立式泵站盤車連續(xù)擺度測量法及分析處理系統(tǒng)開發(fā)

孫 毅，成 立，李加旭，徐文濤，陳北帥

（1.南水北調(diào)江蘇泵站技術(shù)有限公司，江蘇揚州225009；2.揚州大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇揚州225009）

0 引言

水泵機組軸線的檢查與調(diào)整，一直是水泵組安裝與檢修的重要部分［1］。國內(nèi)主流的擺度數(shù)據(jù)的測量方法依然是傳統(tǒng)的八點測量，由于機組轉(zhuǎn)動部件慣性大，難以準確檢測固定點處的數(shù)據(jù)。近幾年出現(xiàn)新的電渦流傳感器用于測量金屬的間隙，對于人力盤車或液壓盤車，往往存在難以控制角速度的困難，若不能做到精確地以勻角速度盤車，會導(dǎo)致測量的擺度數(shù)據(jù)難以和角度對應(yīng)，從而導(dǎo)致測量分析的較大誤差。不管是哪個方案最終都會存在盤車時，人為的主觀能動性對盤車影響很大。

近年來國內(nèi)學(xué)者針對立式泵站盤車提出一系列提高精度與適用性的方法，張建峰［2］針對水泵機組軸線擺度測量與調(diào)整方法進行了研究，證明了用千斤頂、錘擊和火烘等調(diào)整水泵機組軸線擺度的方法在實際中可以有效的利用，但使用過程中可能對泵軸產(chǎn)生損傷［3］，需要精確把控。李德明［4］提出了采用excel 規(guī)劃求解，編寫盤車計算表，通過坐標分解對三導(dǎo)水輪發(fā)電機組盤車數(shù)據(jù)進行優(yōu)化處理的方法，有效解決了傳統(tǒng)盤車方法精度不足，無法自動準確調(diào)整方位與角度的問題。談進昌［5］對在惠蓄電站機組使用的“四表四點”盤車工作方法進行了研究，同國內(nèi)傳統(tǒng)的“兩表八點法”相比，“四表四點”法操作簡便，數(shù)據(jù)處理簡單方便。趙永輝［6］對三峽采用的新型液壓自動盤車裝置進行了研究，該新型盤車替代了原先的電機齒輪驅(qū)動盤車，具有受力更加均勻，輸出扭矩更大，運行平穩(wěn)，操作方便等特點，該裝置針對之前電機驅(qū)動盤車存在的缺陷，如接口數(shù)量不足，齒盤安裝中心與旋轉(zhuǎn)中心存在偏心距，小齒輪與大齒輪嚙合傳動存在傾斜等，進行了優(yōu)化與改進，取得了良好的效果。

1 擺度測量計算調(diào)整原理

大型立式泵站機組的軸線由電機軸和水泵軸組成，軸線上任一點所測得的垂度圓就是該點的擺度圓，其直徑為擺度［7］，全擺度則是指同一測量部位對稱兩點的數(shù)值差，凈擺度是指同一側(cè)點上下兩部位全擺度的數(shù)值差。產(chǎn)生擺度的主要原因是鏡板與軸線不垂直或者軸線本身的曲折［8］。泵站變速盤車自適應(yīng)的連續(xù)擺度測量法是利用電渦流傳感器［9］和新型光柵角度傳感器對軸線上導(dǎo)、法蘭、水導(dǎo)三處的全擺度進行測量，下面將對該方法原理進行介紹。

1.1 擺度測量原理

本次測量采用的傳感器之一是電渦流傳感器。通過電渦流傳感器準確測量被測體（必須是金屬導(dǎo)體）與探頭端面之間靜態(tài)和動態(tài)的相對位移變化e。在轉(zhuǎn)軸上均勻布置光柵，使用新型光柵角度傳感器［10］向光柵發(fā)射紅外線，通過紅外光線的反射光線的不同來繪制光柵反射強度與時間的頻譜，通過頻譜來判斷轉(zhuǎn)軸角度的變換速度。

1.2 傳感器數(shù)值計算原理

盤車開始運轉(zhuǎn)后，傳感器每隔0.02 s測量一次數(shù)據(jù)并記錄，得到測量部位對稱兩點上的全擺度值。即該傳感器組合可以測得泵軸旋轉(zhuǎn)一周的若干個擺度數(shù)據(jù)，以及與其精確對應(yīng)的角度。

上導(dǎo)處的全擺度為：

式中：φu為上導(dǎo)處的全擺度值，mm；φu180為上導(dǎo)處旋轉(zhuǎn)180°時的電渦流傳感器讀數(shù)，mm；φu0為上導(dǎo)處旋轉(zhuǎn)0°位置的電渦流傳感器讀數(shù)，mm。

法蘭處的全擺度為：

式中：φf為法蘭處的全擺度值，mm；φf180為法蘭處旋轉(zhuǎn)180°的電渦流傳感器讀數(shù)，mm；φf0為法蘭處旋轉(zhuǎn)時0°的電渦流傳感器讀數(shù)，mm。

水導(dǎo)處的全擺度為：

式中：φw為水導(dǎo)處的全擺度值，mm；φw180為水導(dǎo)處旋轉(zhuǎn)180°的電渦流傳感器讀數(shù)，mm；φw0為水導(dǎo)處旋轉(zhuǎn)時0°的電渦流傳感器讀數(shù)，mm。

上導(dǎo)與法蘭處的凈擺度為：

上導(dǎo)與法蘭處軸線的傾斜值即為全擺度之半：

法蘭與水導(dǎo)處的凈擺度為：

同理法蘭與水導(dǎo)處軸線的傾斜值：

將采集到的數(shù)據(jù)點進行擬合，從理論上來說，盤車得到法蘭處和水導(dǎo)處的凈擺度值為一條正弦曲線［11］。測量原理如圖1所示。

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圖1 測量原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of measurement principle

1.3 軸線調(diào)整

當(dāng)機組軸線擺度過大時，可通過刮削推力頭底面或絕緣墊或法蘭面的方法進行調(diào)整［12，13］。當(dāng)機組軸線是一條直線時，可按法蘭處的凈擺度和水導(dǎo)處的凈擺度計算刮削推力頭底面或絕緣墊的最大厚度［14］。

按法蘭處的凈擺度計算有：

按水導(dǎo)處的凈擺度計算有：

式中：L1為推力頭底面至法蘭擺度測量處的距離；L2為法蘭擺度測量處至水導(dǎo)擺度測量處的距離；D為推力頭或絕緣墊外徑。軸線調(diào)整參考圖如圖2所示。

圖2 軸線調(diào)整參考圖Fig.2 Axis adjustment reference drawing

2 泵站變速盤車自適應(yīng)連續(xù)擺度測量法

泵軸開始轉(zhuǎn)動后，每間隔一次固定時間，就通過安置的電渦流傳感器測量被測體（必須是金屬導(dǎo)體）與探頭端面之間的相對位移變化e。同時，為了測量對應(yīng)的泵軸轉(zhuǎn)速，在轉(zhuǎn)軸上均勻布置光柵，使用新型光柵角度傳感器向光柵發(fā)射紅外線，通過紅外光線的反射光線的不同來繪制光柵反射強度與時間的頻譜，通過頻譜來計算轉(zhuǎn)軸角度的變換，并最終確定泵軸旋轉(zhuǎn)的角速度。通過將各個測點處上過軸心對稱兩點的電渦流傳感器讀數(shù)相減，可獲得該處的全擺度值，即φ=φ180-φ0，其中，φ為該處某點的全擺度值，φ0為該點處未旋轉(zhuǎn)時的電渦流傳感器讀數(shù)，φ180為該點旋轉(zhuǎn)180°時的電渦流傳感器讀數(shù)。將法蘭處與水導(dǎo)處的全擺度值相減，可獲得凈擺度值，即φwf=φw-φf，其中φwf為上導(dǎo)與法蘭處的凈擺度，φf為法蘭處的全擺度值，φw為水導(dǎo)處的全擺度值。同理，可根據(jù)上文公式（2）和公式（3），依次計算出法蘭與水導(dǎo)處的傾斜值以及軸線調(diào)整需要計算的刮削值。獲得以上數(shù)據(jù)后，將獲得的擺度值與泵軸上的角度一一對應(yīng)，并通過程序反映在計算機上，以供參考。整個連續(xù)擺度測量法的流程如圖3所示。

圖3 連續(xù)擺度測量法流程圖Fig.3 Flow chart of pendulum measurement method

3 盤車數(shù)據(jù)分析處理系統(tǒng)

本系統(tǒng)軟件是基于Matlab 開發(fā)的。軟件包括“數(shù)據(jù)采集”、“盤車數(shù)據(jù)處理”、“處理意見”、“操作記錄”、“用戶管理”模塊，用戶可根據(jù)需求進行選擇操作。

3.1 數(shù)據(jù)采集模塊

本系統(tǒng)擺度測量數(shù)據(jù)采集模塊采集電機上導(dǎo)、法蘭和水導(dǎo)的X、Y方向的擺度，如圖4所示，本系統(tǒng)通過RS485/RS232 串口與STM32F407 單片機相連，單片機通過RS485/RS232 串口與4個傳感器相連，4 個傳感器分別測量角速度、電機上導(dǎo)擺度、法蘭擺度、水導(dǎo)擺度。測量擺度的傳感器為電渦流傳感器，電渦流傳感器是一種非接觸的線性化計量工具，它能準確測量被測體（必須是金屬導(dǎo)體）與探頭端面之間靜態(tài)和動態(tài)的相對位移變化，在旋轉(zhuǎn)機械的分析測量中常采用該傳感器［15］。泵軸旋轉(zhuǎn)的角速度ω，可以利用在轉(zhuǎn)軸上均勻的布置光柵的反射光線的不同來繪制光柵反射強度與時間的頻譜，通過頻譜來判斷轉(zhuǎn)軸角度的變換速度，最終確定泵軸旋轉(zhuǎn)的角速度。

圖4 數(shù)據(jù)采集模塊Fig.4 Data acquisition module

一個圓周通過傳感器均勻采集數(shù)千個點的擺度數(shù)值，在該模塊中以45°為間隔顯示所有采集數(shù)據(jù)中的8個樣點，供用戶對擺度數(shù)據(jù)進行實時監(jiān)控，8 個樣點數(shù)據(jù)以一個圓周為一個周期更新，用戶可隨時選擇導(dǎo)出數(shù)據(jù)進行分析。

3.2 擺渡數(shù)據(jù)處理模塊

圖5 擺渡數(shù)據(jù)處理模塊Fig.5 Ferry data processing module

3.3 處理意見模塊

根據(jù)采集的數(shù)據(jù)與擬合的特性曲線，系統(tǒng)將自動繪制出各個部位軸線情況示意圖，在“機組參數(shù)”一欄會展示出不同測點間的距離、軸線總長、轉(zhuǎn)速、各個部位的全擺度、凈擺度、相對擺度等參數(shù)，若機組軸線擺度不符合標準，系統(tǒng)將會自動通過內(nèi)置算法計算出刮削量并給出刮削方位示意圖，提出供用戶參考的處理意見，如圖6所示。

3.4 操作記錄模塊與用戶管理模塊

如圖7所示，操作記錄模塊中，用戶可以自由選擇導(dǎo)出操作日志信息，查看該用戶的操作記錄，歷史工作記錄信息，也可以選擇導(dǎo)出人員登錄信息，查看歷史人員登錄記錄。

圖7 操作記錄模塊Fig.7 Operation recording module

用戶管理模塊中，用戶可以進行注冊賬號、登錄、修改密碼等操作，建議盡量保持一人對應(yīng)一個賬號，便于維護與管理。具體界面如圖8所示。

圖8 用戶管理模塊Fig.8 User management module

4 應(yīng)用軟件分析數(shù)據(jù)

4.1 八點法擺度數(shù)據(jù)處理模塊

本文基于Matlab 開發(fā)了分析處理軟件，經(jīng)過實驗室測試，使用傳統(tǒng)八點法得到的數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 實驗機組盤車數(shù)據(jù) mmTab.1 Experiment unit turning data

從表1 的數(shù)據(jù)可以計算出電機上導(dǎo)，法蘭和水導(dǎo)處相對點的全擺度值以及對應(yīng)法蘭和水導(dǎo)上的凈擺度值。其數(shù)值計算結(jié)果如表2所示。

表2 實驗機組計算擺度數(shù)據(jù) mmTab.2 The experimental set calculates the swing data

而從表1 中的數(shù)據(jù)擬合出的正弦曲線可知，法蘭相對于電機上導(dǎo)的最大擺度點的值0.068 4 mm，而此數(shù)值對應(yīng)的泵軸角度為176.53°。同理，水導(dǎo)相對于法蘭的最大擺度點的值約為0.067 36 mm，其對應(yīng)的泵軸角度為352.72°。軟件數(shù)據(jù)展示頁面如圖9所示。

圖9 八點法擺度數(shù)據(jù)展示頁面Fig.9 Eight point method pendulum data display page

4.2 連續(xù)法擺度數(shù)據(jù)處理模塊

通過實驗室測試，每間隔4°采集一次泵軸測點的擺度數(shù)值，即使用變速盤車自適應(yīng)的連續(xù)擺度測量法，并將數(shù)值導(dǎo)入軟件的數(shù)據(jù)采集模塊，可得到一條精度較高的擬合出的正弦曲線。如圖10示。

5 結(jié) 語

機組泵軸的檢查調(diào)整，是水泵安裝檢修的重要環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)的八點法檢測存在著精度不高等問題。本文旨在通過利用電渦流傳感器結(jié)合測量紅外波譜等方式，精確獲得泵軸的連續(xù)擺度數(shù)據(jù)，通過傳感器與計算機相連接，配套使用相應(yīng)的基于Matlab開發(fā)的分析處理程序，將數(shù)據(jù)直觀地顯示在計算機上，便于檢測水泵軸線的垂直度是否符合預(yù)期要求，為后續(xù)的維修調(diào)整提供參考?！?/p>