CN202974566U

CN202974566U - 一种船用高速回旋机械现场动平衡监测校正装置

Info

Publication number: CN202974566U
Application number: CN 201220276119
Authority: CN
Inventors: 周璞; 符栋梁; 章艺; 钟焱; 张心玮; 代学昌
Original assignee: 704th Research Institute of CSIC
Current assignee: Shanghai Csic Ship Propulsion Equipment Co Ltd
Priority date: 2012-06-13
Filing date: 2012-06-13
Publication date: 2013-06-05
Anticipated expiration: 2022-06-13

Abstract

本实用新型涉及一种船用高速回旋机械现场动平衡监测校正装置，电涡流传感器和转速键相传感器采集信号经过前置放大器送入动平衡监测校正电路，动平衡监测校正电路接收前置放大器信号送入前端模拟信号处理模块处理后，送装置核心电路模块计算存储后，输入输出模块与装置核心电路模块交换数据，电源系统模块包含电源处理模块和电源电压监控与复位电路，电源处理模块为各个模块芯片提供电源，电源电压监控与复位电路接收各电源信号，输出报警和控制信号。有效减低船用设备的振动噪声水平，缩短船用设备故障处理时间；减小动平衡仪器的尺寸；可提高动平衡仪的环境适应性；可实现人机交互；可完成快速数据采集和存储，为监测和故障诊断提供可信数据。

Description

一种船用高速回旋机械现场动平衡监测校正装置

技术领域

本实用新型涉及一种机械平衡技术，特别涉及一种船用高速回旋机械现场动平衡监测校正装置。

背景技术

目前，汽轮机、柴油机、燃气轮机、发电机等各类高速回旋机械作为现代舰船的关键设备，其振动水平直接关系到舰船的稳定性及舒适性对于军用舰船来说，设备的振动水平不但影响其在航率和战斗力，而且影响其自身的隐身性。因此，舰船自身关键设备的现场减振降噪对于现代舰船的稳定性和隐蔽性至关重要。

回旋机械产生振动的主要原因是不平衡质量的惯性力和惯性力。由现场故障诊断工作统计，不平衡力引起的故障约占全部机械故障的60%以上，80%-90%的机组振动是可以通过轴系平衡技术消除的。不平衡惯性离心力与机器转速平方成正比，减小机器设备振动首先考虑的主要方法是对转子进行动平衡，减小机器旋转零部件的不平衡惯性力，使机器的振动限制在允许的范围内。

回旋机械设备出现的初期，由于设备的转速较低，平衡精度要求不高，所以初期阶段也只需要对转子进行静平衡。随着设备转子工作转速及平衡精度的不断提高，只对转子进行静平衡已满足不了实际需要，人们才对动平衡技术发生浓厚的兴趣。特别是各种精密设备的研制成功和计算机的应用，使得动平衡平衡技术更为精确。由于陆上可操作空间大，便于拖转的电机及测量设备的安装，动平衡技术已经在陆上安装设备得到广泛应用。但是舰艇具有特殊性，因为舱内空间狭小，设备布置紧凑，无法安装拖动设备，操作空间小，动平衡不易实现；而且机舱内环境较恶劣，空气湿度、盐度大，对监测装置的腐蚀性强。另外转子太大无法把转子直接从舱口取出在动平衡机上做动平衡，通常的做法是割开机舱，把转子吊出机舱到设备厂去做动平衡，对船体的破坏性大，修复周期长。

若需将现有陆用动平衡装置及方法应用于舰船，现有技术还存在下述缺陷：

（1）对于多通道动平衡同时在线监测，现有装置体积过于庞大，不适用于复杂且空间有限的船舱；

（2）现有动平衡方法人机交互性较差，往往需要专业人士记录好所监测到的各个通道的每次试重数据，然后逐次录入进动平衡软件，过程较为繁琐，不直观，且对操作人员专业知识要求较高；

（3）目前陆用动平衡方法一般针对双平面单轴系设备进行现场动平衡，而对于舰船众多多转速多轴系多平衡面的高速回旋机械设备，现有方法往往显得力不从心。

（4）当船体发生倾斜摇摆时，现有动平衡方法并无措施或手段将倾斜摇摆对设备动平衡监测产生的误差进行校正。

发明内容

本实用新型是针对舰船高速回旋机械的现场动平衡问题，提出了一种船用高速回旋机械现场动平衡监测校正装置，可同时进行16通道的动平衡监测，尺寸却相当于常规2通道现场动平衡仪尺寸；具备很强的人机交互性，所有功能操作均只需通过手指触碰触摸屏完成操作；装置可最多可进行4个转速8个平衡面的动平衡监测和校正，可同时完成4个不同转速轴系16个测点的振动参量幅值和相位提取；装置可将所采集的倾斜摇摆误差数据补偿进监测及动平衡校正软件，这样进一步提高了此种动平衡方法的船用环境适应性。

本实用新型的技术方案为：一种船用高速回旋机械现场动平衡监测校正装置，包括电涡流传感器，转速键相传感器，前置放大器，动平衡监测校正电路，电涡流传感器和转速键相传感器采集信号经过前置放大器送入动平衡监测校正电路，动平衡监测校正电路包括输入输出模块、前端模拟信号处理模块、装置核心电路模块和电源系统模块，动平衡监测校正电路接收前置放大器信号送入前端模拟信号处理模块处理后，送装置核心电路模块计算存储后，输入输出模块与装置核心电路模块交换数据，电源系统模块包含电源处理模块和电源电压监控与复位电路，电源处理模块为各个模块芯片提供电源，电源电压监控与复位电路接收各电源信号，输出报警和控制信号。

所述前端模拟信号处理模块中的传感器输入调理电路包括电压偏置电路、光耦隔离电路和脉冲整形电路，前置放大器送来的电涡流传感器采集信号经过减法器和电阻电容网络组成的电压偏置电路，输出模数转换芯片可接受的电压信号，转速键相传感器信号经过光耦隔离和脉冲整形电路进行预处理。

所述装置核心电路模块为CPU 最小系统，包括OMAP-L137处理器、存储器、系统时钟，存储器包括用于存储引导系统BOOT引导程序的SPI Flash、用于挂载嵌入式操作系统和存储数据的Nand Flash、用于程序运行和数据缓冲的SDRAM19，系统时钟包含主参考时钟24MHz的有源振动器和为系统供时的32K RTC晶振。

所述输入输出模块包含：人机交互输入的电容式触摸屏及其驱动电路；数据及界面显示的LCD液晶显示屏及其驱动电路；数据高速传输和软件更新的百兆以太网接口电路；U盘、鼠标键盘外设的USB2.0接口及其驱动电路和数据备份的SD卡接口电路。

本实用新型的有益效果在于：本实用新型船用高速回旋机械现场动平衡监测校正装置及方法，有效减低船用设备的振动噪声水平，提高船上工作人员的舒适性，缩短船用设备故障处理时间，有效提高军用舰船的隐身性能，保证其在航率及战斗力；可显著减小动平衡仪器的尺寸，适用于狭小船舱；可提高动平衡仪的环境适应性；可实现人机交互，通过手指触碰触摸屏完成所有操作，创新性地使用双屏拖放操作，动平衡过程只需在设备测点总貌图中将显示动平衡监测数据拖放至动平衡校正模块，轻松完成整个现场动平衡校正计算工作；可完成快速数据采集和存储，为状态监测和故障诊断提供可信数据。

附图说明

图1为本实用新型船用高速回旋机械现场动平衡监测校正装置结构示意图；

图2为本实用新型动平衡校正时屏幕显示图。

具体实施方式

如图1所示船用高速回旋机械现场动平衡监测校正装置结构示意图，装置包括电涡流传感器5（优选，亦可是速度传感器和加速度传感器），转速键相传感器6，前置放大器24，动平衡监测校正电路。

电涡流传感器5主要负责采集监测和动平衡所需的位移信号，键相传感器6是测量转子转速和振动相位参考的传感器。而前端传感器的供电及信号的初步调理即由前置放大器24完成。

动平衡监测校正电路主要由以下模块组成，输入输出模块2、前端模拟信号处理模块1、装置核心电路模块3、电源系统模块4。

输入输出模块2主要包含：能提供人机交互输入的电容式触摸屏14及其驱动电路；可提供数据及界面显示的LCD液晶显示屏23及其驱动电路；可提供数据高速传输和软件更新的百兆以太网接口电路17；可接入U盘、鼠标键盘等外设的USB2.0接口18及其驱动电路；可进行数据备份的SD卡接口电路15。

前端模拟电路模块1主要由传感器输入调理电路，中心频率可调自适应滤波器电路、模/数转换电路三部分组成；传感器输入调理电路包括电压偏置7、光耦隔离10和脉冲整形11，具备两个作用，一通过减法器和电阻电容网络电压偏置电路将电涡流传感器输出信号调理至模数转换芯片可接受的电压范围；另一方面，通过输入电压调节、光耦隔离、脉冲整形电路对转速键相传感器相信号的一系列预处理，使得进入后端电路的转速键相信号完整干净。中心频率可调自适应滤波器通过转速跟踪自动调节带通滤波器8的中心频率从而达到精确地获得不平衡振动信号的幅值和相位。模/数转换电路9的A/D转换芯片8路16位精度Σ-Δ型同步采样芯片ADS1178，其有两种采样模式，一种是实时跟踪转速采样，在跟踪采样模式下，装置可自动提取动平衡所需的各阶频率幅值和相位，另外一种是固定52k频率采样，此种模式下，装置可采集设备静止情况下的其它静态参量。

装置核心电路模块3即为CPU 最小系统，包括CPU芯片 (OMAP-L137 13和FPGA 12)、存储器、系统时钟三部分。其中OMAP-L137处理器13采用ARM+DSP架构，其中ARM核为300MHz主频的RISC ARM926内核，DSP核为主频300MHz的VLIW C6747浮点DSP。ARM926内核主要运行Montavista Linux操作系统，在此基础上加载LCD显示、鼠标键盘、触摸屏、SD卡备份存储、原始数据的存储管理等功能，以及可与上位机通过TCP/IP上传共享数据。另一内核芯片DSP主要负责数据采集，转速计算， FFT计算、特征频率提取以及动平衡影响系数计算等大量计算算法等。FPGA芯片12主要实现100倍频锁相环和64倍频锁相环功能，其中100倍频锁相环给将转速进行100倍频后为跟踪带通滤波器提供中心频率，64倍频则将转速64倍频后为模/数转换电路9提供采样时钟，使得数据的采集可以完全同步于转速频率。存储器主要包括用于存储引导系统BOOT引导程序的SPI Flash20、用于挂载嵌入式操作系统和存储数据的Nand Flash21、用于程序运行和数据缓冲的SDRAM19。时钟电路22主要包含主参考时钟24MHz的有源振动器和为系统供时的32K RTC晶振。

电源系统模块4主要包含电源处理模块和电源电压监控与复位电路。电源处理模块主要工作是将交流电220V转换为系统各个模块芯片所需的各型直流电。电源电压监控与复位电路负责整个系统各型电压的监控及异常报警，以及提供系统上电复位和手动复位控制。

如图2所示动平衡校正时屏幕显示图，屏幕显示图分为左右两部分，左边是机组总貌图35，右边则是动平衡试验配置界面25。机组总貌图显示振动测点和转速测点的位置26，并实时显示各个测点的振动值27。动平衡试验配置界面屏幕上方显示振动值、相位值及每个平衡面的试重值28；下方显示动平衡各个步骤的矩形向导框包括动平衡配置30、初始振动31、第1次试重、第2次试重……第N次试重32、动平衡计算33、平衡结果报表34，触碰每个向导框均可切换不同步骤界面。

船用高速回旋机械现场动平衡监测校正方法的实现步骤如下：

1.布置传感器：在各个动平衡面附近布置电涡流传感器（亦可使振动速度传感器和加速度传感器，根据需要所定），每个轴系分别布置转速键相传感器，以船用汽轮发电机组为例，汽轮机前后轴承各布置1测点，发电机前后轴承各布置1测点，此方案中为了方便测量轴心轨迹，每个测点共布置2个传感器，对于现场动平衡校正1个亦可，转速键相传感器分别布置于两个不同轴系汽轮机端和发电机端；

2.连接调试装置：待布置完毕传感器后，将传感器与前置器相连，然后将前置器与前述装置相连，并将全船监控系统的通讯电缆与装置相连（主要为装置提供全船倾斜摇摆相关数据用）。连接完毕后，将整个系统上电，将装置设置为传感器调试模式（此种模式下装置为固定频率采样，可采集传感器的静态数据），将传感器各个测点一一调试。调试完毕后进入现场动平衡校正模式。

3.动平衡配置：整个现场动平衡校正模块将显示屏分为左右两块，左边是机组总貌图，实时显示各个测点的振动值，右边则是动平衡界面。在屏幕下方显示动平衡各个步骤的矩形向导框包括动平衡配置、初始振动、第1次试重、第2次试重……第N次试重、动平衡计算、平衡结果报表，触碰每个向导框均可切换不同步骤界面。首先触碰动平衡配置向导框，选择动平衡面数量、测点数量、以及是否需将船体倾斜摇摆数据补偿进监测校正软件，若动平衡面为N个，测点数目为K，则在初始振动及之后界面显示的转子上便自动显示N个平衡面，K个测点。

4.采集原始振动：先将设备开到需做动平衡校正的转速，待转速稳定后，观察屏幕左边部分界面的机组总貌图，待数据平均完毕，用手指触碰触摸屏上数据保持键，所有监测的动平衡参数即振动位移基频幅值和相位值将会被保持住，不再实时变化。触碰机组总貌图上需要做动平衡的测点，将对应测点上的显示振动值与相位的显示框一一拖放至需要做动平衡的转子示意图上相应测点参数输入框，这样便完成初始振动输入过程。

5.试重：若需做动平衡的平衡面为N个，则试重次数为N。若首先从平衡1开始试重，则选择第1次试重向导框。将所需试重的重量及相位输入至动平衡校正界面并在实际机组动平衡面上相应相位添加此重量的配重块。试重完毕后，重新启动所测设备，待稳定到达平衡转速后，如步骤4采集原始振动的方法，将试加配重后所监测测点的振动幅值及相位拖放至动平衡校正第一次试重界面，如此便完成首次试重操作。后面几次试重以此类推直至完成第N次试重。

6.多平衡面多转速的动平衡计算：待完成第N次试重后，选择界面底部动平衡计算向导框，装置会按照多平衡面动平衡计算算法自动计算所需配重重量及相位，并于界面上的每个平衡面上以图形形式自动显示。将计算的配重分别添加到相应平衡面上，再次开机并将动平衡校正后的残余振动及相位拖放至动平衡计算界面的残余振动输入框，这样便完成一次动平衡操作。

计算过程中采用的算法为多平衡面多转速的转子影响系数法，影响系数法的目的是保证在各个转速下，转轴上各测点的振动为零。影响系数

Figure 994351DEST_PATH_DEST_PATH_IMAGE001

作为施加在各平衡面上的单位试重对测振点所引起的振动变化可由下式求得：

其中：为原始不平衡转子在第个平衡转速转动时第

个点的初始振动；

为第

个平衡面上加试重；

为第

个平衡转速测得第个点的振动。

所有的影响系数构成影响系数矩阵

Figure 900810DEST_PATH_DEST_PATH_IMAGE009

,具体表达形式为：

所需的校正质量

为

Figure 990305DEST_PATH_DEST_PATH_IMAGE013

实际中由于各种条件的限制，转子上往往不能提供足够多的校正平面，为了解决这一问题，可以采用最小二乘法的影响系数法，以寻求一组校正质量使各测振点在各平衡转速下的残余振动值的平方和为最小。

根据此原则，求得校正质量为：

其中﹡表示矩阵

Figure DEST_PATH_812083DEST_PATH_IMAGE009

的共扼矩阵，

表示矩阵的转置。

7.平衡结果报表：触击平衡结果报表向导框，便可以报表形式完整显示整次动平衡操作的平衡数据。

如果此次操作未能满足要求，可再进行第二次动平衡时，只需重复以上操作，二次平衡后轴系基本上能够达到动平衡要求。

本实用新型第一、可完成多平面多转速的动平衡状态监测和校正，一次性完成船用设备多轴轴系现场动平衡，有效减低船用设备的振动噪声水平，提高船上工作人员的舒适性，缩短船用设备故障处理时间，有效提高军用舰船的隐身性能，保证其在航率及战斗力；第二、可显著减小动平衡仪器的尺寸，适用于狭小船舱，可用于船用设备的动平衡状态监测及故障诊断；第三、可提高动平衡仪的环境适应性，本实用新型通过军用电子设备船用环境可靠性试验和电磁兼容试验，适应于复杂舰船安装运行环境；第四、可实现人机交互，通过手指触碰触摸屏完成所有操作。创新性地使用双屏拖放操作，动平衡过程只需在设备测点总貌图中将显示动平衡监测数据拖放至动平衡校正模块，轻松完成整个现场动平衡校正计算工作；第五、可完成快速数据采集和存储。采用快速数据缓冲的SDRAM，可实现振动数据的实时采集，内核芯片DSP快速完成转速计算、特征频率提取、FFT以及动平衡影响系数计算等大量算法，存储数据Nand Flash可靠大量存储数据，为状态监测和故障诊断提供可信数据。

Claims

1.一种船用高速回旋机械现场动平衡监测校正装置，其特征在于，包括电涡流传感器，转速键相传感器，前置放大器，动平衡监测校正电路，电涡流传感器和转速键相传感器采集信号经过前置放大器送入动平衡监测校正电路，动平衡监测校正电路包括输入输出模块、前端模拟信号处理模块、装置核心电路模块和电源系统模块，动平衡监测校正电路接收前置放大器信号送入前端模拟信号处理模块处理后，送装置核心电路模块计算存储后，输入输出模块与装置核心电路模块交换数据，电源系统模块包含电源处理模块和电源电压监控与复位电路，电源处理模块为各个模块芯片提供电源，电源电压监控与复位电路接收各电源信号，输出报警和控制信号。

2.根据权利要求1所述船用高速回旋机械现场动平衡监测校正装置，其特征在于，所述前端模拟信号处理模块中的传感器输入调理电路包括电压偏置电路、光耦隔离电路和脉冲整形电路，前置放大器送来的电涡流传感器采集信号经过减法器和电阻电容网络组成的电压偏置电路，输出模数转换芯片可接受的电压信号，转速键相传感器信号经过光耦隔离和脉冲整形电路进行预处理。

3.根据权利要求1所述船用高速回旋机械现场动平衡监测校正装置，其特征在于，所述装置核心电路模块为CPU 最小系统，包括OMAP-L137处理器、存储器、系统时钟，存储器包括用于存储引导系统BOOT引导程序的SPI Flash、用于挂载嵌入式操作系统和存储数据的Nand Flash、用于程序运行和数据缓冲的SDRAM19，系统时钟包含主参考时钟24MHz的有源振动器和为系统供时的32K RTC晶振。

4.根据权利要求1所述船用高速回旋机械现场动平衡监测校正装置，其特征在于，所述输入输出模块包含：人机交互输入的电容式触摸屏及其驱动电路；数据及界面显示的LCD液晶显示屏及其驱动电路；数据高速传输和软件更新的百兆以太网接口电路；U盘、鼠标键盘外设的USB2.0接口及其驱动电路和数据备份的SD卡接口电路。