CN107084843A - 一种转轴振动监测方法及装置 - Google Patents

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CN107084843A CN201710482004.1A CN201710482004A CN107084843A CN 107084843 A CN107084843 A CN 107084843A CN 201710482004 A CN201710482004 A CN 201710482004A CN 107084843 A CN107084843 A CN 107084843A
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Abstract

本发明公开了一种转轴振动监测方法，包括以下步骤：步骤S1，在轴承上X、Y两个方向各设置一监测单元；步骤S2，所述监测单元感应转轴的振动并输出电压信号；步骤S3，将所述电压信号转换为位移信号；步骤S4，根据所述位移信号计算所述转轴在其圆周方向任意角度的振幅；步骤S5，从所述转轴在其圆周方向任意角度的振幅中提取振幅的极值及对应的角度。该监测方法能反映转轴的整体振动情况，为转轴的振动监测、分析和故障诊断提供更准确、可靠地依据。另外，本发明还提供一种转轴振动监测装置。

Description

一种转轴振动监测方法及装置
技术领域
本发明涉及旋转机械振动监测技术领域，具体涉及一种转轴振动的极值测量方法及装置。
背景技术
大型旋转机械，如汽轮发电机组、水轮发电机组和烟气轮机组等，普遍使用滑动轴承支撑转轴，并通过振动监测保护系统(TSI)监测转轴对轴承的相对振动。
振动监测保护系统包括两个涡流传感器，分别用于测量两个通道的振动。振动监测保护系统通常根据通道的振幅设置报警逻辑，如设置为“或”逻辑，则当两个通道之一的振幅超过预设的危险值时跳机；如设置为“与”逻辑，则当两个通道的振幅均超过预设的危险值时跳机。然而，由于涡流传感器只能反映测量位置的振动情况，但不同机组的结构、运行参数以及轴承油膜刚度在圆周方向上各向异性等方面的影响，导致两个方向的振动通常存在一定的差异，如一个方向振动较大，另一个方向振动较小，这给振动监测保护系统的报警和异常判断带来一定困难。
虽然在《GBT 11348.1-1999旋转机械转轴径向振动的测量和评定-第1部分-总则》中给出了计算测量平面内最大振动位移的峰峰值Sp-pmax的几种算法，但这些算法误差较大，有时高达40％，导致这种根据最大方向的振动判断失去实际意义，仍然无法了解转轴圆周方向其他角度的振动。
由上可知，目前的振动监测保护系统只能检测传感器安装位置的振动情况，不能了解同一转轴圆周方向其它角度的振动，因此不能准确地把握转轴的整体振动情况。
发明内容
本发明的目的在于提供一种转轴振动的极值测量方法、装置及旋转机械，用以解决现有无法把握转轴整体振动情况的问题。
为实现上述目的，本发明转轴振动的极值测量方法。具体地，该方法包括如下步骤：
步骤S1，在轴承上X、Y两个方向各设置一监测单元；
步骤S2，所述监测单元感应转轴的振动并输出电压信号；
步骤S3，将所述电压信号转换为位移信号；
步骤S4，根据所述位移信号计算所述转轴在其圆周方向任意角度的振幅；
步骤S5，从所述转轴在其圆周方向任意角度的振幅中提取所述转轴的振幅极值及对应的角度。
其中，在所述步骤S1中，所述监测单元为涡流传感器，X、Y两个方向均垂直于所述轴承的中心线，且X、Y两个方向的夹角为0～180之间的任意角度。
优选地，在所述步骤S2中，所述涡流传感器在所述转轴转动过程中整周期采样，而且连续采样多个整周期。
优选地，在所述步骤S4中，所述转轴在其圆周方向的任意角度的振幅Sppθ通过以下方式得到：
Sppθ＝max(Sk)-min(Sk)
其中，Sppθ为在所述转轴圆周方向θ角度上所述轴承的振幅；
Sk为振动曲线上某点(Sx[k]，Sy[k])在所述转轴圆周方向θ角度所在直线上的距离；
max(Sk)为在振动曲线上某点(Sx[k]，Sy[k])在所述转轴圆周方向θ角度所在直线上的最大距离；
min(Sk)为在振动曲线上某点(Sx[k]，Sy[k])在所述转轴圆周方向θ角度所在直线上的最小距离；
xk为在振动曲线上某点(Sx[k]，Sy[k])在所述转轴圆周方向θ角度所在直线上的投影的横坐标；
yk为在振动曲线上某点(Sx[k]，Sy[k])在所述转轴圆周方向θ角度所在直线上的投影的纵坐标。
其中，在所述步骤S5中，提取所述振幅的极值及对应的角度的方法如下：
Sppmax＝max(Sppθ)
Sppmin＝min(Sppθ)
其中，Sppmax为所述转轴在其圆周方向上振幅的极大值；
Sppmin为所述转轴在其圆周方向上振幅的极小值；
所述转轴振幅的极大值所在角度为极大值对应的角度；
所述转轴振幅的极小值所在角度为极小值对应的角度。
其中，所述转轴振动监测方法还包括：
步骤S6，根据所述振幅的极值及对应的角度对所述转轴进行故障诊断。
另外，本发明还提供一种转轴振动监测装置，包括：
监测单元，在轴承上X、Y两个方向各设置一所述监测单元，所述监测单元用于感应转轴的振动并输出电压信号；
采样单元，用于采样所述监测单元获得的电压信号；
信号转换单元，用于将所述电压信号转换为位移信号；
计算单元，用于根据所述位移信号计算所述转轴在其圆周方向任意角度的振幅；
提取单元，用于从所述转轴在其圆周方向任意角度的振幅中提取所述转轴的振动极值和对应的角度。
其中，X、Y两个方向均垂直于所述轴承的中心线，且X、Y两个方向的夹角为0～180之间的任意角度。
优选地，所述计算单元通过以下方式获得所述转轴在其圆周方向的任意角度的振幅Sppθ：
Sppθ＝max(sk)-min(sk)
其中，Sppθ为在所述轴承圆周方向θ角度上的振幅；
Sk为振动曲线上某点(Sx[k]，Sy[k])在所述转轴圆周方向θ角度的直线上的距离；
max(Sk)为在振动曲线上某点(Sx[k]，Sy[k])在所述转轴圆周方向θ角度直线上的最大距离；
min(Sk)为在振动曲线上某点(Sx[k]，Sy[k])在所述转轴圆周方向θ角度直线上的最小距离；
xk为在振动曲线上某点(Sx[k]，Sy[k])在所述转轴圆周方向θ角度直线上的投影的横坐标；
yk为在振动曲线上某点(Sx[k]，Sy[k])在所述转轴圆周方向θ角度直线上的投影的纵坐标。
其中，所述转轴振动监测装置还包括：
诊断单元，用于根据所述振动极值和对应的角度对所述转轴进行故障诊断；
显示单元，用于显示所述振动极值和对应的角度；
报警单元，用于当所述振动极值超过预设的阈值时发出报警。
此外，本发明还提供一种旋转机械，包括转轴振动监测装置，所述转轴振动监测装置采用本发明提供的所述转轴振动监测装置。
本发明方法具有如下优点：
本发明提供的转轴振动监测方法通过在两个互成一定角度的X、Y向的监测单元获得转轴的振动信号，再将振动信号转换为位移信号，然后通过计算位移信号获得转轴圆周方向任意角度的振幅，相对于只反映转轴监测单元安装位置的振动情况而言，该监测方法获得的振幅极值及对应的角度更能反映转轴的整体振动情况，为转轴的振动监测、分析和故障诊断提供更准确、可靠地依据，从而为提高转轴的可靠性提供有力的数据支持。
另外，本发明提供的转轴振动监测装置通过互成一定角度的两个监测单元获得转轴的振动信号，再通过信号转换单元将振动信号转换为位移信号，然后通过计算单元获得转轴圆周方向任意角度的振幅，并通过提取单元从任意角度的振幅中提取转轴的振动极值和对应的角度，该监测装置更能反映转轴的振动情况，为转轴的振动监测、分析和故障诊断提供更准确、可靠地依据，从而为提高转轴的可靠性提供有力的数据支持。
附图说明
图1为本发明实施例一提供的转轴振动监测方法的流程图。
图2为本发明实施例一中监测单元的安装示意图。
图3为本发明实施例一提供的转轴振动监测方法中轴承某方向振动位移计算示意图。
图4为本发明实施例二提供的转轴振动监测装置的原理框图。
图5为本发明实施例二中某火电厂#1汽轮发电机组的结构示意图。
图6为本发明实施例二中某火电厂#1汽轮发电机组各转轴振动参数的列表。
具体实施方式
以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
实施例1
结合参阅图1和图2，实施例一提供一种转轴振动监测方法，包括以下步骤：
步骤S1，在轴承上X、Y两个方向各设置一监测单元。
本实施例监测单元采用但不限于涡流传感器。在轴承22上X、Y两个方向各设置一个监测单元21，而且X、Y两个方向均垂直于轴承22的中心线，即轴承22的径向方向，X、Y两个方向的夹角为0～180之间的任意角度，如X、Y两个方向的夹角为90°。但X、Y两个方向的夹角越小，监测的数值越接近，不能完全反应转轴振动的情况，因此优选45～135°，以提高振动监测的准确性。
步骤S2，监测单元感应转轴的振动并输出电压信号。
涡流传感器可感应转轴23的振动并输出电压信号。本实施例两个涡流传感器对X、Y两个方向进行离散采样，为了快速傅里叶变换的需要，优选整周期采样电压信号，并连续多个整周期采样电压信号，如每周期采样64点，连续采样16个周期，共采样1024个点，分别记为Vx[i]、Vy[i]，i＝0～1023。本实施例之所以每个涡流传感器采样1024个点，是既考虑了数据的准确性，又兼顾采样效率以及后期的数据处理效率。
步骤S3，将电压信号转换为位移信号。
将涡流传感器获得的电压信号转换为位移信号，也就是将涡流传感器获得的模拟电压信号Vx[i]、Vy[i]转换为位移信号Sx[i]、Sy[i]，i＝0～1023，单位μm，获得X、Y两个方向振动曲线的位移量。
步骤S4，根据位移信号计算转轴在其圆周方向任意角度的振幅。
计算转轴在某方向的振动，相当于将位移信号曲线上的各点Sx[i]、Sy[i]在该方向所在直线上进行投影，每个投影点相当于一个离散采样，根据离散采样获得该方向振动曲线的位移量，而投影的最大差值即为该方向的振动幅值。
结合参阅图1和图3，假设将转轴的圆周方向均匀地分成360份，那么每份经过O点(坐标原点)的直线方程L已知，将直线L上任意一点的坐标设置为(x1，y1)，如：其中，θ为直线L的角度，即直线L与水平线之间的夹角，本文将其称为在转轴圆周方向θ角度，简称θ角度，θ的取值范围为0～360度，10为参考值，这个值根据实际情况可调。
将振动曲线上某点(Sx[k]，Sy[k])在直线L上的投影坐标定义为(xk，yk)，
∴(xk-Sx[k])(x1-x2)+(yk-Sy[k])(y1-y2)＝0 (2)
联立式(1)和式(2)，可以解得，
yk＝((Sx[k]-x2)×(x1-x2)×(y1-y2)+Sy[k]×(y1-y2)+y2×(x1-x2)2))/((x1-x2)2+(y1-y2)2)
如果x1＝x2，则xk＝x1；如果y1＝y2，则xk＝Sx[k]；其他情况下：
xk＝((x1-x2)×x2×(y1-y2)+(x1-x2)×(yk-y2))/((x1-x2)×(y1-y2))；
由此可得振动曲线上某点(Sx[k]，Sy[k])在θ角度所在直线L上的距离，即点(xk，yk)到原点O的距离，Sk为：
其中，Sk为振动曲线上某点(Sx[k]，Sy[k])在θ角度所在直线上的投影与原点O之间的距离，xk为在振动曲线上某点(Sx[k]，Sy[k])在θ角度所在直线上的投影的横坐标，yk为在振动曲线上某点(Sx[k]，Sy[k])在θ角度所在直线上的投影的纵坐标。而且，当xk大于或等于0时，Sk为正；当xk小于0时，Sk为负。Sk的最大差值Sppθ即为转轴在θ角度方向上的振幅。
Sppθ＝max(Sk)-min(Sk) (4)
其中，Sppθ为在转轴圆周方向θ角度方向上轴承的振幅，max(Sk)为在振动曲线上某点(Sx[k]，Sy[k])在转轴圆周方向θ角度所在直线上的最大距离，min(Sk)为在振动曲线上某点(Sx[k]，Sy[k])在转轴圆周方向θ角度所在直线上的最小距离。
步骤S5，从转轴在其圆周方向任意角度的振幅中提取转轴振幅的极值及对应的角度。
从步骤S4获得的转轴在其圆周方向任意角度的振幅中提取转轴的振幅极值及与该振幅极值对应的角度。
当θ从0～360度变化时，Sppθ的最大值和对应的角度即为转轴在其圆周方向上振幅的极大值Sppmax和角度；Sppθ的最小值和对应的角度即为转轴在其圆周方向上振幅的极小值Sppmin和角度。
Sppmax＝max(Sppθ) (5)
Sppmin＝min(Sppθ) (6)
其中，Sppmax为转轴在其圆周方向上振幅的极大值，Sppmin为转轴在其圆周方向上振幅的极小值。转轴振幅的极大值所在角度为极大值对应的角度，转轴振幅的极小值所在角度为极小值对应的角度。
由步骤S1至步骤S5可以得到转轴在其圆周方向上任意角度的振动情况，并从转轴圆周方向上任意角度的振动情况中提取振幅极值和对应的角度，从而为判断转轴振动异常、振动报警和解决振动问题提供重要依据。
作为实施例一的一个变型实施例，转轴振动监测方法还包括步骤S6，具体地：
步骤S6，根据转轴振幅的极值及对应的角度对转轴进行故障诊断。
根据在转轴圆周方向上转轴振幅的极值及对应的角度可以设置报警阈值，使报警逻辑更合理，还可对转轴进行故障诊断和分析故障的原因。
本实施例提供的转轴振动监测方法通过在两个互成一定角度的X、Y向的监测单元获得转轴的振动信号，再将振动信号转换为位移信号，然后通过计算位移信号获得转轴圆周方向任意角度的振幅，相对于只反映转轴监测单元安装位置的振动情况而言，该监测方法获得的振幅极值及对应的角度更能反映转轴的整体振动情况，为转轴的振动监测、分析和故障诊断提供更准确、可靠地依据，从而为提高转轴的可靠性提供有力的数据支持。
实施例2
如图4所述，本发明实施例二提供一种转轴振动监测装置，其包括监测单元41、采样单元42、信号转换单元43、计算单元44和提取单元45。
其中，在轴承上X、Y两个方向各设置一监测单元41，监测单元41感应转轴的振动并输出电压信号。本实施例监测单元41采用但不限于涡流传感器，X、Y两个方向均垂直于轴承的中心线，且X、Y两个方向的夹角为0～180之间的任意角度。
采样单元42用于采样监测单元获得的电压信号。采样单元42是离散采样电压信号，优选整周期采样，更优选连续多个整周期采样，以获得更准确地数据，同时兼顾采样效率以及后期的数据处理效率。
信号转换单元43用于将电压信号转换为位移信号，即转换为转轴在径向方向上的位移信号，单位为μm，以确定转轴在其圆周方向任意角度的振动情况。
计算单元44用于根据位移信号计算转轴在其圆周方向任意角度的振幅，具体的计算方法与实施例一相同，在此不再赘述。
提取单元45用于从转轴在其圆周方向任意角度的振幅中提取转轴在其圆周方向上的振动极值及对应的角度。
另外，转轴振动监测装置还包括诊断单元46、显示单元47和报警单元48，其中，诊断单元46用于根据转轴的振动极值及对应的角度对转轴进行故障诊断；显示单元47用于显示转轴的振动极值以及对应的角度。报警单元48用于当振动极值超过预设的阈值时发出报警。
下面以某火电厂#1汽轮发电机组(660MW)为例介绍转轴振动监测装置的工作过程。如图5所示，该轮发电机组包括1个高中压转子51、2个低压转子52和发电机转子53组成，共需8个轴承1#～8#支撑，每个轴承均在X、Y两个方向各安装一涡流传感器(图中未示出)，以监测转轴的相对振动。
根据实施例一介绍的转轴振动监测方法得到每个轴承振幅的极值及对应的角度(位置)。在如图6列表中，第一列为通道名称，即轴承名称；第二列为通道对组成，即每个轴承对应的两个涡流传感器；第三列为通频，表示轴承中转轴的旋转频率；第四列为极大值，即轴承中转轴振幅的极大值；第五列为与转轴振幅的极大值对应的角度；第六列为极小值，即轴承中转轴的振幅的极小值；第七列为与转轴振幅的极小值对应的角度。
从图6可知，多数情况下，转轴振幅的极大值与极小值与两个涡流传感器的振动差别不大，但有时也存在显著区别。如5#轴承的振动，虽然X、Y两个方向的振幅差别较小，59-57＝2μm，但极大值与极小值的差别较大，62-38＝24μm，说明5#轴承的振动出现异常。
当轴承的振动出现异常时，根据极大值与极小值的差别可以更好地判断故障的性质。例如，若极大值与极小值的差别较小，且对应的角度相差接近90度，则主要是平衡不良问题；若极大值与极小值的差别较大，且对应的角度相差接近0度或180度，则主要是对中不良或轴承松动问题。另外，当轴承出现常见的不平衡故障时，在极大值对应的方向进行动平衡更有效。当机组出现对中不良或轴承松动故障时，根据振动极值可以大致确定故障的部位和严重程度。
在本实施例中，在明确每个轴承振动的极大值和极小值后可设置报警值和跳机值，如将轴承极大值的报警值设置为140um，跳机值设置为260um，极小值的报警值设置为110um，跳机值设置为240um。在实际应用中，使用者还可以参考不同轴承的实际情况，如轴承的结构和转子的直径等参数设置报警值和跳机值，以减少由于极大振动方向振幅报警值设置过小引起误跳，以及由于极小振动方向振幅报警值设置过大引起拒跳，从而减少误跳和拒跳所造成的经济损失和不良社会影响。
本实施例提供的转轴振动监测装置通过互成一定角度的两个监测单元获得转轴的振动信号，再通过信号转换单元将振动信号转换为位移信号，然后通过计算单元获得转轴圆周方向任意角度的振幅，并通过提取单元从任意角度的振幅中提取转轴的振动极值和对应的角度，该监测装置更能反映转轴的振动情况，为转轴的振动监测、分析和故障诊断提供更准确、可靠地依据，从而为提高转轴的可靠性提供有力的数据支持。
需要说明的是，本实施例提供的转轴振动监测装置可用于汽轮发电机组、水轮发电机组、烟气轮机组、风力发电机组、动车以及采矿等领域，用于监测滑动轴承与转轴之间的相对振动情况，以分析转轴的振动和故障诊断。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (10)

1.一种转轴振动监测方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1，在轴承上X、Y两个方向各设置一监测单元；
步骤S2，所述监测单元感应转轴的振动并输出电压信号；
步骤S3，将所述电压信号转换为位移信号；
步骤S4，根据所述位移信号计算所述转轴在其圆周方向任意角度的振幅；
步骤S5，从所述转轴在其圆周方向任意角度的振幅中提取所述转轴的振幅极值及对应的角度。
2.根据权利要求1所述的转轴振动监测方法，其特征在于，在所述步骤S1中，所述监测单元为涡流传感器，X、Y两个方向均垂直于所述轴承的中心线，且X、Y两个方向的夹角为0～180之间的任意角度。
3.根据权利要求2所述的转轴振动监测方法，其特征在于，在所述步骤S2中，所述涡流传感器在所述转轴转动过程中整周期采样，而且连续采样多个整周期。
4.根据权利要求2所述的转轴振动监测方法，其特征在于，在所述步骤S4中，所述转轴在其圆周方向的任意角度的振幅Sppθ通过以下方式得到：
Sppθ＝max(Sk)-min(Sk)
<mrow> <mi>S</mi> <mi>k</mi> <mo>=</mo> <mo>&amp;PlusMinus;</mo> <msqrt> <mrow> <msup> <mrow> <mo>(</mo> <mi>x</mi> <mi>k</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mn>2</mn> </msup> <mo>+</mo> <msup> <mrow> <mo>(</mo> <mi>y</mi> <mi>k</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mn>2</mn> </msup> </mrow> </msqrt> </mrow>
其中，Sppθ为在所述转轴圆周方向θ角度上所述轴承的振幅；
Sk为振动曲线上某点(Sx[k]，Sy[k])在所述转轴圆周方向θ角度所在直线上的距离；
max(Sk)为在振动曲线上某点(Sx[k]，Sy[k])在所述转轴圆周方向θ角度所在直线上的最大距离；
min(Sk)为在振动曲线上某点(Sx[k]，Sy[k])在所述转轴圆周方向θ角度所在直线上的最小距离；
xk为在振动曲线上某点(Sx[k]，Sy[k])在所述转轴圆周方向θ角度所在直线上的投影的横坐标；
yk为在振动曲线上某点(Sx[k]，Sy[k])在所述转轴圆周方向θ角度所在直线上的投影的纵坐标。
5.根据权利要求2所述的转轴振动监测方法，其特征在于，在所述步骤S5中，提取所述振幅的极值及对应的角度的方法如下：
Sppmax＝max(Sppθ)
Sppmin＝min(Sppθ)
其中，Sppmax为所述转轴在其圆周方向上振幅的极大值；
Sppmin为所述转轴在其圆周方向上振幅的极小值；
所述转轴振幅的极大值所在角度为极大值对应的角度；
所述转轴振幅的极小值所在角度为极小值对应的角度。
6.根据权利要求2所述的转轴振动监测方法，其特征在于，所述转轴振动监测方法还包括：
步骤S6，根据所述振幅的极值及对应的角度对所述转轴进行故障诊断。
7.一种转轴振动监测装置，其特征在于，包括：
监测单元，在轴承上X、Y两个方向各设置一所述监测单元，所述监测单元用于感应转轴的振动并输出电压信号；
采样单元，用于采样所述监测单元获得的电压信号；
信号转换单元，用于将所述电压信号转换为位移信号；
计算单元，用于根据所述位移信号计算所述转轴在其圆周方向任意角度的振幅；
提取单元，用于从所述转轴在其圆周方向任意角度的振幅中提取所述转轴的振动极值和对应的角度。
8.根据权利要求7所述的转轴振动监测装置，其特征在于，X、Y两个方向均垂直于所述轴承的中心线，且X、Y两个方向的夹角为0～180之间的任意角度。
9.根据权利要求7所述的转轴振动监测装置，其特征在于，所述计算单元通过以下方式获得所述转轴在其圆周方向的任意角度的振幅Sppθ：
Sppθ＝max(sk)-min(sk)
<mrow> <mi>S</mi> <mi>k</mi> <mo>=</mo> <mo>&amp;PlusMinus;</mo> <msqrt> <mrow> <msup> <mrow> <mo>(</mo> <mi>x</mi> <mi>k</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mn>2</mn> </msup> <mo>+</mo> <msup> <mrow> <mo>(</mo> <mi>y</mi> <mi>k</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mn>2</mn> </msup> </mrow> </msqrt> </mrow>
其中，Sppθ为在所述轴承圆周方向θ角度上的振幅；
Sk为振动曲线上某点(Sx[k]，Sy[k])在所述转轴圆周方向θ角度的直线上的距离；
max(Sk)为在振动曲线上某点(Sx[k]，Sy[k])在所述转轴圆周方向θ角度直线上的最大距离；
min(Sk)为在振动曲线上某点(Sx[k]，Sy[k])在所述转轴圆周方向θ角度直线上的最小距离；
xk为在振动曲线上某点(Sx[k]，Sy[k])在所述转轴圆周方向θ角度直线上的投影的横坐标；
yk为在振动曲线上某点(Sx[k]，Sy[k])在所述转轴圆周方向θ角度直线上的投影的纵坐标。
10.根据权利要求7所述的转轴振动监测装置，其特征在于，所述转轴振动监测装置还包括：
诊断单元，用于根据所述振动极值和对应的角度对所述转轴进行故障诊断；
显示单元，用于显示所述振动极值和对应的角度；
报警单元，用于当所述振动极值超过预设的阈值时发出报警。
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