СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ УГЛА ЗАКРУЧИВАНИЯ
METHOD OF DETERMINING ANGLE OF TWIST

Сцепления используются для передачи крутящего момента в механизмах с вращающимися валами. В этой связи может возникать необходимость, чтобы промежуточные валы механизма, соединенные сцеплением, сопрягались друг с другом в их нулевых положениях без закручивания относительно друг друга, либо чтобы угол закручивания, на который закручены два промежуточных вала, был известен.
В случае разъемных сцеплений угол закручивания необходимо повторно определять после каждого нового сопряжения. Подобные разъемные сцепления используются, например, в парогазовых установках (ПГУ), где газовая турбина соединена с паровой турбиной при помощи вала. Разъемное сцепление в них располагается между газовой и паровой турбинами. Определение угла закручивания между промежуточными валами имеет важное значение для всего процесса монтажа силовой установки.
До настоящего времени, в целом, использовался следующий порядок для измерения угла закручивания вращающихся валов:
Два вала соединялись друг с другом под любым углом при помощи разъемного сцепления. Положения 0° на обоих валах определялись посредством нулевой отметки, например засечки. Две засечки закручивались относительно друг друга и образовывали искомый угол закручивания.
Засечки измеряются путем вычислений с использованием оптических или индукционных датчиков, что позволяет таким образом поймать временно подаваемый сигнал. Профиль сигнала создается для каждого из двух промежуточных валов. Теперь угол сцепления можно рассчитать для известной скорости вращения по разновременности между сигналами двух валов.
Точность измеряемого сигнала имеет случайную ошибку из-за узкого диапазона сигнала с обычных засечек на валу, а также из-за возникающего в отдельных случаях взаимного влияния сигналов. Фактически общая погрешность может составлять +/-30°.
При автоматическом расчете угла сцепления угол соответственно первых порядков из анализа порядков определяется по разнице. На практике для этих целей используется имеющееся в продаже 2-канальное устройство БПФ или анализатор порядков, позволяющий рассчитывать соответствующие значения 1-х фаз по временным сигналам и соответствующим засечкам 0°, разница между которыми используется для расчета угла сцепления.
Одним из недостатков известных способов определения угла между участком первого вала и участком второго вала является большая неточность результатов расчета.
Взаимное влияние сигналов, возникающее, например, из-за колебаний в сети, также способствует получению неточных результатов.
Цель изобретения заключается в том, чтобы предложить способ, посредством которого можно рассчитывать угол между участком первого вала и участком второго вала на вращающемся механизме с погрешностью менее +/-1°.
n1
n2
n
n
n
n
n
n
n1
n2
n
n
n
n
g1
n1
g2
n2
g
g
g1
g2
Цель достигается при помощи способа, при котором положение 0° на участке первого вала, относительно которого измеряется угол закручивания, подает сигнал первого участка, а положение 0° на участке второго вала подает сигнал второго участка. Сигнал первого участка и сигнал второго участка соответственно разлагаются посредством анализа Фурье на частотные компоненты гармонических колебаний. При данном процессе для сигнала первого вала формируются частоты f, а для сигнала второго вала формируются частоты f, частоты представлены соответственно как комплексные указатели z, состоящие из абсолютного значения a и фазы φ для порядка n, при этом каждый из указателей z характеризует угловую скорость ω при соответствующей частоте f. Для частот f и частот f соответствующие углы φ комплексных указателей z затем делятся соответственно на порядок n, образуя нормализованные комплексные указатели N, а нормализованные комплексные указатели N суммируются комплексным образом, так что первый суммарный комплексный указатель z образуется из частот f, а второй суммарный комплексный указатель z образуется из частот f. Длина суммарных комплексных указателей z соответствует в каждом случае арифметической сумме длин отдельных комплексных указателей z. Угол, образуемый первым суммарным комплексным указателем z и вторым суммарным комплексным указателем z, равен углу α.
Изобретение основано на возможности использования теоретического метода обратного пересчета частот высшего порядка в частоту 1-го порядка для повышения точности измерительного сигнала подобного импульсному.
Сигналы валов состоят из частотных компонентов или, говоря об угле снятого углового сигнала, из порядковых компонентов. Например, при скорости вращения 50 Гц, 1-й порядок равен примерно 50 Гц, 2-й порядок примерно 100 Гц и т.д. Поскольку порядки уже заложены в скорость, 1-й порядок всегда примерно равен скорости вращения, а высшие порядки n кратны n-раз скорости вращения. Сумма всех рассматриваемых частотных компонентов или порядковых компонентов составляет сигнал вала. Частоты различных порядков получают путем проведения анализа сигнала вала по методу Фурье.
Изобретение основано на том факте, что чем более высокий порядок используется, тем выше точность определения угла закручивания. Следовательно, в изобретенном способе используются фазы высших компонентов, а частота 1-го порядка при измерениях в расчет не принимается, если в данном диапазоне возникают помехи (например, сетевые помехи). Однако произвести обратный пересчет частоты/фазы высшего порядка непосредственно до 0° фазовой информации невозможно, поскольку фаза не является уникальной из-за периодичности угловой функции. Следовательно, для частоты высшего порядка определяется несколько углов. Однозначный расчет угла возможен за счет совместного рассмотрения ряда частот высшего порядка. Это осуществляется за счет представления частот высшего порядка при помощи комплексных указателей и сложения их комплексным образом. Комплексное сложение в данном случае позволяет произвести вычисление средней величины. Длина суммарного комплексного указателя соответствует арифметической сумме длин отдельных комплексных указателей. Угол λ суммарного комплексного указателя примерно соответствует углу α, на который промежуточные валы закручиваются относительно друг друга.
Изобретенный способ позволяет рассчитывать угол между участком первого вала и участком второго вала с минимальной погрешностью. Это достигается, в частности, за счет усреднения частот и исключения компонентов, подверженных ошибкам.
g1
g2
n
g1
g2
n
В одном из предпочтительных вариантов способа для определения первого суммарного комплексного указателя z и второго суммарного комплексного указателя z в каждом случае используются только углы φ, при этом длина первого суммарного комплексного указателя z или второго суммарного комплексного указателя z соответствует однозначной арифметической сумме длин отдельных комплексных указателей z. Все другие варианты сочетания указателей при обратном пересчете периодичности исходят из ложных предположений, относящихся к реконструкции правильного фазового отношения, и дают подверженный ошибкам результат.
g1
g2
n
При дальнейшем развитии способа, для определения первого суммарного комплексного указателя z и второго суммарного комплексного указателя z, частоты f, на которые оказывают влияние помехи в сигналах или ошибки, при измерении не используются. Частота 1-го порядка в данном случае предпочтительно не используется.
n
Сигнал первого вала и сигнал второго вала нетабельно соответствуют сигналу вала, подобному импульсному. Сигнал вала, подобный импульсному, соответствует теоретическим фазам φ частотных компонентов сигнала вала, подобного импульсному.
Участок первого вала и участок второго вала предпочтительно соединены друг с другом при помощи сцепления. Однако возможны и другие разъемные соединения.
Цель также достигается посредством установки, в которой может быть реализован изобретенный способ. В данном случае подобной установкой может быть компьютеризованное измерительно-оценочное устройство, способное измерять циклическую разновременность и оценивать ее в соответствии с изобретением.
Типовой вариант осуществления изобретения описан более подробно ниже со ссылкой на фигуры, где:
На фиг.1 показан этап a) Измерение и определение временных сигналов и разновременностей.
На фиг.2 показано отслеживание порядков.
На фиг.3 показан этап b) Имитация Фурье-анализа сигнала вала.
На фиг.4 показан этап c) Определение угла.
На фиг.1, слева, в разобранном виде показана схема расположения валов, обычно встречающаяся, например, в газовых и паровых турбинах. Газовая турбина соединена с паровой турбиной при помощи вала 1. Вал 1 состоит из двух промежуточных валов, соединенных друг с другом при помощи разъемного сцепления 2. Первый промежуточный вал 3 соединен с газовой турбиной и имеет первую засечку 4, которой помечено положение 0° первого промежуточного вала. Второй промежуточный вал 5 соединен с паровой турбиной и имеет вторую засечку 6, которой помечено положение 0° второго промежуточного вала 5. Первый датчик 7 расположен на первом промежуточном валу 3 для получения первого измерительного сигнала 8. Второй датчик 9 расположен на втором промежуточном валу 5 для получения второго измерительного сигнала 10.
В ракурсе проекции 11 показан вид сверху двух валов с незначительным смещением. Можно заметить, что положения 0° двух промежуточных валов закручены относительно друг друга на угол α.
Результаты измерений двух датчиков показаны на фиг.1, справа. На верхней диаграмме 12 показаны результаты измерений второго датчика 9. На нижней диаграмме 13 показаны результаты измерений первого датчика 7. На диаграммах показаны периодические прямоугольные отклики. Угол закручивания можно рассчитать по смещенности 15 времени прохождения двух прямоугольных откликов.
На верхней диаграмме фиг.2 показана амплитуда сигнала вала относительно отслеживания порядка. На нижней диаграмме показана фаза относительно отслеживания порядка.
На фиг.3 анализ Фурье осуществляется с использованием в качестве примера одного из двух сигналов валов, подобных импульсному. Показаны первые четыре гармонические осцилляции, другими словами теоретическое положение частот с 1-го по 4-й порядок n. Сумма компонентов всех частот образует сигнал 14 вала. Можно заметить, что частоты порядков со 2-го по 4-й имеют более высокую периодичность, чем частоты 1-го порядка.
На фиг.4 показана имитация обратного пересчета в частоту 1-го порядка. Точки на прямой ORIG соответствуют комплексным указателям частот первых четырех порядков без нормализации. Точки на прямой ROW 1 соответствуют правильному условию для обратного пересчета. Точки на других прямых - это возможные комбинации вариантов обратного пересчета с учетом периодичности, они создают ложные условия при обратном пересчете.