汽轮发电机组转子瞬时转速测量中径向振动补偿装置设计

汽轮发电机组是复杂的旋转机械系统,轴系的瞬时转速是反映其工作状态的重要基础参数。本文以转速敏感模块中最常用的测速齿轮-电涡流传感器为例,建立传感器输出模型,研究了转子径向振动对传感器输出特性的影响,在此基础上设计了补偿装置,并进行了实验研究。通过对结果的时域及频域分析表明,合成后的输出信号中基本抑制了径向振动对电涡流传感器的输出信号的影响。     

柴油机飞轮端与自由端测量瞬时转速波动的差异分析

柴油机瞬时转速监测法则是一种新兴的状态分析方法,其一般利用磁电式传感器在柴油机飞轮齿圈或者自由端加装齿轮进行测量。传感器的安装位置对瞬时转速的测量值波动存在差异,影响状态分析的结果。结合仿真和测量实例对柴油机飞轮端与自由端测量瞬时转速波动的差异进行分析,得出了在飞轮端安装传感器能直接反映机器的动力学性能,测量位置较为理想。     

基于局部均值分解的阶次跟踪分析及其在齿轮故障诊断中的应用

针对齿轮升降速过程中故障振动信号为多分量的调制信号以及故障特征频率随转速变化的特点,将局部均值分解（LMD）与阶次跟踪分析相结合,提出了一种新的齿轮故障诊断方法。首先采用阶次重采样将齿轮的时域振动信号转换为角域平稳信号,然后对角域信号进行LMD分解,得到若干个乘积函数（PF）分量,最后对各个PF分量的瞬时幅值进行频谱分析来提取齿轮的故障特征。通过对齿轮齿根裂纹故障试验振动信号的分析可知,该方法能有效地提取齿轮故障特征。     

宽测量间距巨磁阻齿轮转速传感器的研制

文中设计了一种宽测量间距齿轮转速传感器.所研制的齿轮转速传感器选用巨磁阻芯片作为敏感元件,永磁体提供偏置磁场,通过信号处理电路采集齿轮转动过程中所产生的磁场扰动信号实现齿轮转速的测量.采用有限元磁场仿真软件Ansoft Maxwell仿真了该齿轮转速传感器工作时,巨磁阻敏感芯片周围的磁场分布及变化情况,并通过实验验证了仿真数据的正确性.所研制的齿轮转速传感器不仅具有频率性能好,灵敏度高,体积小等优点,测量间距可超过4 mm,解决了传统转速传感器测量间距小的问题.     

倒频谱分析及其在齿轮故障诊断中的应用

齿轮传动的动态性能和许多因素有关,情况是非常复杂的。本文分析了齿轮传动的频率特性和它产生的频率和幅值调制信号。利用倒频谱技术可以区分齿轮箱中不同转速的齿轮所产生的振动信号,同时倒频谱不会受信号传递通道和信号问的相位所影响。因此倒频谱是分析齿轮缺陷的有效工具。本文还介绍了作者研制的倒频谱分析软件。齿轮传动的动态性能和失效形式与许多机械传动元件不同,有其本身的特点。因此,对齿轮工作状态的监测和诊断也有不同的方法。一对齿轮在一定转速和负载下运转时,会产生各种频率的振动。很早以来人们就已注意到这些振动和齿轮的工作状态有密切的联系。但是齿轮的振动特性和许多因素有关,例如齿廓形状,转速,负载,齿轮、轮齿和转轴的刚度,齿轮偏心,磨损的程度及形式等。这许多因素会以不同的程度作用在齿轮机构上,因此情况是非常复杂的。如何有效地对齿轮工作状态作出诊断,一直的人们关心的问题,在许多不同的分析方法中,倒频谱技术是一种有前途的方法。本文对倒频谱在齿轮故障诊断中的应用作一些探讨,并提出相应的软件。     

一种航空发动机高转速附件传动齿轮动态传动误差测试方法

针对航空发动机附件传动齿轮高温、高转速、重油雾的实际工况,基于磁栅传感器信号4倍细分辨向原理,设计开发了齿轮动态传动误差测试系统。该系统采用磁栅传感器同步测量主动轮和被动轮实时转角,通过NI高速采集卡、磁盘存储阵列和LabVIEW生产者/消费者模式实时采集、存储高速数据。最后,采用数字计数法计算得到齿轮动态传动误差曲线。该系统测量转速可达40 000 r/min,比其他同类测试系统的适用转速提高了1倍,为后续更高转速的附件传动齿轮振动机理分析和齿面的修形设计提供了数据支持。     

基于指数窗截取递推最小二乘法的齿轮啮合刚度辨识算法研究

齿轮在机械传动系统中有着广泛应用,由于齿轮啮合过程中参与啮合的轮齿对数周期变化,因此,齿轮啮合刚度为时变参数,在啮合时会产生啮合振动。当齿轮副出现齿根裂纹时,啮合刚度会减小,齿轮啮合产生的系统振动响应也发生改变,通过振动响应辨识齿轮啮合刚度能够监测齿轮副的健康状态。针对齿轮啮合刚度的时变特征,提出了基于指数窗截取递推最小二乘(Exponential window recursive least square,EWRLS)算法和振动信号瞬时频率的齿轮啮合刚度辨识方法。进行啮合刚度辨识时,EWRLS算法将输入、输出齿轮的转速曲线分别作为辨识输入信号和观测信号,使用指数窗函数进行数据截断,使用递推最小二乘算法估计系统参数。为了计算输入、输出齿轮的转速曲线,使用经验模态分解(Empirical mode decomposition,EMD)方法将振动信号分解为具有不同变化频率的本征模态函数(Intrinsic mode function,IMF),并根据IMF的平均频率重构输入、输出齿轮的特征信号。通过Hilbert变换计算特征信号的瞬时频率曲线,从而获得各齿轮的转速曲线。使用仿真和实测信号对算法进行验证,结果表明,EWRLS算法能够辨识齿轮副的时变啮合刚度。     

基于多尺度线调频基稀疏信号分解的齿轮故障信号阶比分析

针对变转速齿轮箱故障振动信号调制边频带难以识别的问题,提出一种基于多尺度线调频基稀疏信号分解的阶比分析方法.该方法先采用基于多尺度线调频基的稀疏信号分解方法对齿轮箱振动信号进行分解,提取齿轮的啮合分量与调制边频分量,由啮合分量的时频分布曲线得到瞬时转频估计,再基于获得的瞬时转频对啮合分量与调制边频分量之和进行等角度重采样,将非平稳的分量信号转化为平稳信号,对重采样后的信号进行阶比分析,诊断齿轮故障.与传统的直接对齿轮箱故障振动信号进行阶比分析的方法比较,结果表明,提出的基于多尺度线调频基稀疏信号分解的阶比分析方法抗噪性强,调制边频带识别效果好.仿真算例与应用实例验证了本方法的有效性.     

瞬时频率估计的齿轮箱升降速信号阶次跟踪

提出了基于瞬时频率估计的齿轮箱升降速信号阶次跟踪的新方法。首先对振动信号进行经验模态分解得到信号的固有模态函数，再求各个固有模态函数的Hilbert变换，得到信号的瞬时频率，从而直接从振动信号得到参考轴的转速信号，然后根据参考轴的转速信号对时域振动信号进行等角度重采样，最后对重采样信号进行阶次分析。通过仿真信号和对齿轮磨损故障实验信号的分析，表明该方法能有效地诊断齿轮的故障。     

传感器支架振动对扭振测量的影响及消除方法

通过实验研究确定了传感器支架振动对扭振测量有较大影响,且由整机振动引起。从磁电传感器电压特性出发,以传感器支架振动影响下的传感器输出电压和瞬时转速表达式为基础,阐明了作用机理;同时研究了支架振动引起伪扭振信号的规律及频谱特征。研究表明,支架振动引起的伪扭振信号随着支架振动幅值的增加而增加;伪扭振信号的主要成分是支架振动的阶数及其二阶;所取基准电压越接近0,伪扭振信号幅值越小。提出了一种基于最佳基准电压的去除支架振动影响的新方法,并提出了最佳基准电压的计算方法。仿真研究表明,该方法是有效的,为改善扭振测量精度提供了理论依据,具有工程应用价值。     

Modeling and vibration characteristics analysis of a DMF rotor system

To analyze the vibration response of a rotor system with circumferential short spring dual mass flywheel (DMF) when the primary flywheel speed changes, the interactions (forces and torques) between the primary flywheel, spring seat, spring, and secondary flywheel are analyzed in detail, and the dynamic analysis model of the DMF rotor system is established considering the influence of clearance and friction between parts in the DMF in this study. The vibration response of the DMF is investigated by numerical method. By analyzing the bifurcation diagram, time history, phase trajectories, Poincaré section, and frequency domain of the relative angular displacement, the variation of vibration form of the system under different excitation frequencies are discussed. Besides, the effects of load, primary flywheel speed amplitude, and spring stiffness on system vibration are also analyzed. Finally, some of the results from the analytical study are verified through the DMF rotor system experiments.

     

内燃机转速波动信号的测量方法及其应用研究

提出了两种测量内燃机转速波动信号的简单方法,探讨了提高测量精度的途径,介绍了用于内燃机故障诊断的一些测量和应用实例,给出了相应的特征提取和故障识别方法。     

基于YN30高压共轨柴油机曲轴的扭转振动测试分析

针对 YN30高压共轨柴油机,借助于 LabVIEW 软件及硬件平台,设计开发了一套曲轴扭转振动测试分析系统,并通过对发动机曲轴两端瞬时转速信号的同步测量,分析了 YN30柴油机曲轴旋转方向的振动。通过对振动角位移各主谐次的幅值和相位分析,可以获得 YN30发动机不同频率曲轴扭转振动的临界转速为2200和2750 r/min,固有频率为367 Hz,自由端扭振幅值远大于飞轮端扭振幅值,振动节点靠近飞轮端等重要信息,并且验证了该发动机曲轴的设计及相应减振措施的合理性。     

单轴飞轮储能与姿态控制系统误差分析

介绍了单轴飞轮储能及姿态控制一体化系统的总体构成和工作原理,研究并推导了系统的数学模型,分析了系统误差产生的原因,建立了转台角度位置误差与转子安装不同轴误差、转子偏心误差、飞轮速度测量与控制误差之间的误差关系式,并进行了误差合成。结合实际实验系统算出了各项误差,并对比和分析了各项误差。结果表明:影响系统位置精度的主要因素有飞轮安装不同轴误差、转动惯量误差和飞轮速度测量与控制误差等,其中飞轮转动惯量误差和飞轮安装不同轴误差是不可控量;而飞轮的转速测量与控制误差是可控量。最后提出了提高飞轮储能与姿态控制系统精度的主要方法,可以通过提高位置测量传感器和速度测量传感器的分辨率,采用先进的控制算法来降低飞轮的转速测量与控制误差。     

刚性飞轮转子-基础耦合系统的径向振动分析

以600Wh飞轮储能系统为研究对象,建立转子-基础系统的径向耦合动力学方程,通过数值积分法分别分析了不同飞轮转速对基础振动的影响和不同基础径向支承刚度对飞轮转子振动的影响,并采集了飞轮储能系统某一转速下的试验数据,与仿真结果对比,验证仿真结果的准确性。结果表明:定转子在平动和倾斜运动过程中都会受到转子固有频率,定子固有频率,不平衡量三个主要激励,改变飞轮转速或基础径向支承刚度会影响三个激励对应的频率分量和幅值。     

光强正交调制型位移传感器的数学模型与误差分析

针对传统光学位移测量方法对环境要求高和制造精度难以提高等问题,提出了一种以交变光场为测量媒介的新型线性位移检测方法。基于提出的方法,设计了一种光强正交调制型位移传感器。该方法采用基于光强正交变化的两路电驻波合成电行波信号,通过对行波信号时间先后的测量实现空间位移的测量。为了深入理解传感器的传感机理,推导了传感器的测量模型,分析了与传感机理相关的关键因素对测量误差的影响。根据测量原理和测量模型的理论分析,研制出传感器原理样机,通过实验测试了各种关键因素对测量误差的影响,并进一步优化设计了传感器结构与参数。实验显示,优化后的传感器在108mm测量范围内的测量精度达到±0.5μm,是一种新的无需精细刻划的位移检测方案。     

磁悬浮飞轮锁紧保护效果的检测

综合考虑磁悬浮飞轮系统及其现有锁紧机构的各项性能,提出了一套检验飞轮锁紧机构保护效果的方法。以可重复抱式锁紧机构为例,从飞轮系统性能、宏观振动响应和微观损伤三方面对锁紧机构的保护效果进行了评测。通过对比分析磁悬浮飞轮和锁紧机构在环境力学试验前后的性能测试数据,判断两者性能是否正常。环境力学试验中,利用加速度力学传感器和电涡流位移传感器分别检测飞轮系统频谱响应和飞轮定、转子间的相对振动位移,评价锁紧机构的宏观保护效果。力学试验后,采用扫描电子显微镜(SEM)和能量色散谱仪(EDS)分析锁紧面内的磨损形貌和元素成分,对锁紧机构的微观保护效果进行评价。该检测方法对同类航天产品的检测具有很好的借鉴意义。     

码盘偏心对扭振测试影响的研究

扭振测试对旋转机械的故障诊断具有十分重要的意义,当测速码盘存在偏心时,会给扭振测试带来很大的误差。在轴实际存在扭振的情况下,由理论推导,得到在码盘偏心时测量转速与轴实际转速之间的关系式,从而得到测量扭振角速度,分析出测量扭振的组成成分并得到了其数学表达式。讨论影响扭转各成分幅值大小的因素,偏心比越大,测量扭振的误差越大;偏心比相同时,转速越高,扭振角速度的误差也越大;任一阶测量扭振均受到分布在其两边的轴实际扭振的所有阶次的影响,在幅值相同情况下,距离越远的阶次影响越小。仿真和试验验证了理论推导的正确性,仿真中的最大误差为2.83%,试验中的最大误差为5.6%。     

基于位移信号的磁悬浮飞轮转速估计

针对测速传感器故障情况下磁悬浮飞轮不平衡振动抑制所需的高精度的转速信息的提取,提出了一种通过预先提取转子位移信号和转速信号构建BP神经网络模型,从而通过位移信号实时估计转速的方法;通过MATLAB/Simulink构建了磁悬浮飞轮系统模型,以仿真得到的位移和转速数据训练出一个神经网络模块,以此实时估计转速,得到恒速和变速两种情形下的转速估计结果,并与测速传感器获得的转速进行比较。仿真和实验结果证明,该转速估计方法在恒速和变速时均估计效果良好,实验估计误差不超过20 r/min。     

高速旋转叶片振动实时监测系统研究

高速旋转叶片振动的非接触测量是叶片振动测量中极具发展前景的技术。研究了高速旋转叶片振动实时监测系统 ,叶端定时传感器、传感器脉冲信号采集电路和叶片振动信号的实时分析和处理。