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基于光纤传感的机械设备动态监测关键技术研究与应用

作　者: 徐刚
导　师: 姜德生
学　校: 武汉理工大学
专　业: 机械制造及其自动化
关键词: 光纤传感技术大型机械装备动态监测光纤传感器转轴扭矩测量裂纹扩展监测石化机械
分类号: TP212
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

大型机械装备日益向着大型化、复杂化、高速化、高效化和自动化的方向发展,这些发展取得了巨大的社会效益和经济效益,但同时也带来了一些新的问题,特别是机械装备状态物理量的变化呈现出随机性、多维性、时变性、耦合性和非线性等特点,使其事故更具突发性、灾难性和社会性。因此,针对这些大型装备系统的运行状态深度感知、智能监测与故障诊断技术一直是机械装备状态监测领域极为关注的热点和迫切需要的技术。目前机械设备的状态监测主要采用传统的电磁类传感器,但该类传感器具有测点参数单一、抗电磁干扰能力弱、以及信号远距离传输能力较差等局限性,从而使得其在机械设备多参数分布式动态监测中的应用受到限制。采用光纤传感技术对机械设备进行实时监测,具有防爆、抗电磁干扰、耐高温高压等电磁类传感器所无法比拟的优势,而更易于多路复用组网,适于远距离监测。利用光纤传感技术对机械设备进行状态监测已有学者进行研究,但多处于理论阶段或侧重于静态测量,且研究内容单一、不够系统。鉴于此,本文研究适于机械设备长期、动态、多参量监测的检测方法与诊断系统以及研制相应的光纤传感器,无疑具有十分重要的意义。论文根据机械设备典型部件(轴承、转轴、叶片等)的主要特点,在分析各自工况下动态特性的基础上,系统研究并提出了基于光纤传感技术的动态监测理论与检测方法；研制了多种光纤光栅振动传感器,并将这些传感器应用到机械设备的状态检测中。本文的主要研究内容及结论如下：1.系统研究了机械设备动态监测理论,重点对轴承、转子和叶片等机械设备中典型部件的动力学特性及相关的耦合系统动力学进行了分析；结合机械设备动态在线检测特点以及光纤传感技术的独有特性,提出了基于光纤传感器的动态信号数据测量与后处理方法。2.针对机械设备动态监测的不同需求,研制了两种不同类型的光纤光栅加速度传感器。第一种为“L”型悬臂梁结构,属于波长解调型的高灵敏度传感器,频率检测范围为0-60Hz,灵敏度达到60pm/m/s2,加速度测量范围大于25m/s2,适用于低速重载装备的检测；第二种属于强度解调型高频加速度传感器,采用双FBG光栅匹配解调和光强比值算法,解决了检测频率不高和光强不稳对信号干扰等问题,传感器频率检测范围大于500Hz,并在此原理基础上设计了三维一体化光纤光栅加速度传感器,可用于高转速机械设备的振动测量。3.讨论了采用双光纤光栅对转轴扭矩和温度进行同时测量的可行性,理论表明转轴的扭矩大小对光栅的差模波长变化产生影响,而温度变化只改变共模波长的数值,因此允许对温度和扭矩进行同时测量。由此,搭建实验系统对转轴的扭矩和温度测量分别进行了静态和动态实验,在该系统中,由扭矩引起的差模波长变化率为12.88pm/Nm,对应的温度灵敏度为-1.28pm/℃；与扭矩测量相反的是,共模波长的温度灵敏度为18.5pm/℃,扭矩引起的差模波长的交叉变化率为-1.25pm/Nm。在动态在线实验中,对不同工况下的转轴扭矩进行了测试,结果表明：采用光纤传感技术可以较好的反应转轴的实时负载状态,并且对其信号进行深层次分析,甚至可分析系统不平衡、不对中等设备故障。4.研究了旋转部件运行状态中裂纹扩展的在线检测方法,以旋转叶片为例进行了验证。采用飞秒激光微加工技术在叶片上制作了微裂纹,以期达到在叶片状态检测中模拟故障叶片的目的,并通过有限元分析和实验对模拟的真实性进行了验证。对叶片进行在线状态检测采用光纤光栅和光纤旋转连接器相结合的方法,将光纤光栅粘贴于叶片的敏感部位检测在运转过程中的应变和频率变化,光纤旋转连接器负责将旋转过程中光栅信号传输到解调系统,通过对叶片应变和频率的变化判断叶片的实时状态；最后利用已有叶片研究了裂纹对叶片疲劳断裂的影响和破坏速率。5.以一种石化设备的状态监测实例,讨论了动态监测关键技术在工程中的应用。在石化行业中,机械设备安全运行的重要性显得尤为突出。本文将所研制的光纤光栅振动传感器和状态监测系统应用到了石化机械装备的故障检测中,以往复式氢气压缩机为监测对象,对设备的曲轴箱、十字头和缸盖的振动情况以及气阀位置的温度变化进行了长期在线测量,并取得了良好的效果。实测结果证实了光纤传感技术在大型机械设备安全运行监测中具有广阔的应用前景。

全文目录

中文摘要  5-7
Abstract  7-14
第1章绪论  14-29
  1.1 课题来源  14
  1.2 课题研究的目的和意义  14-17
  1.3 国内外研究现状分析  17-26
    1.3.1 机械设备检测的发展历程和现状  17-19
    1.3.2 旋转部件中故障的检测方法和现状  19-25
    1.3.3 光纤传感技术在机械状态检测中的现状  25-26
  1.4 本文的主要工作和组织结构  26-29
第2章基于光纤传感技术的机械设备动态监测理论  29-50
  2.1 机械设备典型部件的动力学分析  29-36
    2.1.1 旋转叶片动力学分析  29-31
    2.1.2 滚动轴承动力学分析  31-33
    2.1.3 转轴动力学分析  33-36
  2.2 多部件耦合系统动力学分析  36-38
    2.2.1 叶片—转子—轴承系统数学模型  36-38
    2.2.2 叶片—转子—轴承系统非线性动力学分析  38
  2.3 机械设备监测中的光纤光栅动态信号处理方法  38-49
    2.3.1 光纤光栅动应变信号测量与处理  39-43
    2.3.2 时域信号分析  43-46
    2.3.3 频域信号分析  46-49
  2.4 本章小结  49-50
第3章机械设备动态监测光纤振动传感器设计  50-75
  3.1 机械设备动态监测中的光纤光栅传感原理和解调方法  50-54
    3.1.1 Bragg光纤光栅传感原理  50-51
    3.1.2 Bragg光纤光栅解调方法  51-54
  3.2 高频双光纤光栅加速度传感器设计  54-67
    3.2.1 传感器原理与分析  54-58
    3.2.2 传感器解调方法研究  58-59
    3.2.3 实验及结果分析  59-64
    3.2.4 三维加速度传感器研制  64-66
    3.2.5 双光栅高频传感器综述  66-67
  3.3 高灵敏度光纤光栅加速度传感器设计  67-74
    3.3.1 传感器原理分析  67-70
    3.3.2 理论结构优化分析  70-71
    3.3.3 传感器实验测试  71-74
    3.3.4 高灵敏度传感器综述  74
  3.4 本章小结  74-75
第4章基于光纤光栅的转轴扭矩动态测量研究  75-100
  4.1 转轴扭转力学特性分析  75-79
    4.1.1 扭矩与应变的关系  75-77
    4.1.2 扭矩与扭转角的关系  77-79
  4.2 光纤光栅扭矩测量理论分析  79-86
    4.2.1 光栅检测量的设定  79-80
    4.2.2 恒定温度下,扭矩对差模波长和共模波长的影响  80
    4.2.3 恒定扭矩下,温度对差模波长和共模波长的影响  80-82
    4.2.4 光栅安装误差对测量的影响  82-85
    4.2.5 光栅灵敏度差异对测量误差的影响  85-86
  4.3 扭矩测量实验与结果分析  86-99
    4.3.1 静态扭矩实验  87-90
    4.3.2 温度实验  90-92
    4.3.3 扭矩在线测量实验  92-99
  4.4 本章小结  99-100
第5章基于光纤光栅的叶片裂纹动态监测方法研究  100-135
  5.1 叶片振动测量分析  100-104
    5.1.1 叶片常见振动形式和检测参数  100-102
    5.1.2 叶片的静频率分析  102-103
    5.1.3 叶片的动频率分析  103-104
  5.2 基于飞秒激光加工的微裂纹制作  104-109
    5.2.1 飞秒激光微加工系统及加工原理  104-105
    5.2.2 基于飞秒激光的叶片微裂纹制作工艺研究  105-109
  5.3 仿真微裂纹叶片的特性探究  109-114
    5.3.1 裂纹叶片应变特性研究  109-112
    5.3.2 裂纹叶片频率特性研究  112-114
  5.4 叶片状态在线检测方法  114-128
    5.4.1 光纤传感叶片检测系统  115-116
    5.4.2 叶片旋转动态实验  116-128
  5.5 光纤光栅叶片疲劳裂纹检测  128-133
    5.5.1 疲劳与断裂特性  128-129
    5.5.2 叶片疲劳检测实验  129-133
  5.6 本章小结  133-135
第6章光纤传感机械设备动态监测系统设计与工程应用  135-166
  6.1 光纤传感动态监测系统总体设计方案  135-141
    6.1.1 不同检测系统特点分析  135-137
    6.1.2 系统的总体组成和功能  137-141
  6.2 动态监测系统构成  141-147
    6.2.1 监测系统硬件构成  141-143
    6.2.2 系统软件构架与实现  143-147
  6.3 状态评价及报警设置  147-150
    6.3.1 状态评价方法  147-148
    6.3.2 机械装备总体振动测量的报警设置  148-149
    6.3.3 叶片检测的报警设置  149-150
  6.4 光纤传感在石化设备动态监测中的应用  150-164
    6.4.1 石化设备监测特点分析  151-152
    6.4.2 石化设备监测系统  152-159
    6.4.3 测试结果与分析  159-164
  6.5 本章小结  164-166
第7章总结与展望  166-169
  7.1 全文总结  166-167
  7.2 本文特色与创新点  167-168
  7.3 前景展望  168-169
参考文献  169-178
致谢  178-179
攻读博士学位期间发表论文目录  179

基于光纤传感的机械设备动态监测关键技术研究与应用

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