转子空间弯曲轴线测试系统及其测试方法与流程

本发明属于转子弯曲测量技术领域，具体涉及一种转子空间弯曲轴线测试系统及其测试方法。

背景技术：

工程实际中，转子系统由于材质的不均匀、制造和安装误差，不可避免地存在初始弯曲现象，转子弯曲故障将导致转子运转过程中动挠度增加，机组的振动加剧。目前有关弯曲转子的测量，通常的方法是采用百分表或千分表进行测量。

百分表测量法和千分表测量法都属于接触式测量，由于某些机械的特殊结构,百分表的架设和对准非常麻烦，容易受人为因素影响，很难保证测量的准确性，测量精度较低。激光扫描测量方法虽然解决了非接触测量问题，提高了测量精度，但目前，国内尚无成熟的产品和完善的生产线，产品均处于研制阶段，主要依靠于进口，成本比较高，同时缺乏对轴弯曲测试数据的三维图形重建。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是：提供一种转子空间弯曲轴线测试系统及其测试方法，解决了现有技术中的测试方法准确性及测量精度低的问题。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

转子空间弯曲轴线测试系统，包括电机、计算机、NI数据采集器、转速检测装置、电涡流位移传感器，转子与电机通过尼龙绳连接，转子的键槽上设置键相信号点，在转子的各测试面周向外侧水平和垂直位置设置两个电涡流位移传感器，用于获取转子测试面的水平和垂直方向的位移量，转速检测装置用于检测转子的速度，将电涡流位移传感器经由前置放大器后的信号，以及转速检测装置测得的信号接入NI数据采集器，进入该采集器的数据通过USB数据线与计算机相连接，通过计算机中的转子弯曲测试软件对接收到的多个测试面的信号进行处理，合成轴心轨迹及初始相位点，得到各测试面相对于旋转中心的弯曲向量，然后根据弯曲向量获取转子空间弯曲函数，最后得到弯曲转子的三维实体模型。

所述转速检测装置包括感光片和光电转速传感器，所述感光片固定设置于转子的键槽处跟随转子同步旋转，光电转速传感器用于当检测到感光片的时候产生一个脉冲信号，并经过放大后传输至NI数据采集器。

包括以下步骤：

步骤1：在转子的键槽处设置键相信号点，标定该键相信号点为起始位置，以键槽水平方向为x轴，以垂直于转子的方向为y轴建立坐标系，设置远离电机的转子轴端面轴心为坐标原点，沿转子长度方向均匀选取多个测试截面，并记录各测试截面旋转中心的坐标值；

步骤2：在任一个测试截面同一位置处分别设置两个相互垂直电涡流位移传感器；

步骤3：将电涡流位移传感器获取的信号经由前置放大器进行放大，放大后的信号和光电转速传感器测得的转速信号接入到NI数据采集器，然后，发送至计算机；

步骤4：启动电机带动转子匀速旋转，获取转子的当前转速，两个电涡流位移传感器测试该测试截面沿坐标轴方向的位移量，获取测试截面的轴心旋转轨迹和初始相位点，得到在同一绝对坐标下的各截面形心相对于旋转中心的弯曲向量；

步骤5：将两个电涡流位移传感器移动至相邻的测试截面处；

步骤6：重复执行步骤2至步骤5，直至获取所有的测试截面形心相对于旋转中心的弯曲量；

步骤7：将所有的测试截面沿坐标轴方向的位移量拟合为空间弯曲函数；

步骤8：对弯曲转子进行三维实体显示。

所述转子的转速为72rpm。

所述步骤2中电涡流位移传感器采用支架固定，设置于水平和垂直位置。

所述步骤8中利用Visual C++编程调用OPENGL图形函数，对弯曲转子进行三维实体显示。

与现有的测量转子弯曲度的方法，本发明具有以下有益效果：

1、本发明中测试系统结构简单，操方便，另外，由于是在低转速下的测量，对传感器和采集设备的要求不高，从而降低了所需试验设备的成本。

2、方法可靠性好，本发明中采用电涡流传感器试验测得转子的弯曲量数据，并通过百分表对其结果进行验证，结果基本一致，因而具有很好的可靠性。

附图说明

图1为转子-滚动轴承实验器实物图。

图2为转子空间弯曲轴线的测试系统框图。

图3为转子弯曲测试流程图。

图4为转子弯曲测试原理示意图。

图5为测试要求示意图。

图6为电涡流测得6个截面轴心轨迹图，其中，(a)、(b)、(c)、(d)、(e)、(f)依次为截面1至截面6的轴心轨迹图。

图7(a)为X向样条函数插值拟合后的转子弯曲曲线与实测转子弯曲曲线对比图。

图7(b)为Y向样条函数插值拟合后的转子弯曲曲线与实测转子弯曲曲线对比图。

图8为不同角度下拟合得到的弯曲转子的三维实体图，其中，(a)、(b)、(c)分别为XOZ、YOZ、任一视角平面内拟合的图像。

图9(a)为具有初始弯曲的单盘转子受力分析示意图。

图9(b)为具有初始弯曲的单盘转子示意图。

图10(a)为单自由度系统在基础激励下的X向振动模型。

图10(b)为单自由度系统在基础激励下的Y向振动模型。

具体实施方式

下面对本发明的结构及工作过程作进一步说明：

本发明提出了一种利用电涡流位移传感器测量转子弯曲量的方法，并利用计算机图形学方法，对转轴的三维弯曲数据进行了三维重建和显示。本发明研究工作对于我国自主研发转轴的弯曲测试系统提供了新的方法和思路。

如图1、图2所示，图1是本发明中使用到的转子-滚动轴承实验器三维实体模型，图2是本发明基于电涡流位移传感器测量转子弯曲度的测试系统框图，转子空间弯曲轴线测试系统，包括电机、计算机、NI数据采集器、转速检测装置、电涡流位移传感器，转子与电机通过尼龙绳连接，转子的键槽上设置键相信号点，在转子的各测试面周向外侧水平和垂直位置设置两个电涡流位移传感器，用于获取转子测试面的水平和垂直方向的位移量，转速检测装置用于检测转子的速度，将电涡流位移传感器经由前置放大器后的信号，以及转速检测装置测得的信号接入NI数据采集器，进入该采集器的数据通过USB数据线与计算机相连接，通过计算机中的转子弯曲测试软件对接收到的多个测试面的信号进行处理，合成轴心轨迹及初始相位点，得到各测试面相对于旋转中心的弯曲向量，然后根据弯曲向量获取转子空间弯曲函数，最后得到弯曲转子的三维实体模型。

另外，本发明所述的转子也可以用转子-滚动轴承实验器表述。

所述转速检测装置包括感光片和光电转速传感器，所述感光片固定设置于转子的键槽处跟随转子同步旋转，光电转速传感器用于当检测到感光片的时候产生一个脉冲信号，并经过放大后传输至NI数据采集器。

该系统设置一个电机，与电机相连的是转子-滚动轴承试验器，在转轴端头位置贴上感光片，与所述感光片相对应的是光电转速传感器，用于获取转速，在被测面上搭建两个相互垂直的电涡流传感器，所述传感器经过电荷放大器，通过传感器传输线与NI数据采集器相连，NI数据采集器将转子弯曲量的实测值传至装有转子弯曲测试软件的计算机，经转子弯曲测试软件得到被测面的轴心轨迹及其初始相位点。

要求在各个测试面的同一位置，如在水平和垂直位置，一般采用支架固定传感器，由于传感器的限制，本发明采取的是逐个截面进行测试；

如图3、图4所示，图3是转子弯曲测试流程图，图4是转子弯曲测试原理示意图，图中定义了以键槽水平方向为X轴方向，向垂直的轴为Y轴方向，建立截面的坐标系，从X轴正方向按逆时针方向旋转到Y轴方向。因此定义旋转角速度以逆时针方向旋转为正方向。

一种转子空间弯曲轴线的测试方法，具体步骤如下：

步骤1：在转子的键槽处设置键相信号点，标定该键相信号点为起始位置，以键槽水平方向为x轴，以垂直于转子的方向为y轴建立坐标系，设置远离电机的转子轴端面轴心为坐标原点，沿转子长度方向均匀选取多个测试截面，并记录各测试截面旋转中心的坐标值；

步骤2：在任一个测试截面同一位置处分别设置两个相互垂直电涡流位移传感器；

步骤3：将电涡流位移传感器获取的信号经由前置放大器进行放大，放大后的信号和光电转速传感器测得的转速信号接入到NI数据采集器，然后，发送至计算机；

步骤4：启动电机带动转子匀速旋转，获取转子的当前转速，两个电涡流位移传感器测试该测试截面沿坐标轴方向的位移量，获取测试截面的轴心旋转轨迹和初始相位点，得到在同一绝对坐标下的各截面形心相对于旋转中心的弯曲向量；

步骤5：将两个电涡流位移传感器移动至相邻的测试截面处；

步骤6：重复执行步骤2至步骤5，直至获取所有的测试截面形心相对于旋转中心的弯曲量；

步骤7：将所有的测试截面沿坐标轴方向的位移量拟合为空间弯曲函数；

步骤8：对弯曲转子进行三维实体显示。

键相信号点提供统一的相位参考点，本发明是通过在转子上贴感光片，以及光电传感器来实现，当光电传感器对准感光片时，则产生一个脉冲，转子旋转一周产生一个脉冲，通过对一定时间内的脉冲数目统计，得到当前转速。

下面以在转轴上均匀选取6个测试面为例说明本发明的具体测试方法：

借助键相信号将各个测试面振动信号的起始时刻统一到光电传感器对准感光片的时刻，剔除键相脉冲之前的数据点，不足部分补零，以感光片的水平方向为X轴方向，向垂直的轴为Y轴方向，建立截面的坐标系，记录下各个测试面的坐标值；

在转子的第一个测试截面处搭建两个相互垂直的电涡流位移传感器，固定转速为72rpm，得到第一个测试面的轴心轨迹及其初始相位点，此时初始相位点的坐标即为该测试面处水平和垂直方向的位移量，再依次测得其他测试面水平和垂直方向的位移量；

对经过键相处理后的转子各测试面的响应信号，合成轴心轨迹，得到同一绝对坐标下各测试面形心相对于旋转中心的弯曲向量；

根据各个截面得到的转子弯曲向量，利用样条函数拟合出转子在空间坐标系O-XYZ中的空间弯曲函数；

利用Visual C++编程调用OPENGL图形函数，对弯曲转子进行了三维实体显示。

如图5所示，要求键相传感器的布置和弯曲转子的旋转方向要满足示意图的要求。

图6是本发明基于电涡流位移传感器测量转子弯曲度试验，在采样频率为2.5KHz，旋转转速为72rpm下，测得的6个测试截面的轴心轨迹图，其中，(a)、(b)、(c)、(d)、(e)、(f)依次为截面1至截面6的轴心轨迹图，圆圈标记的点为初始相位点。

如图7(a)、图7(b)所示，读取图6中6个截面的初始相位点的数据，整理得到6个测试截面在x向弯曲量及y向的弯曲量，进而建立以轴向位移为横坐标，弯曲量为纵坐标的坐标系，分别得到实测转子X、Y向弯曲曲线，再根据各个截面的弯曲向量，通过样条函数插值拟合得到转子在其他截面处的弯曲向量，X向、Y向实测结果与拟合结果对比如图7(a)、图7(b)。

如图8所示，本实施例将弯曲转子平均划分为37段，得到38个截面，设定转轴两支承点的弯曲量为0，由拟合得到的各截面弯曲向量，利用Visual C++编制程序调用OPENGL绘图函数，实现了弯曲转子的空间显示，拟合得到如图8所示的弯曲转子的三维实体图，其中，图8中的(a)、(b)、(c)分别为XOZ、YOZ、任一视角平面内拟合的图像。

本发明的系统和方法原理详细介绍如下：

1、转子弯曲故障振动机理分析

单盘转子模型如图9(a)、图9(b)所示，圆盘质量为m，其质心M偏离几何中心o₁的距离为ε，轴的刚度为k，轴的质量忽略不计，阻尼系数为c，圆盘处的轴初始弯曲量为r_s。图1中，p为圆盘质心位移向量，r为总的位移幅值向量，r_d为动力响应幅值向量。o₀为由于初始弯曲导致偏离旋转中心o后的几何中心。

显然，由系统的惯性力、阻尼力和弹性力的动平衡，可以得到系统的运动微分方程，即：

由几何关系可得，p＝r+ε，r_d＝r-r_s，代入式(1)得：

设：

将式(3)、式(4)、式(5)代入式(2)，可以得到，

从式(6)中可以看出，初始弯曲和质量偏心为两个独立的激励力，不考虑式(6)中由于质量偏心引起的不平衡激励力，则式(6)变为，

显然，该运动微分方程对应于图10(a)、图10(b)的基础激励下的振动微分方程。由此可见，转子弯曲故障实质上是一种基础激励下的振动。

2、基于电涡流位移传感器的转子弯曲量测量原理分析

从初始弯曲故障的振动机理可知，当质量偏心距和初始弯曲同时存在时，在高转速下，r＝r_d+r_s，即，用电涡流位移传感器测取的是两个旋转向量的矢量和，当然无法分离出初始弯曲向量r_s。由于始弯曲和质量偏心引起的振动微分方程为：

因为所以，将其代入式(8)可得，

显然，当ω＝0,r＝r_s，即当转速很低时，由电涡流传感器测得的转子响应可以近似为转子的弯曲量。