本發(fā)明屬于機(jī)械故障診斷技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于轉(zhuǎn)子軸向熱膨脹模型的測(cè)振帶表面缺陷識(shí)別方法。

背景技術(shù)：

非接觸式振動(dòng)位移傳感器如電渦流位移傳感器、電容位移傳感器等，具有安裝方便、信號(hào)傳遞路徑簡(jiǎn)單、信噪比高等優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用于旋轉(zhuǎn)機(jī)械的振動(dòng)測(cè)量中。由于具有非接觸測(cè)量的特性，這些傳感器實(shí)際的測(cè)量結(jié)果極容易受到轉(zhuǎn)子振動(dòng)檢測(cè)表面質(zhì)量以及外圍環(huán)境的影響，使得測(cè)量信號(hào)中極易出現(xiàn)偽振動(dòng)信號(hào)。一旦偽振動(dòng)信號(hào)與真實(shí)的振動(dòng)信號(hào)相混疊后，將誘發(fā)設(shè)備振動(dòng)表現(xiàn)出高幅度或明顯波動(dòng)等特點(diǎn)，有時(shí)甚至導(dǎo)致設(shè)備出現(xiàn)跳車(chē)等非計(jì)劃性停機(jī)事故，嚴(yán)重影響著設(shè)備的連續(xù)、平穩(wěn)、安全運(yùn)行。因此，準(zhǔn)確識(shí)別設(shè)備的偽振動(dòng)故障對(duì)于預(yù)防設(shè)備非計(jì)劃停機(jī)、提高故障排查效率、防止設(shè)備過(guò)度維修等具有重要的工程價(jià)值。

誘發(fā)設(shè)備出現(xiàn)偽振動(dòng)問(wèn)題的因素有很多，其中轉(zhuǎn)子測(cè)振表面缺陷是最常見(jiàn)的原因之一，其表現(xiàn)形式也具有多樣性。例如，當(dāng)振動(dòng)檢測(cè)表面有局部凹坑或凸點(diǎn)時(shí)，偽振動(dòng)信號(hào)常常表現(xiàn)為振動(dòng)波形上存在周期性的脈沖信號(hào)，信號(hào)的故障頻率一般為轉(zhuǎn)頻及高次諧頻；當(dāng)振動(dòng)檢測(cè)表面的機(jī)械或電氣跳動(dòng)超差時(shí)，設(shè)備往往表現(xiàn)為在低速盤(pán)車(chē)時(shí)軸振動(dòng)幅度較大。為了防止由于振動(dòng)檢測(cè)表面缺陷引起設(shè)備產(chǎn)生偽振動(dòng)信號(hào)，在轉(zhuǎn)子制造過(guò)程中，往往需要對(duì)振動(dòng)檢測(cè)表面區(qū)域內(nèi)徑向方向的機(jī)械與電氣跳動(dòng)進(jìn)行嚴(yán)格檢測(cè)與控制，以確保傳感器采集的振動(dòng)信號(hào)中偽信號(hào)比重較小、具有較高的信噪比，能突出反映真實(shí)的機(jī)械故障。然而，現(xiàn)有的測(cè)振帶檢驗(yàn)與檢測(cè)方法并不能完全確保振動(dòng)實(shí)際檢測(cè)表面的跳動(dòng)合格。無(wú)論是在制造廠內(nèi)的對(duì)轉(zhuǎn)子振動(dòng)檢測(cè)表面的機(jī)械與電氣跳動(dòng)檢測(cè)，還是在低速運(yùn)行過(guò)程中轉(zhuǎn)子振動(dòng)測(cè)量，這些檢測(cè)方法基本都只是針對(duì)單一截面，它們都忽視了設(shè)備實(shí)際帶載運(yùn)行過(guò)程中軸向振動(dòng)與測(cè)振帶表面缺陷的聯(lián)合作用對(duì)振動(dòng)測(cè)量的影響。特別是當(dāng)實(shí)際設(shè)備受到熱膨脹的影響時(shí)，轉(zhuǎn)子振動(dòng)實(shí)際的檢測(cè)表面往往與設(shè)計(jì)、制造、檢測(cè)時(shí)存在很大的差異性，傳統(tǒng)的檢測(cè)分析方法根本無(wú)法準(zhǔn)確判斷轉(zhuǎn)子振動(dòng)實(shí)際檢測(cè)表面是否存在缺陷，給設(shè)備精密故障診斷帶來(lái)極大地困擾。因此，補(bǔ)充、完善現(xiàn)有測(cè)振帶表面缺陷檢測(cè)方法是提高旋轉(zhuǎn)機(jī)械偽振動(dòng)故障識(shí)別效率與準(zhǔn)確性亟需解決的問(wèn)題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的在于提供了一種基于轉(zhuǎn)子軸向熱膨脹模型的測(cè)振帶表面缺陷識(shí)別方法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)由轉(zhuǎn)子軸向熱膨脹誘發(fā)的測(cè)振帶表面缺陷的精確識(shí)別。

為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案為：

一種基于轉(zhuǎn)子軸向熱膨脹模型的測(cè)振帶表面缺陷識(shí)別方法，包括以下步驟：

1)構(gòu)建由轉(zhuǎn)子軸向熱膨脹誘發(fā)的測(cè)振帶表面缺陷故障模型，該模型包括通過(guò)剛性聯(lián)軸器C聯(lián)接A轉(zhuǎn)子與B轉(zhuǎn)子，兩轉(zhuǎn)子均采用滑動(dòng)軸承支撐，對(duì)滑動(dòng)軸承從左至右依次編號(hào)，A轉(zhuǎn)子由#1、#2軸承支撐，B轉(zhuǎn)子由#3、#4軸承支撐，B轉(zhuǎn)子右側(cè)設(shè)置有一推力軸承#5，#1軸承處的測(cè)振帶設(shè)置在A轉(zhuǎn)子的一個(gè)軸肩上，該測(cè)振帶的右側(cè)存在一個(gè)“圓錐形”的微小表面缺陷，該缺陷垂直剖面的斜邊與A轉(zhuǎn)子軸心線的夾角為β，在#1軸承的測(cè)振帶處安裝兩個(gè)相互垂直的電渦流傳感器X、Y用于測(cè)量振動(dòng)，同時(shí)還安裝一個(gè)鍵相傳感器K以獲取鍵相參考信號(hào)，在A轉(zhuǎn)子左側(cè)的軸向方向有一個(gè)剛度為K_z的彈簧D，當(dāng)在A轉(zhuǎn)子右端的軸向施加激振力F_z時(shí)，A轉(zhuǎn)子將沿軸向發(fā)生幅度為Z₀的小幅振動(dòng)；假定B轉(zhuǎn)子的初始溫度為T(mén)₀，在運(yùn)行過(guò)程中，B轉(zhuǎn)子的溫度T逐漸增大并最終穩(wěn)定到T₂，B轉(zhuǎn)子受熱后膨脹過(guò)程中，將對(duì)A轉(zhuǎn)子產(chǎn)生作用力F_B，使傳感器X、Y與測(cè)振帶的相對(duì)位置發(fā)生改變，在T₀至T₂范圍內(nèi)，F(xiàn)_B與溫度T成單調(diào)遞增關(guān)系，在不考慮軸向振動(dòng)的情況下，當(dāng)T＝T₀時(shí)，傳感器X、Y位于完好測(cè)振帶的截面S₀處；當(dāng)T＝T₁時(shí)，傳感器X、Y位于的完好測(cè)振帶截面S₁處，S₁到缺陷測(cè)振帶左側(cè)邊緣的距離為Z₀/2；當(dāng)T＝T₂時(shí)，傳感器X、Y位于缺陷測(cè)振帶的截面S₂處，S₂到缺陷測(cè)振帶左側(cè)邊緣的距離為a；#1軸承處測(cè)振帶足夠?qū)捠箓鞲衅鱔、Y始終處于測(cè)振區(qū)域，且測(cè)振帶區(qū)域內(nèi)徑向方向的機(jī)械、電氣不圓度均忽略不計(jì)；

2)在A轉(zhuǎn)子處于靜止?fàn)顟B(tài)下，利用振動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備測(cè)量#1軸承處傳感器X、Y的Gap電壓為-V₀，傳感器X、Y采集信號(hào)的直流分量D_rx、D_ry為d₀＝-1000×V₀/7.87um；讓A轉(zhuǎn)子以轉(zhuǎn)頻ω進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，A轉(zhuǎn)子在不平衡激振力作用發(fā)生徑向同步振動(dòng)，產(chǎn)生的同步振動(dòng)分量為A_rx＝A₁sin(ωt+α₁)/2、A_ry＝A₂sin(ωt+α₁+π/2)/2，其中A₁、A₂表示同步振動(dòng)的幅值，t為時(shí)間參數(shù)，α₁表示同步振動(dòng)的初始相位；

3)在A轉(zhuǎn)子聯(lián)軸器端施加軸向施加激勵(lì)力F_z，使A轉(zhuǎn)子沿軸向發(fā)生軸向振動(dòng)A_z，激勵(lì)力F_z中的軸向激振頻率ω_z小于轉(zhuǎn)頻ω，軸向振動(dòng)誘發(fā)傳感器X、Y產(chǎn)生的偽振動(dòng)分量為A_zx、A_zy；

4)利用振動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備接鍵相傳感器及#1軸承處的傳感器X、Y，實(shí)時(shí)采集鍵相信號(hào)與#1軸承處的振動(dòng)信號(hào)，傳感器X得到振動(dòng)信號(hào)是同步振動(dòng)分量A_rx、偽振動(dòng)分量A_zx及直流分量D_rx的疊加，其表達(dá)式為A_x＝A_rx+A_zx+D_rx，傳感器Y得到振動(dòng)信號(hào)為A_y＝A_ry+A_zy+D_ry；

5)使B轉(zhuǎn)子的溫度從T₀逐漸升高至T₂，B轉(zhuǎn)子受熱膨脹產(chǎn)生的熱脹力F_B使A轉(zhuǎn)子向左偏移Δz＝F_B/K_z，逐漸改變傳感器X、Y與測(cè)振帶的相對(duì)位置，當(dāng)T₀＜T＜T₁時(shí)，傳感器X、Y的Gap電壓保持恒定值-V₀，直流分量D_rx(T)、D_ry(T)保持恒定值d₀；當(dāng)T₁≤T≤T₂時(shí)，直流分量D_rx(T)、D_ry(T)隨溫度T升高而遞減；當(dāng)T＝T₂時(shí),D_rx(T)＝D_ry(T)＝d₀-a·tanβ；在不同溫度下，重復(fù)步驟4)直至溫度T升高至T₂；

6)從不同溫度條件下傳感器X、Y采集的振動(dòng)信號(hào)中提取直流分量D_rx(T)、D_ry(T)，在直角坐標(biāo)中繪制軸心位置圖，當(dāng)T從T₀增大至T₁過(guò)程中，直流分量D_rx(T)、D_ry(T)保持恒定值，軸心位置圖無(wú)明顯變化，表明傳感器X、Y對(duì)應(yīng)的測(cè)振帶表面完好；當(dāng)T從T₁增大至T₂過(guò)程中，#1軸承處的軸心位置逐漸遠(yuǎn)離初始位置，表現(xiàn)為“直線”變化趨勢(shì)，該特征說(shuō)明測(cè)振帶表面與傳感器的平均距離在隨B轉(zhuǎn)子溫度T變化而明顯改變，能夠用于精確識(shí)別由轉(zhuǎn)子軸系熱膨脹誘發(fā)的測(cè)振帶表面缺陷，實(shí)現(xiàn)對(duì)該缺陷引起的偽振動(dòng)問(wèn)題的精密診斷。

所述的步驟1)中β在0°到60°之間。

所述的步驟1)中B轉(zhuǎn)子溫度T在20°到600°之間。

所述的步驟2)中傳感器X、Y的Gap電壓初始值-V₀在-7V到-13V之間。

本發(fā)明的有益效果為：構(gòu)建由轉(zhuǎn)子軸向熱膨脹誘發(fā)的測(cè)振帶表面缺陷故障模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)振帶表面缺陷誘發(fā)的偽振動(dòng)故障的機(jī)理分析，并利用軸心位置圖提出了識(shí)別此類(lèi)故障的特征，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了對(duì)由轉(zhuǎn)子軸向熱膨脹誘發(fā)的測(cè)振帶表面缺陷的精確識(shí)別，提高了對(duì)旋轉(zhuǎn)機(jī)械偽振動(dòng)診斷的準(zhǔn)確性與識(shí)別效率，是對(duì)旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障診斷現(xiàn)有理論、方法的進(jìn)一步完善與補(bǔ)充。

附圖說(shuō)明

圖1是由轉(zhuǎn)子軸向熱膨脹誘發(fā)的測(cè)振帶表面缺陷故障模型示意圖。

圖2是#1軸承處測(cè)振帶的局部放大示意圖。

圖3是溫度T＝T₀時(shí)#1軸承處傳感器X、Y的振動(dòng)信號(hào)A_x、A_y的波形與頻譜。

圖4是溫度T＝T₂時(shí)#1軸承處傳感器X、Y的振動(dòng)信號(hào)A_x、A_y的波形與頻譜。

圖5是溫度T從T₀增大至T₂過(guò)程中#1軸承的軸心位置圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)闡述。

一種基于轉(zhuǎn)子軸向熱膨脹模型的測(cè)振帶表面缺陷識(shí)別方法，包括以下步驟：

1)構(gòu)建由轉(zhuǎn)子軸向熱膨脹誘發(fā)的測(cè)振帶表面缺陷故障模型，如圖1和圖2所示，該模型包括通過(guò)剛性聯(lián)軸器C聯(lián)接A轉(zhuǎn)子與B轉(zhuǎn)子，兩轉(zhuǎn)子均采用滑動(dòng)軸承支撐，對(duì)滑動(dòng)軸承從左至右依次編號(hào)，A轉(zhuǎn)子由#1、#2軸承支撐，B轉(zhuǎn)子由#3、#4軸承支撐，B轉(zhuǎn)子右側(cè)設(shè)置有一推力軸承#5，#1軸承處的測(cè)振帶設(shè)置在A轉(zhuǎn)子的一個(gè)軸肩上，該測(cè)振帶的右側(cè)存在一個(gè)“圓錐形”的微小表面缺陷，該缺陷垂直剖面的斜邊與A轉(zhuǎn)子軸心線的夾角為β，在#1軸承的測(cè)振帶處安裝兩個(gè)相互垂直的電渦流傳感器X、Y用于測(cè)量振動(dòng)，同時(shí)還安裝一個(gè)鍵相傳感器K以獲取鍵相參考信號(hào)，在A轉(zhuǎn)子左側(cè)的軸向方向有一個(gè)剛度為K_z的彈簧D，當(dāng)在A轉(zhuǎn)子右端的軸向施加激振力F_z時(shí)，A轉(zhuǎn)子將沿軸向發(fā)生幅度為Z₀的小幅振動(dòng)，假定B轉(zhuǎn)子的初始溫度為T(mén)₀，在運(yùn)行過(guò)程中，B轉(zhuǎn)子的溫度T逐漸增大并最終穩(wěn)定到T₂，B轉(zhuǎn)子受熱后膨脹過(guò)程中，將對(duì)A轉(zhuǎn)子產(chǎn)生作用力F_B，將使傳感器X、Y與測(cè)振帶的相對(duì)位置發(fā)生改變，在T₀至T₂范圍內(nèi)，F(xiàn)_B與溫度T成單調(diào)遞增關(guān)系，在不考慮軸向振動(dòng)的情況下，當(dāng)T＝T₀時(shí)，傳感器X、Y位于完好測(cè)振帶的截面S₀處；當(dāng)T＝T₁時(shí)，傳感器X、Y位于的完好測(cè)振帶截面S₁處，S₁到缺陷測(cè)振帶左側(cè)邊緣的距離為Z₀/2；當(dāng)T＝T₂時(shí)，傳感器X、Y位于缺陷測(cè)振帶的截面S₂處，S₂到缺陷測(cè)振帶左側(cè)邊緣的距離為a；#1軸承處測(cè)振帶足夠?qū)捠箓鞲衅鱔、Y始終處于測(cè)振區(qū)域，且測(cè)振帶區(qū)域內(nèi)徑向方向的機(jī)械、電氣不圓度均忽略不計(jì)；

2)在A轉(zhuǎn)子處于靜止?fàn)顟B(tài)下，利用振動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備測(cè)量#1軸承處傳感器X、Y的Gap電壓為-10V，傳感器X、Y采集信號(hào)的直流分量D_rx、D_ry為d₀＝-1000×10/7.87um；從H方向(徑向)觀察A轉(zhuǎn)子以轉(zhuǎn)頻ω＝25Hz按順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng),A轉(zhuǎn)子在不平衡激振力作用發(fā)生徑向同步振動(dòng)，#1軸承的支承系統(tǒng)剛性各向異性，傳感器X、Y產(chǎn)生同步振動(dòng)分量分別為A_rx、A_ry，其表達(dá)式如式(1)所示：

3)在A轉(zhuǎn)子聯(lián)軸器端的軸向施加頻率為ω_z＝5Hz的單一正弦激勵(lì)力F_z，使A轉(zhuǎn)子沿軸向發(fā)生幅度Z₀＝100um的軸向振動(dòng)A_z，如式(2)所示；當(dāng)傳感器X、Y處于完好測(cè)振帶截面S₀時(shí)，A_zx＝A_zy＝0，取β＝10°，當(dāng)傳感器X、Y處于缺陷測(cè)振帶的截面S₂處時(shí)，軸向振動(dòng)誘發(fā)傳感器X、Y產(chǎn)生的偽振動(dòng)分量為A_zx、A_zy，其表達(dá)式如式(3)所示：

A_z＝100sin(10πt+π/4)/2 (2)

A_zx＝A_zy＝A_z·tanβ°＝100sin(10πt+π/4)·tan10°/2 (3)

4)利用振動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備接鍵相傳感器及#1軸承處的傳感器X、Y，實(shí)時(shí)采集鍵相信號(hào)與#1軸承處的振動(dòng)信號(hào)，傳感器X得到振動(dòng)信號(hào)是同步振動(dòng)分量A_rx、直流分量D_rx、偽振動(dòng)分量A_zx的疊加，當(dāng)B轉(zhuǎn)子溫度T＝T₀時(shí)，傳感器X、Y采集的信號(hào)A_y與A_x的表達(dá)式如式(4)所示，對(duì)#1軸承處的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行整周期離散采樣，采樣頻率為12800Hz，采樣時(shí)間0.64s，其波形與頻譜如圖3所示：

5)使B轉(zhuǎn)子的溫度從T₀逐漸升高至T₂，B轉(zhuǎn)子受熱膨脹產(chǎn)生的熱脹力F_B使A轉(zhuǎn)子向左偏移Δz＝F_B/K_z，逐漸改變傳感器X、Y與測(cè)振帶的相對(duì)位置，當(dāng)T₀＜T＜T₁時(shí)，傳感器X、Y的Gap電壓保持恒定值-10V，直流分量D_rx(T)、D_ry(T)保持恒定值d₀；當(dāng)T₁≤T≤T₂時(shí)，直流分量D_rx(T)、D_ry(T)隨溫度T升高而遞減；取a＝1mm,當(dāng)T＝T₂時(shí):

D_rx(T₂)＝D_ry(T₂)＝-1000×10/7.87-1000×1×tan10°＝-1447um

傳感器X、Y采集的信號(hào)A_x與A_y的表達(dá)式如式(5)所示，其波形與頻譜如圖4所示；在不同溫度下，重復(fù)步驟4)直至溫度T升高至T₂；

6)從不同溫度條件下傳感器X、Y采集的振動(dòng)信號(hào)中提取直流分量D_rx(T)、D_ry(T)，在直角坐標(biāo)中繪制溫度T從T₀增大至T₂過(guò)程的軸心位置圖，如圖5所示：當(dāng)T從T₀增大至T₁過(guò)程中，直流分量D_rx(T)、D_ry(T)保持恒定值，軸心位置圖無(wú)明顯變化，表明傳感器X、Y對(duì)應(yīng)的測(cè)振帶表面完好；#1軸承處的軸心位置逐漸遠(yuǎn)離初始位置，表現(xiàn)為“直線”變化趨勢(shì)，該特征說(shuō)明測(cè)振帶表面與傳感器的平均距離在隨B轉(zhuǎn)子溫度T變化而明顯改變，可以用于精確識(shí)別由轉(zhuǎn)子軸系熱膨脹誘發(fā)的測(cè)振帶表面缺陷，實(shí)現(xiàn)對(duì)該缺陷引起的偽振動(dòng)問(wèn)題的精密診斷。