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1、济南大学毕业设计毕业设计题 目 小型转子振动模拟实验系统的设计 学 院 机械工程学院 专 业 机械工程及自动化 班 级 机自0705 学 生 王学斌 学 号 20070403200 指导教师 马玉真 二一 一 年 六 月 八 日- 1 -济南大学毕业设计- 1 -1 前言1.1转子振动检测的背景及意义旋转机械是广泛用于各行各业，其中许多设备都是生产流程上的关键机械设备，是企业进行设备状态监测的主要对象。加强监测和改善诊断设备等，以确保设备充分而有效地运行，提高生产经营，提高产品质量，提高企业经济效益具有重要意义，与传统设备振动监测系统，一般的传感器，组成信号处理电路，测试结果显示，控制面板，这
2、些部件，是一个独立的检测诊断设备，其主要功能是信号采集和控制，分析和处理，并输出结果和表现。由仪器制造商提供这些功能通过硬件和固件来实现的，构成一般是固定的。正是因为它的功能是对硬件的形式，并确定了传统的故障诊断系统只能由仪器制造商，制造和维护定义，用户不能随意改变其结构和功能，灵活性差。 此外，传统的故障诊断系统的开发和开发周期和技术的更新周期长，维护成本高，传统的故障诊断系统难以与其他仪器和设备中使用，一般都是独立使用，手动操作，复杂，多参数测试场合，非常不方便使用，其局限性是显而易见的。与此同时，旋转过程中的振动信号操作机械设备产生了隐藏信息，可以帮助人们正确判断旋转状态操作过程中的各种
3、机械的种类很多。基于上述情况，开发，设计并实现了基于振动的旋转机械状态监测系统，监测系统的分析，在此状态也是一种虚拟仪器的感觉。由计算机，应用软件和仪器硬件三部分组成，计算机硬件和软件设备的有机集成的硬件1 2，计算机强大的数据分析，加工能力和硬件测量结合在一起，通过应用程序进行数据处理，显示，存储和波形分析软件。 传统的旋转机械故障检测方法来获取信号，其中大部分是基于单一传感器只能访问该设备，一系统的部分信息，反映设备系统运行的一个方面，经常存在着不精确模型，知识不充分等缺陷。该设备，系统复杂，条件和限制多样性单一传感器获取信息，对传统的振动检测的检测方法，其效率往往不高，甚至有可能被误诊误
4、判。随着信息技术的出现和快速发展，人们认识到信息技术和旋转机械状态监测和故障诊断技术，一定能够打开一个状态监测和故障诊断的新的世界。两种技术的结合，使人民对动态的信号研究从一维扩展到多维，从单一到多渠道，单节分析扩展到多节分析。 越来越多的涡轮转子结构复杂，所表现出来的振动行为更不稳定。传统的谱分析与轴心轨道的诊断方法有一些缺陷，不能反映基础的转子动态变形。涡轮转子系统的实时监测和转子系统的故障检测与诊断线上实施振动模式的新方法，不仅具有较高的理论价值，而且具有重要的工程意义。3随着微电子技术、信号检测与处理技术、计算机技术、网络通信技术以及控制技术的飞速发展，各种面向复杂应用背景的多传感器系
5、统大量涌现。在这些多传感器系统中，信息表现形式的多样性、信息数量的巨大性、信息关系的复杂性，以及要求信息处理的及时性、准确性和可靠性都是前所未有的。多传感器信息融合技术最早产生于航空电子学上的雷达目标识别问题，后来逐渐推广并应用到智能制造、过程监测、材料成型和处理、机器人、导航、遥感，以及经济和人为系统等研究领域。传统的旋转机械状态监测和故障诊断为基础往往单通道信号的幅度来确定设备的运行状态，当超过一定幅度的预设值，单位将报警或停机。但在实际生产中，一些轻监视器状态为绿色时（正常），单元操作已经显然出现不正常现象。因为只有单一传感器获取局部的信号，片面的信息环境的特点，并且获得十分有限的信息量
6、，但是，转子作为一个空间物体，它的振动必须属于在空间领域的范畴，三向振动每一部分的三维坐标，可以只使用了转子的完整描述和有无数的横截面。显然，用一个传感器测量信号无法描述的转子振动空间，转子振动不能提供完整的信息。在与双通道信号是同源信号对同一路段，使振动的两个方向，必须有一些什么样的关系，传统的方法是在一个孤立的振动方向，一些重要信息，如不可避免的损失分析作为轨道，进动方向，最大振动矢量等，这些信息往往是在监测和诊断中起着重要的作用。 目前，涡轮现场实验，实验室模拟方法和计算机模拟是研究汽轮机组故障机理的方法。现场试验是模拟实际单位具体故障在线检测的故障信号，提取一个故障的标志。这种研究方法
7、具有征兆故障关系明确、高逼真度故障状态的优势。但是，这种方法具有作为背景的噪声大，风险大，成本高的缺点。实验室研究是先设立一个单位，即模拟试验床物理模型。然后在模拟试验台模拟机故障模拟故障信号，故障情况检测，提取故障特征，以建立故障征兆和故障之间的映射。这种方法克服了野外实验的缺点，是广泛使用的故障研究方法。1.2国内外转子振动测量系统的发展及现状据德国电技术杂志 ( E lektrotechn ik)报道， 最近开发出一种新颖的双转子感应电( DRIM ) 结构上与一般的交流感应电机( ACIM )差别很大。当磁极数少( 例如二极) 的电机运行时，绕组的漏电感能减少到一般IM 的70% 80
8、% ，而DRIM 的效率和功率则可增加到较高值。DRIM 具有特殊的定子和双转子结构， 定子的外表面和内表面均加工有齿和槽; 而外转子和内转子一般均设计成鼠笼式构造。从二极定子绕组的端部连接方式中看到， 绕组端部的导线长度大幅度缩短，尤其对运行在少极数的DR IM，由于定子绕组的漏电感和电阻比一般IM 的小，故在相同的范围内能改善DRIM的运行性能。 DRIM 有类似一般IM 的起动过程，由于其定子绕组与一般IM 的有很大不同，故其起动特性优良，内外转子的结构对转矩很有利。4过去， 重点借助开发新材料或利用优化设计方法来提高IM 的效率，成效并不显著。研究新结构电机采用数字模拟是最有效的方法，
9、为研究DR IM 的运行特性，在实际的坐标上已建立DR IM 的电磁关系和数学模型，并用M a tlab语言完成了模拟程序。这次研制的新型DRIM 具有广泛的应用前景。日本安川电机公司不仅拥有VS686 ss5和Varispeed F7s等适用于大中型风机、水力机械的节能驱动系统， 而且针对小容量风机水泵类负载的广大市场需求， 开发了高效的Ecoipm 电动机。并与小型矢量控制变频器V1000配合， 组成了小型高效可变速的Ecoipm 驱动装置， 并已产品化。风机水泵类的风量和流量控制过去很少采用变速控制。基本上由电动机拖动恒速运转，必要时仅调节挡风板或节流阀。但实测中发现，除极短时间流量达最
10、大值外，近90%的运行时间处于中等负载或轻载工况。总用电量至少40%以上被浪费掉。而采用Ecoipm 变频调速运行，则可实现大幅度的节能。5Ecoipm 电动机的特点: ( 1) 在0. 4 7. 5 kW 容量范围内， 高性能的表面式永磁发电机( SPM )， 其效率比超高效感应电动机的效率( IE3标准) 还高; ( 2) Ecoipm 电动机对比原感应电动机减小2 3个机座规格号， 实现了小型轻量化;( 3) 无需精密电子仪器的传感器，耐环境性好， 可靠性高;( 4) 维护简单。在叶片旋转平面的机匣上安装传感器，叶片掠过传感器得到叶片振动幅值、频率、相位等信息，从而分析整级叶片振动. 美
11、国国家技术研究中心、AEDC 组织将非接触式叶片振动应力测量系统简称为NSMS( No ninterference St ress Measurement System) 系统，德国MT U 公司将其简称为OBVM ( Opt icalBlade Vibration Measurement ) . 该种测量系统和技术已广泛应用于航空发动机、电站燃汽轮机叶片振动监测中。最近，香港大学电气与电子工程系提出一种适用于风力发电的外转子变速无刷永磁发电机，该新型无刷永磁电机为一外转子结构，低速的外转子拓朴与风轮叶片直联，旨在高效捕获风能。为达到高的功率密度，将同轴的磁性齿轮与永磁无刷
12、发电机结合一体， 能使发电机设计为高速运转工况，该设计经精心加工制作， 能实现对风力发电的特定要求。此外，利用磁性齿轮，可在内外转子之间提供一物理绝缘，因而维护成本最低、噪声最小。利用分段时间的有限元方法，对其静特性和空载与负载运行进行模拟，并通过试验方法建立了原型。模拟和实验结果证实了所设计电机的有效性。最后，作了定量比较，证实该电机比同类产品，尺寸小、重量轻、成本低。该电机的主要设计参数如下: 内转子额定转速1 000 r /m in， 极对数3; 外转子额定转速136 r /m in，极对数22; 定子圆环的极数25; 额定功率500W; 额定电压220 V; 额定频率50 H z; 永
13、磁钢的剩磁感应1 T; 定子半径60 mm; 内转子内半径60.6mm; 内转子外半径71.4mm; 定子环内半径72mm; 定子环外半径85 mm; 外转子内半径86 mm; 外转子外半径92mm; 轴向长度40mm; 机壳半径97mm; 定子槽数27。国内在1984年由东南大学研制出我国第一台NZ-1型微机扭振监测仪，经过一年时间的现场实测，于1989年1月成功地通过鉴定。这台微机扭振仪采用数字处理技术，利用紧凑可靠的单片微机，对安装在齿轮旁的传感器输出的齿脉冲进行计算，求出转速、扭角、扭频，并用数码显示和打印微机输出。该仪器功能较多，自动化程度较高，且工艺简单，体积小，价格低廉。在研制成
14、功并小批量生产NZ-1型微机扭振仪后，立即开始了高档的II型扭振仪的研制。它采用1988年美国新推出的8098型16位单片微机，并配以适当的模拟线路，在测试精度、速度、量程、功能、智能化、自动化等方面有较大的提高。其功能主要有:能同时高速采集来自安装在齿轮旁的传感器的转速脉冲信号和电压、电流信号，但仍以大轴系扭振信号为主，直接分析的扭振频谱、幅度，并根据有关的S-N曲线、振型曲线和有关公式定理确定相应危险截面处的扭应力，进行分级和加权的疲劳寿命统计。该扭振仪可实时存储扭振超限时所对应的扭角、电压、电流等参数，在离线状态下可对利用这些数据进行故障分析处理。最近，哈尔滨工业大学采用光纤测量技术实现
15、航空叶轮泵高速转轴径向振动的检测，对检测系统的工作原理做了详细介绍。设计了新型的光纤测头，提出相应的补偿方案，并对补偿机理进行了详细的分析。对测试系统的特性进行了研究，得出位移特性调制函数表达式，给出了仿真曲线。理论计算和仿真分析表明，该测试系统能有效地消除因光源光强波动、光纤弯曲损耗、表面反射率等因素对输出特性的影响，可以在叶轮泵内部电磁干扰严重和高温等恶劣环境下实现对高速转轴径向振动的检测。实验测试结果表明，随着转轴转速由1 000 r/ min 提高到10 000 r / min， 径向振动幅值单调增加，这与实际情况相符合。叶轮泵超高速转轴径向振动检测的原理图如图所示， 由半导体激光器发出的光经发射光纤照射到高速转轴的表面， 反射回来的光由接收器接收， 把光信号转换成电信号。转轴径向振动造成转轴表面与测头之间位移的变化， 引起光强信号的变化， 根据光强信号的变化便可测出转的径向振动量。图 1 检测系统原理框1.3转子振动检测系统的设计内容随着信息处理技术、传感器技术、网络技术以及现代测试技术等相关学科的发展，为旋转机械的状态监测提供了强有力的技术支持，从而使旋转机械的状态监测成为可能，在这种情况下，
