【摘要】：旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中擔(dān)負(fù)著非常重要的角色,諸如汽輪機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)、壓縮機(jī)、風(fēng)機(jī)、泵、水輪機(jī)、發(fā)電機(jī)和航空發(fā)動(dòng)機(jī)等旋轉(zhuǎn)機(jī)械廣泛應(yīng)用于電力、石化、冶金和航空航天等部門(mén),因此旋轉(zhuǎn)機(jī)械運(yùn)行狀態(tài)的安全性對(duì)于國(guó)家的經(jīng)濟(jì)發(fā)展至關(guān)重要。旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動(dòng)是造成機(jī)械設(shè)備故障的重要原因,通過(guò)機(jī)械振動(dòng)信號(hào)監(jiān)測(cè)可以獲知機(jī)械設(shè)備的運(yùn)行狀況,從而有效地預(yù)防機(jī)械故障和突發(fā)事故。現(xiàn)有的旋轉(zhuǎn)機(jī)械平行振動(dòng)和扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的檢測(cè)方法多數(shù)為電類(lèi)磁類(lèi)傳感技術(shù),其易受到電磁干擾的影響,穩(wěn)定性差,且不便于多點(diǎn)布置檢測(cè)。近年來(lái),光纖光柵以其不受電磁干擾、可分布式測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)在眾多領(lǐng)域得到應(yīng)用,若將其應(yīng)用于旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動(dòng)檢測(cè)能夠彌補(bǔ)傳統(tǒng)檢測(cè)方法的不足,具有重要的研究?jī)r(jià)值。本論文以旋轉(zhuǎn)機(jī)械平行振動(dòng)和扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的檢測(cè)為應(yīng)用背景,基于光纖光柵的傳感原理,提出了應(yīng)用于機(jī)械平行振動(dòng)檢測(cè)的靈敏度可調(diào)的FBG二維振動(dòng)傳感器和應(yīng)用于旋轉(zhuǎn)軸系扭振檢測(cè)的FBG扭振傳感器。論文對(duì)兩種傳感器的傳感特性展開(kāi)了深入研究,組建了旋轉(zhuǎn)機(jī)械實(shí)驗(yàn)臺(tái)振動(dòng)多點(diǎn)檢測(cè)集成系統(tǒng),并在該系統(tǒng)中利用所設(shè)計(jì)的傳感器進(jìn)行了應(yīng)用檢測(cè)。本論文完成的主要工作及研究成果如下:1.針對(duì)當(dāng)前國(guó)內(nèi)外關(guān)于機(jī)械平行振動(dòng)和扭轉(zhuǎn)振動(dòng)檢測(cè)技術(shù)的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了綜述,通過(guò)對(duì)比分析和探究,總結(jié)出各類(lèi)檢測(cè)方法的優(yōu)缺點(diǎn),提出當(dāng)前面臨的問(wèn)題和研究工作。2.針對(duì)旋轉(zhuǎn)機(jī)械平行振動(dòng)的檢測(cè),設(shè)計(jì)了靈敏度可調(diào)的FBG二維振動(dòng)傳感器,建立了傳感器的結(jié)構(gòu)模型和理論模型,并利用有限元軟件對(duì)傳感器進(jìn)行了模態(tài)仿真分析,最后通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了傳感器的傳感特性,實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論計(jì)算、仿真分析的結(jié)果很好的吻合。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:傳感器X、Y向靈敏度可調(diào)范圍分別為8.049pm/g~76.145pm/g、8.199pm/g~75.335pm/g,穩(wěn)定工作頻率區(qū)間為0-180Hz。3.針對(duì)旋轉(zhuǎn)軸系扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的檢測(cè),設(shè)計(jì)了FBG扭振傳感器,首先建立了旋轉(zhuǎn)軸系扭振力學(xué)模型,接著對(duì)FBG扭振傳感器的結(jié)構(gòu)和原理進(jìn)行了闡述,建立了傳感器的應(yīng)變模型和振動(dòng)模型,然后對(duì)傳感器特性進(jìn)行了數(shù)值分析和有限元仿真分析,最后搭建了實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)傳感器的傳感特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,驗(yàn)證了理論模型和仿真分析的正確。實(shí)驗(yàn)表明:傳感器的線(xiàn)性度為1.376%,擬合方程為Δλ_1+Δλ_3-Δλ_2-Δλ_4=0.3603β+0.0614(β的單位為rad/s~2),傳感器的靈敏度為0.3603 pm/(rad/s~2),與理論相比偏大4.9%,傳感器的#1和#2光纖質(zhì)量球系統(tǒng)的一階扭振固有頻率分別為29.39Hz,27.35Hz,與激振器激振實(shí)驗(yàn)的結(jié)果一致。4.組建了旋轉(zhuǎn)機(jī)械實(shí)驗(yàn)臺(tái)振動(dòng)多點(diǎn)檢測(cè)集成系統(tǒng),利用此系統(tǒng)在恒速空載和正弦激勵(lì)負(fù)載兩種工況下,實(shí)現(xiàn)一線(xiàn)多點(diǎn)的檢測(cè)。在此系統(tǒng)中采用所設(shè)計(jì)的靈敏度可調(diào)的FBG二維振動(dòng)傳感器對(duì)旋轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)臺(tái)的伺服電機(jī)和齒輪變速箱的平行振動(dòng)情況進(jìn)行了實(shí)時(shí)檢測(cè),采用所設(shè)計(jì)的FBG扭振傳感器對(duì)旋轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)臺(tái)的旋轉(zhuǎn)軸系扭振進(jìn)行了實(shí)時(shí)檢測(cè),根據(jù)檢測(cè)的結(jié)果對(duì)旋轉(zhuǎn)機(jī)械的振動(dòng)特性進(jìn)行了分析。
【圖文】：

具有工作穩(wěn)定性好、分辨率高、靈敏度高、測(cè)量范圍寬等優(yōu)點(diǎn)，但其允許的工作溫度一般不超過(guò) 180℃，以及安裝時(shí)的初始間隙有范圍限定等因素，限制了該傳感器的應(yīng)用范圍[12]。CCD 激光位移傳感器采用了激光三角法原理[13]，如圖1-2 所示，該裝置測(cè)量精度高，，常用來(lái)實(shí)時(shí)測(cè)量運(yùn)動(dòng)物體的位移或高速振動(dòng)，由于激光的發(fā)生裝置比較復(fù)雜，且整套裝置成本又高，因此限制了其使用范圍。

限制了該傳感器的應(yīng)用范圍[12]。CCD 激光位移傳感器采用了激光三角法原理[13]，如圖1-2 所示，該裝置測(cè)量精度高，常用來(lái)實(shí)時(shí)測(cè)量運(yùn)動(dòng)物體的位移或高速振動(dòng)，由于激光的發(fā)生裝置比較復(fù)雜，且整套裝置成本又高，因此限制了其使用范圍。(a) (b)圖 1-1 電渦流傳感器(a)和工作原理圖(b)(a) (b)圖 1-2 激光位移傳感器(a)和工作原理圖(b)加速度傳感器在機(jī)械振動(dòng)的測(cè)量中有著重要的應(yīng)用，目前常用到的加速度傳感器主要為電類(lèi)振動(dòng)加速度傳感器，包括壓電式、壓阻式、電容式、磁電式等。其中壓電式加速度傳感器采用慣性原理工作，如圖 1-3 所示，壓電式加速度傳感器具有質(zhì)量輕體積小、測(cè)量范圍寬、線(xiàn)性好等優(yōu)點(diǎn)[14]。壓阻式加速度傳感器也是利用較廣泛的振動(dòng)加速度傳感器，如圖 1-4 為 MEAS1203 壓阻式三軸加速度計(jì)，它是采用 MEMS 加工技術(shù)制成。壓阻式加速度計(jì)具備制造工藝簡(jiǎn)
【學(xué)位授予單位】：武漢理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類(lèi)號(hào)】：TH113.1

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本文編號(hào)：2606928