旋转机械的瞬时角速度波动量化及故障诊断

　　引　　言

　　旋转机械的绝大多数机械故障都与转子及其组件直接相关,大约占70%[1],转子的运动和其他回转件、非回转件是紧密联系的,其他部件产生故障大多会直接或间接地对转子的运动产生影响。

　　机械设备在一稳定工况下运行时,瞬时转速呈现出波动的现象。从微观上看,这种波动并无严格的周期性,即存在着时域上的不均匀性,在这种不均匀的波动中便蕴含着丰富的旋转机械运行状态信息。利用旋转机械转子动力学、摩擦、磨损有关理论研究和认识故障机理,探求各种故障状况下瞬时转速波动的外在表现,是旋转机械故障诊断的一条有效途径,因此,对瞬时转速波动准确检测和量化便显得尤为重要。

　　1　原　　理

　　旋转机械在平衡状况下,驱动扭矩和负载扭矩平衡,系统净扭矩Tnet=0,此时瞬时转速应保持恒定,但这只是一种理想状况,实际上旋转机械的瞬时净扭矩Tnet并不能持续保持为零,这势必使瞬时转速呈现波动,特别是故障状况下的异常波动中包含着丰富的故障信息。图1为一6缸发动机曲轴瞬时转速不均匀性波动的曲线,其中包含着工作过程的循环变动和动力传递系统工作状况的信息,瞬时转速波动的不均匀性是由瞬时净扭矩波动的不均匀性引起的[2]。

　　不失一般性,设转子转过一微小角度ΔθA→B,经历ΔθA→B转角的角速度变化为

　　式中,θ(1)A和θ(1)B分别为A,B点对应的瞬时角速度;k为取微小角位移ΔθA→B的序号。

　　该过程所经历的时间为

　　式中,θ(1)av为转子平均角速度。

　　转子转过ΔθA→B间的平均角加速度为

　　将式(2)代入式(3),则有

　　转子转过ΔθA→B期间转子输出平均净扭矩可表示如下

　　式中,I为转子传动系统和负载系统的等效转动惯量,Tnet为瞬时净扭矩值。式(5)也可表示为

　　由式(5～7)可知,转子角加速度的变化表征了转子系统转过ΔθA→B时净扭矩值的变化。在一稳定工况下这种变化便反映了转子的工作状况,探求正常工作和某种故障状况下这种波动的差异,是旋转机械状态监测和故障诊断的一条有效途径,以下的工作是对这种波动信息进行量化。

　　2　方　　法

　　测速圆光栅采用GBZ03B(1 000 p/r),测速光栅码盘和转子同轴旋转,当光栅码盘转至第j个条纹时启动计数器开始计数,当转至第j+1个条纹时停止计数,读取计数值并重新启动计数直到第j+2个条纹,如此循环,采用高速微处理器CPU,对外部脉冲分辨率Δtμ1μs,上述过程是不难实现的。

　　当光栅码盘由第j个条纹转至第j+1个条纹时,微处理器计数器计数值[3]设为Qj,有