激光三角法測量在電機(jī)磁力中心線連續(xù)監(jiān)測與故障診斷中的應(yīng)用

張澤民

(上海電氣集團(tuán)上海電機(jī)廠有限公司，上海 200240)

0 引言

電機(jī)旋轉(zhuǎn)過程中，沿軸向存在某一平衡位置使得氣隙磁場的磁力線全部垂直于轉(zhuǎn)軸，而不產(chǎn)生任何軸向分量，稱之為磁力中心線。受限于制造技術(shù)的隨機(jī)性與離散性，在電機(jī)制造過程中不能保證定轉(zhuǎn)子磁力中心線完全重合，所以在電機(jī)啟動和停機(jī)過程中，電機(jī)轉(zhuǎn)子相對于機(jī)座必然存在一定范圍內(nèi)的軸向竄動。軸向竄動較大時可能會引起較大的振動、噪聲，嚴(yán)重時會影響電機(jī)的正常運(yùn)行和使用壽命。與負(fù)載連接時，如果電機(jī)磁力中心線不對中量超出規(guī)定范圍，可能會導(dǎo)致聯(lián)軸器端距變大，從而致使聯(lián)軸器膜片長期受軸向拉力，引起疲勞斷裂，進(jìn)而對電動機(jī)軸承或軸承端蓋產(chǎn)生附加軸向力，引起軸承磨損[1]。為避免電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中因轉(zhuǎn)子軸向竄動過大，而產(chǎn)生故障，需嚴(yán)格控制電機(jī)軸向竄動量。

鑒于加工制造的離散性和隨機(jī)性，在電機(jī)裝配過程中，要多次反復(fù)測量定轉(zhuǎn)子幾何中心線是否對中。電機(jī)裝配完成后，需在空載試驗時測量電機(jī)轉(zhuǎn)子軸向竄動量，以此來驗證定轉(zhuǎn)子磁力中心線是否對中。為了測量方便，常采用鋼皮尺等工具直接測量電機(jī)旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下軸伸端鄰近軸肩與軸承端蓋外表面之間的距離，如圖1所示。傳統(tǒng)的測量方法精度較差，很難辨別電機(jī)旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下的“往復(fù)竄動”；為提升測量準(zhǔn)確性，測量過程中需要測量人員將直尺盡可能靠近高速旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子，危險性較高。本文致力于研究無接觸激光測量技術(shù)在電機(jī)磁力中心線測量中的應(yīng)用，以提升測量的安全性和準(zhǔn)確度。

圖1 軸向竄動量傳統(tǒng)測量方法

1 激光三角法測量原理

激光三角法測量屬于非接觸式測量方法，具有精度高、測量范圍大、對待測表面質(zhì)量要求低等諸多優(yōu)點，因此廣泛應(yīng)用于微小位移檢測和表面形狀檢測中[2-3]。不同于傳統(tǒng)的激光測距，激光三角法測量原理，根據(jù)入射光與被測物體表面的角度不同分為斜射式和直射式。

1．1 斜射式激光三角法原理

斜射式激光三角法原理是指入射激光束與被測物體表面成某一角度，如圖2所示。其中，激光束與被測物體表面法線的夾角為γ，散射光束與法線的夾角為θ，散射光束與CCD陣列單元之間的夾角為ψ，入射光點與成像透鏡中心之間的距離為L，對應(yīng)成像點與成像透鏡中心點之間的距離為L’，物體表面移動前后距離為x，CCD陣列單元上的成像距離為x’。圖2中兩個陰影三角形相似，根據(jù)三角形相似定理：

(1)

可以得到物體表面相對位移計算公式為：

(2)

如果已知成像透鏡的焦距為f，根據(jù)高斯成像定理可知：

(3)

將式(3)代入式(2)可以得到物體相對位移計算式為：

圖2 斜射式激光三角法原理

1．2 直射式激光三角法原理

直射式激光三角法原理是指入射激光束與被測物體表面垂直，如圖3所示。直射式激光三角法是斜射式的一種特殊情況，即γ=0。根據(jù)方程(4)可以得到物體相對位移計算式為：

(5)

圖3 直射式激光三角法原理

1．3 激光位移傳感器

激光位移傳感器是基于激光三角法設(shè)計的高精度測量裝置，主要用于測量物體的相對位移、厚度和振動等。激光位移傳感器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和測量原理如圖4所示，半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生的激光經(jīng)過鏡片1聚焦到被測物體表面a，一部分漫反射光透過鏡片2照射到CCD陣列上；當(dāng)物體表面移動到位置b后，CCD上的反射點會發(fā)生變化，信號處理單元根據(jù)式(4)和(5)可以計算出物體表面的相對移動距離，從而實現(xiàn)測距的目的。激光三角法位移傳感器體積較小、結(jié)構(gòu)輕便、測量精度和分辨力較高、不易受環(huán)境電磁場影響，因此被廣泛應(yīng)用于位移、物體表面輪廓、自由曲面等測量場景，可進(jìn)行高精度實時在線監(jiān)測[4]。

圖4 激光位移傳感器原理

2 測量方案設(shè)計

大型異步電機(jī)出廠試驗前，都要測量電機(jī)空載運(yùn)行狀況下磁力中心線的具體位置，也就是圖1中所示的x數(shù)值，我們通常將其稱為Z尺寸。不同于傳統(tǒng)的電機(jī)磁中心測量方法，本文采用激光位移傳感器來檢測電機(jī)軸伸端端面的相對位移變化，從而間接求得電機(jī)運(yùn)行中Z尺寸具體數(shù)值。具體測量過程如下：

(1) 將激光位移傳感器水平布置在電機(jī)軸伸端適當(dāng)距離處，調(diào)整傳感器水平裝置，使激光發(fā)生器產(chǎn)生光源盡量垂直于電機(jī)轉(zhuǎn)軸端面。

(2) 啟動電機(jī)至額定轉(zhuǎn)速，激光位移傳感器置零。電機(jī)試驗過程需要穩(wěn)定運(yùn)行一段時間，根據(jù)需求，可以選擇將激光位移傳感器連接至電腦設(shè)備，實時記錄轉(zhuǎn)子沿軸向往復(fù)運(yùn)動數(shù)值。

(3) 試驗結(jié)束，待電機(jī)完全停止后，讀取激光位移傳感器示數(shù)，記作x1。

(4) 用游標(biāo)卡尺測量停機(jī)后的x2，如圖5所示。

(5) 通過計算可以得到電機(jī)出廠前試驗所需要測量的Z尺寸，即x=x1+x2。

圖5 激光位移傳感器測量電機(jī)磁中心方法

利用激光位移傳感器間接測量Z尺寸的方法可以提升測量的準(zhǔn)確度，消除傳統(tǒng)測量方法中人為因素引入的測量誤差，使測量結(jié)果更具有說服力。另外，非接觸激光測量可以在保證測量精度的前提下，提升測量過程的安全性。將高精度激光位移傳感器連接至PC上，可以實時監(jiān)測電機(jī)軸向跳動，有利于輔助診斷電機(jī)軸向振動故障。

3 試驗驗證與分析

3．1 磁力中心線測量精度分析

不同型號的電機(jī)啟動后軸向竄動量受本身結(jié)構(gòu)和制造精度的影響較大，但多數(shù)電機(jī)軸向竄動量最大不會超過15 mm。為滿足量程需求，調(diào)研商業(yè)化激光位移傳感器型號和測量范圍，以某品牌激光位移傳感器產(chǎn)品為例，其測量中心距、量程、測量精度如表1所示。電機(jī)出廠試驗中規(guī)定Z尺寸測量誤差在0．5 mm以內(nèi)就可以滿足要求。很明顯，使用測量中心距為50 mm、100 mm、200 mm的激光位移傳感器都可以同時滿足量程和精度要求。

表1 某品牌激光位移傳感器規(guī)格參數(shù)

3．2 軸向振動故障診斷分析

使用表1中1號激光位移傳感器，測量某中心高為630 mm的4極異步電機(jī)磁力中心線時，發(fā)現(xiàn)軸向跳動明顯，懷疑電機(jī)存在軸向故障。使用手持式測振儀測量軸伸端軸向振速為2.4 mm/s，水平和垂直方向振速在1.8 mm/s左右。使用PCB 356A16振動加速度傳感器和B&K TYPE 3050-B-060數(shù)采設(shè)備采集電機(jī)軸承處振動數(shù)據(jù)，一次積分并做頻域變換后得到軸向振速頻譜圖，如圖6所示。電機(jī)額定轉(zhuǎn)速為1 490 r/min，轉(zhuǎn)頻為24.83 Hz，頻譜圖中3倍頻較大，1倍頻幅值超過1.2 mm/s，且高次諧波明顯。結(jié)合現(xiàn)場技術(shù)人員描述和現(xiàn)場噪聲情況，推斷轉(zhuǎn)子不平衡量較大，且電機(jī)存在明顯軸向沖擊；結(jié)合磁力中心線監(jiān)測時出現(xiàn)的明顯軸向跳動，推斷軸向沖擊原因可能為磁力中心線軸向不對中所致。

圖6 軸向振速頻譜分析(500 Hz以內(nèi))

現(xiàn)場檢查，拆除軸承端蓋，做轉(zhuǎn)子動平衡并重新調(diào)整定轉(zhuǎn)子軸向幾何中心和軸向安裝后，電機(jī)軸向振動明顯下降。

4 結(jié)論

基于激光三角測量法的激光位移傳感器可以將電機(jī)磁力中心線的測量精度提升至0.2 mm以上，并可以實現(xiàn)無接觸測量，提升了測量的安全性。高精度的激光位移傳感器可以用于監(jiān)測電機(jī)轉(zhuǎn)子軸向跳動，輔助診斷電機(jī)軸向振動故障。