CN114088325A - 一种轴系多测点同步扭振高精度监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种轴系多测点同步扭振高精度监测方法，所述监测方法包括如下步骤：S1：在轴系的待测轴段设置多个测点；S2：在每个所述测点位安装码盘和若干传感器，以通过传感器采集轴系的脉冲数据；并记录每个脉冲数据的到达时刻；S3：将所述脉冲数据转换为同时刻的轴系IAS数据，以获取轴系扭振耦合信号；S4：根据多个所述测点的轴系IAS数据，将扭振信号从轴系扭振耦合信号中分离，以获得纯相对扭角数据。本发明实现了在耦合振动中测量相对扭角数据，排除其他振型的干扰，能够测取高精度的相对扭角，并有效降低其他振型的耦合振动带来的干扰。此方法测量的相对扭角数据在实际工况中具有更好的纯净度和精确度。

Description

一种轴系多测点同步扭振高精度监测方法

技术领域

本发明涉及轴系扭振监测技术领域，尤其涉及一种轴系多测点同步扭振高精度监测方法。

背景技术

在交通运输技术高速发展的今天，航运高占国际贸易运输业总量2/3的份额。目前，船舶智能化已是推进航运业发展进程的重要方向，这要求船舶及其工作机械能对自身运行状态进行实时高精度检测和诊控。而近年来随着智能船舶和物联网技术的快速发展，船舶主机、柴油发电机、空压机等重要机械设备的智能化持续推进，智能船舶在自主航行、态势感知、故障诊断等关键技术中，船舶传感设备是重要的信息来源，传感设备的精度直接影响了智能系统的工作稳定性和准确性。轴系状态感知是船舶智能化和无人化的重要监测技术，而扭振异常是其常见的失效征兆之一。船舶大型回转机械是保障船舶航行和正常作业的关键设备，包括主推进装置、发电机组和压缩机装置等。为确保船舶安全和船级要求，在世界各国《钢质海船建造规范》中，对这些具有回转特征的机械设备和系统的扭振应力和扭振角等指标都有严格的限定。而这类回转机械系统在实际运行中，具有工况多变，激振源复杂，振动形式层叠的特征，因此，一般的振动检测仪器不能有效拾取单纯的信号特征分量，更不方便直接用于评价机械系统的状况和安全控制。

发明内容

本发明提供一种轴系多测点同步扭振高精度监测方法，以克服上述技术问题。

一种轴系多测点同步扭振高精度监测方法，所述监测方法包括如下步骤：

S1：在轴系的待测轴段设置多个测点；

S2：在每个所述测点位安装码盘和若干传感器，以通过传感器采集轴系的脉冲数据；并记录每个脉冲数据的到达时刻；

S3：将所述脉冲数据转换为同时刻的轴系IAS数据，以获取轴系扭振耦合信号；

S4：根据多个所述测点的轴系IAS数据，将扭振信号从轴系扭振耦合信号中分离，以获得纯相对扭角数据。

进一步的，所述S2中，每个所述测点安装两个传感器，所述两个传感器相对于所述测点呈180゜对称安装，以去除回旋振动分量。

进一步的，所述传感器与控制器连接，以通过控制器控制脉冲采样频率，处理捕获事件。

进一步的，所述S3中的将所述脉冲数据转换为同时刻的轴系IAS数据方法如下：

S31：将所述脉冲数据转换为轴系IAS数据，对应的转换公式是：

S32：将所述轴系IAS数据由离散型转换为连续型，对应的转换公式是：

式中，ω[t_i,t_j]表示从t_i到t_j时刻区间内角速度的表达式；ω(t_i)为t_i时刻的角速度；ω(t_j)为t_j时刻的角速度；

S33：提取对应等间隔时刻的IAS数据，以获取同时刻的轴系IAS数据：

ω_i＝ω(t_i)(i＝0,1,…,i,…,n) (3)

式中，Z：码盘外缘齿数；f_s：采样频率；ΔT_count：上一个脉冲到当前脉冲的时段内计数器增加的数值。

进一步的，所述S4中将扭振信号从轴系扭振耦合信号中分离的方法如下：

S41：使用相邻测点的IAS数据差来去除滚振分量，以获得相对扭振角速度；所述IAS数据差为：

ω′(t)-ω″(t)

S42：根据相对扭振角速度，获取纯相对扭角数据如下：

式中，ω′(t)和ω″(t)分别代表相邻两个测点的角速度。

有益效果：本发明的一种轴系多测点同步扭振高精度监测方法，实现了在耦合振动中测量相对扭角数据，排除其他振型的干扰，能够测取高精度的相对扭角，并有效降低其他振型的耦合振动带来的干扰。此方法测量的相对扭角数据在实际工况中具有更好的纯净度和精确度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为传统时序脉冲法获得扭振角示意图；

图2为本发明监测方法的流程示意图；

图3为本发明轴系多测点同步扭振高精度监测方法的测点布置示意图；

图4为本发明监测方法的扭振试验台示意简图；

图5本发明监测方法中将IAS数据从脉冲对应转速转换为同时刻对应转速示意图；

图6本发明实施例中一种轴系多测点同步扭振高精度监测方法的相邻测点的测量结果示意图；

图7为本发明测点的传感器布置示意图。

其中：1、伺服驱动器；2、中间轴承；3、信号齿轮；5、弹性联轴器。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本实施例提供了一种轴系多测点同步扭振高精度监测方法，包括如下步骤，如附图2所示：

S1：在轴系的待测轴段设置多个测点；

S2：在每个所述测点位安装码盘和若干传感器，以通过传感器采集轴系的脉冲数据；所述脉冲数据是轴系中待测轴段的原始信号，根据脉冲数据频率(时间差)能够计算轴的角速度。

优选的，本实施例中在测点安装两个传感器，所述的两个传感器相对于所述测点呈180゜对称安装，如附图7所示，以去除回旋振动分量，具体的来说，图中虚线部分为该测点截面轴心的运动轨迹，在传感器连线方向的回旋振动分量被两个传感器感测为在幅值上有增减的脉冲信号，根据在同一测点信号2路传感器的信号计算结果取算数平均值可消除这种影响。所述传感器与控制器连接，以通过控制器控制脉冲采样频率，处理捕获事件；所述捕获事件为边沿跳变事件，此为电学中的常识，因此不进行进一步解释。

优选地，如附图1所示所述码盘采用外缘带有齿形的金属轮盘，齿数为99个，直径为250mm，厚度为40mm，所述传感器采用数字霍尔传感器，使用5V电源供电，触发距离为3mm；所述控制器为普通的脉冲捕获控制器，控制器脉冲采样频率为54MHz，控制数字霍尔传感器的运行，并且通过集成于所述脉冲捕获控制器上的IC滤波器处理捕获事件，在本实施例中，以连续8次采样均产生跳变时判定为一次捕获事件。所述多个测点分别安装在待测轴系的动力输出部分或存在转动惯量部分处，并且在动力装置自由端和输出端也分别安装测点，其示意图如图3。

S3：将所述脉冲数据转换为同时刻的轴系IAS(Instantaneous Angular Speed)数据，以获取轴系扭振耦合信号；

具体的，每个测点的数据由该测点的两个传感器所采集轴系的角速度平均值获得，以去除待测轴段的回旋振动分量；具体的，将所述脉冲数据转换为同时刻的轴系IAS数据方法如下：

S31：使用牛顿插值法将所述脉冲数据转换为轴系IAS数据：

S32：将所述轴系IAS数据由离散型转换为连续型：

S33：提取对应等间隔时刻的IAS数据，以获取同时刻的轴系IAS数据：

ω_i＝ω(t_i)(i＝0,1,…,i,…,n) (3)

式中，Z：码盘外缘齿数；f_s：采样频率；ΔT_count：上一个脉冲到当前脉冲的时段内计数器增加的数值。

S4：根据多个所述测点的轴系IAS数据，将扭振信号从耦合信号中分离，以获得纯相对扭角数据。具体的，所述IAS数据耦合了多种振型信号，将扭振信号从耦合信号中分离的方法如下：

S41：使用相邻测点的IAS数据差来去除滚振分量，以获得相对扭振角速度；所述IAS数据差为：

ω′(t)-ω″(t)

S42：根据相对扭振角速度，通过积分获取纯相对扭角数据如下：

在本发明的一个实施例中，所述监测方法在一个扭振试验台上进行，如图4所示，所述扭振试验台包括：130ST-M06025LFB伺服电机及MaxsineGL16F伺服驱动器1，3个中间轴承2、弹性联轴器5、2个信号齿轮3组成。所述扭振试验台工作时，需要监测弹性联轴器5的工作状态，在弹性联轴器5两端安装测点。使数字霍尔传感器分别布置在两个信号齿轮3处相应位置，使用信号齿轮充当码盘，数字霍尔传感器采集的脉冲信号通过阿波罗ARM信号采集系统保存，包括每个测点的每个脉冲的到达时刻，通过本发明的轴系多点位同步扭振高精度监测方法实时计算联轴器的相对扭角，监测轴系的扭振状态。具体的，在本实施例的试验台中，通过传感器接收信号齿轮的信号并将该信号传递给捕获控制器；所述捕获控制器为常用的脉冲捕获控制器，以在接收到上跳变信号时使用IC滤波器进行处理，当确认收到上跳变信号后向ARM控制器发送中断请求。所述ARM控制器是本系统的中央处理器，就是STM32F7控制器芯片，用于处理传感器，存储器，运算，通信和交互等任务，所述脉冲捕获控制器集成于STM32F7控制器芯片。具体的，在本试验台中，引起轴系振动信号的螺旋桨负荷来自螺旋桨对外做功时的负荷，主要产生于水。其他负荷一般包括泵、空气压缩机、轴带发电机等负荷，根据具体船舰的情况而变化。

具体的，本发明的一个实施例中，按照下面步骤进行：

1)将两个霍尔传感器分别布置在信号码盘两端间距180°处，组成一个测点。

2)在待测轴段两端布置测点，测量该轴段的相对扭角。

3)以54MHz采集脉冲信号，并使用IC滤波器处理捕获事件，即连续八次采样均检测到发生上跳变为一次上跳变事件以消除边沿抖动，储存各个传感器的脉冲到达时刻的计数器数值。

4)完成一个周期的采集后，根据每个脉冲到达的时刻计算两次脉冲间的平均角速度。柴油机主要振动存在于一个完整周期的16谐次以内，根据奈奎斯特定律，采样频率应高于最高关注频率的两倍，即32谐次，测量码盘与霍尔传感器的周期采样率为99，故可以认为该平均角速度是当前脉冲的瞬时角速度(IAS)。

5)使用一阶Newton插值法将离散的IAS数据补全为连续。根据连续的瞬时角速度-时间的图像，等时间间隔取样，同时在另一个测点同理获取连续的IAS-时间的图像，并取同时刻的IAS值，如附图5所示。

6)将两个测点的IAS相减得到相对扭振IAS，最终积分获取扭振角，如附图6展示了本实施例的相邻测点的测量结果，可以看出通过上述方法构建出的相对扭角测量方法能够测取高精度的相对扭角，并有效降低其他振型的耦合振动带来的干扰。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (5)

1.一种轴系多测点同步扭振高精度监测方法，其特征在于，所述监测方法包括如下步骤：

S1：在轴系的待测轴段设置多个测点；

S2：在每个所述测点位安装码盘和若干传感器，以通过传感器采集轴系的脉冲数据；并记录每个脉冲数据的到达时刻；

S3：将所述脉冲数据转换为同时刻的轴系IAS数据，以获取轴系扭振耦合信号；

S4：根据多个所述测点的轴系IAS数据，将扭振信号从轴系扭振耦合信号中分离，以获得纯相对扭角数据。

2.根据权利要求1所述一种轴系多测点同步扭振高精度监测方法，其特征在于，所述S2中，每个所述测点安装两个传感器，所述两个传感器相对于所述测点呈180°对称安装，以去除回旋振动分量。

3.根据权利要求1所述一种轴系多测点同步扭振高精度监测方法，其特征在于，所述传感器与控制器连接，以通过控制器控制脉冲采样频率，处理捕获事件。

4.根据权利要求1所述一种轴系多测点同步扭振高精度监测方法，其特征在于，所述S3中的将所述脉冲数据转换为同时刻的轴系IAS数据方法如下：

S31：将所述脉冲数据转换为轴系IAS数据，对应的转换公式是：

S32：将所述轴系IAS数据由离散型转换为连续型，对应的转换公式是：

式中，ω[t_i，t_j]表示从t_i到t_j时刻区间内角速度的表达式；ω(t_i)为t_i时刻的角速度；ω(t_j)为t_j时刻的角速度；

S33：提取对应等间隔时刻的IAS数据，以获取同时刻的轴系IAS数据：

ω_i＝ω(t_i)(i＝0，1，...，i，...，n) (3)

式中，Z：码盘外缘齿数；f_s：采样频率；ΔT_count：上一个脉冲到当前脉冲的时段内计数器增加的数值。

5.根据权利要求1所述一种轴系多测点同步扭振高精度监测方法，其特征在于，所述S4中将扭振信号从轴系扭振耦合信号中分离的方法如下：

S41：使用相邻测点的IAS数据差来去除滚振分量，以获得相对扭振角速度；所述IAS数据差为：

ω′(t)-ω″(t)

S42：根据相对扭振角速度，获取纯相对扭角数据如下：

式中，ω′(t)和ω″(t)分别代表相邻两个测点的角速度。

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