CN109141886A - 一种转轴和轴承的振动与磨损状态联合监测实验平台 - Google Patents

Abstract

本发明涉及轴与轴承运行监测实验技术领域，具体指一种转轴和轴承的振动与磨损状态联合监测实验平台；包括底板、实验轴和轴承，所述底板的两端分别设有驱动电机和基座，基座上设有承轴器，驱动电机和基座之间设有转速转矩传感器，驱动电机、转速转矩传感器和实验轴之间分别通过联轴器依次连接；所述基座上设有加载模块，加载模块上设有数据采集模块，数据采集模块包括数据采集卡、电涡流传感器、加速度传感器、压力传感器和润滑在线采样模块；本发明结构合理，可模拟转轴在各种工况下的运行状态，通过各传感器监测转轴和轴承的振动和磨损情况，并通过数据分析轴系轴承工作过程中振动和磨损之间的联系，为轴系设备运行监测体系的建立提供理论和数据基础，从而获得最佳的设备保障效果。

Description

一种转轴和轴承的振动与磨损状态联合监测实验平台

技术领域

本发明涉及转轴与轴承运行监测实验技术领域，具体指一种转轴和轴承的振动与磨损状态联合监测实验平台。

背景技术

交流异步电机通过转子旋转向外输出扭矩带动负载工作，对电机转子起到支撑作用的轴和轴承(包含轴瓦)的工作状态变化及其可靠性问题，对整个电机的性能起到至关重要的影响。电机的转轴在高速重载的工况下不可避免地存在振动，过度的振动可能会产生灾难性的事故，因此需要对设备进行振动监测，实时掌握设备的振动情况。同时，振动是把双刃剑，虽然对设备的运行不利，但是可以通过监测到的振动信息对设备进行故障诊断和预测，可以对潜在的故障进行预防。机组运行过程中转轴不平衡、不对中、动静摩擦等故障出现率较高，这些故障会在振动信号中展现出各自的特征；机组转轴振动信号能在一定程度上反应机组的运行状况。

转子系统在机械设备中应用广泛，为实现对转子设备故障诊断，国内外学者对转子裂纹识别做了大量研究，目前裂纹的识别方法主要包含基于信号的方法和基于模型的方法。基于信号的裂纹识别方法使用振动监测设备，并利用稳态和瞬态振动的数据进行分析得到裂纹信息，从而实现裂纹的识别。由于工程中转子裂纹模型较为复杂，得到转子裂纹动力学模型较为困难，并在建立动力学模型中会忽略一些结构特征影响因素，使得裂纹识别精度不高并且识别方法通用性较低。

轴心轨迹是指轴心相对于轴承座在与轴中心线相垂直平面内的运动轨迹，其常用在回转机械的状态监测与故障诊断中。轴心轨迹可用实验法和计算法获得。目前，轴心轨迹通常用电涡流传感器来测量，利用金属表面处于高频磁场时的涡流效应，将位移信号转换为电压信号。进行轴心轨迹的测量实验时，一般需要两个电涡流传感器来测量轴心在某一截面内的位移轨迹。

油液监测技术是实现设备润滑状态监测与磨损故障诊断的重要技术手段, 其原理主要是通过对设备在用润滑油理化性能指标和油中金属和非金属磨损颗粒及污染产物的分析来获取设备摩擦副润滑和磨损状态的信息,从而对设备的润滑状态及磨损故障进行诊断。在电机运转过程中，摩擦副中的磨损颗粒会进入到润滑油中，在实验室条件下对润滑油中的磨损颗粒进行原子光谱分析和铁谱分析能够确定不同类型磨损颗粒所占比例，并能测出各元素的颗粒浓度随电机工作时间变化而变化的趋势，从而试图预测未来一定时间内电机工作特性的稳定性和可靠性，对电机的正常运行起到指导和保障的作用。

润滑油的常规理化分析是指采用油品的物理化学化验方法对润滑油的各种理化指标进行测定。在针对机械诊断这一特定目标时，需要分析的项目一般为粘度、水分、闪点、酸度(值)和机械杂质等。各类润滑油在这些项目上都有各自的正常值控制标准。通过这些指标的测定，一方面可以监测润滑系统，另一方面可以预测甚至预防机器设备因润滑不良而可能出现的故障。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的缺陷和不足，提供一种结构合理、可模拟不同转速和载荷工况、通过转轴轴心轨迹分析和轴承润滑油理化、光谱分析实现实时监测的转轴振动状态和轴承磨损状态联合监测实验台。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明所述的一种转轴和轴承的振动与磨损状态联合监测实验平台,包括底板、实验轴和轴承，所述底板的两端分别设有驱动电机和基座，基座上设有轴承，实验轴穿设于轴承上，驱动电机和基座之间设有转速转矩传感器，驱动电机、转速转矩传感器和实验轴之间分别通过联轴器依次连接；所述基座上设有加载模块，加载模块上设有数据采集模块，数据采集模块包括数据采集卡、电涡流传感器、加速度传感器、压力传感器和润滑在线采样模块。

根据以上方案，所述加载模块包括加载支架、加载螺杆、加载压块和加载弹簧，加载支架的下端与基座固定连接，加载螺杆竖直穿设于加载支架的上端板上，加载压块可沿加载支架上下活动，且加载弹簧的两端分别与加载螺杆和加载压块连接；所述加载压块的底面上设有加载楔形块，加载楔形块与实验轴抵触连接，加载楔形块上设有压力传感器。

根据以上方案，所述电涡流传感器和加速度传感器分别安装在承轴器的轴承盖上的开孔中，实现对转轴轴心轨迹的在线监测。

根据以上方案，所述润滑在线采样模块包括进油软管和出油软管，承轴器的轴承轴瓦上部开设进油孔并与进油软管连接，承轴器的轴承轴瓦下部开设出油孔并与出油软管连接，出油软管上连接有油液采集瓶。该部分能够实现对轴承润滑油及磨损状态的在线监测。

本发明有益效果为：本发明结构合理，可模拟转轴和轴承在各种工况下的运行状态，通过各传感器监测转轴的振动和轴承的磨损情况，并通过数据分析轴系工作过程中振动和轴承磨损之间的联系，为轴系设备运行监测体系的建立提供理论和数据基础，从而获得最佳的设备保障效果。

附图说明

图1是本发明的立体视角结构示意图；

图2是本发明的正面视角结构示意图。

图中：

1、底板；2、轴承；3、转速转矩传感器；11、驱动电机；12、实验轴；13、基座；14、联轴器；21、加载支架；22、加载螺杆；23、加载弹簧；24、加载压块；25、加载楔形块。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明的技术方案进行说明。

如图1所示，本发明所述的一种转轴和轴承的振动与磨损状态联合监测实验平台,包括底板1和实验轴12，所述底板1的两端分别设有驱动电机11和基座13，基座13上设有轴承2，实验轴12穿设于轴承2上，驱动电机11和基座 13之间设有转速转矩传感器3，驱动电机11、转速转矩传感器3和实验轴12之间分别通过联轴器14依次连接；所述驱动电机11采用三菱MR-J4-_A型号伺服电机，可以用于目前常见机械设备的高精度定位和平滑速度控制，还可以用于线控制和张力控制；驱动电机11装备了USB通信接口，因此与安装MR Conf igurator2后的个人电脑连接后，能够进行数据设定和试运行以及增益调整等操作；驱动电机11和实验轴12之间用联轴器14连接，在实验轴12上加装转矩转速传感器3，可以记录实验轴12的转速和转矩；所述基座13上设有加载模块，加载模块为实验轴12提供径向载荷且压力值通过压力传感器体现，并可实现压力值的调整和连续载荷施加，加载模块上设有数据采集模块，数据采集模块包括阿尔泰U2088数据采集卡、电涡流传感器、加速度传感器和压力传感器；转速转矩传感器3测定转速用来调校实验轴12工作时的转速，确保实验轴 12在规定的转速下运行；所述电涡流传感器通过电涡流效应的原理，准确测量被测体与探头端面的相对位置，加速度传感器可以采集设备的加速度信息，通过分析动态加速度，可以分析出设备移动的方式，加速度的变换情况直接反应了设备的振动情况；所述基座13上设有润滑在线采样模块，润滑在线采样模块包括进油软管和出油软管，轴承2轴瓦上部开设进油孔并与进油软管连接，轴承2轴瓦下部开设出油孔并与出油软管连接，出油软管上连接有油液采集瓶，在实验台正常运转时，轴承润滑油经由进油软管流到轴承2润滑沟槽，完成对轴承的润滑工作，之后经由轴承2轴瓦下部的出油孔流到出油软管并被收集到与之相连的油液采集瓶中，对采集到的润滑油进行理化、光谱等分析可以诊断轴承的磨损情况，该部分能够实现对轴承润滑油及磨损状态的在线监测。

本装置的工作原理如下：所述实验台选用伺服电机作为动力源，伺服电机的优势在于转子转速受输入信号控制，并能快速反应，且具有机电时间常数小、线性度高、始动电压等特性，可把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出；在实验轴12上安装转矩转速传感器3记录转速和转矩；在实验轴12的末端由加载模块施加载荷，载荷的大小由加载模块进行调节；利用安装在轴承2上的传感器记录实验台在工作过程中的振动数据，实现对转轴轴心轨迹的在线监测。通过润滑油在线采集装置采集润滑过轴承后的油液，然后在实验室中用油液分析仪对油液中的颗粒进行分析，根据分析结果诊断轴承的磨损状态。通过数据分析轴系工作过程中振动和轴承磨损之间的联系，为轴系设备运行监测体系的建立提供理论和数据基础，从而获得最佳的设备保障效果。

本发明综合性的解决了轴系振动和轴承磨损的两大故障源监测分析，实现了同步分析振动和磨损这两种技术指标，可以综合地分析轴系工作工程中振动和磨损彼此之间的联系，转轴的强烈振动会加剧轴承的磨损，同时，轴承的过度磨损也会强化转轴的振动；通过本发明可以根据监测到的数据，综合分析振动和磨损之间的关系，找出两者之间的某种联系；这样就可以指导设备工作过程中振动和磨损之间的一种平衡，以达到最优的设备保障效果。

所述加载模块包括加载支架21、加载螺杆22、加载压块24和加载弹簧23，加载支架21的下端与基座13固定连接，加载螺杆22竖直穿设于加载支架21 的上端板上，加载压块24可沿加载支架21上下活动，且加载弹簧23的两端分别与加载螺杆22和加载压块24连接；所述加载压块24的底面上设有加载楔形块25，加载楔形块25与实验轴12抵触连接，加载楔形块25上设有压力传感器；所述加载楔形块25具有两个加载臂，加载臂的下端设有V形槽以接触实验轴12，加载螺杆22在加载支架21上的转动改变其上下位置，通过压缩加载弹簧23驱动加载压块9下移，从而压紧加载楔形块25使其施加载荷在实验轴12上，加载楔形块25提供的压力载荷通过安装在其上的压力感应器检测，并输出给数据采集卡后经由后台控制进行综合分析。

所述电涡流传感器和加速度传感器分别安装在轴承2盖上的开孔中；轴承2 盖上端面和侧面分别设置电涡流传感器和加速度传感器，以检测实验轴12的两个方向上的振动信号。

所述润滑采样模块包括进油软管和出油软管，轴承2的轴承轴瓦上部开设进油孔并与进油软管连接以输入润滑油，轴承2轴瓦下部开设出油孔并与出油软管连接，出油软管上连接有油液采集瓶；润滑油在压力泵的推送下经进油软管从轴瓦上端进入到轴和轴承之间的间隙，在润滑的过程中，轴和轴承之间因为接触而产生的磨损颗粒会被润滑油冲刷，进入到润滑油中，随着润滑油一起流动；在重力和旋转离心力的作用下，润滑油经由下轴瓦的结构孔流入到出油软管中，最终进入到与出油管相连的油液采集瓶中；此时采集瓶中的润滑油是含有磨损颗粒的油液样本，把此样本送到实验室中进行常规理化分析和原子光谱分析。

油液在线监测系统能够对润滑油实施实时的在线监测，将液压油的各项状态指标按一定时间间隔采集到计算机中，在计算机监控软件中实时显示各项指标的时间序列变化趋势。液压油监测指标包含以下几类：

1、粘度

2、密度

3、温度

4、介电常数

5、红外光谱

6、铁含量

此实验台架设计有润滑油出油管口，出油软管上连接有油液采集瓶。该部分能够实现对轴承润滑油及磨损状态的在线监测。

以上所述仅是本发明的较佳实施方式，故凡依本发明专利申请范围所述的构造、特征及原理所做的等效变化或修饰，均包括于本发明专利申请范围内。

Claims (5)

1.一种转轴和轴承的振动与磨损状态联合监测实验平台,包括底板(1)、实验轴(12)和轴承(2)，其特征在于：所述底板(1)的两端分别设有驱动电机(11)和基座(13)，基座(13)上设有轴承(2)，实验轴(12)穿设于轴承(2)上，驱动电机(11)和基座(13)之间设有转速转矩传感器(3)，驱动电机(11)、转速转矩传感器(3)和实验轴(12)之间分别通过联轴器(14)依次连接；所述基座(13)上设有加载模块，加载模块上设有数据采集模块，数据采集模块包括数据采集卡、电涡流传感器、加速度传感器、压力传感器和润滑采样模块。

2.根据权利要求1所述的转轴运行状态监测实验台，其特征在于：所述加载模块包括加载支架(21)、加载螺杆(22)、加载压块(24)和加载弹簧(23)，加载支架(21)的下端与基座(13)固定连接，加载螺杆(22)竖直穿设于加载支架(21)的上端板上，加载压块(24)可沿加载支架(21)上下活动，且加载弹簧(23)的两端分别与加载螺杆(22)和加载压块(24)连接；所述加载压块(24)的底面上设有加载楔形块(25)，加载楔形块(25)与实验轴(12)抵触连接，加载楔形块(25)上设有压力传感器。

3.根据权利要求1所述的转轴运行状态监测实验台，其特征在于：所述电涡流传感器和加速度传感器分别安装在轴承(2)盖上的开孔中，实现对转轴轴心轨迹的在线监测。

4.根据权利要求1所述的转轴运行状态监测实验台，其特征在于：所述润滑在线采样模块包括进油软管和出油软管，轴承(2)轴瓦上部开设进油孔并与进油软管连接，轴承(2))轴瓦下部开设出油孔并与出油软管连接，出油软管上连接有油液采集瓶。该部分能够实现对轴承润滑油及磨损状态的在线监测。

5.根据权利要求3、4所述的转轴运行状态监测实验台，其特征在于：所述的转轴轴心轨迹和润滑油状态在线监测系统，能够实现转轴和轴承的振动状态与磨损状态的联合监测与分析，通过该平台所模拟的工况，能够实现振动与磨损状态的耦合建模需求。