基于光纖傳感的機械設備動態(tài)監(jiān)測關鍵技術研究與應用.pdf

1、大型機械裝備日益向著大型化、復雜化、高速化、高效化和自動化的方向發(fā)展，這些發(fā)展取得了巨大的社會效益和經濟效益，但同時也帶來了一些新的問題，特別是機械裝備狀態(tài)物理量的變化呈現出隨機性、多維性、時變性、耦合性和非線性等特點，使其事故更具突發(fā)性、災難性和社會性。因此，針對這些大型裝備系統(tǒng)的運行狀態(tài)深度感知、智能監(jiān)測與故障診斷技術一直是機械裝備狀態(tài)監(jiān)測領域極為關注的熱點和迫切需要的技術。
　　目前機械設備的狀態(tài)監(jiān)測主要采用傳統(tǒng)的電磁類傳感

2、器，但該類傳感器具有測點參數單一、抗電磁干擾能力弱、以及信號遠距離傳輸能力較差等局限性，從而使得其在機械設備多參數分布式動態(tài)監(jiān)測中的應用受到限制。采用光纖傳感技術對機械設備進行實時監(jiān)測，具有防爆、抗電磁干擾、耐高溫高壓等電磁類傳感器所無法比擬的優(yōu)勢，而更易于多路復用組網，適于遠距離監(jiān)測。利用光纖傳感技術對機械設備進行狀態(tài)監(jiān)測已有學者進行研究，但多處于理論階段或側重于靜態(tài)測量，且研究內容單一、不夠系統(tǒng)。鑒于此，本文研究適于機械設備長期、動

3、態(tài)、多參量監(jiān)測的檢測方法與診斷系統(tǒng)以及研制相應的光纖傳感器，無疑具有十分重要的意義。
　　論文根據機械設備典型部件（軸承、轉軸、葉片等）的主要特點，在分析各自工況下動態(tài)特性的基礎上，系統(tǒng)研究并提出了基于光纖傳感技術的動態(tài)監(jiān)測理論與檢測方法;研制了多種光纖光柵振動傳感器，并將這些傳感器應用到機械設備的狀態(tài)檢測中。
　　本文的主要研究內容及結論如下:
　　1.系統(tǒng)研究了機械設備動態(tài)監(jiān)測理論，重點對軸承、轉子和葉片等機械設備

4、中典型部件的動力學特性及相關的耦合系統(tǒng)動力學進行了分析;結合機械設備動態(tài)在線檢測特點以及光纖傳感技術的獨有特性，提出了基于光纖傳感器的動態(tài)信號數據測量與后處理方法。
　　2.針對機械設備動態(tài)監(jiān)測的不同需求，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”型懸臂梁結構，屬于波長解調型的高靈敏度傳感器，頻率檢測范圍為0～60Hz，靈敏度達到60pm/m/s2，加速度測量范圍大于25 m/s2，適用于低速重載裝備的檢測;第二種屬

5、于強度解調型高頻加速度傳感器，采用雙FBG光柵匹配解調和光強比值算法，解決了檢測頻率不高和光強不穩(wěn)對信號干擾等問題，傳感器頻率檢測范圍大于500Hz，并在此原理基礎上設計了三維一體化光纖光柵加速度傳感器，可用于高轉速機械設備的振動測量。
　　3.討論了采用雙光纖光柵對轉軸扭矩和溫度進行同時測量的可行性，理論表明轉軸的扭矩大小對光柵的差模波長變化產生影響，而溫度變化只改變共模波長的數值，因此允許對溫度和扭矩進行同時測量。由此，搭建實

6、驗系統(tǒng)對轉軸的扭矩和溫度測量分別進行了靜態(tài)和動態(tài)實驗，在該系統(tǒng)中，由扭矩引起的差模波長變化率為12.88pm/Nm，對應的溫度靈敏度為-1.28pm/℃;與扭矩測量相反的是，共模波長的溫度靈敏度為18.5 pm/℃，扭矩引起的差模波長的交叉變化率為-1.25 pm/Nm。在動態(tài)在線實驗中，對不同工況下的轉軸扭矩進行了測試，結果表明:采用光纖傳感技術可以較好的反應轉軸的實時負載狀態(tài)，并且對其信號進行深層次分析，甚至可分析系統(tǒng)不平衡、不對中

7、等設備故障。
　　4.研究了旋轉部件運行狀態(tài)中裂紋擴展的在線檢測方法，以旋轉葉片為例進行了驗證。采用飛秒激光微加工技術在葉片上制作了微裂紋，以期達到在葉片狀態(tài)檢測中模擬故障葉片的目的，并通過有限元分析和實驗對模擬的真實性進行了驗證。對葉片進行在線狀態(tài)檢測采用光纖光柵和光纖旋轉連接器相結合的方法，將光纖光柵粘貼于葉片的敏感部位檢測在運轉過程中的應變和頻率變化，光纖旋轉連接器負責將旋轉過程中光柵信號傳輸到解調系統(tǒng)，通過對葉片應變和頻率

8、的變化判斷葉片的實時狀態(tài);最后利用已有葉片研究了裂紋對葉片疲勞斷裂的影響和破壞速率。
　　5.以一種石化設備的狀態(tài)監(jiān)測實例，討論了動態(tài)監(jiān)測關鍵技術在工程中的應用。在石化行業(yè)中，機械設備安全運行的重要性顯得尤為突出。本文將所研制的光纖光柵振動傳感器和狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)應用到了石化機械裝備的故障檢測中，以往復式氫氣壓縮機為監(jiān)測對象，對設備的曲軸箱、十字頭和缸蓋的振動情況以及氣閥位置的溫度變化進行了長期在線測量，并取得了良好的效果。實測結果證