基于虚拟传感器的立式泵动平衡试验方法技术

本发明专利技术公开了一种基于虚拟传感器的立式泵动平衡试验方法。该方法在与物理传感器安装角度成一定夹角处安装虚拟传感器，由坐标变换公式和物理传感器测得的振动值，计算虚拟传感器的振动值，并得到虚拟传感器测得的振动在两个方向上的耦合度，以耦合度最小原则确定刚度主轴线方向。将虚拟传感器安装在刚度主轴线方向，最大程度地将虚拟传感器所测出的两个方向上振动解耦。解耦后，立式泵变频运行过程中虚拟传感器所测振动随转速变化规律近似于单自由度系统，动平衡试验可以基于振动大侧虚拟传感器所测数据开展，降低了动平衡试验的难度，提高了动平衡试验的准确性。

【技术实现步骤摘要】
基于虚拟传感器的立式泵动平衡试验方法
本专利技术涉及一种立式泵动平衡试验方法，具体涉及一种基于虚拟传感器的立式泵动平衡试验方法。
技术介绍
立式泵是发电厂的重要设备，包括凝结水泵和循环水泵等。为了节能，很多电厂对立式泵实施了变频改造，将原定速运行节流调节改为变频运行转速调节，变频调节区间为60％-100％，取得了较好的节能效果。立式泵在变频改造前定速运行时，工作转速高于系统共振转速，避开了共振区，振动较小。立式泵变频改造后，工作转速落入共振转速区间内，振动较大，带来了一些振动问题。为了减小立式泵振动，目前的解决方法主要包括：筒体加固和加筋、精细动平衡、更换磨损瓦、轴系中心调整等方法。筒体加固和加筋可以提高电机对振动的抵抗力，动平衡试验则可以消除设备上的激励力。实践表明，提高动平衡精度减小激励力所取得的减振效果比提高刚度要显著得多。为了减小立式泵变频运行时发生的振动问题，对转子动平衡精度提出了很高要求。相应地，对动平衡技术也提出了更高要求。立式泵的顶端为驱动电机，电机支撑在泵座上，泵座一侧开有人孔门，另一侧连接有出水管道，支撑系统在圆周方向上刚度不均，平行和垂直于出水管道方向上的固有频率存在差别。在交叉刚度作用下，两个方向上的振动耦合在一起，导致变频运行区域内存在2个密集的共振点。在这两个共振区间内，振动幅值和相位变化比较复杂，给振动分析和动平衡试验带来困难。目前这类立式泵的动平衡试验方法和其它旋转机械相同，即根据物理传感器所测振动数据，采用影响系数法进行计算。试验时不考虑正交方向上两个物理传感器所测振动值之间的耦联性。上述方法不能很好地满足立式泵这类带有密集模态而又需要变频运行在该区间内转子的动平衡试验需求。
技术实现思路
专利技术目的：为克服现有技术的缺陷，本专利技术提供一种基于虚拟传感器的立式泵动平衡试验方法，该方法将立式泵两个方向上的振动解耦，提高了动平衡试验效率和准确度。技术方案：本专利技术所述的一种基于虚拟传感器的立式泵动平衡试验方法，包括如下步骤：(1)在垂直于立式泵转动轴且相互正交的任意两个方向上分别布置一个物理传感器，将两个方向分别定义为xoy坐标系的x轴、y轴方向，并在x轴方向布置一个键相传感器；(2)在xoy坐标系所在平面内，以垂直于立式泵转动轴且相互正交的任意两个方向作为vow坐标系的v轴、w轴，在v轴、w轴两个方向上各安装一个虚拟传感器；设定vow坐标系与xoy坐标系的夹角为θ，并将夹角θ的变化范围设定为θ∈[-90,90]，在此范围内给定不同的夹角θ值，计算相应夹角下虚拟传感器在v轴、w轴两个方向上的振动值以及振动的耦合度δ；将与耦合度δ最小值相对应的角度θ作为虚拟传感器的最终安装角度；通过虚拟传感器将v轴、w轴两个方向上的振动解耦；(3)振动解耦后，根据虚拟传感器所测振动大侧的数据开展动平衡试验。具体的，所述步骤(2)中，耦合度δ的计算步骤包括：(2.1)测试和记录立式泵启动和停机过程中两个物理传感器所测不同转速下振动数据，分别记为：式中，ω为转动频率，Ax(ω)为x轴方向物理传感器所测不同频率下振动幅值，Ay(ω)为y轴方向物理传感器所测不同频率下振动幅值，为x轴方向物理传感器所测不同频率下振动相位，为y轴方向物理传感器所测不同频率下振动相位；将式(1)写为复数形式：(2.2)计算v轴方向和w轴方向上虚拟传感器测出的不同转速下的振动值v(ω),w(ω)；采用的公式为：将式(2)代入式(3)得：求得：式中，vR(ω),vI(ω)分别为v轴方向的虚拟传感器所测振动值的实部和虚部，wR(ω),wI(ω)分别为w轴方向的虚拟传感器所测振动值的实部和虚部；(2.3)将虚拟传感器振动值写为极坐标形式：式中，V(ω)为v轴方向虚拟传感器所测不同频率下振动幅值，W(ω)为w轴方向虚拟传感器所测不同频率下振动幅值，为v轴方向虚拟传感器所测不同频率下振动相位，为w轴方向虚拟传感器所测不同频率下振动相位；(2.4)采用如下公式计算V(ω)、W(ω)、和(2.5)计算虚拟传感器在v轴、w轴两个方向上振动的耦合度，计算公式为：式中，ωv为v轴方向上虚拟传感器共振峰值所对应的频率，ωw为w轴方向上虚拟传感器共振峰值所对应的频率，V(ωv),V(ωw),W(ωv),W(ωw)分别为相应频率下的振动幅值。所述步骤(3)中，根据虚拟传感器所测振动大侧的数据开展动平衡试验，包括：(3.1)根据虚拟传感器所测振动相位确定动平衡加重角度：γ＝β0+β1-β2+180式中，γ为加重角度，从键相标记逆转计算，β0为键相传感器顺转超前虚拟传感器角度，β1为虚拟传感器测得的振动相位角，β2为振动响应和不平衡力之间的滞后角，平衡转速越高，滞后角越大；(3.2)按照旋转机械动平衡方法计算试加重量；(3.3)依据虚拟传感器测得的振动数据，采用影响系数法开展动平衡调整计算：式中，为加重影响系数，为试加重前后虚拟传感器测得的振动值，为试加重，为实际加重量。有益效果：该平衡试验方法通过坐标变换和虚拟传感器技术，实现对虚拟传感器所在的两个方向的振动解耦，使得立式泵变频运行过程中虚拟传感器所测振动随转速变化规律近似于单自由度系统，进而基于振动大侧虚拟传感器所测数据开展动平衡试验，降低了动平衡试验的难度，提高了动平衡试验的效率和准确性。附图说明图1是本专利技术的流程示意图；图2是立式泵动力学分析模型示意图；图3是物理传感器和虚拟传感器布置示意图；图4是立式泵变频运行时密集模态现象；图5是解耦前后原始振动随转速变化曲线；图6是实施例中第1次动平衡试验后振动随转速变化曲线。具体实施方式下面，结合附图对本专利技术做进一步说明。由于立式泵在正交的两个方向上的振动具有一定的耦合性。升速过程中会经过两个共振转速区，在两个共振转速区间内，振动变化比较复杂，如图4所示。与此同时，这类系统又具有交叉刚度近似对称的特点。对于这类立式泵，提供一种基于坐标旋转的振动解耦方法。通过坐标变换方法找到主坐标方向，使得该方向上的力只产生该方向上的振动，从而减少振动分析和动平衡的复杂性。以图2所示带有交叉刚度项的立式泵为例进行分析。忽略阻尼影响，假设x轴和y轴方向上的交叉耦合刚度对称，其动力学方程为：式中，m为质量，x,y分别为x轴和y轴方向上的位移，kxx,kyy分别为x轴和y轴方向上的直接刚度，k为x轴和y轴方向上的交叉刚度，ε为偏心率，ω为转速；引入变换：式中，A为变换矩阵，v和w分别为坐标变换后vow坐标系的v轴和w轴方向上的位移；将式(b)代入式(a)，并在方程两边同时乘以AT得：令：求得：bxy＝byx＝kcos2α+(kxx-kyy)/2·sin2α(e)当变换角度α满足：则：bxy＝byx＝0；(g)计xoy坐标系上x轴和y轴方向的物理传感器测得的振动为x和y，设定在与上述坐标系成θ夹角的vow坐标系中v轴和w轴方向的虚拟传感器测试得到的振动为v和w，如图2所示，由坐标旋转变换公式得：即：当θ＝-α时，v轴方向及w轴方向上虚拟传感器测得的振动是解耦的；设机组启停过程中x轴、y轴方向物理传感器所测振动随转速变化为A(ω),B(ω)，找到与这两个方向上共振峰值相对应的频率点，分别记为ωA,ωB，相应振动分别记为：A(ωA),A(ωB),B(ωA),B(ωB)。定义两个方向本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于虚拟传感器的立式泵动平衡试验方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)在垂直于立式泵转动轴且相互正交的任意两个方向上分别布置一个物理传感器，将两个方向分别定义为xoy坐标系的x轴、y轴方向，并在x轴方向布置一个键相传感器；(2)在xoy坐标系所在平面内，以垂直于立式泵转动轴且相互正交的任意两个方向作为vow坐标系的v轴、w轴，在v轴、w轴两个方向上各安装一个虚拟传感器；设定vow坐标系与xoy坐标系的夹角为θ，并将夹角θ的变化范围设定为θ∈[‑90,90]，在此范围内给定不同的夹角θ值，计算相应夹角下虚拟传感器在v轴、w轴两个方向上的振动值以及振动的耦合度δ；将与耦合度δ最小值相对应的角度θ作为虚拟传感器的最终安装角度；通过虚拟传感器将v轴、w轴两个方向上的振动解耦；(3)振动解耦后，根据虚拟传感器所测振动大侧的数据开展动平衡试验。

【技术特征摘要】
1.一种基于虚拟传感器的立式泵动平衡试验方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)在垂直于立式泵转动轴且相互正交的任意两个方向上分别布置一个物理传感器，将两个方向分别定义为xoy坐标系的x轴、y轴方向，并在x轴方向布置一个键相传感器；(2)在xoy坐标系所在平面内，以垂直于立式泵转动轴且相互正交的任意两个方向作为vow坐标系的v轴、w轴，在v轴、w轴两个方向上各安装一个虚拟传感器；设定vow坐标系与xoy坐标系的夹角为θ，并将夹角θ的变化范围设定为θ∈[-90,90]，在此范围内给定不同的夹角θ值，计算相应夹角下虚拟传感器在v轴、w轴两个方向上的振动值以及振动的耦合度δ；将与耦合度δ最小值相对应的角度θ作为虚拟传感器的最终安装角度；通过虚拟传感器将v轴、w轴两个方向上的振动解耦；(3)振动解耦后，根据虚拟传感器所测振动大侧的数据开展动平衡试验。2.根据权利要求1所述的基于虚拟传感器的立式泵动平衡试验方法，其特征在于，所述步骤(2)中，耦合度δ的计算步骤包括：(2.1)测试和记录立式泵启动和停机过程中两个物理传感器所测不同频率下振动数据，分别记为：式中，ω为转动频率，Ax(ω)为x轴方向物理传感器所测不同频率下振动幅值，Ay(ω)为y轴方向物理传感器所测不同频率下振动幅值，为x轴方向物理传感器所测不同频率下振动相位，为y轴方向物理传感器所测不同频率下振动相位；将式(1)写为复数形式：(2.2)计算v轴方向和w轴方向上虚拟传感器测出的不同转速下的振动值v(ω),w(ω)；采用的公式为：将式(2)代入式(3)得：求得：式中，vR(ω),vI(ω)分别为v轴方向的虚拟传感器所测振动值的实部和虚部，wR(ω),wI(ω)分别为w轴方向的虚拟传感器所测振动值的实部和虚部；(2.3)将虚拟传感器振动值写为极坐...

【专利技术属性】
技术研发人员：梁超，路鹏，王旭阳，林翔，周浩然，许雷，
申请(专利权)人：国网新疆电力有限公司电力科学研究院，
类型：发明
国别省市：新疆,65