旋轉機械不對中故障模擬實驗平臺開發(fā)

郭艷婕，李浩琪，楊立娟，張興武，王詩彬，蔡改改

（1. 西安交通大學 機械工程學院，陜西 西安，710049；2. 西安電子科技大學 機電工程學院，陜西 西安，710071）

根據專業(yè)認證要求，四年制本科工程教育的基本定位是培養(yǎng)學生解決“復雜工程問題”的能力[1-3]。實踐教學是培養(yǎng)學生解決復雜工程問題的重要環(huán)節(jié)[4-6]。綜合實驗項目是復雜工程問題的載體，連接了實踐、工程和理論。旋轉機械中不對中故障頻發(fā)，如何診斷不對中量是工程中的常見問題，掌握旋轉機械的不對中故障診斷方法，就掌握了多種傳感器的使用，并學會了數據采集、數據處理等方法[7-10]。因此，本文基于 NI CRIO開發(fā)了旋轉機械不對中故障模擬實驗平臺，采用振動傳感器、轉速傳感器通過故障診斷方法診斷出不對中量，進一步地通過激光對中儀對比不對中量程度。

1 實驗平臺設計

實驗平臺模擬風電機組的不對中故障，選用電動機的輸出軸來模擬輸出端，選用磁粉制動器的輸入軸來模擬輸入端，通過墊片等調整不對中量，采用 NI CRIO等模塊構成了在線式不對中測試方案，采用激光對中儀構成了離線式測試方案，如圖1所示。通過該平臺可以實現不同方式的不對中分析方案。

圖1 系統(tǒng)結構框圖

旋轉機械不對中故障實驗臺整體結構如圖 2所示，磁粉制動器提供負載。磁粉制動器的底部采用玻璃鋼片這種彈性支撐，最大程度模擬風電機組的實際工況。為了實現聯(lián)軸器的不對中度的調節(jié)，三相異步電機的底板上安裝有調整螺栓，并配備調整墊片。螺栓用于調節(jié)水平方向的不對中度，墊片用于調節(jié)豎直方向的不對中度。

圖2 實驗臺結構圖

1.1 三相異步電機

實驗臺采用三相異步電機輸出軸來模擬齒輪箱的輸出軸，因此需要保證電機提供的輸出轉速能覆蓋風機增速齒輪箱的轉速范圍，即1 000～2 000 r/min。

三相異步電機的調速原理是變頻調速，因此為了在實驗臺上模擬出風電機組的多種工況，該變頻器所采用的電源是三相380 V交流電，變頻器端子接線方式如圖3(a)所示。變頻器與電源和電機（電機采用Y型接法）的接線原理如圖3(b)所示。

1.2 磁粉制動器

實驗臺采用磁粉制動器的制動力矩來模擬風電機組中發(fā)電機提供的載荷，因此磁粉制動器配備有張力控制器，實現制動器的張力在0～50 N變化。

張力控制器連接220 V交流電，輸出24 V直流電，控制方式采用脈寬調制，外控信號采用0～5 V，實驗中用磁粉制動器模擬了三種不同的工況，對應的控制器輸出電流分別是0、0.25和0.5 A，即所提供的扭矩依次為0、5和10 Nm。

1.3 聯(lián)軸器

圖3 變頻調速接線

圖4 三類聯(lián)軸器

實驗臺提供膜片聯(lián)軸器、梅花聯(lián)軸器和剛性一體聯(lián)軸器3種聯(lián)軸器供選擇，如圖4所示。其中，膜片聯(lián)軸器是非剛性的，可以在一定程度上補償徑向不對中和角度不對中，但不能保證嚴格的對中。同時膜片聯(lián)軸器也可用作安全裝置，有吸振、緩沖的作用。膜片聯(lián)軸器在設備工作時是不能像梅花聯(lián)軸器一樣分離的。梅花聯(lián)軸器是一種價格低且安裝方便的聯(lián)軸器。梅花聯(lián)軸器具有很好的平衡性并且適用于較高的轉速（最高轉速可達30 000 r/min），但不能承受很大的偏差，尤其是徑向的偏差。較大的徑向位移會導致軸承產生過大的負荷。另一個值的關注的是梅花聯(lián)軸器的失效問題。一旦梅花彈性間隔體老化、損壞或失效，此時扭矩傳遞并沒有中斷，可能會導致軸系出現問題。剛性一體聯(lián)軸器是鋁合金材質，通過機加工成型，幾乎沒有補償徑向位移和角度位移的能力。

1.4 調整墊片

調整墊片主要用于調整豎直方向的不對中。實驗臺選用了U型不銹鋼墊片，這種墊片的好處是：硬度高，不易變形；不易腐蝕，精度保持性好；U型結構方便安裝調整。墊片厚度為0.01～0.20 mm。

2 實驗內容

實驗臺的在線式測試方案主要是通過測量和分析振動信號來診斷是否發(fā)生不對中故障、不對中故障類型及判斷不同類型聯(lián)軸器的不對中故障是否不同。因此整個實驗流程分為四個步驟：預置故障、信號采集、信號處理和對比分析。預置故障時即可采用激光對中儀確定不對中量，與后續(xù)在線故障診斷進行對比。

圖5 實驗方案

2.1 離線式測試

離線式測試實驗選用瑞典Fixturlaser Go Basic激光對中儀，激光線扇形角為 6°，激光線寬度(1/e2)為1.6 mm，激光線發(fā)散度為0.25 mrad，最大測量距離為5 m。檢測端采用CCD，檢測儀長度為30 mm，角度對邊 30 mrad/m，分辨率僅 1 μm，測量精確度為±7 μm。測斜儀分辨率為0.1°，精確度為±0.5°。

激光對中儀分辨安裝在聯(lián)軸器兩端（如圖 6所示），將實驗臺參數輸入激光對中儀中，手動旋轉激光對中儀即可測量不對中度。實驗臺首先在豎直方向調整到對中狀態(tài)。在完成豎直方向的調整之后，不要取下激光對中儀的測量裝置，將測量裝置旋轉至水平方向，松開壓緊螺栓，然后調整電機墊塊上的調整螺栓，觀察激光對中儀的顯示器，直至讀數接近預期值。調整完成后，使用激光對中儀重復測量三次，以獲得不對中量的準確數值。

圖6 實驗方案設計

2.2 在線式測試

在離線式測試部分預置故障后，在電機的輸出端（左端）貼上三個加速度傳感器，測點位置如圖7所示的位置1、2、3，其中測點1和2用于測量電機的徑向（水平方向和豎直方向）振動的加速度值，測點3用于測量電機軸向振動的加速度值。隨后啟動電機，調整轉速到1 000～2 000 r/min。

圖7 振動傳感器測點布置

采用NI CRIO 9035搭載NI 9234模塊作為振動信號的采集硬件，通過 LabVIEW 作為軟件開發(fā)平臺，該軟件采用圖形化編程，入門容易，并可以快速地對信號進行處理，方便學生編譯軟件，掌握信號處理的方法[11-12]。該軟件界面如圖8所示，包括了信號的顯示界面和后面板采集程序。

下面分析一組剛性一體聯(lián)軸器發(fā)生平行不對中故障時采集到的振動信號。首先以采集到的平行不對中故障的振動信號為例。采集的信號個數為100 000，采樣頻率為10 kHz，截取中間部分50 000個數據點（時長5 s）進行分析，結果如圖9所示，可以看到轉頻為30 Hz，此時二倍頻出現，說明存在不對中故障，與實驗臺設定一致。隨著不對中量的增加，二倍頻幅值也會增加，根據二倍頻幅值大小可以判斷不對中故障的嚴重程度。

圖8 信號采集程序

圖9 平行不2對中故障的軸向和徑向振動信號及其頻譜

3 實驗項目

旋轉機械不對中故障模擬實驗臺可以調節(jié)的參數包括：（1）電機的轉速（通過變頻器控制）；（2）磁粉制動器的扭矩（通過張力控制器控制）；（3）不對中量（通過調整墊片和螺栓控制）；（4）不同類型聯(lián)軸器。

該平臺上可以開展測試技術課程綜合實驗和機械故障診斷實驗，實驗內容包括：激光對中儀的測試、振動傳感器布置、振動信號采集、信號處理分析。通過模擬不同類型聯(lián)軸器的不對中故障，學生可以掌握在線式、離線式不對中故障檢測方法。

4 結語

本文設計了旋轉機械不對中故障模擬實驗臺，可以完成對三類不對中故障和多種工況的模擬，并能完成對三向振動信號的采集。實驗過程中，以激光對中儀作為標準，對振動信號進行直觀的分析，幫助學生理解故障診斷內容，從而掌握故障診斷這一知識點。