本發(fā)明涉及旋轉機械振動監(jiān)測技術領域，具體涉及一種轉軸振動的極值測量方法及裝置。

背景技術：

大型旋轉機械，如汽輪發(fā)電機組、水輪發(fā)電機組和煙氣輪機組等，普遍使用滑動軸承支撐轉軸，并通過振動監(jiān)測保護系統(tǒng)(tsi)監(jiān)測轉軸對軸承的相對振動。

振動監(jiān)測保護系統(tǒng)包括兩個渦流傳感器，分別用于測量兩個通道的振動。振動監(jiān)測保護系統(tǒng)通常根據通道的振幅設置報警邏輯，如設置為“或”邏輯，則當兩個通道之一的振幅超過預設的危險值時跳機；如設置為“與”邏輯，則當兩個通道的振幅均超過預設的危險值時跳機。然而，由于渦流傳感器只能反映測量位置的振動情況，但不同機組的結構、運行參數以及軸承油膜剛度在圓周方向上各向異性等方面的影響，導致兩個方向的振動通常存在一定的差異，如一個方向振動較大，另一個方向振動較小，這給振動監(jiān)測保護系統(tǒng)的報警和異常判斷帶來一定困難。

雖然在《gbt11348.1-1999旋轉機械轉軸徑向振動的測量和評定-第1部分-總則》中給出了計算測量平面內最大振動位移的峰峰值sp-pmax的幾種算法，但這些算法誤差較大，有時高達40％，導致這種根據最大方向的振動判斷失去實際意義，仍然無法了解轉軸圓周方向其他角度的振動。

由上可知，目前的振動監(jiān)測保護系統(tǒng)只能檢測傳感器安裝位置的振動情況，不能了解同一轉軸圓周方向其它角度的振動，因此不能準確地把握轉軸的整體振動情況。

技術實現要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種轉軸振動的極值測量方法、裝置及旋轉機械，用以解決現有無法把握轉軸整體振動情況的問題。

為實現上述目的，本發(fā)明轉軸振動的極值測量方法。具體地，該方法包括如下步驟：

步驟s1，在軸承上x、y兩個方向各設置一監(jiān)測單元；

步驟s2，所述監(jiān)測單元感應轉軸的振動并輸出電壓信號；

步驟s3，將所述電壓信號轉換為位移信號；

步驟s4，根據所述位移信號計算所述轉軸在其圓周方向任意角度的振幅；

步驟s5，從所述轉軸在其圓周方向任意角度的振幅中提取所述轉軸的振幅極值及對應的角度。

其中，在所述步驟s1中，所述監(jiān)測單元為渦流傳感器，x、y兩個方向均垂直于所述軸承的中心線，且x、y兩個方向的夾角為0～180之間的任意角度。

優(yōu)選地，在所述步驟s2中，所述渦流傳感器在所述轉軸轉動過程中整周期采樣，而且連續(xù)采樣多個整周期。

優(yōu)選地，在所述步驟s4中，所述轉軸在其圓周方向的任意角度的振幅sppθ通過以下方式得到：

sppθ＝max(sk)-min(sk)

其中，sppθ為在所述轉軸圓周方向θ角度上所述軸承的振幅；

sk為振動曲線上某點(sx[k]，sy[k])在所述轉軸圓周方向θ角度所在直線上的距離；

max(sk)為在振動曲線上某點(sx[k]，sy[k])在所述轉軸圓周方向θ角度所在直線上的最大距離；

min(sk)為在振動曲線上某點(sx[k]，sy[k])在所述轉軸圓周方向θ角度所在直線上的最小距離；

xk為在振動曲線上某點(sx[k]，sy[k])在所述轉軸圓周方向θ角度所在直線上的投影的橫坐標；

yk為在振動曲線上某點(sx[k]，sy[k])在所述轉軸圓周方向θ角度所在直線上的投影的縱坐標。

其中，在所述步驟s5中，提取所述振幅的極值及對應的角度的方法如下：

sppmax＝max(sppθ)

sppmin＝min(sppθ)

其中，sppmax為所述轉軸在其圓周方向上振幅的極大值；

sppmin為所述轉軸在其圓周方向上振幅的極小值；

所述轉軸振幅的極大值所在角度為極大值對應的角度；

所述轉軸振幅的極小值所在角度為極小值對應的角度。

其中，所述轉軸振動監(jiān)測方法還包括：

步驟s6，根據所述振幅的極值及對應的角度對所述轉軸進行故障診斷。

另外，本發(fā)明還提供一種轉軸振動監(jiān)測裝置，包括：

監(jiān)測單元，在軸承上x、y兩個方向各設置一所述監(jiān)測單元，所述監(jiān)測單元用于感應轉軸的振動并輸出電壓信號；

采樣單元，用于采樣所述監(jiān)測單元獲得的電壓信號；

信號轉換單元，用于將所述電壓信號轉換為位移信號；

計算單元，用于根據所述位移信號計算所述轉軸在其圓周方向任意角度的振幅；

提取單元，用于從所述轉軸在其圓周方向任意角度的振幅中提取所述轉軸的振動極值和對應的角度。

其中，x、y兩個方向均垂直于所述軸承的中心線，且x、y兩個方向的夾角為0～180之間的任意角度。

優(yōu)選地，所述計算單元通過以下方式獲得所述轉軸在其圓周方向的任意角度的振幅sppθ：

sppθ＝max(sk)-min(sk)

其中，sppθ為在所述軸承圓周方向θ角度上的振幅；

sk為振動曲線上某點(sx[k]，sy[k])在所述轉軸圓周方向θ角度的直線上的距離；

max(sk)為在振動曲線上某點(sx[k]，sy[k])在所述轉軸圓周方向θ角度直線上的最大距離；

min(sk)為在振動曲線上某點(sx[k]，sy[k])在所述轉軸圓周方向θ角度直線上的最小距離；

xk為在振動曲線上某點(sx[k]，sy[k])在所述轉軸圓周方向θ角度直線上的投影的橫坐標；

yk為在振動曲線上某點(sx[k]，sy[k])在所述轉軸圓周方向θ角度直線上的投影的縱坐標。

其中，所述轉軸振動監(jiān)測裝置還包括：

診斷單元，用于根據所述振動極值和對應的角度對所述轉軸進行故障診斷；

顯示單元，用于顯示所述振動極值和對應的角度；

報警單元，用于當所述振動極值超過預設的閾值時發(fā)出報警。

此外，本發(fā)明還提供一種旋轉機械，包括轉軸振動監(jiān)測裝置，所述轉軸振動監(jiān)測裝置采用本發(fā)明提供的所述轉軸振動監(jiān)測裝置。

本發(fā)明方法具有如下優(yōu)點：

本發(fā)明提供的轉軸振動監(jiān)測方法通過在兩個互成一定角度的x、y向的監(jiān)測單元獲得轉軸的振動信號，再將振動信號轉換為位移信號，然后通過計算位移信號獲得轉軸圓周方向任意角度的振幅，相對于只反映轉軸監(jiān)測單元安裝位置的振動情況而言，該監(jiān)測方法獲得的振幅極值及對應的角度更能反映轉軸的整體振動情況，為轉軸的振動監(jiān)測、分析和故障診斷提供更準確、可靠地依據，從而為提高轉軸的可靠性提供有力的數據支持。

另外，本發(fā)明提供的轉軸振動監(jiān)測裝置通過互成一定角度的兩個監(jiān)測單元獲得轉軸的振動信號，再通過信號轉換單元將振動信號轉換為位移信號，然后通過計算單元獲得轉軸圓周方向任意角度的振幅，并通過提取單元從任意角度的振幅中提取轉軸的振動極值和對應的角度，該監(jiān)測裝置更能反映轉軸的振動情況，為轉軸的振動監(jiān)測、分析和故障診斷提供更準確、可靠地依據，從而為提高轉軸的可靠性提供有力的數據支持。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實施例一提供的轉軸振動監(jiān)測方法的流程圖。

圖2為本發(fā)明實施例一中監(jiān)測單元的安裝示意圖。

圖3為本發(fā)明實施例一提供的轉軸振動監(jiān)測方法中軸承某方向振動位移計算示意圖。

圖4為本發(fā)明實施例二提供的轉軸振動監(jiān)測裝置的原理框圖。

圖5為本發(fā)明實施例二中某火電廠#1汽輪發(fā)電機組的結構示意圖。

圖6為本發(fā)明實施例二中某火電廠#1汽輪發(fā)電機組各轉軸振動參數的列表。

具體實施方式

以下實施例用于說明本發(fā)明，但不用來限制本發(fā)明的范圍。

實施例1

結合參閱圖1和圖2，實施例一提供一種轉軸振動監(jiān)測方法，包括以下步驟：

步驟s1，在軸承上x、y兩個方向各設置一監(jiān)測單元。

本實施例監(jiān)測單元采用但不限于渦流傳感器。在軸承22上x、y兩個方向各設置一個監(jiān)測單元21，而且x、y兩個方向均垂直于軸承22的中心線，即軸承22的徑向方向，x、y兩個方向的夾角為0～180之間的任意角度，如x、y兩個方向的夾角為90°。但x、y兩個方向的夾角越小，監(jiān)測的數值越接近，不能完全反應轉軸振動的情況，因此優(yōu)選45～135°，以提高振動監(jiān)測的準確性。

步驟s2，監(jiān)測單元感應轉軸的振動并輸出電壓信號。

渦流傳感器可感應轉軸23的振動并輸出電壓信號。本實施例兩個渦流傳感器對x、y兩個方向進行離散采樣，為了快速傅里葉變換的需要，優(yōu)選整周期采樣電壓信號，并連續(xù)多個整周期采樣電壓信號，如每周期采樣64點，連續(xù)采樣16個周期，共采樣1024個點，分別記為vx[i]、vy[i]，i＝0～1023。本實施例之所以每個渦流傳感器采樣1024個點，是既考慮了數據的準確性，又兼顧采樣效率以及后期的數據處理效率。

步驟s3，將電壓信號轉換為位移信號。

將渦流傳感器獲得的電壓信號轉換為位移信號，也就是將渦流傳感器獲得的模擬電壓信號vx[i]、vy[i]轉換為位移信號sx[i]、sy[i]，i＝0～1023，單位μm，獲得x、y兩個方向振動曲線的位移量。

步驟s4，根據位移信號計算轉軸在其圓周方向任意角度的振幅。

計算轉軸在某方向的振動，相當于將位移信號曲線上的各點sx[i]、sy[i]在該方向所在直線上進行投影，每個投影點相當于一個離散采樣，根據離散采樣獲得該方向振動曲線的位移量，而投影的最大差值即為該方向的振動幅值。

結合參閱圖1和圖3，假設將轉軸的圓周方向均勻地分成360份，那么每份經過o點(坐標原點)的直線方程l已知，將直線l上任意一點的坐標設置為(x1，y1)，如：其中，θ為直線l的角度，即直線l與水平線之間的夾角，本文將其稱為在轉軸圓周方向θ角度，簡稱θ角度，θ的取值范圍為0～360度，10為參考值，這個值根據實際情況可調。

將振動曲線上某點(sx[k]，sy[k])在直線l上的投影坐標定義為(xk，yk)，

∴(xk-sx[k])(x1-x2)+(yk-sy[k])(y1-y2)＝0(2)

聯立式(1)和式(2)，可以解得，

yk＝((sx[k]-x2)×(x1-x2)×(y1-y2)+sy[k]×(y1-y2)+y2×(x1-x2)²))/((x1-x2)²+(y1-y2)²)

如果x1＝x2，則xk＝x1；如果y1＝y(tǒng)2，則xk＝sx[k]；其他情況下：

xk＝((x1-x2)×x2×(y1-y2)+(x1-x2)×(yk-y2))/((x1-x2)×(y1-y2))；

由此可得振動曲線上某點(sx[k]，sy[k])在θ角度所在直線l上的距離，即點(xk，yk)到原點o的距離，sk為：

其中，sk為振動曲線上某點(sx[k]，sy[k])在θ角度所在直線上的投影與原點o之間的距離，xk為在振動曲線上某點(sx[k]，sy[k])在θ角度所在直線上的投影的橫坐標，yk為在振動曲線上某點(sx[k]，sy[k])在θ角度所在直線上的投影的縱坐標。而且，當xk大于或等于0時，sk為正；當xk小于0時，sk為負。sk的最大差值sppθ即為轉軸在θ角度方向上的振幅。

sppθ＝max(sk)-min(sk)(4)

其中，sppθ為在轉軸圓周方向θ角度方向上軸承的振幅，max(sk)為在振動曲線上某點(sx[k]，sy[k])在轉軸圓周方向θ角度所在直線上的最大距離，min(sk)為在振動曲線上某點(sx[k]，sy[k])在轉軸圓周方向θ角度所在直線上的最小距離。

步驟s5，從轉軸在其圓周方向任意角度的振幅中提取轉軸振幅的極值及對應的角度。

從步驟s4獲得的轉軸在其圓周方向任意角度的振幅中提取轉軸的振幅極值及與該振幅極值對應的角度。

當θ從0～360度變化時，sppθ的最大值和對應的角度即為轉軸在其圓周方向上振幅的極大值sppmax和角度；sppθ的最小值和對應的角度即為轉軸在其圓周方向上振幅的極小值sppmin和角度。

sppmax＝max(sppθ)(5)

sppmin＝min(sppθ)(6)

其中，sppmax為轉軸在其圓周方向上振幅的極大值，sppmin為轉軸在其圓周方向上振幅的極小值。轉軸振幅的極大值所在角度為極大值對應的角度，轉軸振幅的極小值所在角度為極小值對應的角度。

由步驟s1至步驟s5可以得到轉軸在其圓周方向上任意角度的振動情況，并從轉軸圓周方向上任意角度的振動情況中提取振幅極值和對應的角度，從而為判斷轉軸振動異常、振動報警和解決振動問題提供重要依據。

作為實施例一的一個變型實施例，轉軸振動監(jiān)測方法還包括步驟s6，具體地：

步驟s6，根據轉軸振幅的極值及對應的角度對轉軸進行故障診斷。

根據在轉軸圓周方向上轉軸振幅的極值及對應的角度可以設置報警閾值，使報警邏輯更合理，還可對轉軸進行故障診斷和分析故障的原因。

本實施例提供的轉軸振動監(jiān)測方法通過在兩個互成一定角度的x、y向的監(jiān)測單元獲得轉軸的振動信號，再將振動信號轉換為位移信號，然后通過計算位移信號獲得轉軸圓周方向任意角度的振幅，相對于只反映轉軸監(jiān)測單元安裝位置的振動情況而言，該監(jiān)測方法獲得的振幅極值及對應的角度更能反映轉軸的整體振動情況，為轉軸的振動監(jiān)測、分析和故障診斷提供更準確、可靠地依據，從而為提高轉軸的可靠性提供有力的數據支持。

實施例2

如圖4所述，本發(fā)明實施例二提供一種轉軸振動監(jiān)測裝置，其包括監(jiān)測單元41、采樣單元42、信號轉換單元43、計算單元44和提取單元45。

其中，在軸承上x、y兩個方向各設置一監(jiān)測單元41，監(jiān)測單元41感應轉軸的振動并輸出電壓信號。本實施例監(jiān)測單元41采用但不限于渦流傳感器，x、y兩個方向均垂直于軸承的中心線，且x、y兩個方向的夾角為0～180之間的任意角度。

采樣單元42用于采樣監(jiān)測單元獲得的電壓信號。采樣單元42是離散采樣電壓信號，優(yōu)選整周期采樣，更優(yōu)選連續(xù)多個整周期采樣，以獲得更準確地數據，同時兼顧采樣效率以及后期的數據處理效率。

信號轉換單元43用于將電壓信號轉換為位移信號，即轉換為轉軸在徑向方向上的位移信號，單位為μm，以確定轉軸在其圓周方向任意角度的振動情況。

計算單元44用于根據位移信號計算轉軸在其圓周方向任意角度的振幅，具體的計算方法與實施例一相同，在此不再贅述。

提取單元45用于從轉軸在其圓周方向任意角度的振幅中提取轉軸在其圓周方向上的振動極值及對應的角度。

另外，轉軸振動監(jiān)測裝置還包括診斷單元46、顯示單元47和報警單元48，其中，診斷單元46用于根據轉軸的振動極值及對應的角度對轉軸進行故障診斷；顯示單元47用于顯示轉軸的振動極值以及對應的角度。報警單元48用于當振動極值超過預設的閾值時發(fā)出報警。

下面以某火電廠#1汽輪發(fā)電機組(660mw)為例介紹轉軸振動監(jiān)測裝置的工作過程。如圖5所示，該輪發(fā)電機組包括1個高中壓轉子51、2個低壓轉子52和發(fā)電機轉子53組成，共需8個軸承1#～8#支撐，每個軸承均在x、y兩個方向各安裝一渦流傳感器(圖中未示出)，以監(jiān)測轉軸的相對振動。

根據實施例一介紹的轉軸振動監(jiān)測方法得到每個軸承振幅的極值及對應的角度(位置)。在如圖6列表中，第一列為通道名稱，即軸承名稱；第二列為通道對組成，即每個軸承對應的兩個渦流傳感器；第三列為通頻，表示軸承中轉軸的旋轉頻率；第四列為極大值，即軸承中轉軸振幅的極大值；第五列為與轉軸振幅的極大值對應的角度；第六列為極小值，即軸承中轉軸的振幅的極小值；第七列為與轉軸振幅的極小值對應的角度。

從圖6可知，多數情況下，轉軸振幅的極大值與極小值與兩個渦流傳感器的振動差別不大，但有時也存在顯著區(qū)別。如5#軸承的振動，雖然x、y兩個方向的振幅差別較小，59-57＝2μm，但極大值與極小值的差別較大，62-38＝24μm，說明5#軸承的振動出現異常。

當軸承的振動出現異常時，根據極大值與極小值的差別可以更好地判斷故障的性質。例如，若極大值與極小值的差別較小，且對應的角度相差接近90度，則主要是平衡不良問題；若極大值與極小值的差別較大，且對應的角度相差接近0度或180度，則主要是對中不良或軸承松動問題。另外，當軸承出現常見的不平衡故障時，在極大值對應的方向進行動平衡更有效。當機組出現對中不良或軸承松動故障時，根據振動極值可以大致確定故障的部位和嚴重程度。

在本實施例中，在明確每個軸承振動的極大值和極小值后可設置報警值和跳機值，如將軸承極大值的報警值設置為140um，跳機值設置為260um，極小值的報警值設置為110um，跳機值設置為240um。在實際應用中，使用者還可以參考不同軸承的實際情況，如軸承的結構和轉子的直徑等參數設置報警值和跳機值，以減少由于極大振動方向振幅報警值設置過小引起誤跳，以及由于極小振動方向振幅報警值設置過大引起拒跳，從而減少誤跳和拒跳所造成的經濟損失和不良社會影響。

本實施例提供的轉軸振動監(jiān)測裝置通過互成一定角度的兩個監(jiān)測單元獲得轉軸的振動信號，再通過信號轉換單元將振動信號轉換為位移信號，然后通過計算單元獲得轉軸圓周方向任意角度的振幅，并通過提取單元從任意角度的振幅中提取轉軸的振動極值和對應的角度，該監(jiān)測裝置更能反映轉軸的振動情況，為轉軸的振動監(jiān)測、分析和故障診斷提供更準確、可靠地依據，從而為提高轉軸的可靠性提供有力的數據支持。

需要說明的是，本實施例提供的轉軸振動監(jiān)測裝置可用于汽輪發(fā)電機組、水輪發(fā)電機組、煙氣輪機組、風力發(fā)電機組、動車以及采礦等領域，用于監(jiān)測滑動軸承與轉軸之間的相對振動情況，以分析轉軸的振動和故障診斷。

雖然，上文中已經用一般性說明及具體實施例對本發(fā)明作了詳盡的描述，但在本發(fā)明基礎上，可以對之作一些修改或改進，這對本領域技術人員而言是顯而易見的。因此，在不偏離本發(fā)明精神的基礎上所做的這些修改或改進，均屬于本發(fā)明要求保護的范圍。