本發(fā)明屬于機械技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于軸心軌跡的旋轉(zhuǎn)機械轉(zhuǎn)速計算裝置及方法的設(shè)計。

背景技術(shù)：

轉(zhuǎn)速是能源設(shè)備與動力機械性能測試中的一個重要的特性參量，因為動力機械的許多特性參數(shù)是根據(jù)它們與轉(zhuǎn)速的函數(shù)關(guān)系來確定的，例如壓縮機的排氣量、軸功率、內(nèi)燃機的輸出功率等等，而且動力機械的振動、管道氣流脈動、各種工作零件的磨損狀態(tài)等都與轉(zhuǎn)速密切相關(guān)。在工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究領(lǐng)域中，轉(zhuǎn)速是影響產(chǎn)品質(zhì)量和研究成果的因素之一，是旋轉(zhuǎn)機械的重要參數(shù)之一，對于轉(zhuǎn)速的測量監(jiān)測已經(jīng)成為機械設(shè)備健康管理的重要研究課題。

轉(zhuǎn)速測量的方法很多，測量儀表的型式也多種多樣，其使用條件和測量精度也各不相同。根據(jù)轉(zhuǎn)速測量的工作方式可分為兩大類：接觸式轉(zhuǎn)速測量儀表與非接觸式轉(zhuǎn)速測量儀表。前者在使用時必須與被測轉(zhuǎn)軸直接接觸，如離心式轉(zhuǎn)速表、磁性轉(zhuǎn)速表與測速發(fā)電機等；后者在使用時不需要與被測轉(zhuǎn)軸接觸，如光電式轉(zhuǎn)速表、電子數(shù)字式轉(zhuǎn)速表、閃光測速儀等。

轉(zhuǎn)速測量的方法從接觸式測量(機械式)，到非接觸式測量(光電式、磁感應(yīng)式)，再到利用視頻技術(shù)測量轉(zhuǎn)速，各種測量方法都有優(yōu)缺點，在測量轉(zhuǎn)速時需要選擇合適的測量方式才能使測得的轉(zhuǎn)速更加接近真實值。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有技術(shù)中缺少利用軸心軌跡來計算轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的方法的問題，提出了一種基于軸心軌跡的旋轉(zhuǎn)機械轉(zhuǎn)速計算裝置及方法。

本發(fā)明的技術(shù)方案為：基于軸心軌跡的旋轉(zhuǎn)機械轉(zhuǎn)速計算裝置，包括振動臺、信號采集分析單元及計算機數(shù)字信號分析單元；振動臺、信號采集分析單元、計算機數(shù)字信號分析單元順次連接。

優(yōu)選地，信號采集分析單元與計算機數(shù)字信號分析單元通過1394信號線連接。

優(yōu)選地，信號采集分析單元包括信號采集分析儀與電渦流位移傳感器；信號采集分析儀連接于計算機數(shù)字信號分析單元，電渦流位移傳感器連接于振動臺；信號采集分析儀與電渦流位移傳感器之間通過信號線連接。

優(yōu)選地，計算機數(shù)字信號分析單元包括低通濾波器和數(shù)學(xué)計算分析處理軟件MATLAB。

本發(fā)明還提供了基于軸心軌跡的旋轉(zhuǎn)機械轉(zhuǎn)速計算方法，包括以下步驟：

S1、運行旋轉(zhuǎn)機械使其在額定工況下工作；

S2、利用電渦流位移傳感器測量轉(zhuǎn)子互相垂直方向上的位移信號；

S3、利用低通濾波器對位移信號進行濾波，得到信號中的主要成分；

S4、利用濾波后的位移信號合成軸心軌跡，計算軸心軌跡上每個點相對于水平方向上的夾角；

S5、對求得的夾角進行周期性分析，計算出轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速。

進一步地，步驟S1中旋轉(zhuǎn)機械的轉(zhuǎn)速隨機變化。

進一步地，步驟S3具體為：

對采集到的位移信號進行傅立葉變換，分析出其中的主要的頻率成分，并利用低通濾波器濾出位移信號中的主要成分。

進一步地，步驟S4中求得夾角的取值范圍為-90°～90°。

進一步地，步驟S5具體為：

選定步驟S4中一個角度為參考角，每出現(xiàn)一次參考角，夾角變化一周期，記為一個脈沖信號；每出現(xiàn)兩個脈沖信號轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一周；根據(jù)所獲得的脈沖信號即可求得轉(zhuǎn)速信號。

本發(fā)明的有益效果是：

(1)本發(fā)明選用了軸心軌跡來對轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速進行計算，將軸心軌跡和轉(zhuǎn)速聯(lián)系起來，為旋轉(zhuǎn)機械轉(zhuǎn)速的監(jiān)測提供了新的實現(xiàn)方法。

(2)本發(fā)明采用軸心軌跡來對轉(zhuǎn)速進行監(jiān)測，可以在工程應(yīng)用中減少轉(zhuǎn)速傳感器的安裝，也可以在不方便安裝轉(zhuǎn)速傳感器的地方根據(jù)軸心軌跡來進行轉(zhuǎn)速監(jiān)測，為工程應(yīng)用提供了新的測量方法，具有廣闊的應(yīng)用前景。

附圖說明

圖1為本發(fā)明提供的基于軸心軌跡的旋轉(zhuǎn)機械轉(zhuǎn)速計算裝置結(jié)構(gòu)框圖。

圖2為本發(fā)明實施例的電渦流位移傳感器的實物圖。

圖3為本發(fā)明提供的基于軸心軌跡的旋轉(zhuǎn)機械轉(zhuǎn)速計算方法流程圖。

圖4為本發(fā)明實施例的旋轉(zhuǎn)機械施加的轉(zhuǎn)速設(shè)定圖。

圖5為本發(fā)明實施例的原始轉(zhuǎn)子水平、豎直方向上的位移信號圖。

圖6為本發(fā)明實施例的原始軸心軌跡圖。

圖7為本發(fā)明實施例的轉(zhuǎn)子水平方向上位移信號的傅立葉變換頻譜圖。

圖8為本發(fā)明實施例的提純后的轉(zhuǎn)子水平、豎直方向上的位移信號圖。

圖9為本發(fā)明實施例的提純后的軸心軌跡圖。

圖10為本發(fā)明實施例的軸心軌跡上每點相對于水平方向上的夾角示意圖。

圖11為本發(fā)明實施例的由軸心軌跡計算得到的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速示意圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施例作進一步的說明。

本發(fā)明提供了一種基于軸心軌跡的旋轉(zhuǎn)機械轉(zhuǎn)速計算裝置，如圖1所示，包括振動臺、信號采集分析單元及計算機數(shù)字信號分析單元。振動臺、信號采集分析單元、計算機數(shù)字信號分析單元順次連接。

其中，信號采集分析單元與計算機數(shù)字信號分析單元通過1394信號線連接。

信號采集分析單元包括信號采集分析儀與電渦流位移傳感器，用于采集轉(zhuǎn)子位移信號。信號采集分析儀連接于計算機數(shù)字信號分析單元，電渦流位移傳感器連接于振動臺；信號采集分析儀與電渦流位移傳感器之間通過信號線連接。電渦流位移傳感器的實物如圖2所示。

計算機數(shù)字信號采集分析單元包括低通濾波器和數(shù)學(xué)計算分析處理軟件MATLAB，用于對軸心軌跡進行提純。

本發(fā)明還提供了一種基于軸心軌跡的旋轉(zhuǎn)機械轉(zhuǎn)速計算方法，如圖3所示，包括以下步驟：

S1、運行旋轉(zhuǎn)機械使其在在額定工況下工作。

其中，額定工況包括不同的轉(zhuǎn)速和加速度，并且隨時間變化。本發(fā)明實施例中，如圖4所示，為了使案例更加接近實際工程應(yīng)用，設(shè)定轉(zhuǎn)速在10s內(nèi)由0r/s勻加速到30r/s，保持5s，再經(jīng)過10s勻減速至0r/s。

S2、利用電渦流位移傳感器測量轉(zhuǎn)子互相垂直方向上的位移。

軸心軌跡需要相互垂直的兩個電渦流位移傳感器來測量。本發(fā)明實施例中，為了便于安裝，將傳感器安裝在水平和豎直方向上。采集到的位移信號如圖5所示，水平和豎直方向的位移信號是正余弦信號。由采集到的位移信號合成的軸心軌跡如圖6所示，可以看出軸心軌跡上有很多尖峰，不能直接用來進行轉(zhuǎn)速計算。

S3、利用低通濾波器對位移信號進行濾波，得到信號中的主要成分。

本發(fā)明實施例中，通過傅立葉變換，分析出采集到的信號的主要頻率成分，然后利用低通濾波器對其進行提純，得到位移信號的主要成分。

通過傅立葉變換得到信號的頻譜圖如圖7所示，可以分析出信號中的主要的頻率成分為0Hz—30Hz，然后利用低通濾波器濾出30Hz以下的頻率成分的信號，如圖8所示。

S4、利用濾波后的位移信號合成軸心軌跡，計算軸心軌跡上每個點相對于水平方向上的夾角。

通過提純后的軸心軌跡圖可以看出軸心軌跡是準(zhǔn)周期的振動，類似于圓周循環(huán)。軸心軌跡上的點繞軸心軌跡一周，軸心軌跡上的點和水平方向上的夾角將會由0°變化到360°。

圖9為提純后的軸心軌跡圖，比較圖9和圖6可以看出，提純后的軸心軌跡已經(jīng)平滑了，可以進行角度計算。圖10為軸心軌跡上的點和水平方向上的夾角，由圖10可以看出，夾角在-90°～90°之間循環(huán)。

S5、對求得夾角進行周期性分析并計算出轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速。

由于求得的夾角變化范圍為-90°～90°，因此求得的夾角經(jīng)過兩個周期轉(zhuǎn)子軸心軌跡循環(huán)一周。選定步驟S4中一個角度為參考角，例如30°，則每出現(xiàn)一次30°，夾角變化一周期，記為一個脈沖信號。假定轉(zhuǎn)子在一圈內(nèi)的轉(zhuǎn)速為一定的，則每出現(xiàn)兩個脈沖信號轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一周。根據(jù)脈沖信號每兩個周期的起始時間可以計算得到在此時間段內(nèi)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速。將每個周期內(nèi)的轉(zhuǎn)速進行平滑連接就得到的轉(zhuǎn)子在整個運行時間內(nèi)的轉(zhuǎn)速。

圖11為通過軸心軌跡計算出來的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，比較圖11和圖4可以看出，計算出來的轉(zhuǎn)速和實際的轉(zhuǎn)速基本一致，說明通過軸心軌跡來計算轉(zhuǎn)速是可行的。

本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將會意識到，這里所述的實施例是為了幫助讀者理解本發(fā)明的原理，應(yīng)被理解為本發(fā)明的保護范圍并不局限于這樣的特別陳述和實施例。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可以根據(jù)本發(fā)明公開的這些技術(shù)啟示做出各種不脫離本發(fā)明實質(zhì)的其它各種具體變形和組合，這些變形和組合仍然在本發(fā)明的保護范圍內(nèi)。