CN115060209B - 一种全自动立式水电机组轴系摆度测量与调整计算系统 - Google Patents

Abstract

本发明适用于水利水电领域，提供了一种全自动立式水电机组轴系摆度测量与调整计算系统，包括：传感器检测模块、无线传输模块、辅助推力臂模块、水电机组轴系驱动模块和水电机组轴系摆度测量与调整计算系统。本发明系统通过自动测量水电机组轴系数据，进而编辑盘车过程中轴线矫正计算程序，完成对测量数据的合理计算；通过系统的计算，自动给出轴的摆度与倾斜角度、绝缘垫刮削值、导轴承瓦间隙分配调整量等数据；本发明系统是一种全自动的水电机组盘车系统，可以节省大量的人力物力；同时也减少了由于盘车人员数据读取误差或者经验不足造成的误差；本发明系统操作安全、简便、精准度高，是全自动盘车方向的一大突破。

Description

一种全自动立式水电机组轴系摆度测量与调整计算系统

技术领域

本发明属于水利水电领域，尤其涉及一种全自动立式水电机组轴系摆度测量与调整计算系统。

背景技术

立式水电机组轴系摆度的测量与调整是水力发电站发电机组安装和检修过程中一项非常重要的工作。水电机组的轴系摆度是否在规定要求内，将会对整个水力发电站能否正常稳定运行产生决定性的影响。清晰了解轴线摆度产生的原因以及调整的方法对水电机组的安整和检修至关重要。

发电机的轴和水轮机的轴两者连接成为了水轮发电机组的主轴。使用推力头和镜板将其固定，使水轮发电机组的轴向载荷压承在推力轴承上。水轮发电机组在首次安装或者是维修之后，重新装载的时候很容易出现法兰结合面与主轴轴线不垂直或者镜板摩擦面与轴线不垂直的情况。等水轮发电机组开始运行之后，主轴持续旋转，轴线将偏离理论回转中心进而产生摆度。当摆度幅度过大时，整个发电机组将产生剧烈振动，会严重影响机组安全稳定运行。

对于整个水力发电机组，水轮发电机组的回转中心线指的是机组各个固定部位的几何中心连线，然而立式水电机组的轴线指的是机组旋转轴的几何中心线，两者是不同的。本发明研究的是立式水电机组全轴系摆度测量与调整计算系统。目的是测量水轮发电机组轴线摆度并设法将其调整到机组的几何中心线位置。假使主轴不在机组的几何中心线位置，水轮机组运行之后轴系偏摆程度加剧，随之产生的水轮机组的振动及噪声也将导致水力发电机组停机维修。

传统的水轮机发电机组摆度的测量与调整是通过人工对机组盘车来确定的。通过人工盘车测量出机组导轴承、推力轴承和主轴法兰的摆度，借此分析出轴线产生摆度的原因、大小和方向。之后通过刮削绝缘垫或者是添加垫片等操作来调整水轮机发电机组的轴线中心位置。盘车指的是使用人工的方法，使水轮机发电机组缓慢转动。目前盘车主要有人力盘车、机械盘车、电气盘车三种盘车方式。在进行人工盘车时，每一次启动旋转时，水轮机发电机组主轴都会发生一定程度上的水平位移。这就导致了较大的测量误差和计算误差，所以测量精度不高。鉴于此种情况的产生，盘车工人们常常要经过多次盘车测量和调整才能够较为准确的调整机组轴线摆度。这样就占用了大量的时间。对于传统的立式水电机组人工盘车测量方法及其调整方法存在的问题，发现有下列几个特点：

1、耗费大量人力物力：使用百分表测量水电机组摆度时，需要在每个测量位置布置人手查看百分表变化；

2、准确度低：百分表在读取示数时会出现估读不准确的情况，将会直接影响到计算结果的准确性；

3、测量及调整计算误差较大：测量及调整计算量相对较大，工作人员在读数和计算过程中难免会出现一些误差或者错误，会经常有返工现象的出现。

发明内容

本发明实施例的目的在于提供一种全自动立式水电机组轴系摆度测量与调整计算系统，旨在解决测量方法耗费大量人力物力、测量方法准确度低、测量及调整计算误差较大等缺点限制，以解决上述背景技术中提出的问题。

本发明是这样实现的，一种全自动立式水电机组轴系摆度测量与调整计算系统，包括：传感器检测模块、无线传输模块、辅助推力臂模块、水电机组轴系驱动模块和水电机组轴系摆度测量与调整计算系统；

所述传感器检测模块包括键相传感器、第一超声波位移传感器、第二超声波位移传感器、第三超声波位移传感器、第四超声波位移传感器、第五超声波位移传感器和第六超声波位移传感器，所述键相传感器、第一超声波位移传感器、第二超声波位移传感器、第三超声波位移传感器、第四超声波位移传感器、第五超声波位移传感器和第六超声波位移传感器分别通过单相空气开关与24V直流母线进行连接；

所述辅助推力臂模块包括第二变频器和推力臂驱动电机，所述第二变频器通过三相空气开关和熔断器与三相交流母线连接，所述推力臂驱动电机与第二变频器连接；

所述水电机组轴系驱动模块包括第一变频器和水轮机轴驱动电机组，所述第一变频器通过三相空气开关和熔断器与三相交流母线连接，所述水轮机轴驱动电机组与第一变频器连接；

所述水电机组轴系摆度测量与调整计算系统包括计算机和总收发无线模块，所述计算机与交流母线连接进行供电，所述总收发无线模块与计算机连接并由计算机供电；

所述无线传输模块包括第一无线模块、第二无线模块、第三无线模块、第四无线模块、第五无线模块和第六无线模块，所述第三无线模块的两端分别与连接键相传感器和总收发无线模块，所述第四无线模块的一端与第一超声波位移传感器和第二超声波位移传感器连接，所述第四无线模块的另一端与总收发无线模块连接，所述第五无线模块的一端与第三超声波位移传感器和第四超声波位移传感器连接，所述第五无线模块的另一端与总收发无线模块连接，所述第六无线模块的一端与第五超声波位移传感器和第六超声波位移传感器连接，所述第六无线模块的另一端与总收发无线模块连接，所述第一无线模块的两端分别连接第一变频器与总收发无线模块，所述第二无线模块的两端分别连接第二变频器与总收发无线模块，所述第一无线模块、第二无线模块、第三无线模块、第四无线模块、第五无线模块和第六无线模块分别通过单相空气开关与9V直流母线进行连接，所述水电机组轴系摆度测量与调整计算系统通过自动测量水电机组轴系数据和编辑的算法自动给出轴的摆度与倾斜角度、绝缘垫刮削值和导轴承瓦间隙分配调整量数据。

进一步的技术方案，所述全自动立式水电机组轴系摆度测量与调整计算系统的工作步骤如下：

步骤一、测量开始时，水轮机轴驱动电机组会按照设定的速度驱动轴转动，当键相传感器检测到设定位置时给计算机发送信息，计算机在延时五秒钟之后给控制水轮机轴驱动电机组的第一变频器发送停止命令令其停止转动，第一无线模块可以直接与第一变频器进行通信，而第一变频器可以直接控制水轮机轴驱动电机组的正反转以及变速动作；

步骤二、计算机给第一变频器发送停止电机命令之后，间隔30s后，直至等轴完全停下来，给控制推力臂驱动电机的第二变频器发送慢速正转指令，使得推力臂模块推动水电机组轴运动，10s之后令推力臂驱动电机停止转动，5s停顿之后令推力臂驱动电机快速反转回原来的位置，间隔30s等水电机组完全停止运动；

步骤三、计算机通过第四无线模块、第五无线模块和第六无线模块给第一超声波位移传感器、第二超声波位移传感器、第三超声波位移传感器、第四超声波位移传感器、第五超声波位移传感器和第六超声波位移传感器发送测量数据命令，测量10s之后将数据传回计算机储存；

步骤四、待测量完成之后，计算机令水轮机轴驱动电机组继续转动进行下一数据的测量，以上步骤一至步骤三为一次数据的测量过程，每测一个位置都要进行步骤一至步骤三的操作，水电机组转动一圈需要测量12个等角度的位置，每个位置分别测量上导、下导、水导的X、Y方向共6个数据，测量一圈共计72个数据，整个测量过程需要测量5圈；

步骤五、所有数据测量完成之后，对数据进行预处理；

步骤六、计算机使用正弦曲线拟合法为轴线的调整优化计算方法，采用软硬件结合的方法进行计算，并基于遗传算法和单纯形法设计了混合优化算法用于轴线调整计算方法。

进一步的技术方案，所述步骤二中推力臂模块包括弧形推头、推力臂、电动推杆主体、固定底座和连接端接头，所述固定底座固定安装在现场，所述电动推杆主体通过连接端接头固定安装在固定底座上，所述推力臂安装在电动推杆主体上，所述弧形推头固定安装在推力臂的末端，所述弧形推头用于循环推动水电机组轴。

进一步的技术方案，所述步骤五中数据进行预处理的具体方式为以下步骤：

对于系统检测到的数据序列{x₁，x₂，…，x_n}，该数据序列的变化特征为：

d_j＝2x_j-(x_j+1+x_j-1)(j＝2,3,…,n-1)

借此变化特征，可以由n个监测数据得到n-2个d_j，由d_j值可以计算数据序列变化的统计均值和均方差/>

接下来计算出d_j偏差的绝对值与均方差的比值：

当q_j＞3时，则认为x_j是离散值，把x_j舍去，将测得的数据进行预处理之后再进行下一步计算。

进一步的技术方案，所述步骤六具体算法为：

假设水电机组轴线测量数据符合正弦曲线，则该曲线的数学模型可写为：

f(x)＝Asin(x+θ)+d

式中，f(x)——对应角度下测点的理论摆度值，mm；

x——水电机组轴线测量过程中，测点对应角度；

A——摆度曲线的幅值，mm；

θ——摆度曲线的初始相位，°；

d——摆度曲线的偏移值，mm；

使用四参数正弦波模型f(x)＝Asin(x_i+θ)+d，i＝1,2,...,n，测量序列为x_i(i＝1,2,...,n)，对测量数据进行拟合，选取适当幅值、相位和偏移值参数使得该正弦波与测量序列对应点间的残差平方和最小，即：

求解过程可归结为最优化问题，它由目标函数ρ(A,θ,d)和约束条件组成；参数A,θ,d的初值范围即为对目标函数的约束条件；

混合优化算法的基本步骤如下：

1)初始化

设定染色体的长度、指定初始种群的规模、以及交叉概率Pc和变异概率Pm，设定单纯形法的搜索控制参数；

2)群体进化

将群体中最大适应值对应的染色体保留下来，按适应性随机选取新母体，完成交叉和变异操作；

3)进化终止判断

根据设定的进化终止准则，判断是否进入局部搜索，如果不满足终止准则，则跳转步骤2)；否则，跳转步骤4)；

4)单纯形法

将遗传算法此时求得的最优参数作为单纯形法的初值，生成单纯形的顶点；先求出单纯形顶点的函数值，判断是否为最优值，若不是，则按照一定的规则产生新的单纯形，再判定是否为最优；重复以上过程，直至得到最优的单纯形顶点；

遗传算法概率计算公式：

式中，Fitness：适应度评分函数，为给定假设赋予一个评估分数；

p：群体中包含的假设数量；

r：每一步中通过交叉取代群体成员的比例；

单纯形法：通过初始可行基对应的典式以及检验数计算最优解，将

min C^Tx

变换成与原问题等价的问题是：

由此式即可得出最优解

式中，S—为绝缘垫刮削量或铜片加垫量的最大值，mm；

J_ba—下导处最大净摆度，mm；

D—推力头底面直径，mm；

H—两测点的距离，mm；

获得最大摆度值A后，可根据公式计算镜板处最大刮削量或加垫量，并按最大净摆度的方位做一条过圆心的直线，根据刮削量的大小，将绝缘垫分成几个刮削区域进行刮削，即可使主轴轴线得以修正，与镜板平面垂直，刮削工作完成后，按原位回装绝缘垫，重新盘车检测轴线是否达到满意的效果。

本发明实施例提供的一种全自动立式水电机组轴系摆度测量与调整计算系统，本发明系统通过自动测量水电机组轴系数据，进而编辑盘车过程中轴线矫正计算程序，完成对测量数据的合理计算；通过系统的计算，自动给出轴的摆度与倾斜角度、绝缘垫刮削值、导轴承瓦间隙分配调整量等数据；本发明系统是一种全自动的水电机组盘车系统，可以节省大量的人力物力；同时也减少了由于盘车人员数据读取误差或者经验不足造成的误差；本发明系统操作安全、简便、精准度高，是全自动盘车方向的一大突破。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种全自动立式水电机组轴系摆度测量与调整计算系统的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的推力臂模块的结构示意图。

附图中：计算机1、总收发无线模块2、第一无线模块3、第二无线模块4、第三无线模块5、第四无线模块6、第五无线模块7、第六无线模块8、第一变频器9、第二变频器10、键相传感器11、第一超声波位移传感器12、第二超声波位移传感器13、第三超声波位移传感器14、第四超声波位移传感器15、第五超声波位移传感器16、第六超声波位移传感器17、水轮机轴驱动电机组18、推力臂驱动电机19、弧形推头20、推力臂21、电动推杆主体22、固定底座23、连接端接头24。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

以下结合具体实施例对本发明的具体实现进行详细描述。

实施例一

一种全自动立式水电机组轴系摆度测量与调整计算系统，其特征在于，包括：传感器检测模块、无线传输模块、辅助推力臂模块、水电机组轴系驱动模块和水电机组轴系摆度测量与调整计算系统；

所述传感器检测模块包括键相传感器11、第一超声波位移传感器12、第二超声波位移传感器13、第三超声波位移传感器14、第四超声波位移传感器15、第五超声波位移传感器16和第六超声波位移传感器17，所述键相传感器11、第一超声波位移传感器12、第二超声波位移传感器13、第三超声波位移传感器14、第四超声波位移传感器15、第五超声波位移传感器16和第六超声波位移传感器17分别通过单相空气开关与24V直流母线进行连接；

所述辅助推力臂模块包括第二变频器10和推力臂驱动电机19，所述第二变频器10通过三相空气开关和熔断器与三相交流母线连接，所述推力臂驱动电机19与第二变频器10连接；

所述水电机组轴系驱动模块包括第一变频器9和水轮机轴驱动电机组18，所述第一变频器9通过三相空气开关和熔断器与三相交流母线连接，所述水轮机轴驱动电机组18与第一变频器9连接；

所述水电机组轴系摆度测量与调整计算系统包括计算机1和总收发无线模块2，所述计算机1与交流母线连接进行供电，所述总收发无线模块2与计算机1连接并由计算机1供电；

所述无线传输模块包括第一无线模块3、第二无线模块4、第三无线模块5、第四无线模块6、第五无线模块7和第六无线模块8，所述第三无线模块5的两端分别与连接键相传感器11和总收发无线模块2，所述第四无线模块6的一端与第一超声波位移传感器12和第二超声波位移传感器13连接，所述第四无线模块6的另一端与总收发无线模块2连接，所述第五无线模块7的一端与第三超声波位移传感器14和第四超声波位移传感器15连接，所述第五无线模块7的另一端与总收发无线模块2连接，所述第六无线模块8的一端与第五超声波位移传感器16和第六超声波位移传感器17连接，所述第六无线模块8的另一端与总收发无线模块2连接，所述第一无线模块3的两端分别连接第一变频器9与总收发无线模块2，所述第二无线模块4的两端分别连接第二变频器10与总收发无线模块2，所述第一无线模块3、第二无线模块4、第三无线模块5、第四无线模块6、第五无线模块7和第六无线模块8分别通过单相空气开关与9V直流母线进行连接，所述水电机组轴系摆度测量与调整计算系统通过自动测量水电机组轴系数据和编辑的算法自动给出轴的摆度与倾斜角度、绝缘垫刮削值和导轴承瓦间隙分配调整量数据。本发明能够全自动的测量立式水电机轴系摆度，并且通过编辑的算法自动计算出绝缘垫刮削值、导轴承瓦间隙分配调整量等数据。

在进行测量时，测量人员只需要在计算机1上点击开始，系统就会自动开始测量和计算，所述全自动立式水电机组轴系摆度测量与调整计算系统的工作步骤如下：

步骤一、测量开始时，水轮机轴驱动电机组18会按照设定的速度驱动轴转动，当键相传感器11检测到设定位置时给计算机1发送信息，计算机1在延时五秒钟之后给控制水轮机轴驱动电机组18的第一变频器9发送停止命令令其停止转动，由于采用的工业等级的第一无线模块3，它支持MODBUS、ASCⅡ码协议，第一无线模块3可以直接与第一变频器9进行通信，而第一变频器9可以直接控制水轮机轴驱动电机组18的正反转以及变速等动作；

步骤二、计算机1给第一变频器9发送停止电机命令之后，间隔30s后，直至等轴完全停下来，给控制推力臂驱动电机19的第二变频器10发送慢速正转指令，使得推力臂模块推动水电机组轴运动，10s之后令推力臂驱动电机19停止转动，5s停顿之后令推力臂驱动电机19快速反转回原来的位置，间隔30s等水电机组完全停止运动；

步骤三、计算机1通过第四无线模块6、第五无线模块7和第六无线模块8给第一超声波位移传感器12、第二超声波位移传感器13、第三超声波位移传感器14、第四超声波位移传感器15、第五超声波位移传感器16和第六超声波位移传感器17发送测量数据命令，测量10s之后将数据传回计算机1储存；

步骤四、待测量完成之后，计算机1令水轮机轴驱动电机组18继续转动进行下一数据的测量，以上步骤一至步骤三为一次数据的测量过程，每测一个位置都要进行步骤一至步骤三的操作，水电机组转动一圈需要测量12个等角度的位置，每个位置分别测量上导、下导、水导的X、Y方向共6个数据，测量一圈共计72个数据，整个测量过程需要测量5圈；

步骤五、所有数据测量完成之后，在盘车过程中由于一些不确定的因素可能会使测得的数据出现失准的情况，从而影响整体结果的准确度，所以在进行计算之前，需要先对测得的数据进行预处理，本发明系统使用3σ准则进行数据的预处理，具体方式为以下步骤：

对于系统检测到的数据序列{x₁，x₂，…，x_n}，该数据序列的变化特征为：

d_j＝2x_j-(x_j+1+x_j-1)(j＝2,3,…,n-1)

借此变化特征，可以由n个监测数据得到n-2个d_j，由d_j值可以计算数据序列变化的统计均值和均方差/>

接下来计算出d_j偏差的绝对值与均方差的比值：

当q_j＞3时，则认为x_j是离散值，把x_j舍去，将测得的数据进行预处理之后再进行下一步计算；

步骤六、计算机1使用正弦曲线拟合法为轴线的调整优化计算方法，采用软硬件结合的方法进行计算，并基于遗传算法和单纯形法设计了混合优化算法用于轴线调整计算方法；

具体算法为：

在水电机组盘车过程中计算全摆度以及静摆度时，在上导、下导、法兰和水导等圆周处平分12等分，按x、y方向各设两只千分表用作测量各个部位摆度及相互校核，由此可知，水电机组轴线全摆度即同一测量部位对称两点数值之差，净摆度则为同一测点上下两部位全摆度数值之差，如以悬式机组为例，下导处净摆度则为同一测点下导处全摆度减去上导处全摆度。

(1)上导全摆度

Q_a＝C_a1-C_a0

式中，Q_a——上导处a点的全摆度，mm；

C_a1——上导处a点对称部位测量值，mm；

C_a0——上导处a点的测量值，mm。

(2)下导全摆度

Q_b＝C_b1-C_b0

式中，Q_b——下导处b点的全摆度，mm；

C_b1——下导处b点对称部位测量值，mm；

C_b0——下导处b点的测量值，mm。

(3)水导全摆度

Q_c＝C_c1-C_c0

式中，Q_c——水导处c点的全摆度，mm；

C_c1——水导处c点对称部位测量值，mm；

C_c0——水导处c点的测量值，mm。

(4)下导净摆度

J_ba＝Q_b-Q_a

式中，J_ba为下导处净摆度，a点和b点在同一方向。

(5)水导净摆度

J_ca＝Q_c-Q_a

式中，J_ca为水导处净摆度，a点和c点在同一方向。

本发明调整水电机组轴线摆度较大的方法主要是增添铜垫片法和刮削绝缘垫法等，以镜板摩擦面与轴线不垂直这一种情况为例进行说明，经典的刮削绝缘垫计算方法如下：

式中，S——为绝缘垫刮削量或铜片加垫量的最大值，mm；

J_ba——下导处最大净摆度，mm；

D——推力头底面直径，mm；

H——两测点的距离，mm。

本发明使用正弦曲线拟合法为轴线的调整优化计算方法。为克服传统方法产生的误差，实际应用中多采用图解分析法和正弦曲线近似法等方法，但这些方法的精度虽然有所提升，但是为了人工计算方便，仍作了较多的近似和简化。课题采用软硬件结合的方法，可充分利用计算机强大的计算能力。为此，课题基于遗传算法和单纯形法设计了新的混合优化算法进行轴线调整计算方法。

假设水电机组轴线测量数据符合正弦曲线，则该曲线的数学模型可写为：

f(x)＝Asin(x+θ)+d

式中，f(x)——对应角度下测点的理论摆度值，mm；

x——水电机组轴线测量过程中，测点对应角度；

A——摆度曲线的幅值，mm；

θ——摆度曲线的初始相位，°；

d——摆度曲线的偏移值，mm；

使用四参数正弦波模型f(x)＝Asin(x_i+θ)+d，i＝1,2,...,n，测量序列为x_i(i＝1,2,...,n)，对测量数据进行拟合，选取适当幅值、相位和偏移值参数使得该正弦波与测量序列对应点间的残差平方和最小，即：

求解过程可归结为最优化问题，它由目标函数ρ(A,θ,d)和约束条件组成；参数A,θ,d的初值范围即为对目标函数的约束条件；

混合优化算法的基本步骤如下：

1)初始化

设定染色体的长度、指定初始种群的规模、以及交叉概率Pc和变异概率Pm，设定单纯形法的搜索控制参数；

2)群体进化

将群体中最大适应值对应的染色体保留下来，按适应性随机选取新母体，完成交叉和变异操作；

3)进化终止判断

根据设定的进化终止准则，判断是否进入局部搜索，如果不满足终止准则，则跳转步骤2)；否则，跳转步骤4)；

4)单纯形法

将遗传算法此时求得的最优参数作为单纯形法的初值，生成单纯形的顶点；先求出单纯形顶点的函数值，判断是否为最优值，若不是，则按照一定的规则产生新的单纯形，再判定是否为最优；重复以上过程，直至得到最优的单纯形顶点；

遗传算法(Genetic Algorithms)是模拟生物在自然环境中的遗传和进化过程而形成的一种自适应全局优化概率搜索算法。该算法采用群体搜索技术，通过对当前群体施加选择、交叉、变异等一系列遗传操作，从而产生新一代群体，并逐步使群体进化到包含或接近最优解的状态。作为现代最优化的手段，遗传算法适用于大规模、多峰多态函数、含离散变量等情况下的全局最优化问题，而且在求解速度和质量上超过常规方法。但是在局部收敛性问题上遗传算法并不具有优势，遗传算法概率计算公式为：

式中，Fitness：适应度评分函数，为给定假设赋予一个评估分数；

p：群体中包含的假设数量；

r：每一步中通过交叉取代群体成员的比例；

单纯形法(Simplex Method)是一种直接局域搜索算法，它对目标函数没有要求，精度高、收敛速度快，该方法无需对目标函数求导即可实现参数的寻优，所以该方法特别适合复杂的多变量目标函数局部寻优，单纯形法：通过初始可行基对应的典式以及检验数计算最优解，将

min C^Tx

变换成与原问题等价的问题是：

由此式即可得出最优解

式中，S—为绝缘垫刮削量或铜片加垫量的最大值，mm；

J_ba—下导处最大净摆度，mm；

D—推力头底面直径，mm；

H—两测点的距离，mm；

获得最大摆度值A后，可根据公式计算镜板处最大刮削量或加垫量，并按最大净摆度的方位做一条过圆心的直线，根据刮削量的大小，将绝缘垫分成几个刮削区域进行刮削，即可使主轴轴线得以修正，与镜板平面垂直，刮削工作完成后，按原位回装绝缘垫，重新盘车检测轴线是否达到满意的效果。

当水电机组盘车及推力瓦受力均合格后，可安装各部导轴承(上导、下导和水导)，并调整相应的导轴瓦间隙。导轴瓦间隙计算可以以系统测出的数据为基础进行计算，导轴瓦作用是稳定主轴的转动中心。导轴瓦与主轴轴颈之间会形成油膜，通过油膜传递力、润滑和散热，因此必须保证导轴瓦有一定间隙。倘若导轴瓦间隙过大，主轴摆度就会过大，导致转动中心不固定，会产生巨大震动和噪声。倘若轴瓦间隙过小，就不会形成油膜，使得轴瓦摩擦烧损。

本发明使用推力臂21推动水电机组轴运动时，需要推力臂21缓慢推动轴运动，为了不影响水轮发电机主轴复位时的运动又要让推力臂快速返回原先的位置，这就需要用到电机正反转及调速系统，变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置，能实现对交流异步电机的软起动、变频调速、提高运转精度、改变功率因数、过流/过压/过载保护等功能，可以很好的满足本系统对推力臂驱动电机控制的需求；计算器1通过发给第二无线模块4指令，二无线模块4的控制引脚的产生高低电平的变化，从而对第二变频器10起到控制作用，第二变频器10进而控制推力臂驱动电机19进行相应的动作，此外，由于推力臂21需要安装在水轮发电机主轴附近进行工作，而水轮发电机主轴附近没有电动推杆主体22的固定位置，本发明系统配备了一个盘车专用的推力臂模块，所述步骤二中推力臂模块包括弧形推头20、推力臂21、电动推杆主体22、固定底座23和连接端接头24，所述固定底座23固定安装在现场，所述电动推杆主体22通过连接端接头24固定安装在固定底座23上，所述推力臂21安装在电动推杆主体22上，所述弧形推头20固定安装在推力臂21的末端，所述弧形推头20用于循环推动水电机组轴，可以在固定推力臂21的同时满足便携移动的要求，固定底座23上有螺丝固定孔，可以固定在现场有的螺丝上面，也可以在固定底座23后面添加配重起到固定作用，弧形推头20的推头呈圆弧形，在进行工作时可以更好的契合水电机组轴进行工作；在进行推动工作时：当推力臂驱动电机19接到推动命令之后正向缓慢转动，驱动推力臂21缓慢伸长，推力臂21通过弧形推头20与水轮发电机主轴接触，缓慢推动主轴运动，在进行回退工作时：推力臂驱动电机19快速反转，驱动推力臂21快速缩回，推力臂21快速拉回弧形推头20，使其与水轮发电机主轴分离，不影响水轮发电机主轴的自由复位过程。

本发明上述实施例中提供了一种全自动立式水电机组轴系摆度测量与调整计算系统，本发明使用正弦曲线拟合法为轴线的调整优化计算方法。为克服传统方法产生的误差，实际应用中多采用图解分析法和正弦曲线近似法等方法，但这些方法的精度虽然有所提升，但是为了人工计算方便，仍作了较多的近似和简化。课题采用软硬件结合的方法，可充分利用计算机强大的计算能力。为此，课题基于遗传算法和单纯形法设计了新的轴线调整计算方法。

在盘车过程中由于一些不确定的因素可能会使测得的数据出现失准的情况，从而影响整体结果的准确度，所以在进行计算之前，需要先对测得的数据进行预处理，本发明系统使用3σ准则进行数据的预处理。

结合遗传算法和单纯形法各自在寻求全局最优解和局部最优解中的优势，采用基于遗传算法与单纯形法结合的混合优化算法，可以使算法既有较快的局部收敛特性又能够获得全局最优解。由于在正弦曲线拟合求解中采用遗传算法一般经过不足100代繁殖即可进入全局最优解收敛区域；此时，如果继续采用遗传算法，则求解的精度和速度都不能得到很好的保证。所以在进入全局最优解收敛区域时，立刻转为单纯形法，以快速、准确地得到拟合结果。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种全自动立式水电机组轴系摆度测量与调整计算系统，其特征在于，包括：传感器检测模块、无线传输模块、辅助推力臂模块、水电机组轴系驱动模块和水电机组轴系摆度测量与调整计算系统；

所述传感器检测模块包括键相传感器、第一超声波位移传感器、第二超声波位移传感器、第三超声波位移传感器、第四超声波位移传感器、第五超声波位移传感器和第六超声波位移传感器，所述键相传感器、第一超声波位移传感器、第二超声波位移传感器、第三超声波位移传感器、第四超声波位移传感器、第五超声波位移传感器和第六超声波位移传感器分别通过单相空气开关与24V直流母线进行连接；

所述辅助推力臂模块包括第二变频器和推力臂驱动电机，所述第二变频器通过三相空气开关和熔断器与三相交流母线连接，所述推力臂驱动电机与第二变频器连接；

所述水电机组轴系驱动模块包括第一变频器和水轮机轴驱动电机组，所述第一变频器通过三相空气开关和熔断器与三相交流母线连接，所述水轮机轴驱动电机组与第一变频器连接；

所述水电机组轴系摆度测量与调整计算系统包括计算机和总收发无线模块，所述计算机与交流母线连接进行供电，所述总收发无线模块与计算机连接并由计算机供电；

所述无线传输模块包括第一无线模块、第二无线模块、第三无线模块、第四无线模块、第五无线模块和第六无线模块，所述第三无线模块的两端分别与连接键相传感器和总收发无线模块，所述第四无线模块的一端与第一超声波位移传感器和第二超声波位移传感器连接，所述第四无线模块的另一端与总收发无线模块连接，所述第五无线模块的一端与第三超声波位移传感器和第四超声波位移传感器连接，所述第五无线模块的另一端与总收发无线模块连接，所述第六无线模块的一端与第五超声波位移传感器和第六超声波位移传感器连接，所述第六无线模块的另一端与总收发无线模块连接，所述第一无线模块的两端分别连接第一变频器与总收发无线模块，所述第二无线模块的两端分别连接第二变频器与总收发无线模块，所述第一无线模块、第二无线模块、第三无线模块、第四无线模块、第五无线模块和第六无线模块分别通过单相空气开关与9V直流母线进行连接，所述水电机组轴系摆度测量与调整计算系统通过自动测量水电机组轴系数据和编辑的算法自动给出轴的摆度与倾斜角度、绝缘垫刮削值和导轴承瓦间隙分配调整量数据。

2.根据权利要求1所述的全自动立式水电机组轴系摆度测量与调整计算系统，其特征在于，所述全自动立式水电机组轴系摆度测量与调整计算系统的工作步骤如下：

步骤一、测量开始时，水轮机轴驱动电机组会按照设定的速度驱动轴转动，当键相传感器检测到设定位置时给计算机发送信息，计算机在延时五秒钟之后给控制水轮机轴驱动电机组的第一变频器发送停止命令令其停止转动，第一无线模块可以直接与第一变频器进行通信，而第一变频器可以直接控制水轮机轴驱动电机组的正反转以及变速动作；

步骤二、计算机给第一变频器发送停止电机命令之后，间隔30s后，直至等轴完全停下来，给控制推力臂驱动电机的第二变频器发送慢速正转指令，使得推力臂模块推动水电机组轴运动，10s之后令推力臂驱动电机停止转动，5s停顿之后令推力臂驱动电机快速反转回原来的位置，间隔30s等水电机组完全停止运动；

步骤三、计算机通过第四无线模块、第五无线模块和第六无线模块给第一超声波位移传感器、第二超声波位移传感器、第三超声波位移传感器、第四超声波位移传感器、第五超声波位移传感器和第六超声波位移传感器发送测量数据命令，测量10s之后将数据传回计算机储存；

步骤四、待测量完成之后，计算机令水轮机轴驱动电机组继续转动进行下一数据的测量，以上步骤一至步骤三为一次数据的测量过程，每测一个位置都要进行步骤一至步骤三的操作，水电机组转动一圈需要测量12个等角度的位置，每个位置分别测量上导、下导、水导的X、Y方向共6个数据，测量一圈共计72个数据，整个测量过程需要测量5圈；

步骤五、所有数据测量完成之后，对数据进行预处理；

步骤六、计算机使用正弦曲线拟合法为轴线的调整优化计算方法，采用软硬件结合的方法进行计算，并基于遗传算法和单纯形法设计了混合优化算法用于轴线调整计算方法。

3.根据权利要求2所述的全自动立式水电机组轴系摆度测量与调整计算系统，其特征在于，所述步骤二中推力臂模块包括弧形推头、推力臂、电动推杆主体、固定底座和连接端接头，所述固定底座固定安装在现场，所述电动推杆主体通过连接端接头固定安装在固定底座上，所述推力臂安装在电动推杆主体上，所述弧形推头固定安装在推力臂的末端，所述弧形推头用于循环推动水电机组轴。

4.根据权利要求2所述的全自动立式水电机组轴系摆度测量与调整计算系统，其特征在于，所述步骤五中数据进行预处理的具体方式为以下步骤：

对于系统检测到的数据序列{x₁，x₂，…，x_n}，该数据序列的变化特征为：

d_j＝2x_j-(x_j+1+x_j-1)(j＝2,3,…,n-1)

借此变化特征，可以由n个监测数据得到n-2个d_j，由d_j值可以计算数据序列变化的统计均值和均方差/>

接下来计算出d_j偏差的绝对值与均方差的比值：

当q_j＞3时，则认为x_j是离散值，把x_j舍去，将测得的数据进行预处理之后再进行下一步计算。

5.根据权利要求3所述的全自动立式水电机组轴系摆度测量与调整计算系统，其特征在于，所述步骤六具体算法为：

假设水电机组轴线测量数据符合正弦曲线，则该曲线的数学模型可写为：

f(x)＝Asin(x+θ)+d

式中，f(x)——对应角度下测点的理论摆度值，mm；

x——水电机组轴线测量过程中，测点对应角度；

A——摆度曲线的幅值，mm；

θ——摆度曲线的初始相位，°；

d——摆度曲线的偏移值，mm；

使用四参数正弦波模型f(x)＝Asin(x_i+θ)+d，i＝1,2,...,n，测量序列为x_i(i＝1,2,...,n)，对测量数据进行拟合，选取适当幅值、相位和偏移值参数使得该正弦波与测量序列对应点间的残差平方和最小，即：

求解过程可归结为最优化问题，它由目标函数ρ(A,θ,d)和约束条件组成；参数A,θ,d的初值范围即为对目标函数的约束条件；

混合优化算法的基本步骤如下：

1)初始化

设定染色体的长度、指定初始种群的规模、以及交叉概率Pc和变异概率Pm，设定单纯形法的搜索控制参数；

2)群体进化

将群体中最大适应值对应的染色体保留下来，按适应性随机选取新母体，完成交叉和变异操作；

3)进化终止判断

根据设定的进化终止准则，判断是否进入局部搜索，如果不满足终止准则，则跳转步骤2)；否则，跳转步骤4)；

4)单纯形法

将遗传算法此时求得的最优参数作为单纯形法的初值，生成单纯形的顶点；先求出单纯形顶点的函数值，判断是否为最优值，若不是，则按照一定的规则产生新的单纯形，再判定是否为最优；重复以上过程，直至得到最优的单纯形顶点；

遗传算法概率计算公式：

式中，Fitness：适应度评分函数，为给定假设赋予一个评估分数；

p：群体中包含的假设数量；

r：每一步中通过交叉取代群体成员的比例；

单纯形法：通过初始可行基对应的典式以及检验数计算最优解，将

min C^Tx

变换成与原问题等价的问题是：

由此式即可得出最优解

式中，S—为绝缘垫刮削量或铜片加垫量的最大值，mm；

J_ba—下导处最大净摆度，mm；

D—推力头底面直径，mm；

H—两测点的距离，mm；

获得最大摆度值A后，可根据公式计算镜板处最大刮削量或加垫量，并按最大净摆度的方位做一条过圆心的直线，根据刮削量的大小，将绝缘垫分成几个刮削区域进行刮削，即可使主轴轴线得以修正，与镜板平面垂直，刮削工作完成后，按原位回装绝缘垫，重新盘车检测轴线是否达到满意的效果。