毕业设计（论文）-小型轴承转子实验台设计.doc

山东大学毕业设计论文毕 业 论 文（设 计）论文（设计）题目：小型轴承转子实验台设计姓 名 学 号 学 院 机械工程学院 专 业 机械设计制造及其自动化 年 级 2009 指导教师 2013年 6 月 3 日摘 要随着科学技术的不断发展，旋转机械也向着越来越精密，转速越来越高发展，这也就对旋转机械的转子的各种运动状态的测试、分析提出了更高的要求，这为转子动力学的研究提出了一系列的研究课题，也有力地促进了转子动力学的发展。对转子动力学特征的研究可以优化设计方案，从而提出更加高效节能、更加安全的转子系统，对于理论和实践都有着很大的意义。本课题设计的是转子动力学的动态实验系统小型轴承转子实验台，将转子动力学基本理论作为主要研究方法，以振动分析为主要手段。在现有轴承转子实验台的基础上，对轴的直径、转子的直径、电机转速加以改变，通过对转速的控制，模拟出单自由度转子在不同的转速下的各种运动状态。在考虑轴心轨迹的测试和轴承座上进行加速度测量前提下，满足锤击激振、电磁激振器激振。系统由机械部分和测控部分组成，机械部分主要完成对转子轴承系统的结构设计和电机选型；测控部分完成了传感器等软硬件设备的选取，最终组成完整的实验系统。关键词 实验台；转子；滑动轴承ABSTRACTWith the development of science and technology, rotating machinery are becoming more and more accurate,and the speed are higher and higher. Those also take higher requirements on rotor state of motion testing and analysis.It also takes a series of research topics, but also effectively promotes the development of rotor dynamics.Then dynamic characteristics of the rotor can be optimized , which makes more efficient, more secure rotor system。This project is a dynamic experimental system of rotor dynamics.The basic theory of rotor dynamics and vibration analysis are the main methods.We change the diameter of the axis and the rotor and the speed of the motor.Through the control of the speed,we can simulate a variety of different states of motion of SDOF rotor in different speed.In considering the test of orbits and the acceleration measurement of axle-bearing,we should meet the hammer excitation and electromagnetic exciter excitation.The system consists of mechanical part and control part.The main task of mechanical part is to design the construction of rotor - bearing system and select the motor. Then we should complete the selection of hardware and software of the control part.Keyword bench；rotor；axle-bearingIII摘 要IABSTRACTII第1章 前言11.1 选题背景与意义11.2 设计内容2第2章 转子动力学及振动分析相关基本理论42.1 柔性转子动力学基础42.1.1 转子等效简化模型42.2 振动分析52.2.1 振动分析基础52.3 转子临界转速的计算62.3.1 转子临界转速的概念62.3.2 转子临界转速的实验原理62.4 不平衡量测试62.5 轨迹测试7第3章 机械系统设计83.1 转子轴承系统设计93.1.1 转轴的设计与计算93.1.2 平衡盘的设计与计算93.1.4 滑动轴承的设计与计算133.1.5 转子强度校核153.2 联轴器的选用163.3 底座的设计173.4 滑动轴承的润滑及油壶的设计183.5 电动机的选型193.6 传感器支架的设计203.7 电机支架的设计21第4章 测试系统设计234.1 测试系统总体方案设计234.2 测试系统测试模块选型设计234.2.1 传感器选用原则234.2.2 系统传感器选择244.2.4 数据采集卡的选用284.2.5 电磁激振器的选用29第5章 结 论31参 考 文 献32致 谢 辞33译文和原文34第1章 前言1.1 选题背景与意义1.1.1 国内外研究现状 转子动力学的发展, 迄今已有一百多年的历史。跟据统计, 在1974年以前, 共公开发表过1200多篇研究论文。而从1974年至今, 关于转子动力学方面的论文已不计其数。转子动力学研究因其所遇到的问题多、复杂、重要而得到飞速发展, 振动学科中的很多分支, 如模态分析技术, 模态综合法、非线性振动、随机振动、动态测试与故障诊断、振动控制、气弹与流固藕合等等, 在转子动力学中都要应用到, 而且因其特殊性而研究过程常常更为复杂。 国内外各种旋转机械发生的事故, 包括恶性事故, 不胜枚举。查清与研究这类事故的原因, 从而能在研制中较准确地预估与防止或控制, 并找到在运行中行之有效的监视与诊断的方法, 这些正是转子动力学者面临的任务。具体地说, 其主要内容为转子一轴承一机匣一基座系统的临界转速和稳态不平衡响应预估, 瞬态响应及叶片失落后的生存能力预估, 稳定性分析及失稳裕度预估, 对各种不稳定力的基础性研究, 转子的优化平衡方法, 转子系统的优化设计, 轴承的动力特性, 转子系统的振动控制, 转子系统的故障诊断等。我国的转子动力学研究始于上世纪80年代，当时主要是有针对性的对地面旋转机械的平衡技术和航空发动机的机构强度问题进行了相关研究。 当前我国在转子动力学研究上存在的主要问题是重复研究较多，缺少自主创新能力，并且在某些领域的研究还是处于空白阶段。虽然存在一些问题，但是我国在转子动力学的方面的研究的进步是显著的，对国民经济的推动作用是很大，相信我国的科学技术人员会取得更大的成果1。目前我国对转子动力学研究的重点是转子系统的状态监测和故障诊断及转子系统的非线性振动、分叉与混沌。在国外，近年来随着计算机容量和速度的迅速提高，一些学者已开始进行大型复杂非线性转子系统的动态特性分析，并开始将分析结果用于指导转子系统的非线性设计。总体来看，国内外对多自由度、强非线性系统还缺少成熟的理论分析方法2。 现在国内市场上有HAD-ZHS系列多功能转子试验系统 ，WS-ZHT1-1型单跨实验台，WS-ZHTI-2型双跨实验台，WS-ZHT1-3型单跨实验台等轴承转子实验台系统，是高等院校、科研院校、生产部门进行柔性转子多种振动实验的装置，是非常适合于科研、教学和培训演示的转子试验系统。 能够实现转子实验台底座振动测量实验、实验台转速测量、轴心轨迹测量、刚性转子动平衡等实验及数据的采集和分析1。1.2 设计内容由于设计、结构、材料不均匀以及制造和安装误差等因素，实际转子的中心惯性主轴都会在一定程度上偏离其旋转轴线。这样，当转子转动时，转子各微元质量的离心惯性力所组成的力系不是一个平衡力系。研究表明，旋转机械的振动主要是由不平衡引起的，尤其在高速旋转机械中表现得更为显著。本实验系统就是要通过不平衡量、轴承跨度的增减，来模拟出旋转机械的不同振动现象。基于以上所述，本实验系统作为转子转速控制、振动测量等测控实验的平台，该系统能完成转子振动测试，也可单独测量转速、临界转速，同时对采集到的振动信号作时域和频域分析并显示图形等。从整体上应分为两部，一是模拟系统，目的是创造一个动态环境，为研究转子振动及测试提供基础条件，它包括驱动装置、转子系统、实验台等；二是测试系统，目的是采用合理测试方法对转子振动特性进行监测，包括传感器、信号处理模块、数据采集卡、计算机等。设计主要性能要求：（1） 模拟单个转子振动；（2） 模拟最高转速：12000r/min,电机调速；（3） 非接触测量；（4） 两端滑动轴承支承，跨度约600毫米;（5） 考虑轴承座上进行加速度测量;（6） 考虑轴心轨迹的测试，满足锤击激振、电磁激振器激振（7） 结构小巧。本课题工作内容包括： （1）学习转子动力学基础知识，研习机械振动信号的分析理论与采集方法，调查研究现有转子实验台的测试实验内容、组成装置、应用平台，进行结构分析。 （2）根据主要设计参数要求和调查分析的结果，确定转子实验台总体设计方案。包括机械部分设计和测控部分的设计方案。 （3）根据总体设计方案，对转子-轴承系统、传感器安装架、试验台底座等进行结构设计，并绘制相应的二维、三维图纸。 （4）选择调速电机电磁激振器的功率、型号及生产厂家。选择并确定滑动轴承、传感器、信号调理仪器、数据采集分析仪器等相关部件、仪器的型号和性能指标。 （5）对所设计尺寸、材料和部件型号进行必要的校核。第2章 转子动力学及振动分析相关基本理论2.1 柔性转子动力学基础2.1.1 转子等效简化模型对于转子而言，当轴上各种惯性元件的变形可以忽略不计时，转轴中心线上各点的运动规律实际上就体现了转轴运动的总体特征。本转子实验系统可以简化成简支梁的振动模型来研究。（1） 简支梁横向振动图 2-1 简支梁横向振动图2.1所示的为一均匀简支梁的横向振动模型，假设系统的质量全部集中在梁的中部，且假定为m。取梁的中部绕度作为系统的位移，根据材料力学可知静挠度为： （2-1）式中EI为梁截面的抗弯刚度。定义简支梁的等效刚度： （2-2）则系统自由振动方程为： （2-3）振动固有频率为： （2-4）2.2 振动分析超过一定范围的机械振动是转子-轴承系统产生较大的动载荷、噪声以及影响其使用寿命甚至造成严重事故的主要因素。同时振动从一定意义上也表征了转子-轴承系统的运行状态。学习掌握振动分析的基本理论能够为后续的振动信号提取和特征分析提供理论依据、奠定基础。2.2.1 振动分析基础图 2-2 简谐振动波形图振动是一个动态量，最简单的振动形式是简谐振动。如图2.2所示，简谐振动是按正（余）弦函数规律周期变化的，表达式可以写成： （2-5）其中，y为振动位移，A为振幅，为相位，为圆频率，为振动频率。由上式可以看出，完完全描述一个振动信号，必须同时知道三个参量，及振动三要素：幅值、频率、相位。工程实际当中的振动信号多是复杂的信号，但是无论多么复杂的信号，总可以分解为不同频率、幅值、相位的简写信号的合成叠加，其可表达成 （2-6） 转子轴承系统的振动与转速是密不可分的，通常将与转动频率相等的频率称为工频，以1X标示；把同转动频率的0.5倍。2倍、3倍等相等频率称为半频、二倍频、三倍频，用0.5X、2X、3X等表示。转子系统在不同的运动状态下对应不同的频率，采用频谱分析可以对运行状态性质作出初步判断、定性地判断3。2.3 转子临界转速的计算2.3.1 转子临界转速的概念 转子在某些转速或其附近运转时，将引起剧烈的横向弯曲振动，甚至会造成转轴和轴承的破坏，而当转速在这些转速的一定范围之外时，运转趋于平稳，这些引起剧烈振动的特定转速称为该转子的临界转速。2.3.2 转子临界转速的实验原理 测定柔性转子的临界转速，可以通过旋转机械振动状态监测和分析软件包所测得的轴心轨迹图或波特图得出。通过将两个涡流传感器分别置于轴某一截面相互垂直的两个方向上，把两个方向上的振动信号分别输入信号分析仪的X轴和Y轴，由此测得转子的涡动运动，这种涡动运动的轨迹称为轴心轨迹。转子的轴心轨迹一般近似为椭圆，当转子通过临界转速时，椭圆迅速变大，椭圆轴线方向迅速改变；通过临界转速后，椭圆又缩小。2.4 不平衡量测试测量转子的不平衡量即测量不平衡引起的振动。用传感器测得振动信号后，然后对振动信号进行处理，最终得到振动的幅值、相位。从平衡原理可知，必须通过一定的测量手段测得两个校正平面的不平衡量，才能完成转子的动平衡操作。实际上，转子的不平衡量是很难直接测得的，一般通过测量校正面出的振动量计算转子的不平衡量。根据机械振动理论，转子振动量的幅值相位和不平衡量的幅值相位通过下面的动力学方程建立联系： （2-7）式中，m为转子质量，c为支承阻尼系数，k为支撑刚度x为振动量，M为该处的不平衡量，w为转动角速度。可解得： （2-8）其中： （2-9） （2-10）2.5 轨迹测试 转轴几何的中心运动轨迹，称之为轴心轨迹。由于转子存在挠，转都的几何中心的运动轨迹并不是一个圆。不同的轴向位置测量，轴心轨迹形状和幅值并不相同。两个传感器应互为90，丈量轴心轨迹必须安装两个电涡流传感器。将XY方向两个涡流传感器输出的振动信号，以往测量轴心轨迹多采用示波器。输入到示波器的XY轴输入端，将示波器的XY轴放大倍数调整一致，示波器上既可以呈现实际轴心轨迹。第3章 机械系统设计本轴承转子实验台适用于高等院校教学实验，能够模拟单自由度的转子的运动状态。整个轴承转子实验台系统的机械部分主要是由一根质量相对较轻的弹性光轴和安装在轴上的转子平衡盘组成，平衡盘的质量可以通过增减螺钉进行调节，采用整体式滑动轴承支承光轴和转子平衡盘。本轴承转子实验台可以分析模拟转子动力学中基本的模型，满足锤击激振、电磁激振器激振和进行加速度测量，对于简单的转子的振动实验已经能够满足要求。其他机械部分还包括底座、轴瓦、油杯、传感器支架、电机支架、联轴器的设计。转子实验台二维图外形如图3-1：图 3-1 转子实验台二维图示意图转子实验台三维图外形如图3-2：图 3-2 转子实验台三维图示意图3.1 转子轴承系统设计3.1.1 转轴的设计与计算根据所给参数以及对平衡转速的要求，设计的转子轴应该能够使转子的三阶临界转速在转子实验台系统的最高转速范围之内，并且还要能够承受一定的冲击载荷，以便能够得到较为准确的实验参数。按照以上要求，设计光轴的参数如下：转子光轴的材料选用45#钢，材料的弹性模量为E=210GPa，转轴的直径初定为=30mm,考虑到滑动轴承的跨度转轴的长度初定为670mm，两滑动轴承的跨度L=600mm。材料的密度为=7.85，因此转轴的质量为=3.63Kg.3.1.2 平衡盘的设计与计算初选转子平衡盘的直径为=100mm，宽度为20mm，质量为=1.28Kg。在转子平衡盘上沿着直径为的圆周上每隔开设一个螺纹孔，共开设12个螺纹孔。螺纹孔上可加不同数目的螺钉以在转子上应用来施加校正平衡质量。在转子平衡盘的内孔两侧加宽，在一侧开设一个螺纹孔，在另一侧转再开设另一个螺纹孔，用以旋入紧定螺钉，以此来固定转子平衡盘在转轴上的位置。在两侧相隔开设螺纹孔，可以避免引入不平衡量，保证转子的旋转精度。转子平衡盘二维图外形如图3-3：图 3-3 转子平衡盘二维图示意图转子平衡盘三维图外形如图3.4： 图 3-4 转子平衡盘三维图示意图3.1.3 临界转速的确定与计算根据转子的工作状态和力学特性，从平衡的观点方面出发，经常把转子分成两类：刚性转子和挠性转子。一般来说，凡是工作时的转速远低于转子的一阶弯曲临界转速的转子被视为刚性转子；而把工作转速接近或超过转子的一阶弯曲临界转速的转子视为挠性转子。在一定条件下转子可以转化为简支粱模型来研究，我们可以将转盘当做是集中的质量点来模拟。假设：无质量偏心即 ，轴的临界角速度为，由材料力学知：轴挠曲时，轴上任意一截面弯矩方程为： （3-1） 目前状态下，轴单位长度所受的载荷就是轴单位长度的质量所产生的离心力： （3-2） 又由材料力学知：沿轴长度弯矩的二次导数，等于轴单位长度所受的载荷，即： （3-3） 由上述三式可得： （3-4） 令常数项的组合： （3-5） 得到： （3-6） 上式的通解为： （3-7） 系数（常数）C1、C2、C3、C4由边界条件决定。对两端铰支座（一般滑动轴承相当于这种情况）， 边界条件为：当x=0时， （3-8） 当x=1时， （3-9） 当x=0时， （3-10） 当x=1时， （3-11） 有，显然，对正弦函数，当时，上式可满足，n为任意整数（n=1，2，3，）， 因为前面令有,现又得到，所以有： （3-12） 由上式可知：（1）一个转子的临界转速不是一个，而是无限多个。（2）第一阶振动时的临界转速称为第一临界转速，；第二阶振动时的临界转速称为第二临界转速，；余依次类推。（3）行业一般要求（为安全起见）： （3-13） 由材料力学可知，转轴的截面极惯性矩为：（） （3-14）根据转子实验台系统功能要求，转子的三阶临界转速频率应小于转子实验系统能达到的最高频率，式中，其三阶临界转速为： (r/min) （3-15）按要求在转子实验台能达到最大速度12000(r/min) 范围内，故满足转速条件。 依次计算，转子的第二阶临界转速为： (r/min) （3-16）依次计算，转子的第一阶临界转速为： （r/min） （3-17）由式（2.4）可得： （r/min） （3-18）所得转速小于第一阶临界转速。 根据上述计算过程可知，转子实验台各阶临界转速发生的转速范围分别是111445r/min、4953r/min、1238r/min附近。3.1.4 滑动轴承的设计与计算 转子实验台转速较高，最高转速要达到12000（r/min），主要承受的是径向载荷，所以轴承采用不完全润滑径向滑动轴承，轴承中间设环槽，由环槽向两侧供给润滑剂，这种周向油槽供油的滑动轴承承载能力较低，是承受载荷方向变动，尤其是螺旋载荷的轴承所采用的形式。而轴承结构的形式采用整体式结构，其特点是结构简单，制造方便，成本低廉。根据国际标准化组织(ISO)于1940年制定的世界公认的ISO1940平衡等级，本轴承转子实验台的平衡等级为G2.5，则需用偏心距e为： （mm） （3-19）转子在高速旋转的时候，假设转盘上的质量偏心最大为e，则离心力的最大值为： （N） （3-20）每个滑动轴所需承担的载荷为： (N) （3-21） 滑动轴承的设计参数如下： 轴承宽径比=1.0，通常在0.31.5的范围内，小宽径比有利于：增大压力（单位面积载荷）而提高运转稳定性;增加流量而降低温升；减小摩擦面积而降低摩擦功耗；减小轴向尺寸而减少空间的占用，但相应的承载能力也将降低。考虑到转子实验台的转速较高，承受的载荷较小，故选择为1.0.轴承宽度为： （mm） （3-22）轴颈线速度为： （m/s） （3-23）平均压强为： （MPa） （3-24） 表 3-1 滑动轴承的设计资料轴承名称许用压强许用转速V/（m/s） 适宜粘度宽径比B/D转子用轴承130.0250.81.5 根据以上计算，轴瓦材料选用锡基巴氏合金ZSnSb11Cu6，锡基轴承合金在软相基体上均匀分布着硬相质点，软相基体使巴氏合金具有非常好的嵌藏性、顺应性和抗咬合性，并在磨合后，软基体内凹，硬质点外凸，使滑动面之间形成微小间隙，成为贮油空间和润滑油通道，利于减摩；上凸的硬质点起支承作用，有利于承载,锡基轴承合金摩擦系数和膨胀系数小,具有良好的塑性、减摩性、耐蚀性，但锡基轴承合金的疲劳强度较低,使用温度不高于150。轴瓦一侧有翻边，开设两个螺纹孔，以便可以固定在滑动轴承座上而不会随轴转动。轴瓦二维图外形如图3-5：图 3-5 轴瓦二维图示意图轴瓦三维图外形如图3-6：图 3-6 轴瓦三维图示意图轴瓦材料性能如下表：表 3-2 轴瓦材料性能最大许用值最高工作温度（）轴颈硬度（HBS）p(MPa) v(m/s) pv()150305 80 20 由计算可知，轴瓦材料满足要求。3.1.5 转子强度校核 由于转子实验台会在高转速的情况下运行，转子的不平衡量可能会引起较大的离心力，如果转子的材料选取不当的话，将会使转子发生塑性变形，从而使转子实验台失效。如果更严重的话，将可能会对实验操作人员的人身安全构成严重威胁。因此，我们需对转子强度进行必要校核。此时，我们可以将转轴简化成一个受集中载荷作用的简支梁。由式（3-6）可知转轴所受到得最大的离心力为4022N，由材料力学可知，转轴的抗弯截面系数为： （） （3-25）轴的最大弯矩为： （3-26） 则最大应力为： （MPa）301001.321.61.92.24 由表3.5可知，相对间隙为： （3-29） 滑动轴承的半径间隙为： (m) （3-30）摩擦数取为2，则滑动轴承的摩擦因数为： （3-31）则摩擦力为： （N） （3-32）电动机所受负载转矩为： （） （3-33） 转轴转动的最大功率为 （w） （3-34）考虑到转子实验系统的电机能无级调速的需要，选用德利来生产的ZWN系列直流电动机，电机性能参数如下表3.6所示： 表 3-2 电动机性能型号规格额定电压（v）额定功率（W）最高转速（r/min）额定转矩()70ZWN01220200180000.533.6 传感器支架的设计传感器支架是为了用来安装电涡流位移传感器、光电传感器的。转子实验台的跨度可调，根据需要，转子平衡盘的位置可变化，所以传感器支架在底座T型槽中要可调。考虑到传感器探头的顶部距转子平衡盘的距离要控制在5mm左右，所以主要平面的加工精度相对较高。传感器安装支架的安装形式如图3-12所示。1、3传感器 2传感器支架 4转子平衡盘 图 3-12 传感器支架安装形式3.7 电机支架的设计考虑到转子实验系统的最高要求转速较大，为了保证动平衡的精度和引起不必要的振动，设计将电动机固定在前后两个支架上。为了保证电机转轴和转轴、转子能保持在同一轴线上，在两个支架的低端开设如同滑动轴承座底端的方形槽，利用定位的方形块与底座确定较高的位置精度。支架两侧通过螺栓螺母固定在底座的T型槽上，以便调节支架的位置。电机支架如图3-11、图3-12所示。 图 3-12 电机前支架设计图 图 3-13 电机后支架设计图第4章 测试系统设计本轴承转子实验系统的振动信号通过电涡流传感器来获取，经过信号处理模块对获取信号进行调理，包括缓冲放大、隔离、滤波以及线性化处理，然后进入到数据采集卡进行A/D转换，最后进入到计算机。利用相应的信号分析软件，对信号进行时域、频域分析，图形显示等。4.1 测试系统总体方案设计 由于本转子实验系统可以对转子实现三阶临界转速以下的各阶动平衡测试，所以采集处理振动信号是测试系统的主要任务之一。振动是一个矢量，为了能准确的描述它，不仅要测得振动的幅值大小，还要测量相位大小。而且，转子实验系统中的转速的测量也很重要。转速与转子系统的动平衡、摩擦问题、各阶振型有直接关系。综上所述，测试系统要实现对振动幅值、相位与转子速度的同时测量采集。整体的转子测试系统的方案如图4-1所示：图 4-1 测试整体方案4.2 测试系统测试模块选型设计4.2.1 传感器选用原则现代传感器在原理和结构上千差万别，如何根据测量环境、测量对象、测量目的合理选用传感器，对测试的成功与否有着至关重要的作用，传感器选用原则如下：（1） 根据测量对象和环境确定类型首先考虑采用哪种原理的传感器进行测量。其次就得考虑量程、体积（空间是否足够）、安装方式、信号类型（模拟还是数字信号）、测量方式（直接测量还是间接测量）等等。（2） 精度传感器的精度等级关乎到整个系统精度，是一个非常重要的参数。不应该一味的追求高精度，精度等级适合自己的试验系统要求即可。（3） 灵敏度在线性范围内，灵敏度高，输出信号值比较大。但是灵敏度高，与测量无关的外界噪声也容易混入，影响精度。（4） 线性范围线性范围越宽，量程就大，精度就高。但是传感器的线性范围都是相对的。只需要把测量量估算好，以便在线性范围内。（5） 频率响应特性在测量过程中，传感器的输出总有一定的延迟，跟实际值也有一定的差别。所以我们希望频率响应快一点，这样延迟时间就短一点5。4.2.2 系统传感器选择根据上述传感器的选用原则，本转子实验系统应选用电涡流位移传感器、磁电式速度传感器和光电速度传感器。电涡流传感器是一种非接触式传感器，一般由探头、延伸电缆、前置器构成基本的工作系统（如图4.1所示）。前置器中高频振荡电流通过延伸电缆流入探头线圈，在探头头部的线圈中产生交变的磁场。如果在这一交变磁场的有效范围内没有金属材料靠近，则这一磁场能量会全部损失；当有被测金属体靠近这一磁场，则在此金属表面产生感应电流，电磁学上称之为电涡流，与此同时该电涡流场也产生一个方向与头部线圈方向相反的交变磁场，由于其反作用，使头部线圈高频电流的幅度和相位得到改变（线圈的有效阻抗），这一变化与金属体磁导率、电导率、线圈的几何形状、几何尺寸、电流频率以及头部线圈到金属导体表面的距离等参数有关。通过前置器电子线路的处理，将线圈阻抗Z的变化，即头部体线圈与金属导体的距离D的变化转化成电压或电流的变化。输出信号的大小随探头到被测体表面之间的间距而变化，电涡流传感器就是根据这一原理实现对金属物体的位移、振动等参数的测量。图4-2 电涡流传感器基本工作系统由上所述，电涡流传感器工作系统中被测体可看作传感器的一半，即一个电涡流位移传感器的性能与被测体有关。目标物体的材质对传感器的感应距离有直接的影响6。磁电式速度传感器是利用电磁感应工作，将传感器中的线圈作为质量块，当传感器运动时，线圈在磁场中做切割磁力线运动，其产生的电势大小与输入速度成正比。光电式速度传感器将速度的变化转变成光通量的变化，在通过光电转换元件将光通量的变化转换成电量变化，即利用光电脉冲变成电脉冲，光电转换元件的工作原理是光电效应。 因此，转轴相对于轴承座得相对振动测量选用德国米铱Micro-Epsilon公司生产的eddyNCDT3300单通道智能高精度系列电涡流位移传感器。测量全过程无接触、无磨损，传感器系统无需检修维护，且不受测量环境影响。且使用了独特的温度补偿技术， 因此有着极高的温度稳定性。传感器的技术指标如下表4-1所示： 表 4-1 电涡流传感器技术指标产品型号eddyNCDT3300探头直径（mm）10线性量程（mm）2非线性误差（%）频率响应（KHz）025分辨率（%）灵敏度（v/mm）8温度补偿（）10100工作电压（V）12安装螺纹（mm）M12传感器电缆长度（m）30.45传感器探头外形如图4-3所示：图 4-3 传感器探头轴承座的绝对振动测量春辉集团生产的MT系列磁电式速度传感器，该传感器是用于对轴承座、机壳或结构相对于自由空间的绝对振动的感应。MT系列电磁式传感器主要由磁路系统、惯性质量、弹簧阻尼等部分组成，它是利用磁电感应原理把振动信号变换成电压信号，该电压信号正比于被测物体的振动速度值，对该信号进行积分放大处理即可得到位移信号，这种测量可对旋转或往复式机构的综合工况进行评价。其测量频响范围一般为12HZ-1000HZ，标准灵敏度为30mv/mm/s，可垂直或水平安装。抗干扰性能强，能长期稳定可靠地工作于恶劣环境中。 表 4-2 磁电式传感器性能指标型号MT3P测量方向水平、垂直灵敏度30mv/mm/s5%线性误差谐振频率15HZ2.5Hz频率151000Hz振幅（P-P）1000外形尺寸量程1mm最大输出电压（半峰）3V环境温度范围2080频响范围（3db）12Hz1000Hz最后，转速的测量与鉴相信号的获取采用光电式传感器，选用北京亚欧德鹏科技有限公司生产的的RL1型光电传感器RL-1型光电传感器为不可见光发射、接收式光电传感器，它通过对被测转轴黑白标记的感应，对应旋转机械转动一周产生一个脉冲的信号，供测振仪表键相和测量转速之用。此光电传感器灵敏度高，抗干扰能力强，安装使用方便，可与所有具备测速功能的设备相接。使用时，可在对准传感器的联轴器轴心位置贴上一长8mm，宽3mm的反光铝箔，作为反光带。 4.2.3 信号调理模块选择传感器可以把温度、压力、位移、声、光等物理现象转变为电信号。但是传感器输出的电信号是模拟信号，不能够被计算机系统直接识别，这将无法使用软件对信号进行分析，最主要的问题是它们大多数输出电压非常小，且极易受噪声影响，而有些信号又有可能存在很高的尖峰值。因此在将它们转换为数字量之前需要先进行放大、滤波或隔离等信号处理。现在多用高度集成化的信号调理模块进行处理。本转子系统采用北京康泰电子CM3504四通道动态信号调理模块，CM3504全程控动态信号调理模块,主要用于动态信号测试系统的前级信号调理,可对压电传感器, 如加速度计或音频信号及其他各种类型的动态信号进行调理.具有程控增益、滤波、AC/DC耦合等功能,同时为带有内置放大电路的传感器提供恒流源.模块内装协处理器及存储器,各项参数均可通过软件进行设置, 完全程控.体积小巧,便于携带,是进行现场动态信号测试的最佳选择。 图 4-4 CM3504信号处理模块 表 4-3 CM3504信号处理模块技术指标产品型号CM3504隔离（Vrms）1500 漂移（V/ ）输出噪声（Vrms ）CMR共模抑制比 （db）160NMR常模抑制比 （db）95精度（%）4.2.4 数据采集卡的选用根据振动信号频率、信号类型以及输出的电压幅值范围，选用National Instruments（美国国家仪器有限公司，简称NI）生产的PCI-6110数据采集卡。S 系列设备具有模拟输入、模拟输出、数字I/O 和计数器/ 定时器等多种I/O 功能。 表 4-4 PCI-6110数据采集卡技术指标产品型号PCI-6110模拟输入4SS 采样率（S/s ）5M输入分辨率（位）12最大输入电压范围 （V）45输入范围选择8模拟输出2输出分辨率（位）12 更新速率（S/s ）4M数字I/O（位）8计数器/定时器2个24位图 4-5 PCI-6110数据采集卡4.2.5 电磁激振器的选用 本转子实验系统主要是应用于教学实验的小型转子实验系统,因此选用江苏省宝应振动仪器厂生产的DJ-20型电磁激振器，激振器是研究机床结构动态性能的重要仪器之一。DJ型系列电磁激振器与电动式激振器、电液式激振器比较，在结构性能方面有以下几个特点： （1)与被激物体间为非接触式，可用于研究旋转或平面运动的结构动态特性。 （2)单位力体积比电动式小，激振力比电动式大，没有附加质量的影响。 （3)频率范围比电液式激振器宽，工作频率为20-2000Hz，能满足一般大、中、小型机床试验之用。 表 4-5 DJ-20型电磁激振器技术指标产品型号DJ-20最大激振力（Kg）20 激振力示值误差5%激振器与被激构件间隙（mm）0.50.01频率范围（Hz）20800最大电流（A）2激振力波形失真度（g）5%图 4-6 DJ-20型电磁激振器第5章 结 论本轴承转子实验系统