CN110441054A - 联轴器连接状态下旋转机械轴系不对中故障状态检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种联轴器连接状态下旋转机械轴系不对中故障状态检测方法，包括步骤：(1)在联轴器两侧转轴选定截面分别布置应变片，并将应变片的输出信号连接至应变仪；(2)通过应变仪测试低速旋转过程中，两个截面在不同角度处的弯曲应变值；(3)根据轴截面参数和实测弯曲应变值计算得到测量截面处的弯矩，进而求出测量截面处的剪力；(4)根据应变测量截面处的弯矩和剪力，计算得到联轴器连接螺栓所承受的剪力和弯矩；(5)计算在联轴器螺栓剪力和弯矩作用下引起的轴承载荷变化量，以轴承载荷变化量与轴承载荷理论值的比值作为衡量和评判轴系不对中故障严重程度的指标。采用该方法的检测结果能够真实地反映轴系对中状态。

Description

联轴器连接状态下旋转机械轴系不对中故障状态检测方法

技术领域

本发明涉及动力机械及工程领域中一种故障状态监测和评判方法，具体涉及一种联轴器连接状态下旋转机械轴系不对中故障状态检测方法。

背景技术

大型旋转机械，如：汽轮发电机组、燃气轮发电机组、汽轮鼓风机等，其轴系通常是由多跟转子(2根或2根以上)组成，转子和转子之间通过联轴器相连。为了保证设备工作时的安全稳定运行，对转子和转子之间连接时轴系对中状态要求较高。轴系不对中将会导致联轴器螺栓承受除扭矩之外的附加剪力和弯矩，导致联轴器螺栓损坏，并改变系统中轴承工作状态，导致大幅振动。旋转机械工作转速越高，对轴系对中标准的要求越严。随着旋转机械向大型化方向发展以及现代工业对机组安全稳定运行的要求越来越高，检测轴系多转子连接时的对中状态，并在此基础上在机组安装和检修时对轴系连接状态进行调整就显得越来越重要。

目前所采用的测试方法主要有三种：

(1)百分表法，百分表法测试时需要在联轴器一侧架设百分表，百分表指针顶在联轴器另一侧端面上。将联轴器螺栓拆除后记录百分表读数值，作为初始值。用螺栓将联轴器连接起来，转动到另外一个角度后再拆除螺栓，记录该角度处百分表读数。重复上述过程，得到不同角度下百分表读数值，据此计算联轴器张口和高低差值，并以此作为两个转子对中状态的评判标准。这种方法在工程上得到广泛应用。但是由于需要反复解开联轴器螺栓进行测试，耗时和工作量较大。这种方法检测转子之间的对中状态只能逐根转子进行，耗时较多。

(2)振动反推法，测试联轴器两侧轴承振动信号波形和频谱，根据联轴器两侧振动信号的特征，如：幅值差异、相位差异、频率特征等，反推轴系不对中状态和严重程度。振动影响因素较多，如不平衡、不对中、摩擦等，这些故障本质上都属于强迫振动，故障特征之间具有较强的相似性，故障和征兆之间的关系比较复杂。根据振动特征只能定性分析轴系不对中状态，难以做到准确、定量分析和评判。

(3)轴承油压法，在轴承底部开油压测量孔，测试机组运行状态下各轴承下部油膜压力，根据油膜压力高低分析轴承载荷状态，根据轴承载荷轻重状态评判轴系对中状态。如果轴承载荷重，说明该轴承标高偏高；如果轴承载荷轻，说明该轴承标高偏低。轴承标高偏高或偏低，都说明轴系转子之间存在不对中偏差。这种方法属于反推法。根据油膜压力高低只能定性反映轴系对中状态偏差情况，难以做到定量分析。因为测压孔位置偏差等方面的原因，油膜压力测量值难以准确反映轴承载荷状态。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术的缺陷，本发明公开了一种联轴器连接状态下旋转机械轴系不对中故障状态检测方法，采用该方法的检测结果能够真实地反映轴系对中状态，可以作为评判旋转机械轴系不对中故障的指标。

技术方案：本发明所述的一种联轴器连接状态下旋转机械轴系不对中故障状态检测方法，包括如下步骤：

(1)在联轴器两侧转轴选定截面分别布置应变片，并将应变片的输出信号连接至应变仪；

(2)通过应变仪测试低速旋转过程中，两个截面在不同角度处的弯曲应变值；

(3)根据轴截面参数和实测弯曲应变值计算得到测量截面处的弯矩，进而求出测量截面处的剪力；

(4)根据应变测量截面处的弯矩和剪力，计算得到联轴器所承受的剪力和弯矩；

(5)计算在联轴器剪力和弯矩作用下引发的轴承载荷变化量；轴系对中状态下，联轴器只传递扭矩，对转子不起约束作用，将其作为转子的自由端，根据转子结构参数，计算得到联轴器两侧轴承载荷理论值，以该载荷理论值作为对中评判时的基准载荷；以联轴器剪力和弯矩作用下引发的轴承载荷变化量与轴承载荷理论值的比值作为衡量和评判轴系不对中故障严重程度的指标。

本发明的理论依据是：在轴系对中状态下，联轴器两个端面贴合在一起，两个端面之间不存在张口和高低差。此时，联轴器只承受扭矩，没有剪力和弯矩。轴系不对中状态下，因为两根转子中心偏差，联轴器两个端面存在张口和高低差，用螺栓将两个端面连接后，螺栓就要承受附加的剪力和弯矩。在附加剪力和弯矩作用下，联轴器两侧轴承载荷就会发生变化。根据轴承载荷变化量和轴承载荷值的比值，可以判定轴系对中状态。

其中，所述步骤(1)中，选定截面所采用的方法是在转轴的圆周面划分刻度，以正上方为0°，正下方为180°，轴系各应变测点所处角度均按照同样的角度定义。

具体的，在每一个选定截面处布置的应变片采用全桥布置模式，在圆周面的0°和180°处各布置两片平行的应变片并构成一组。

所述步骤(2)中，测量弯曲应变值所采用的方法是，盘动转子，测量转轴旋转一周过程中0°标记旋转到0°、180°时各应变片输出信号，分别记为：S_0°、S_180°。

作为优选，为了消除误差，测试前可连续盘动转子多周，测试开始后以多周内的平均值作为相应角度处应变输出信号值，分别记为：S_0o、S_180°。

所述步骤(3)中，截面处弯矩M的计算公式为：

其中，E为转轴弹性模量，由材料决定；W为截面模量，D为转轴的外径，d为转轴的内径。

具体的，求出测量截面处的剪力所采用的方法是：建立计算分析模型，将联轴器轴段视为变截面连续梁，在各应变测量截面处将轴系断开成一个单元段，首端由第一个应变测量截面组成，尾端由第二个应变测量截面组成，在单元段内由单元内转轴结构参数和单元两端所测弯矩，按材料力学中力和力矩平衡原理，列出力平衡和力矩平衡的两个方程组，其中未知数为单元两端截面的剪力；通过力平衡和力矩平衡的两个方程组求得单元两端截面处的剪力Q^L,Q^R。

作为其中一个优选，所述单元段内力平衡和力矩平衡方程如下：

式中，L₁、L₂、L₃、L₄、L₁₁、L₂₂、L₃₃、L₄₄、L₅₅为单元段中各部分的长度；d₁、d₂、d₃、d₄分别为不同直径轴的直径；M^L,M^R为两端弯矩，根据应变片测量值由式(1)求得。

进一步的，所述步骤(4)中，联轴器所承受的剪力和弯矩的计算公式为：

式中，Q^C,M^C分别为联轴器所承受的剪力和弯矩。

所述步骤(5)中，计算在联轴器剪力和弯矩作用下引发的轴承载荷变化量所采用的公式为：

式中，L₁₂、L₃₄、L_1c、L_4c为单元段中各部分的长度，是已知量；Q^C,M^C分别为联轴器所承受的剪力和弯矩，由式(3)求得；ΔF₁,ΔF₂,ΔF₃,ΔF₄为联轴器剪力和弯矩而引起的4个轴承的载荷变化量；

联轴器两侧4个轴承载荷理论值记为F₁ ⁰,F₂ ⁰,F₃ ⁰,F₄ ⁰，以该载荷理论值作为对中评判时的基准载荷；轴承对中偏差定义为：

式中，δ为轴承对中偏差。

有益效果：与现有技术相比，该检测方法具有如下优点：

(1)该方法提出了一种新的联轴器对中状态检测技术，是对传统百分表法的有益补充；

(2)该方法可以实现不解联轴器螺栓时轴系不对中故障的检测和评判，工作量小，耗时少，具有快速、方便特点；

(3)该方法可以同时针对轴系中多个联轴器进行；

(4)测试时轴系所处状态即为轴系实际工作状态，测试结果可以真实地反映轴系对中状态。

附图说明

图1为实施例中汽轮发电机组轴系中应变片测量点布置示意图；

图2为测量截面上应变片布置方式；

图3为单元受力分析图；

图4为联轴器剪力和弯矩作用下轴承载荷变化计算分析模型。

具体实施方式

本实施例以某600MW汽轮发电机组轴系为例，实施本发明所述的一种联轴器连接状态下旋转机械轴系不对中故障状态检测方法，以此来对本发明做进一步详细说明。

如图1所示，轴系上设置有高压缸1、第一低压缸2、第二低压缸3、发电机4和励磁机5。还设置轴承6-14、联轴器15-18。实施本发明的不对中故障状态检测方法时在各个轴上分别设置应变片19-26，并设置应变仪27。具体而言，联轴器两侧的轴端各设置一组应变片，且各应变片的信号输出端均接入应变仪27的信号输入端。

该方法的步骤包括：

(1)如图2所示，在转轴上划分刻度，以正上方为0°，正下方为180°，轴系各应变测点所处角度必须采用如上述所示同一个角度定义。

再次参阅图1所示，在汽轮发电机组待测联轴器两侧轴段选定截面上各黏贴一组应变片，该测量截面应尽量远离联轴器端面，靠近轴承端面。每一测量截面处的应变片采用全桥布置模式，即圆周表面0°和180°处各布置两片平行的测量弯矩应变片，横截面上的4个应变片构成一组，采用应变测量理论中的全桥测量电路模式测试截面应变。将测量截面处4个应变片的输出信号接至应变仪，测量各点应变信号。

(2)盘动转子，测量转轴旋转一周过程中0°标记旋转到0°、180°时各应变片输出信号。为消除误差，测试前可先将转子连续盘动若干周。测试开始后，以若干周内的平均值作为相应角度处应变输出信号值，分别记为：S_0°、S_180°。

(3)根据轴截面参数和实测弯曲应变值计算得到测量截面处的弯矩，计算公式为：

其中，E为转轴弹性模量，由材料决定；W为截面模量，D为转轴的外径，d为转轴的内径。

进而求出测量截面处的剪力，具体的，求出测量截面处的剪力所采用的方法是：建立计算分析模型，本实施例中，以其中第一组联轴器为例，其余联轴器可以采用同样的分析方法。如图3所示，将联轴器轴段视为变截面连续梁。在各应变测量截面处将轴系断开成一个单元段，首端由第一个应变测量截面组成，尾端由第二个应变测量截面组成。在单元段内由单元内转轴结构参数和单元两端所测弯矩，按材料力学中力和力矩平衡原理，可以列出力平衡和力矩平衡的两个方程组，其中未知数为单元两端截面的剪力。

请继续参阅图3，图中L₁、L₂、L₃、L₄、L₁₁、L₂₂、L₃₃、L₄₄、L₅₅为单元段中各部分的长度，是已知量；d₁、d₂、d₃、d₄分别为不同直径轴的直径，是已知量；M^L,M^R为两端弯矩，根据应变片测量值由式(1)计算得到，是已知量；Q^L,Q^R为两端剪力，是未知量。单元段内力平衡和力矩平衡方程如下：

(4)根据应变测量截面处的弯矩和剪力，计算得到联轴器所承受的剪力和弯矩；计算公式为：

式中，Q^C,M^C分别为联轴器所承受的剪力和弯矩。

(5)计算在联轴器剪力和弯矩作用下引发的轴承载荷变化量，请参阅图4，计算公式为：

式中，L₁₂、L₃₄、L_1c、L_4c为单元段中各部分的长度，是已知量；Q^C,M^C分别为联轴器所承受的剪力和弯矩，由式(3)求得，是已知量；ΔF₁,ΔF₂,ΔF₃,ΔF₄为联轴器剪力和弯矩而引起的4个轴承的载荷变化量，是未知量。

以联轴器剪力和弯矩作用下引发的轴承载荷变化量与轴承载荷理论值的比值作为衡量和评判轴系不对中故障严重程度的指标。

当轴系对中状态下，联轴器只传递扭矩，对转子不起约束作用，将其看作是转子的自由端，根据转子结构参数，计算得到联轴器两侧4个轴承载荷理论值，记为F₁ ⁰,F₂ ⁰,F₃ ⁰,F₄ ⁰，以该载荷理论值作为对中评判时的基准载荷；轴承对中偏差定义为：

式中，δ为轴承对中偏差。

Claims (10)

1.一种联轴器连接状态下旋转机械轴系不对中故障状态检测方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)在联轴器两侧转轴选定截面分别布置应变片，并将应变片的输出信号连接至应变仪；

(2)通过应变仪测试低速旋转过程中，两个截面在不同角度处的弯曲应变值；

(3)根据轴截面参数和实测弯曲应变值计算得到测量截面处的弯矩，进而求出测量截面处的剪力；

(4)根据应变测量截面处的弯矩和剪力，计算得到联轴器所承受的剪力和弯矩；

(5)计算在联轴器剪力和弯矩作用下引发的轴承载荷变化量；轴系对中状态下，联轴器只传递扭矩，对转子不起约束作用，将其作为转子的自由端，根据转子结构参数，计算得到联轴器两侧轴承载荷理论值，以该载荷理论值作为对中评判时的基准载荷；以联轴器剪力和弯矩作用下引发的轴承载荷变化量与轴承载荷理论值的比值作为衡量和评判轴系不对中故障严重程度的指标。

2.根据权利要求1所述的联轴器连接状态下旋转机械轴系不对中故障状态检测方法，其特征在于，所述步骤(1)中，选定截面所采用的方法是在转轴的圆周面划分刻度，以正上方为0°，正下方为180°，轴系各应变测点所处角度均按照同样的角度定义。

3.根据权利要求2所述的联轴器连接状态下旋转机械轴系不对中故障状态检测方法，其特征在于，在每一个选定截面处布置的应变片采用全桥布置模式，在圆周面的0°和180°处各布置两片平行的应变片并构成一组。

4.根据权利要求3所述的联轴器连接状态下旋转机械轴系不对中故障状态检测方法，其特征在于，所述步骤(2)中，测量弯曲应变值所采用的方法是，盘动转子，测量转轴旋转一周过程中0°标记旋转到0°、180°时各应变片输出信号，分别记为：S_0°、S_180°。

5.根据权利要求4所述的联轴器连接状态下旋转机械轴系不对中故障状态检测方法，其特征在于，连续盘动转子多周，以多周内的平均值作为相应角度处应变输出信号值，分别记为：S_0°、S_180°。

6.根据权利要求4或5所述的联轴器连接状态下旋转机械轴系不对中故障状态检测方法，其特征在于，所述步骤(3)中，截面处弯矩M的计算公式为：

其中，E为转轴弹性模量，由材料决定；W为截面模量，D为转轴的外径，d为转轴的内径。

7.根据权利要求6所述的联轴器连接状态下旋转机械轴系不对中故障状态检测方法，其特征在于，求出测量截面处的剪力所采用的方法是：建立计算分析模型，将联轴器轴段视为变截面连续梁，在各应变测量截面处将轴系断开成一个单元段，首端由第一个应变测量截面组成，尾端由第二个应变测量截面组成，在单元段内由单元内转轴结构参数和单元两端所测弯矩，按材料力学中力和力矩平衡原理，列出力平衡和力矩平衡的两个方程组，其中未知数为单元两端截面的剪力；通过力平衡和力矩平衡的两个方程组求得单元两端截面处的剪力Q^L,Q^R。

8.根据权利要求7所述的联轴器连接状态下旋转机械轴系不对中故障状态检测方法，其特征在于，所述单元段内力平衡和力矩平衡方程如下：

式中，L₁、L₂、L₃、L₄、L₁₁、L₂₂、L₃₃、L₄₄、L₅₅为单元段中各部分的长度；d₁、d₂、d₃、d₄分别为不同直径轴的直径；M^L,M^R为两端弯矩，根据应变片测量值由式(1)求得。

9.根据权利要求8所述的联轴器连接状态下旋转机械轴系不对中故障状态检测方法，其特征在于，所述步骤(4)中，联轴器所承受的剪力和弯矩的计算公式为：

式中，Q^C,M^C分别为联轴器所承受的剪力和弯矩。

10.根据权利要求9所述的联轴器连接状态下旋转机械轴系不对中故障状态检测方法，其特征在于，所述步骤(5)中，计算在联轴器剪力和弯矩作用下引发的轴承载荷变化量所采用的公式为：

式中，L₁₂、L₃₄、L_1c、L_4c为单元段中各部分的长度，是已知量；Q^C,M^C分别为联轴器所承受的剪力和弯矩，由式(3)求得；ΔF₁,ΔF₂,ΔF₃,ΔF₄为联轴器剪力和弯矩而引起的4个轴承的载荷变化量；

联轴器两侧4个轴承载荷理论值记为F₁ ⁰,F₃ ⁰,以该载荷理论值作为对中评判时的基准载荷；轴承对中偏差定义为：

式中，δ为轴承对中偏差。