CN110440898A - 一种转动机械振动测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及转动机械振动测量方法的技术，属于计量技术领域，具体为一种转动机械振动测量方法，该方法使用被测转动轴轴向垂直的位移量振动模量拾取装置、轴向振动测量装置和测量基础支架，位移量振动模量拾取装置包括碳刷架，碳刷架内包含有振动模量拾取碳刷、压力弹簧、压力传感器，碳刷架上方设置有振动标识和标识读取装置。本发明采用了直接测量振动幅值和振动向量的方法，没有其它间接测量产生的转换误差。而且在测量数据的处理中使用了相对比较方法，考虑了可能出现的外部因素测量干扰，能够准确反应转动机械运行状态。

Description

一种转动机械振动测量方法
技术领域
本发明涉及转动机械振动测量技术，属于计量技术领域，具体为一种转动机械振动测量方法。
背景技术
目前转动机械振动普遍采用的测量方法之一，是用探头产生的磁场在转动轴上产生的涡流大小来判断，是一种间接测量方法。其原理是离探头近涡流大，离探头远涡流小的间接测量，这个值需要经过实测并经过转换，换算成转动轴振动的幅值绝对量，期间存在转换精度和测量干扰的影响，比如(发电机)转动轴存在剩磁的影响。方法之二，是采用加速度测量方法，其原理是振动产生的电磁量变化，仍然是一种间接的振动测量方法。两种间接测量方法都存在电磁干扰造成的测量误差。
发明内容
本发明针对上述问题，提供了一种直接式的转动机械振动测量方法，直接读取振动幅值。
为实现上述目的，本发明提供了一种转动机械振动测量方法，该方法采用与被测转动轴轴向垂直的位移量振动模量拾取装置和测量基础支架；位移量振动模量拾取装置包括振动模量拾取碳刷、碳刷架、振动向量判别压力传感器、振动标识和标识读取装置，碳刷架为底部开口的箱体，振动模量拾取碳刷设置在碳刷架内且可上下自由活动，振动模量拾取碳刷顶端与保证碳刷与转动轴滑动接触的弹簧一端相连，弹簧另一端与压力传感器接触，压力传感器安装于碳刷架内顶部且与上位机连接，振动标识位于碳刷架外部上方，振动标识通过连杆与振动模量拾取碳刷顶端相连；测量基础支架包括轴筒和支架腿，被测转动轴设置于轴筒内且与轴筒同轴；位移量振动模量拾取装置设置为两对且均匀分布并固定在测量基础支架轴筒上，固定后振动模量拾取碳刷底端直接与转动轴表面滑动接触，标识读取装置通过支架固定在轴筒上并正对振动标识且与上位机连接，标识读取装置读取振动标识上的读数，压力传感器根据压力的变化判断振动方向，产生向压力传感器内部的挤压力认为相对于测量基础支架为+，产生向压力传感器外部释放的力则认为相对于测量基础支架为-；
测量方法为：将被测转动轴纵截面所在圆划分成n等分，对于每个等分所在方向的振动量则是以转动轴纵截面所在圆圆心为参考点的位移量，位移量是xy方向振动矢量在该方向上的投影，其中一对位移量振动模量拾取装置位于x方向上，另一对位移量振动模量拾取装置位于y方向上，任一方向的振动量值为式中，⊿x为x轴方向的振动值，⊿y为y轴方向的振动值，θ为各等分所在方向与x轴方向的夹角，根据被测转动轴纵截面所划分的n等分在转动一周内测量时间上的不同，将获得2×n个⊿x、⊿y(⊿x、-⊿x，⊿y、-⊿y)，即在转动一周内的不同时间段获得2×n个振动模量求得各方向上的振动量值后选出最大值，同时受到挤压的两个压力传感器所夹区域为振动量最大值所在区域，由所在区域得到振动量最大值的方向，即得到θ，若最大值大于相对测量值refsy则认定该最大值为有效最大值，由此判断出被测转动轴垂直振动矢量。
上述的一种转动机械振动测量方法，振动标识为一种带有激光可读刻度的标识，标识读取装置为激光发射器，激光发射器读取振动标识上的读数，激光发射器相对于接触到被测转动轴的振动标识是固定不变的，振动标识上的刻度(随时间和位置)的变化直接反应了转动轴振幅的大小。
上述的一种转动机械振动测量方法，还采用了轴向振动测量装置，用于轴向振动测量，轴向振动测量装置包括振动标识和标识读取装置，振动标识为一种带有激光可读刻度的标识，标识读取装置为激光发射器，在转动轴上沿圆周方向包裹振动标识，标识读取装置固定在轴筒上且正对上述光标，当旋转轴沿轴向蹿动时，就会被激光发射器读取到变化幅值。
上述的一种转动机械振动测量方法，位移量振动模量拾取装置和轴向振动测量装置中振动标识刻度为水平横线，设置凹槽为1，凸起为0，间距为1微米，标识读取装置每一次数据变化为1微米，测取振动的变化量为同一时间内同一次数据变化量的叠加。
上述的一种转动机械振动测量方法，位移量振动模量拾取装置的振动标识中设定碳刷最低磨损警示刻度，当光标读取到警示刻度时，提醒更换碳刷。
上述的一种转动机械振动测量方法，弹簧另一端通过弹簧顶板与压力传感器接触。增加弹簧顶板后使压力传感器受力均匀。
上述的一种转动机械振动测量方法，被测转动轴设定有定置标识，用以测取转动轴的转动频率以及该测取线(测取线为转动轴n等分测点模量的连线)与垂直振动测取点(转动轴n等分测点)的相对位置，可以获取振动方向和幅值与转动轴的相对位置，用以振动消除工作的技术分析。
上述的一种转动机械振动测量方法，判断被测转动轴振动过程中设置了给定参考值refc(常量参考)(Reference value)，当出现任一方向的振动量值大于refc(常量参考)(Reference value)时，进行下一个环节的有效值判断，即与相对测量值refsy(综合量参考值)进行比较，此时的振动量值是被赋予符号的在同一时刻(⊿x、-⊿x或⊿y、-⊿y)测量值，如果大于相对测量值refsy(综合量参考值)，则被认为是有效超标值，进行下一步故障判断，有效超标值大于参考值Ref1，报警；大于Ref2，解列发电机。
本发明采用了直接测量振动幅值和振动向量的的方法，没有其它间接测量转换误差。而且在测量数据的处理中使用了相对比较方法，考虑了可能出现的外部因素测量干扰，能够准确反应转动机械运行状态。
附图说明
图1是本发明转动机械振动测量计算示意图，表示了测量数据处理过程的计算依据。
图2是本发明中垂直振动测量安装示意图，展示了本发明垂直振动装置的安装方式原装位置，其与图1测量计算示意图相对应。
图3是轴向振动测量装置安装示意图，表示了轴向振动测量的方法。
图4、图5是垂直振动拾取装置正视与侧视示意图，展示了振动拾取装置内部所有设备的相对位置。
图6是标识读取装置装置示意图，垂直振动测取与轴向振动测取的标识读取装置一样。
图7是测量过程流程图，由图6所示设备发送测取数据，由后台计算机进行执行处理。
图中：1-振动模量拾取碳刷，2-碳刷架，3-压力传感器，4-振动标识，5-标识读取装置，6-弹簧，7-轴筒，8-支架腿，9-被测转动轴，10-弹簧顶板。
具体实施方式
1.本发明的一种转动机械振动测量方法，所采用结构分为两部分，如图2所示，是垂直于轴的振动测量，如图3所示，是轴向振动的测量。垂直于轴的振动传感(振动量拾取)装置碳刷装在碳刷架2内，碳刷架2内包含有振动模量拾取碳刷1、压力弹簧6、压力传感器3。碳刷底端与被测转动轴9接触，顶端与压力弹簧6和光标连杆连接。压力传感器一端与弹簧顶板10接触，另一端与碳刷架顶部接触，见图4。轴向振动测量如图3所述，振动标识4直接标示在被测转动轴上，同时，轴上标有与垂直振动向量计算用的沿轴向的定置光标，定置光标为一种带有激光可读刻度的标识。
2.图6标识读取装置包括光源(半导体激光二极管)、光电探测器及光学系统。光电探测器采用硅光二极管，光学系统包括准直透镜、大数值孔径的聚焦透镜、半反射式分光镜。光源发出的激光束经分光镜反射后，通过准直透镜，变成平行光束，再由聚焦透镜聚焦到光标介质表面。从光标介质表面反射的光沿着原光路返回，经过分光镜后的透射光投射到光电探测器上，探测器输出数字的电脉冲信号。
3.当被测转动轴9出现垂直振动时，与之接触的碳刷将振动幅度通过连杆带动振动标识4变化，振动标识4介质面是由激光刻蚀出间隔1um的凹凸痕迹。标识读取装置采用波长是3650～4358埃的激光，分辨率可达0.6微米，在此实用分辨率采用1微米(0.1丝)。通常发电机振动测量精度要求为1丝(1丝＝10微米)，满足测量精度要求。
当用一束很细的激光束照射到光标介质面上时，反射回来的光强度显然与光束照射到的光标介质面上刻蚀有关，于是就可以根据反射光的强弱将光标介质面上的数字信息转换成二进制电脉冲信号。此信号经过系统处理后，就成了转轴振动的识别信号。
4.碳刷架内的压力弹簧，一方面保持碳刷与被测转动轴9紧密接触，一方面将压力变化传递给压力传感器3。压力传感器3将压力信号传递到上位机，用以判断振动方向。产生向压力传感器内部的挤压力认为相对于测量基础支架为+，产生向压力传感器外部释放的力，则认为相对于测量基础支架为-。
垂直振动光标设置为相互垂直的两对，分别为x和y方向。光标刻度为水平横线，设置凹槽为1，凸起为0，间距为1微米(0.1丝)。标识读取装置每一次数据变化为1微米，测取振动的变化量为n+1时间段内数据变化量(凹凸变化的次数)的叠加。转动测量的振动模量(⊿x、-⊿x，⊿y、-⊿y)，对于固定测量装置，实际为本次测量值与上一次的测量值的比较值。即
Δx(Δy)＝xn+1(yn+1)-xn(yn)
5.测量中误差排除
误差一
碳刷在工作中会有磨损，在测量中读取的振标刻度值会有变化，因此需要在测量中排除渐进性刻度变化，仅将有用的刻度读取中的突变量作为振动幅度参考。同时在振动标识中设定碳刷最低磨损警示刻度，当光标读取到警示刻度时，提醒更换碳刷。
误差二
被测转动轴也会有不平(凹凸，或者有颗粒物暂时进入测量拾取装置与被测量轴之间)，甚至椭圆的现象，这种情况引起的振动测取光标的数值变化可以采用两种方法排除。
方法一，在测量中如果是恒转速运行的设备(发电机)，就可以根据运行频率下的周期变化，同时根据相对位置(如x-x或者y-y，或者经过计算的其它相关位置)数据读取的非相关性(相对位置的测取装置在同一时间内读取的数据，在刚性振动测取时会有严格相关，如幅值基本一致，方向相反)，每对的测量装置所测突变值作为相互制约闭锁参考值，如只有单极随时间变化的固有振动量，则认为是干扰量(轴面凹凸所致)。排除规律性的刻度读取误差。
判别方法(以3000/分为例)
增加0.1的阈值是为了在指定转速下的误差参考
方法二，根据两个相对位置的压力传感器的变化量，如果在同一时间内，压力变化不是互补性的，则认为是单向突起引起的干扰量。如果所测压力是同向性的，则认为是具有椭圆特征的干扰。
6.结合附图7说明本发明的一种转动机械振动测量技术的实施过程，步骤如下：
1.上电(start)，完成初始化(Initialization finished)，进入测量工作
2.输入给定参考值refc(常量参考)(Reference value)，与转动轴的转动一周内的任一方向的振动量值(mea)进行比较，如果大于给定参考值refc，则进行与相对测量值refsy(综合量参考值)进行比较(Compare with opposite，(⊿x、-⊿x或⊿y、-⊿y))。
3.在进行与相对测量值refsy(综合量参考值)(Compare with opposite，(⊿x、-⊿x或⊿y、-⊿y))比较时，输入压力传感器信号(Pressure sensor)给振动量值加符号，如果两个相关振动量值(相关振动量值指同一方向，即在等分圆上相差180度的两个振动模量)比较后大于给定综合量参考值，则认为是有效超标值(有效最大值从有效超标值选出)，有效超标值然后与给定的警告参考值(Ref1)比较，大于警告参考值Ref1，则进行报警提示。
4.在进行报警提示的同时，有效超标值再与给定参考值(Ref2)进行比较，如果测量值大于给定参考值(Ref2)，则发出发电机解列(break)信号。

Claims (8)

1.一种转动机械振动测量方法，其特征在于该方法采用与被测转动轴轴向垂直的位移量振动模量拾取装置和测量基础支架；位移量振动模量拾取装置包括振动模量拾取碳刷(1)、碳刷架(2)、振动向量判别压力传感器(3)、振动标识(4)和标识读取装置(5)，碳刷架(2)为底部开口的箱体，振动模量拾取碳刷(1)设置在碳刷架内且可上下自由活动，振动模量拾取碳刷(1)顶端与保证碳刷与转动轴滑动接触的弹簧(6)一端相连，弹簧(6)另一端与压力传感器接触(3)，压力传感器(3)安装于碳刷架内顶部且与上位机连接，振动标识(4)位于碳刷架外部上方，振动标识(4)通过连杆与振动模量拾取碳刷顶端相连；测量基础支架包括轴筒(7)和支架腿(8)，被测转动轴(9)设置于轴筒(7)内且与轴筒同轴；位移量振动模量拾取装置设置为两对且均匀分布并固定在测量基础支架轴筒(7)上，固定后振动模量拾取碳刷(1)底端直接与转动轴表面滑动接触，标识读取装置正对振动标识且与上位机连接，标识读取装置读取振动标识上的读数，压力传感器根据压力的变化判断振动方向，
测量方法为：将被测转动轴纵截面所在圆划分成n等分，对于每个等分所在方向的振动量则是以转动轴纵截面所在圆圆心为参考点的位移量，位移量是xy方向振动矢量的在该方向上的投影，其中一对位移量振动模量拾取装置位于x方向上，另一对位移量振动模量拾取装置位于y方向上，任一方向的振动量值为式中，⊿x为x轴方向的振动值，⊿y为y轴方向的振动值，θ为各等分所在方向与x轴方向的夹角，根据被测转动轴纵截面所划分的n等分在转动一周内测量时间上的不同，将获得2×n个⊿x、⊿y,，即在转动一周内的不同时间段获得2×n个振动模量求得各方向上的振动量值后选出最大值，同时受到挤压的两个压力传感器所夹区域为振动量最大值所在区域，由所在区域得到振动量最大值的方向，即得到θ，若最大值大于相对测量值refsy则认定该最大值为有效最大值，由此判断出被测转动轴垂直振动矢量。
2.根据权利要求1所述的一种转动机械振动测量方法，其特征在于振动标识(4)为一种带有激光可读刻度的标识，标识读取装置(5)为激光发射器，激光发射器读取振动标识上的读数，激光发射器相对于接触到被测转动轴的振动标识是固定不变的，振动标识上的刻度变化直接反应了转动轴振幅的大小。
3.根据权利要求2所述的一种转动机械振动测量方法，其特征在于还采用了轴向振动测量装置，用于轴向振动测量，轴向振动测量装置包括振动标识(4)和标识读取装置(5)，振动标识为一种带有激光可读刻度的标识，标识读取装置为激光发射器，在转动轴上沿圆周方向包裹振动标识，标识读取装置固定在轴筒上且正对上述光标，当旋转轴沿轴向蹿动时，就会被激光发射器读取到变化幅值。
4.根据权利要求3所述的一种转动机械振动测量方法，其特征在于位移量振动模量拾取装置和轴向振动测量装置中振动标识(4)刻度为水平横线，设置凹槽为1，凸起为0，间距为1微米，标识读取装置每一次数据变化为1微米，测取振动的变化量为同一时间内同一次数据变化量的叠加。
5.根据权利要求1或2所述的一种转动机械振动测量方法，其特征在于位移量振动模量拾取装置的振动标识(4)中设定碳刷最低磨损警示刻度，当光标读取到警示刻度时，提醒更换碳刷。
6.根据权利要求1或2所述的一种转动机械振动测量方法，其特征在于弹簧(6)另一端通过弹簧顶板(10)与压力传感器接触(3)。
7.根据权利要求3或4所述的一种转动机械振动测量方法，其特征在于被测转动轴设定有定置标识，用以测取转动轴的转动频率，以及该测取线与垂直振动测取点的相对位置，可以获取振动方向和幅值与转动轴的相对位置，用以振动消除工作的技术分析。
8.根据权利要求3或4所述的一种转动机械振动测量方法，其特征在于判断被测转动轴振动过程中设置了给定参考值refc，当出现任一方向的振动量值大于refc时，进行下一个环节的有效值判断，即与相对测量值refsy进行比较，此时的振动量值是被赋予符号的在同一时刻测量值，如果大于相对测量值refsy，则被认为是有效超标值，进行下一步故障判断，有效超标值大于参考值Ref1，报警；大于Ref2，解列发电机。
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