CN102175762A - 滑动轴承油膜刚度、油膜厚度监测装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及测量技术领域，特别是一种用于火力发电厂、核电站等滑动轴承转动机械的滑动轴承油膜刚度、油膜厚度监测装置，其特点是：它包括ARM微处理器分别与信号处理电路、FPGA门阵列、LCD液晶显示、SD存储单元、操作键盘、RJ45网络端口、通讯端口、闪存FLASH和内存RAM相连接，八通道电涡流传感器与信号处理电路相连接，信号处理电路与信号采集电路相连接，信号采集电路与FPGA门阵列相连接。能够实现基于油膜刚度、油膜厚度的在线监测，具有显示直观、诊断滑动轴承转动机械振动故障原因准确，并能够给出消除油膜涡动的基本办法。

Description

滑动轴承油膜刚度、油膜厚度监测装置

技术领域

本发明涉及测量技术领域，特别是一种用于火力发电厂、核电站等滑动轴承转动机械的滑动轴承油膜刚度、油膜厚度监测装置。

背景技术

自从二十世纪80年代初，在我国开始推广机械设备状态检修技术。为实现设备的状态检修，必须先监测设备状态并诊断设备的故障原因，在发电厂的汽轮发电机组大都安装有状态监测诊断系统，简称TDM系统。然而目前的TDM系统中都没有应用油膜刚度、油膜厚度监测技术，但是机组在运行状态下，正是油膜力支撑转子径向载荷从而保证转子的正常运行，所以说油膜刚度、油膜厚度状态参数对振动特征有重大影响。由于油膜刚度、油膜厚度重要参数的缺失，现有技术的多种故障诊断方法及其装置只能给出多种故障原因的可能性，即故障隶属度，不能客观的诊断机组振动的故障原因，不能从根本上对生产单位起到指导作用。

发明内容

本发明所依据的科学原理是，根据文献[叶荣学、孙伟等：油膜刚度变化对转子振动特性的影响 汽轮机技术2006.3]的推导，轴振幅值与油膜刚度之间关系表达式如下：

振幅： $A=\frac{\mathrm{me}{\mathrm{\ω}}^2}{\mathrm{k\α}\sqrt{{(1-{\mathrm{\λ}}^2)}^2+{\left(2\mathrm{\ζ\λ}\right)}^2}}---\left(1\right)$

油膜刚度影响系数：

油膜刚度：

式中各种符号物理意义：

m-转子质量，e-偏心，ω-角速度，k-轴颈横向变形刚度，λ-速度比，ζ-阻尼系数比

c-阻尼系数，

-临界阻尼系数，k_y-油膜刚度，δ_y-油膜厚度，β-轴瓦几何尺寸修改系数。

由公式(1)可见，轴振幅A与离心力eω²成正比，与轴刚度K，油膜刚度影响系数α成反比，同时又与阻尼系数呈反比关系，对于已经运行机组而言，其质量m及角速度ω是常数，其可能变数是偏心e，在运行中叶片脱落，围带脱落，均引起偏心e增加，振幅增加，即通常所说的质量不平衡。由公式(1)可见，振幅A与轴刚度K及油膜刚度影响系数α成反比，在通常情况下，轴刚度K不变，而油膜刚度影响系数α的变化主要决定于油膜刚度k_y的变化。

根据以上所述可知，在运行中设备发生异常时多数情况下都会引起油膜刚度变化，从而引起振幅变化。如果我们能实时掌握油膜刚度的变化，那么故障原因也就很容易找准，由此可见实时监测油膜刚度是非常重要的。

本发明的目的是，提供一种能够直观显示、准确诊断滑动轴承转动机械振动故障原因，并能够给出消除油膜涡动基本办法的滑动轴承油膜刚度、油膜厚度监测装置。

本发明的目的是由以下技术方案来实现的：根据所处理信号，特别是振动信号在滑动轴承转动机械通过临界点的瞬时性，对每通道传感器信号都要进行快速傅立叶分析，每个通道每个周期采样点数最少512点；实时显示每个通道的波形、频谱、棒图，事故追忆功能等；要求装置具有较高的采样精度和采样率、较快的计算速度、较好的图形处理与显示功能、较大的存储空间。

一种滑动轴承油膜刚度、油膜厚度监测装置，其特征是：它包括ARM微处理器分别与信号处理电路、FPGA门阵列、LCD液晶显示、SD存储单元、操作键盘、RJ45网络端口、通讯端口、闪存FLASH和内存RAM相连接，八通道电涡流传感器与信号处理电路相连接，信号处理电路与信号采集电路相连接，信号采集电路与FPGA门阵列相连接。

所述的信号处理电路能够同时并行处理八通道电涡流传感器输入信号和所述信号的交直流切换输出，它包括型号LM2830的芯片IC7，三极管Q1～Q4，电阻R33～R39、R42、R44、R45、R47～R49、R51、R52、R54，电位器W5、W6和电解电容C13相连接。

所述的信号采集电路包括型号OPA2830IDGK芯片IC4、型号ADS8330IRSA芯片IC9，电阻R1、R2、R9、R10、R18、R19、R100～R103和电容C100、C101相连接。

所述的FPGA门阵列包括型号LFXP2-5E-5TN144C芯片IC13，电阻R47、R48和磁珠PB5、PB6相连接。

所述的ARM微处理器包括型号S3C2440A40芯片IC3，电容C15、C16和晶振X1、X2相连接。

所述的SD存储单元包括电阻R27～R33和卡件J9相连接。

所述的RJ45网络端口包括型号DM9000AEP芯片IC5，电阻R24、R32，电容C34、C40和晶振X3相连接。

所述的通讯端口包括型号SN65HVD232D芯片IC14、型号MCP2515T-I/ST芯片IC15、型号SN75C3232EPW芯片IC7、型号SN65HVD08D芯片IC8，晶振X1和电容C6～C9、C28、C29相连接。

所述的闪存FLASH包括芯片型号K9F2G08UOM-PCB0IC1和电阻R4相连接。

所述的内存RAM包括型号K4S561632H-UC75芯片IC2、型号K4S561632H-UC75芯片IC4相连接。

本发明的滑动轴承油膜刚度、油膜厚度监测装置，能够实现滑动轴承转动机械的滑动轴承油膜刚度、油膜厚度检测并通过LCD液晶屏方式实时显示油膜刚度、油膜厚度大小和振动幅值间关系。在滑动轴承转动机械的轴处于静止状态时，使用电涡流传感器获取传感器与转轴间的静止间隙电压；在滑动轴承转动机械的轴处于运转状态时，同样使用电涡流传感器实时获取传感器与转轴间的动态间隙电压，将静止与动态间隙电压及轴瓦直径、轴径直径、轴瓦宽度、油粘度系数、角速度等参数代入油膜刚度：

即获取实时油膜刚度、油膜厚度值。具有显示直观、诊断滑动轴承转动机械振动故障原因准确，并能够给出消除油膜涡动基本办法等优点。

附图说明

图1为本发明的滑动轴承油膜刚度、油膜厚度监测装置电路原理框图。

图2为信号处理电路1原理图。

图3为信号采集电路2原理图。

图4为FPGA门阵列3原理图。

图5为ARM微处理器4原理图。

图6为SD存储单元6原理图。

图7为RJ45网络端口8原理图。

图8为通讯端口9原理图。

图9为闪存FLASH 10原理图。

图10为内存RAM 11原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细的描述。

参照图1本发明的滑动轴承油膜刚度、油膜厚度监测装置包括信号处理电路1、信号采集电路2、FPGA门阵列3、ARM微处理器4、LCD液晶显示5、SD存储单元6、操作键盘7、RJ45网络端口8、通讯端口9、闪存FLASH 10和内存RAM 11。

参照图1和2，信号处理电路1可同时处理八通道电涡流传感器信号，完成传感器信号的交直流切换输出。以单通道为例，包括型号LM2830芯片IC7，型号S9015三极管Q1、型号S9014三极管Q2、型号S9015三极管Q3、型号S9014三极管Q4，电阻R33、R34、R35、R36、R37、R38、R39、R42、R44、R45、R47、R48、R49、R51、R52、R54，电位器W5、W6、电解电容C13和模拟部分与数字部分间两个80芯接插件连接插。当系统启动，ARM微处理器4发出的控制信号DC-EN和AC-EN经FPGA部分两层板和ARM部分六层板间200脚连接插到信号处理电路1的R35和R48输入侧，当DC-EN为高电平，AC-EN为低电平时，三极管Q1、Q2处于截止状态，使直流通路使能控制DC-ENABLE为高，也就是芯片IC7A的5脚为高，此时信号输入经芯片IC7A输出直流部分信号；由于AC-EN为低电平，这时三极管Q3、Q4处于导通状态，使得AC-ENABLE为低电平，控制芯片IC7B不工作；反之当DC-EN为低电平，AC-EN为高电平时芯片IC7A不工作，芯片IC7B输出交流信号，从而实现交直流切换输出。

参照图1和3，信号采集电路2，以单通道为例，包括型号OPA2830IDGK芯片IC4、型号ADS8330IRSA芯片IC9，电阻R1、R2、R9、R10、R18、R19、R100、R101、R102、R103和电容C100、C101。信号处理电路1中的芯片IC7输出的ADCIN1信号经数字部分和模拟部分连接插传送到信号采集电路2中电阻R1输入侧，该信号经芯片IC4放大后由芯片IC4的7脚输出，再经电阻R100、R101、电容C100滤波处理后送入AD采集芯片IC9的12、13脚。AD采集芯片IC9的3脚接收来自FPGA门阵列3中芯片IC13的第72脚发出的控制信号ADC0-CON。该控制信号ADC0-CON是根据ARM微处理器4中的ARM芯片IC3软件所要求的采样方式和采样率等设置情况由FPGA芯片发出的。AD采集芯片IC9根据控制信号要求实现AD转换，并经该芯片的5脚、6脚、7脚、9脚输出。

参照图1和4，FPGA门阵列3包括型号LFXP2-5E-5TN144C芯片IC13，电阻R47、R48和磁珠PB5、PB6。FPGA芯片是由存放在片内RAM中的程序来设置其工作状态的，同一片FPGA，不同的编程数据，可以产生不同的电路功能。FPGA芯片IC13接收ARM芯片IC3的采样设置要求，并控制信号采集电路2中芯片IC9的5脚、6脚、7脚、9脚输出，该输出送入FPGA门阵列3中的FPGA芯片66、69、70、71脚，然后经FPGA芯片的5脚～22脚输出。

参照图1和5，ARM微处理器4包括型号S3C2440A40芯片IC3，电容C15、C16和晶振X1、X2。FPGA芯片IC13的5脚～22脚数据输出到ARM芯片IC3的D0～D15，再由ARM根据嵌入的数学模型进行计算和数据存储，存储芯片分别为K4S561632H-UC75、K9F2G08UOM-PCB0和SD卡，并根据ARM程序要求接受键盘输入、驱动LCD液晶显示和进行CAN/RS232/RS485/USB/RJ45多种方式通讯。

参照图1，LCD液晶屏显示5接收经FPGA部分两层板和ARM部分六层板间200脚连接插获取的ARM芯片IC3送出的VD-B0～VD-B7、VD-G0～VD-G7、VD-R0～VD-R7的数据和指令。

参照图1和6，SD存储单元6包括电阻R27、R28、R29、R30、R31、R32、R33和卡件J9。该部分通过200脚接插件获取ARM芯片IC3送出的SDR控制和数据。

参照图1，操作键盘7通过200脚接插件，向ARM芯片IC3提供K控制信号。

参照图1和7，RJ45网络端口8包括型号DM9000AEP芯片IC5，电阻R24、R32，电容C34、C40和晶振X3。主要完成并行数据变成串行输出功能。

参照图1和8，通讯端口9具有四种通讯方式，RS232、RS485、CAN和USB通讯，包括型号SN65HVD232D芯片IC14、型号MCP2515T-I/ST芯片IC15、型号SN75C3232EPW芯片IC7、型号SN65HVD08D芯片IC8，晶振X1和电容C6、C7、C8、C9、C28、C29成。

参照图1和9，闪存FLASH 10包括型号K9F2G08UOM-PCB0芯片IC1和电阻R4。

参照图1和10，内存RAM11包括型号K4S561632H-UC75芯片IC2和型号K4S561632H-UC75芯片IC4。

在具体实施时，可应用原有的电涡流传感器，但必须按要求获取所监测转子静止状态时的传感器间隙电压，同时录入其它已知的轴与轴瓦原始参数并存储在滑动轴承油膜刚度、油膜厚度监测装置中。被检测的滑动轴承运行过程中，滑动轴承油膜刚度、油膜厚度监测装置不断获取变化的传感器间隙电压，结合原始参数，利用嵌入的油膜刚度、油膜厚度数学模型，不断刷新油膜刚度、油膜厚度显示。

本发明的油膜刚度、油膜厚度监测装置所用电子元器件均为市售产品。

本发明的油膜刚度、油膜厚度监测装置所安装的操作系统为WINDOWS CE，编程语言为VS2005.NET。

本发明的油膜刚度、油膜厚度监测装置的样机经过六个月的试用，实现了在线监测滑动轴承油膜刚度、油膜厚度和振动幅值变化。通过该装置直观的显示油膜刚度、油膜厚度，弥补了目前国内外滑动轴承振动故障分析中重要状态参数的缺失。

本发明的油膜刚度、油膜厚度监测装置的具体实施方式并非穷举，本领域技术人员不经过创造性劳动的任何变换均属于本发明权利保护的范围。

Claims (10)

1.一种滑动轴承油膜刚度、油膜厚度监测装置，其特征是：它包括ARM微处理器分别与信号处理电路、FPGA门阵列、LCD液晶显示、SD存储单元、操作键盘、RJ45网络端口、通讯端口、闪存FLASH和内存RAM相连接，八通道电涡流传感器与信号处理电路相连接，信号处理电路与信号采集电路相连接，信号采集电路与FPGA门阵列相连接。

2.根据权利要求1所述的滑动轴承油膜刚度、油膜厚度监测装置，其特征是：所述的信号处理电路能够同时并行处理八通道电涡流传感器输入信号和所述信号的交直流切换输出，它包括型号LM2830的芯片IC7，三极管Q1～Q4，电阻R33～R39、R42、R44～R49、R51、R52、R54，电位器W5、W6和电解电容C13相连接。

3.根据权利要求1所述的滑动轴承油膜刚度、油膜厚度监测装置，其特征是：所述的信号采集电路包括型号OPA2830IDGK芯片IC4、型号ADS8330IRSA芯片IC9，电阻R1、R2、R9、R10、R18、R19、R100～R103和电容C100、C101相连接。

4.根据权利要求1所述的滑动轴承油膜刚度、油膜厚度监测装置，其特征是：所述的FPGA门阵列包括型号LFXP2-5E-5TN144C芯片IC13，电阻R47、R48和磁珠PB5、PB6相连接。

5.根据权利要求1所述的滑动轴承油膜刚度、油膜厚度监测装置，其特征是：所述的ARM微处理器包括型号S3C2440A40芯片IC3，电容C15、C16和晶振X1、X2相连接。

6.根据权利要求1所述的滑动轴承油膜刚度、油膜厚度监测装置，其特征是：所述的SD存储单元包括电阻R27～R33和卡件J9相连接。

7.根据权利要求1所述的滑动轴承油膜刚度、油膜厚度监测装置，其特征是：所述的RJ45网络端口包括型号DM9000AEP芯片IC5，电阻R24、R32，电容C34、C40和晶振X3相连接。

8.根据权利要求1所述的滑动轴承油膜刚度、油膜厚度监测装置，其特征是：所述的通讯端口包括型号SN65HVD232D芯片IC14、型号MCP2515T-I/ST芯片IC15、型号SN7.根据权利要求1所述的滑动轴承油膜刚度、油膜厚度监测装置，其特征是：75C3232EPW芯片IC7、型号SN65HVD08D芯片IC8，晶振X1和电容C6～C9、C28、C29相连接。

9.根据权利要求1所述的滑动轴承油膜刚度、油膜厚度监测装置，其特征是：所述的闪存FLASH包括芯片型号K9F2G08UOM-PCB0IC1和电阻R4相连接。

10.根据权利要求1所述的滑动轴承油膜刚度、油膜厚度监测装置，其特征是：所述的内存RAM包括型号K4S561632H-UC75芯片IC2和型号K4S561632H-UC75芯片IC4相连接。

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