专利名称：：旋转机械的光机电多参数精密监测装置的制作方法
技术领域：
：本发明涉及机械设备状态监测领域，尤其涉及一种应用于监测大型旋转机械的监测装置。
背景技术：
：大型旋转机械能否正常运行主要取决于转子系统的振动稳定性，即支撑元件_轴承的工作状况。为此，过去人们常常从不同的角度分别对大型旋转机械的振动，包括转子的振动和机组的壳体振动实施有效的监测，同时辅之以润滑油温度监控等，来实现机组的状态监控与故障诊断。随着近几年来的工程实践证明，由于大型旋转机械是一个显著的非线性时变系统，它的振动变化规律非常复杂，经常会出现"不同的故障类型可能表现为相同的振动故障特征，而同一故障类型在不同的条件下又表现出不同的振动故障特征"等�：窒�。人们为了追求准确有效的故障诊断，虽然采取了一系列的诸如全息谱分析、时频细化分析、小波信息处理与特征提取、�：劾嘤牖疑げ饫砺�、基于支持向量机的机电设备状态趋势预测及基于人工神经网络或数据挖掘的智能诊断等有效的先进处理方法，这些监测与诊断手段由于其缺乏更精密的测量方法和没有考虑多参数信息的融合处理等问题，致使对于具有复杂动力学行为的大型旋转机械显得有些不足，常常会出现机组故障不能准确诊断的问题。
发明内容本发明的目的是提供一种旋转机械的光机电多参数精密监测装置，该监测装置对运行中的轴承-转子系统轴承的润滑膜和转子的振动同时进行监测，通过综合润滑膜信号和振动信号，可以对旋转机械的运行状态进行更加准确的监测并准确的诊断出旋转机械的故障。为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案—种旋转机械的光机电多参数精密监测装置，其包括监测转子振动的振动传感器、监测转子键相信号的键相传感器、多参数信号调理装置、数据采集卡及上位机，该监测装置还包括监测旋转机械的滑动轴承润滑膜厚度的光纤位移传感器，所述振动传感器、键相传感器及光纤位移传感器均连接所述多参数信号调理装置，所述多参数调理装置连接数据采集卡，所述数据采集卡连接上位机。所述多参数信号调理装置包括光电转换�？�、振动信号处理�？椋黾嗖庾诱穸恼穸衅骷凹嗖庾蛹嘈藕诺募啻衅髁铀稣穸藕糯砟？椋黾嗖庑档幕岢腥蠡ず穸鹊墓庀宋灰拼衅髁铀龉獾缱荒？�。所述旋转机械的光机电多参数精密监测装置包括至少3个光纤位移传感器，该3个光纤位移传感器中的一个与其它两个的夹角均呈90度。所述旋转机械的光机电多参数精密监测装置包括至少2个监测转子振动的振动传感器，该两个监测转子振动的振动传感器之间的夹角呈90度。3所述振动传感器、键相传感器均采用电涡流传感器，所述光纤位移传感器采用双圈同轴光纤位移传感器。所述光电转换�？橛晒獾缱徊糠�、滤波部分和限压部分组成。所述振动信号处理�？橛煞盅共糠�、滤波部分和限压部分组成。本发明的有益效果本发明实现了以滑动轴承(圆轴承)为支撑的旋转机械的润滑膜和转子振动的综合精密监测；通过本发明的装置，可对运行中的轴承-转子系统轴承的润滑膜和转子的振动同时进行监测；通过润滑膜状态的监测，可知润滑膜的静态工作点以及润滑膜的动态变化情况，对于判断整个系统的运行状态有很大的帮助；通过提取润滑膜的特征和振动信号的特征，并将其应用于旋转机械的状态监测和故障诊断，这样可以综合多种信息，提高状态监测和故障诊断的准确性。图1为本发明旋转机械的光机电多参数精密监测装置系统组成框图。图2为光纤位移传感器的安装示意图。图3为监测转子振动的电涡流传感器的安装示意图。图4为监测键相的键相传感器的安装示意图。图5为多参数信号调理装置的光电转换�？榈缏吠�。图6为多参数信号调理装置的振动信号处理�？榈缏吠�。具体实施例方式以下结合发明人给出的具体实施例对本发明作进一步的说明。请参阅图1及图2所示，本发明旋转机械的光机电多参数精密监测装置首先将传感器组安装到轴承-转子系统，其次将传感器组采集到的信号送入多参数调理装置，调理后的信号经采集卡进入上位机，上位机对采集到的多参数信号进行处理，提取信号特征，利用提取的信号特征进行故障诊断。请参阅图1至图3所示，用于监测润滑膜厚度的光纤位移传感器4安装在作为支撑的两个滑动轴承上。在两个支撑滑动轴承7上共有12个测点，即安装12个光纤位移传感器4;光纤位移传感器4是双圈同轴光纤位移传感器，即每个测点的接收端是两路光，因此总共输出24路信号。在一个滑动轴承7上安装6个光纤位移传感器4，靠近每个滑动轴承7的端面(每个轴承7具有2个端面)处安装3个光纤位移传感器，该3个光纤位移传感器4中的一个与其它两个的夹角均呈90度，其中安装光纤位移传感器4的中心线应离滑动轴承7的端面距离不小于5mm。光纤位移传感器4安装前，要在原有滑动轴承7上打孔，在轴承座6上设有螺纹孔，光纤位移传感器4在轴承座6上的安装位置可以由螺纹管5来调整，以避免光纤的扭动，螺纹管5位置确定后由锁紧螺母2锁紧其位置；由拧紧螺母3将光纤探头固定到螺纹管上，打孔的光纤传感器4的探头外径为①2mm，这种结构的改变对原来滑动轴承的使用没有影响。请参阅图4所示，用于监测转子1振动的振动传感器8采用电涡流传感器8，每个测点安装两路电涡流传感器8，该两路电涡流传感器8之间的夹角为90°，振动传感器的安装个数和位置根据需要确定，本发明的调理装置最多支持6路振动传感器输出信号的调理。请参阅图4所示，用于监测转子1的键槽9的键相信号的键相传感器10同样采用电涡流传感器io，根据轴承_转子系统的键相槽位置进行安装。请参阅图5及图6所示，多参数信号调理装置由光电转换�？�、振动信号处理模块组成，其中振动信号处理�？榭梢酝瓿啥哉穸藕藕图嘈藕诺牡骼恚痉⒚髦卸嗖问藕诺骼碜爸米疃嗫梢远怨庀宋灰拼衅�4监测得到的24路光纤位移信号(12个测点)、电涡流传感器8监测得到的6路振动信号(3个测点)和电涡流传感器10监测得到的1路键相信号进行调理。各模块输出的电压信号都进行了限压，保证进入采集卡的信号电压在采集卡采集电压范围内。多参数信号调理装置的光电转换�？榈慕涌诓捎肍C接头。光纤传感器4的发射端通过FC接头可快速接入激光器，同时提高光发射的光强，提高了信噪比，接收端通过FC接口可直接接入调理�？橄喽杂Φ慕涌冢迪挚焖倭樱⑹沟媒邮展饽茏既范宰脊獾缱恍酒�。光电转换�？橛晒獾缱徊糠�、滤波部分和限压部分组成。由于采用了FC接口，增加了光电转换部分接收的光强，即增加了光电转换部分的输出电压信号，因此该调理电路光电转换部分输出端无需放大电路。光电转换采用0PT101进行光电装换，滤波器选择性能稳定的通用放大器0P07作为滤波器的运放，信号从运放的同相端输入，滤波器的输入阻抗很大，输出阻抗很小。限压部分采用稳压二极管，限制进入采集卡的电压，保护采集卡。振动信号处理模块可对振动信号和键相信号进行调理，该�？橛煞盅共糠帧⒙瞬ú糠趾拖扪共糠肿槌�。分压部分采用两个阻值大小一样的电阻进行分压，滤波部分选择性能稳定的通用放大器0P07作为滤波器的运放，信号从运放的同相端输入，滤波器的输入阻抗很大，输出阻抗很小。限压部分采用稳压二极管，限制进入采集卡的电压，保护采集卡。本发明采集卡采用NI公司的NI6225数据采集卡，其可以实现对调理后的多参数信号进行A/D转换、采集并向上位PC机传输数据。上位机对数据采集卡上传的信号进行处理1)提取润滑膜的多维特征利用动态信号分析处理方法，在时域、频域以及时频域对测取的润滑膜三维立体动态变化信息进行在线分析，提取润滑膜的多维变化特征，包括润滑膜最小油膜厚度的位置与变化特性、润滑膜三维立体变化特性，以及相应的频谱特性与分布规律；2)提取振动信号特征分别在时域、频域以及时频域对振动信号进行处理得到振动信号的特征；3)提取键相信号特征对键相信号进行处理，得到转子转速以及相位信息。通过动力学分析和领域内已有的知识，建立各种故障下的基于润滑膜状态和振动信号的专家知识库，利用粗糙集对振动特征和润滑膜特征进行约简来进行故障诊断。转子不平衡一般由质量偏心、转子弓形弯曲等原因引起，如果采用传统的方法只进行振动监测，由于质量偏心、转子弓形弯曲等原因引起的转子不平衡的振动信号特征频率、振动稳定性、轴心轨迹及进动方向相同，故信号简约后通过专家知识库只能判断出为转子不平衡故障，而不能精确的判断出转子不平衡故障具体由何种原因引起的，造成维修人员需要针对造成转子不平衡的原因进行逐一排查，然后找到原因后再进行维修，给维修人员带来诸多不便。5本发明光机电多参数精密监测装置同时对转子振动信号、润滑膜信号及键相信号进行监测，可以通过综合振动信号和润滑膜信号的信息来综合判断，这样相对于现有监测方法，可以更加准确的判断出旋转机械的具体故障，使维修人员能够及时、准确的排除故障，保证旋转机械的运行，下面结合具体的例子对本发明光机电多参数精密监测装置做详细说明。实施例请参阅图1至图6所示，光纤位移传感器4测得润滑膜信号后传递给多参数信号调理装置的光电转换�？椋还獾缱荒？槎怨庀宋灰拼衅�4测得润滑膜信号进行光电转换、滤波及限压后传给数据采集卡；数据采集卡对信号进行A/D转换后传给上位机；上位机利用动态信号分析处理方法，在时域、频域以及时频域对测取的润滑膜动态变化信息进行在线分析，提取润滑膜的多维变化特征，包括润滑膜最小油膜厚度的位置与变化特性、润滑膜三维立体变化特性，以及相应的谱特性与分布规律。电涡流传感器8和电涡流传感器10测得转子的振动信号和键相信号后经自带的前置放大器放大后传给多参数信号调理装置的振动信号处理�？椋徽穸藕藕图嘈藕沤蟹盅�、滤波和限压后传给数据采集卡；数据采集卡对信号进行A/D转换后传给上位机；上位机进行提取振动信号特征和提取键相信号特征。如上述信号特征约简后为振动信号特征频率为1倍频；振动稳定性为稳定；轴心轨迹为椭圆；进动方向为正进动；最小油膜厚度变化范围为较大；轴承两个端面最小油膜厚度位置角差值的方差为较大；轴颈轴线与轴瓦轴线夹角为较大；油膜厚度动态信号特征频率为l倍频高。然后再查找专家知识库便可以准确的确定出故障的准确原因。表1领域专家知识1)质量偏心引起的转子不平衡振动信号特征频率1倍频高振动稳定性禾急g轴心轨迹椭圆进动方向正进动最小油膜厚度变化范围较大轴承两个端面最小油膜厚度位置角差值的方差较小轴颈轴线与轴瓦轴线夹角较小油膜厚度动态信号特征频率1倍频高2)转子弓形弯曲引起的不平衡6<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>通过表1专家知识领域可以清楚的查到，实施例中本发明光机电多参数精密监测装置监测到的信号约简后对应的故障应该为转子弓形弯曲引起的不平衡，这样维修人员能够及时、准确的排除故障，保证旋转机械的运行；如果采用传统的方法只进行振动监测，就只能判断出故障为转子不平衡故障，但是不能准确的判断出转子不平衡故障是由质量偏心、转子弓形弯曲引起的，造成维修人员需要针对造成转子不平衡的原因进行逐一排查，然后找到原因后再进行维修，给维修人员带来诸多不便。权利要求一种旋转机械的光机电多参数精密监测装置，其包括监测转子(1)振动的振动传感器(8)、监测转子(1)键相信号的键相传感器(10)、多参数信号调理装置、数据采集卡及上位机，其特征在于该监测装置还包括监测旋转机械的滑动轴承(7)润滑膜厚度的光纤位移传感器(4)，所述振动传感器(8)、键相传感器(10)及光纤位移传感器(4)均连接所述多参数信号调理装置，所述多参数调理装置连接数据采集卡，所述数据采集卡连接上位机。2.如权利要求1所述旋转机械的光机电多参数精密监测装置，其特征在于所述多参数信号调理装置包括光电转换�？�、振动信号处理�？椋黾嗖庾�(1)振动的振动传感器(8)及监测转子(1)键相信号的键相传感器(10)连接所述振动信号处理模块，所述监测旋转机械的滑动轴承(7)润滑膜厚度的光纤位移传感器(4)连接所述光电转换�？�。3.如权利要求1所述旋转机械的光机电多参数精密监测装置，其特征在于所述旋转机械的光机电多参数精密监测装置包括至少3个光纤位移传感器(4)，该3个光纤位移传感器(4)中的一个与其它两个的夹角均呈90度。4.如权利要求1所述旋转机械的光机电多参数精密监测装置，其特征在于所述旋转机械的光机电多参数精密监测装置包括至少2个监测转子(1)振动的振动传感器(S)，该两个监测转子(1)振动的振动传感器(8)之间的夹角呈90度。5如权利要求1所述旋转机械的光机电多参数精密监测装置，其特征在于所述振动传感器(8)、键相传感器(10)均采用电涡流传感器，所述光纤位移传感器(4)采用双圈同轴光纤位移传感器。6.如权利要求2所述旋转机械的光机电多参数精密监测装置，其特征在于所述光电转换�？橛晒獾缱徊糠帧⒙瞬ú糠趾拖扪共糠肿槌�。7.如权利要求2所述旋转机械的光机电多参数精密监测装置，其特征在于所述振动信号处理�？橛煞盅共糠�、滤波部分和限压部分组成。全文摘要本发明涉及一种旋转机械的光机电多参数精密监测装置，其包括监测转子振动的振动传感器、监测转子键相信号的键相传感器、多参数信号调理装置、数据采集卡及上位机，该监测装置还包括监测旋转机械的滑动轴承润滑膜厚度的光纤位移传感器，所述振动传感器、键相传感器及光纤位移传感器均连接所述多参数信号调理装置，所述多参数调理装置连接数据采集卡，所述数据采集卡连接上位机。该种监测装置通过提取润滑膜的特征和振动信号的特征，并将其应用于旋转机械的状态监测和故障诊断，这样可以综合多种信息，提高状态监测和故障诊断的准确性。文档编号G01B11/06GK101776508SQ20101001360公开日2010年7月14日申请日期2010年1月19日优先权日2010年1月19日发明者刘春翔,张小栋,张平,杨亮,杨卫志,范红红申请人:西安交通大学
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