旋转机械转轴弯曲振动和扭转振动同时测试的方法及装置

技术领域

本发明涉及转轴振动检测技术领域，特别是涉及一种旋转机械转轴弯曲振动和扭转振动同时测试的方法及装置。

背景技术

扭转振动和弯曲振动对旋转机械安全稳定运行的影响较大，是机组状态监测的重点，因为转轴处于旋转状态，旋转机械转轴振动检测大多采用非接触式测量方法，目前的检测仪表不能实现扭转振动和弯曲振动的同时测试，需要配备各自专用的分析仪表，成本较高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种旋转机械转轴弯曲振动和扭转振动同时测试的方法及装置，旨在解决现有技术中检测仪表不能实现扭转振动和弯曲振动的同时测试，需要配备各自专用的分析仪表，成本较高的技术问题。

为实现上述目的，本发明提供一种旋转机械转轴弯曲振动和扭转振动同时测试装置，包括传感部分、硬件部分和软件部分，所述传感部分包括齿轮盘和涡流传感器，所述齿轮盘与待测转轴可拆卸连接，并位于待测转轴的外侧壁，所述硬件部分包括信号前处理器和高速数据采集卡，所述涡流传感器与所述信号前处理器电性连接，并位于所述齿轮盘的侧面，所述高速采集卡与所述信号前处理器电性连接，并用于采集所述涡流传感器输出的交流电压信号，所述软件部分包括数据采集软件和信号分析软件，所述数据采集软件用于采集交流电压信号，所述信号分析软件将所述涡流传感器输入的交流电压信号转化为数字信号。

其中，所述信号前处理器包括24V直流电源模块和信号调理模块，所述24V直流电源模块提供所述涡流传感器测试所需的-24V直流电源，所述信号调理模块将交流电压信号的幅值调理到±10V内，满足所述高速数据采集卡对输入信号幅值的要求。

本发明还提供一种采用上述的旋转机械转轴弯曲振动和扭转振动同时测试装置的测试方法，包括如下步骤：

将所述齿轮盘安装至待测转轴上，将所述涡流传感器沿弯曲振动测量方向正对着所述齿轮盘安装，并将将涡流传感器与所述硬件部分连接；

利用待测转轴带动所述齿轮盘旋转，通过所述涡流传感器输出交流电压信号，并通过所述软件部分转化为数字信号，从而得到原始振动信号；

从原始振动信号中找极大值点，并得到弯曲振动信号，从原始振动信号中扣除弯曲振动信号，得到不含弯曲振动影响在内的传感器输出信号；

从传感器输出信号再次找极大值点，并得到扭转振动角速度信号。

其中，在将所述齿轮盘安装至待测转轴上，将所述涡流传感器沿弯曲振动测量方向正对着所述齿轮盘安装，并将将涡流传感器与所述硬件部分连接的步骤中：

所述数据采集卡的采样速率要求fs≥1MHz，fs为采样频率。

其中，在利用待测转轴带动所述齿轮盘旋转，通过所述涡流传感器输出交流电压信号，并通过所述软件部分转化为数字信号，从而得到原始振动信号的步骤中：

转轴没有弯曲振动和扭转振动时，所述涡流传感器的输出信号是一组频率恒定、信号稳定的正弦信号，记为y(t)，可以写为：

y(t)＝α·h·sin[2π·(nf)·t] (1)

式中，α为传感器灵敏度，h为所述齿轮盘的齿高，n为齿数，f为转动频率，为采样时间；

转轴发生扭转振动时，所述齿轮盘的齿顶和齿谷通过所述涡流传感器时的瞬时角速度不再是一个常数，会出现与扭转振动频率相同的波动，式(1)变为：

y(t)＝α·h·sin[2π·(nf+f

式中，f

转轴发生扭转振动的同时，如果还发生弯曲振动，式(2)变为：

式中，A,f

其中，在从原始振动信号中找极大值点，并得到弯曲振动信号，从原始振动信号中扣除弯曲振动信号，得到不含弯曲振动影响在内的传感器输出信号的步骤中：

第1次找极大值点，检测得到所述涡流传感器输出信号y(t)后，找信号中的极大值点，以第i个点为例，利用其前后相邻的7个点进行判断，如果：

则认为第i点为极大值点，将各极大值点相连，得到曲线x(t)；

两个极大值点所对应的时间段(t

从所述涡流传感器原始信号中按时间点扣除提取到的弯曲振动信号x(t)，得到信号x

x

其中，在利用原始振动信号中的相邻7个点判断得到极大值点，并通过线性插值计算任意两个相邻极大值点之间任意时刻的函数值，构成弯曲振动信号的步骤中：

第2次找极大值点，以第i个点为例，利用其前后相邻的7个点进行判断，如果：

计算扭转振动瞬时频率，记信号x

转过该弧度所用时间△t为：

△t＝t

不同时刻t

从转轴瞬时角频率

将不同时刻下的扭转振动角频率相连，得到扭转振动瞬时角速度信号。

本发明的有益效果体现在：利用该装置以实现转轴扭转振动和弯曲振动的同时测试，两类振动测试采取同一套传感器和仪表，成本较低；该方法也适用于需要单独测试转轴弯曲振动或扭转振动的情况；通过从所述涡流传感器输出信号中扣除转轴弯曲振动影响的方法，可以有效地缓解待测转轴弯曲振动所带来的信号抖动现象，和高通滤波法相比，采用该法补偿的信号比较平稳，可以提高扭转振动测试的准确度；两次极大值找点提取转轴弯曲振动和扭转振动信号的方法，物理意义明确，比目前常用的Hilbert变换方法简单。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明旋转机械转轴弯曲振动和扭转振动同时测试装置的原理图。

图2是本发明的传感部分的装置的结构示意图。

图3是本发明的没有弯曲振动和扭转振动时的涡流传感器输出示意图。

图4是本发明的有弯曲振动和扭转振动时的涡流传感器输出示意图。

图5是本发明的扭转振动和弯曲振动同时存在时的涡流传感器输出示意图。

图6是本发明的利用相邻7个点找极大值点的示意图。

图7是本发明的第1次找极大值点得到的曲线图。

图8是本发明的第2次找极大值点得到的曲线图。

图9是本发明旋转机械转轴弯曲振动和扭转振动同时测试装置的测试方法的步骤流程图。

1-齿轮盘、2-涡流传感器、3-信号前处理器、4-高速数据采集卡、5-数据采集软件、6-信号分析软件、7-24V直流电源模块、8-信号调理模块。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

请参阅图1和图2，本发明提供一种技术方案：一种旋转机械转轴弯曲振动和扭转振动同时测试装置，包括传感部分、硬件部分和软件部分，所述传感部分包括齿轮盘1和涡流传感器2，所述齿轮盘1与待测转轴可拆卸连接，并位于待测转轴的外侧壁，所述硬件部分包括信号前处理器3和高速数据采集卡4，所述涡流传感器2与所述信号前处理器3电性连接，并位于所述齿轮盘1的侧面，所述高速采集卡与所述信号前处理器3电性连接，并用于采集所述涡流传感器2输出的交流电压信号，所述软件部分包括数据采集软件5和信号分析软件6，所述数据采集软件5用于采集交流电压信号，所述信号分析软件6将所述涡流传感器2输入的交流电压信号转化为数字信号；所述信号前处理器3包括24V直流电源模块7和信号调理模块8，所述24V直流电源模块7提供所述涡流传感器2测试所需的-24V直流电源，所述信号调理模块8将交流电压信号的幅值调理到±10V内，满足所述高速数据采集卡4对输入信号幅值的要求。

在本实施方式中，通过待测转轴带动所述齿轮盘1转动，所述齿轮盘1转动特征可以替代待测转轴的转动特征，利用所述涡流传感器2来检测探头到所述齿轮盘1上的齿之间动态位移变化，并向所述前处理器输入交流电压信号，所述24V直流电源模块7为所述涡流传感器2提供电源，所述信号调理模块8将交流电压信号的幅值调理到±10V内，并传递至所述高速采集卡，所述数据采集软件5将调理后的交流电压信号接收，并利用所述信号分析软件6可以将所述涡流传感器2输入的交流电压信号转化为数字信号，将原始振动信号转为函数图显示。

请参阅图3至图9，本发明还提供一种采用上述的旋转机械转轴弯曲振动和扭转振动同时测试装置的测试方法，包括如下步骤：

S1:将所述齿轮盘1安装至待测转轴上，将所述涡流传感器2沿弯曲振动测量方向正对着所述齿轮盘1安装，并将将涡流传感器2与所述硬件部分连接；

S2:利用待测转轴带动所述齿轮盘1旋转，通过所述涡流传感器2输出交流电压信号，并通过所述软件部分转化为数字信号，从而得到原始振动信号；

S3:从原始振动信号中第1次找极大值点，并通过线性插值计算任意两个相邻极大值点之间任意时刻的函数值，构成弯曲振动信号，从原始振动信号中扣除弯曲振动信号，得到不含弯曲振动影响在内的传感器输出信号；

S4:从传感器输出信号第2次找极大值点，并计算任意两个相邻极大值点之间的瞬时角频率，构成扭转振动角度信号。

其中在步骤S1中，在待测转轴选定的测试截面上，安装一个分度均匀的所述齿轮盘1，将所述涡流传感器2正对所述齿轮盘1安装，所述涡流传感器2的安装方向为需要测试的弯曲振动方向。

在步骤S2中，如图3所示，转轴没有弯曲振动和扭转振动时，所述涡流传感器2输出信号是一组频率恒定、信号稳定的正弦信号，记为y(t)，可以写为：

y(t)＝α·h·sin[2π·(nf)·t] (1)

式中，α为传感器灵敏度，h为所述齿轮盘1的齿高，n为齿数，f为转动频率，t为采样时间；

如图4所示，转轴发生扭转振动时，所述齿轮盘1的齿顶和齿谷通过所述涡流传感器2时的瞬时角速度不再是一个常数，会出现与扭转振动频率相同的波动，式(1)变为：

y(t)＝α·h·sin[2π·(nf+f

式中，f

如图5所示，转轴发生扭转振动的同时，如果还发生弯曲振动，式(2)变为：

式中，A,f

在步骤S3中，第1次找极大值点，检测得到所述涡流传感器2输出信号y(t)后，如图6所示，找信号中的极大值点，以第i个点为例，利用其前后相邻的7个点进行判断，如果：

则认为第i点为极大值点，将各极大值点相连，得到曲线x(t)，如图7所示。

两个极大值点所对应的时间段(t

由式(3)可知，曲线x(t)反映了转轴弯曲振动情况；

从所述涡流传感器2原始信号中按时间点扣除提取到的弯曲振动信号x(t)，得到信号x

x

在步骤S4中，第2次找极大值点，采取和步骤S3相同的方法找信号中极大值点，以第i个点为例，利用其前后相邻的7个点进行判断，如果：

第2次找极大值点所得到的曲线如图8所示，从图8可见，采用上述方法扣除弯曲振动影响后的信号比较平稳；

计算扭转振动瞬时频率，记信号x

转过该弧度所用时间△t为：

△t＝t

不同时刻t

从转轴瞬时角频率

将不同时刻下的扭转振动角频率相连，得到扭转振动瞬时角速度信号；

通过上述计算方法，从上述涡流传感器2输出信号中扣除转轴弯曲振动影响的方法，可以有效地缓解待测转轴弯曲振动所带来的信号抖动现象，和高通滤波法相比，采用该法补偿的信号比较平稳，可以提高扭转振动测试的准确度；实现转轴扭转振动和弯曲振动的同时测试。两类振动测试采取同一套传感器和仪表，成本较低。

以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分流程，并依本发明权利要求所作的等同变化，仍属于发明所涵盖的范围。