合理选择传感器的类型，评判各传感 器安装位置的优劣，最终制定一套全面而完善的传感器布置方案，是降低监测系统成本，提高信息 检测效率的关键问题。而现在国内外很少有相关研究和文献报道。 旋转机械中，各类传感器采集的信号从不同方面反映了机械的运行状态，机械的振动量更是能 反映被监测状态的状况。这些传感器收集的信息直接用于后续设备运行状态的监测和判别。但是， 从信息角度而言，这些信息中存在着冗余性和互补性，大量的数据，尤其是振动信号这类快变数据 更是对设备的监测和识别过程提出了挑战。因此，有必要对传感器网络获取的信息进行进一步的融 合处理，挖掘更深层次，更为准确的信息，从而提高信息利用率，及时有效的识别机械的运行状态， 发现故障。 1 2 传感器布置研究现状 在过去的二十年中，人们已经意识到传感器的布置在信息获取及处理中的重要作用，很多文献 已经对传感器的选择和测点布置展开了研究，主要有以下一些方法： ( 1 ) 数学规划法 状态监测中，传感器本身存在一定的故障概率，由于各种传感器的故障概率不同，每个变量对 故障检测的可靠性影响也不同，文献 2 】利用d g 图，提出一种优化的传感器的选择。文献 3 】利用概 率s d g 模犁描述大规模复杂系统故障检测可靠性问题，针对系统中每种传感器的不同故障概率，分 析传感器的选择和分布对故障检测可靠性的影响，提出了在有限资源下传感器分布的算法。文献4 1 在分析传感器故障概率对测试系统故障检测效能的影响的基础上，以传感器的故障概率和最小及传 感器总价格最小为优化目标，以故障检测率、故障隔离率及虚警率为约束，构建了传感器布局多目 1 东南大学硕十学位论文 标优化的非线性整数规划模趔。然而，由于传感器本身的故障概率和系统的故障概率很难获得，上 述理论方法很难得到实际应用。 ( 2 ) 信息熵法 文献【5 】提出利用模型参数的不确定度信息熵来进行传感器布置。文献 6 8 】利用信息论建立 了描述多传感器之间关联特性的数学模型，定义了传感器之间的互补度和冗余度，以此剔除冗余度 较高的传感器。但在特征层融合之前，已有的关联程度计算结果不稳定，而且互补度与冗余度的阈 值都是靠人为经验确定的，缺乏理论依据。 ( 3 ) 有效独立法 文献 9 1 0 】提出了基于应变模态保证准则的有效独立法，它从所有可能的待选测点出发，按照测 点对f i s h e r 信息矩阵的贡献排序，通过迭代，逐步删除对信息矩阵贡献最小的传感器，保留有效 独立量相对较大的传感器实现大型结构中的传感器布置。以上方法主要用于静态结构损伤的监测和 诊断中。文献【1 1 1 3 】分析了滚动轴承故障信号的传播路径，从提高传感器信号的信噪比出发，利用 有效独立法，把f i s h e r 信息矩阵中的结构模态信息用传感器对故障信号和环境噪声信号测量的信 噪比信息代替，通过保留相对较大的e w 值所对应的传感器，寻找信噪比最高的传感器测点，提高 对滚动轴承故障的监测质量。但文中只在滚动轴承的一种故障一滚珠损伤状态下进行了振动传感器 布置的研究。 到目前为止，旋转机械状态监测中传感器的安装基本上都是约定俗成的，对传感器安装策略的 全面分析和研究较少，相应的文献报道也不多见。 1 3 信息融合技术研究现状 信息融合是人类或其他逻辑系统常见的基本功能。人非常自然地运用这一能力把来自人体各个 传感器( 眼、耳、口、鼻、四肢) 的信息( 景物、声音、气味、触觉) 组合起来，并使用先验知识 去估计、理解周围环境和正在发生的事件。由于人类感官具有不同的度量特征，因而可以测出不同 空间范同内的现象i 把各种信息或数据转换成有价值的解释，需要人量不同的智能处理，以及适用 于解释组合信息含义的知识库i i 引。 基于传感器信息整合意义的融合一词最早出现在上世纪7 0 年代末，并于8 0 年代发展为一门专 门技术【”】。信息融合的本质是对来自不同信息源的信息进行处理以获得更高质量的信息。最初的信 息融合技术主要应用于军事领域的雷达目标识别系统，后米逐渐推广到其他领域，如制造状态监测、 故障诊断、机器人、遥感以及医学等研究领域。信息融合一般分为三个层次：分别是数据层融合， 特征层融合和决策层融合。目前对于信息融合的研究主要集中在融合算法和融合结构两个方面。 融合算法分为基于统计的融合方法和基于信息论的融合算法i l 6 j i l 7 1 。 ( 1 ) 基于统计的融合算法：基于统计的融合算法主要包括经典的加权算法、贝叶斯法和证据理 论法【1 8 】。加权融合算法是多传感器数据级融合中最基本，也是最常用的算法。算法的核心在丁二从所 测得的数据中估计出传感器的测量方差，得到传感器的权数后对测量数据进行加权平均便可获得更 佳的融合效果。常见的测量噪声确定的方式有最小二乘法【l 引、奇异值分解法1 2 u j 和方差估计法【2 l j 等。 贝叶斯法有较为严格完善的理论1 2 2 1 ，可以有效的进行多源信号的信息融合，但是贝叶斯法需要知道 先验概率，在实际设备中，这种先验概率很难获得，因此贝叶斯法也具有一定的局限性。证据理论 法不需要贝叶斯估计中所需的先验信息，用“区间估计”代替“点估计”，在区分不知道与不确定方面 显示出较大的优越性，广泛应用于决策级融合。 ( 2 ) 基于信息论的融合算法：基于信息论的融合算法主要包括聚类分析法和神经网络法等。聚 类分析是按照事先指定的相似标准和特征把观测信号分为一些自然组或聚集，再把自然组与目标预 测类犁进行相关和相似分析。神经网络则是对数据进行实时融合的一种有效的处理技术，它模拟了 人的神经系统对信息的认知功能，采用并行结构和并行处理机制，在故障识别中具有很强的容错性 2 第1 章绪论 和自学习、自组织以及自适应的能力【2 3 1 。但基于信息论的融合算法很多是以信号的频率特性为特征 量，是一种定性的特征量融合。 在融合结构中，主要是研究各种融合算法的组合和各种融合层次的组合。文献 2 4 】将小波熵和 证据理论相结合，即将信息论和证据理论的优势相结合，对电力系统故障进行了诊断。文献【2 5 】和 2 6 】 采用分层神经网络进行信息融合，先用子神经网络对信号进行局部融合得到局部决策，再对这些局 部决策进行全局融合，取得了较好的应用效果。文献 2 7 2 8 提出一种分级自适应的多传感器数据融 合方法，融合不同测点的振动频率特征，从而判断转子的运行状态，但文中只用到了信号在频域上 的一种表征，未能多方面挖掘和利用振动信号所蕴含的深层次信息，在一定程度上会影响状态识别 的精度。文献 2 9 3 3 通过研究旋转机械振动信号的全息谱，实现了转子截面和x 和y 两个方向振动 信号的融合，并把全息谱引入了起停分析。文献 3 4 3 9 把矢量谱技术引入转子系统，综合考虑振动 信号的幅值信息和相位信息，实现了转子同一截面和不同截面振动信号的进行融合，并进行了一系 列谱分析，从而实现转子系统的故障诊断。但全息谱和全矢谱需要事先在旋转机械的各个截面嵌入 大量的振动传感器，在实际的旋转设备中会受到很多限制，而且也不够经济。 1 4 论文的研究工作和主要内容 按照旋转机械监测系统中的具体流程，本论文从状态监测系统传感器的布置为出发点，研究了 振动传感器的选择和分布策略，并在此基础上进行了多传感器信息融合技术的研究和探讨。全文共 分为五章，各章内容如下： 第1 章介绍旋转机械状态监测和识别的重要性，状态监测传感器布置和信息融合在旋转机械状 态监测中的关键作用以及研究现状。 第2 章阐述旋转机械中常用传感器的种类和基本选取准则。重点论述了典型旋转机械结构中轴 振传感器径向布置对振动测量量的影响，轴振传感器沿轴向测点布置的选择，并通过分析联轴节对 多跨旋转系统振动特性的影响，讨论了多跨转子系统振动传感器布置中应该注意的相关问题。 第3 章介绍旋转机械典型故障的故障机理和主要征兆，主要分析了旋转机械中常见的三种故 障：不平衡、不对中和碰摩三种故障的产生原因和表现特征。针对旋转机械不同监测量的特征，研 究了：( 1 ) 缓变信号基于自适应窗长的方差估计融合算法。( 2 ) 振动信号基于熵特征和概率神经网 络的融合算法，在此基础上提出综合考虑单传感器时间级融合和多传感器空间级融合的融合结构。 并分别用仿真数据进行了论证。 第4 章旋转机械状态监测传感器布置和信息融合方法的应用。在转子实验台上按照第二章提出 的传感器布置策略进行测点布置，进行了不平衡、不对中和碰摩三种故障实验，得到大量故障实验 数据，运用第3 章提出的融合算法和结构进行了状态识别。 第5 章对全文的研究内容和成果进行总结，并提出进一步需要解决的问题。 3 东南大学硕士学位论文 第2 章旋转机械状态监测传感器布置理论与方法研究 旋转机械的状态监测中，可用于监测的物理量很多，包括振动、温度、压力和变形等。从监测量 的性质上进行分类，振动属于典型的快变信号，而温度、压力和变形属于典型的缓变信号。 旋转机械的主要构成部件包括转子、支撑转子的轴承、定子、机壳，此外还有一些附属部件等。 由丁旋转机械各部件在结构制造、装配和安装等方面的问题，使旋转机械在运行时引起振动，而过火 的振动义是机器破环的主要原因，因此对旋转机械的振动测晕、监视和分析非常重要，振动信号可以 从时域、频域等方面综合反应机器的运行状态。冈此本章重点讨论旋转机械振动状态监测传感器的布 置问题。研究振动传感器类型的选择，全面而详细的分析各振动测点位置的振动特性，提出相应的振 动传感器布置策略和方案。 2 1 旋转机械振动传感器类型的选择 振动传感器的基本功能是将振动信号转换成电信号。目前用得比较多的振动传感器主要有三种： 电涡流位移传感器、磁电式速度传感器和压电式加速度传感器。 ( 1 ) 电涡流位移测振传感器 电涡流传感器的原理为【1 j ：当金属板置于变化磁场中或者在磁场中运动时，在金属板中产生感应 电流，这种电流在金属体内是闭合的，所以称为涡流。涡流的大小与金属板的电阻率p 、磁导率， 以及金属板与线圈的距离、激励电流，角频率等参数有关，若固定其他参数，仅仅改变某一参数，就 可以根据涡流的大小测定该参数j 在电涡流何移测振传感器中，正是利用被测物体与线圈的距离x 作 为变换量进行测量，激励电流涡流传感器的输出与振动位移成正比。传感器与被测物体不接触，便可 以测量转动部件的振动。 电涡流位移测振传感器测量范围约为0 _ - 2 聊耽分辨率可达1u m 。此类传感器结构简单，安装方 便，振动测量频率范同较宽，能同时做静态和动态测量，抗干扰能力强，不受油污等介质的影响，在 监视诊断尤其是旋转机械的轴振动检测中应用十分普遍。 ( 2 ) 磁电式速度测振传感器 磁电式速度传感器的工作原理为：有一匝数为n 的线圈，当穿过该线圈的磁通量发生变化时， 感应电动势为 j e = 一行可 ( 2 - 1 ) 衍 、 可以看出线圈感应电动势的大小与线圈匝数1 7 和磁通量变化率有关。而磁通最变化率是磁场强度、磁 路磁阻及线圈的运动速度的函数。因此，当改变线圈的运动速度时，线圈感应电动势也得到相应的改 变。根据这个原理，可以做成磁电式速度测振传感器。当传感器被固定安装在被测的振动体上并与之 一起振动时，通过弹簧片，形成由线圈、阻尼环和芯轴组成的质量块与壳体之间的相对运动，线圈在 壳体与磁钢之间的间隙内对磁力线进行了切割，产生感应电动势，并从引出线输出感应电压信号，再 经放大器及电压表示波器，显示对应的振动速度值。 磁电式速度测振传感器可以做成绝对式和相对式的，安装简单，不需要外加电源，输出信号可以 不经调理放大即可远距离传送，这在实际的长期监测中十分方便。但为了让磁电式速度测振传感器可 4 第2 章旋转机械状态监测传感器布置理论与方法研究 以测量较低的频率，需要降低传感器的固有频率，所以磁电式速度测振传感器的体积和质量一般偏大， 而且这种传感器的灵敏度取决于弹簧片的机械强度和线圈的高频电感量的精度，在设计制造时，对弹 簧片的刚性和线圈的电感性要求很高。 ( 3 ) 压电式加速度测振传感器 压电式加速度传感器属于惯性式传感器，它是利用某些物质如石英晶体的压电效应丁作的。当受 到外力作用时，这些物质不仅几何尺寸发生变化，其内部还产生极化，形成电场，当外力撤消后，又 恢复原状，这种现象叫做压电效应。压电传感器可以看作是电荷发生器，它义是一个电容器，其电容 量可以按照下式计算， c ：堡遂 6 ( 2 2 ) 式中s 为材料的相对介电常数，万为极板间距，即品片厚度，彳为压电晶片工作面的面积。在压电式 传感器振动时，质量块加在压电元件上的力也随之变化。当被测振动频率远远低于加速度传感器的固 有频率时，力的变化与被测加速度成正比，因此，压电式传感器可以对振动加速度进行测量。如果施 加在品片上的外力不变，积聚在极板上的电荷无内部泄漏，外电路负载无穷大，则在外力作用期间， 电荷量将始终保持不变，直到外力的作用终止时电荷才消失。若负载不是无穷人，极板上的电荷无法 保持不变，从而造成测量误差。由于在动态测量时，动态信号变化快，漏电量相对比较小，故压电式 传感器适宜作动态测量。 压电式加速度振动传感器高频性能较好，而且具有体积小，质量轻，安装方便等突出特点。加速 度传感器可以用螺栓进行固定，可以用薄蜡粘在平整的被测表面上，也可以用手持的方式实现多点测 量，冈此使用场合较广。但加速度振动传感器灵敏度较低。 旋转机械的测振系统在选择传感器时既要考虑传感器本身的频率响应和动态范围，又要根据我们 所需要了解的状态参数和机械设备的具体结构来进行分析和选择【4 州。 当测量低频振动信号时，由于加速度的幅值可能微弱到与噪声相当的程度，此时用加速度振动传 感器进行测量，可能会因为信噪比较低而使得测量误差较大，这种情况下一般用位移振动传感器。而 测量高频振动信号时，一般采用加速度振动传感器。 当需要考察的是旋转机械运转中的惯性力对结构的破坏时，一般用加速度振动传感器进行测量。 当希望获取的参数为振动烈度时，宜作振动速度的测鼍。而需要监测旋转机械部件在振动中的位置变 化时，应选用涡流传感器作振动位移的测量。 旋转机械的转子通常是在壳体中运行的。不同的旋转机械，转子与壳体的比例不同，需要选用不 同的振动传感器，目的所选用的传感器的动态范围应与机械设备的振动频率范围相匹配。当机械设备 具有轻转子，且转子运行在较重的刚性壳体中时，转子产生的力大部分消耗在转轴与轴承之间的相对 运动上，转子对壳体的相对运动量较大，因此宜采用非接触式的电涡流传感器测量转轴与轴承之问的 相对位移。反之，如果机械设备具有较重的转子，而且运行于挠性较大的支承中时，转子产生的大部 分力消耗在整个结构的共同运动上，此时宜采用速度或加速度传感器来测量壳体振动。 综上所述，三种传感器的特性、优缺点和在旋转机械中的使用场合如卜表： 5 东南大学硕十学位论文 表2 - 1 三种传感器的比较 2 2 同一截面上振动传感器径向安装位置的研究 旋转机械结构的实质，是转子支承系统，一般包括圆盘、轴段、轴承和轴承座。这里仅考虑圆 盘、轴段和滑动轴承，用米确定振动传感器的径向位置。 6 第2 章旋转机械状态监测传感器布置理论与方法研究 2 2 1 轴承力的简化模型 在大多数情况下，轴承对于转子的动力特性有很明显的影响，轴承往往是阻尼的主要来源，冈而 对转子系统的响应起着非常重要的作用。滑动轴承的原理是：当轴颈在轴瓦中转动时，润滑油进入轴 颈和轴瓦之间的间隙形成油膜，而油膜的流体动压力使得轴颈有足够的承载能力。当轴颈在静平衡位 置上受到位移或速度扰动时，油膜作用在轴颈上的反力就发生变化，力的变化与扰动之间的关系一般 是非线性的。当扰动是微小量时，就可以把这种关系线性化。于是，滑动轴承的力学模型可以简化为 图2 1 。 ， 娴猫心 琴 图2 1 滑动轴承的力学模型 其中和c w 为垂直方向的刚度系数和阻尼系数，k 和为水平方向的刚度系数和阻尼系数，疋， k 和，c w 分别为交义刚度系数和交义阻尼系数，表示油膜在两个互相垂直方向的耦合作用。这些 参数可以参考轴承参数手册上的理论计算和实验测定两种方法得到，它们对转子在径向的动态响应有 重要影响。 根据滑动轴承力的等效和转子动力学的基本理论，可以得到转子系统的运动方程为【4 1 】： g 胁 k0 堋= 其中g = q ，】，g 和9 为转子所受到的外力，已经不含油膜力。利用上述运动方程直接求得转 子各点的振动响应非常困难。近年来，随着有限单元法的发展和相关软件，如a n s y s 、n a s t r a n 和a l g o r 等的出现，计算转子轴承系统的响应变得非常方便。 2 2 2 基于a n s y s 的轴承一转子建模与分析 ( 2 3 ) 有限元法是用于求解各类工程问题的数值计算方法 4 2 1 。应力分析之中的稳态、瞬态、线性或非线 性问题都可以用有限元方法进行分析。在机械结构的动力分析中1 4 3 州j ，利用弹性力学有限元法建立结 构的动力学模型，可以计算出结构的l 古l 有频率、振犁等模态参数以及动力响应。有限元法具有精度高、 适应性强和计算格式规范统一等优点，已经广泛应用于机械、航空、汽车、船舶、土木等许多领域。 有限元建模的基本要素包括：节点、单元和自由度。节点是有限元建模中最基本的对象，包括了坐标 位置信息和自由度信息。相邻节点之间需要靠单元连接，单元具有不同的材料属性，包括刚度、密度、 泊松比等，节点之间的位移根据单元内近似位移的函数导出。自由度包括三个转动自由度和三个移动 自由度，在有限元分析中，根据单元类型和实际情况，常常需要对自由度进行适当的约束。 a n s y s 是一个大型的通用有限元计算机程序，主要包括三个部分：前处理模块、分析计算模块 7 g 旷 + 一xy 0 坍 m 0 东南丈学硕学位论文 和厉处理模块。静处理模块提供了一个强大的实体建模及同格划分工具可以方便的构造有限元模瓤； 分析计算模块包括静力学分析、结构动力学分析、结构非线性分析热分析、卢场分析等，可咀模拟多 种物理介质的相互作用，具有灵敏度分析及优化分析能力；后处理模块可以将计算结果以彩色等值线 显示、梯度显示、矢量显示、粒子流迹显示等图形方式显示出米，也可以将计算结果以图表、曲线形 式显示或输出。 基于a n s y s 的转子系统结构动力学分析一般可咀分为以f 几类m 】：楼态分析、谐响麻分析和瞬 盎动力学分析。模态分析可以确定转子系统的振动特性( 同有频率和振型) ，它也是其他动力学分析的 起点。诣响应分析用丁分析持续的周期载荷在结构系统中产生的持续的周期响应( 谐响应) ，以及确定 线性结构承受随时间按简谐规律变化的载荷时的稳态响应。瞬态动力学分析( 又称时间历程分析) 用 于确定承受任意随时问变化载荷的结构的动力学响麻，可j l j 瞬态动力学分析确定结构在静载荷、瞬态 载荷和简谐载荷的随意组合作用f 的随时间变化的位移、应变厦力的变化规律。 在a n s y s 中对单跨转子实验台建模，实验台的结构图如4 0 所示，转轴总k5 0 0 m m ，轴径为 中95 m m ，跨间距为4 0 0 m m ，等间距安装三个中7 6 1 9 r a m 的转子这里的轴承均采用滑动轴承。 图2 - 2 单跨转子实验台实体图 ( 1 ) 建模和单元划分 建模中选择的单元为- 三维粱单元b e a m l 8 8 和矩阵单元m a t r i x 2 7 。b e a m l 8 8 单元可以定义截 面的信息，如截面形状，截面尺寸和截面划分阿格个数等。m a t r i x 2 7 单元由两个节点平矩阵系数来 确定。m a t r i x 2 7 单元中的参数k e y o p t ( 2 ) 用来设置矩阵的对称性，k e y o p t ( 2 ) = 0 时，得到一对称 矩阵，k e y o p t ( 2 户l 时，得到一非对称矩阵。在滑动轴承中，b 和k ，唧和钿一般并不相等，因 此设置k e y o p t ( 2 ) = i 。参数k e y o 叫3 ) 用来确定矩阵的性质k e y o i t ( 3 ) = 2 时为质最矩阵 k e y o p t ( 3 ) = 4 时为刚度矩阵k e y o p t ( 3 m 时为阻尼矩阵。每个滑动轴承可以h j 两个m a t r i x 2 7 单 元来模拟一个模拟刚度矩阵，一个模拟l 【匪尼矩阵，本文中将z 方向设为建模转子的轴向如图2 - 3 。 盘i 盘2 盘3 图2 - 3 滑动轴承支承的转子实验台有限元模型 m a t r i x 2 7 刚度矩阵的实常数形式如式2 4 ( m a t r i x 2 7 阻尼矩阵的实常数形式类似) 第2 章旋转机械状态豁测传感器布置理论与方法研究 c 2c 3 k 拶k 瞄 k 黟 k ： c 8 。c 3 。 c 8 8 一k 拶 一k 秽 一k 口 一k 。 c 6c 1 c 、8 一k 眄一k 婚 一k 掣一k 。 c 4 3 c 9 ，c 5 c 5 。 c 、嗨 k 咿 k l ，z k 。k 。 c 1 2 3c 7 3 c 1 3 2c 1 3 3c 7 6 c 1 3 4c 1 3 5c 1 3 6 c 1 3 7 c 1 3 8 。c 1 3 9c 1 4 0 c 1 4 l c 1 4 2 c 1 4 3c 1 4 4 c 7 8 根据滑动轴承的流体动力学理论以及其动态特性参数的确定方法，查阅相关轴承的基本结构参 数，通过计算得到实验台的滑动轴承动力系数随转速的变化如图2 - 4 4 6 1 。 z 例 在2 转速( r p m ) 言 矗 z 世 雹 转速( r p m ) ( 2 - 4 ) 图2 4 油膜刚度系数和阻尼系数随转速的变化 将不同转速下的轴承油膜刚度系数和阻尼系数设为m a t r i x 2 7 的实常数。 ( 2 ) 选择分析选项和类型 为了验证建模的准确程度，需要对转子实验台模型进行模态分析，对比a n s y s 计算的固有频率 与实际的转子系统是否相符。模态分析之后对转子实验台模型进行了谐响应分析，研究在相同的激励 条件下，转子沿径向振动响应的差异。 ( 3 ) 施加边界条件 根据转子实验台的实际情况，对两个轴承单元与地相连端的三个移动自由度和三个旋转自由度进 行约束，对左轴承单元与轴相连的一端施加轴向约束。 ( 4 ) 施加动力载荷_ = f ：求解 模态分析中不需要施加任何动力载荷，而用模态叠加法进行谐响应分析时，在轴承转子系统的 9 2 3 3 2 o 7 3 8 2 5 7 q q q q g g g g q g q厶细知蚀彩蚀白跏跏跏跏 东南大学硕士学位论文 第9 节点加一个持续的周期载荷，周期力的大小为1 0 n 。 ( 5 ) 得到结果并输出 根据不同转速下油膜的刚度系数和阻尼系数，对轴承转子系统进行模态分析后，得到轴承转 子系统的前两阶固有频率如下表。为了验证a n s y s 系统建模的准确性，同时用传递矩阵法计算得到 了前两阶固有频率。 表2 2 轴承一转子系统的前两阶固有频率 从上表可以看出，用a n s y s 建模计算得到的固有频率和用传递矩阵法计算得到的固有频率相差不大， 误差在1 0 以内。而且以上固有频率与实验台说明书中给出的固有频率也比较吻合。 用模态叠加法进行谐响应分析之后，选择靠轴承处的节点3 和中部圆盘中心的节点1 3 ( 如图2 - 3 所示) ，得到以上两个节点沿y 向和z 向的振动响应图如2 - 5 和2 - 6 。 1 p o s t z 6 h p l 工1 1 刀) e d 工s p y d 工s p z j 。dk 一 一殷 i j i o 图2 - 5 节点3 处的y 向和z 向的幅频曲线( 1 8 0 0 r m p ) ，- 5 0 u o 2 5 00 5 04 5 0 i f r e q 图2 - 6 节点1 3 处的y 向和z 向的幅频曲线( 1 8 0 0 r m p ) 1 0 o o 州s y p r1 s 2 0 0 2 2 ：4 0 ：3 第2 章旋转机械状态监测传感器布置理论与方法研究 其它转速下，节点3 和节点1 3 的y 向和z 向的幅频曲线与以上两图相似：即对于靠轴承处的测 点，z 向( 即水平方向) 振动响应的幅值大于y 向( 即垂直方向) 振动响应的幅值：而对于转轴中部 的振动测点，z 向与y 向振动响应的幅频曲线几乎完全重合。 2 2 3 振动传感器径向位置的选择 分析结果说明，由于滑动轴承垂直方向的刚度系数和阻尼系数一般大于水平方向的刚度系数和阻 尼系数，在同一激振力下，靠轴承处的振动测点水平方向振动响应较垂直方向更为明显，而远离滑动 轴承的振动测点由于受滑动轴承动态系数的影响不大，在垂直方向和水平方向的振动差异不明显。因 此，当需要在靠近轴承座的地方选择振动测点时，为了提高振动测点的灵敏度，应该优先选择水平方 向安装传感器。 2 3 同一截面上振动传感器安装个数的研究 转子系统同一截面上传感器安装个数主要取决于后续信号处理和故障诊断方法的选取。如果需要 运用二维全息谱或二维全矢谱来反映转子在一个截面内的振动情况，研究在不同故障下二维全息谱和 二维全矢谱的特征，实现故障诊断，显然在一个截面内至少应该安装两个传感器，才能综合反映转子 在一个截面内振动的幅值信息和相位信息。如果要考虑转子系统的轴向振动，还需在转子系统的端面 安装测量轴向运动的传感器。而如果在实际生产中受到传感器安装成本的影响，则应结合2 2 1 的分析， 根据系统沿垂直方向和水平方向的刚度特性和阻尼特性，优先选择对振动灵敏度最大的位置。 2 4 基于振型分析的振动传感器轴向位置选择 2 4 1 转子系统响应的模态叠加法 根据转子动力学的基本理论，转子的振动响应可以按模态振型来展开，即激振力可以激起各阶模 态的振动，假设q 为转子受到的激振力，则以复变量z 表示的转子运动微分方程式是： 叫协+ h 鼢“后】h = q ( 2 - 5 ) 其中 m 】为质量矩阵， c 为外阻尼矩阵， k 】为刚度矩阵，而q 为转子系统所受到的外力，根据转子动 力学和模态叠加法的基本理论4 7 i ，转子系统最后的响应z 可以看成是系统各阶模态响应的叠加。 ( 2 6 )