一种大型旋转机械结构健康监测及故障诊断系统的制作方法

1.本发明涉及一种大型旋转机械结构的监测装置，属于大型旋转机械设备安全监测领域，尤其涉及一种大型旋转机械结构健康监测及故障诊断系统。


背景技术：

2.随着科技水平的提高，机械设备不断朝着高速、重载、高稳定性的方向发展，机械结构日趋复杂，工作环境也愈加恶劣。机械设备在服役过程中，零部件的健康状态会随着时间逐渐恶化，因此，开展机械设备结构健康监测技术的研究对于保障机械安全运行、提高生产效率具有重要意义。
3.尤其是旋转机械设备，在工程应用领域扮演着重要的角色，旋转机械的结构组成与运行状态日益复杂，导致其在恶劣环境下出现故障的可能性与故障诊断难度越来越大，因此，采取有效的传感检测技术对机械设备状态进行实时在线监测与诊断显得尤为必要。
4.目前，存在通过电类传感器、光纤传感器对大型旋转机械设备进行监测的设计，其中，电类传感器在高电压、强磁场环境下很容易受电磁干扰，而现有的光纤传感器监测，不仅安装要求较高，如必须与电机同轴，稍有偏心，就会导致器件的损坏，适应性不强，而且多属于接触式传输，易损害零部件，降低监测装置的使用寿命。
5.公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本专利申请的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。


技术实现要素：

6.本发明的目的是克服现有技术中存在的安装要求较高、接触式传输的缺陷与问题，提供一种安装要求较低、非接触式传输的大型旋转机械结构健康监测及故障诊断系统。
7.为实现以上目的，本发明的技术解决方案是：一种大型旋转机械结构健康监测及故障诊断系统，包括数据采集单元、光纤旋转连接器、光纤光栅信号解调仪与计算机系统；所述光纤旋转连接器包括旋转支架、金属插筒、动态光纤与静态光纤，所述旋转支架的底部与旋转机械转子的顶部相连接，旋转支架的顶部内开设有支架孔，该支架孔内插入有金属插筒，该金属插筒的内部开设有插筒内腔；所述静态光纤的底端延伸至插筒内腔的顶部内，所述动态光纤的顶端延伸至插筒内腔的底部内，且在插筒内腔内，静态光纤的底端、动态光纤的顶端上下正对设置；所述数据采集单元的一端与旋转机械转子的外壳相连接，数据采集单元的另一端与动态光纤的底端相连接，所述静态光纤的顶端穿经旋转机械定子后与光纤光栅信号解调仪的一端相连接，光纤光栅信号解调仪的另一端与计算机系统相连接。
8.所述数据采集单元包括光分路器与光纤光栅加速度单元，光纤光栅加速度单元的数量为至少两个，相邻的光纤光栅加速度单元相互分隔，所有光纤光栅加速度单元的输出端都与光分路器的一端相连接，光分路器的另一端与动态光纤的底端相连接；
单个光纤光栅加速度单元包括至少两个光纤光栅加速度传感器，单个光纤光栅加速度单元内的光纤光栅加速度传感器依次串联连接，所有光纤光栅加速度传感器都与旋转机械转子的外壳相连接。
9.所述光纤光栅加速度单元的数量为四个，四个光纤光栅加速度单元由上至下依次设置；单个光纤光栅加速度单元包括四个光纤光栅加速度传感器，该四个光纤光栅加速度传感器在旋转机械转子的外壳上，且呈同一圆周依次设置。
10.所述金属插筒的顶部横插有一根刚性插销，该刚性插销的两端分别与一号止转弹簧、二号止转弹簧的底端相连接，一号止转弹簧、二号止转弹簧的顶端分别与旋转机械定子的底部相连接。
11.所述旋转机械定子的中部开设有一个贯穿的定子插孔，该定子插孔内插入而过有竖插柱，该竖插柱的底端与横底盘的顶部垂直连接，横底盘的顶面与旋转机械定子的底面相贴合，横底盘的两端分别与一号止转弹簧、二号止转弹簧的顶端相连接。
12.所述竖插柱、横底盘的中部共开设有同一根光纤插孔，该光纤插孔的内部穿经而过有静态光纤，该静态光纤的顶端高于竖插柱的顶部设置；所述竖插柱上近横底盘的顶面的部位外套有一个固定螺母，该固定螺母与竖插柱进行螺纹配合。
13.所述一号止转弹簧、二号止转弹簧的顶端之间的间距大于一号止转弹簧、二号止转弹簧的底端之间的间距。
14.所述插筒内腔中沿轴心嵌套有一对无偏光纤准直器，两个无偏光纤准直器呈现为上下布置，两个无偏光纤准直器分别与静态光纤的底端、动态光纤的顶端对应连接。
15.所述旋转支架的两端分别开设有两个螺杆孔，该螺杆孔内插入有一根可调节螺杆，该可调节螺杆的底端与旋转机械转子相连接，可调节螺杆的顶端穿经螺杆孔后与可调节螺母进行螺纹配合。
16.所述旋转支架为t型结构，包括支架上座与支架底座，所述支架上座的底端与支架底座的顶面垂直连接，支架底座上位于支架上座旁侧的两端上分别开设有螺杆孔，所述支架上座的中部开设有支架孔，所述支架上座的顶面上连接有一个支架顶盘，该支架顶盘的内部开设有一个与支架孔相连通的顶盘孔，该顶盘孔内穿经而过有金属插筒。
17.与现有技术相比，本发明的有益效果为：1、本发明一种大型旋转机械结构健康监测及故障诊断系统中，包括依次进行信号连接的数据采集单元、光纤旋转连接器、光纤光栅信号解调仪、计算机系统，其中，光纤旋转连接器包括旋转支架、金属插筒、动态光纤与静态光纤，旋转支架顶部开设的支架孔内插入有金属插筒，金属插筒内部开设的插筒内腔的两端分别与静态光纤的底端、动态光纤的顶端相交接，且在插筒内腔内，静态光纤的底端、动态光纤的顶端上下正对设置，此外，数据采集单元的一端与旋转机械转子的外壳相连接，数据采集单元的另一端与动态光纤的底端相连接，静态光纤的顶端穿经旋转机械定子后与光纤光栅信号解调仪的一端相连接，光纤光栅信号解调仪的另一端与计算机系统相连接，应用时，数据采集单元直接采集旋转机械转子的振动信号，用来实时在线检测转子不同维度的振动信息，而光纤旋转连接器用来将数据采集单元采集到的信号传输到光纤光栅信号解调仪上，信号传输由动态光纤、静态光纤
完成，两个光纤之间的传输为非接触式传输，能避免传输过程中零部件的损伤，同时，光纤光栅信号解调仪安装在现场机柜室，用来完成信号的采集及分析，计算机系统用来对旋转机械转子振动信号进行分析、处理、展示和存储，并输出相应的诊断信息，此外，动态光纤、静态光纤都立足于转子、定子设置，而零部件之间传输所需的传输光缆也沿着旋转机械、电缆槽盒、电缆竖井进行敷设，充分利用待检测对象的既有条件，易于安装与应用，适用范围较广。因此，本发明不仅安装要求较低，而且为非接触式传输，不易损害零部件。
18.2、本发明一种大型旋转机械结构健康监测及故障诊断系统中，数据采集单元包括光分路器与光纤光栅加速度单元，其中，光分路器的数量为一个，优选安装在旋转机械转子的轴心附近，而光纤光栅加速度单元的数量则为至少两个，相邻的光纤光栅加速度单元相互分隔，单个光纤光栅加速度单元包括至少两个光纤光栅加速度传感器，单个光纤光栅加速度单元内的光纤光栅加速度传感器依次串联连接，应用时，光纤光栅加速度传感器通过旋转机械转子的外壳采集振动信号，再将所有信号汇入光分路器，再由光分路器向动态光纤传输，以最终输入光纤光栅信号解调仪，不仅发挥了光纤光栅传感器质量轻、体积小、抗电磁干扰、灵敏度高等优点，而且通过光纤光栅传感器、光纤光栅加速度单元在被监测对象上的布局，提升了监测的精度。因此，本发明不仅抗干扰能力较强，而且监测精度较高。
19.3、本发明一种大型旋转机械结构健康监测及故障诊断系统中，金属插筒的顶部横插有一根刚性插销，刚性插销近似于与金属插筒相互垂直，刚性插销的两端分别与一号止转弹簧、二号止转弹簧的底端相连接，一号止转弹簧、二号止转弹簧的顶端分别与旋转机械定子的底部相连接，应用时，当静态光纤由于惯性随旋转机械转子进行转动时，一号止转弹簧、二号止转弹簧能通过刚性插销对静态光纤实现止转，避免静态光纤发生周期性旋转，从而防止静态光纤发生缠绕甚至断裂，进而确保静态光纤顺利的将动态光纤检测到的振动信号，可靠地传输到旋转机械的定子部分。因此，本发明能够对静态光纤实现止转，提升光纤传输的安全性。
20.4、本发明一种大型旋转机械结构健康监测及故障诊断系统中，旋转支架的两端分别开设有两个螺杆孔，每个螺杆孔内都插入有一根可调节螺杆，可调节螺杆的底端与旋转机械转子相连接，应用时，根据旋转机械转子、定子之间距离的不同，对位于旋转支架、旋转机械转子之间的可调节螺杆的长度进行调整，再在调整结束后，通过可调节螺杆、可调节螺母之间的螺纹配合对调整结果进行固定，从而适用于不同的旋转机械。因此，本发明的可调性较强，适应范围较广。
附图说明
21.图1是本发明的结构示意图。
22.图2是图1中数据采集单元的结构示意图。
23.图3是图1中光纤旋转连接器的结构示意图。
24.图4是图3中一号止转弹簧、二号止转弹簧的结构示意图。
25.图5是图4中旋转机械定子的剖视图。
26.图6是图3中旋转支架的结构示意图。
27.图中：计算机系统1、光纤光栅信号解调仪2、光纤旋转连接器3、数据采集单元4、光分路器41、光纤光栅加速度单元42、光纤光栅加速度传感器43、旋转支架5、支架孔51、螺杆
孔52、可调节螺杆521、可调节螺母522、支架上座53、支架底座54、支架顶盘55、顶盘孔551、金属插筒6、插筒内腔61、刚性插销62、一号止转弹簧63、二号止转弹簧64、动态光纤7、静态光纤8、光纤插孔81、旋转机械定子9、定子插孔91、竖插柱92、横底盘93、固定螺母94、旋转机械转子10。
具体实施方式
28.以下结合附图说明和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
29.参见图1—图6，一种大型旋转机械结构健康监测及故障诊断系统，包括数据采集单元4、光纤旋转连接器3、光纤光栅信号解调仪2与计算机系统1；所述光纤旋转连接器3包括旋转支架5、金属插筒6、动态光纤7与静态光纤8，所述旋转支架5的底部与旋转机械转子10的顶部相连接，旋转支架5的顶部内开设有支架孔51，该支架孔51内插入有金属插筒6，该金属插筒6的内部开设有插筒内腔61；所述静态光纤8的底端延伸至插筒内腔61的顶部内，所述动态光纤7的顶端延伸至插筒内腔61的底部内，且在插筒内腔61内，静态光纤8的底端、动态光纤7的顶端上下正对设置；所述数据采集单元4的一端与旋转机械转子10的外壳相连接，数据采集单元4的另一端与动态光纤7的底端相连接，所述静态光纤8的顶端穿经旋转机械定子9后与光纤光栅信号解调仪2的一端相连接，光纤光栅信号解调仪2的另一端与计算机系统1相连接。
30.所述数据采集单元4包括光分路器41与光纤光栅加速度单元42，光纤光栅加速度单元42的数量为至少两个，相邻的光纤光栅加速度单元42相互分隔，所有光纤光栅加速度单元42的输出端都与光分路器41的一端相连接，光分路器41的另一端与动态光纤7的底端相连接；单个光纤光栅加速度单元42包括至少两个光纤光栅加速度传感器43，单个光纤光栅加速度单元42内的光纤光栅加速度传感器43依次串联连接，所有光纤光栅加速度传感器43都与旋转机械转子10的外壳相连接。
31.所述光纤光栅加速度单元42的数量为四个，四个光纤光栅加速度单元42由上至下依次设置；单个光纤光栅加速度单元42包括四个光纤光栅加速度传感器43，该四个光纤光栅加速度传感器43在旋转机械转子10的外壳上，且呈同一圆周依次设置。
32.所述金属插筒6的顶部横插有一根刚性插销62，该刚性插销62的两端分别与一号止转弹簧63、二号止转弹簧64的底端相连接，一号止转弹簧63、二号止转弹簧64的顶端分别与旋转机械定子9的底部相连接。
33.所述旋转机械定子9的中部开设有一个贯穿的定子插孔91，该定子插孔91内插入而过有竖插柱92，该竖插柱92的底端与横底盘93的顶部垂直连接，横底盘93的顶面与旋转机械定子9的底面相贴合，横底盘93的两端分别与一号止转弹簧63、二号止转弹簧64的顶端相连接。
34.所述竖插柱92、横底盘93的中部共开设有同一根光纤插孔81，该光纤插孔81的内部穿经而过有静态光纤8，该静态光纤8的顶端高于竖插柱92的顶部设置；所述竖插柱92上近横底盘93的顶面的部位外套有一个固定螺母94，该固定螺母94与竖插柱92进行螺纹配合。
35.所述一号止转弹簧63、二号止转弹簧64的顶端之间的间距大于一号止转弹簧63、二号止转弹簧64的底端之间的间距。
36.所述插筒内腔61中沿轴心嵌套有一对无偏光纤准直器，两个无偏光纤准直器呈现为上下布置，两个无偏光纤准直器分别与静态光纤8的底端、动态光纤7的顶端对应连接。
37.所述旋转支架5的两端分别开设有两个螺杆孔52，该螺杆孔52内插入有一根可调节螺杆521，该可调节螺杆521的底端与旋转机械转子10相连接，可调节螺杆521的顶端穿经螺杆孔52后与可调节螺母522进行螺纹配合。
38.所述旋转支架5为t型结构，包括支架上座53与支架底座54，所述支架上座53的底端与支架底座54的顶面垂直连接，支架底座54上位于支架上座53旁侧的两端上分别开设有螺杆孔52，所述支架上座53的中部开设有支架孔51，所述支架上座53的顶面上连接有一个支架顶盘55，该支架顶盘55的内部开设有一个与支架孔51相连通的顶盘孔551，该顶盘孔551内穿经而过有金属插筒6。
39.本发明的原理说明如下：本发明集光纤传感技术、光纤无线传输技术、智能分析与诊断于一体，创新性地提出了一种大型旋转机械结构健康监测及故障诊断系统，特别适合大型汽轮机、发电机、压缩机、发动机等石化、能旋转设备。
40.本发明中创新的采用波分复用的组网方式将多只光纤光栅加速度传感器43进行组网，其中，每四只光纤光栅加速度传感器43通过单模光纤串接成一路以构成一个光纤光栅加速度单元42，而每一个光纤光栅加速度单元42负责测量旋转机械转子10的一个截面。随后，来自于四个不同截面的四个光纤光栅加速度单元42汇聚在一起，都将测量信号引入到光分路器41的输入端，以便于后续的非接触信号传输。此外，优选采用高强度的树脂胶将光分路器41紧固在旋转机械转子10的轴心附近，避免其受离心力影响。
41.本发明中的光纤光栅加速度传感器43基于波长解调原理。当大型旋转机械转子10发生振动时，安装在转子上的光纤光栅加速度传感器43随之发生同步振动，从而使得光纤光栅加速度传感器43内的光纤光栅中心波长发生周期性的改变，通过对带有振动信息的反射光波长信号进行分析，即可达到检测转子振动信息的目的。
42.本发明中在支架孔51内插入有金属插筒6，金属插筒6在支架孔51内进行相对转动，以确保动态光纤7、静态光纤8之间非接触光信号传输的顺利进行。
43.本发明中根据不同旋转机械定子9、旋转机械转子10之间的间隙，采用可调节螺杆521将光纤旋转连接器3尽量安装在中间部位，确保光纤旋转连接器3两端连接的的动态光纤7、静态光纤8都保持较大的弯曲半径。
44.本发明中的光纤光栅信号解调仪2优选为基于波长调制原理的高速动态解调仪。应用时，光纤光栅信号解调仪2放置在仪表控制室，负责对现场传感器的波长进行采集，实现光信号到电信号的转变。光纤光栅信号解调仪2可以同时对16个通道的传感器信号进行同步解调，波长分辨率为1pm，其采样频率达到5khz；将调制解调后的信号进行分析、整理后，通过网口以标准的tcp/ip协议发送到计算机系统1。
45.本发明中的计算机系统1包括硬件和软件两个部分，硬件部分用于对光纤光栅信号解调仪2上传的信号进行接收，软件部分用于对旋转机械振动信号进行分析、特征值提取及故障诊断。
46.实施例1：参见图1—图6，一种大型旋转机械结构健康监测及故障诊断系统，包括数据采集单元4、光纤旋转连接器3、光纤光栅信号解调仪2与计算机系统1；所述光纤旋转连接器3包括旋转支架5、金属插筒6、动态光纤7与静态光纤8，所述旋转支架5的底部与旋转机械转子10的顶部相连接，旋转支架5的顶部内开设有支架孔51，该支架孔51内插入有金属插筒6，该金属插筒6的内部开设有插筒内腔61；所述静态光纤8的底端延伸至插筒内腔61的顶部内，所述动态光纤7的顶端延伸至插筒内腔61的底部内，且在插筒内腔61内，静态光纤8的底端、动态光纤7的顶端上下正对设置；所述数据采集单元4的一端与旋转机械转子10的外壳相连接，数据采集单元4的另一端与动态光纤7的底端相连接，所述静态光纤8的顶端穿经旋转机械定子9后与光纤光栅信号解调仪2的一端相连接，光纤光栅信号解调仪2的另一端与计算机系统1相连接。
47.实施例2：基本内容同实施例1，不同之处在于：所述数据采集单元4包括光分路器41与光纤光栅加速度单元42，光纤光栅加速度单元42的数量为至少两个，相邻的光纤光栅加速度单元42相互分隔，所有光纤光栅加速度单元42的输出端都与光分路器41的一端相连接，光分路器41的另一端与动态光纤7的底端相连接；单个光纤光栅加速度单元42包括至少两个光纤光栅加速度传感器43，单个光纤光栅加速度单元42内的光纤光栅加速度传感器43依次串联连接，所有光纤光栅加速度传感器43都与旋转机械转子10的外壳相连接。
48.优选光纤光栅加速度单元42的数量为四个，四个光纤光栅加速度单元42由上至下依次设置；单个光纤光栅加速度单元42包括四个光纤光栅加速度传感器43，该四个光纤光栅加速度传感器43在旋转机械转子10的外壳上，且呈同一圆周依次设置。
49.实施例3：基本内容同实施例1，不同之处在于：所述金属插筒6的顶部横插有一根刚性插销62，该刚性插销62的两端分别与一号止转弹簧63、二号止转弹簧64的底端相连接，一号止转弹簧63、二号止转弹簧64的顶端分别与旋转机械定子9的底部相连接。
50.应用时，旋转机械转子10带动旋转支架5转动，转动的旋转支架5带动其上连接的动态光纤7一并转动，此时，虽然支架孔51、金属插筒6之间为相对转动的配合状态，但刚性插销62、一号止转弹簧63、二号止转弹簧64、静态光纤8在惯性的作用下，依然会发生转动，而这种转动会造成一号止转弹簧63、二号止转弹簧64的变形，而一号止转弹簧63、二号止转弹簧64变形之后产生的回复力能对这种变形进行阻挡，从而对这种惯性下的转动产生止转的效果，进而对静态光纤8进行保护，避免静态光纤8发生缠绕甚至断裂。
51.实施例4：基本内容同实施例1，不同之处在于：所述旋转支架5的两端分别开设有两个螺杆孔52，该螺杆孔52内插入有一根可调节螺杆521，该可调节螺杆521的底端与旋转机械转子10相连接，可调节螺杆521的顶端穿经螺杆孔52后与可调节螺母522进行螺纹配合。
52.优选旋转支架5为t型结构，包括支架上座53与支架底座54，所述支架上座53的底
端与支架底座54的顶面垂直连接，支架底座54上位于支架上座53旁侧的两端上分别开设有螺杆孔52，所述支架上座53的中部开设有支架孔51，所述支架上座53的顶面上连接有一个支架顶盘55，该支架顶盘55的内部开设有一个与支架孔51相连通的顶盘孔551，该顶盘孔551内穿经而过有金属插筒6。
53.以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明的保护范围并不以上述实施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本发明所揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。