一种基于光纤传感器的旋转轴系扭振监测方法

1.本发明属于故障诊断技术领域，涉及到旋转轴系扭振共振的诊断问题，具体为一种基于光纤传感器的旋转轴系扭振监测方法。


背景技术：

2.电动机、内燃机和汽轮机等旋转机械作为应用最广泛的机械设备，广泛应用于电力、能源、化工和船舶等领域，其安全运行直接影响整个生产过程的稳定性。扭转振动是旋转轴系主要的振动形式之一。扭振是在外界周期性激振力矩作用下导致的合成总力矩不平衡引起的，沿着旋转轴系轴线的周向进行交变运动或产生相应的变形。因此，很难将扭转振动的振动形式检测和识别出来。扭振对轴的危害在扭转振动初期并不明显，但扭振引起的扭转应力变化的积累往往会引起零部件的磨损加剧、联轴器损坏、轴系裂纹和断裂，造成严重的突发性的事故。尤其是当外部激励引起的扭转振动频率与机组轴系的固有频率接近时，会发生扭振共振现象，严重影响机组的安全运行。根据上述旋转轴系机组的事故可知，扭转振动会严重影响工业生产的正常运行，甚至造成巨大的财产损失。因此，对旋转机械进行扭振测量、分析研究，实现旋转机械的在线实时振动监测对其稳定运行和基于状态的维护具有重要意义。
3.对于扭振信号的测量方法可以细分为两大类：基于磁电式脉冲时序法的扭振测量技术和基于光电式脉冲时序法的扭振测量技术。磁电式脉冲时序法通过磁电式传感器扫掠过旋转轴系上的分度结构所产生的感应磁通量变化来获取轴系的扭振信息。但是磁电式脉冲时序法依赖安装在旋转轴上的分度结构，某些工况下轴系不适合安装分度结构，而且分度结构的安装也会改变轴系的结构特性。光电式脉冲时序法通过光纤传感器发射激光脉冲扫掠过粘贴在旋转轴上的斑马纹时产生的高低电平信号来获取轴系的扭振信息，具有粘贴斑马纹简单方便，数据采集设备简单的优点。
4.基于光纤传感器的扭振信号测量方法可以有效的采集扭振信号，但是如何在旋转设备正常工况下实现旋转轴系的扭振实时在线监测，目前的相关技术尚不成熟。


技术实现要素：

5.为了解决现有技术存在的问题，本发明提供一种基于光纤传感器的旋转轴系扭振监测方法，基于asa-lsf的扭振频率估计方法对扭振信号的实时频率进行估计，并结合ansys有限元方法获取旋转轴系的扭振固有频率，进行扭振实时监测。本发明能够摆脱对信号处理技术和诊断经验等先验知识的依赖，具有简单和直观的特点，同时本发明能够在不影响旋转机械正常工作的情况下对旋转机械扭振进行诊断，而不需要将旋转机械停机进行检测，为实际工程中避免扭振共振提供了思路。
6.本发明的技术方案为：
7.一种基于光纤传感器的旋转轴系扭振监测方法，包括以下步骤：
8.步骤1：基于光纤传感器的扭振信号获取；
9.按照旋转轴系的直径确定斑马纹的个数，沿着旋转轴系周向均匀粘贴斑马纹，将光纤传感器垂直于轴系的轴线方向安装。通过激光发射接收仪和光纤传感器发射并接收激光，由于斑马纹对激光的反射率不同，经光电模块转换后生成高低电平信号，使用高频计数器计数两个相邻高电平之间的脉冲数目，经过转换后得到两个高电平之间的时间脉冲间隔，经上位机进行数据采集。
10.步骤2：获取旋转轴系的扭振固有频率以及扭振实时频率
11.使用ansys的模态分析获取旋转轴系的扭振固有频率，具体为：以及按照轴系的实际尺寸进行建模，按照六面体法进行网格划分，导入ansys workbench中进行模态分析；模态分析时设置分析阶数为前八阶，获取对应阶数的扭振固有频率和振型。
12.使用角域同步平均结合最小二乘拟合的非平稳(asa-lsf)的扭振信号频率估计方法得到扭振实时频率，具体为：
13.(a)设被测轴系旋转一周获得m个脉冲间隔{t1,t2,
…
,tm}，设置采样周期为k，因此数据长度为m
×
k。将数据按周期数分组，并构造如下矩阵c。
[0014][0015]
对矩阵c按列取平均值，如下所示：
[0016][0017]
为避免转子转速波动造成的扭振计算误差，令转子周期t为：
[0018][0019]
既得所有信号触发点位的扭角位移矩阵s，单位为度：
[0020][0021]
因此，将矩阵s元素重新排序为s'：
[0022][0023]
公式(5)即为时域幅值序列。
[0024]
(b)计算两个质量盘瞬时的相对扭振时，需要消除黑白条纹首尾衔接处的黑白宽度误差，因此使用最小二乘法处理数据。通过观测实体条纹能够确定条纹衔接处的信号应为任意一个周期的最大时间间隔值或最小时间间隔值。假设条纹衔接处的平均时间间隔值是
[0025]
选取某一周期的部分数据其中xi为时域数值序列，单位为弧度，yi为公式(5)得出的部分数据集，单位为度。考虑到实际计算量，将多项式定为六阶，二者关系表示为：
[0026][0027]
设最小二乘损失函数为：
[0028][0029]
对aj求偏导并令其为0，即：
[0030][0031]
计算公式(8)得出函数的最小化参数值a1,a2,...,a6。
[0032]
当i＝1时，时间间隔值对应的扭角位移预测值为t
11'
＝y1。
[0033]
以此类推，计算最后得出重新计算对应数据点位的扭角位移为替换矩阵s中对应元素，得到新的扭角位移矩阵s'：
[0034][0035]
将矩阵s'内元素得各行首尾相接得到：
[0036][0037]
将s”内元素序列作为扭振时域谱的纵坐标幅值，作为步长，画出时域谱图，通过fft变换实现对扭振的实时频谱图计算；频谱图的横坐标是频率，单位是赫兹，纵坐标是扭角位移，单位是度；将两个质量盘得时域谱图做差值得出瞬时相对扭角位移时域谱图。
[0038]
步骤3：对比扭振实时频率与轴系扭振固有频率，对比相对扭振；
[0039]
将步骤2获得的扭振实时频率与扭振固有频率进行差值比对；若扭振实时频率与轴系扭振固有频率差值在设定的阈值以内，并且相对扭角位移谱图波动偏大，认为此时容易发生扭振共振，发出共振预警。若扭振实时频率与轴系扭振固有频率差值在设定的阈值以外，认为此时不容易发生扭振共振，不发出共振预警。
[0040]
本发明的有益效果为：运用光纤传感器对扭振信号进行精确的数据采集，并结合asa-lsf扭振频率估计方法获取更精准的扭振实时频谱信息，使用ansys有限元仿真软件获取不同旋转机械轴系的扭振固有频率，通过对照扭振实时频谱与旋转轴系扭振固有频率的范围进行扭振监测。该方法有效地避免了繁琐的信号处理过程，摆脱了信号波形分析方法对信号处理技术和故障诊断经验等先验知识得依赖。本发明能够在不影响旋转机械正常工作的情况下对其扭振信息进行诊断；使用简单、直观、方便，可实现对扭振共振的实时监测。
附图说明
[0041]
图1是本发明提供的基于光纤传感器的旋转轴系扭振监测方法流程图；
[0042]
图2(a)和图2(b)是本发明所提基于asa-lsf的扭振频率估计方法处理扭振实时数据所得频谱图与同一组数据进行的普通频谱分析计算结果图对比，其中，图2(a)是未应用估计算法时的fft频谱，图2(b)应用估计算法后的fft频谱；
[0043]
图3是本发明基于ansys对扭振实验台进行建模与网格划分结果；
[0044]
图4是本发明基于ansys对扭振实验台进行前8阶模态分析的结果。
具体实施方式
[0045]
以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施方式。
[0046]
本实施例中一种基于光纤传感器的旋转轴系扭振监测方法，具体流程如图1所示。
[0047]
本实施例的数据来源于扭振测试实验台，主要包括扭振生成系统和数据采集系统构成。其中的扭振生成系统主要由拖动电机、扭振电机、钢轴、质量盘、拖动电机供电电源、拖动电机调速器、fk-308s变频器等组成。旋转轴系的钢轴材料为实心钢轴，直径为10mm，长度为720mm。在实验台旋转轴系上安装着两个材料为45#钢、直径为78mm的质量盘。将斑马纹贴粘在质量盘上，斑马纹条纹数目为35个。数据采集系统主要设备包括光纤传感器，gwys-2型激光发射接收仪、sh68f-68f线缆、bnc2121接线盒、能嵌入pci-6602计数采集卡的主机箱以及扭振监测软件组成。
[0048]
旋转轴系扭振监测的具体步骤如下：
[0049]
步骤1：基于光纤传感器的扭振信号获取；
[0050]
按照旋转轴系的直径确定斑马纹的个数，沿着旋转轴系周向均匀粘贴斑马纹，将光纤传感器垂直于轴系的轴线方向安装。通过激光发射接收仪和光纤传感器发射并接收激光，由于斑马纹对激光的反射率不同，经光电模块转换后生成高低电平信号，使用高频计数器计数两个相邻高电平之间的脉冲数目，经过转换后得到两个高电平之间的时间脉冲间隔，经采集卡进行数据采集。
[0051]
步骤2：使用ansys的模态分析获取旋转轴系的扭振固有频率以及使用asa-lsf的扭振信号频率估计方法得到扭振实时频率；
[0052]
按照轴系的实际尺寸进行建模，按照六面体法进行网格划分，如图3所示。导入ansys workbench中进行模态分析。模态分析时设置分析阶数为前八阶，获取对应阶数的固有频率和振型，如图4所示。
[0053]
选取k个周期的数据，构造矩阵后对其进行角域同步平均处理，所得平均后的扭振数据；将平均后的扭振数据进行最小二乘拟合，拟合出斑马纹首尾衔接点的数值，将拟合后的数值代替角域同步平均后的数据，最后进行快速fft变换，得到扭振信号的实时频谱图。频谱图的横坐标是频率，单位是赫兹，纵坐标是扭角位移，单位是度。图2(a)和图2(b)展示的是扭振频率为270hz时的未应用频率估计算法与应用频率估计算法的频谱分析对比。
[0054]
步骤3：对比扭振实时频率与轴系扭振固有频率；
[0055]
读取轴系的扭振固有频率；实时计算扭振信号频率；索引频谱中幅值最大点的扭振频率，与扭振固有频率进行频率范围比对。若扭振实时频率与轴系扭振固有频率差值在2hz以内，并且相对扭角位移谱图波动偏大，认为此时容易发生扭振共振，系统发出共振预警。若扭振实时频率与轴系扭振固有频率差值在2hz以外，认为此时不容易发生扭振共振，系统不发出共振预警。

技术特征：
1.一种基于光纤传感器的旋转轴系扭振监测方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：基于光纤传感器的扭振信号获取；按照旋转轴系的直径确定斑马纹的个数，沿着旋转轴系周向均匀粘贴斑马纹，将光纤传感器垂直于轴系的轴线方向安装；通过激光发射接收仪和光纤传感器发射并接收激光，由于斑马纹对激光的反射率不同，经光电模块转换后生成高低电平信号，使用高频计数器计数两个相邻高电平之间的脉冲数目，经过转换后得到两个高电平之间的时间脉冲间隔，经上位机进行数据采集；步骤2：获取旋转轴系的扭振固有频率以及扭振实时频率使用ansys的模态分析获取旋转轴系的扭振固有频率，具体为：以及按照轴系的实际尺寸进行建模，按照六面体法进行网格划分，导入ansys workbench中进行模态分析；模态分析时设置分析阶数为前八阶，获取对应阶数的扭振固有频率和振型；使用角域同步平均结合最小二乘拟合的非平稳的扭振信号频率估计方法得到扭振实时频率，具体为：(a)设被测轴系旋转一周获得m个脉冲间隔{t1,t2,
…
,t
m
}，设置采样周期为k，因此数据长度为m
×
k；将数据按周期数分组，并构造如下矩阵c；对矩阵c按列取平均值，如下所示：为避免转子转速波动造成的扭振计算误差，令转子周期t为：既得所有信号触发点位的扭角位移矩阵s，单位为度：
因此，将矩阵s元素重新排序为s'：公式(5)即为时域幅值序列；(b)计算两个质量盘瞬时的相对扭振时，需要消除黑白条纹首尾衔接处的黑白宽度误差，因此使用最小二乘法处理数据；通过观测实体条纹确定条纹衔接处的信号为任意一个周期的最大时间间隔值或最小时间间隔值；假设条纹衔接处的平均时间间隔值是选取某一周期的部分数据其中x
i
为时域数值序列，单位为弧度，y
i
为公式(5)得出的部分数据集，单位为度；考虑到实际计算量，将多项式定为六阶，二者关系表示为：设最小二乘损失函数为：对a
j
求偏导并令其为0，即：计算公式(8)得出函数的最小化参数值a1,a2,...,a6；当i＝1时，时间间隔值对应的扭角位移预测值t
11'
为t
11'
＝y1；以此类推，计算最后得出{t
11'
,t
21'
,...,t
k1'
}，重新计算对应数据点位的扭角位移为替换矩阵s中对应元素，得到新的扭角位移矩阵s'：
将矩阵s'内元素得各行首尾相接得到：将s”内元素序列作为扭振时域谱的纵坐标幅值，作为步长，画出时域谱图，通过快速fft变换实现对扭振的实时频谱图计算；频谱图的横坐标是频率，单位是赫兹，纵坐标是扭角位移，单位是度；将两个质量盘得时域谱图做差值得出瞬时相对扭角位移时域谱图；步骤3：对比扭振实时频率与轴系扭振固有频率，对比相对扭振；将步骤2获得的扭振实时频率与扭振固有频率进行差值比对；若扭振实时频率与轴系扭振固有频率差值在设定的阈值以内，并且相对扭角位移谱图波动偏大，则认为此时容易发生扭振共振，发出共振预警；若扭振实时频率与轴系扭振固有频率差值在设定的阈值以外，认为此时不容易发生扭振共振，不发出共振预警。

技术总结
本发明公开一种基于光纤传感器的旋转轴系扭振监测方法，属于故障诊断技术领域，包括如下几个步骤：基于光纤传感器的扭振信号获取、使用ASA-LSF的扭振信号频率估计方法得到扭振实时频率、使用ANSYS的模态分析获取旋转轴系的扭振固有频率、对比扭振实时频率与轴系扭振固有频率。若扭振实时频率与轴系扭振固有频率差值在设定的阈值以内，认为此时容易发生扭振共振，发出共振预警；若扭振实时频率与轴系扭振固有频率差值在设定的阈值以外，认为此时不容易发生扭振共振，不发出共振预警。本发明可以摆脱对信号处理技术和诊断经验等先验知识的依赖，具有简单、直观和方便的特点。直观和方便的特点。直观和方便的特点。


技术研发人员：李宏坤 曹鸿威 李晓飞 陈玉刚
受保护的技术使用者：大连理工大学
技术研发日：2023.08.08
技术公布日：2023/10/15