CN102650556A - 一种基于转轴三个截面应变信号的轴承载荷识别方法 - Google Patents

Abstract

一种基于转轴三个截面应变信号的轴承载荷识别方法，本发明通过测试轴承两端三个截面处的应变信号，识别轴承载荷。本发明具有如下优点：（1）与传统应变法相比，本发明所提出的方法采用局部建模法，不存在应变测量误差积累、传递和发散问题。和传统整体建模法误差，轴承附近轴段结构简单，可以比较准确地建立数学模型，建模误差小；（2）测试工作量小。应变测点可以布置在轴承附近，无需揭缸到转轴中部布点；（3）可以在低速动态下测试轴承载荷，可以较为真实地反映轴承实际载荷情况。

Description

一种基于转轴三个截面应变信号的轴承载荷识别方法

技术领域

本发明适用于旋转机械轴承状态监测和故障诊断领域，主要应用范围包括：汽轮发电机组、燃气轮发电机组等采用轴承支撑的各类动力旋转机械等方面。

背景技术

轴承是各类旋转机械的重要部件，起着支撑转子的重要作用，对于机组安全运行至关重要。大量的理论研究和工程实践表明，轴承所承受的载荷直接影响轴承工作状况。轴承载荷过重，轴承容易出现瓦温高、乌金碎裂、碾瓦等故障；轴承载荷过轻，容易出现油膜涡动和油膜振荡等故障。这两种情况下，轴承都会产生较大振动，影响机组安全运行。随着机组向大型化方向发展以及现代电力工业对机组安全运行的要求越来越高，识别轴承载荷、分析轴承工作状况，并在此基础上对轴承载荷进行优化调整就显得越来越重要。

旋转机械轴系通常是由多根转子和多个轴承所组成，这是一个静不定***，轴承所承受的载荷受多种因素影响，很难准确计算出来。目前常用的测试方法主要有：（1）应变法。从轴系首端开始，每隔1个轴承在转轴上布置一组应变片，由此计算轴系中每一个轴承的载荷。这种方法虽然能同时测出轴系中所有轴承的载荷，但是由于采用整体建模和识别法，计算过程中存在应变测试误差的积累和传递问题，误差有可能会发散。由于汽轮机叶轮等部件的力学模型难以准确建模，建模误差对识别结果也会产生较大影响。由于需要在转轴中部布置应变测点，测试前需要将汽轮机的汽缸揭开，工作量大。（2）油压法。在轴承底部打孔，安装油压传感器，由实测轴承油膜压力反推。这种方法的准确度取决于轴承计算分析模型的准确性以及油膜压力测点位置等，影响因素和不确定因素很多，识别误差较大。（3）测力法。在轴承座底部安装力传感器测试轴承载荷。由于轴承座底部面积较大，测量时需要在轴承座底部4个角上都安装力传感器，将轴承座“托”起来。这种方法改变了轴承座底部接触状态和轴系校中状态，与实际工作状况不符。（4）顶举法。在轴承附近转轴正下方安装千斤顶，转轴正上方安装百分表，测试千斤顶不同顶举力下百分表读数，由此求出轴承载荷。为了能准确求出轴承载荷，这种方法要求千斤顶必须将轴顶起一段距离，即将轴承“托”空。但是，由于轴承间隙通常很小，大多在0.2mm~0.5mm之间，顶举时很容易碰到上部轴瓦，从而产生一个来自于上瓦的、额外的反作用力，导致结果误差较大。这种方法只能测试静态下的载荷分布。

本发明是在轴承载荷应变识别法基础上提出来的。不同于传统整体建模和识别法，本发明指出，任意一个轴承的载荷由三个截面上的应变值求得。针对单个轴承载荷识别问题采用局部建模和识别法，提高了识别精度，减少了测试工作量。

发明内容

本发明指出，任意一个轴承的载荷由三个截面上的应变值求得。由此，提供一种根据轴承附近三个截面应变值识别轴承载荷的方法。

本发明采用如下技术方案：

步骤1在轴承附近三个选定表面上布置应变片，这三个截面不能位于轴承的同一侧，如图1所示；为了提高测量精度，每一截面处的应变片采用全桥布置模式，即圆周表面0°和180°处各布置两片平行应变片，横截面上的4个应变片构成一组，组成全桥测试模式，如图2所示；

步骤2盘动转子，测量转动过程中0°和180°处三个截面上应变片输出信号；为消除误差，测试前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_i，0°,S_i，180°。

步骤3由三截面应变信号计算三截面弯矩M_i：

其中：E,W分别为转轴弹性模量和截面模量；对于圆轴而言，

其中：D,d分别为圆轴外径和内径；

步骤4建立待测轴段计算分析模型；将待测轴段视为连续梁，轴段自重作为均布质量，如图3所示；

步骤5在中间应变测量截面处将轴断开，形成左、右两个单元体；在每个单元体内由已知的外载荷分布和应变截面所测弯矩，按材料力学中力和力矩平衡原理，各自列出2个方程如下：

左端单元体：

Q₁-q(L₁+L₂)-Q₂+F＝0

$Q_1(L_1+L_2)-\frac{1}{2}q{(L_1+L_2)}^2+{\mathrm{FL}}_2+M_1-M_2=0$

右端单元体：

Q₂-qL₃-Q₃＝0

$Q_2{L}_3-\frac{1}{2}{{\mathrm{qL}}_3}^2+M_2-M_3=0$

方程组的个数为4个，未知数为轴承载荷F和三个应变测量截面处的剪力Q_i,i＝1,2，3；方程数和未知数个数相等，求得唯一解。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

（1）与传统应变法相比，本发明所提出的方法采用局部建模法，不存在应变测量误差积累、传递和发散问题。和传统整体建模法误差，轴承附近轴段结构简单，可以比较准确地建立数学模型，建模误差小；

（2）测试工作量小。应变测点可以布置在轴承附近，无需揭缸到转轴中部布点；

（3）可以在低速动态下测试轴承载荷，可以较为真实地反映轴承实际载荷情况。

下面结合附图及实例进一步阐述本发明内容。

附图说明

图1是某待测轴承三截面应变测点布置简图；

图2是三截面全桥应变片布置方式图；

图3是待测轴段力学模型简图；

图4是轴承载荷三截面应变识别方法流程图。

图中：1、应变测点；2、待识别轴承；3、应变信号发射装置；4、联轴器。

具体实施方式

本实施例是以图1所示的某待测轴承为例，进行三截面载荷识别分析。参照图2～4。

本实施例涉及的基于转轴三截面应变信号的轴承载荷识别分析方法是：

（1）在待测轴承两端三个不同截面上分别黏贴一组应变片，这三个截面不能位于轴承的同一侧。如图1所示。每一截面处的应变片采用全桥布置模式，即圆周表面0°和180°处各布置两片应变片，横截面上的4个应变片构成一组，组成全桥测试模式，如图2所示。

（2）盘动转子，测量转轴旋转过程中0°和180°处应变片输出信号；为消除误差，测试前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_i，0°,S_i,180°,i＝1,2，3。应变信号可以采用无线发射和接受方式测得，也可以用其它方式测出。

（3）由三截面所测应变信号计算三截面弯矩M_i,i＝1,2，3：

其中：E,W分别为转轴弹性模量和截面模量；对于圆轴而言，

其中：D,d分别为圆轴外径和内径。

（4）建立待测轴段计算分析模型；将待测轴段视为连续梁，轴段自重作为均布质量。轴段力学模型如图3所示。

（5）在中间应变测量截面处将轴段断开，形成左、右两个单元体，如图4所示。图中M₁,M₂,M₃,Q₁,Q₂,Q₃为三应变测量截面处的弯矩和剪力，F为待求轴承载荷。

（6）在两个单元体内由已知的外载荷分布和单元两端所测弯矩，按材料力学中力和力矩平衡原理，各自列出2个方程组：

左端单元体：

Q₁-q(L₁+L₂)-Q₂+F＝0

$Q_1(L_1+L_2)-\frac{1}{2}q{(L_1+L_2)}^2+{\mathrm{FL}}_2+M_1-M_2=0$

右端单元体：

Q₂-qL₃-Q₃＝0

$Q_2{L}_3-\frac{1}{2}{{\mathrm{qL}}_3}^2+M_2-M_3=0$

方程组的个数为4个，未知数为轴承载荷F和三个应变测量截面处的剪力Q_i,i＝1,2，3。方程数和未知数个数相等，求得唯一解。

Claims (1)

1.一种基于转轴三个截面应变信号的轴承载荷识别方法，其特征在于：通过测试轴承两端三个截面处的应变信号，识别轴承载荷；其步骤为；

步骤一在轴承附近三个选定表面上布置应变片，这三个截面不能位于轴承的同一侧；每一截面处的应变片采用全桥布置模式，即圆周表面0°和180°处各布置两片平行应变片，横截面上的4个应变片构成一组，组成全桥测试模式；

步骤二盘动转子，测量转动过程中0°和180°处三个截面上应变片输出信号；试前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_i，0°,S_i，180°；

步骤三由三截面应变信号计算三截面弯矩M_i：

其中：E,W分别为转轴弹性模量和截面模量；对于圆轴而言，

其中：D,d分别为圆轴外径和内径；

步骤四建立待测轴段计算分析模型；将待测轴段视为连续梁，轴段自重作为均布质量；

步骤五在中间应变测量截面处将轴断开，形成左、右两个单元体；在每个单元体内由已知的外载荷分布和应变截面所测弯矩，按材料力学中力和力矩平衡原理，各自列出2个方程如下：

左端单元体：

Q₁-q(L₁+L₂)-Q₂+F＝0

$Q_1(L_1+L_2)-\frac{1}{2}q{(L_1+L_2)}^2+{\mathrm{FL}}_2+M_1-M_2=0$

右端单元体：

Q₂-qL₃-Q₃＝0

$Q_2{L}_3-\frac{1}{2}{{\mathrm{qL}}_3}^2+M_2-M_3=0$

方程组的个数为4个，未知数为轴承载荷F和三个应变测量截面处的剪力Q_i,i＝1,2，3；方程数和未知数个数相等，求得唯一解。

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