CN112947597B - 柴油机连接轴系不对中故障自愈调控方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及柴油机连接轴系不对中故障自愈调控方法。不对中常发生在两相邻转子之间,该故障轻则引发轴承碰磨、导致轴系发生异常振动,重则引发齿轮断裂、联轴器断裂等严重事故。首先,通过设置临界不对中状态获得机组的临界不对中范围;其次,通过监测输出轴轴向不同截面中心的径向振动位移,初步通过几何关系判断不对中方向和不对中量;最后,对实际运行过程中稳定运行周期,提取特征倍频幅值特征,利用Grubbs算法去除异常值,得到实际运行状态的特征倍频幅值均值,与临界幅值判断,确定调整速度。针对对柴油机周期动力运行与结构紧凑的特点,设计了基于位移传感器与振动传感器的调控策略方案,利用特征频率微调模式,使设备向对中状态单向缓变调整,经试验验证有效可靠。
Description
技术领域
本发明涉及柴油机连接轴系不对中故障自愈调控方法
背景技术
柴油机曲轴输出端与负载传动轴通过联轴器连接,静态安装过程中完成对中校准和固定。连接轴系不对中故障因初始安装误差大、长期运行中安装基础下沉或偏移、工况多变导致轴系受力复杂等而频繁发生。由连接轴系不对中会极大影响关键运动部件的受力情况,可能导致破坏力较大的恶性重大故障。针对轴系不对中故障,在旋转机组中研究较多,一般通过位移传感器监测轴位移信号,并以转子倍频成分作为故障特征。检测出轴系不对中之后主要是停机重新对中,不停机在线调整对中的研究很少,且未见相关应用报道。柴油机属于典型的往复机械,其轴系连接和受力状态与旋转机械有显著区别,针对柴油机连接轴系不对中故障的在线检测方法和自愈调控方法均鲜有报道。
因此,对于上述问题,本发明针对柴油机周期动力运行与结构紧凑的特点,设计了基于位移传感器与振动传感器的调控策略方案,利用特征频率微调模式,使设备向对中状态单向缓变调整。该方法考虑轴系静态沉降的影响,落脚于设备的稳定运行频谱状态,进行调控。
发明内容
本发明内容的目的在于为柴油机等旋转设备提供一种实时轴系不对中状态自愈调控方法。发明了基于位移信号结合振动信号调控的优化策略,通过监测输出轴轴向不同截面中心的径向振动位移,初步通过几何关系判断轴系不对中方向和轴系不对中量,在初步判断故障的基础上,对采集信号的故障特征信号进行频谱分析,通过特征频率的比率关系,确定调整速度,以缓变调整方法对负载端进行位移调整。本发明在实时监测的基础上,根据当前的故障状态调整自愈方法,具有检测精度高、策略性全面、高安全稳定性等特点。
本发明的目的通过以下技术方案实现:本发明首先通过沿柴油机输出轴平行截面布置的位移传感器与飞轮端布置的振动位移传感器,分别获得负载轴空间状态与柴油机飞轮端加速度振动;其次,通过调整负载端的状态,分别设置在允许最大平行不对中和偏角不对中量,测得的多周期时域信号通过傅里叶变换得到频域,以频域下特征倍频幅值均值作为对中临界幅值;然后,通过EMD方法对采集的负载轴位移振动信号分解,重构低频段本征模态分量,利用几何关系初步计算轴系不对中状态;最后,对实际运行过程中稳定运行周期,提取特征倍频幅值特征,利用Grubbs算法去除异常值,得到实际运行状态的特征倍频幅值均值,与临界幅值判断,通过特征频率的比率关系,确定调整速度,进而缓变精确调整。
柴油机连接轴系不对中故障自愈调控方法,包括以下步骤:
第一步:确定轴系不对中状态振动特征阈值。轴系不对中故障会导致轴系产生二倍频振动或增大一倍频振动,因此可利用轴系径向振动的频率特征作为轴系不对中故障的判断方法,所以本发明以处理后的曲轴振动位移信号特征作为判断依据之一;
1.1设置轴系不对中临界值。实现临界轴系不对中量的设置的方法为:通过负载端的六自由度平台进行调整,直至激光对中检测为临界轴系不对中量,六自由度平台为在空间中可在直角坐标系的三个方向进行平移和旋转的高精度平台;故障特征阈值信号检测方式为:利用电涡流位移传感器采集曲轴振动位移信号,通过键相信号进行整周期截取。分别通过设置平行不对中和偏角不对中情况下联轴器公差范围所允许的最大轴系不对中量;
1.2测试确定振动特征阈值。分别设置平行与偏角不对中类别下的联轴器公差范围最大值,开机,采集飞轮端曲轴振动位移信号,对稳定运行阶段周期振动进行傅里叶变化后求得幅频函数,如公式(1);以频域中多周期二倍频幅值均值作为平行不对中故障下二倍频幅值所允许的最大值,以频域中多周期一倍频幅值均值作为偏角不对中故障下一倍频幅值所允许的最大值;
式中,aT(t)为预设平行不对中临界状态下稳定运行阶段内周期振动,t为采样点数,t=1,2,3...,ω为频率,T为周期数,T=1,2,3...,AT(ω)是对周期信号aT进行傅里叶转换得到T周期幅频函数,ω0是设备稳定运行阶段转频,I=P或J,j=2或1,分别表示和为临界平行不对中故障下稳态多周期二倍频幅值均值,为临界偏角不对中故障下稳态多周期一倍频幅值均值,N为预设的采样周期数;
第二步:开机前利用六自由度平台及柴油机调控,激光对中仪测量对中,确保轴系在对中公差范围内,并记录每次启机前的初始轴系不对中量:平行不对中δ0、偏角不对中α0;
第三步,两个位移传感器的布置以及初始距离参数的确定。两个位移传感器沿柴油机输出轴轴向通过预设固定支架并排布置,监测输出轴两个不同横截面中心径向位移,靠近柴油机的传感器记为S1,远离柴油机的传感器记为S2;传感器安装完毕后,记录对中状态下S1、S2探头到输出轴表面的距离两个传感器同步采集的位移振动信号分别记为S′1、S′2;
第四步,振动信号预处理。由于轴系旋转时会产生涡动,即产生径向振动,因此三个测点采集的是振动位移信号,需要求平均值才可进一步计算轴心位移变化,最终计算轴系不对中量;结合键相信号整周期截取,将S′1、S′2的中T周期信号记为t为采样点序列,t=1,2,3,…,T为周期数,T=1,2,3...,;利用经验模态分解EMD方法分别对 进行分解,具体分解方式如公式(2):
其中,分别为s1(t)、s2(t)经EMD分解后得到的第k阶本征模态分量,r1(t)、r2(t)分别是s1(t)、s2(t)经EMD分解后得到的残差,K是s1(t)、s2(t)经EMD分解后得到的本征模态分量的数量;由于轴系不对中故障状态轴径向振动的频率以转频和二倍频为主,伴随有其他高次谐波,因此选取前4阶本征模态分量重构重构方法如公式(3):
第五步,计算平行和偏角不对中量;
其中,分别为第二步中记录的S1、S2传感器探头到输出轴表面的距离,Δs1和Δs2分别为输出轴截面I和截面II中心多周期相对静态对中状态的位移均值,h是发生偏角不对中时在S1测点处的轴心所产生的多周期径向位移均值,L1是输出轴靠近联轴器位置的端面到截面I之间的距离,L2是截面I到截面II之间的距离,δ′是多周期平行不对中量均值,α′是多周期偏角不对中量均值;
5.3为了消除平台初始轴系不对中量的影响,需要对5.2步骤的轴系不对中量基础上减去第二步的初始轴系不对中量δ0、α0,如公式(6)所示,δ、α为最终位移传感器测得的平行不对中与偏角不对中的值;
第六步,计算运行过程中曲轴振动特征频率幅值。
6.1采集并周期化运行过程倍频幅值。利用公式(1),对设备运行过程中采集到的曲轴振动位移信号进行时频转换,得到多周期下频域幅值AT(ω),代入得到多周期下一倍频幅值为A1(T)、二倍频幅值为A2(T),T为当前周期;
6.2由于柴油机冲击大,激振源复杂多变,所采集的多周期信号,难免会出现奇异值,所以需要对数据离群值进行替换,本方法利用格拉布斯准则判断剔除异常值,需对稳定阶段多周期内的数据进行均值与标准差的计算,如公式(7),j为1或2,Q为预设样本的周期数,则Aj(T)分别表示A1(T)和A2(T)为选取周期特征倍频幅值,对A1(T)和A2(T)进行从小至大排序得到:A1(1)、A1(2)...A1(Q)和A2(1)、A2(2)...A2(Q),和分别代表一倍频与二倍频均值实测值;
6.3对本组数据的最大值进行Gj值计算,根据Grubbs准则,设置置信概率p与测量次数Q,则通过查Grubbs准则表方式获得临界值Gp,对本组数据最大值Aj(Q)的Gi值进行判断,如公式(8),若Gj>Gp,剔除最大值,对剔除后数据重新进行步骤6.2数据更新后进行判断,直至Gj≤Gp,则求得最终与
第七步,轴系不对中在线调控。根据动力学原理,平行不对中会同步引发偏角不对中,消除平行不对中,会一定程度减弱偏角不对中。工程实际中不对状态一般为综合不对中,因此,优先消除平行不对中至联轴器允许公差范围内再调整偏角不对中。而考虑到传统位移对中方法具有静态指标为标准、调控过量等缺陷,为了保证不错调,不能仅仅依赖于位移监测方法,需要振动根本上采用多评判标准加权融合方式,提出综合考虑特征频率振动与位移的调控方法,分为以下三步:
7.1传感器S1、S2对负载端实时定量检测诊断轴系不对中量。对是否在公差范围进行判断,若超出联轴器允许公差范围,则初步判断为轴系不对中状态,需进一步判断;否则,判断为对中状态良好;
7.2对于不在联轴器允许公差范围的状态,需对是否超出平行不对中公差,进行判断,若平行不对中量超出公差,则按照步骤7.3调整,否则按照步骤7.4调整;
为了从合理以及安全的角度调整移动量,引入位移调控因子pp,如公式(10),调控因子与位移传感器测得轴系不对中量乘积作为调控速度vp,单位为mm/s,默认调控时间为1s;调控因子的选择与倍频成分之比相关,在频率成分中,当二倍频小于一倍频幅值,调控因子调整为一二倍频幅值之比的倒数;当二倍频大于等于一倍频幅值小于等于两倍一倍频幅值时,调控因子为一二倍频幅值之比;当二倍频大于两倍一倍频幅值,利用设备中位移传感器测得位移量作为调控值;
vp=pp*δ (9)
为了从合理以及安全的角度调整移动量,引入角度调控因子pj,如公式(12),调控因子与位移传感器测得轴系不对中量乘积作为调控速度vj,单位为°/s,默认调控时间为1s;调控因子的选择与倍频成分之比相关,在频率成分中,当一倍频小于二倍频幅值,调控因子调整为一二倍频幅值之比;当一倍频大于等于二倍频幅值小于等于两倍二倍频幅值时,调控因子为二、一倍频幅值之比;当一倍频大于两倍二倍频幅值,优先利用设备中位移传感器测得角不对中量作为调控值;
vj=pj*α(j) (11)
附图说明
图1发明流程图
图2激光位移传感器、键相传感器安装
图3平行不对中实验自愈位移振动信号与倍频成分变化过程
图4偏角不对中实验自愈位移振动信号与倍频成分变化过程
具体实施方式
为了更好地了解本发明的技术方案,以下结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。
发明方法流程图如图1,研究对象为YC2108D直列两缸柴油机轴系不对中故障模拟试验台,自愈执行机构为为六自由度调整平台;轴系不对中状态设置,为检验此方法的可靠性,试验分为两部分,竖直平面的平行不对中与角不对中,故障设置如表所示,由于实验台与联轴器并非纯刚性,其实际对中与平台移动并非完全相符,以激光对中仪测量状态为准。下文中,以实验1代替平行不对中试验,实验2代替偏角不对中试验。此设备联轴器所允许的最大平行不对中量为0.2mm,允许的最大的偏角不对中量为0.2°,此为下文所述公差范围。
实验类型 | 平台设置移动量 | 激光对中仪静态测量量 |
实验1:平行不对中试验 | 2mm | 1.19mm |
实验2:偏角不对中试验 | 2° | 2.05° |
发明的具体实现步骤如下:
第一步,确定对中状态特征倍频幅值阈值。包括飞轮端振动位移传感器与键相位移传感器键相块,键相传感器。在临界公差范围,需利用六自由度平台分别调整至临界状态,利用激光对中仪监测,平行不对中临界试验调至0.23mm、偏角不对中临界试验调至0.21°;利用柴油机两键相信号脉冲对振动数据划分周期,设置N为20,取稳定运行阶段20个周期数据飞轮加速度数据aT(t),分别利用公式1、2,求得20周期一、二倍频临界幅值
第一步,开机前利用六自由度平台及柴油机调控,激光对中仪测量对中,确保轴系在对中公差范围内,并记录每次启机前的初始不对中量:偏角不对中α0=0°、平行不对中δ0=0.061mm。
第四步,以实验1为例,设计平行不对中故障后运行实验台,将S′1、S′2中信号通过键相信号D′划分周期,形成单周期信号利用经典模态分解EMD方法分别对 分解,利用公式(3)选取前四阶模态分量重构为单周期信号
第五步,以实验一为例,选取稳定状态m=10周期数据计算平行不对中和偏角不对中量,单周期采样点数n=8152个点,利用公式(4)计算多周期重构信号两测点数据的算术平均值刊用公式(5)、(6)计算平行和偏角不对中的测量计算值δ=1.180mm和α=0.862°。
同样,实验2中平行和偏角不对中的测量计算值为δ=-0.321mm和α=2.011°。
第六步,以实验一为例,对稳定运行状态采集Q=10周期振动信号aT(t)进行傅里叶变化求得频域信号AT(ω),得到一倍频与二倍频幅值AT(ω0)、AT(2ω0);对10个周期的倍频幅值进行从小到大排序并更新序列:A1(1)、A1(2)...A1(10)和A2(1)、A2(2)...A2(10),利用公式(7)求得特征频率对应平均值与标准差σ1,σ2。
基于Grubbs准则,对可能异常数据一、二倍频幅值序列最大值A1(10)=0.012和A2(10)=0.032判断,十组数据的G1=2.260,G2=2.065,而根据预设置定检水平α为0.05,置信概率为0.95,数据量为10,则通过Grubbs表方式获得临界值Gp为2.176,G1>Gp,G2<Gp,说明在十组数据中,二倍频数据值合格,而一倍频数据出现差异较大值,去除最大值A1(10)重新对数组最大值A1(9)的G1判断,更新之后的G1=2.025,通过查格拉布斯表方式得到九组数据的临界值Gp对应值为2.110,G1<Gp。求得平行不对中试验倍频均值分别为
第七步,在实验一中,首先对传感器S1、S2数据在第五步中诊断的轴系不对中量δ、α进行判断,δ=1.180和α=0.862°,超过此设备允许的公差范围,进一步判断,优先解决平行不对中,对采集的二倍频幅值进行多周期平均值计算得到与临界二倍频幅值比较,大于临界值,需按照公式(9)、(10)进行调整,根据试验中一、二倍频幅值之比求得调控因子pp=1,则平台以速度vp=1.18mm/s进行调整,调整时间为1s;调控稳定后,重新判断轴系不对中量δ=0.511和α=0.300°,超出允许的公差,继续求得求得根据公式(10)得到调控因子调整速度为vp≈0.47mm/s,调整时间为1s,平台调整后,测得当前δ=0.183mm和α=0.052°,最终轴系不对中量调整至公差范围之内,调整结束,调整过程中刚性端振动位移传感器测得振动变化与飞轮端振动加速度信号单周期倍频变化过程如图3所示。
实验二中,对传感器S1、S2数据在第五步中诊断的轴系不对中量δ=0.153mm和α=2.010°,平行不对中未超出公差,而偏角不对中超出,按照调整逻辑, 限据公式(12)求得调控因子pj=0.5,根据公式(11)求得调整速度为vj≈1°/s,经过1s调整后,重新监测诊断轴系不对中量δ=0.085mm和α=0.188°,处于公差范围之内,调整结束,调整过程中刚性端测位移传感器测得振动变化如图3所示,飞轮端振动加速度信号单周期倍频变化过程如图4所示。
轴系不对中检测结果在整个实验过程中有轻微波动,但总体趋势稳定。将在实验过程中的动态轴系不对中检测结果δ、α,与试验后静态激光对中仪打表测量结果进行对比,求得误差,平行和偏角不对中的检测结果误差均在10%以内,且调试过程为单向自愈,证明了本发明可以实时准确地检测并单向缓变消除轴系不对中量。
Claims (1)
1.柴油机连接轴系不对中故障自愈调控方法,其特征在于,包括以下步骤:
第一步:确定轴系不对中状态振动特征阈值;
1.1)将平行不对中和偏角不对中量分别设置为联轴器公差范围所允许的最大值;
1.2)测试确定振动特征阈值;分别设置平行与偏角不对中类别下的联轴器公差范围最大值,开机,采集飞轮端曲轴振动位移信号,对稳定运行阶段周期振动进行傅里叶变化后求得幅频函数,如公式(1);
式中,aT(t)为预设平行不对中临界状态下稳定运行阶段内周期振动,t为采样点序列,t=1,2,3...,ω为频率,T为周期数,T=1,2,3…,AT(ω)是对周期信号aT进行傅里叶转换得到T周期幅频函数,ω0是设备稳定运行阶段转频,I=P或J,j=2或1,分别表示和为临界平行不对中故障下稳态多周期二倍频幅值均值作为二倍频幅值所允许的最大值,为临界偏角不对中故障下稳态多周期一倍频幅值均值作为一倍频幅值所允许的最大值,N为预设的采样周期数;
第二步:开机前利用激光对中仪测量对中,确保轴系在联轴器所允许的对中公差范围内,并记录每次启机前的初始轴系不对中量:平行不对中δ0、偏角不对中α0;
第三步,两个位移传感器的布置以及初始距离参数的确定;两个位移传感器沿柴油机输出轴轴向通过预设固定支架并排布置,监测输出轴两个不同平行横截面中心径向位移,靠近柴油机的传感器记为S1,远离柴油机的传感器记为S2;传感器安装完毕后,记录对中状态下S1、S2探头到输出轴表面的距离两个传感器同步采集的位移振动信号分别记为S′1、S′2;
第五步,计算平行和偏角不对中量;
其中,分别为第三步中记录的传感器S1、S2探头到输出轴表面的距离,Δs1和Δs2分别为输出轴截面Ⅰ和截面Ⅱ中心多周期相对静态对中状态的位移均值,h是发生偏角不对中时在S1测点处的轴心所产生的多周期径向位移均值,L1是输出轴靠近联轴器位置的端面到截面Ⅰ之间的距离,L2是截面Ⅰ到截面Ⅱ之间的距离,δ′是多周期平行不对中量均值,α′是多周期偏角不对中量均值;
5.3)消除平台初始轴系不对中量的影响,如公式(6)所示,δ、α为最终位移传感器测得的平行不对中与偏角不对中的值;δ0、α0分别为第二步中测得的初始平行不对中量和初始偏角不对中量;
第六步,计算运行过程中曲轴振动特征频率幅值;
6.1)采集并周期化运行过程倍频幅值;利用公式(1),对设备运行过程中采集到的曲轴振动位移信号进行时频转换,得到T周期幅频函数AT(ω),代入得到T周期下一倍频幅值为A1(T)、二倍频幅值为A2(T);
6.2)对稳定阶段多周期内的数据进行均值与标准差的计算,如公式(7),j为1或2,Q为预设样本的周期数,则Aj(T)分别表示A1(T)和A2(T)为选取周期特征倍频幅值,对A1(T)和A2(T)进行从小至大排序得到:A1(1)、A1(2)…A1(Q)和A2(1)、A2(2)…A2(Q),和分别代表一倍频与二倍频均值实测值;
6.3)根据Grubbs准则,对本组数据的最大值进行Gj值计算,设置置信概率p,则通过查Grubbs准则表方式获得临界值Gp,对本组数据最大值Aj(Q)的Gj值进行判断,如公式(8),若Gj>Gp,剔除最大值,对剔除后数据重新进行步骤6.2)数据更新后进行判断,直至Gj≤Gp,则求得最终与
第七步,轴系不对中在线调控;
7.1)传感器S1、S2对负载端实时定量检测诊断轴系不对中量;对是否在公差范围进行判断,若超出在联轴器允许公差范围,则初步判断为轴系不对中状态,需进一步判断;否则,判断为对中状态良好;
7.2)对于不在联轴器允许公差范围的状态,需对是否超出平行不对中公差,进行判断,若平行不对中量超出公差,则按照步骤7.3)调整,否则按照步骤7.4)调整;
调控因子pp与位移传感器测得平行不对中量乘积作为位移调控速度vp,如公式(9),单位为mm/s,默认调控时间为1s;调控因子pp的确定如公式(10)所示;
vp=pp*δ (9)
调控因子pj与位移传感器测得偏角不对中量乘积作为角度调控速度vj,如公式(11),单位为°/s,默认调控时间为1s;调控因子pj的确定如公式(12)所示;
vj=pj*α (11)
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- 2021-01-18 CN CN202110122073.8A patent/CN112947597B/zh active Active
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