状态监测振动传感器优化布置理论及应用

　　为了对旋转机械进行监测和诊断，常常布置大量传感器. 足够有效的测量信息有助于系统诊断能力的提高，但无规划的传感器布置，只能增加监测成本，降低诊断效率. 因此，有必要对旋转机械状态监测及诊断传感器布置进行优化. 现有常用的传感器优化布置方法有数学规划法[1]、信息熵法[2]以及解析模型法[3 5]. 目前传感器布置优化研究一般局限于康健检测等静态测试场合，而旋转机械等工程机械状态监测中传感器的安装基本上都是约定俗成的，对传感器安装策略的全面分析和研究较少. 文献[6 7]提出了针对板材冲压过程状态检测的多传感器布置方法，采用传感器嵌入式技术，将8 个压力传感器嵌入下模座中，直接采集冲压过程中模具和板材分界面的接触压力，分别用贝塞尔和薄板样条曲线法对采集的分布传感器压力数据进行计算，得出接触面的连续压力分布，为冲压过程监测提供了依据. 本文从滑动轴承动力学特性出发，分析轴承动态特性对同一截面上振动水平测点和垂直测点所测振动量的影响. 通过分析联轴节对多跨转子系统振动特性的影响，提出多跨转子中振动传感器布置的策略. 将本文所提传感器布置策略应用于转子实验台不平衡故障监测的振动传感器布置中，验证了所提出的布置策略的有效性.

　　1 旋转机械同一截面振动传感器布置优化

　　1. 1 转子支撑系统有限元建模

　　旋转机械结构的实质，是转子支承系统，轴承对转子的动力特性及转子系统的响应有重要影响.直接利用运动方程[8]求解转子系统各点振动响应非常困难，本文通过建立系统的有限元模型，计算转子轴承系统的响应. 在ANSYS 中对单跨转子实验台建模，转轴总长500 mm，轴径为9. 5 mm，跨间距为400 mm，等间距安装3 个76 mm ×19 mm的转子，这里的轴承均采用滑动轴承. 转子实验台的有限元模型如图1 所示.

　　建模中每个滑动轴承可以用2 个MATRIX27单元来模拟，一个模拟刚度矩阵，另一个模拟阻尼矩阵. 根据滑动轴承的流体动力学理论以及其动态特性参数的确定方法，查阅相关轴承的基本结构参数[9]，通过计算得到图2 中显示的实验台的滑动轴承动力系数随转速的变化. 图中，系数kyy和cyy为y方向的刚度系数和阻尼系数，kzz和czz为z 方向的刚度系数和阻尼系数，k zy，kyz和czy，cyz分别为交叉刚度系数和交叉阻尼系数，表示油膜在2 个互相垂直方向的耦合作用.

　　图2 油膜刚度系数和阻尼系数随转速的变化将不同转速下油膜的刚度系数和阻尼系数代入到MATRIX27 单元模拟的刚度矩阵和阻尼矩阵中，对轴承转子系统进行模态分析后，得到轴承转子系统的前两阶固有频率( 见表1) ，同时用传递矩阵法计算得到了前两阶固有频率.