高速旋轉軸系的扭振模態實驗研究

高速旋轉軸系的扭振模態實驗研究

　　1 引言
　　對于旋轉機械，扭轉振動是廣泛存在的，而對高速旋轉機械來說，這種現象也更加明顯�，F在廣泛使用的扭振測量方法有相位差法、激光多普勒測扭法以及脈沖時序法，這些方法有一個共同點，就是要求待測軸上已經安裝有分度結構或者有足夠空間用于安裝測量齒盤[1]。而在高速旋轉機械中，旋轉軸往往在非常復雜的工況下運行，例如充滿潤滑油的變速齒輪箱，在這種高溫復雜并且充滿干擾的環境下是不可能用傳統方法進行測量的，無論是定位元件的安裝以及傳感器的抗干擾性都很難保障。
　　雖然脈沖時序法克服了齒盤分度不均勻的影響，測量精度也較高，但是這種方法對待測軸系有嚴格的要求：軸的長度必須具有一定跨度來安裝多個傳感器；并且軸上必須安裝有輪盤或者有足夠的空間可以安裝輪盤[2]。對于本論文中待測的傳動軸來說，大部分軸段是在密封環境中使用的，而暴露在外的軸段沒有足夠空間安裝分度輪盤，這個時候就需要改進測試方法，選用更加節省空間的測試方法。
　　結合上文的介紹，本論文采用了試驗臺對旋轉軸的扭振特性進行研究，在傳感器方面，選用了美國ATI 公司的2000 系列遙測扭振傳感器，一方面考慮到它的無線信號傳送的優點，既傳感器測得的信號不需要線材就可以很好的被接收器接收。這樣不僅很好的解決了測量高速旋轉軸扭振時信號線難的問題，同時也避免了傳統脈沖時序法對軸系形式有特定要求的弊端。另一方面，因為該傳感器采用了對稱布置的雙加速度傳感器結構，所以很好消除了重力以及徑向加速度的影響。
　　在試驗中，利用現有高速旋轉試驗平臺，用試驗的方法得到了待測軸的扭振一階固有頻率，同時，利用Ansys 仿真軟件計算出待測軸的模態參數，通過和實驗數據的對比，證明了扭振測試系統的準確性和可靠性。
　　2 扭轉振動測試系統
　　扭振測試部分主要對被測旋轉軸的扭轉振動加速度參數進行測量。示的是ATI 扭振傳感器安裝實物圖：
　　為保證扭振測試裝置能夠方便的安裝、調整，整個測試裝置設置在具有T 型滑動槽的工作平臺上，同時，各傳感器組件以及支架都可以方便的進行橫向和縱向的位置調整，已獲得更大的靈活性并滿足不同傳感器的安裝位置要求。
　　扭轉振動實驗主要運用ATI 遙測扭振傳感器和轉速傳感器共同完成，整個扭振測試系統主要由四部分組成：ATI 扭振傳感器、轉速傳感器、NI 數據采集卡、工控機以及軟件部分。扭振測試系統的結構框圖示：
　　因為整個實驗需要測試輸出軸在不同轉速下的扭轉振動，所以對轉速進行監測是必須的，扭轉振動信號和扭振信號通過不同的數據通道進入數據采集卡中，數據采集卡將采集到的數據傳到工控機中通過測試軟件顯示出來，并且在數據采集完成后對數據進行離線的分析。
　　3 扭振實驗與實驗結果
　　對傳動軸扭振固有頻率的測量是分析軸系扭振的基礎，知道了固有頻率，才能正確判斷和分析受迫扭振特性及軸系共振的可能性。
　　實驗原理：對轉軸不施加任何人為激勵，使之處于自然振動狀態下，此時轉軸可能受到一些擾動力矩的作用，如轉速的波動、軸承摩擦力矩、齒輪間沖擊力矩等。因此通過采集多組軸系在不同轉速下的自然振動狀態扭振角加速度信號，并對這些時域信號進行頻譜分析，找到不同轉速下頻率譜線的共同部分即為軸的扭振固有頻率。
　　實驗過程：將扭轉振動傳感器安裝在軸端，并調零；開啟電機及變頻器，通過轉速設定窗口調整轉速，使軸分別在某一特定轉速下穩定旋轉一段時間，并在此期間采集軸在自然振動狀態下的角加速度信號。
　　數據分析：由于試驗臺周圍的儀器設備比較多，使得測量信號中引入了噪聲干擾。通過LabVIEW 中的MATLAB Script 節點調用MATLAB 程序進行信號的小波消噪、相關積累等處理，最后進行頻域分析以提取扭振信號的頻率特性。
　　信號時域波形可看作是具有有限能量的信號，對其作頻譜分析會引入虛假成分，可能使某些小幅值頻率分量被淹沒。而功率譜分析，則可獲得更為明確的譜線信息，突出信號的主要頻率分量。將經過預處理的數據送入頻域分析模塊，得到各轉速下角加速度功率譜分析結果所示。
　　從數據分析結果可以看出：
　　a) 各組扭振頻域譜中都存包含68HZ左右的譜線，為軸的扭振一階固有頻率；
　　b) 工作轉速扭振譜線在各圖中都存在，這是由于轉子質量不平衡造成的；
　　c) 重復測量發現輸入轉速與實測轉速只有5r/min 左右的誤差，證明轉速控制較為精確。
　　4 仿真分析結果與實驗數據對比
　　對被測軸扭振固有頻率的理論計算可用來驗證扭振測量結果的準確性及測試系統的可靠性。轉軸固有頻率的Ansys 仿真過程中因為采用了20 節點的SOLID186 單元并且對尺寸突變的位置做了網格的局部優化，所以整個計算結果的精度得到了很好的保證[5]。其分析結果如下：
　　可以看到，理論分析出的一階固有頻率為69.72Hz，與實驗結果68Hz 比較吻合。
　　在 Ansys 求解器中可以設置需要求得的模態階數，在工程實際中，因為共振現象在低階的固有頻率附近才具有比較大的能量，同時考慮到有限元分析方法在高階次下的模態計算誤差積累會變大，準確性難以保證，所以工程實際中往往只關注系統的低階固有頻率。
　　5 結論
　　本文以武漢理工大學旋轉機械實驗平臺為基礎，對平臺的輸出軸的扭轉振動模態做了深入的理論分析和詳實的實驗研究。運用Ansys 模態分析模塊對軸系的固有頻率和主振型做了仿真分析，得到了該傳動軸的基本模態參數；借助ATI 扭轉振動測試系統和相應的測量分析軟件，測量得到了轉軸在不同工況下的扭轉振動信號，通過后期的數據處理與前期仿真計算結果的對比，得到了以下結論：
　　(1) 扭轉振動的結果具有較高的精度，實驗得到的一階扭轉振動固有頻率和仿真數據基本重合；然而對于高頻信號的測量存在較大誤差，特別是扭振傳感器的抗干擾性有待提高。
　　(2) 小波降噪這種信號處理方法能夠很好的消除環境噪音的影響，但是考慮到扭轉振動信號本身的微弱性以及環境噪音的多樣性，從傳感器本身以及信號傳輸方面尋找提高信噪比的方法更加可取。

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　　參考文獻
　　[1] 鄔惠樂，邵成，馮振東．汽車動力傳動系統扭轉振動的研究[J].汽車工程.1983（4）P21-29．
　　[2] 張勇．汽輪發電機組軸系扭轉振動及彎-扭振動耦合的研究：[博士學位論文].北京：清華大學熱能工程系. 1997．
　　[3] GriffinTR．Computer-aided Design Software for Torsional Analysis[D]Blacksburg：Virginia PolytechnicInstitute and State University，1998．
　　[4] Grama.R.Bhashyam ． ANSYS Mechanical-A Powerful Nonlinear Simulation Tool ． ANSYS.Inc.275Technology Drive Canonsburg,2002(9):1-8．
　　[5] 鄧在京．圓弧圓柱齒輪實體造型和有限元分析．華中農業大學學報．2004，6(3):352-354．

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