立式泵站盘车连续摆度测量法及分析处理系统开发

孙 毅，成 立，李加旭，徐文涛，陈北帅

（1.南水北调江苏泵站技术有限公司，江苏扬州225009；2.扬州大学水利科学与工程学院，江苏扬州225009）

0 引言

水泵机组轴线的检查与调整，一直是水泵组安装与检修的重要部分［1］。国内主流的摆度数据的测量方法依然是传统的八点测量，由于机组转动部件惯性大，难以准确检测固定点处的数据。近几年出现新的电涡流传感器用于测量金属的间隙，对于人力盘车或液压盘车，往往存在难以控制角速度的困难，若不能做到精确地以匀角速度盘车，会导致测量的摆度数据难以和角度对应，从而导致测量分析的较大误差。不管是哪个方案最终都会存在盘车时，人为的主观能动性对盘车影响很大。

近年来国内学者针对立式泵站盘车提出一系列提高精度与适用性的方法，张建峰［2］针对水泵机组轴线摆度测量与调整方法进行了研究，证明了用千斤顶、锤击和火烘等调整水泵机组轴线摆度的方法在实际中可以有效的利用，但使用过程中可能对泵轴产生损伤［3］，需要精确把控。李德明［4］提出了采用excel 规划求解，编写盘车计算表，通过坐标分解对三导水轮发电机组盘车数据进行优化处理的方法，有效解决了传统盘车方法精度不足，无法自动准确调整方位与角度的问题。谈进昌［5］对在惠蓄电站机组使用的“四表四点”盘车工作方法进行了研究，同国内传统的“两表八点法”相比，“四表四点”法操作简便，数据处理简单方便。赵永辉［6］对三峡采用的新型液压自动盘车装置进行了研究，该新型盘车替代了原先的电机齿轮驱动盘车，具有受力更加均匀，输出扭矩更大，运行平稳，操作方便等特点，该装置针对之前电机驱动盘车存在的缺陷，如接口数量不足，齿盘安装中心与旋转中心存在偏心距，小齿轮与大齿轮啮合传动存在倾斜等，进行了优化与改进，取得了良好的效果。

1 摆度测量计算调整原理

大型立式泵站机组的轴线由电机轴和水泵轴组成，轴线上任一点所测得的垂度圆就是该点的摆度圆，其直径为摆度［7］，全摆度则是指同一测量部位对称两点的数值差，净摆度是指同一侧点上下两部位全摆度的数值差。产生摆度的主要原因是镜板与轴线不垂直或者轴线本身的曲折［8］。泵站变速盘车自适应的连续摆度测量法是利用电涡流传感器［9］和新型光栅角度传感器对轴线上导、法兰、水导三处的全摆度进行测量，下面将对该方法原理进行介绍。

1.1 摆度测量原理

本次测量采用的传感器之一是电涡流传感器。通过电涡流传感器准确测量被测体（必须是金属导体）与探头端面之间静态和动态的相对位移变化e。在转轴上均匀布置光栅，使用新型光栅角度传感器［10］向光栅发射红外线，通过红外光线的反射光线的不同来绘制光栅反射强度与时间的频谱，通过频谱来判断转轴角度的变换速度。

1.2 传感器数值计算原理

盘车开始运转后，传感器每隔0.02 s测量一次数据并记录，得到测量部位对称两点上的全摆度值。即该传感器组合可以测得泵轴旋转一周的若干个摆度数据，以及与其精确对应的角度。

上导处的全摆度为：

式中：φu为上导处的全摆度值，mm；φu180为上导处旋转180°时的电涡流传感器读数，mm；φu0为上导处旋转0°位置的电涡流传感器读数，mm。

法兰处的全摆度为：

式中：φf为法兰处的全摆度值，mm；φf180为法兰处旋转180°的电涡流传感器读数，mm；φf0为法兰处旋转时0°的电涡流传感器读数，mm。

水导处的全摆度为：

式中：φw为水导处的全摆度值，mm；φw180为水导处旋转180°的电涡流传感器读数，mm；φw0为水导处旋转时0°的电涡流传感器读数，mm。

上导与法兰处的净摆度为：

上导与法兰处轴线的倾斜值即为全摆度之半：

法兰与水导处的净摆度为：

同理法兰与水导处轴线的倾斜值：

将采集到的数据点进行拟合，从理论上来说，盘车得到法兰处和水导处的净摆度值为一条正弦曲线［11］。测量原理如图1所示。

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图1 测量原理示意图Fig.1 Schematic diagram of measurement principle

1.3 轴线调整

当机组轴线摆度过大时，可通过刮削推力头底面或绝缘垫或法兰面的方法进行调整［12，13］。当机组轴线是一条直线时，可按法兰处的净摆度和水导处的净摆度计算刮削推力头底面或绝缘垫的最大厚度［14］。

按法兰处的净摆度计算有：

按水导处的净摆度计算有：

式中：L1为推力头底面至法兰摆度测量处的距离；L2为法兰摆度测量处至水导摆度测量处的距离；D为推力头或绝缘垫外径。轴线调整参考图如图2所示。

图2 轴线调整参考图Fig.2 Axis adjustment reference drawing

2 泵站变速盘车自适应连续摆度测量法

泵轴开始转动后，每间隔一次固定时间，就通过安置的电涡流传感器测量被测体（必须是金属导体）与探头端面之间的相对位移变化e。同时，为了测量对应的泵轴转速，在转轴上均匀布置光栅，使用新型光栅角度传感器向光栅发射红外线，通过红外光线的反射光线的不同来绘制光栅反射强度与时间的频谱，通过频谱来计算转轴角度的变换，并最终确定泵轴旋转的角速度。通过将各个测点处上过轴心对称两点的电涡流传感器读数相减，可获得该处的全摆度值，即φ=φ180-φ0，其中，φ为该处某点的全摆度值，φ0为该点处未旋转时的电涡流传感器读数，φ180为该点旋转180°时的电涡流传感器读数。将法兰处与水导处的全摆度值相减，可获得净摆度值，即φwf=φw-φf，其中φwf为上导与法兰处的净摆度，φf为法兰处的全摆度值，φw为水导处的全摆度值。同理，可根据上文公式（2）和公式（3），依次计算出法兰与水导处的倾斜值以及轴线调整需要计算的刮削值。获得以上数据后，将获得的摆度值与泵轴上的角度一一对应，并通过程序反映在计算机上，以供参考。整个连续摆度测量法的流程如图3所示。

图3 连续摆度测量法流程图Fig.3 Flow chart of pendulum measurement method

3 盘车数据分析处理系统

本系统软件是基于Matlab 开发的。软件包括“数据采集”、“盘车数据处理”、“处理意见”、“操作记录”、“用户管理”模块，用户可根据需求进行选择操作。

3.1 数据采集模块

本系统摆度测量数据采集模块采集电机上导、法兰和水导的X、Y方向的摆度，如图4所示，本系统通过RS485/RS232 串口与STM32F407 单片机相连，单片机通过RS485/RS232 串口与4个传感器相连，4 个传感器分别测量角速度、电机上导摆度、法兰摆度、水导摆度。测量摆度的传感器为电涡流传感器，电涡流传感器是一种非接触的线性化计量工具，它能准确测量被测体（必须是金属导体）与探头端面之间静态和动态的相对位移变化，在旋转机械的分析测量中常采用该传感器［15］。泵轴旋转的角速度ω，可以利用在转轴上均匀的布置光栅的反射光线的不同来绘制光栅反射强度与时间的频谱，通过频谱来判断转轴角度的变换速度，最终确定泵轴旋转的角速度。

图4 数据采集模块Fig.4 Data acquisition module

一个圆周通过传感器均匀采集数千个点的摆度数值，在该模块中以45°为间隔显示所有采集数据中的8个样点，供用户对摆度数据进行实时监控，8 个样点数据以一个圆周为一个周期更新，用户可随时选择导出数据进行分析。

3.2 摆渡数据处理模块

图5 摆渡数据处理模块Fig.5 Ferry data processing module

3.3 处理意见模块

根据采集的数据与拟合的特性曲线，系统将自动绘制出各个部位轴线情况示意图，在“机组参数”一栏会展示出不同测点间的距离、轴线总长、转速、各个部位的全摆度、净摆度、相对摆度等参数，若机组轴线摆度不符合标准，系统将会自动通过内置算法计算出刮削量并给出刮削方位示意图，提出供用户参考的处理意见，如图6所示。

3.4 操作记录模块与用户管理模块

如图7所示，操作记录模块中，用户可以自由选择导出操作日志信息，查看该用户的操作记录，历史工作记录信息，也可以选择导出人员登录信息，查看历史人员登录记录。

图7 操作记录模块Fig.7 Operation recording module

用户管理模块中，用户可以进行注册账号、登录、修改密码等操作，建议尽量保持一人对应一个账号，便于维护与管理。具体界面如图8所示。

图8 用户管理模块Fig.8 User management module

4 应用软件分析数据

4.1 八点法摆度数据处理模块

本文基于Matlab 开发了分析处理软件，经过实验室测试，使用传统八点法得到的数据如表1所示。

表1 实验机组盘车数据 mmTab.1 Experiment unit turning data

从表1 的数据可以计算出电机上导，法兰和水导处相对点的全摆度值以及对应法兰和水导上的净摆度值。其数值计算结果如表2所示。

表2 实验机组计算摆度数据 mmTab.2 The experimental set calculates the swing data

而从表1 中的数据拟合出的正弦曲线可知，法兰相对于电机上导的最大摆度点的值0.068 4 mm，而此数值对应的泵轴角度为176.53°。同理，水导相对于法兰的最大摆度点的值约为0.067 36 mm，其对应的泵轴角度为352.72°。软件数据展示页面如图9所示。

图9 八点法摆度数据展示页面Fig.9 Eight point method pendulum data display page

4.2 连续法摆度数据处理模块

通过实验室测试，每间隔4°采集一次泵轴测点的摆度数值，即使用变速盘车自适应的连续摆度测量法，并将数值导入软件的数据采集模块，可得到一条精度较高的拟合出的正弦曲线。如图10示。

5 结 语

机组泵轴的检查调整，是水泵安装检修的重要环节。传统的八点法检测存在着精度不高等问题。本文旨在通过利用电涡流传感器结合测量红外波谱等方式，精确获得泵轴的连续摆度数据，通过传感器与计算机相连接，配套使用相应的基于Matlab开发的分析处理程序，将数据直观地显示在计算机上，便于检测水泵轴线的垂直度是否符合预期要求，为后续的维修调整提供参考。□