CN102323058B - 基于转轴应变信号的汽轮发电机组轴承载荷识别装置和方法 - Google Patents

基于转轴应变信号的汽轮发电机组轴承载荷识别装置和方法 Download PDF

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刘静宇
张文涛
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本发明公开了一种基于转轴应变信号的汽轮发电机组轴承载荷识别装置,包括应变测量装置、应变信号传输装置和中央处理单元,所述应变测量装置和应变信号传输装置分别用于设置在转轴表面的每两个轴承之间,应变测量装置的信号输出端通过应变信号传输装置与中央处理单元的信号输入端连接。本发明通过测试转轴不同截面处的应变信号,了解转轴应力分布情况,识别出轴承载荷,帮助分析危险截面,由所识别出的轴承载荷可以分析汽轮发电机组实际运转过程中各轴承工作状态,进而帮助判断轴承瓦温高、碾瓦、碎瓦、失稳、振动大等故障原因,并可在此基础上进一步分析轴系校中情况。

Description

基于转轴应变信号的汽轮发电机组轴承载荷识别装置和方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种基于转轴的具有多跨多支撑模式的汽轮发电机组轴承载荷识别方法,尤其涉及一种基于转轴应变信号的具有多跨多支撑模式的汽轮发电机组轴承载荷识别方法。
背景技术
[0002] 轴承是汽轮发电机组等旋转机械的重要部件,起着支撑转轴的重要作用,对于机组安全运行至关重要。大量的理论研究和工程实践表明,轴承所承受的载荷直接影响轴承工作状况:轴承载荷过重,轴承容易出现瓦温高、乌金碎裂、碾瓦等故障;轴承载荷过轻,容易出现油膜涡动和油膜振荡等故障。这两种情况下,轴系都会产生较大振动,从而影响机组安全运行。随着机组向大型化方向发展以及现代电力工业对机组安全运行的要求越来越高,识别轴承载荷、分析轴承工作状况,并在此基础上在机组安装和检修时对轴承载荷分配进行优化调整就显得越来越重要。
[0003] 汽轮发电机组轴系通常是由多根转子(2个或2个以上)所组成的轴系,其上含有3个和3个以上的轴承,这是一个静不定系统,各轴承所承受的载荷无法直接求出。轴承所承受的载荷与各轴承之间的安装标高等因素直接相关,影响因素众多,很难准确计算出来。目前所采用的测试方法主要有三种:(1)在轴承底部打孔,安装油压传感器,由实测轴承油膜压力反推,这种方法的准确度取决于轴承计算分析模型的准确性以及油膜压力测量位置、测试方法等,影响因素和不确定因素很多,工程实践表明,这种方法的识别误差较大;
(2)在轴承座底部安装力传感器测试轴承载荷,由于轴承座底部面积较大,测量时需要在轴承座底部4个角上都安装力传感器,将轴承座“托”起来,这种方法改变了轴承座底部接触状态和轴系校中状态,与实际工作状况不符;(3)顶举法:在轴承附近转轴正下方安装千斤顶,转轴正上方安装百分表,测试千斤顶不同顶举力下百分表读数,由此求出轴承载荷。为了能准确求出轴承载荷,这种方法要求千斤顶必须将轴顶起一段距离,即将轴承“托”空。但是,由于轴承间隙通常很小,大多在0.2mnT0.5mm之间,顶举时很容易碰到上部轴瓦,从而产生一个来自于上瓦的、额外的反作用力,导致结果误差较大。而且,这种方法一次只能对一个轴承进行试验,无法同时求出各轴承载荷。此外,上述三种方法都无法求出轴承水平方向上所承受的载荷。因此,研究一种新的轴承载荷测试和识别方法就显得很重要。
发明内容
[0004] 本发明的目的是提供一种基于转轴应变信号的汽轮发电机组轴承载荷识别装置和方法,测试结果可以较为真实地反映轴系载荷分布情况。
[0005] 本发明采用下述技术方案:一种基于转轴应变信号的汽轮发电机组轴承载荷识别装置,包括应变测量装置、应变信号传输装置和中央处理单元,所述应变测量装置和应变信号传输装置分别用于设置在转轴表面的每两个轴承之间,应变测量装置的信号输出端通过应变信号传输装置与中央处理单元的信号输入端连接。
[0006] 所述的应变信号传输装置包括无线发射装置和无线接收装置,应变测量装置的信号输出端与无线发射装置的信号输入端连接,无线发射装置与无线接收装置无线通信,无线接收装置的信号输出端与中央处理单元的信号输入端连接。
[0007] 所述的应变测量装置为应变片,在每两个轴承之间的应变测量截面的任一直径两端均设置有应变片。
[0008] 在每两个轴承之间的应变测量截面的任一直径两端各设置有两个应变片,每两个轴承之间的应变测量截面的四个应变片构成全桥测式模式。
[0009] 一种基于转轴应变信号的汽轮发电机组轴承载荷识别方法,包括以下步骤:
[0010] (I)、在转轴上划分刻度:以每两个轴承之间的应变测量截面的顶点为0°,底点为180°,顺转动方向两侧水平位置分别为90°和270° ;
[0011] (2)、在转轴表面黏贴应变片:在每两个轴承之间的应变测量截面的0°和180°各黏贴应变片;
[0012] (3)、盘动转轴,转轴旋转一周过程中0°、90°、180°和270°处各应变片的输出
[0013] (4)、由截面所测应变信号Sf、S財、Sisf.-S2701计算截面垂直和水平方向上的弯矩:
[0014]
Figure CN102323058BD00051
[0016] 其中:足Ir分别为转轴弹性模量和截面模量;转轴弹性模量由转轴材料决定,是
已知的,截面模量可有
Figure CN102323058BD00052
得出,其中:n』分别为转轴的外径和内径;
[0017] (5)、建立计算分析模型:将轴系视为变截面连续梁,各轴段自重作为均布质量,联轴器、推力盘、叶片、叶轮和法兰作为加载在连续梁上的集中载荷,将轴承载荷视为刚性支撑;
[0018] (6)、在应变测量截面处将轴系断开成若干单元段,首段单元为起始截面和第一个应变测量截面之间的转轴段,尾段单元为最后一个应变测量截面和终止截面之间的转轴段,其余单元为任意两个相邻的应变测量截面之间的转轴段;在每一个单元段内由单元内已知的外载荷分布和单元两端所测弯矩,按材料力学中力和力矩平衡原理,分别列出水平方向和垂直方向上的力平衡和力矩平衡的两个方程组,其中未知数为单元内轴承载荷和两端截面的剪力;
[0019] (7)、构建轴承载荷识别方程组,求出轴承载荷:假设轴系有Ii个轴承,则具有I*-1个截面应变测点,轴段被拆分为二段,根据步骤(6)所述方法列出2b个求解方程组,其中轴承载荷未知数的个数为》个,剪力未知数个数为n-1个,未知数的总数为2h-1个,采用数值分析理论中最小二乘法求解上述方程组即可得出轴承载荷分布情况;如果从其中任意选取H-2个应变测量截面,未知数个数为2n-2个,方程组的个数也为2h-2个,采用数值分析理论中线性方程组求解算法即可得出轴承载荷分布情况。
[0020]所述的步骤(2)中每两个轴承之间的应变测量截面的0°和180°处各布置两片应变片,构成全桥测试模式。
[0021] 所述的步骤(3)中的、S财、S爾、Sg为转轴连续盘动若干周的平均值。
[0022] 由于在不同的轴承载荷状态下,汽轮发电机组转轴弹性变形不同,各点应变和应力分布情况不同,所以本发明通过测试转轴不同截面处的应变信号,了解转轴应力分布情况,识别出轴承载荷,帮助分析危险截面,由所识别出的轴承载荷可以分析汽轮发电机组实际运转过程中各轴承工作状态,进而帮助判断轴承瓦温高、碾瓦、碎瓦、失稳、振动大等故障原因,并可在此基础上进一步分析轴系校中情况。与现有技术相比,具有如下优点:
[0023] (I)能够同时识别出轴系各轴承载荷,无须针对每一个轴承进行;
[0024] (2)不仅可以求出轴承垂直方向上的载荷,也可以求出水平方向上的载荷,两个方向上的载荷可以同时求出;
[0025] (3)测试时轴系所处状态即为轴系实际工作状态,无须在轴承座底部布置测力计和在轴瓦内表面打孔布置油压传感器等,测试结果可以较为真实地反映轴系载荷分布情况。
[0026] (4) 一次测试大约只需10分钟即可完成,具有快速、方便特点,有效地帮助技术人员开展汽轮发电机组等旋转机械状态监测和故障诊断工作。
附图说明
[0027] 图1为本发明的测试装置结构示意图;
[0028] 图2为轴系应变片所处角度定义和全桥应变片布置方式图;
[0029]图3为汽轮发电机组轴系力学模型简图;
[0030] 图4为轴段分析单元示意图。
具体实施方式
[0031] 本实施例是以某600MW汽轮发电机组轴系为例,进行基于转轴应变信号的轴承载荷识别分析,如图1所示,轴系上设置有高压缸1、第一低压缸3、第二低压缸5、轴承9、联轴器6、发电机7和励磁机8。本发明的轴承载荷识别装置包括应变片2、应变信号无线发射装置4、应变信号无线接收装置和中央处理单元,在每两个轴承之间的应变测量截面的任一直径两端各设置有两个应变片2,截面上的4四个应变片采用应变测量理论中的全桥测试模式,是应变的一种标准测量电路。四个应变片2的信号输出端与各应变信号无线发射装置4的信号输入端连接,各应变信号无线发射装置4的信号输出端均与应变信号无线接收装置的信号输入端无线连接,应变信号无线接收装置的信号输出端与中央处理单元的信号输入端连接。所述的中央处理单元采用计算机。
[0032] 本发明基于转轴应变信号的汽轮发电机组载荷识别方法包括以下步骤:[0033] (1)、在转轴上划分刻度:以每两个轴承之间的应变测量截面的顶点为0°,底点为180°,顺转动方向两侧水平位置分别为90°和270°,轴系各应变测量所处角度必须采用如上述所示同一个角度定义,如图2所示;
[0034] (2)、在汽轮发电机组转轴每两个轴承之间黏贴应变片,即:从最左端开始,每跨过I个轴承,在转轴表面黏贴应变片,如图1所示。每一应变测量截面处的应变片采用应变测量理论中的全桥测试模式测试截面应变,即圆周表面0°和180°处各布置两片应变片,横截面上的4个应变片构成应变的一种标准测量电路,如图2所示;
[0035] (3)、将每个应变信号无线发射装置固定到每个应变测量截面附近,将该截面处4个应变片的输出信号端接至应变信号无线发射装置的信号输入端,将无线信号接收装置的信号输出端与测量用计算机相连,进行测量各测量点的应变信号;
[0036] (4)、盘动转轴,测量转轴旋转一周过程中0°标记旋转到0°、90°、180°和270 °时各应变片输出信号;为消除误差,测试前可先将转轴连续盘动若干周,测试开始后,以若干周内的平均值作为相应角度处应变输出信号值,分别记为:
Figure CN102323058BD00071
[0037] (5)由截面所测的应变输出信号值
Figure CN102323058BD00072
计算截面垂直和水
平方向上的弯矩:
[0038]
Figure CN102323058BD00073
[0039] [0040] 其中:尾,分别为转轴弹性模量和截面模量,转轴弹性模量由转轴材料决定,是
已知的,截面模量可有
Figure CN102323058BD00074
得出,其中:^分别为转轴的外径和内径;
[0041] (5)、建立计算分析模型:将汽轮发电机组的轴系视为变截面连续梁,各轴段自重作为均布质量,联轴器、推力盘、叶片、叶轮和法兰作为加载在连续梁上的集中载荷,将轴承载荷视为刚性支撑,如图3所示;
[0042] (6)、在各应变测量截面处将轴系断开成若干单元段,首段单元为起始截面和第一个应变测量截面之间的轴承段,尾段单元为最后一个应变测量截面和终止截面之间的轴承段,其余单元为任意两个相邻的应变测量截面之间的轴承段;
[0043] (7)、在每一个单元段内由单元内已知的外载荷分布和单元两端所测弯矩,按材料力学中力和力矩平衡原理,可以列出力平衡和力矩平衡的两个方程组,其中未知数为单元内轴承载荷和两端截面的剪力;如图4所示,以第i单元段为例进行说明:图中L^LpLyLi为长度,是已知量;Ql、Q2分别为两段不同直径轴的单位长度均布质量,是已知量;T为作用
在轴上的集中载荷力,是已知量;MfJZf为两端垂直和水平弯矩,可由式I和式2得出;Fi为第i个轴承载荷,是未知量为两端剪力,是未知量;[0044] 垂直方向力平衡方程:
Figure CN102323058BD00081
[0045] 垂直方向力矩平衡方程:
Figure CN102323058BD00082
[0046] 水平方向力平衡方程:
Figure CN102323058BD00083
[0047] 水平方向力矩平衡方程:
Figure CN102323058BD00084
[0048] 水平方向上因为没有集中载荷和均布质量作用,力和力矩平衡方程比垂直方向上要简化得多。
[0049] 写成矩阵形式得:
[0050] 垂直方向
Figure CN102323058BD00085
[0052] 水平方向
Figure CN102323058BD00086
[0054] 上面两个方向上的方程可以简记为
[0055]
Figure CN102323058BD00087
[0056] 由于汽轮发电机组轴系首段和尾段截面大多处于自由状态,对于这两个单元而言,起始截面和终止截面处的弯矩为零,这两个截面的剪力为零,不作为未知数参与求解;
[0057] (8)、构建轴承载荷识别方程组,求出轴承载荷:假设轴系有n个轴承,则具有n-1个截面应变测点,轴段被拆分力n段,根据步骤(7)所述方法可以列出2n个求解方程组,写成矩阵形式得:
[0058]
Figure CN102323058BD00088
[0059] 式中q1=q-1分别为应变测量截面的待求剪力f1-fn分别为各轴承待求载荷;
[0060] 其中轴承载荷未知数的个数为n个,剪力未知数个数为n_l个,未知数的总数为2n-1个,方程组个数大于未知数个数,采用数值分析理论中矛盾方程组最小二乘求解算法即可得出轴承载荷分布情况;也可以从其中任意选取n-2个应变测量截面,未知数个数为2n-2个,方程组个数也为2n-2个,方程组个数与未知数个数相等,利用数值分析理论中线性方程组求解算法可以求解出未知剪力和轴承载荷。

Claims (3)

1.一种基于转轴应变信号的汽轮发电机组轴承载荷识别方法,其特征在于:包括以下步骤: (1)、在转轴上划分刻度:以每两个轴承之间的应变测量截面的顶点为0°,底点为180°,顺转动方向两侧水平位置分别为90°和270° ; (2)、在转轴表面黏贴应变片:在每两个轴承之间的应变测量截面的0°和180°各黏贴应变片; (3)、盘动转轴,转轴旋转一周过程中0°、90°、180°和270°处各应变片的输出信号S0°,S90°,S180°,S270°; (4)、由截面所测应变信号S0°,S90°,S180°,S270°计算截面垂直和水平方向上的弯矩M垂直、M水平:
Figure CN102323058BC00021
其中:S’W分别为转轴弹性模量和截面模量;转轴弹性模量由转轴材料决定,是已知的,截面模量可有
Figure CN102323058BC00022
得出,其中:D,d分别为转轴的外径和内径; (5)、建立计算分析模型:将轴系视为变截面连续梁,各轴段自重作为均布质量,联轴器、推力盘、叶片、叶轮和法兰作为加载在连续梁上的集中载荷,将轴承载荷视为刚性支撑; (6)、在应变测量截面处将轴系断开成若干单元段,首段单元为起始截面和第一个应变测量截面之间的转轴段,尾段单元为最后一个应变测量截面和终止截面之间的转轴段,其余单元为任意两个相邻的应变测量截面之间的转轴段;在每一个单元段内由单元内已知的外载荷分布和单元两端所测弯矩,按材料力学中力和力矩平衡原理,分别列出水平方向和垂直方向的力平衡和力矩平衡的两个方程组,其中未知数为单元内轴承载荷和两端截面的剪力; (7)、构建轴承载荷识别方程组,求出轴承载荷:假设轴系有.a个轴承,则具有I个截面应变测点,轴段被拆分力i段,根据步骤(6)所述方法列出2n个求解方程组,其中轴承载荷未知数的个数力-个,剪力未知数个数为个,未知数的总数为2.n-1个,采用数值分析理论中最小二乘法求解上述方程组即可得出轴承载荷分布情况;如果从其中任意选取n - 2个应变测量截面,未知数个数为2n - 2个,方程组的个数也为2n- 2个,采用数值分析理论中线性方程组求解算法即可得出轴承载荷分布情况。
2.根据权利要求1所述的基于转轴应变信号的汽轮发电机组轴承载荷识别方法,其特征在于:所述的步骤(2)中每两个轴承之间的应变测量截面的0°和180°处各布置两片应变片,构成全桥测试模式。
3.根据权利要求1或2所述的基于转轴应变信号的汽轮发电机组轴承载荷识别方法,其特征在于:所述的步骤(3)中的S0P S9oe' Smr J27tr为转轴连续盘动若干周的平均值。
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