基于光纖傳感的機(jī)械設(shè)備動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用.pdf

1、大型機(jī)械裝備日益向著大型化、復(fù)雜化、高速化、高效化和自動(dòng)化的方向發(fā)展，這些發(fā)展取得了巨大的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益，但同時(shí)也帶來(lái)了一些新的問(wèn)題，特別是機(jī)械裝備狀態(tài)物理量的變化呈現(xiàn)出隨機(jī)性、多維性、時(shí)變性、耦合性和非線性等特點(diǎn)，使其事故更具突發(fā)性、災(zāi)難性和社會(huì)性。因此，針對(duì)這些大型裝備系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)深度感知、智能監(jiān)測(cè)與故障診斷技術(shù)一直是機(jī)械裝備狀態(tài)監(jiān)測(cè)領(lǐng)域極為關(guān)注的熱點(diǎn)和迫切需要的技術(shù)。
　　目前機(jī)械設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測(cè)主要采用傳統(tǒng)的電磁類傳感

2、器，但該類傳感器具有測(cè)點(diǎn)參數(shù)單一、抗電磁干擾能力弱、以及信號(hào)遠(yuǎn)距離傳輸能力較差等局限性，從而使得其在機(jī)械設(shè)備多參數(shù)分布式動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用受到限制。采用光纖傳感技術(shù)對(duì)機(jī)械設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，具有防爆、抗電磁干擾、耐高溫高壓等電磁類傳感器所無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)，而更易于多路復(fù)用組網(wǎng)，適于遠(yuǎn)距離監(jiān)測(cè)。利用光纖傳感技術(shù)對(duì)機(jī)械設(shè)備進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)已有學(xué)者進(jìn)行研究，但多處于理論階段或側(cè)重于靜態(tài)測(cè)量，且研究?jī)?nèi)容單一、不夠系統(tǒng)。鑒于此，本文研究適于機(jī)械設(shè)備長(zhǎng)期、動(dòng)

3、態(tài)、多參量監(jiān)測(cè)的檢測(cè)方法與診斷系統(tǒng)以及研制相應(yīng)的光纖傳感器，無(wú)疑具有十分重要的意義。
　　論文根據(jù)機(jī)械設(shè)備典型部件（軸承、轉(zhuǎn)軸、葉片等）的主要特點(diǎn)，在分析各自工況下動(dòng)態(tài)特性的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)研究并提出了基于光纖傳感技術(shù)的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)理論與檢測(cè)方法;研制了多種光纖光柵振動(dòng)傳感器，并將這些傳感器應(yīng)用到機(jī)械設(shè)備的狀態(tài)檢測(cè)中。
　　本文的主要研究?jī)?nèi)容及結(jié)論如下:
　　1.系統(tǒng)研究了機(jī)械設(shè)備動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)理論，重點(diǎn)對(duì)軸承、轉(zhuǎn)子和葉片等機(jī)械設(shè)備

4、中典型部件的動(dòng)力學(xué)特性及相關(guān)的耦合系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)進(jìn)行了分析;結(jié)合機(jī)械設(shè)備動(dòng)態(tài)在線檢測(cè)特點(diǎn)以及光纖傳感技術(shù)的獨(dú)有特性，提出了基于光纖傳感器的動(dòng)態(tài)信號(hào)數(shù)據(jù)測(cè)量與后處理方法。
　　2.針對(duì)機(jī)械設(shè)備動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的不同需求，研制了兩種不同類型的光纖光柵加速度傳感器。第一種為“L”型懸臂梁結(jié)構(gòu)，屬于波長(zhǎng)解調(diào)型的高靈敏度傳感器，頻率檢測(cè)范圍為0～60Hz，靈敏度達(dá)到60pm/m/s2，加速度測(cè)量范圍大于25 m/s2，適用于低速重載裝備的檢測(cè);第二種屬

5、于強(qiáng)度解調(diào)型高頻加速度傳感器，采用雙FBG光柵匹配解調(diào)和光強(qiáng)比值算法，解決了檢測(cè)頻率不高和光強(qiáng)不穩(wěn)對(duì)信號(hào)干擾等問(wèn)題，傳感器頻率檢測(cè)范圍大于500Hz，并在此原理基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了三維一體化光纖光柵加速度傳感器，可用于高轉(zhuǎn)速機(jī)械設(shè)備的振動(dòng)測(cè)量。
　　3.討論了采用雙光纖光柵對(duì)轉(zhuǎn)軸扭矩和溫度進(jìn)行同時(shí)測(cè)量的可行性，理論表明轉(zhuǎn)軸的扭矩大小對(duì)光柵的差模波長(zhǎng)變化產(chǎn)生影響，而溫度變化只改變共模波長(zhǎng)的數(shù)值，因此允許對(duì)溫度和扭矩進(jìn)行同時(shí)測(cè)量。由此，搭建實(shí)

6、驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)轉(zhuǎn)軸的扭矩和溫度測(cè)量分別進(jìn)行了靜態(tài)和動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)，在該系統(tǒng)中，由扭矩引起的差模波長(zhǎng)變化率為12.88pm/Nm，對(duì)應(yīng)的溫度靈敏度為-1.28pm/℃;與扭矩測(cè)量相反的是，共模波長(zhǎng)的溫度靈敏度為18.5 pm/℃，扭矩引起的差模波長(zhǎng)的交叉變化率為-1.25 pm/Nm。在動(dòng)態(tài)在線實(shí)驗(yàn)中，對(duì)不同工況下的轉(zhuǎn)軸扭矩進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果表明:采用光纖傳感技術(shù)可以較好的反應(yīng)轉(zhuǎn)軸的實(shí)時(shí)負(fù)載狀態(tài)，并且對(duì)其信號(hào)進(jìn)行深層次分析，甚至可分析系統(tǒng)不平衡、不對(duì)中

7、等設(shè)備故障。
　　4.研究了旋轉(zhuǎn)部件運(yùn)行狀態(tài)中裂紋擴(kuò)展的在線檢測(cè)方法，以旋轉(zhuǎn)葉片為例進(jìn)行了驗(yàn)證。采用飛秒激光微加工技術(shù)在葉片上制作了微裂紋，以期達(dá)到在葉片狀態(tài)檢測(cè)中模擬故障葉片的目的，并通過(guò)有限元分析和實(shí)驗(yàn)對(duì)模擬的真實(shí)性進(jìn)行了驗(yàn)證。對(duì)葉片進(jìn)行在線狀態(tài)檢測(cè)采用光纖光柵和光纖旋轉(zhuǎn)連接器相結(jié)合的方法，將光纖光柵粘貼于葉片的敏感部位檢測(cè)在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中的應(yīng)變和頻率變化，光纖旋轉(zhuǎn)連接器負(fù)責(zé)將旋轉(zhuǎn)過(guò)程中光柵信號(hào)傳輸?shù)浇庹{(diào)系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)葉片應(yīng)變和頻率

8、的變化判斷葉片的實(shí)時(shí)狀態(tài);最后利用已有葉片研究了裂紋對(duì)葉片疲勞斷裂的影響和破壞速率。
　　5.以一種石化設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測(cè)實(shí)例，討論了動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)關(guān)鍵技術(shù)在工程中的應(yīng)用。在石化行業(yè)中，機(jī)械設(shè)備安全運(yùn)行的重要性顯得尤為突出。本文將所研制的光纖光柵振動(dòng)傳感器和狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用到了石化機(jī)械裝備的故障檢測(cè)中，以往復(fù)式氫氣壓縮機(jī)為監(jiān)測(cè)對(duì)象，對(duì)設(shè)備的曲軸箱、十字頭和缸蓋的振動(dòng)情況以及氣閥位置的溫度變化進(jìn)行了長(zhǎng)期在線測(cè)量，并取得了良好的效果。實(shí)測(cè)結(jié)果證