CN101929908A - 基于全息谱技术的不平衡方位估计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及基于全息谱技术的不平衡方位估计方法，其特征在于：1)确定初相点相位，在一个测量截面上安装由两个相互垂直的传感器，采用基于信息融合的全息谱方式描述振动响应来全面反映转子的振动行为，确定信息融合后的初相点相位；2)采用信息融合后的初相点相位作为振动高点相位，用初相点方位表示的不平衡振动响应相位落后于不平衡激振力的角度定义机械滞后角；3)利用基于初相点相位的机械滞后角法估算出不平衡方位。本发明是在全息原理的基础上，针对不平衡方位估计这一关键问题，提出采用初相点代替传统单传感器估计方法中的振动高点，并结合启停机数据改造传统机械滞后角法，能有效提高不平衡估计精度，是实现“一次加准法”的有效手段。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于全息谱技术的不平衡方位估计方法，适用于旋转机械故障诊断，特别适用于现场动平衡首次试重时的操作。属于转子动平衡及与控制技术领域。
背景技术
在平衡过程中我们希望尽量减少平衡转子所需的启车次数，如果平衡专家利用多年的平衡经验或先进的动平衡技术，能够通过一次加重成功，必然大大提高平衡效率，节省平衡消耗。这种一次加重成功的方法，工程上称为“一次加准法”。对于汽轮发电机组而言，所谓一次加准成功，是指一次加重就将关键测点(或振动最大测点)的原始振动降低50％以上，其它测点振幅升高后轴振仍小于100μm，瓦振小于50μm，由此可达到转子或轴系平衡的最基本要求。一次加准法的最大的优点就是减少了平衡所需的启停车次数。虽然一次加重并不一定能达到最佳的平衡效果，但是由于一次加重后已经改善了机组平衡状态，在较小的振动基础上继续平衡，可以显著提高平衡质量。因此，无论是否采用一次加准法，试加重量大小和方位的正确与否对整个平衡过程来说都至关重要，已成为当前转子平衡技术的一个重要组成部分，得到业界的广泛关注。
现有技术中，一般采用单方向传感器的机械滞后角法确定试加重量的方位。如图1所示，以X方向传感器为例，机械滞后角法估计不平衡方位的步骤如下：
1)测量X方向振动响应表示为x＝Asin(ωt+α)，A为幅值，α为相位；
2)以X方向传感器顺转向标出相位α(正向零点到键相脉冲的角度)为起点，逆转向90度获得振动高点；
3)由于振动落后于激振力
角，由振动高点顺转向
角为激振力方位，即不平衡方位，计算出转子键槽顺转向到不平衡方位的角度Φ；记键相传感器顺转向到X方向传感器的角度为φx，则不平衡方位Φ可用下式计算：
4)添加平衡配重的方位，即为转子键槽顺转向(Φ-180°)。
在现场动平衡中，机械滞后角法被技术人员广泛应用于转子不平衡方位的估计，希望在此基础上一次添加试重就能将不平衡引起的振动降低。
然而，在实际应用中，我们发现前述基于单传感器的机械滞后角法存在较大的估计误差。当技术人员采用公式(1)估计不平衡方位时，其估计精度主要受α(单向传感器测得的振动响应相位)和
(机械滞后角)这两个因素的影响。由于转子的运动是一种复杂的空间运动，仅用单向传感器测量是不能客观和可靠地反映转子空间运动状态的。尤其是当转子轴承系统各向刚度存在明显差异时，X和Y两方向传感器测量的振动相位相差并非90度，因而造成利用两个不同方向传感器计算得到的不平衡方位相差较大，平衡技术人员难以取舍，从而降低了平衡的精度。
发明内容
本发明的目的，是为了克服现有技术基于单传感器的机械滞后角法存在较大的估计误差，提供一种基于全息谱技术的不平衡方位估计方法。
本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：
基于全息谱技术的不平衡方位估计方法，其特征在于：
1)确定初相点相位，在一个测量截面上安装由两个相互垂直的传感器，采用基于信息融合的全息谱方式描述振动响应来全面反映转子的振动行为，确定信息融合后的初相点相位；
2)采用信息融合后的初相点相位作为振动高点相位，用初相点方位表示的不平衡振动响应相位落后于不平衡激振力的角度定义机械滞后角；
3)利用基于初相点相位的机械滞后角法估算出不平衡方位。
本发明的目的还可以通过采取如下技术方案达到：
本发明的一种实施方案是：利用历史平衡记录的启停车数据选取机械滞后角，具体步骤如下：
1)选择一次机组平衡的历史数据，在设定的转速范围内等间隔选择一组测量转速，将未加配重前的机组停车数据中各测量转速Vi下的原始振动响应，表示为三维全息谱矩阵形式；
2)将转子上添加配重后的启车数据也按照上述方式选取，将各测量转速下添加配重后振动响应表示为三维全息谱矩阵形式；用全息差谱方式获得不同转速下纯试重产生的振动响应；
3)从三维全息谱矩阵中提取第2、4列，即得到纯试重工频初相点矩阵，计算纯试重工频初相点相位，计算不同转速下的机械滞后角
4)建立在变转速范围内转速和机械滞后角之间的映射关系；
5)测量机组在不同转速下的振动响应，获得各测量转速下不平衡响应的初相位点相位，将各测量转速带入到上述映射关系中，获得相应转速下的机械滞后角，通过公式
计算不平衡方位，式中：Φ为不平衡方位的角度，α为正向零点到键相脉冲的角度，φx为键相传感器顺转向到X方向传感器的角度，
为振动落后于激振力角将不同转速下估计得到的不平衡方位取均值作为估计结果。
本发明的一种实施方案是：选择3～5个转速下的不平衡方位估计值作平均得到平衡效果。
本发明具有如下突出的有益效果：
1、本发明是在全息原理的基础上，针对不平衡方位估计这一关键问题，提出采用初相点代替传统单传感器估计方法中的振动高点，并结合启停机数据改造传统机械滞后角法，能有效提高不平衡估计精度，是实现“一次加准法”的有效手段。
2、本发明能全面地反映转子的振动行为，特别是初相点分析方法能更为准确的反映不平衡量的变化，采用本发明方法可以同时兼顾两个方向传感器的相位信息，减少用单向传感器估计不平衡方位带来的误差。
3、本发明利用历史平衡记录的启停车数据选取机械滞后角，进一步提高估计精度。
附图说明
图1是利用机械滞后角确定不平衡方位示意图。
图2a、图2b分别是转子各向同性时X、Y两方向振动的相位关系图。
图3初相点和振动高点的关系示意图。
图4启车过程转速和机械滞后角间的关系示意图。
图5a、图5b分别是转子试验台主视图、左视图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细描述：
具体实施例1：
基于全息谱技术的不平衡方位估计方法，其特征在于：
1、确定初相点相位，在一个测量截面上安装由两个相互垂直的传感器，采用基于信息融合的全息谱方式描述振动响应来全面反映转子的振动行为，确定信息融合后的初相点相位；
本发明是用信息融合后的初相点相位代替单传感器的相位用于不平衡方位的估计。
首先需要说明的是初相点相位和单传感器相位之间的对应关系。假定在顺转向上依次布置有两个相互垂直的传感器X和Y，当X方向传感器拾取的工频振动响应表示为x＝Asin(ωt+α)，则Y方向传感器工频振动响应表示为y＝Bsin(ωt+β)。当转子各向同性时，两传感器拾取的振动响应幅值相等A＝B，相位存在关系β＝α-90，如图2所示。将两个传感器的信号合成转子的工频进动轨迹，当转子上键槽对准键相传感器即t＝0时，转子在进动轨迹上的坐标：x0＝Asinα，y0＝-Acosα，坐标原点到该点的矢量表示为Aej(α-90)π/180，这其实是一个特殊的初相点，其所在的工频进动轨迹不是一个椭圆，而是一个圆，如图3所示。从X方向传感器顺转向到该初相点的角度为初相角θ＝α-90°，观察图3，由上一节中“背景技术”关于振动高点的获取方法不难看出初相角与振动高点相位的计算方法一致，因此式(1)可以改写为如下等式：
虽然上述推导说明在系统各向同性时，单向传感器的振动高点和初相点在方位上一致，但由于现场机组转子-轴承系统往往存在各向异性，采用传统单向传感器的不平衡估计方法必然存在误差，同时可能出现不同传感器信号估计的不平衡方位相互矛盾的情况。如果采用信息融合后的初相点相位代替基于单向传感器的振动高点相位，就可以同时兼顾两个方向传感器的相位信息，减少用单向传感器估计不平衡方位带来的误差。此时，机械滞后角的定义变为用初相点方位表示的不平衡振动响应相位落后于不平衡激振力的角度。
在现场动平衡中的应用表明，用基于初相点的机械滞后角法能够提高不平衡方位的估计精度。某电厂引进型300MW机组，1号轴承处振动超标，X方向振动251μm∠132°，Y方向振动132μm∠41°，两传感器振幅相差近一倍，可以看出系统存在明显的各向异性。按公式(1)计算初相点来表示1号轴承处振动：R1＝205.7μm，θ1＝24.9°。该机组高压缸转子为柔性支承，支承共振转速约为2400rpm左右低于工作转速，根据历史平衡记录取机械滞后角为175°，转子上键槽顺转向到X方向传感器的角度为135°，因此估计的不平衡方位Φ＝135+24.9+175＝334.5°，平衡配重应添加在从键槽起顺转向154.5度，结合经验公式和影响系数法计算添加配重质量为690克，按计算结果添加配重1号轴承处振动X方向降为73.4μm∠328°，Y方向振动58.5μm∠66°，实现了机组的一次加准平衡，且平衡效果较好。
2、采用信息融合后的初相点相位作为振动高点相位，用初相点方位表示的不平衡振动响应相位落后于不平衡激振力的角度定义机械滞后角；即利用历史平衡记录的启停车数据选取机械滞后角；
采用初相点代替振动高点来计算不平衡方位的方法，在实际应用中该方法较传统单传感器的机械滞后角法能更为准确地确定不平衡方位。然而，即使采用初相点代替振动高点后，仍有一个很关键的因素制约着不平衡方位的估计精度，那就是机械滞后角的选取。在许多参考文献中都给出了不同的支承方式和平衡转速下机械滞后角的选取范围，但合理的选取机械滞后角仍很大程度上依赖平衡人员的经验。当机组存在历史平衡的记录时，为了避开选取机械滞后角时对平衡人员经验的依赖，本发明提出利用历史平衡记录的启停车数据进一步提高估计精度。
在机械滞后角的理论推导中，公式(2)中机械滞后角
并不是一个常数，在机组启动过程中它将随着转速等参数变化，但由于不同转速下测得的振动响应不同，因而采用公式(2)仍能得到一致的不平衡方位。通常我们都是利用工作转速下的振动响应估计不平衡方位，如果能将启停车的数据加以综合利用，必然会提高不平衡方位估计的精度。
不同转速下的机械滞后角可以采用理论计算或试验方法获得，由于理论计算需要对转子系统的固有特征参数如阻尼系数等进行假设或估计，尤其对于柔性转子计算机械滞后角时，精度不能满足要求，所以我们采用试验的方法，利用机组加试重前后的启停车数据来拟合机械滞后角随转速的变化关系。
下面我们以单面平衡为例，说明如何利用启停机数据来提高不平衡方位估计精度：
1)选择一次机组平衡的历史数据，在一定的转速范围内等间隔选择一组测量转速Vi(i＝1，2，...N)(如果转子某阶临界转速在该组转速范围内，应将该临界转速左右0.9nK、1.1nK也选为测量转速)，将未加配重前的机组停车数据中各测量转速Vi下的原始振动响应，表示为三维全息谱矩阵形式R0 i(i＝1，2，...N)；
2)将转子上添加配重M∠Φ后的启车数据也按照上述方式选取，将各测量转速Vi下添加配重后振动响应表示为三维全息谱矩阵形式RT i(i＝1，2，...，N)；用全息差谱方式获得不同转速下纯试重产生的振动响应
3)从矩阵RP i中提取第2、4列，即得到纯试重工频初相点矩阵，记键相传感器顺转向到X方向传感器的角度为φx，计算纯试重工频初相点相位θP i，利用下式计算不同转速下的机械滞后角
4)建立在整个变转速范围内转速和机械滞后角之间的映射关系，如图4所示；
5)当机组出现新的不平衡时，测量机组在不同转速下的振动响应，获得各测量转速下不平衡响应的初相点相位，将各测量转速带入到上述映射关系中，获得相应转速下的机械滞后角，带入公式(2)计算不平衡方位，将不同转速下估计得到的不平衡方位取均值作为估计结果，试验表明选择3～5个转速下的不平衡方位估计值作平均即可得到较好的平衡效果。
3、利用基于初相点相位的机械滞后角法估算出不平衡方位。
在转子试验台上(如图5所示)添加了三组试重1.0g∠0°、1.2g∠112.5°，0.8g∠270°来模拟不平衡故障，工作转速设为3000rpm，采用单传感器机械滞后角法、以及基于初相点的机械滞后角法估计不平衡方位，结果列于表1。试验证明利用全息谱技术和启停机数据的改进机械滞后角法能提高不平衡方位估计的精度，是实现一次加准平衡的有效手段。
表1不同估计方法的精度比较(单位：度)
具体实施例2：
本实施例的特点是：
1)当一个测量截面上安装由两个相互垂直的传感器时，采用基于信息融合的全息谱方式描述振动响应能更加全面地反映转子的振动行为，特别是初相点分析方法能更为准确的反映不平衡量的变化，本发明用信息融合后的初相点相位代替单传感器的相位用于不平衡方位的估计；
2)采用信息融合后的初相点相位代替基于单向传感器的振动高点相位，可以同时兼顾两个方向传感器的相位信息，减少用单向传感器估计不平衡方位带来的误差。此时，机械滞后角的定义变为用初相点方位表示的不平衡振动响应相位落后于不平衡激振力的角度；
3)为了避开选取机械滞后角时对平衡人员经验的依赖，本发明提出利用历史平衡记录的启停车数据选取机械滞后角，进一步提高估计精度；
所述利用历史平衡记录的启停车数据选取机械滞后角的方法是：
1)选择一次机组平衡的历史数据，在一定的转速范围内等间隔选择一组测量转速，将未加配重前的机组停车数据中各测量转速Vi下的原始振动响应，表示为三维全息谱矩阵形式；
2)将转子上添加配重后的启车数据也按照上述方式选取，将各测量转速下添加配重后振动响应表示为三维全息谱矩阵形式；用全息差谱方式获得不同转速下纯试重产生的振动响应；
3)从三维全息谱矩阵中提取第2、4列，即得到纯试重工频初相点矩阵，计算纯试重工频初相点相位，计算不同转速下的机械滞后角
4)建立在整个变转速范围内转速和机械滞后角之间的映射关系；
5)当机组出现新的不平衡时，测量机组在不同转速下的振动响应，获得各测量转速下不平衡响应的初相点相位，将各测量转速带入到上述映射关系中，获得相应转速下的机械滞后角，带入公式(1)计算不平衡方位，将不同转速下估计得到的不平衡方位取均值作为估计结果，试验表明选择3～5个转速下的不平衡方位估计值作平均即可得到较好的平衡效果。
Claims (3)
1.基于全息谱技术的不平衡方位估计方法，其特征在于：
1)确定初相点相位，在一个测量截面上安装由两个相互垂直的传感器，采用基于信息融合的全息谱方式描述振动响应来全面反映转子的振动行为，确定信息融合后的初相点相位；
2)采用信息融合后的初相点相位作为振动高点相位，用初相点方位表示的不平衡振动响应相位落后于不平衡激振力的角度定义机械滞后角；
3)利用基于初相点相位的机械滞后角法估算出不平衡方位。
2.根据权利要求1所述的基于全息谱技术的不平衡方位估计方法，其特征在于：利用历史平衡记录的启停车数据选取机械滞后角，具体步骤如下：
1)选择一次机组平衡的历史数据，在设定的转速范围内等间隔选择一组测量转速，将未加配重前的机组停车数据中各测量转速Vi下的原始振动响应，表示为三维全息谱矩阵形式；
2)将转子上添加配重后的启车数据也按照上述方式选取，将各测量转速下添加配重后振动响应表示为三维全息谱矩阵形式；用全息差谱方式获得不同转速下纯试重产生的振动响应；
3)从三维全息谱矩阵中提取第2、4列，即得到纯试重工频初相点矩阵，计算纯试重工频初相点相位，计算不同转速下的机械滞后角
4)建立在变转速范围内转速和机械滞后角之间的映射关系；
5)测量机组在不同转速下的振动响应，获得各测量转速下不平衡响应的初相位点相位，将各测量转速带入到上述映射关系中，获得相应转速下的机械滞后角，通过公式
计算不平衡方位，式中：Φ为不平衡方位的角度，α为正向零点到键相脉冲的角度，φx为键相传感器顺转向到X方向传感器的角度，为振动落后于激振力角将不同转速下估计得到的不平衡方位取均值作为估计结果。
3.根据权利要求2所述的基于全息谱技术的不平衡方位估计方法，其特征在于：选择3～5个转速下的不平衡方位估计值作平均得到平衡效果。
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