CN102175140B - 一种基于电涡流传感器测量轴系不对中系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于电涡流传感器测量轴系不对中系统及方法，系统包括电动机，及与电动机对应的从动轴架，电动机驱动轴与从动轴架的从动轴相对应；从动轴端头设一吸附有传感器磁性支座的圆盘，传感器探头接近驱动轴端口；数字示波器将测试轴系不对中实测值传输至系统计算机，经数据处理将实测值与仿真数据拟合，得到轴系不对中误差值。方法为旋转从动轴一周，将采集的传感器实测值保存、数据处理，通过计算拟合椭圆相关参数得到从动轴相对于驱动轴的不对中量。该方法能够准确计算出三种不对中量，其测试系统结构简单，便于安装。该定量测量不对中量的方法为不对中故障的诊断和消除提供了依据，在测量轴系不对中领域具有广阔的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于不对中故障诊断领域，涉及一种基于传感器技术在不对中故障诊断领域中的应用——一种基于电涡流传感器测量轴系不对中系统及方法。
背景技术
随着现代工业的迅猛发展，各种旋转机械广泛应用各种工业领域。旋转机械故障是关系到国民经济生产安全性的重要问题，其中60％的旋转机械故障与转子系统不对中有关。转子作为旋转机械的主要部件，是否能够安全、高效的长期运行也成为整个企业正常生产的重要保障，企业对其重视程度日益增加。不对中状态下转子运动能引起机械振动、轴承的磨损、轴的挠曲变形、转子与定子间的碰摩等，对系统的稳定运行危害极大，因此，一直备受设计者和工程师的关注。
轴系不对中通常是指驱动轴的轴心线和从动轴的轴心线不在同一条直线上。轴系不对中可以分为三类：一是平行不对中，即具有不对中故障的从动轴轴线平行于驱动轴轴线，且两个轴心在径向上不重合；二是倾角不对中，即具有不对中故障的从动轴轴线与驱动轴轴线有一定的倾角，且两个轴心在径向上重合；三是综合不对中，即具有不对中故障的从动轴轴线与驱动轴轴线有一定的倾角，且两个轴心在径向上不重合。本质上来讲不对中量包括平行不对中量和倾角不对中量。因此，分别确定平行不对中量和倾角不对中量成为测量轴系不对中的关键。
现有的诊断方法只能通过对旋转机械进行振动分析，从而定性的判断是否存在不对中故障以及在什么位置出现不对中故障，却不能定量的确定不对中量的大小和成分组成。这些振动分析的方法不仅对测试系统精度要求较高，选用不同的分析方法也会存在差异，同时在测试振动过程中容易受到外界环境造成的噪声干扰，对之后的分析产生不良影响。另外，当分析得出存在不对中故障，想要对其进行校正时，由于不能确定不对中量，因此校正也存在着一些盲目性。
发明内容
针对已有诊断方法存在的缺陷或不足，即无法确定不对中量，故而校正时存在盲目性，本发明的目的在于，提出一种新的基于电涡流传感器的测量方法，利用最小二乘法拟合出传感器探头运动的椭圆轨迹，进而能够准确计算不对中量的大小和组成，最终实现有针对性的对故障进行校正。该发明将电涡流传感器技术用于轴系不对中的测量中，解决了不对中故障诊断中不对中量难以定量测量问题。
为了实现上述任务，本发明采取如下的技术解决方案：
一种基于电涡流传感器测量轴系不对中测试系统，其特征在于：包括一个电动机，及一个与电动机对应设置的从动轴架，电动机的驱动轴与从动轴架所设的从动轴相对应；所述从动轴端头设一圆盘，圆盘上吸附有传感器磁性支座；传感器磁性支座上的传感器探头搭接于所述驱动轴轴心，驱动轴上设有码盘；所述传感器通过传感器输出线与系统数字示波器相连，系统数字示波器将测试轴系不对中实测值传输至系统计算机，经系统计算机数据处理程序将轴系不对中实测值与仿真数据拟合，得到轴系不对中误差值。
本发明系统的进一步特征在于：
所述传感器磁性支座由支架和磁座构成，支座吸附在与从动轴相连的圆盘上，保证传感器随从动轴转动。
所述码盘为环形，且套装于驱动轴上，环形内圆直径为驱动轴轴径。
本发明还给出了一种基于电涡流传感器测量轴系不对中的方法，其特征在于，该方法包括下述步骤：
1)分别设置一电动机和一从动轴架，并将电动机驱动轴与从动轴架上的从动轴对中；
2)在待测不对中从动轴端头套接一圆盘；
3)沿圆盘端面吸附一传感器磁性支座，并将传感器磁性支座上的电涡流传感器探头接近驱动轴端口；
4)将传感器探头转至码盘0°方向，静置并使用数字示波器采集并保存一组输出电压数据；然后按照360°等分角度旋转传感器磁座吸附的圆盘，采集测量电涡流传感器的探头至主动轴表面的距离的电压值；
5)将电涡流传感器的探头所测得的电压值通过信号线传输到数字示波器中存储；
6)数字示波器将传感器电压值传输至计算机进行数据处理程序；并与计算机存储的标准仿真数据拟合；得到轴系不对中误差值。
本发明方法的进一步特征在于：
所述数据处理程序基于MATLAB算法，算法包括去直流分量和最小二乘法拟合椭圆两部分；所述去直流分量部分即将传感器运行轨迹的中心平移至坐标原点，从而通过平移量计算B轴的平行不对中量；所述最小二乘拟合椭圆部分是将传感器每转过5°采集一组，共72组数据去直流分量后画出的离散轨迹运用最小二乘法拟合成一个椭圆，椭圆的倾角即代表驱动轴相对于从动轴的倾角。
本发明与现有诊断方法相比具有以下特点：
1.实现了定量测量不对中
通过安装在B轴上的电涡流传感器测量传感器探头与A轴端口表面的距离，再经过基于MATLAB软件的处理程序计算出平行不对中量和倾角不对中量，从而准确得出不对中量的大小和成分，为故障校正奠定了基础。
2.方法可靠性好
本发明中计算不对中量的方法分别被用于处理模拟不对中时传感器运行轨迹的仿真数据和实验测得数据，结果显示几次计算都准确反映出不对中量的大小和组成，因而具有很好的可靠性。
3.结构简单，成本低
本发明中测量系统结构简单，较原有诊断方法操作更为简单，另外，由于是在静态下测量，对传感器和采集设备的要求不高，从而降低了所需实验设备的成本。
附图说明
图1是电涡流传感器测量轴系不对中的测试系统示意图；
图2是电涡流传感器测量轴系不对中的测试系统传感器安装图；
图3是电涡流传感器测量轴系不对中原理图；
图4是图3的局部放大图；
图5是电涡流传感器测量轴系不对中量示意图；
图6是仿真数据及经过处理程序后拟合出来的椭圆轨迹；
图7是实验数据及经过处理程序后拟合出来的椭圆轨迹；
图中：1为传感器；2为驱动轴；3为从动轴；4为传感器支座；5为传感器输出线；6为电动机；7为码盘；8为数字示波器。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
请参阅图1，图1是本发明基于电涡流传感器测量轴系不对中的测试系统示意图。该测量系统包括了传感器探头1；驱动轴2；从动轴3；传感器磁性支座4；传感器输出线5；电动机6；码盘7；数字示波器8等八个部分。系统设置一个电动机6，及一个与电动机6对应设置的从动轴架，电动机6的驱动轴2与从动轴架所设的从动轴3相对应；从动轴3端头设一圆盘，圆盘上吸附有传感器磁性支座4；传感器磁性支座4上的传感器1探头接近所述驱动轴2端口，驱动轴2上设有码盘7；所述传感器1通过传感器输出线5与系统数字示波器8相连，系统数字示波器8将测试轴系不对中实测值传输至系统计算机，经系统计算机数据处理程序将轴系不对中实测值与仿真数据拟合，得到轴系不对中误差值。数据处理程序是通过拟合椭圆确定不对中量的方法为核心基于MATLAB软件编写的。
请参阅图2，图2是本发明基于电涡流传感器测量轴系不对中的测试系统传感器安装图。传感器1为SJ-4-1型电涡流传感器，传感器支座由支架和磁座构成，支座吸附在与从动轴3相连的圆盘上，保证传感器1随从动轴3转动。
码盘7为环形，且套装于驱动轴2上，环形内圆直径为驱动轴2轴径。
本发明基于电涡流传感器测量轴系不对中的方法具体步骤如下：
1)分别设置一电动机6和一从动轴架，并将电动机驱动轴2与从动轴架上的从动轴3对中；
2)在待测不对中从动轴3端头套接一圆盘；
3)沿圆盘端面吸附一传感器磁性支座4，并将传感器磁性支座4上的电涡流传感器1探头接近驱动轴2端口；
4)将传感器1探头转至码盘0°方向，静置并使用数字示波器8采集并保存一组输出电压数据；然后按照360°等分角度旋转传感器磁座吸附的圆盘，采集测量电涡流传感器1的探头至主动轴2表面的距离的电压值；
4)将电涡流传感器1的探头所测得的电压值通过信号线5传输到数字示波器8中存储；
5)数字示波器8将传感器电压值传输至计算机进行数据处理程序；并与计算机存储的标准仿真数据拟合；得到轴系不对中误差值。
数据处理程序基于MATLAB算法，算法包括去直流分量和最小二乘法拟合椭圆两部分；所述去直流分量部分即将传感器运行轨迹的中心平移至坐标原点，从而通过平移量计算B轴的平行不对中量；所述最小二乘拟合椭圆部分是将传感器每转过5°采集一组，共72组数据去直流分量后画出的离散轨迹运用最小二乘法拟合成一个椭圆，椭圆的倾角即代表驱动轴2相对于从动轴3的倾角。
进行测试时，保证驱动轴2不动，将传感器1通过磁性支座4固定于从动轴3上，传感器1的探头对准驱动轴2，测量传感器1到驱动轴2的距离，然后将采集到的数据通过传感器输出线5存储到数字示波器8中。
请参阅图3、图4所示，图3是本发明基于电涡流传感器测量轴系不对中原理图，图4是图3的局部放大图。由图中可示驱动轴2与从动轴3之间的不对中量可以反映到传感器1的探头到驱动轴2的距离上，所以通过所测得的数据经相应的计算处理就可以定量的得出轴的不对中量(参见图5所示)，再次验证了此种方法的可行性。
请参阅图6，图6是本发明基于电涡流传感器测量轴系不对中验证试验仿真数据及经过处理程序后拟合出来的椭圆轨迹。图为倾角不对中量设定为10°时仿真出的数据画出的图形，其中星点为仿真数据去除直流分量后的各点，圆点组成的图形即为拟合出来的椭圆轨迹。
请参阅图7，图7是本发明基于电涡流传感器测量轴系不对中验证试验测得数据及经过处理程序后拟合出来的椭圆轨迹。其中星点为实验数据去除直流分量后的各点，圆点组成的图形即为拟合出来的椭圆轨迹。
使用时，首先将传感器探头转至码盘0°方向，静置并使用数字示波器采集并保存一组点数为100的输出电压数据，旋转传感器磁座吸附的圆盘，每转5°采集并保存一组数据，直至转至360°时共采集72组数据。
对本发明进行仿真及试验验证，根据电涡流传感器测量轴系不对中的原理模拟倾角不对中生成3组仿真数据对算法进行验证，其中倾角分别为10°，5°，1°，需注意的是因为模拟的是倾角不对中故障，所以仿真数据其平行不对中量应为0。
表1仿真实验各不对中量
错误！未找到引用源。列出了仿真实验各组不对中量的大小和方向。
表2验证实验不对中量计算
错误！未找到引用源。列出了验证实验各组不对中量的大小和方向。
从上述试验结果中可以看到，通过最小二乘法拟合椭圆的算法计算出仿真数据各不对中量与预设值十分吻合，表明算法理想；验证试验中各组不对中量的结果也与试验台情况相符，即存在着以倾角不对中为主的不对中故障。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定的保护范围。
Claims (5)
1.一种基于电涡流传感器测量轴系不对中测试系统，其特征在于：包括一个电动机(6)，及一个与电动机(6)对应设置的从动轴架，电动机(6)的驱动轴(2)与从动轴架所设的从动轴(3)相对应；所述从动轴(3)端头设一圆盘，圆盘上吸附有传感器磁性支座(4)；传感器磁性支座(4)上的传感器(1)探头接近所述驱动轴(2)端口，驱动轴(2)上设有码盘(7)；所述传感器(1)通过传感器输出线(5)与系统数字示波器(8)相连，系统数字示波器(8)将测试轴系不对中实测值传输至系统计算机，经系统计算机数据处理程序将轴系不对中实测值与仿真数据拟合，得到轴系不对中误差值。
2.根据权利要求1所述的一种基于电涡流传感器测量轴系不对中测试系统，其特征在于：所述传感器磁性支座(4)由支架和磁座构成，支座吸附在与从动轴(3)相连的圆盘上，保证传感器(1)随从动轴(3)转动。
3.根据权利要求1所述的一种基于电涡流传感器测量轴系不对中测试系统，其特征在于：所述码盘(7)为环形，且套装于驱动轴(2)上，环形内圆直径为驱动轴(2)轴径。
4.一种基于电涡流传感器测量轴系不对中的方法，其特征在于，该方法包括下述步骤：
1)分别设置一电动机(6)和一从动轴架，并将电动机驱动轴(2)与从动轴架上的从动轴(3)对中；
2)在待测不对中从动轴(3)端头套接一圆盘；
3)沿圆盘端面吸附一传感器磁性支座(4)，并将传感器磁性支座(4)上的电涡流传感器(1)探头接近驱动轴(2)端口；
4)将传感器(1)探头转至码盘0°方向，静置并使用数字示波器(8)采集并保存一组输出电压数据；然后按照360°等分角度旋转传感器磁座吸附的圆盘，采集测量电涡流传感器(1)的探头至主动轴(2)表面的距离的电压值；
5)将电涡流传感器(1)的探头所测得的电压值通过传感器输出线(5)传输到数字示波器(8)中存储；
6)数字示波器(8)将传感器电压值传输至计算机进行数据处理程序；并与计算机存储的标准仿真数据拟合；得到轴系不对中误差值。
5.根据权利要求4所述的一种基于电涡流传感器测量轴系不对中的方法，其特征在于，所述数据处理程序基于MATLAB算法，算法包括去直流分量和最小二乘法拟合椭圆两部分；所述去直流分量部分即将传感器运行轨迹的中心平移至坐标原点，从而通过平移量计算B轴的平行不对中量；所述最小二乘拟合椭圆部分是将传感器每转过5°采集一组，共72组数据去直流分量后画出的离散轨迹运用最小二乘法拟合成一个椭圆，椭圆的倾角即代表驱动轴(2)相对于从动轴(3)的倾角。
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