（机械制造及其自动化专业论文）高速旋转轴系的扭振模态分析与实验研究.pdf

中文摘要 近几十年来，大型汽轮机发电机组、汽车传动系、以及船舶发动机轴系的扭 转振动事故时有发生，人们对扭转振动的研究也越来越深入，这一领域的研究对 人们的生活生产安全具有非常重大的意义。人们对轴系扭振的研究目前主要集中 在大型发电机组、航空发动机、汽车和船舶的传动系轴系，对轴系状态的在线监 测，轴系扭转振动减振器的设计等，其中模态分析是轴系动力学分析的起点，而 扭转振动实验研究则是扭振研究中不可或缺的重要验证环节，因此轴系的扭振模 态分析与实验研究在轴系扭振的研究中占有非常重要的地位。 本文基于a n s y s 仿真软件，着重研究了武汉理工大学高速旋转机械平台输出 轴的主要模态参数，并运用扭转振动测试系统对该输出轴的扭转振动做了详尽测 量。通过数据分析和后处理，成功的提取出了该轴段的扭振一阶固有频率。经过 和仿真数据的对比，证明了仿真结果的准确性。 本文的模态分析基于a n s y s 有限元软件，在分析过程中使用了节点数较多的 2 0 节点s o l i d1 8 6 单元以提高仿真的精度；同时，因为模型本身尺寸较大，使用 过于细腻的网格划分方法将引入过多节点，导致计算无法进行；因此为了控制节 点个数在合理范围内，同时进一步提高仿真的准确性，对尺寸突变的局部进行了 单元细化。这种方法只引入有限的新节点，却可以显著的提高计算的精度。通过 将实验数据和理论数据的对比分析，表明：轴系的扭转振动测量结果与仿真计算 结果吻合较好。 针对实验室现有高速旋转实验平台的具体情况，由于平台的转速较高，且待 测轴大部分轴段处于封闭的轴承箱内，转轴表面没有相应的分度零件，所以并不 适合用脉冲时序发来测量扭转振动；同时，由于轴段处于高速旋转的工作环境中， 所以相应的信号传输变得十分困难。针对这些问题，在扭振测量的时候选择了美 国a t i 公司的遥测扭振测试系统。由于采用了对称加速度计的结构，在测量时 不依赖任何分度装置；同时因为采用了先进的遥测技术，传感器和信号接收器之 间的信号传输不依赖电缆进行，这样一来，使得复杂工况下的高速旋转轴的在线 扭振测量成为可能。通过前期的仿真计算，对于旋转机械扭振模态的分析方法有 了深刻的认识，同时通过现有实验设备和合适的信号处理方法证明了整个扭转振 动测量系统的可靠性和准确性，为后期整个实验平台的状态在线监测打下了坚实 的基础。 关键词：扭转振动、模态分析、遥测扭振测试系统 a b s t r a c t i nr e c e n td e c a d e s ，g r e a ts b i no ft e r r i b l ea c c i d e n t sh a v eo c c u r r e di n v o l v e dw i t h a u t os h a f t sa n ds h i p sa sw e l la st u r b i n eg e n e r a t o r s b e c a u s eo ft h i s ，p e o p l eb e g a nt o c o n c e n t r a t eo nt h et o r s i o n a lv i b r a t i o n ，t h er e s e a r c hw o u l dd e f i n i t e l yb em i l e sh e l p f u l t op e o p l e sl i f e t h em a j o rr e s e a r c hi sg e n e r a l l ya b o u tt h eg i a n tt u r b i n eg e n e r a t o r s ， s h a f t so fs h i p sa n dm o b i l e s ，m e a n w h i l e ，p e o p l ew e r ea l s oa w a r et h es t a t u sm o n i t o r i n g o fm er o t a t i n gm e c h a n i s mi so fg r e a ti m p o r t a n c e b e s i d e s ，t h em o d e l i n ga n a l y s i si s t h es t a r tp o i n to ft h ed y n a m i c sr e s e a r c h t h u sb o t ho ft h e s ea r ev e r yi m p o r t a n ti nt h e r e s e a r c ho ft h er o t a t i n gm e c h a n i s m t h i sa r t i c l ep r i m a r i l ym a k e sr e s e a r c ho nt h em o d e lp a r a m e t e r so ft h eo u t p u ts h a f t o ft h ep l a t f o r i l lb a s e do na n s y ss i m u l a t i o n b e s i d e s ，t h e t o r s i o n a lv i b a r a t i o n m e a s u r e m e n ts y s t e mi sa l s ou s e dt om e a s u r et h et o r s i o n a lv i b r a t i o no ft h es h a f t , t h r o u g hd a t aa n a l y s i sa n dp o s tp r o c e s s i n gw em a n a g e t og e tt h ef i r s tn a t u r a lf r e q u e n c y o ft h es h a f t t h ep r e c i s i o no ft h es i m u l a t i o nr e s u l th a sb e e np r o v e db yc o m p a r i s o n w i t ht h ee x p e r i m e n tr e s u l t t h em o d e l i n ga n a l y s i si sb a s e do nt h ea n s y ss o f t w a r e ，t h es o l i d18 5e l e m e n th a s b e e nt a k e ni nu s ea n dt h em e s hr e f i n e m e n tw i l la l s od oag r e a th e l pt oe n h a n c et h e p r e c i s i o no ft h ee n t i r es i m u l a t i o nr e s u l t ；m e a n w h i l e ，c o n s i d e r i n gt h el a r g es c a l eo f t h e m o d e l ，t h eo v e re x t e n s i v e 面dm a yb r i n gi nt o om a n yn o d e st oc o n t i n u ew i t ht h e c a l c u l a t i o n t os o l v et h i sp r o b l e ma n di m p r o v et h ep r e c i s i o no ft h er e s u l t ，w eu s et h e e l e m e n tr e f i n e m e n tf u n c t i o nt oo p t i m i z et h e 鲥d t h r o u g ht h ed a t ap o s tp r o c e s s i n g a n dt h ec o m p a r i s o no ft h ee x p e r i m e n tr e s u l tw i t ht h es i m u l a t i o n w ec a ns i m p l yg e t t h ec o n c l u s i o nt h a tt h et w o r e s u l t sa r el a r g e l yi nh a r m o n y c o n s i d e r i n gt h es p e c i f i cc o n d i t i o n so ft h eh i g hs p e e dr o t a t i n gm e c h a n i s m ，t h e p u l s ea n dt i m es e q u e n c em e t h o di sn o to p t i m i z e do w i n gt ot h eh a r s hw o r k i n g e n v i r o n m e n ta n dn o ni n t e g r a t e dd i v i d i n gc o m p o n e n t s ，w h a t sm o r ei m p o r t a n t ，t h e s i g n a lt r a n s p o r t a t i o ni sa l s ot o u g hw h e n t h er o t a t i n gs p e e di sv e r yh i g h t os o l v et h e s e p r o b l e m s ，t h ea t i2 0 0 0s e r i e st e l e m e t r i c ss y s t e mc a np e r f e c t l ym e a s u r e t h et o r s i o n a l v i b r a t i o na t t r i b u t e dt oi t sw i r e l e s ss i g n a ld e l i v e r i n gt e c h n o l o g ya n di t ss p e c i a l s t r u c t u r ew h i c hw i l le l i m i n a t et h ev e r t i c a lv i b r a t i o na n di nr u me n d o wt h eh i g hs p e e d r o t a t i n gs h a f tw i t ht h ep o s s i b i l i t yo fo n l i n es t a t u sm o n i t o r i n g w i t ht h ep r e l i m i n a r y s i m u l a t i o n , w eg r a d u a l l yk n o wf u l l w e l la b o u tt h em o d e la n a l y s i sm e t h o do ft h e i i r o t a t i n gm e c h a n i s m b e s i d e s ，t h er e l i a b i l i t ya n dt h ep r e c i s i o no f t h es y s t e mh a sb e e n p r o v e db yr e l a t e de x p e r i m e n t sa n dd a t aa n a l y s i s ，m a k i n gas o l i df o u n d a t i o nf o rt h e l a t e ro n - l i n es t a t u sm o n i t o r i n go ft h ew h o l e p l a t f o r m k e y w o r d s ：t o r s i o n a lv i b r a t i o n ，m o d e la n a l y s i s ，t e l e m e t r i c ss y s t e m i i i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得武汉理工大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 签名：骜熊e l 期：丝f ! ! 芏：圭! 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定， 即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位 论文的全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 其他复制手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认 可的国家有关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会 公众提供信息服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 幽一限驯弓p 冲川f 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章引言 1 1 旋转机械轴系扭振研究的背景和意义 随着改革开放的不断深化，经济建设的日益发展，对能源设备的要求逐渐 提高，发电机组单机容量也在日益增加，随之而来的是轴系长度的不断增加、 跨度的不断加大，轴系轻量化要求的不断提高。正因为以上原因，再把整个轴 系视作一个转动的刚体是不准确的，而应该将其视作一个具有多自由度的弹性 质量扭振系统。电机负荷的增大以及负载的多样性等因素都将导致轴系扭转振 动的发生，并导致轴系的扭转疲劳损耗。汽轮发电机组轴系扭转振动的原因主 要由以下两个方面构成：发电机引起的电气扰动和汽轮机引起的机械扰动这两 大方面的原因。 弯曲振动因为振动发生时现象更加明显，所以上世纪初人们就开始了研究； 而对于扭转振动，因为其振动现象没有弯曲振动那样明显，不易察觉，所以由 其造成的损伤更加难以预测，因此也就具有更大的破坏性。如果轴系疲劳积累 达到一定程度，就会导致轴系的断裂甚至崩溃。 随着投入使用的机组容量不断增大，大型发电机组的轴系规模也越来越大， 同时复杂度也是与日俱增。同时，由供电设备外网因素造成的对机组轴系的激 励等诱因成为发电机组产生振动的罪魁祸首，正是因为这些原因，轴系扭转振 动的事故也发生愈来愈频繁，对发电机组的正常工作和安全生产带来了诸多隐 患：近5 0 年来，因为轴系的扭转振动而导致发电机组发生重大事故的例子屡见 不鲜。这中间有1 9 5 7 年，由美国g e 公司生产的1 6 9 兆瓦发电机组在进行超速 实验时，因为强烈的扭转振动导致转子瞬问断裂；而在1 9 7 2 年，日本海南电厂 的一台6 0 0 兆瓦汽轮发电机组在试运行过程中，突然发生了大规模的异常振动， 长达5 1 米的主轴瞬间断裂飞出，整个发电机机组损坏严重；同年1 2 月，美国 m o h a v e 电站，g e 公司生产的7 9 0 兆瓦双轴发电机组，主发电机集流环的主轴 也是瞬间断裂，经过时候研究调查表明，此次事故的直接原因是发电机组的电 气系统和机械系统产生了共振，净负阻尼使系统失稳造成的；另外还有1 9 7 3 年 原西德尼德尔森发电站，一台6 0 0 兆瓦的机组在非同步实验时，同样发生了剧 烈的扭转振动，发电机轴系联轴器的紧固螺栓完全开裂。这些严重的事故不仅 发生在国外，近年来在国内也是频频发生。如：1 9 8 5 年，山西神头电厂在快控 武汉理工大学硕士学位论文 汽门时，该电厂发电机组中的苏联制两百兆瓦汽轮机组的主轴发生了扭转振动 事故，十二只联接螺栓相继发生了破坏。事故发生后，经过细致的金相分析表 明，这次事故是轴系扭转振动产生疲劳积累而导致的。 除了发电机组领域，扭转振动在其他生产和运输领域也是广泛存在的，由 于车辆本身就是一个十分复杂的结构，一辆车是由多个具有固有振动特性的子 系统组成的，其中轴系是发动机当中最为重要的运动部件，所以轴系的性能优 劣直接决定了整个发动机的性能、可靠性以及寿命。动力传动轴系是一个多自 由度的振动系统，通过旋转传递扭矩并激励车体振动。这些振动不仅会大大的 降低车辆的乘坐舒适性，而且会产生明显的外部噪音。在多种外部激励的作用 下，如果这些激励产生的扭转振动激励频率和传动轴系扭转振动的固有频率十 分接近甚至相同，剧烈的共振现象就会发生，当这种振动达到一定程度的时候 甚至会造成车辆零部件的疲劳破坏，很多轴段和啮合齿轮断裂等重大的事故就 是由于扭转振动造成的。 这些严重的事故无时无刻不在提醒人们轴系扭振所到来的巨大危害性。而 生产实际的需要也使得旋转机械轴系扭转振动问题在全世界范围内得到了广泛 关注、人们花费了很多时间和精力在这一领域的研究上，在前期的理论研究和 后期的实验中人们逐步的总结出研究的方法：由于轴系的几何形状、边界条件和 作用载荷都极其的复杂，想要得到精确的分析结果，首先应该构思出准确的计 算模型。也就是说，能否建立精确的轴系模型是分析轴系的动态扭转振动特性， 进而分析结构参数发生改变时结构的固有特性和响应特性变化的关键。经过多 年的研究，目前很多问题已经得到解决，各个领域的难点也相继被攻破。扭转 振动研究已经逐渐将研究的重点转移到轴系疲劳寿命损耗、提高在线监测设备 的可靠性和准确性、对于旋转机械扭转振动的控制和消除等方面；在这些问题 当中，轴系扭转振动的计算和在线监测是扭转振动研究中至关重要的内容，与 弯曲振动的研究状况不同，轴系扭转振动的研究方法还有许多地方需要进一步 的研究和分析，在如何提高测量精度以及测试系统的环境适应能力等方面还有 大量的工作需要进行。 对于武汉理工大学的高速旋转机械实验平台，该平台建设的最初目的就是 运用多种先进测量方式，包括光纤光栅传感器、转速传感器以及扭矩传感器等 对该实验平台的各状态量进行在线监测。从而逐步建立一个完整的可靠的旋转 机械状态监测系统。在这些状态量的监测中，扭转振动状态量的研究起步比较 晚，所以在实际测量中还存在很多问题，特别是传感器的安装布置以及信号的 2 武汉理工大学硕士学位论文 引出。不仅如此，在扭转振动动力学研究中，模态分析和模态实验研究是最为重 要的两个环节：模态分析是整个动力学分析的起点，着重研究机构的固有振动 特性，为后期实验提出理论指导；同时，考虑到该旋转平台高转速多工况的工 作环境，前期的模态分析能够保证旋转机械远离固有频率工作，或者工作频率 不落在某阶模态的半功率带宽内；模态分析本身还是一种非常有效的故障诊断 方法，考虑到平台的建设目的是最终实现在线监测和故障诊断，模态分析通过了 解模态参数的变化，可以分析预测转子的失稳和裂纹的产生等。 该实验平台的待研究输出轴安装有涡轮叶片，同时，输出端的转速可以实 现0 1 5 0 0 0 r p m 的任意调节，因此和大部分投入实际运用的旋转机械工况十分类 似：不仅可以模拟出任意转速下的运行工况，而且输出端也具有一定的负载； 非常适合扭转振动工况的模拟与研究，对于该平台的扭振实验研究，不仅能够 为建立平台的状态监测系统打下坚实的基础，而且为同类旋转机械的扭振研究 和结构设计提供了很好的参考。 扭转振动的研究对于安全生产的意义极为重大，伴随振动理论以及计算机 技术的不断发展使得人们不再仅仅依靠强度理论对结构进行设计和研究。人们 意识到越来越多的结构在外部激励和自身激励下发生振动运动。这些振动的产 生不仅仅广泛存在于高速旋转机械中，而且出现在人们的日常生活中，比如车 辆、船舶等交通运输工具的振动，机床的振动等等。对于动载荷较大或者频繁 发生振动的机构来说、传统的静力学设计方法无法达到设计要求，根据动力学 标准来进行设计成为了这类机构必须考虑的设计方法。其中，考察动态特征， 动态载荷往往是设计的主要方法。随着现代化工业的不断发展，越来越多的产 品逐步转向了更大、更快、更轻、更安全的设计理念，所以对机构的动态特性， 动态响应的要求越来越高，而振动研究的重要性也理所当然的凸显出来。作为 振动工程理论的一个重要分支，模态分析和实验研究为动态结构的振动研究以 及性能分析提供了非常强大的支持，特别是实验模态研究方法，由于它的可靠 性和准确性成为人们对产品进行评估的一个重要标准。而围绕模态分析结果而 产生的各种动态设汁方法更使模态分析成为结构设计中十分重要的一个重要环 节。在模态分析的发展过程中，计算机技术和有限元分析法为模态分析提供了 有力的支持，为模态分析的应用开创了更加广阔的空间。 模态分析的应用可分为以下四类。 l 、模态分析在结构性能评价中的直接应用 根据模态分析的结果，即模态频率、模态振型、模态阻尼等模态参数，对 3 武汉理工大学硕士学位论文 被测结构进行直接的动态性能评估。对一般结构，要求各阶模态频率远离工作 频率或工作频率不落在某阶模态的半功率带宽内；对结构振动贡献较大的振 型，应使其不影响结构正常工作为佳。这是模态分析的直接应用，已成为工程 界的基本方法。 2 、模态分析在结构动态设计中的应用 以模态分析为基础的结构动态设计，是近年来振动工程界开展的最广泛的 研究领域之一。众所周知，传统的结构设计，在考虑动态因素的结构修改时， 是以经验和反复实测为主要手段。虽然可以依据模态分析结果和响应实验容易 判断出初步结构的性能缺陷，但在结构修改问题上却往往茫然无所知，设计工 程师只能依据经验和现有条件进行反复修改和实测，有时甚至将原设计完全推 翻重新设计。这大大减缓了设计速度，设计质量也难以达到最优。为此，科技 工作者不断探索有依据的结构动态修改方法，以期达到优化设计的目的。有限 元法( f e m ) 为结构动态设计提供了两条最主要的途径。在围绕这两种基本方 法所开展的结构动态役汁设计研究工作中，人们提出了很多的方法。这些方法 可归为以下六类；载荷识别；灵敏度分析：物理参数修改；物理参数识别；再 分析；结构优化设计。它们分别从不同方面解决了结构动态设计中的部分问题， 某几种方法的组合可做到结构的优化设计。 3 、模态分析在故障诊断和状态监测中的应用 模态分析在故障诊断以及状态检测中有这十分广泛的运用，可以通过模态 分析得到的模态参数对机构的故障进行相应的检查，比如对于机械结构，可以 根据模态发生的变化来判断系统结构的变化从而分析出裂纹出现的具体位置， 根据转子支撑系统阻尼的改变来对转子的失稳进行预警，土木工程中依据模态 频率的变化分析水泥桩中是否有裂纹和缺陷等等。因而用模态分析的方法来对 故障进行分析是一种非常有效的方法。 模态分析还可以为分析噪声产生的机理及相应的解决措施提供有效的方 法。事实上，模态分析在实际生产中不仅仅运用在以上的三个方面，它被广泛 的运用在动力学研究以及相关设计的各个领域，人们正不断努力将模念分析的 应用扩大到更加广阔的领域。 4 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 旋转机械轴系扭振模态研究的现状 在国外，人们很早就开始了对扭转振动的研究，上世纪9 0 年代，人们发现 越来越多的内燃机动力装置因为轴系和传动系的扭振问题而频频出现故障，而 这些大大小小频繁发生的严重事故给人们带来了巨大的损失，因此轴系的扭振 现象开始得到了人们的重视。早在上世纪2 0 年代，德国人g e i g e r 发明了用于测 量轴系扭转振动的g e i g e r 扭振仪，虽然这一扭振测量系鲥l 】是完全基于机械结 构的，然而它的发布标志着扭转振动研究正式步入了测量和试验阶段，从盖格 尔扭振仪面世之日起，人们在扭转测量的研究与实践中，逐步掌握了扭转振动 研究的方法和规律。在早期的研究中，经典的霍尔茨( h o l z e r ) 表格法或托列法 被人们广泛的运用，但是这两种方法都有很大的局限性：它们所采用的近似方法 只对较为简单的模型有较好的计算准确性，并且只能对单个激励源问题提供令 人满意的解决办法，这种方法的还有一个很大的弊端：其无法计算非共振区的 振动情况。正是因为以上的种种局限性，扭转振动的计算需要引入新的方法。 上世纪六十年代到八十年代这二十年间，轴系扭转振动的研究进入了飞速 发展阶段，有两个重要的原因催使扭转振动的研究向前发展，其中最主要的原 因是因为工业的发展要求机械结构运转的速度越来越快，而人们对于结构的轻 量化要求也愈来愈高，这样一来，更多的扭转振动断轴甚至啮合齿轮齿折断等 事故不断发生，人们的生活和工作都受到了巨大的影响。由于人们对汽车的舒 适性、可靠性要求也愈来愈高，同时和汽车相关的安全规范以标准也愈来愈严 格，都为扭转振动的研究带来了前所未有的强大动力。而另一方面，计算机在 这一时期进入了迅猛发展的阶段，很多经典的算法比如传统的能量法、霍尔茨 法等方法都被引入了计算机计算程序，这样一来计算的效率和易用性都大大的 提高了。而新的传递矩阵法、和有限元法的提出更是大大的方便了人们对于扭 转振动模态的研究。而在扭转振动实验装置方面同样得到了巨大的发展，新型 的压电传感设备的发明使得扭转振动的测量较早先的方法具有更好的可重复性 和准确性，以及更加广阔的使用环境。 从上世纪九十年代开始扭转振动的研究进入了一个全新的纪元，研究方向 朝着更加深入更加准确的方向发展。一方面人们十分重视各种非线性扭转振动 的实验研究，开始寻求一种能够广泛运用并且更加准确的数学模型建立方法。 其中比较著名的模型建立方法有： k o u j if u j i 2 】建立的发动机曲轴平面模型，并 且依靠传递矩阵法解决了扭转振动和弯曲振动的计算问题。在k o u j if u j i 研究的 5 武汉理工大学硕士学位论文 基础上，k w a k a b a y a s h i 3 】成功的优化了发动机曲轴的3 d 模型，运用传递矩阵 的方法研究了不同振动形式间的相互关系，同时解决了径向振动以及轴向振动 的问题。这些研究更加深刻的揭示了扭转振动和其他形式振动之间的关系，从 而明确了旋转机械振动的机理。另外一方面，人们开始研究最大限度的降低轴 系扭振产生的结构设计方法，旨在通过设计的方法最大程度的减少扭转振动的 发生，同时，扭振减振器也是人们研究的热点，对扭转振动的研究方法也逐渐 从早期的扭振计算转变为以实验研究为中心。 随着p c 技术的普及和飞速发展，人们对于扭转振动的研究也进入了一个前 所未有的发展阶段。计算机的发展特别是各种计算机建模和仿真软件的出现， 使得扭转振动的理论计算变得更加准确和方便。其中，m a t l a b 中的s i m u l i n k 就 被广泛的运用于旋转轴的噪声分析和数值计算中【4 】；斯加塔罗将分块思想引入了 重型载重汽车转轴的模型建立，并且用实验的方法证明了这一分析方法的可行 性和准确性【5 1 。h w a n g 6 】也用建模软件对转轴建立了3 d 模型，同时研究系统的 模态特性，最后用实验的方法对理论计算进行了进一步的验证。克雷格【7 】在前人 的基础上对汽车的整个传动系统做了扭转振动分析，并将汽车传动系准确的等 效为对应的集中质量模型，对其进行了进一步的仿真计算。w a n g 等的研究方向 主要是车辆传动系统的固有特性和车辆的临界转速；他们利用计算机建模软件 建立了传动系统的扭转振动以及径向振动的力学模型，同时研究了传动系统在 自激振动下的特性【8 】；克里斯多夫【9 】运用了离散建模的方法对旋转机械的轴系进 行了分析，并进一步的计算了系统的模态参数以及自由振动状态的系统响应。 计算结果的准确性通过实验的方法加以了验证。 我国对于扭转振动的研究起步较晚，主要的发展是在近三十年内才开始的。 最早的扭转振动模态分析方法是由国内的李承德在1 9 8 1 年通过实验的方法提出 的。两年之后，邬惠乐等对旋转机械的轴系扭转振动实验的方法进行了更加深 入的研烈1 0 】；1 9 8 7 年，徐兀提出了新的研究领域，着重研究旋转机械在高速运 作下的振动和噪音控制。四年后的1 9 9 1 年，吕振华提出了结构固有振动特性设 计的动力学最优修改原理【1 1 1 。第二年，胡子正、杨小波等人进一步提出了旋转 机械模态参数的计算方法，而这种方法是由e r a 算法发展而来的【1 2 】。1 9 9 4 年， 杨小波等人用特征系统实现算法建立了乘用车的振动方程，并用该方法计算子 结构与动力学参数，以此建立了用于分析车辆各个系统的振动情况的动力学模 型。有了这个模型，可以很好的仿真出整个车辆在不同工况下的振动特性和状 态【1 3 】。1 9 9 8 年，尹俊通过改变悬挂系统的刚度从而改变了整个传动系统的振动 6 武汉理工大学硕士学位论文 特性，这个方法很好的降低了车辆在行驶中的振动【1 4 1 。2 0 0 6 年，董大伟、汤志 华等人研发出国内第一套用于系统振动，特别是扭转振动研究的计算机软件【1 5 1 。 在旋转机械的扭转振动模态研究中，主要有两种研究方法：分别是计算模 态分析法和实验模态分析法。理论计算仍然是当今比较重要的研究方法，其中 集中质量模型是比较常用的方法，这种方法的实质是根据系统的机械能守恒的 原理来建立模型，具体的方法是将模型简化成没有弹性的惯性盘以及没有质量 的弹性轴组成的当量系统。之后根据建立的当量模型列出系统矩阵，运用数学 方法可以得到系统扭振的模态参数。在整个研究的发展过程中，建模的复杂度 是不断提高的，最初只能对简单的三自由度模型进行计算和研究，而逐步转向 建立具有多个自由度并且和实际结构相一致的扭转振动研究模型。同时，激励 的方式也获得很大程度的发展，从早期的单个激励的简单工况演变成后来的具 有多个激励的复杂激励工况，这些发展都使得扭转振动的理论分析更加符合实 际情况。 t 扭转振动的研究对于安全生产的意义极为重大，伴随振动理论以及计算机 技术的不断发展使得人们不再仅仅依靠强度理论对结构进行设计和研究。人们 意识到越来越多的结构在外部激励和自身激励下发生振动运动。这些振动的产 生不仅仅广泛存在于高速旋转机械中，而且出现在人们的日常生活中，比如车 辆、船舶等交通运输工具的振动，机床的振动等等。对于动载荷较大或者频繁 发生振动的机构来说、传统的静力学设计方法无法达到设计要求，根据动力学 标准来进行设计成为了这类机构必须考虑的设计方法。其中，考察动态特征， 动态载荷往往是设计的主要方法。随着现代化工业的不断发展，越来越多的产 品逐步转向了更大、更快、更轻、更安全的设计理念，所以对机构的动态特性， 动态响应的要求越来越高，而振动研究的重要性也理所当然的凸显出来。作为 振动工程理论的一个重要分支，模态分析和实验研究为动态结构的振动研究以 及性能分析提供了非常强大的支持，特别是实验模态研究方法，由于它的可靠 - 性和准确性成为人们对产品进行评估的一个重要标准。而围绕模态分析结果而 产生的各种动态设汁方法更使模态分析成为结构设计中十分重要的一个重要环 节。在模态分析的发展过程中，计算机技术和有限元分析法为模态分析提供了 有力的支持，为模态分析的应用开创了更加广阔的空间。 模态分析的应用可分为以下四类。 1 、模态分析在结构性能评价中的直接应用 根据模态分析的结果，即模态频率、模态振型、模态阻尼等模态参数，对 7 武汉理工大学硕士学位论文 被测结构进行直接的动态性能评估。对一般结构，要求各阶模态频率远离工作 频率或工作频率不落在某阶模态的半功率带宽内；对结构振动贡献较大的振 型，应使其不影响结构正常工作为佳。这是模态分析的直接应用，已成为工程 界的基本方法。 2 、模态分析在结构动态设计中的应用 以模态分析为基础的结构动态设计，是近年来振动工程界开展的最广泛的 研究领域之一。众所周知，传统的结构设计，在考虑动态因素的结构修改时， 是以经验和反复实测为主要手段。虽然可以依据模态分析结果和响应实验容易 判断出初步结构的性能缺陷，但在结构修改问题上却往往茫然无所知，设计工 程师只能依据经验和现有条件进行反复修改和实测，有时甚至将原设计完全推 翻重新设计。这大大减缓了设计速度，设计质量也难以达到最优。为此，科技 工作者不断探索有依据的结构动态修改方法，以期达到优化设计的目的。有限 元法( f e m ) 为结构动态设计提供了两条最主要的途径。在围绕这两种基本方 法所开展的结构动态役汁设计研究工作中，人们提出了很多的方法。这些方法 可归为以下六类；载荷识别；灵敏度分析；物理参数修改；物理参数识别；再 分析；结构优化设计。它们分别从不同方面解决了结构动态设计中的部分问题， 某几种方法的组合可做到结构的优化设计。 3 、模态分析在故障诊断和状态监测中的应用 模态分析在故障诊断以及状态检测中有这十分广泛的运用，可以通过模态 分析得到的模态参数对机构的故障进行相应的检查，比如对于机械结构，可以 根据模态发生的变化来判断系统结构的变化从而分析出裂纹出现的具体位置， 根据转子支撑系统阻尼的改变来对转子的失稳进行预警，土木工程中依据模态 频率的变化分析水泥桩中是否有裂纹和缺陷等等。因而用模态分析的方法来对 故障进行分析是一种非常有效的方法。 模态分析还可以为分析噪声产生的机理及相应的解决措施提供有效的方 法。事实上，模态分析在实际生产中不仅仅运用在以上的三个方面，它被广泛 的运用在动力学研究以及相关设计的各个领域，人们正不断努力将模态分析的 应用扩大到更加广阔的领域。 8 武汉理工大学硕士学位论文 1 3 轴系扭振模态实验研究现状 轴系扭振特性的试验研究方法是当前最为有效并且最接近实际工况的研究 方法。其中路试法和转鼓试验台法是比较常用的方法，轴系扭振特性的路试法 是一种需要机械完全工作在实际工况下，印要利用负荷拖车给发动机加载，车 辆在路面上将档位固定，并在该档位下将车速增加到最大值，在此状态下已录 传动系中待研究轴段的扭矩情况，如果在某一速度下该待测轴的扭转振动信号 最为强烈，则该基频就为系统的固有频率。这种方法虽然有很多优点，比如它 的操作比较简单。同时实验方法最为接近实际工况，然而这种方法在没有负载 的情况下根难产生足够的扭振信号，从而无法被测量或者测量出来的信号极其 微弱。同时负载的不足还会使得共振现象难以产生。而另外一种方法是转鼓试 验台法，是在试验台上作扭转振动的特性研究，这种方法最大的优点是灵活性 很高，即可以准确方便的模拟出各种转速各种负载下的不同工况。虽然这样一 来不能做到和实际工况完全相同，但是可咀方便的测量出不同转速，不同档位 下的扭转振动响应。同时因为载荷和转速的灵活控制使得整个实验平台更加适 合识别系统的固有频率。当然这种方法也存在它的弊端，当试验台的固有频率 在传动系的一阶固有频率相差不大的时候，那么实验台的固有频率可能被误识 别为传动系统的固有频率，同时这种方法和实际工况的差别还是比路试法大。 目前绝大多数的扭转振动研究实验都是以包含传动轴的旋转试验台为研究对 象，用阻尼电机或者作用在轴上的有规律性的干扰力矩当做扭转振动的激振方 式，台架实验的研究核心在于系统扭转振动固有频率与外部激振频率之间的匹 配，并且引入很多调节手段将系统的振动降低到最小。 图i1 激励锤 武汉理工大学硕十学位论文 图12 自由振动模态实验 随着对高速旋转机械振动研究的深入，人们也越来越重视模奄的试验研究 方法。为了用试验的方法来研究高速旋转机械的模态问题并考察仿真程序的仿 真精度，较可行的方法是在试验台上来进行自由振动状态下的扭振模态试验。 上图表示的是一种典型的模态实验研究方法。该实验是将待测机构至于自 然状态下，用图1 1 中的激振锤对机构进行激振，在试验中采用了单点激励，多 点测量的方法：通过多个布置在机构上的位移传感器或加速度传感器测得各个 测点的响应，摄后对信号进行分析与处理来识别系统的周有频率和振型。目前， 国内的各大高校包括华北电力大学、华中科技大学、东南理工大学等院校在进 行这方面的研究工作。武汉理工大学高速旋转机械课题组在借鉴以上学校经验 的基础上，根据自己的实验要求以及科研目标建立了一个全新的试验平台，主 要针对高速旋转机械的在线故障诊断展开研究，本论文的许多工作就是以此平 台为基础进行模态实验的。由于国内扭振相关的模态试验研究才刚刚起步，处 于摸索阶段，所以有许多问题尚待解决，从试验台的建立、实际转予的模拟到 试验方案的确立等方面都需进一步的完善。 1 _ 3 1 扭转振动测量方法 测量扭转振动，可以通过测量旋转轴的角速度或者角位移，根据系统所使 用的传感器输出信号是模拟的和脉冲的，扭振传感器也可以分为模拟和脉冲两 种形式：模拟侍感器输出的多为电流或者电压信号，用以衡量系统角速度或者 角加速度的变化大小：另一种脉冲传感器则以脉冲信号的间隔米表示角位移的 变化。本文中使用的a t i2 0 0 0 系列传感器属于典型的模拟信号传感器。 按照传感器的使用方式可以将扭振测量方法分为接触式和非接触式两大 武汉理工大学硕士学位论文 类。对于接触式测量，使用时必须将其固定安装在轴上( 应变片或者加速度计 等) ，测量时传感器随着待测轴一同旋转，测量信号需要通过集流环或者无线发 送器传给接收装置；而非接触测量则需要利用轴上的分度装置，比如齿轮，键 槽来测量机械旋转过程中角速度的回转不均匀性。其中，非接触式测量的方法 对轴的结构要求比较高，同时不适合在空间狭小的环境使用；而接触式测量不 仅改变了轴的固有结构，而且测量信号的引出比较困难。下文中按照接触式测 量和非接触式测量的分类方法介绍几种广泛使用的扭振测量方法。 ( 1 ) 接触式测量 接触式测量方法是一种将传感器直接安装在待测轴上的测量方法，主要用 到的传感器有电阻应变计或压电加速度计等。由这些传感器测得的信号会通过 集流环或者通过无线信号收发器传到信号接收装置。最后由仪器分析处理得到 最终的扭转振动信号。接触式测量方法被广泛的用以扭转振动的测量：比较知 名的有丹麦的d i s a ，英国的6 3 1 8 测试系统等。 曲电阻应变式 比较常用的传感器有电阻应变片，这种方法可以方便的测量出轴系因为扭 振而产生的动态应力变化，从而用来验证轴系的扭转强度。如图1 3 所示： 集流环 图1 3 电阻应变片式测量方法 应变片直接黏贴在待测轴上，用于测量轴运转过程中因为扭转振动而产生 的剪应变。在使用过程中，一般都是将应变片如图中所示垂直交叉粘贴在轴上， 当轴发生扭转振动的时候，会在待测处产生微小的应变，从而粘贴在轴上的应 武汉理工大学硕士学位论文 变片的电阻值也会发生改变。而发生改变的信号通过集流环引出到信号接收器。 经过分析计算之后可以得到与应变相对应的扭转振动大小。这种方法的频率响 应范围很广并且具有非常好的灵敏度，然而这种方法只适合测量有足够空间布 置应变片的大型旋转机械，同时，应变片本身对于温度的变化非常敏感，在温 度变化复杂的工况下精度完全无法保证，最重要的是，对于高速旋转机械来说， 通过集流环引出信号的稳定性和准确性都无法满足高精度测量的要求，同时集 流环动静部件之间的持续磨损使得这种测量方式不适合长时间的在线状态检 测。这些局限性和不足都大大的影响了这种方法的应用。 b ) 压电加速度计法 另外一个比较常用的接触式测量方法就是压电加速度计测量方法。所用到 的传感器是压电加速度计，这种测量方法的关键是传感器的安装，其安装结构 以及方式都有严格的规定。如图1 4 所示，安装盘被安装在轴上和轴一起转动。 安装盘的安装要有足够的预紧力，以保证轴段发生扭转的时候安装盘也发生相 同的扭转振动。同时，在安装盘上对称安装有两个加速度计，加速度计距离轴 圆心的距离必须保持相等，同时两个加速度计的测量敏感方向为旋转轴截面的 切线方向。 这种测量方法的原理是利用安装盘和轴之间的刚性连接来完成的，当轴在 运行过程中发生扭转振动的时候，会使得与之连接的安装盘发生完全相同的扭 转振动，而对称布置的两个压电加速度计可以方便的测量出安装盘的扭转振动， 同时这样对称安装的方法可以消除横向振动的影响，并将待测的扭转角加速度 信号放大两倍，本文所采用的a t i 遥测扭转振动系统就是基于这个原理的，不 仅易于安装，同时能很好的消除其他形式振动的干扰。 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 被测转子 图1 4 压电加速度计结构 安装盘 接触式测量方法也存在自己的不足，比如必须在轴上安装传感器，从而改 变了轴的固有特性；另外由于扭转振动信号比较微弱，所以用接触式测量方法 很难提取出有用的信号，对于这种测量方法，信号的引出是最为关键的。这种 方法不需要分度装置，所以适用范围比非接触式测量要广泛。 ( 2 ) 信号传输 a ) 有线集流环引电器 集流环引电器的信号传输方式广泛应用在既有动态结构又有静态结构之间 的信号传输。动态部分和传感器的引出线相连并随轴旋转，而静态部分则是和 测量仪器相连，由于在待测轴旋转时，这两个部分存在相对运动，所以它们之 间要求有较好的减磨耐磨性和导电性。正因为此，这种方法有自身的局限性： 由于动态部分和静态部分之间的摩擦，产生的发热和伴随的磨损使得这种方法 无法用作长时间在线状态监测；同时，这种结构的动静部分之间接触电阻的不 稳定性，以及摩擦静电也会给这种信号传输方式带来一定的噪声，所以这种方 式会增加后期信号处理的难度。 b ) 无线电发讯 这种方法也称为遥测。输出信号由线材引至无线电发射器，信号被调制放 大后，通过天线发送出去，这些被发射出来的信号被固定安装的信号接收天线 接收，通过解调放大以及校正之后传送到信号采集卡和工控机。信号发生器的 1 3 武汉理工大学硕士学位论文 供电通过使用电池或感应式。因为收发天线间的距离决定着扭转振动信号的质 量，所以在使用之前一般要对测量设备进行标定。无线信号传输比有线的传输 方法更加易于使用，同时因为没有了动静接触处的摩擦和干扰，其精确度也更 高，可以满足连续长时间在线状态监测的要求，更加适合于高速旋转机械扭转 振动的测量环境和测量要求。 ( 3 ) 非接触式测量 a ) 脉冲时序法 脉冲时序法是一种典型的非接触测量方法，它的测量精度非常高，可以有 效的避免因为分度齿盘等元件的制造精度不足而导致的误差。脉冲时序法的原 理如图1 5 所示 仝 - 1 整形 因 仁二二卜 凶 e 图1 5 脉冲时序法测量原理 其中磁电式传感器正对齿轮安装，旋转机械转动时，每当一个齿形转过传 感器的时候，磁电式传感器就会感应出一个与之对应的信号，而将这些信号经 过整形后就可以得到一个个规则的方波信号，之后，这些脉冲信号会被引入单 片机中的高速输入部件，这种方法的核心是利用单片机的测周法来测量单个脉 冲波的时间，也就是说，利用单片机本身