CN107024332A - 一种模拟旋转机械伪振动故障的实验装置 - Google Patents
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Abstract
一种模拟旋转机械伪振动故障的实验装置，包括转子，转子由两个轴承支撑，转子和电机同轴连接，转子上靠轴承附近的位置安装有表面有缺陷的轴套，转子与偏心轮的外圆保持接触，偏心轮安装在轴向激励电机上；轴向激励电机和B调速器连接，电机和A调速器连接；两个电涡流传感器对准转子完好的检测表面，两个电涡流传感器对准轴套的表面缺陷，电涡流传感器通过前置放大器、数据采集箱与计算机连接，计算机安装有数据采集与分析软件；本发明实现了对轴向振动诱发的伪振动故障的现象及其故障消除等过程的模拟，直观地展示了由轴向振动诱发的伪振动故障机理，为消除该类型的伪振动故障提供了可供借鉴的思路与直接经验。
Description
技术领域
本发明属于旋转机械故障诊断技术领域，具体涉及一种模拟旋转机械伪振动故障的实验装置。
背景技术
由于旋转机械设备的振动信号蕴含大量的设备动态信息，基于振动信号的设备健康监测与诊断分析方法受到国内外诸多研究人员的青睐，为保护设备及开展预知性维护工作提供极其重要的诊断信息。为了获取设备的振动信息，电涡流传感器、激光位移传感器等非接触式振动位移传感器被广泛应用于旋转机械振动采集过程中。然而，这些传感器实际的测量结果极容易受到转子振动检测表面质量以及工作环境的影响，测量结果中极易出现虚假的振动信号或伪振动信号，因此实际采集到的信号往往由真实的机械振动信号与伪振动信号两部分组成。伪振动信号对设备健康运行状态的危害极大，一旦伪振动信号的比重较大，它与真实的振动信号相混叠后，将诱发设备振动表现出明显波动或高幅度等特点，有时甚至导致设备出现跳车等非计划性停机事故，严重影响着设备的连续、平稳、安全运行。因此，设备伪振动故障的精确识别对于提高故障检修效率、防止设备过度维修具有重要的工程价值。
导致设备出现伪振动问题的因素有很多，其表现形式也具有多样性。对于不同类型的伪振动故障，其精确识别与处理的难度具有较大的差异性。如果伪振动故障具有一些比较鲜明的故障特点，往往容易实现精确识别与处理。例如，当振动检测表面有局部凹坑或凸点时，其伪振动信号常常表现为振动波形上存在周期性的脉冲信号，信号的故障频率一般为转频及高次谐频；当振动检测表面的机械或电气跳动超差时，设备往往在低速盘车时表现为轴振动幅度较大。而对于由轴向振动诱发的一系列伪振动问题，由于故障信号形成机理十分复杂，并且故障特点与其它故障相似，在实际过程中往往难以对其进行精确诊断。特别是在该类问题的实际处理过程中，由于其产生机理十分复杂，很难对缺乏专业知识背景的一线设备管理者和检修人员清晰地阐述其故障原理，在一定程度上影响了设备的故障检修效率，严重时甚至会使得设备出现过度维修。而现有的旋转机械振动故障实验装置还无法模拟轴向振动诱发的转子伪振动故障，给该类伪振动故障的精密诊断带来很多困扰。因此，如何通过实验装置模拟由轴向振动诱发的伪振动故障，向一线设备管理者清晰、直观地阐述其故障机理、信号产生过程及故障消除方法，是实践过程中提高旋转机械伪振动故障精确识别率与现场检修效率亟需解决的问题。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供了一种模拟旋转机械伪振动故障的实验装置，实现了对轴向振动诱发的伪振动故障的现象及其故障消除等过程的模拟，直观地展示了由轴向振动诱发的伪振动故障机理，为消除该类型的伪振动故障提供了可供借鉴的思路与直接经验。
为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种模拟旋转机械伪振动故障的实验装置，包括转子5，转子5由联轴器端轴承3与自由端轴承6支撑，转子5的输入端通过挠性联轴器2和电机1输出轴同轴连接，转子5上靠近联轴器端轴承3处安装有表面有缺陷的轴套4，转子5的自由侧端面与偏心轮8的外圆保持接触，偏心轮8安装在轴向激励电机7的输出轴上，轴向激振电机7的输出轴与转子5的轴心线相互垂直，联轴器端轴承3、自由端轴承6、电机1与轴向激励电机7均固定在底座9上；
轴向激励电机7的控制输入和B调速器20的控制输出连接，B调速器20的信号输入和轴向激励电机7的输出轴旁边设置的B测速探头21的信号输出连接；电机1的控制输入和A调速器19的控制输出连接，A调速器19的信号输入和电机1的输出轴旁边设置的A测速探头16的信号输出连接；A调速器19、B调速器20以及A测速探头16、B测速探头21构成调速系统；
自由端轴承6附近的同一截面上相互垂直地设置有1#电涡流传感器10、2#电涡流传感器11，1#电涡流传感器10、2#电涡流传感器11对准转子5完好的检测表面；联轴器端轴承3附近的同一截面上相互垂直地设置有3#电涡流传感器12、4#电涡流传感器13，3#电涡流传感器12、4#电涡流传感器13对准轴套4的表面缺陷；电机1输出轴上的键槽处安装有键相传感器15；1#电涡流传感器10、2#电涡流传感器11、3#电涡流传感器12、4#电涡流传感器13、键相传感器15的信号输出端通过前置放大器14、数据采集箱17和计算机18的输入连接，计算机18安装有数据采集与分析软件；1#电涡流传感器10、2#电涡流传感器11、3#电涡流传感器12、4#电涡流传感器13、键相传感器15、前置放大器14、数据采集箱17、计算机18构成数据采集系统。
所述的轴套4的部分外圆为圆锥面，用于模拟测振表面缺陷，圆锥面的圆锥角β在1度与30度之间，圆锥面外圆径向总跳动小于0.02mm，缺陷表面的宽度d大于3#电涡流传感器12的直径，轴套4通过过盈配合固定在转子5上。
所述的偏心轮8的偏心距e小于挠性联轴器2所允许的轴向压缩量的一半。
本发明的有益效果为：通过构建故障实验装置，实现了对轴向振动诱发的伪振动故障现象及其故障消除等过程的模拟，清晰、直观地展示了由轴向振动诱发的伪振动故障机理，获得了该类型故障的特征征兆，验证了理论分析结论的正确性，为消除该类型故障提供了可供借鉴的直接经验，有利于旋转机械伪振动故障的精确识别与快速处理，具有重要的工程应用价值。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是表面有缺陷的轴套4示意图。
图3是偏心轮8的示意图。
图4是径向振动与轴向振动同时存在时联轴器端轴承3处的波形与频谱。
图5是径向振动与轴向振动同时存在时自由端轴承6处的波形与频谱。
图6是仅有径向振动、无轴向振动时联轴器端轴承3处的波形与频谱。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细阐述。
参考图1，一种模拟旋转机械伪振动故障的实验装置，包括转子5，转子5由联轴器端轴承3与自由端轴承6支撑，转子5的输入端通过挠性联轴器2和电机1输出轴同轴连接，转子5上靠近联轴器端轴承3处安装有表面有缺陷的轴套4，转子5的自由侧端面与偏心轮8的外圆保持接触，偏心轮8安装在轴向激励电机7的输出轴上，轴向激振电机7的输出轴与转子5的轴心线相互垂直，联轴器端轴承3、自由端轴承6、电机1与轴向激励电机7均固定在底座9上；
轴向激励电机7的控制输入和B调速器20的控制输出连接，B调速器20的信号输入和轴向激励电机7的输出轴旁边设置的B测速探头21的信号输出连接；电机1的控制输入和A调速器19的控制输出连接，A调速器19的信号输入和电机1的输出轴旁边设置的A测速探头16的信号输出连接；A调速器19、B调速器20以及A测速探头16、B测速探头21构成调速系统；
自由端轴承6附近的同一截面上相互垂直地设置有1#电涡流传感器10、2#电涡流传感器11，1#电涡流传感器10、2#电涡流传感器11对准转子5完好的检测表面；联轴器端轴承3附近的同一截面上相互垂直地设置有3#电涡流传感器12、4#电涡流传感器13，3#电涡流传感器12、4#电涡流传感器13对准轴套4的表面缺陷；电机1输出轴上的键槽处安装有键相传感器15；1#电涡流传感器10、2#电涡流传感器11、3#电涡流传感器12、4#电涡流传感器13、键相传感器15的信号输出端通过前置放大器14、数据采集箱17和计算机18的输入连接，计算机18安装有数据采集与分析软件；1#电涡流传感器10、2#电涡流传感器11、3#电涡流传感器12、4#电涡流传感器13、键相传感器15、前置放大器14、数据采集箱17、计算机18构成数据采集系统。
参考图2，所述的轴套4的左侧部分外圆为圆锥面，用于模拟测振表面缺陷，圆锥角β为10度,圆锥面的宽度d为12mm，圆锥面外圆径向总跳动小于0.02mm，缺陷表面的宽度大于3#电涡流传感器12的直径，轴套4通过过盈配合固定在转子5上。
参考图3，所述的偏心轮8的偏心距e＝0.20mm，偏心轮8采用间隙配合方式安装在轴向激励电机7的转子外伸端。
下面结合附图和实施例对本发明中的实验方法作进一步详细阐述。
本发明的工作原理为：
1)打开A调速器19的运行开关，调节电机1的转速至ω＝1500rpm，驱动转子5以相同转速发生旋转运动，在自身不平衡激振力作用下转子5发生径向同步振动；
2)打开B调速器20的运行开关，调整轴向激励电机7的转速至ωz＝180rpm，驱动偏心轮8以相同转速进行转动，由于偏心轮8的外圆与转子5的自由端面始终保持接触，在偏心轮8产生的轴向激振力作用下，转子5出现频率为3Hz的轴向振动，转子5产生的实际轴向振动幅度为0.29mm，从而可以模拟实际转子同时存在径向振动与轴向振动的运行状态；
3)启动计算机18上的数据采集与分析软件，完成组态设置后，采集联轴器端轴承3与自由端轴承6处的振动信号，对其进行波形与FFT频谱对比分析，如图4、图5所示：不难发现，3#电涡流传感器12、4#电涡流传感器13从轴套4的缺陷表面采集的振动信号除了存在25Hz的同步振动分量外，还包含伪振动分量，该伪振动分量的特征频率为3Hz，与轴向激振频率ωz完全一致，而1#电涡流传感器10、2#电涡流传感器11从自由端轴承6处完好表面采集的振动信号中不存在频率为3Hz的振动分量，说明测振表面缺陷是诱发伪振动信号的一个重要因素；
4)将轴向激励电机7的转速调整至ωz＝0，偏心轮8处于静止状态，转子5的轴向振动消失，转子5只发生旋转运动；
5)采集联轴器端轴承3与自由端轴承6处的振动信号，自由端轴承6处的波形与FFT频谱如图6所示：不难看出，当转子5的轴向振动消除后，联轴器端轴承6处振动信号中与轴向激振频率一致、频率为3Hz的伪振动分量也随之消失，说明轴向振动是诱发伪振动信号的另一个重要因素。
Claims (3)
1.一种模拟旋转机械伪振动故障的实验装置，包括转子(5)，其特征在于：转子(5)由联轴器端轴承(3)与自由端轴承(6)支撑，转子(5)的输入端通过挠性联轴器(2)和电机(1)输出轴同轴连接，转子(5)上靠近联轴器端轴承(3)处安装有表面有缺陷的轴套(4)，转子(5)的自由侧端面与偏心轮(8)的外圆保持接触，偏心轮(8)安装在轴向激励电机(7)的输出轴上，轴向激振电机(7)的输出轴与转子(5)的轴心线相互垂直，联轴器端轴承(3)、自由端轴承(6)、电机(1)与轴向激励电机(7)均固定在底座(9)上；
轴向激励电机(7)的控制输入和B调速器(20)的控制输出连接，B调速器(20)的信号输入和轴向激励电机(7)的输出轴旁边设置的B测速探头(21)的信号输出连接；电机(1)的控制输入和A调速器(19)的控制输出连接，A调速器(19)的信号输入和电机(1)的输出轴旁边设置的A测速探头(16)的信号输出连接；A调速器(19)、B调速器(20)以及A测速探头(16)、B测速探头(21)构成调速系统；
自由端轴承(6)附近的同一截面上相互垂直地设置有1#电涡流传感器(10)、2#电涡流传感器(11)，1#电涡流传感器(10)、2#电涡流传感器(11)对准转子(5)完好的检测表面；联轴器端轴承(3)附近的同一截面上相互垂直地设置有3#电涡流传感器(12)、4#电涡流传感器(13)，3#电涡流传感器(12)、4#电涡流传感器(13)对准轴套(4)的表面缺陷；电机(1)输出轴上的键槽处安装有键相传感器(15)；1#电涡流传感器(10)、2#电涡流传感器(11)、3#电涡流传感器(12)、4#电涡流传感器(13)、键相传感器(15)的信号输出端通过前置放大器(14)、数据采集箱(17)和计算机(18)的输入连接，计算机(18)安装有数据采集与分析软件；1#电涡流传感器(10)、2#电涡流传感器(11)、3#电涡流传感器(12)、4#电涡流传感器(13)、键相传感器(15)、前置放大器(14)、数据采集箱(17)、计算机(18)构成数据采集系统。
2.根据权利要求1所述的一种模拟旋转机械伪振动故障的实验装置，其特征在于：所述的轴套(4)的部分外圆为圆锥面，用于模拟测振表面缺陷，圆锥面的圆锥角β在1度与30度之间，圆锥面外圆径向总跳动小于0.02mm，缺陷表面的宽度d大于3#电涡流传感器(12)的直径，轴套(4)通过过盈配合固定在转子(5)上。
3.根据权利要求1所述的一种模拟旋转机械伪振动故障的实验装置，其特征在于：所述的偏心轮(8)的偏心距e小于挠性联轴器(2)所允许的轴向压缩量的一半。
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