CN112304583A - 一种旋转机械设备径向故障模拟测试系统 - Google Patents
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Abstract
本发明中公开了一种旋转机械设备径向故障模拟测试系统，包括：模拟试验台，数据采集系统，所述数据采集系统用于采集转轴的运行状态数据；控制系统，所述控制系统用于接收数据采集系统采集的数据并对数据进行分析和处理，并根据分析的结果对模拟试验台进行控制。系统采用模块化设计，可模拟不同转动条件和结构形式下旋转机械系统的运行状态和故障类型，可实现对旋转机械系统不同故障状态下的模拟测试，能够很好地保证模拟试验测试性能的准确性。
Description
技术领域
本发明涉及旋转机械故障测试技术领域，特别涉及一种旋转机械设备径向故障模拟测试系统。
背景技术
旋转机械设备在我们日常生活中随处可见，应用及其普遍，对于旋转机械设备的故障问题，一直以来备受人们的关注。旋转机械故障轻则影响产品质量，重则导致停产，影响整个生产过程，因此对旋转机械设备的径向故障进行准确的模拟测试对旋转机械设备径向故障的研究有着重要的意义，而如何保证模拟测试数据的准确性和真实性，以及保证测试系统的通用性是目前面临的主要问题。
发明内容
本发明针对现有技术中存在的上述技术问题，提供一种旋转机械设备径向故障模拟测试系统。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：
一种旋转机械设备径向故障模拟测试系统，包括：
模拟试验台，所述模拟试验台包括变频电机、电机位置调节件、主轴、膜式联轴器、滑动轴承座、滑动轴承、轴承位置调节件、径向加载器、制动器、平衡盘、附加质量块和平台底座，所述电机位置调节件、轴承位置调节件、径向加载器和制动器设置在平台底座上，所述变频电机设置在电机位置调节件上，电机位置调节件可在水平方向上沿横向或纵向方向调节变频电机的位置，所述滑动轴承座设置在轴承位置调节件上，轴承位置调节件可在水平方向上沿横向或纵向方向调节滑动轴承座的位置，所述滑动轴承设置在滑动轴承座上，所述主轴通过滑动轴承设置在滑动轴承座上，所述主轴一端通过膜式联轴器与变频电机连接，另一端通过膜式联轴器与制动器连接，所述平衡盘设置在主轴上，所述径向加载器设置在两滑动轴承座之间，用于对主轴施加径向方向的作用力；
数据采集系统，所述数据采集系统用于采集转轴的运行状态数据；所述数据采集系统包括多通道数据采集单元、用于检测主轴转速的转速检测系统和用于测试转轴在X方向和Y方向上位移的位移传感器组件，所述转速检测系统和位移传感器组件和转速检测系统分别连接多通道数据采集单元，将采集的信号传输到多通道数据采集单元；所述转速检测系统设置在制动器转轴的端部，包括设置在转轴上的第一基层、设置在第一基层上的介电层、套设于转轴外的基座、设置在基座内部的第二基层和设置在第二基层上的电极，所述电极与介电层之间相对设置，所述第一基层和第二基层采用有机玻璃基体，所述介电层优选采用聚四氟乙烯，所述电极优选采用铜皮；所述电极连接到多通道数据采集单元，多通道数据采集单元根据接收到的电势信号对转轴转速进行分析；
控制系统，所述控制系统用于接收数据采集系统采集的数据并对数据进行分析和处理，并根据分析的结果对模拟试验台进行控制。
作为上述技术方案的进一步改进，所述滑动轴承包括圆形或椭圆形的轴瓦，所述轴瓦包括相对设置的上轴瓦和下轴瓦，所述下轴瓦的底部设置有沟槽，所述沟槽沿下轴瓦轴向方向水平设置，且相对下轴瓦中心对称设置，所述沟槽的长度为下轴瓦长度的1/2-2/3，所述沟槽在宽度方向上其两侧相对于滑动轴承中心的夹角为90°，所述沟槽深度为0.2-0.5mm；所述上轴瓦和下轴瓦均为组合式结构，所述上轴瓦、下轴瓦包括有轴瓦初始段、轴瓦端部填充段和/或至少一个轴瓦中部填充段，所述轴瓦中部填充段配合设置在轴瓦初始段和轴瓦端部填充段之间。
作为上述技术方案的进一步改进，所述轴瓦初始段、轴瓦端部填充段、轴瓦中部填充段之间设置有配合的连接定位结构，所述轴瓦初始段、轴瓦端部填充段、轴瓦中部填充段之间通过所述连接定位结构进行连接，所述连接定位结构包括设置在轴瓦初始段、轴瓦端部填充段一端端部及设置在轴瓦中部填充段两端端部的限位槽和连接夹片，所述限位槽相对设置在轴瓦的内外两侧，所述连接夹片包括两个相对设置的夹片，所述夹片可对应配合设置到限位槽内。
本发明所具有的有益效果：
1)系统采用模块化设计，可模拟不同转动条件和结构形式下旋转机械系统的运行状态和故障类型，可实现对旋转机械系统不同故障状态下的模拟测试，能够很好地保证模拟试验测试性能的准确性。
2)系统滑动轴承的轴瓦上设置沟槽结构，增加主轴轴颈与轴瓦之间的比压，以增大轴颈在轴瓦内的相对偏心率，并且轴瓦采用组合式结构，可有效提高模拟试验台运行的稳定性，保证系统测试数据的准确性，为旋转机械设备故障的测试和判断提供可靠的参考。
3)本系统中的转速检测系统基于摩擦电原理，在对转轴转速进行准确监测的同时，能实现对转轴运行状态的监测，并可有效降低系统的整体成本；在旋转机械系统上的设置简单、方便，可广泛应用于对旋转机械设备的监测。
附图说明
图1为本发明模拟试验台结构示意图。
图2为本发明模拟试验台结构主视图。
图3为本发明转速检测系统结构及工作原理图。
图4为本发明轴瓦上沟槽截面示意图。
图5a)为本发明轴瓦组合式结构示意图。
图5b)为本发明轴瓦初始段结构右视图。
图5c)为本发明轴瓦中部填充段结构左视图。
图中：1、变频电机，2、电机位置调节件，3、主轴，4、膜式联轴器，5、滑动轴承座，6、滑动轴承，7、轴承位置调节件、8、径向加载器，9、制动器，10、平衡盘，11、附加质量块，12、平台底座；
601、下轴瓦，602、沟槽，603、轴瓦初始段，604、轴瓦端部填充段，605、轴瓦中部填充段，606、连接夹片，607、限位槽；
901、转轴；
13、传感器支座，14、基座；
14a、第一基层，14b、介电层，14c、第二基层，14d、电极。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的说明。
如图1和2所示，一种旋转机械设备径向故障模拟测试系统，包括：
模拟试验台，所述模拟试验台用于模拟轴在各种工况下的运动，包括变频电机1、电机位置调节件2、主轴3、膜式联轴器4、滑动轴承座5、滑动轴承6、轴承位置调节件7、径向加载器8、制动器9、平衡盘10、附加质量块11和平台底座12；所述电机位置调节件2、轴承位置调节件7、径向加载器8和制动器9设置在平台底座12上，所述变频电机1设置在电机位置调节件2，电机位置调节件2可在水平方向上沿横向或纵向方向调节变频电机的位置，所述滑动轴承座5设置在轴承位置调节件7上，轴承位置调节件7可在水平方向上沿横向或纵向方向调节滑动轴承座的位置，所述滑动轴承6设置在滑动轴承座5上，所述主轴3通过滑动轴承设置在滑动轴承座5上，所述主轴3一端通过膜式联轴器4与变频电机1连接，另一端通过膜式联轴器4与制动器9的转轴901连接，所述平衡盘10设置在主轴3上，所述径向加载器8设置在两滑动轴承座5之间，用于对主轴施加径向方向的作用力。
电机位置调节件2和轴承位置调节件7设置在平台底座12上，在其两端安装调位螺钉，通过调节调位螺钉可调节变频电机、滑动轴承座在平台底座上的位置。
本实施例中的膜式联轴器4可用于精度较高场合的电机与传动轴之间的连接，可用于径向加载过程产生的不对中、偏心的场合，具有弹性作用可补偿径向、角向和轴向的偏差。
平衡盘10可快速拆卸并移动调整，直径为140mm，厚度为25mm，平衡盘圆周上均布20个孔位，两面可进行不平衡量的加载，材质为45钢。在平衡盘10上设置附加质量块11可模拟转子不平衡故障下的工况，平衡盘上附加质量块的重量和位置可根据需要进行调节，以模拟不同的不平衡故障工况。
制动器9采用HZ-6J/Q型制动器，额定扭矩为6N·M，最高转速15000rpm，其特点为可分短时间工作模式及连续工作模式，短时间模式每5min功率2300W，连续工作模式为2000W，扭矩公差为0.2％。在测试过程中，调节制动器扭矩模拟输出载荷，从而能够更好地模拟实际工作场景；并在需要降转速时，可迅速对主轴进行制动，对主轴进行降速或制动，防止低转速工况下磨损滑动轴承；并在测试系统的模拟试验台发生故障时能够对试验台进行快速制动，防止事故的发生。
径向加载器8采用螺纹手动加载或液压驱动加载的方式，并设置相应的传感器对加载的作用力进行实施的显示。
本实施例中的滑动轴承6包括圆形或椭圆形的轴瓦，轴瓦包括相对设置的上轴瓦和下轴瓦601，所述下轴瓦601的底部设置有沟槽602，如图4所示，沟槽602沿下轴瓦轴向方向水平设置，且相对下轴瓦中心对称设置，所述沟槽的长度为下轴瓦长度的1/2-2/3，优选为下轴瓦长度的2/3；所述沟槽602在宽度方向上其两侧相对于滑动轴承中心的夹角为90°，所述沟槽602深度为0.2-0.5mm。在轴瓦底部设置沟槽结构，并对沟槽的尺寸参数进行优化设置，能够大幅增加主轴轴颈与轴瓦之间的比压，比压可提高15％-20％，比压的增加可显著增大轴颈在轴瓦内的相对偏心率，从而保证转子轴承系统运行的稳定性，保证主轴运行时的稳定性，使采集的数据更加准确。
本实施例中上轴瓦和下轴瓦均为组合式结构，所述上轴瓦和下轴瓦均包括有轴瓦初始段603、轴瓦端部填充段604和至少一个轴瓦中部填充段605，所述轴瓦中部填充段605配合设置在轴瓦初始段603和轴瓦端部填充段604之间。轴瓦采用组合式结构可对轴瓦长度进行调节，从而改变比压，以有效避开油膜共振区域，确保系统运行过程中的稳定性及模拟试验结果的可靠性。采用组合式结构的下轴瓦中，可在各段下轴瓦底部分别设置沟槽或在轴瓦初始段和轴瓦端部填充段上设置沟槽，或仅在轴瓦初始段设置沟槽。
优选地，如图5，轴瓦初始段603、轴瓦端部填充段604、轴瓦中部填充段605之间设置有配合的连接定位结构，所述轴瓦初始段603、轴瓦端部填充段604、轴瓦中部填充段605之间通过所述连接定位结构进行连接。所述连接定位结构包括设置在轴瓦初始段一端端部的限位槽607、轴瓦端部填充段一端端部的连接夹片606及设置在轴瓦中部填充段两端端部的限位槽607和连接夹片606，所述限位槽607相对设置在轴瓦的内外两侧，所述连接夹片606包括两个相对设置的夹片，所述夹片可对应配合设置到限位槽607内。在连接夹片和限位槽上相应设置由连接孔，连接孔内对应设置连接销对轴瓦初始段、轴瓦端部填充段、轴瓦中部填充段之间进行固定连接；在连接夹片和限位槽之间设置胶垫，对连接夹片和限位槽之间的间隙进行填充，并可有效保证各段轴瓦之间连接的稳定性。
本实施例中的数据采集系统用于采集转轴的运行状态数据；所述数据采集系统包括多通道数据采集单元、用于检测主轴转速的转速检测系统和用于测试转轴在X方向和Y方向上位移的位移传感器组件，所述转速检测系统和位移传感器组件和转速检测系统分别连接多通道数据采集单元，将采集的信号传输到多通道数据采集单元。
多通道数据采集单元的输入通道包括16个AI(内置抗混叠滤波器)、两通道DI，输入通道类型包括加速度、速度、位移、电压、电流、压力、温度、键相等多种数据输入，保证可同时接收多种传感器的信号。
如图1所示，位移传感器组件通过传感器支架13设置在主轴3相应位置。
如图3，转速检测系统设置在制动器转轴的端部，包括设置在转轴901上的第一基层14a、设置在第一基层上的介电层14b、套设于转轴外的基座14、设置在基座内部的第二基层14c和设置在第二基层上的电极14d，所述电极14d与介电层14b之间相对设置，所述第一基层14a和第二基层14c采用有机玻璃基体，所述介电层14b采用聚四氟乙烯或其它实现相同功能的材料，所述电极14d采用铜皮或其它实现相同功能的材料。这里介电层14b可嵌入设置在第一基层14a内，与第一基层14a的外表面之间平齐；电极14d可嵌入设置在第二基层14c内，与第二基层14c的内表面之间平齐，对介电层和电极进行稳定限位的同时，对介电层和电极形成有效的保护，并保证该转速检测系统数据采集的稳定性和可靠性。优选所述介电层、电极沿周向方向的长度分别为第一基层、第二基层周长的1/4，保证系统测试数据的准确性。
转速检测系统的电极连接到多通道数据采集单元，多通道数据采集单元根据接收到的电势信号对转轴转速进行分析。转轴在旋转时，带动第一基层和介电层转动，当介电层与电极之间发生重叠时则会产生感应电荷，且重合的面积越大，则产生的感应电荷的电势越大，而当介电层与电极之间完全分离时，则电荷消失；该过程中因主轴的旋转使电极产生周期性变化的电势，通过对电势变化的分析可实现对转轴转速的测量。该转速检测系统相对现有的转速传感器结构简单、在测试系统中的设置方便，可根据需要设置在各个需要测试转速的位置上，且转动部分和不动部分之间不存在接触摩擦，具有很好的耐久性和使用寿命。同时，该转速检测系统还可以对转轴的转动情况进行检测和反馈，当转轴发生振动时，将对电势的周期性变化产生影响，各周期电势变化的规律将发生一定的波动，从而通过观察周期电势的波动情况对转轴的振动情况进行判断和检测。
控制系统用于接收数据采集系统采集的数据并对数据进行分析和处理，并根据分析的结果对模拟试验台进行控制。
本实施例中的旋转机械设备径向故障模拟测试系统可用于旋转机械设备的不平衡工况下的模拟测试、不对中故障工况下的模拟测试、轴偏心故障工况下的模拟测试和轴系径向加载工况下的模拟测试；基于该旋转机械设备径向故障模拟测试系统，对各种工况下模拟测试方法具体如下：
1)不平衡工况下的模拟测试，具体步骤如下：
A1、将待测试的主轴安装到模拟试验台上，将平衡盘安装到主轴上，将附加质量块安装到平衡盘上的相应位置；
A2、调节制动器的扭矩大小，将测试条件调节至实际工况状态，设置好位移传感器组件和转速测量系统；
A3、控制变频电机调节到起始测试转速，并记录主轴的位移、转速及变频电机的电压、电流等参数；
A4、将变频电机转速调节至下一测试转速，并记录相应参数；
A5、调节平衡盘和附加质量块，重复步骤A3-A4；
A6、控制变频电机关机，将转速降至额定转速的10％，启动制动器，对系统进行制动，测试结束。
2)不对中故障工况下的模拟测试，具体步骤如下：
B1、将待测试的主轴安装到模拟试验台上；
B2、调节制动器的扭矩大小，将测试条件调节至实际工况状态，设置好位移传感器组件和转速测量系统；
B3、调节电机位置调节件，使变频电机与主轴之间不对中，设置一定的不对中量；
B4控制变频电机调节到起始测试转速，并记录主轴的位移、转速及变频电机的电压、电流等参数；
B5、将变频电机转速调节至下一测试转速，并记录相应参数；
B6、调节电机位置调节件，在变频电机与主轴之间设置另一不对中量，重复步骤B4-B5；
B7、控制变频电机关机，将转速降至额定转速的10％，启动制动器，对系统进行制动，测试结束。
3)轴偏心故障工况下的模拟测试
C1、预制故障偏心轴，将待测试的主轴安装到模拟试验台上；
C2、调节制动器的扭矩大小，将测试条件调节至实际工况状态，设置好位移传感器组件和转速测量系统；
C3、控制变频电机调节到起始测试转速，并记录主轴的位移、转速及变频电机的电压、电流等参数；
C4、将变频电机转速调节至下一测试转速，并记录相应参数；
C5、更换另一故障偏心轴，重复步骤C3-C4；
C6、控制变频电机关机，将转速降至额定转速的10％，启动制动器，对系统进行制动，测试结束。
4)轴系径向加载工况下的模拟测试
D1、预制故障偏心轴，将待测试的主轴安装到模拟试验台上；
D2、调节制动器的扭矩大小，将测试条件调节至实际工况状态，设置好位移传感器组件和转速测量系统；
D3、控制变频电机调节到起始测试转速，并记录主轴的位移、转速及变频电机的电压、电流等参数；
D4、将变频电机转速调节至下一测试转速，并记录相应参数；
D5、更换另一故障偏心轴，重复步骤D3-D4；
D6、控制变频电机关机，将转速降至额定转速的10％，启动制动器，对系统进行制动，测试结束。
本发明的说明书和附图被认为是说明性的而非限制性的，在本发明基础上，本领域技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中一些技术特征做出一些替换和变形，均在本发明的保护范围内。
Claims (3)
1.一种旋转机械设备径向故障模拟测试系统，其特征在于，包括：
模拟试验台，所述模拟试验台包括变频电机、电机位置调节件、主轴、膜式联轴器、滑动轴承座、滑动轴承、轴承位置调节件、径向加载器、制动器、平衡盘、附加质量块和平台底座，所述电机位置调节件、轴承位置调节件、径向加载器和制动器设置在平台底座上，所述变频电机设置在电机位置调节件上，电机位置调节件可在水平方向上沿横向或纵向方向调节变频电机的位置，所述滑动轴承座设置在轴承位置调节件上，轴承位置调节件可在水平方向上沿横向或纵向方向调节滑动轴承座的位置，所述滑动轴承设置在滑动轴承座上，所述主轴通过滑动轴承设置在滑动轴承座上，所述主轴一端通过膜式联轴器与变频电机连接，另一端通过膜式联轴器与制动器连接，所述平衡盘设置在主轴上，所述径向加载器设置在两滑动轴承座之间，用于对主轴施加径向方向的作用力；
数据采集系统，所述数据采集系统用于采集转轴的运行状态数据；所述数据采集系统包括多通道数据采集单元、用于检测主轴转速的转速检测系统和用于测试转轴在X方向和Y方向上位移的位移传感器组件，所述转速检测系统和位移传感器组件和转速检测系统分别连接多通道数据采集单元，将采集的信号传输到多通道数据采集单元；所述转速检测系统设置在制动器转轴的端部，包括设置在转轴上的第一基层、设置在第一基层上的介电层、套设于转轴外的基座、设置在基座内部的第二基层和设置在第二基层上的电极，所述电极与介电层之间相对设置，所述第一基层和第二基层采用有机玻璃基体，所述介电层优选采用聚四氟乙烯，所述电极优选采用铜皮；所述电极连接到多通道数据采集单元，多通道数据采集单元根据接收到的电势信号对转轴转速进行分析；
控制系统，所述控制系统用于接收数据采集系统采集的数据并对数据进行分析和处理，并根据分析的结果对模拟试验台进行控制。
2.根据权利要求1所述的旋转机械设备径向故障模拟测试系统，其特征在于：所述滑动轴承包括圆形或椭圆形的轴瓦，所述轴瓦包括相对设置的上轴瓦和下轴瓦，所述下轴瓦的底部设置有沟槽，所述沟槽沿下轴瓦轴向方向水平设置，且相对下轴瓦中心对称设置，所述沟槽的长度为下轴瓦长度的1/2-2/3，所述沟槽在宽度方向上其两侧相对于滑动轴承中心的夹角为90°，所述沟槽深度为0.2-0.5mm；所述上轴瓦和下轴瓦均为组合式结构，所述上轴瓦、下轴瓦包括有轴瓦初始段、轴瓦端部填充段和/或至少一个轴瓦中部填充段，所述轴瓦中部填充段配合设置在轴瓦初始段和轴瓦端部填充段之间。
3.根据权利要求2所述的旋转机械设备径向故障模拟测试系统，其特征在于，所述轴瓦初始段、轴瓦端部填充段、轴瓦中部填充段之间设置有配合的连接定位结构，所述轴瓦初始段、轴瓦端部填充段、轴瓦中部填充段之间通过所述连接定位结构进行连接，所述连接定位结构包括设置在轴瓦初始段、轴瓦端部填充段一端端部及设置在轴瓦中部填充段两端端部的限位槽和连接夹片，所述限位槽相对设置在轴瓦的内外两侧，所述连接夹片包括两个相对设置的夹片，所述夹片可对应配合设置到限位槽内。
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