CN1696630A - 一种测量旋转机械转子扭转振动的方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明是一种测量旋转机械转子扭转振动的方法和装置。为克服现有技术中在使用测扭应变计时难于提取和分析扭振信号的不足，本发明无需在被测转子上安装附加设备，在被测转子上连接一个与其同速旋转的测扭装置，并通过测扭装置上的弹性片(7)，将转子运动中所产生的微弱的扭振信号转化为较大幅度的动应变信号，提高了信噪比，通过提取分析，获得被测转子的原始扭转信号。位于惯性环(5)同一直径上的每对弹性片(7)上不同侧表面处的2个应变计组合成1个应变计对，接入惠斯通电桥构成半桥形式并形成独立信号回路，实现了两个应变计动应变信号的线性叠加，消除离心力和惯性环偏心产生的附加应变的影响，并具有可靠性高、安装简易、操作方便的特点。

Description

一种测量旋转机械转子扭转振动的方法及其装置

(一)所属技术领域：

本发明涉及一种测量旋转机械转子扭转振动的方法和装置。

(二)技术背景：

在旋转机械状态监测和故障诊断领域，随着大机组大电网的出现，扭振冲击作用对转子轴系的稳定性及安全性构成的威胁愈为突出，因此，对轴系扭转振动的测量是旋转机械状态监测和故障诊断的重要环节。但截至目前，扭转振动的测量一直存在困难。

2003年11月，数字化期刊《国外电子元器件》在《JN338智能数字式转矩转速传感器及其应用》一文中介绍了一种扭振测量方法。该方法是把测扭应变计直接安装在轴上，测扭应变计作为敏感元件测量转轴的剪应变。剪应变随时间的变化就反应了轴的扭振。但这种方法存在的不足之处是转轴扭振时剪应变信号非常微弱，应变计直接感受微弱的扭振信号，信噪比低，加上横向振动的干扰，扭振信号提取和分析很困难；另外，必须把应变计粘贴在被测转轴表面。这在实际中不易实现，一是因为，机器转轴包在机器壳体之内，无暴露段，无法粘贴应变计；二是转子常工作在高温环境下，应变计难于使用。

(三)发明内容：

为克服现有技术中在使用测扭应变计时由于工况条件差不易实现，以及扭振信号提取和分析困难的不足，本发明提出一种测量旋转机械转子扭转振动的方法和装置。

本发明所采用的技术方案是在被测转子上连接一个与其同速旋转的测扭装置，并通过测扭装置上的弹性片，将转子运动中所产生的微弱的扭振信号转化为较大幅度的动应变信号，然后进行提取分析，从而获知被测转子的原始扭转信号的特征。

本发明的测扭装置主要包括轴、惯性环、内环、弹性片、应变计、滑环引电器和支座。

轴固定在支座上，一端与被测转子刚性连接，另一端与滑环引电器1连接。惯性环套装在内环上，依靠多个弹性片与内环和轴保持同心。多对弹性片均匀分布在惯性环和内环之间，每个弹性片的两端分别固定在惯性环和内环上，相对应的弹性片处于惯性环同一直径上。内环套装在轴上，并与轴紧密配合。本发明采用电阻应变计，在每个弹性片两侧表面对称粘贴2个应变计，并将应变计的引线通过滑环引电器引出。应变计在弹性片上的位置以接近惯性环一端为宜。

将位于惯性环同一直径上的每对弹性片上不同侧表面处的2个应变计组合成1个应变计对，接入惠斯通电桥构成半桥形式并形成独立信号回路，实现了两个应变计动应变信号的线性叠加，并有效消除离心力和惯性环偏心产生的附加应变的影响。其输出信号分别引至动态应变仪、信号调理器、模/数转换器。最后输入计算机进行分析。

本发明将所提出的多个应变计对的输出信号分别引至动态应变仪形成多路输出。多个通道相互独立并同步检测。因此各路信号可互为参考，并作为冗余通道，即当某个通道线路发生损坏时，其他通道仍能正常使用。

由于本发明采用的技术方案，使测扭装置与被测转子分离，不需在被测转子上安装附加设备，不影响转子的固有特性；通过测扭装置的弹性片直接提取和分析由微弱的转子扭振信号转化的较大幅值的动应变信号，提高了信噪比。由于惯性环运动具有惯性特征，在转子扭振作用下，弹性片将产生与之对应的动应变，且该动应变信号直接反映被测转子扭振信号的特征。同时，本发明的电阻应变计空间采用对称布局，实现对信号的线性叠加，并消除离心载荷和惯性环偏心对测量结果的影响，提高了测量精度；多个电阻应变计对同步检测，构成多通道信号冗余，使该装置具有高可靠性；电阻应变计工作在常温下，不需任何隔热保护和温度补偿，因此安装简易、操作方便。

(四)附图说明：

附图1是测扭装置主视图；

附图2是惯性环和4个弹性片固定连接示意图；

附图3是电阻应变计在弹性片上的位置示意图；

附图4是惯性环和4个弹性片所构成的振系运动规律示意图；

附图5是转子旋转时重力载荷对应变计组A2、C2动应变影响示意图；

附图6是转子旋转时惯性环偏心对应变计组A2、C2动应变影响示意图；

附图7是应变计对所接成的惠斯通电桥电路示意图；

附图8是转子扭振测量具体实施方案示意图。

其中：

1.滑环引电器 2.支座 3.滚动轴承 4.紧固螺母 5.惯性环

6.电阻应变计 7.弹性片 8.内环 9.轴 10.联轴器

(五)具体实施方式：

实施例一

本实施例提出了一种测量旋转机械转子扭转振动的方法及实施该方法的装置。

本实施例所采用的技术方案是在转子上连接一个与其同步运动的测量装置，并通过测量装置上的弹性片7，将转子运动中所产生的微弱的扭振信号转化为较大幅度的动应变信号，然后进行提取。其原理为：

设转子扭振幅度是＝₀cosΩt(₀-转子扭振的幅度，Ω-转子扭转的频率)；惯性环扭振幅度是 (ω-惯性环和4个弹性片所构成的振系的自然频率，且 $\mathrm{\ω}=\sqrt{\frac{S}{I}},$ I-惯性环的转动惯量，S-弹性片的刚度)。测量装置的设计使得ω远小于Ω，因此θ接近于0，即惯性环只随转子旋转，而不发生扭振。因此，弹性片的弯曲变形等效为内端受周期性力作用下的输出响应，其粘贴应变计处的动应变是ε＝K_v₀cosΩt，(K_v-比例放大系数)。动应变ε的幅值是转子扭转幅度的比例放大，频率与转子扭转频率Ω一致。因此，对弹性片上粘贴电阻应变计处的动应变信号进行提取和分析，就可获知转子原始扭振信号的特征。

本实施例的测扭装置主要包括轴9、惯性环5、内环8、4个弹性片7、8个电阻应变计6、滚动轴承3、滑环引电器1和支座2。

实施中，将轴9通过2个滚动轴承3固定在支座2上；轴9的一端通过联轴器10与被测转子刚性连接，另一端通过弹簧与滑环引电器1柔性连接。内环8的内圆呈锥形，外圆表面有用以固定弹性片7的耳片，惯性环内圆表面亦有固定弹性片7的耳片，4个弹性片7均匀分布在惯性环5和内环8之间，每个弹性片的两端分别固定在惯性环5和内环8的耳片上，相对应的弹性片处于惯性环5同一直径上；将内环8套装在轴9上，与轴9采用锥度紧密配合，紧固螺母4将内环9轴向固定。装配时应使弹性片7、内环8与轴9保持同心。

在连接信号线时，将本实施例的8个电阻应变计在4个弹性片上轴对称粘贴(图3)，其位置以接近惯性环一端为宜。将位于惯性环5同一直径上的每对弹性片7上不同侧表面处的2个应变计组合成1个应变计对，即A1、C1；A2、C2；B1、D1；B2、D2相互组合，共4个应变计对，分别接入惠斯通电桥构成半桥形式并形成独立信号回路，实现了两个应变计动应变信号的线性叠加，并有效消除离心力和惯性环偏心产生的附加应变的影响。并将电阻应变计6的引线通过滑环引电器1引出，分别引至动态应变仪、信号调理器、模/数转换器，最后输入计算机进行分析。

本实施例将A1、C1；A2、C2；B1、D1；B2、D2组合成的4个应变计对分别接入惠斯通电桥形成独立回路，其输出信号分别引至动态应变仪形成4路输出，4个通道相互独立并同步检测。因此各路信号可互为参考，并作为冗余通道，即当某个通道线路发生损坏时，其他通道仍能正常使用。

具体分析如下：以A2、C2电阻应变计6为例，设A2、C2动应变为ε₁、ε₂，弹性片7重力载荷对其影响分别是Δε_g1、Δε_g2，惯性环5偏心对其影响分别是Δε_e1、Δε_e2。

图5中，将重力载荷F_g沿半径方向和切线方向分解为互相垂直的两个分量F_gr、F_gv。

则F_gr＝F_gcosα，F_gv＝F_gsinα。由受力分析可知，径向分量F_gr对A2沿径向压缩产生压应变，对C2沿径向拉伸产生拉应变；切向分量F_gv对A2产生拉应变，对C2产生压应变。由于两个电阻应变计空间结构对称，其重力载荷F_g对A2、C2动应变影响Δε_g1、Δε_g2大小相等，符号相反，即Δε_g1+Δε_g2＝0。

图6中，设惯性环5存在偏心且偏心距为e，则其偏心离心力为F_e＝meΩ²，将F_e沿两弹性片方向分解为互相垂直的分量F_eλ、F_er，其值分别为F_eλ＝F_ecosβ，F_er＝F_esinβ。由受力分析可知，F_eλ对A2沿径向压缩产生压应变，对C2沿径向拉伸产生拉应变；F_er对A2产生拉应变，对C2产生压应变。因此F_e对A2、C2动应变的影响Δε_e1、Δε_e2也是大小相等，符号相反，即Δε_e1+Δε_e2＝0。

A2、C2组成1个应变计对，接入惠斯通电桥，其输出电压为：

$\mathrm{\ΔU}=\frac{U_0}{4}K({\mathrm{\ϵ}}_1+{\mathrm{\Δ\ϵ}}_{g1}+{\mathrm{\Δ\ϵ}}_{g2}+{\mathrm{\Δ\ϵ}}_{e1}+{\mathrm{\Δ\ϵ}}_{e2}+{\mathrm{\ϵ}}_2)=\frac{U_0}{4}K({\mathrm{\ϵ}}_1+{\mathrm{\ϵ}}_2)$ (K-应变计灵敏度系数)

即ΔU电压输出是A2和C2动应变信号的线性叠加，离心载荷和惯性环偏心对动应变的影响相互抵消。对其它各组应变计的分析可得出同样结论。

实施例二

本实施例提出了一种测量旋转机械转子扭转振动的方法及实施该方法的装置。

本实施例所采用的技术方案是在转子上连接一个与其同步运动的测量装置，并通过测量装置上的弹性片7，将转子运动中所产生的微弱的扭振信号转化为较大幅度的动应变信号，然后进行提取。其原理为：

设转子扭振幅度是＝₀cosΩt(₀-转子扭振的幅度，Ω-转子扭转的频率)；惯性环扭振幅度是 (ω-惯性环和4个弹性片所构成的振系的自然频率，且 $\mathrm{\ω}=\sqrt{\frac{S}{I}},$ I-惯性环的转动惯量，S-弹性片的刚度)。测量装置的设计使得ω远小于Ω，因此θ接近于0，即惯性环只随转子旋转，而不发生扭振。因此，弹性片的弯曲变形等效为内端受周期性力作用下的输出响应，其粘贴应变计处的动应变是ε＝K_v₀cosΩt，(K_v-比例放大系数)。动应变ε的幅值是转子扭转幅度的比例放大，频率与转子扭转频率Ω一致。因此，对弹性片上粘贴电阻应变计处的动应变信号进行提取和分析，就可获知转子原始扭振信号的特征。

本实施例的测扭装置主要包括轴9、惯性环5、内环8、8个弹性片7、16个电阻应变计6、滚动轴承3、滑环引电器1和支座2。

实施中，将轴9通过2个滚动轴承3固定在支座2上；轴9的一端通过联轴器10与被测转子刚性连接，另一端通过弹簧与滑环引电器1柔性连接。内环8的内圆呈锥形，外圆表面有用以固定弹性片7的耳片，惯性环5内圆表面亦有固定弹性片7的耳片，4个弹性片7均匀分布在惯性环5和内环8之间，每个弹性片的两端分别固定在惯性环5和内环8的耳片上，相对应的弹性片处于惯性环5同一直径上；将内环8套装在轴9上，与轴9采用锥度紧密配合，紧固螺母4将内环9轴向固定。装配时应使弹性片7、内环8与轴9保持同心。

在连接信号线时，将本实施例的16个电阻应变计在8个弹性片上轴对称粘贴(图3)，其位置以接近惯性环5一端为宜。将位于惯性环5同一直径上的每对弹性片7上不同侧表面处的2个应变计组合成1个应变计对，即A1、C1；A2、C2；B1、D1；B2、D2；E1、F1；E2、F2；H1、J1；H2、J2相互组合，共8个应变计对，分别接入惠斯通电桥构成半桥形式并形成独立信号回路，实现了两个应变计动应变信号的线性叠加，并有效消除离心力和惯性环偏心产生的附加应变的影响。并将电阻应变计6的引线通过滑环引电器1引出，分别引至动态应变仪、信号调理器、模/数转换器，最后输入计算机进行分析。

本实施例将A1、C1；A2、C2；B1、D1；B2、D2；E1、F1；E2、F2；H1、J1；H2、J2组合成的8个应变计对的输出信号分别引至动态应变仪形成8路输出，8个通道相互独立并同步检测。因此各路信号可互为参考，并作为冗余通道，即当某个通道线路发生损坏时，其他通道仍能正常使用。

具体分析如下：以A2、C2电阻应变计为例，设A2、C2动应变为ε₁、ε₂，弹性片7重力载荷对其影响分别是Δε_g1、Δε_g2，惯性环5偏心对其影响分别是Δε_e1、Δε_e2。

图5中，将重力载荷F_g沿半径方向和切线方向分解为互相垂直的两个分量F_gr、F_gv。

则F_gr＝F_gcosα，F_gv＝F_gsinα。由受力分析可知，径向分量F_gr对A2沿径向压缩产生压应变，对C2沿径向拉伸产生拉应变；切向分量F_gv对A2产生拉应变，对C2产生压应变。由于两个电阻应变计6空间结构对称，其重力载荷F_g对A2、C2动应变影响Δε_g1、Δε_g2大小相等，符号相反，即Δε_g1+Δε_g2＝0。

图6中，设惯性环5存在偏心且偏心距为e，则其偏心离心力为F_e＝meΩ²，将F_e沿两弹性片方向分解为互相垂直的分量F_eλ、F_er，其值分别为F_eλ＝F_ecosβ，F_er＝F_esinβ。由受力分析可知，F_eλ对A2沿径向压缩产生压应变，对C2沿径向拉伸产生拉应变；F_er对A2产生拉应变，对C2产生压应变。因此F_e对A2、C2动应变的影响Δε_e1、Δε_e2也是大小相等，符号相反，即Δε_e1+Δε_e2＝0。

A2、C2组成1个应变计对，接入惠斯通电桥，其输出电压为：

$\mathrm{\ΔU}=\frac{U_0}{4}K({\mathrm{\ϵ}}_1+{\mathrm{\Δ\ϵ}}_{g1}+{\mathrm{\Δ\ϵ}}_{g2}+{\mathrm{\Δ\ϵ}}_{e1}+{\mathrm{\Δ\ϵ}}_{e2}+{\mathrm{\ϵ}}_2)=\frac{U_0}{4}K({\mathrm{\ϵ}}_1+{\mathrm{\ϵ}}_2)$ (K-应变计灵敏度系数)

即ΔU电压输出是A2和C2动应变信号的线性叠加，离心载荷和惯性环偏心对动应变的影响相互抵消。对其它各组应变计的分析可得出同样结论。

Claims (4)

1.一种测量旋转机械转子扭转振动的方法，其特征在于在被测转子上连接一个与其同速旋转的测扭装置，并通过测扭装置上的弹性片(7)，将转子运动中所产生的扭振信号转化为动应变信号，然后进行提取分析，从而获得被测转子的原始扭转信号。

2.一种实现权利要求1所述测量旋转机械转子扭转振动的方法的装置，主要包括轴(9)、应变计(6)、滑环引电器(1)，其特征在于该装置还包括了惯性环(5)、内环(8)、弹性片(7)和支座(2)，并且应变计(6)为电阻应变计。

3.如权利要求2所述测量旋转机械转子扭转振动的装置，其特征在于：

a.轴(9)固定在支座(2)上，一端与被测转子刚性连接，另一端与滑环引电器(1)连接；

b.惯性环(5)套装在内环(8)上，通过多对弹性片(7)与内环(8)和轴(9)保持同心；

c.多对弹性片(7)均匀分布在惯性环(5)和内环(8)之间，每个弹性片(7)的两端分别固定在惯性环(5)和内环(8)上，每对相对应的弹性片(7)处于惯性环(5)同一直径上；每个弹性片(7)两侧表面对称粘贴2个应变计(6)。

d.内环(8)套装在轴(9)上，并与轴(9)紧密配合。

4.如权利要求3所述测量旋转机械转子扭转振动的装置，应变计(6)接入惠斯通电桥，其特征在于：将位于惯性环(5)同一直径上的每对弹性片(7)上不同侧表面处的2个应变计(6)组合成1个应变计对接入惠斯通电桥。

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