多功能轴系动平衡及振动分析系统.doc

多功能轴系动平衡及振动分析系统摘要 本文详细介绍了作者研制的多功能轴系动平衡及振动分析系统。本系统具有振动测试、信号分析、故障诊断、振动数据库、动平衡数据准备、动平衡计算和优化、动平衡资料管理、试重参考、分重计算、结果输出等功能，并采用了去除偏摆影响、多目标配重优化等代表最新进展的技术，为振动测试分析和动平衡试验提供了完整的工作平台。关键词: 旋转机械 转子 振动 动平衡 汽轮机经验表明，在振动过大的旋转机械中，约有6070%是由转子本身的质量不平衡引起的。尽管汽轮发电机组等大型旋转机械在制造厂都做过单转子平衡，但由于现场运行条件与制造厂进行平衡的条件不同，轴系平衡状态可能会由于机组安装、运行条件变化、通流部分结垢、磨损、甚至部件飞脱等原因而发生变化。因此，现场平衡成为保障机组安全稳定运行的重要工作，而采用先进平衡技术以及装备将提高平衡效率，减少机组启动次数，带来巨大的经济效益。近年来计算机辅助动平衡技术发展很快，大大推动了现场平衡工作的发展。本文详细介绍了作者经过长期工作研制的多功能轴系平衡及振动分析系统。本系统具有振动测试、信号分析、故障诊断、振动数据库、动平衡数据准备、动平衡计算和优化、动平衡资料管理、试重参考、分重计算、结果输出等功能，为振动测试分析和动平衡试验提供了一个完整的工作平台。系统在全面集成轴系振动检测、现场动平衡、数据管理技术的基础上，还采用了去除偏摆（Runout）影响、多目标配重优化等代表最新进展的技术，经过现场使用考验，有独特优越性。1、 系统配置现场动平衡的基础是对振动的准确测试和分析，这要求传感器、信号接口、测试分析仪器各个环节都能正确、有效地工作。本系统的配置以满足测试精度、既适应现场恶劣工作条件又能作为实验分析仪器、能采集存储大量数据、方便耐用为原则。硬件基本组成有振动传感器、振动信号前置预处理装置，数据采集和工业控制计算机三大部分，参见图1。其中，部分信号预处理装置和高速数据采集板置于工控机内。1.1 传感器本系统采用涡流传感器和速度传感器检测振动。而对于键相信号，提供了两个接口，即涡流传感器接口和光电传感器接口，并提供相应的光电传感器。1.2 信号预处理装置本系统的信号预处理具有电平转换，比例放大，抗混滤波、积分放大、键相整形隔离、过流保护等功能，它将传感器来的电压信号调整为计算机可接受的信号。信号预处理装置集成在主机箱内。1.3 主机本系统主机采用移动式工业控制计算机。在主机的机箱内集成了10”高分辨率彩色CRT、开关电源和线性电源、无源总线板、All_in_One 控制主板和Pentienm CPU、8Mb容量电子盘、大容量硬盘和软驱、8通道涡流传感器/速度传感器信号预处理装置、8通道12位高速采集板等。主机前面板有触摸式键盘，并可外接标准键盘。主机能满足在恶劣工作环境下长期连续工作的要求。1.键盘接口；2.指示灯；3.安全锁；4.功能触摸键；5.CRT彩色显示屏；6. 触摸键盘；7.主机工作电源插座；8.风扇；9.主机箱；10信号输入端子；11.信号输入端子盒；12、风扇图1 系统基本配置1.4 软件系统软件系统由系统管理、旋转机械的振动测试以及动平衡三部分组成，其功能结构见图2。软件采用分层式树状结构，各个功能形成独立模块，条理清晰，易于维护，并可以保障数据的安全。主机上电以后便可直接进入系统工作环境。操作者利用菜单控制启动各项任务，整个界面全部为中文动态提示，进入不同的画面或状态，操作提示相应变化，提供在线帮助功能，详细指导操作。软件的各个功能模块用图形方式显示，分辨率高，图象清晰。各画面的数据图表均具备屏幕拷贝输出功能。图2 软件功能示意图2、 系统主要功能本系统具有全面的振动检测、分析、平衡、校核、数据管理等功能，鉴于篇幅仅将主要功能叙述如下：1) 多种形式的数据输出，如打印屏幕显示的表格和图形、以数据文件形式输出到磁盘等。2) 8通道同步整周期采集及8通道振动波形同屏显示，最大采样频率200KHz，键相信号外触发。3) 具有时域波形分析、轴心轨迹分析、倍频分析、频谱分析等实时监测分析功能以及包括三维谱和BODE图在内的数据回放分析功能。4) 振动数据记录可以用手动触发记录、按时间间隔自动记录、按转速间隔自动记录，或同时采用以上三种方式记录。一个监测过程的数据单位可以记录120组数据，每一组数据包括8振动通道各512个数据。振动数据由数据库管理，可以存储100个数据单位，数据库的数据通过滚动窗可任意调用，进行回放分析。5) 可以进行软盘数据备份，并直接从软盘中调用本系统备份的数据进行回放分析。6) 振动数据分析中具有灵活的偏摆去除功能和平均去噪功能。7) 动平衡计算原始数据输入可用手动屏幕输入、从时域波形分析画面中自动提取、或从数据库自动装入。计算可适应试重保留与不保留两类现场平衡试重方式。并具有试重参考方案计算提示、分重质量计算、分布质量修正计算等多种功能。8) 具有动平衡计算和影响系数数据库，能各存储100次平衡的数据，计算过程中的影响系数以及所有平衡计算数据可根据操作者的需要存入动平衡数据库，数据库具有以测点数、平衡面数等多种形式检索的功能。9) 提供谐分量平衡计算功能，和对最小二乘计算结果的多目标优化处理算法，调整剩余振动分布，寻求最优加重方案。10) 当数据库被破坏时，系统具有重建功能，可以迅速恢复系统的功能。11) 主机平均无故障时间：MTBF=50000hr，软件系统免维护。本系统主操作环境见图3，由五大功能模块组成，即系统配置、监视存储、回放分析、平衡计算、辅助服务。当移动光条选择不同的功能项时，画面下部方框内将动态显示对应的说明和操作指导，十分方便。 图3 系统主操作画面 图4 时域波形监视系统配置模块由参数设置和打印设置功能组成，对系统正在使用的硬件进行配置，设置信息将伴随之后采集的振动数据单位存入数据库，便于历史数据的管理和查询。监视存储模块包括数据表监视、时域波形监视、倍频监视、幅值谱监视、相位谱监视、轨迹监视、模拟键相监视七种实时监测功能。监视存储模块同时采集和监视8通道振动信号，并根据需要记录振动波形，能通过FFT或相关滤波对振动信号进行选频分析、处理涡流传感器信号的偏摆影响、通过波形平均抑制噪声影响、调整显示范围放大振动波形、利用游标分析波形结构等，为振动实时分析和诊断提供有力工具。图4、图5和图6分别是时域波形、轴心轨迹和幅值频谱分析画面。回放分析模块调用数据库中已存的数据进行分析，回放的数据是由上述监视存储模块采集和记录的数据。回放分析的功能除了与监视存储模块中相同的之外，还有分析整个变转速过程中振动的三维谱和BODE图分析功能。图7和图8是三维谱和BODE图画面。 图5 幅值谱监视 图6 轴心轨迹监视 图8 三维谱图分析 图7 BODE图平衡计算模块由普通平衡计算、查询计算、自动计算、校核计算、谐分量法平衡和结果输出打印功能组成。普通计算又包括“原始实验数据输入”和“直接影响数据输入”计算，前者直接采用平衡试验数据进行计算，后者在已知转子的影响系数情况下进行计算，因此只要测得转子的原始振动，便可以进行平衡计算，不需要进行试重，从而可以减少机组的启动次数。查询计算可以通过查询原始数据库和查询影响系数数据库，调用数据进行计算，比如调用同类机组的影响系数进行计算等。自动计算是从本系统实时检测或所记录的振动数据中自动提取动平衡计算原始数据的一种计算方式，解决了提取复杂过程数据的难题，大大减少了数据输入工作量和人为错误，提高了平衡效率。校核计算通过原始振动数据以及预计加上的平衡配重进行计算，得到理论剩余振动以及各个振动测点的振动相对关系和趋势，对平衡后将会产生的振动状态进行校核评估。谐分量法平衡则对轴向对称且刚性较大的转子（如发电机转子）的平衡有很好的效果。对平衡计算的结果还可以进行优化，通过调整剩余振动优化配重，使在获得较满意剩余振动情况下，配重最小、最合理。图9和图10是两个典型的平衡操作画面。 图9 动平衡计算表 图10 动平衡计算结果表辅助服务由修改口令、系统重建、剪辑数据、数据备份、阅读帮助等功能组成。其中系统重建是在系统数据库被破坏后采用的恢复功能，系统重建过程将自动恢复原数据库中的全部数据库数据结构，无需人为参与。阅读帮助则为用户提供了在线的系统帮助说明，包括操作和使用本系统的详细信息，以及转子不平衡故障诊断规则。3、 系统技术特点本系统不仅集成了上述重要功能，从而在使用上远远超过了常规意义下的动平衡仪，而且在技术上还有许多鲜明的特点。3.1 能在恶劣工作环境下长期工作本系统既是一套移动式（便携）装置，又充分考虑了在现场适应长期工作的需要，系统可以架在机组旁边，设置好采样和自动记录方式，锁上主机和键盘，几天以后再来进行分析。甚至可以将本系统安装在表盘上作为在线设备使用。本系统还具有良好的抗干扰、防尘、防震等功能。3.2 软件和数据的安全保护本系统采用基于EPROM或FLASH芯片的8M容量电子盘，系统的全部支持软件和应用软件都装在电子盘中，不仅有很好的自我保护功能，还保证系统不被非法操作系统侵入，免除人为误操作和计算机病毒对系统软件和数据的影响。3.3 系统自恢复功能本系统的软件由于安装在电子盘中而受到了完全的保护，但装在磁盘中的数据库仍然有被误删除或由于磁盘物理损坏而破坏的危险。数据库破坏后将影响系统的工作，但是系统软件不会被破坏，系统在检测到数据库的问题后会自动重建系统数据库，使系统迅速恢复功能，重建过程在确认后无需人为干预。3.4 振动偏摆处理在用涡流传感器进行振动检测时，被测表面不圆度和不平度会引起偏摆问题，本系统设计了特有的偏摆去除功能，可以将低转速下检测的波形作为原始偏摆保存下来，在实时监测或回放分析时去除偏摆的影响，保证分析的正确性。3.5 多测点多平衡面平衡本系统能对6平衡面和11个振动测点的平衡问题进行计算和优化，为大型旋转设备的平衡、以及兼顾不同平衡转速的平衡提供了有力的工具。3.6 数据库本系统提供了振动原始波形数据库、动平衡计算方案数据库、转子影响系数数据库，可以保存宝贵的历史数据，作为分析解决振动问题的参考依据，这是传统动平衡系统不具备的。3.7 减少启动次数的平衡减少机组的启动次数是现场对平衡工作永远的要求，“一次启动平衡”是现场平衡的梦想，尽管理论研究已经进行了多年，但在相当长时间内实现真正的所谓“一次启动平衡”还不可能。而现时有效减少平衡启动次数、甚至做到一次启动平衡的最好方法是使用已知的影响系数，本系统通过能存储100次平衡数据的影响系数库，为有效减少平衡启动次数提供了手段。3.8 动平衡“自动计算”如何直接从振动测试数据或数据库中以一个简洁的方式提取动平衡计算的原始数据，是实现起来艰难的事情。本系统很好地解决了这个问题，用户能方便灵活地将振动原始数据与平衡计算有机结合，可以在二、三分钟内完成一个复杂的计算方案，实现了全部检测、分析、平衡计算的无纸化操作。3.9 平衡配重优化针对实际平衡中校正面选择不当、校正重量可能很大的问题，本系统集振型平衡法、影响系数平衡法、模态参数识别法之优点，采用了多目标优化模型，可以通过调整各个测点的理论剩余振动优化最后的配重，从而在保证平衡精度的同时，减少配重质量。优化计算建立在影响系数平衡的基础之上，通过清晰的操作界面，用户只需简单的操作便可以解决复杂的优化问题。3.10 使平衡工作程序化到目前为止，现场动平衡工作的复杂性使其不得不比较多地依赖于专家的经验，显然这给生产带来的不利影响有时是巨大的。使现场平衡工作程序化、规范化，让有一定振动和平衡基本知识的技术人员能够解决平衡问题，是本系统的设计宗旨，为此本系统在全套程序化功能外提供了相应的咨询功能，达到了设计要求。4、 系统应用本系统已用在不同型号的汽轮机发电机组转子、鼓风机转子的振动检测和平衡中，有效地解决了实际工程问题。同时，也作为先进的测试设备在实验室转子动力学研究中起了重要作用。图4图8是某双跨转子的振动实测结果，共布置6个振动测点，信号分别进入本系统的第一至第六通道。检测表明，转子在3000rpm至4500rpm范围内振动水平较高，且一阶工频分量突出，为转子不平衡所致。经过本系统的分析和平衡计算，在4050rpm对转子进行双平面配重平衡，平衡前后的振动情况见图11和图12，可以看到平衡效果明显。 图11 平衡前转子振动波形 图12 平衡后转子振动波形5、 结语适用于现场动平衡的仪器和计算机系统已经发展了很长时间了，但从简单的相位仪到后来的动平衡仪始终没有真正达到现场工作的要求，无法用一套设备同时满足精确的振动检测、全面的振动信号分析和诊断、多测点多平衡面同时平衡、偏摆去除、配重计算与优化、数据库管理、减少启动次数平衡、使平衡工作程序化从而较少依赖于经验等要求，并且还要采用先进的计算机和工业控制方面的技术、采用先进的系统集成思想、使用维护方便、经得起现场摔打。本系统正是朝着这个方向进行多年努力的成果，已经取得了成功。尽管如此，现场平衡的复杂性还在向我们不断提出新的课题，进一步的工作正在深入开展，相信第二代的系统会有更加先进、可靠的功能。参考文献1、 余小平，轴系动平衡优化方法和动平衡系统，华中理工大学硕士论文，19962、 华中理工大学，多功能轴系动平衡及振动分析系统说明书，1998Intelligence Integrated Dynamic Balance,Vibration Measure and Analysis SystemAbstract: In this paper an intelligence inte