大轴弯曲激光精密自动测量系统

　　1　引　言

　　汽轮机转子弯曲的测量是一项极其重要的工作。如果大轴弯曲超标,不但会引起汽轮机的振动,严重时还会导致大轴损坏的重大事故。因此,在汽轮机安装检修过程中,大轴弯曲是必测项目之一,而且弯曲度也是衡量机械质量的一项重要技术指标之一。传统的汽轮机弯曲测量方法是架设百分表进行测量,该测量方法是一种接触式测量,由于汽轮机汽缸结构复杂,在某些部位架设百分表及对准非常麻烦,需耗费大量的人力和时间,人为因素影响也较大,测量精度也较低。特别是在直轴过程中转子的温度很高(600~700℃),用百分表直接接触表面很困难,即使是采取一些措施,也难以保证测量的准确性。

　　目前,大轴测量的方案有机械测径和光学测径两种主要技术[1]。在光学测量技术中激光扫描测量方法是最有发展前景的技术[1-2],此外还有涡流传感法[3]和微电子技术检测法[4]等。本文将激光扫描技术[5-6]改进后用于测量汽轮机的大轴弯曲量,并提出了非接触自动测量的新方法,同时开发研制了测量装置。该测量系统不仅提高了冷态弯曲测量的精度,而且也解决了热态弯曲测量的难题。该方案也可推广到其他形式的大轴弯曲测量中,如大型风机、水泵等机械转轴。

　　2　测量系统及测量原理

　　测量系统由激光扫描、光接收、微机控制、打印、显示等几部分组成。系统结构框图如图1所示。

　　2.1　基本工作原理

　　激光精密测量的基本原理是基于激光扫描技术,如图2所示。平行扫描光束由凸透镜和平面旋转反射镜产生,用双狭缝扫描速度自校正,用光电探测器完成信号的光电转换,最后由单片机完成数据处理、显示与打印。在图2所示的扫描测量原理图中,平行扫描激光束,通过光阑B和物镜C后会聚到光电探测器D上,设平行光束匀速扫描的速度为V,则

　　X = V·t , (1)

　　其中,X为通过光阑B的扫描平行光束的宽度,t为平行扫描这一宽度所用的时间。经光电转换,由采样整型电路整型输出一定宽度矩形脉冲信号,送入计数器。设计数频率为f,计数数值为N,显然t = N·f,所以

　　X = V·f·N , (2)

　　将轴置于其中,遮挡部分扫描光束,则矩形脉冲的宽度会随之变化,即有

　　Xn= V·f·Nn, (3)

　　其中,Xn为未被轴遮挡的扫描光束宽度,Nn为检出脉冲的计数值。从式(3)中可以看出,当平行光匀速扫描时,扫描速度V为定值,只要检测出计数数值Nn,就能得到对应于轴上某断面等分点的Xn。

　　2.2　激光扫描速度实时检测原理

　　扫描速度精度不易获得1/10 000,因此它直接影响着测量精度,要获得较高的测量精度必须运用扫描速度实时检测原理。为此,为系统设计了一个双孔光阑B,在整个测量过程中,转轴只遮挡住下孔的光束,这样在扫描器一次扫描周期中,从光电探测器D上将检测出两个连续脉冲,设上孔的宽度为X0,对应的检出脉冲计数值为N0,由式(2)可得: