CN110608673A - 一种转子轴向位移、径向振动位移及转速的集成测量方法 - Google Patents

Abstract

一种转子轴向位移、径向振动位移及转速的集成测量方法，包括以下步骤：(1)在待测转子非工作表面上激光刻槽，槽一圈展开图为“八”字型，刻槽没有布满整个待测转子的一周，而是预留有接口区；(2)在垂直于待测转子轴线的平面上布置两个相互垂直位移传感器，两个位移传感器在经过待测转子非工作表面时，输出一系列位移信号；(3)根据两个位移传感器输出信号到处理单元，进行信号分离、边缘检测及结果计算模块，同时得到待测转子的轴向位移、径向振动位移、转速；本发明能够解决转子空间受限，传感器使用过多，集成度不高，安装调试不便的问题。

Description

一种转子轴向位移、径向振动位移及转速的集成测量方法

技术领域

本发明涉及振动或位移测量技术领域，特别涉及一种转子轴向位移、径向振动位移及转速的集成测量方法。

背景技术

转子的轴向位移是判断转子运行状态的重要指标之一。例如航空发动机、汽轮机等重大装备领域，大型转子系统的轴向窜动、轴向胀差等会引发转/静件轴向接触与摩擦，是影响转子运行性能、诱发故障的主要因素；在高精机床等智能制造领域，电磁轴承-转子系统中磁力轴承需要准确的轴向位移反馈控制转子运动，否则会导致转子不稳定，严重时会出现电磁轴承-转子系统故障；智能滚轴承转子系统的在线服役调控技术中，转子轴承系统的轴向位移用于反映轴承内部载荷及预紧状态，并用于转子系统刚度调控、寿命评估和状态控制。

目前大多数转子轴向位移通过在轴向安装传感器直接测量，随着旋转机械的发展，转子系统集成度不断提高，传感器的安装空间被进一步压缩，需要径向测量转子的轴向位移。关于转子轴向位移的径向测量的研究，山东大学的李红伟、边忠国通过在待测转子上加工台阶面，利用电涡流效应，提出了利用径向布置电涡流传感器测量磁悬浮轴承转子轴向位移的方法。专利US20090052825A1使用金属或磁性材料制作而成的编码盘固定在转子上，条码在圆盘表面均匀分布，而且形状为“V”字形，随转子一起旋转。传感器采用霍尔传感器或涡流传感器。以上两方案均要求转子的运动不能超出传感器线圈探头的作用范围，因此测量范围有限。并且传感器需要准确地轴向安装位置，给安装传感器带来了不便。同时，还需要增加传感器的数量，增加了测量系统的成本。

专利201611145601.7通过固定在待测转子外的标准测量条码以及径向布置的光电传感器测量转动轴的轴向位移(如图1)。标准测量条码采用两种不同反射率材料形成特定规律条码，粘贴在转子表面上随转子一起转动，光电传感器对准转子中心每隔90°布置。测量采用四个传感器，安装调试不便，并且需要更大的安装空间，无法实现转子径向振动位移测量。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供了一种转子轴向位移、径向振动位移及转速的集成测量方法，能够解决转子空间受限，传感器使用过多，集成度不高，安装调试不便的问题。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种转子轴向位移、径向振动位移及转速的集成测量方法，包括以下步骤：

(1)在待测转子1非工作表面上激光刻槽1a、1b，槽1a为小于 90度槽；槽1b为大于90度槽；槽本身的形状为平行四边形，所述待测转子1非工作表面刻槽一圈展开图为“八”字型，刻槽没有布满整个待测转子1的一周，而是预留有接口区。

(2)在垂直于待测转子轴线的平面上布置两个相互垂直的位移传感器2a、2b，两个位移传感器2a、2b在经过待测转子1非工作表面时，输出位移信号。

(3)将两个位移传感器输出的位移信号传输到处理单元3，进行信号分离、边缘检测及结果计算，同时得到待测转子1的轴向位移、径向振动位移和转速。

所述的步骤(3)具体为：让2个位移传感器2a、2b的中心与待测转子1的轴心重合；当待测转子1绕其轴线旋转时，位移传感器 2a、2b输出一系列振动信号，然后将信号分离，分离出一个方波信号及一个震动信号，由方波信号求出转子轴向位移，转子转速；

转子转过时间t的弧长，由几何关系可知：

t·v＝w-w₁-2z₀·cotθ₁

转子轴向移动之后，转子转过时间t1的弧长，由几何关系可知：

t'·v＝w-w₁-2(z₀+Δz)·cotθ₁

式中，w为一个局部周期对应的长度，w₁为两条槽之间的水平距离， z₀为转子轴向位移基准距离，θ₁为槽1a的倾斜角度，Δz为转子轴向位移；v为转子转速，T为转子局部周期；

转子轴向位移为：

转子转速v＝w/T，T为转子局部周期；若t₂>T则转子转速记为1 圈，t₂为转子转过接口区所用的时间；

转子径向振动位移可通过振动信号识别，转子振动的质心轨迹通过位移传感器2a与位移传感器2b输出的振动信号绘制。

本发明的优点在是：

(1)本发明采用在非工作表面上激光加工条码，而不是采用另外加工工装然后同轴安装的方式测量，消除了安装误差引起的测试误差提高了测试精度。

(2)本发明不同于传统的轴向位移测量需要至少2个位移传感器、径向位移测量需要2个位移传感器、转速测量需要1个位移传感器，使用位移传感器多，安装调试复杂，这里只需要2个位移传感器就可以完成轴向位移测量，同时得到主轴径向振动位移参数及转速参数，需要传感器少、测量成本低。

(3)本发明的轴向位移测量方法，可以同时得到转子径向振动位移、转速，集成度高、安装调试方便、降低了测试时间，可以实现快速测量。

附图说明

图1为本发明位移检测装置的一个实施例的结构示意图。

图2为本发明转子非工作表面激光刻槽后一圈展开结构示意图。

图3为本发明位移传感器安装位置示意图。

图4为本发明位移传感器测得信号示意图。

图5为对信号进行误差分离后得到的脉冲信号及径向振动位移信号示意图，图5a为脉冲信号用来检测转子轴向位移及转子转速，图5b为径向位移信号用来描述转子径向振动位移信号。

图6为本发明一个实施例中转子轴心产生移动时的测量原理示意图，其中图6a为产生轴向位移后位移传感器2b输出的信号处理后的脉冲信号，图6b为产生轴向位移前位移传感器2b输出的信号处理后的脉冲信号。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做详细叙述。

一种转子轴向位移、径向振动位移及转速的集成测量方法，包括以下步骤：

(1)参照图1、图2，在待测转子1非工作表面上激光刻槽1a、 1b，槽1a为小于90度槽，见图2中的θ1,槽1b为大于90度槽,见图2中的θ2；槽本身的形状为平行四边形，所述待测转子1非工作表面刻槽一圈展开图为“八”字型，刻槽没有布满整个待测转子1的一周，而是预留有接口区，用于转子转一圈的信号标记。

(2)参照图3，在垂直于待测转子轴线的平面上布置两个相互垂直的位移传感器2a、2b，两个位移传感器2a、2b在经过待测转子 1非工作表面时，输出一系列位移信号。

(3)将两个位移传感器输出的位移信号传输到处理单元3，进行信号分离、边缘检测及结果计算模块，同时得到待测转子1的轴向位移、径向振动位移、转速。

所述的步骤(3)具体为：2个位移传感器2a、2b的中心与待测转子1的轴心重合；当待测转子1绕其轴线旋转时，位移传感器输出一系列振动信号，参见图4，然后将信号分离，参照图5，分离出一个方波信号及一个震动信号，由方波信号求出转子轴向位移，转子转速；

参照图6，转子转过时间t转过的弧长，由几何关系可知：

t·v＝w-w₁-2z₀·cotθ₁

转子轴向移动之后，转子转过时间t1的弧长，由几何关系可知：

t'·v＝w-w₁-2(z₀+Δz)·cotθ₁

式中，w为一个局部周期对应的长度，w₁为两条槽之间的水平距离， z₀为转子轴向位移基准距离，θ₁为槽1a的倾斜角度，Δz为转子轴向位移；v为转子转速，T为转子局部周期；

转子轴向位移为：

转子转速v＝w/T，T为转子局部周期；若t₂>T则转子转速记为1 圈，t₂为转子转过接口区所用的时间；

转子径向振动位移可通过振动信号识别，转子振动的轴心轨迹通过位移传感器2a与位移传感器2b输出的振动信号绘制，位移传感器 2a反映轴心轨迹的径向y方向振动信号，位移传感器2b反映轴心轨迹的径向x方向振动信号，根据位移传感器2a、2b的信号就能直接获得其轴心轨迹。

Claims (2)

1.一种转子轴向位移、径向振动位移及转速的集成测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)在待测转子1非工作表面上激光刻槽1a、1b，槽1a为小于90度槽；槽1b为大于90度槽；槽本身的形状为平行四边形，所述待测转子1非工作表面刻槽一圈展开图为“八”字型，刻槽没有布满整个待测转子1的一周，而是预留有接口区；

(2)在垂直于待测转子轴线的平面上布置两个相互垂直的位移传感器2a、2b，两个位移传感器2a、2b在经过待测转子1非工作表面时，输出位移信号；

(3)将两个位移传感器输出的位移信号传输到处理单元3，进行信号分离、边缘检测及结果计算，同时得到待测转子1的轴向位移、径向振动位移和转速。

2.根据权利要求1所述的一种转子轴向位移、径向振动位移及转速的集成测量方法，其特征在于，

所述的步骤(3)具体为：让2个位移传感器2a、2b的中心与待测转子1的轴心重合；当待测转子1绕其轴线旋转时，位移传感器2a、2b输出一系列振动信号，然后将信号分离，分离出一个方波信号及一个震动信号，由方波信号求出转子轴向位移，转子转速；

转子转过时间t的弧长，由几何关系可知：

t·v＝w-w₁-2z₀·cotθ₁

转子轴向移动之后，转子转过时间t1的弧长，由几何关系可知：

t'·v＝w-w₁-2(z₀+Δz)·cotθ₁

式中，w为一个局部周期对应的长度，w₁为两条槽之间的水平距离，z₀为转子轴向位移基准距离，θ₁为槽1a的倾斜角度，Δz为转子轴向位移；v为转子转速，T为转子局部周期；

转子轴向位移为：

转子转速v＝w/T，T为转子局部周期；若t₂>T则转子转速记为1圈，t₂为转子转过接口区所用的时间；

转子径向振动位移可通过振动信号识别，转子振动的质心轨迹通过位移传感器2a与位移传感器2b输出的振动信号绘制。