轴类零件扭转振动测试方法研究

毕业设计论文轴类零件扭转振动测试方法研究学生姓名学号学部（系）机械与电气工程学部专业年级09级机械设计制造及其自动化指导教师职称或学位教授2013年5月27日目录摘要3关键词3ABSTRACT4KEYWORDS41绪论511课题概述5111课题背景5112研究目的及意义512轴类扭振测量技术的发展现状6121轴类扭振测量技术国外研究现状6122轴类扭振测量技术国内研究现状713扭振测试仪器的发展现状714论文主要内容及结构安排92轴类扭振测量方法分析1021接触测量法1022非接触测量法1223调制解调法1424本章小结143模态分析基本理论1531理论模态分析基本理论15311背景概述15312模态理论分析1532试验模态分析基本理论16321背景概述16322模态激振方法17323模态分析系统1833试验模态分析步骤1934本章小结194扭转振动试验模态分析2041试验方案20411试件的设计思想20412基于MSCNASTRAN转轴模态仿真分析22413仿真分析结果2242模态试验系统2343模态试验过程2443试验结果与分析2844本章小结295总结与展望3051全文总结3052工作展望30参考文献31致谢33轴类零件扭转振动测试方法研究摘要扭转振动问题普遍存在于各种旋转机械中。对于大型旋转机械，扭振的破坏性很强，不仅影响机械运行的平稳性，而且极易引起机械的结构松散和疲劳断裂，甚至造成严重的安全事故。随着机械的大型化、高速化发展，轴类结构越来越复杂，使得扭振问题愈发突出。但是到目前为止，扭振测试技术还不是很成熟，传统的扭振测量仪器大多存在结构复杂、分析功能有限、价格比较昂贵等问题，导致扭振测试精度及测试效率受到限制，因此需要利用现有的成熟技术开发新型扭振测试系统。为检测轴类零件扭振时的动态性能,本文采用有限元分析和模态试验相结合的方法对轴类进行振动研究。首先利用MSCNASTRAN软件对被测轴进行模态仿真分析,求解得出前2阶固有扭振频率和相应的主振型；然后选用锤击激励法对被测轴进行模态试验,将试验测试结果和理论分析结果进行对比分析,验证该测试方法的可靠性。对误差原因进行分析研究,为轴类零件的进一步动力学研究及其优化设计提供了重要依据。本文的研究结果具有较大的工程实际意义，对于实际轴系的扭振检测和研究具有一定的参考价值,为今后测试和研究大型旋转机械轴类的扭振特性及实现扭振故障诊断、抑制与消除等提供理论与技术支持。关键词主轴；扭振测试；模态分析；锤击法STUDYONTHETORSIONALVIBRATIONTESTOFSHAFTPARTSABSTRACTTORSIONALVIBRATIONPROBLEMSCOMMONLYAREFOUNDINVARIOUSROTATINGMACHINERYITISHIGHLYDESTRUCTIVEESPECIALLYFORLARGEROTATINGMACHINERY,ITCOULDNOTONLYAFFECTMACHINESRUNNINGSTABILITY,BUTALSOEASILYCAUSEFATIGUEFRACTUREANDSTRUCTURELOOSEANDEVENSERIOUSPRODUCTIONACCIDENTSWITHTHEDEVELOPMENTOFMAXIMIZATIONANDHISPEEDOPERATIONOFTHEROTATINGMACHINERY,UNITSHAFTSYSTEMBECOMESMOREANDMORECOMPLEX,MAKINGTORSIONALVIBRATIONPROBLEMSBECOMEINCREASINGLYPROMINENTHOWEVER,UPTONOW,TORSIONALVIBRATIONMEASUREMENTTECHNOLOGYISSTILLIMMATURE,THEREAREPROBLEMSINMOSTOFTHEMEASURINGINSTRUMENTSINPRACTICALAPPLICATIONATPRESENT,SUCHASCOMPLEXSTRUCTURES,LIMITEDANALYSISCAPABILITIES,HIGHERREQUIREFORTESTCONDITIONS,ETC,RESULTTHATITSDIFFICULTTOIMPROVETHETESTACCURACYANDTESTEFFICIENCY,ANDTHUSTOAPPLYTHEEXISTINGMATURETECHNOLOGYTODEVELOPNEWTYPEOFTORSIONALVIBRATIONTESTSYSTEMISNECESSARYFORTHEDYNAMICPERFORMANCETESTOFSHAFTPARTSTORSIONALVIBRATION,THISPAPERADOPTEDFINITEELEMENTMETHODANDTHEEXPERIMENTALSTUDYONTHESPINDLEVIBRATIONMSCNASTRANMODALANALYSISWASCARRIEDOUTONTHEMODALSIMULATIONANALYSISOFTHEMEASUREDSHAFT,THENTHEFIRSTTWOORDERNATURALVIBRATIONFREQUENCYANDTHECORRESPONDINGMAINVIBRATIONMODEAREESTABLISHEDHAMMERINGMETHODISUSEDTOANALYSISTHEDYNAMICRESPONSEOFSPINDLE,THROUGHCOMPARATIVEANALYSISOFTESTDATAANDFEMRESULTS,VERIFYTHERATIONALITYOFFINITEELEMENTMODEL,ANDDISCUSSTHECAUSEOFTHEERROR,WHICHPROVIDESANIMPORTANTBASISFORFURTHERRESEARCHANDOPTIMIZATIONOFDYNAMICDESIGNFORSHAFTPARTSTHERESULTOFTHISRESEARCHISPROVIDEDWITHGREATSIGNALITYOFPRACTICALENGINEERINGPROVIDINGTHETHEORETICALANDTECHNICALSUPPORTFORTESTINGANDSTUDYINGTORSIONALVIBRATIONOFLARGEROTARYMACHINEANDACHIEVINGTORSIONALVIBRATIONONLINEMONITORING,FAULTDIAGNOSISANDSOONKEYWORDSSHAFTTORSIONALVIBRATIONTESTMODALANALYSISHAMMERINGMETHOD1绪论11课题概述111课题背景旋转机械在工业生产和制造领域中的使用已经很普遍了，轴类是其核心部件，被广泛应用于工程车柴油机、船舶推进装置、汽轮发电机组中，在电力、航海、航空、机械化工等领域中起着十分重要的作用。轴类是一个结构复杂的弹性连续体，具有无穷多阶扭振固有频率，很容易受到交变扭振作用而产生扭振，因此轴类的扭振问题不容忽视。首先，随着机械向大型化、轻量化（相对刚度变小）的方向发展，其轴类部件的柔度不断加大，使固有频率呈下降的趋势。柔性激励因素引发轴类自激振动，如汽轮机的蒸汽激励、内燃机的进排气波动、直升飞机的螺旋桨空气扰动、大型鼓风机的空气扰动等因素容易激励转子系统，从而导致扭振的产生。其次，旋转机械的转子结构（如航空发动机的转子系统，化工机械中的进动式旋转机械，纺织机械中的高速纱锭等）越来越复杂。举发电机组转子轴类来说，随着电力系统结构的复杂化，以及为确保电力系统稳定运行所采取的相应措施都会对转子轴类产生相应的力矩，诱发各种形式的扭振，甚至引发共振。最后，机械转子轴类常常工作在高速状态下，并且是汽轮机、涡轮压缩机、风机和泵等重要设备的核心部件，它们的运行状况好坏非常关键，一旦转子轴类发生故障，将会造成巨大的经济损失甚至是灾难性的后果。据调查，在很多大型低速回转机械的故障中，最主要形式之一是主传动轴的损坏，它破坏性非常大，而扭转振动又是引起主轴损坏的主要因素之一。扭振产生的扭转应力使轴类各断面受到交变的剪切应力,导致轴类材料的疲劳积累,轻则引起较大的噪声并加速零件的磨损,从而缩短其工作寿命。重则形成裂纹、切口,并逐渐扩散,导致轴类的断裂和崩溃,其后果往往是毁灭性的恶性事故,损失极为惨重1如1972年日本海南电厂的一台66万千瓦汽轮发电机组，在试车过程中因为发生异常振动而导致全机损坏，长达51米的主轴断裂飞散，联轴节及汽轮机叶片飞散在百米之外；1986年4月前苏联切尔若贝利核电站四号机组发生发生严重振动而造成核泄漏，导致2000多人死亡，直接经济损失达30亿美元2。类似的灾难性的故障，给各国在如何测量大型机械转子轴类的扭振及故障诊断等方面，提出了一个严峻的课题。因此，本课题以此为背景，对转子轴类扭转振动机理进行深入分析研究,寻求新的扭振测试方法,以克服传统测量方法的固有弊端，具有极其重大的理论和实践意义。112研究目的及意义机械振动是指机械或机构在它的静平衡位置附近往复弹性运动的过程。扭转振动,是其基本的振动形式之一3。大多数轴类都用来传递扭矩,外加负载或者驱动力矩的变化会引起轴的扭振,扭振产生的根本原因是轴自身并非绝对刚体，而存在弹性。因而在以平均速度旋转的过程中，轴的各弹性部分间会由于各种原因而产生不同大小和不同相位的瞬时速度波动，并导致转轴沿旋转方向来回扭动，形成扭振。但是与测量横向振动相比,测量扭振要困难的多，一方面，扭振振动表现形式不明显，使得扭振造成的疲劳破坏具有较大的隐晦性；另一方面，扭振信号信噪比很差,加上横纵向振动的干扰,使扭振信号的采集和分析处理比较困难。目前随着机械的大型化和高速化，生产设备的精度、安全性要求，扭振问题也日趋突出，成为影响机械设备性能和寿命的重要因素。截至目前，测量技术还不是很成熟，信号采集与分析的改进、在线监测系统的改善。特别是在适应复杂环境、提高测量精度等方面，还有待深入研究4。同时，扭振测试也是各种机械产品的开发研究、质量检验、安全和优化装置等工作中必不可少的内容。此外，扭振测试可用于检验加工、装配过程中，各工序、各部件是否存在缺陷和错误。而通过大量扭振测试，还可以积累经验数据，使原有的理论不断完善，进而指导新的设计。最后，扭振测量结果为轴类状态分析和故障诊断提供可靠的信息。扭振测试获得的信号中，包含了丰富的转轴工作的状态信息，通过这些状态信息，研究人员可以判断转轴的工作状态是否正常，是否存在故障和其它问题，深入了解故障的机理，为故障的预防、诊断和排除提供可靠信息。由此可见，通过对轴类扭振固有特性的研究，可以在设计阶段预知轴类的扭振特性，从而及时修改结构或者对结构进行优化设计，避免共振现象的发生；即使轴类出现故障时，也可尽快的发现事故原因，并及时处理由于振动造成的故障，防止灾害事故发生，这对旋转机械故障监测与诊断具有非常重要的意义。12轴类扭振测量技术的发展现状121轴类扭振测量技术国外研究现状从国外文献来看，有些系统在特定的发动机转速下会出现过度扭转振动现象，1965年DRAMINSKY5首次对此现象进行了研究。1987年HESTERMANNANDSTONE6等人开发了瞬态和稳态响应叠加模态技术，并将之用于预测内燃机的扭转振动特性。从国外扭振测试产品角度来讲，世界上第台扭振测量仪盖革尔扭振测量仪7，是1916年德国人发明的。它模仿惯性式速度传感器,设计巧妙，从信号获取到记录全部采用机械结构,实现了绝对测量,但是安装麻烦，测试困难，数据精度低，易磨损。到1968年后，美国等发达国家开始对发电机组转子轴类的扭振进行理论研究和实验探索。通过对发电机组扭振固有频率的理论计算和实际测试，从而评估轴类的疲劳寿命，并开发了一系列的扭振监测仪器，但此类仪器测试设备繁多且结构复杂，不适合在工业中推广应用。20世纪70年代后，国外相继研发出了一批电子扭振仪，如美国本特利8公司生产的TVSC型，英国AEDL公司生产的TV型，日本公司生产的DP840型。到20世纪90年代后，数字式扭振测量仪开始问世，如比利时西门子公司的QTV扭振测量模块。此类仪器充分利用计算机的软硬件资源，并且可以保证扭振和其它振动及声学测量通道即时、同步地采集数据。此外，它有良好的精度，测量设置的操作十分容易，但此类仪器硬件较多，对数据采集卡的要求高，价格昂贵，所以应用不广910。122轴类扭振测量技术国内研究现状从国内发表的文献可知,1981年陈之炎11对内燃机轴类扭转振动进行了初步的研究，进行了相关实验，并对测试数据作了较为详尽的分析，指出了传统分析方法的利弊，为后续的研究奠定了基础。1997年，张建勋、罗德扬12利用希尔伯特变换技术对扭振信号进行幅、相解调，将其用于扭转振动的检测和分析。由于整个解调过程是数字化的因而具有精度高、应用范围广、适应性强等一系列传统模拟方法所不可比拟的优点,并摒弃了复杂、昂贵而精度有限的扭振传感器2003年太原理工大学机电所的熊晓燕13提出了一种高分辨率扭振测量方法及信号的相应调制解调方式该方法简单可靠,精度较高，而且在实际应用中比较方便。2008年杨建国、胡旭钢14依据扭转振动的测量原理，在深入研究扭振信号处理方法的基础上，利用虚拟仪器技术开发出了基于LABVIEW扭振测量虚拟仪器。并选择柴油机为试验对象，通过对比西门子公司的QTV扭振测量结果，验证了测量仪的计算精度，测量误差可满足工程扭振测量的要求，不但减少了硬件设备，而且测量成本也大大降低。2009年清华大学的张敏杰、郭丹15设计了一种基于电磁感应效应的转子扭振振动测量及相应的信号提取方法。该方法对硬件性能要求不高，利用信号的幅值提取扭振，算法简单。而且能更好的消除轴向振动和部分横向振动。具有精确性良好，安装简单，操作方便的特点。从扭振测试产品角度来讲，国内也有一些厂家研发和生产测试扭振的产品。国内的有上海生产的成套DTV88型、东南大学研制出的NZT型以及清华大学研制的DKIIA型等。此类监测装置结构简单、安装方便，可实现数据采集、存储、运算、处理、分析、输出等功能，但要求被测轴上安装有严格的等分机构，且其准确精度直接受到测量基准的影响。13扭振测试仪器的发展现状随着科学技术的发展和对转轴扭振机理的深入研究,扭振测量仪器的发展大致经历了11617机械式、模拟电路式、数字电路式等发展阶段。这些仪器满足了不同时期生产的要求,保障了社会生产的正常运行，为此后高级的扭振测试仪器的研发奠定了基础。虽然都是扭振测试仪，但是不同阶段的扭振装置有着不同的形式和特点。1机械式扭振仪机械式扭振仪以盖格尔扭振仪（世界上第台扭振测量仪）为代表，是最早测量扭振的设备。它模仿惯性式速度传感器测量原理,设计十分巧妙,可实现绝对测量,从信号获取到记录全部采用机械结构。测量时,用皮带将被测轴与扭振仪的皮带轮相联,使扭振传递到头架上,飞轮以头架的平均角速度旋转,皮带轮以头架的瞬态角速度旋转,二者之间用蝶形弹簧联接,它们之间的相对角位移用杠杆测量并放大后去推动记录笔。此类扭振仪测试原理简单，使用方便。但也因轴的扭振是通过皮带传递的,皮带的弹性振动会引起失真，所以测试精度不高。此外，机械式测量记录系统,响应带宽非十分有限。由于蝶形弹簧软度的限制,频率很低的扭振不能测量,高转速、高频率扭振信号测试的要求也无法满足。所以应用不广现在只用于中、低速柴油机的扭振测试中。2模拟式扭振仪模拟式扭振仪根据传感器和被测转轴接触与否,分为接触式测量和非接触式测量两种接触式扭振仪，如丹麦的DISA、英国的G318、上海内燃机所的SZN1型电感调频式电子扭振仪等，是将传感器应变计,压电式加速度计等安装在被测轴上,获取信号后通过集流环或者无线电发讯方式传给仪器。模拟式扭振仪如英国AE公司生产的TVI5型、美国本特利公司的扭振仪等一般采用的是测齿法原理，通过测量角速度的变化量而达到测量扭振的目的。由于模拟扭振仪采用模拟电路对信号进行传输、存储和分析处理,所以抗干扰能力差,对低频、低扭角（01）测试困难，现已很少使用。3数字式扭振仪此类扭振仪器无论在测量精度和抗干扰能力上都比模拟电路式扭振仪有显著的进步。它又可分为大型扭振监测设备和经济型扭振监测设备两类。第一类为大型扭振监测系统,包括TSA扭应力分析系统和TVMS扭振监测系统。它的特点是整合与扭振有关的多种信号,如汽轮机电压、电流、功率、转速偏差信号等,然后通过复杂的计算程序或电子摸拟线路,进行转轴受力计算,获得有关截面的扭角、振幅、应力等扭振特性，再配以大容量的数据档案存储系统,和远程计算机,就构建了一个大范围的扭振信息综合监测系统。如美国GE公司和电力研究所所研制的TMS、德国KWU公司开发的TSA等。此类系统可同时对若干发电厂内若干机组的扭振情况进行监测，并计算轴类疲劳寿命消耗，同时可实现远程诊断功能，性价比较高，但这类扭振监测设备实验配件多且价格昂贵，不适合中国企业的实际。第二类为经济型扭振监测设备，它主要用于监测扭振位移,并以此作为测试机组固有频率、扭振致因和扭振阻尼的理论依据。这种类型的扭振装置的测量原理也可归结为测齿法。如上海生产的成套DTV88型、东南大学研制出的NZT型以及清华大学研制的DKIIA型等扭振测量仪都属于这种类型。此类装置结构简单、安装方便,使用16位单片机即可完成包括数据采集、储存、运算处理、实时谱分析、数字显示、输出等功能。但测量精度不是很高，难以满足高精度的测量要求。4激光扭振仪基于多普勒效应的激光扭振测量仪是近几年国外研制成功的。这类扭振测量仪主要由光学感应头、信号处理和信号分析三大部分组成，其原理是当激光束照射到轴的表面时,该表面的线速度就会使散射光产生多普勒频移,频移量的瞬间值即表征了轴的瞬时角速度,分离出其中的直流分量,即可得到轴的扭振信号。这类测量法的优点是不需专门建立测量基准,测点容易设置,可实现扭振的绝对测量,但不足之处在于受到转轴的横向振动及其截面的圆度误差的直接影响,测量精度很难提高，而且测试设备复杂昂贵,难于大范围推广使用。总之,和国外先进技术相比,无论是在转轴扭振机理的研究方面，还是在测扭仪的研发上,国内还存在不小的差距。因此在较短的时间里，如何缩短和先进国家的差距，尽快的开发和完善我国新型的扭转振动测试仪器,以促进国民经济的发展,是机械状态监测和故障诊断领域的一项迫切任务。14论文主要内容及结构安排本文的主要任务是根据现有的扭振测试技术和测试方法，研制与建立扭转振动的测试方法，并搭建实验台进行模态实验，采用压电加速度计对被测轴进行扭振测试，并将测试数据与理论数据进行比较，验证该测试方法的可靠性。论文结构安排如下第一章绪论。首先介绍了课题研究背景和研究目的及意义，接着介绍了轴类扭振测量技术国内外研究现状，最后分析了扭振测试仪器的发展现状。第二章轴类扭振测量方法分析。详细阐述了目前使用的轴类扭振的接触测量法、非接触测量法以及调制解调分析法，并比较它们之间的异同。第三章模态分析的基本理论。简要介绍了理论模态分析、试验模态分析基本理论和模态激振方法。然后阐述了试验模态分析系统的组成和试验模态分析步骤，为后续实验系统的建立和试验方案的制定奠定了理论基础。第四章被测轴扭振实验研究。简要介绍了有限元分析步骤，并应用MSCNASTRAN软件对实测轴进行仿真分析，得到理论计算结果。利用自己设计的扭振测试装置和比利时的LMSTESTLAB模态试验测试与分析系统，进行模态实验，并将测试数据与理论数据进行比较，得出结论。第五章结论与展望。对所做的工作进行总结并对今后的深入研究工作提出展望。2轴类扭振测量方法分析测量扭振就是要测取旋转轴由交变角速度变化引起的角速度变化量或测点处的扭角及频率变化规律。一般来说，现有的测量扭振的方法主要有两大类接触测量和非接触测量16。前者是将传感器（应变片,加速度计）等安装在被测轴上,测量信号通过集流环抑或无线电发讯方式送至记录或分析仪器。后者采用“测齿法”,即利用轴上的等分结构（如码盘、齿轮等）测量角速度的波动量而达到测量扭振目的。21接触测量法接触测量法是将传感器安装在转子上利用传感器直接感受转子的扭转信号，再通过无线电发送方式传到接收端，经过分析获得扭转振动的特征。其典型的应用是把应变片贴在轴上或在轴上沿轴截面切向安装压电式加速度计。以应变片为例，其测量装置如图21所示，将应变片互成90粘贴在待侧轴上，并连接成电桥。当扭振发生时，应变片作为敏感元件,来测量剪应变,剪应变随时间的变化情况就反映了被测件的扭振信息。图21应变片测量法应变片测量法具有较宽的频响范围和较高的灵敏度，但也存在不足之处首先是需要在待测轴上安装传感器和信号传输装置,但是常常受到安装位置限制，不得不破坏被测轴的固有结构。其次是在较高速度条件下工作时，测试精度难以保证，而且传感器的维护以及信号传输比较困难。特别对于一些大型高速旋转机械，转轴表面线速度很非常高，若长时间工作，大部分传感器将会失效，测量误差也会增加，同时电滑环的引出信号不稳定也会影响测量精度。再次是应变片的布置要能消除轴的横向振动的干扰,并能实现温度影响的自动补偿。但在实际测量过程中，由于机械结构较为复杂，相应的处理电路搭建并不容易实现。此外，也可用压电式加速度计进行测量。其测量简图如下图22所示,在被测轴上安装一个与之同速旋转的安装盘，在安装盘上对称布置两个完全相同的加速度计，并保持转轴截面的切线方向和加速度计的敏感方向一致，且二者到转轴的中心的距离相等。图22加速度计测量法当扭振发生时，安装在轴上的同速旋转的盘也将产生同步的振动。扭振信号可以看做是不同频率和幅值的简谐分量的叠加，因此被测角位移为SINRKKKTTAT21式中KA幅值；角频率；K初始相位；一对加速度计对称安装，在切向方向的扭振信号相同，但在径向方向，由弯曲振动引起的测量误差恰好大小相等，方向相反。设IY为第I个频率分量的弯曲振动对扭振产生的瞬态值,则传感器1测得的角位移为1SINRIKKTAT22而传感器2所测得角位移为2SIRIKKTTY23将式（21）和式（22）相加可得到总的扭振信号12SINRKKTTAT24从式（24）可以看出，采用对称安装传感器的方法，不但可以实现弯、扭解藕测量，而且使输出信号幅值扩大两倍，因此测量精度大大提高。对于上述两种方式，信号的传输问题是一个共同的难点电荷信号微弱，不易传输，如何准确地从被测轴上提取出传感器的输出信号,是测量的关键。总之，接触测量法都需要在轴上安装传感器等测量装置,常常受到旋转轴类结构和工作环境的限制，特别是一些回转设备（如大型的汽轮机组）不允许停车安装传感器，给实时监测扭振带来了困难，此时非接触测量法就显示出它的优越性。22非接触测量法非接触测量包括测齿法，激光测量法。其中测齿法用的最广泛，分为相位差法、频率计数法，脉冲时序计数法。它借助于安装在被测转轴上的齿轮、码盘或均匀分布的黑白反光带，利用光电式或磁电式传感器感应出脉冲序列。脉冲序列的幅值和相位都可能携带轴的扭振信息,通过相应后续处理即可提取出扭振信息。对于测齿法，其测量精度受轴上等分结构的分度误差影响较大。误差很大时，测试信号就会严重失真，因而必须对收集到的数据进行分度误差补偿，才能获得真实的扭振信号。脉冲计数法可以减小上述误差的影响，使测量精度提高。其测量装置如图23所示图23脉冲计数法在待测轴的一端安装或利用现成的等分齿盘，在轴的另一端选定一个突齿或凹槽作为鉴相点，将电涡流式传感器安装在齿盘和鉴相点旁，就可感应出脉冲时序信号。设定一个计数器，由脉冲触发启动，记录齿盘脉冲计数值。当转轴平稳转动时，计数值正常记录齿盘的分度信息；当扭振发生时，因瞬时转速不同，计数值发生改变，其差值大小反映了瞬时角速度的变化程度，此时平均角速度与扭振角速度的叠加即为转轴角速度COSRKKAT（25）采样多组脉冲信号，并对其做相应的信号处理，就可提取轴的扭振角速度信息。采用侧齿法测量扭振时，一般来说信号的解调方法不同。这取决于使用传感器,若用电涡流式传感器,则扭振信息存在于脉冲的相位中,利用调频法经鉴相器解调后得到扭振信号；若用电磁感应式速度传感器,则扭振信息存在于信号的幅值和相位信息中，利用调幅法即可得到扭振信号。然而,二者都有局限性，前者假定等分机构的间距严格等分,不存在分度误差；后者假定轮齿不存在齿廓误差,而这两项误差是影响测量精度的主要因素，实际测量中是无法消除的，故要提高测量精度,需要改进和发展上述方法。数字式脉冲相位解调法18能消除上述两项主要误差,是一种很好的改进措施。测齿法在测量过程中不会干扰轴的正常运行，适合长期监测，因此在实际中应用较为广泛。但侧齿法要求轴上安装有专有的等分结构，故对于无法安装齿盘且自身不带有等分结构的轴类就无法应用测齿法进行测量。激光测量法是一种利用多普勒效应测量扭振的方法，其测量原理如图24所示在系统中,激光的波长为63218NM。图24测试系统光路图激光经分光镜分成强度相等的两束光,其中的透射光束2直接到达被测轴表面B点,反射光束经反射镜、平面镜成为与透射光2完全平行光束1,并到达被测表面A点这两束平行光分别在A,B两点被散射,其中一部分散射光沿原路返回,成为图中虚线表示的后向散射光束1和2,两束光再经过透镜处理，由光电探测仪进行接收。根据多普勒频移原理,两束光在A,B两点发生的频移值分别为/2AXAVF26BB27式中,AXV,B分别为转轴A,B两点的线速度在X方向的分量,1COSAXR,2COSXR,为角速度,“,”号取决于转轴的转向,为激光波长,X为转轴在X方向的平动分量,为两平行光束平面与转轴横截面的夹角,1,2为旋转轴A,B两点速度矢量与水平方向的夹角,1R,2为旋转轴A,B两点的半径。D为两平行光束之间的距离,由图可知1DCOSS是一个常量。差频F为ABFF21/CSOSCROD/（28）测试系统光路图24中的旋转轴不仅存在转动,而且还存在平动。由式28可以看出,差频F仅仅与旋转角速度成正比,与轴的平动分量和横截面形状均无关。所以,实现了旋转轴转动、平动的分离,且测量的结果不受激光光斑在轴截面轮廓上位置的影响,这是其他扭转测量系统无法比拟的一个优势。但这种测试设备价格昂贵、对环境要求苛刻。而且激光扭振仪只能完成单通道的测量，要进行多通道的测量时必须同时使用多套仪器，成本将成倍增加，实际工程测量中几乎不大可能使用。总的来说，非接触测量法不需要在轴上安装特殊装置,而是利用轴上已有的等分结构,测量准备工作较少,测量过程也不干扰轴的正常运转。它适合扭振的长期监测之用,将成为大型旋转机械扭振测量和监测的主要方法。但是也存在一些不足，轴上已有的等分齿形结构一般齿数较少,轴转动一周得到的脉冲数也较少,不能测到小幅度的扭振。23调制解调法调制解调法可以说是间接测量法的一种。当实际的工作环境或是测试现场无法安装传感器时，采用一种间接的测量方法来获取扭振信息就很有必要了。只要测得与扭振相关的物理量，再用调制解调分析方法即可获取所需要的扭振信息。尤其在故障诊断中，解调分析技术比其实验检测技术更有优越性，实现方法更简单，更准确1982年RNADALLRB使用高通绝对值分析解调方法成功解决了齿轮调制性故障的诊断问题；此后CHENYANGBO和FENGQING研究了基于经验模态分解的希尔伯特变换，即先通过经验模态把一列时间序列数据分解，然后经过希尔伯特变换获得频谱信号的处理方法。到1997年张建勋、罗德扬利用希尔伯特变换技术对扭振信号进行幅、相解调，将其用于扭转振动的检测和分析，将测试信号变为解析信号,而后将其幅值和相位调制分量分解出来1921。近年来，希尔伯特变换HTF技术常常被用在信号分析中，它是将一个一维时域函数转换为对应的一个二维时域解析函数。在特定条件下，这个解析函数的相角和模就代表了原时间函数的相位特性及包络特性，即实现了对信号的幅值和相位解调。与传统模拟方法相比，此方法具有精度高、适应性强、应用范围广等一系列无可比拟的优势,适用于有高精度要求的扭振测试中。24本章小结无论是接触式测量法还是非接触式测量法或者调制解调法，都有其适用的场合，各自的优缺点也比较鲜明。本章详细介绍了现有的四种不同的测量方法，并一一分析了它们的特点及应用场合，为下文进行模态试验及试验分析提供了理论依据。3模态分析基本理论模态分析是研究结构动力特性一种近代方法，是系统辨别方法在工程振动领域中的应用。模态是机械结构的固有振动特性，每一个模态具有特定的固有频率、阻尼比和模态振型。这些模态参数可以由计算或试验分析取得，这样一个计算或试验分析过程称为模态分析。这个分析过程如果是由有限元计算的方法取得的，则称为计算模态理论模态分析；如果通过试验将采集的系统输入与输出信号经过参数识别获得模态参数，称为试验模态分析。通常，模态分析都是指试验模态分析。31理论模态分析基本理论311背景概述模态分析的基础是在机械阻抗和导纳的概念上发展起来的。近十余年来，随着振动理论、信号分析、数据处理和统计及自动控制理论的日益成熟,模态分析理论吸收其中的有关营养，结合自身内容，逐渐形成了一套独特的理论，对模态分析和参数识别的发展提供了理论依据。控制理论中的传递函数概念的引入，极大地推动了模态分析理论的发展。传递函数是系统在频域中识别模态参数的重要依据，反映系统输入与输出之间的关系。因此，分析传递函数的特性，并建立它与模态参数之间的关系，是模态分析理论中的重要内容。振动模态分析22，就是利用系统固有模态的正交性，以系统的各阶模态向量所组成的模态矩阵作为变换矩阵，对选取的物理坐标进行线性变换，使得振动系统以物理坐标和物理参数所描述的、相互耦合的运动方程组能够变成一组彼此独立的模态方程。因为坐标变换是线性变换，所以模态分析又可看做是模态叠加。而各阶模态的响应则决定了各阶模态在叠加中所占的比重。实际的工程结构均可看做是为有阻尼的多自由度系统。对多自由系统而言，不仅分析的复杂性增加了，而是还具有单自由度系统所没有的特性。实际结构的阻尼特性是十分复杂的。然而截至目前，还没有一种完备而有效的阻尼模型，能够比较真实且准确地反映实际结构的阻尼特性。现有的各种阻尼模型都是根据经验假设提出来的。即便如此，我们依然利用已有的阻尼模型分析问题。本文所使用的试验模态分析方法，即通过对机构的振动测试来获得机构的振动数据，并以之建立数学模型，进而识别模态参数，建立以模态参数表示的运动方程这样一个过程。在实际结构振动时，由于阻尼的分散性，各点的振动除了振幅不同外，振动相位也相异。这就使系统的特征频率及特征向量成为复数，从而形成所谓的“复模态”。复模态的性质与实模态不同,后者是前者的一个特例。因此在实际工程结构的结构中，复模态比实模态更具有一般性。312模态理论分析在结构动力学问题中结构固有频率和固有振型是动力学问题分析的基础。在无阻尼自由振动的情况下,结构的固有频率和振型可转化为特征值和特征向量的问题。要研究转轴的动态特性，首先要建立该系统的运动微分方程。一般地，多自由度的动力学的通用方程为（31MUTCTKUTFT式中M质量矩阵；C阻尼矩阵；K刚度矩阵；对于模态分析，FT0,C一般忽略，则上式变为如下形式（32）0UTKT由于弹性体的自由振动可分解为一系列简谐振动振动的叠加，即位移为正弦函数，故可令其解为（33）SINUT将式（33）代入式（32）得到特征方程（34）20KM上式为经典的特征值问题，此方程的根为2I，即特征值，I的范围从1到自由度的数目，相应的特征向量（振型）为I。从式（34）解得IK（35）其开方I为结构的自然固有频率。32试验模态分析基本理论321背景概述模态实验分析也就是模态分析的试验过程，是终合运用线性振动理论、动态测试技术、数字信号处理和参数识别方法等手段进行系统识别的过程。实验模态分析的目的是对已知结构或系统进行识别与评价，了解结构或系统的动态特性及所存在的问题，为验证和修改结构动力学的分析模型提供实验依据。我们常常把振动系统的各阶固有频率、振型，模态质量、刚度和阻尼等作为表征模态的特征参数，并把系统各阶模态参数的求取作为模态分析的主首要任务。但结构的动态特性主要由少数的前几阶模态决定，而且阶数越低影响越显著，所以模态试验时一般只需识别前几阶模态即可。因此，对现有结构进行实验模态分析是十分必要的。结构动力学逆问题的一个主要方面是对结构的动态力学性能进行研究。通过对实测结构的输入和输出来确定系统的动态特性，从而建立系统的分析模型。其内容分为系统识别和参数识别两大类。按系统输入输出个数分类，参数识别可分为单输入/单输出（SISO）、单输入/多输出（SIMO、多输入/多输出（MIMO,此类方法主要是利用结构质量较轻的构件。对一些超大型结构件，常常采用另一种实验方法，也就说通常所说的工作模态分析方法（OMA），这是一种不需要激励信号的模态试验方法23。模态分析是一门综合性技术，广泛应用与各个工程结构和各种工程部门。如航空、机械、交通运输等领域。归结起来主要有以下几个方面（1）获得结构的固有频率，避免共振现象的发生当外界激励力的频率等于振动系统的固有频率时，系统发生共振现象，使系统最大限度地从外界吸收能量，导致结构松散，甚至是严重毁坏。工程设计人员可利用模态分析结果，设法使机械结构工作在固有频率范围内，避免发生共振。（2）进行结构的优化设计建立有限元模型时，在边界条件的处理和力学模型的简化上，往往与实际结构相差较大，用模态分析的参数对有限元模型进行修改，使其更能符合实际，提高有限元分析的精度。（3）应用模态叠加法求结构响应，确定动强度和疲劳寿命任何线性结构在已知外部激励作用下的响应是可以通过每个模态的响应叠加而成的。所以模态分析可以应用于建立结构动态响应的预测模型，为结构的动强度设计及疲劳寿命的估计服务。（4）控制结构的辐射噪声结构噪声是由于结构振动引起的。结构振动时，各阶模态对噪声的“贡献”各不相同，对其贡献较大的几阶模态成为“优势模态”。抑制或调整优势模态便可降低噪声。（5）识别结构系统的载荷。某些结构在工作时所承受的载荷很难测量，此时可通过实测响应和由模态分析所得到的模态参数来加以识别。此方法在航空、航海及核工程中应用较广24。322模态激振方法实验模态分析的激振方法常用的有三种正弦激振、随机激振和瞬态激振。正弦激振属于单频激振，使用历史长，技术成熟，测试精度高，但测试速度低，激振设备复杂。随机激振属于宽屏激振技术范畴，它又分为纯随机激励和伪随机激励，此类设备比较复杂，测试时间很长，但可以用总体平均的方法消除非线性因素的影响。由于随机激振在很宽的频率范围内不会引起共振响应，所以可以在机器工作时进行测试而不影响它的正常运行和对它的控制。本实验采用瞬态激励法。它又可分为锤击法、阶跃法和快速正弦扫描法三种。锤击法使用带力传感器的力锤对结构施加力，由装在结构上传感器测量瞬态响应，测试信号经电荷放大器放大后送入数据采集装置，最终传送到计算机内进行分析处理。此方法的优点是激振设备简单，测试效率高，便于现场测试。但激振力的大小很难控制，且激振力的能量有限。所以在保证上限激振频率足够高的前提下，应尽量延长脉冲波持续时间。为此，设备有可更换的各种硬度的锤帽（用钢、铝、塑料等制成，安装在力传感器顶部）以供使用。阶跃法用能高速切割的绳索、能高速泄放的油缸对结构突加或突泄常力来激出结构的响应，常用于测试太阳能电池板之类的脆性结构。快速正弦扫描法的原理是在几秒或十几秒的时间内，将信号发生器的频率从低频扫到高频，并经功率放大器放大后，传输至激振器激励被测结构。此方法的特点是力的频谱在测试频率范围内基本是平直的，输入结构的能量比前两种方法大得多。综合考虑瞬态激励法的三种激励方式的优缺点和现有实验条件，本文选用锤击法为实验的激振方法25。323模态分析系统随着现在计算机技术和振动测试技术的不断发展，产生了各种高精度、多功能的模态测试分析系统。以计算机为主体结构的模态特性试验分析系统主要由三部分组成激励系统；测量系统；数据采集、处理和分析系统。如图31所示图31模态试验分析系统激励系统用于激起结构的振动。包括信号发生器、功率放大器和激振器。信号发生器用来产生激励信号，可以用硬件或软件实现。常用的激励信号有正弦、随机、瞬态和周期等。由于信号源提供的信号相当微弱，实际实验时，常常利用功率放大器将激励信号进行放大，使之能推导激振器。测量系统主要包括传感器、试调放大器和连接设备。压电式传感器是最常用的传感器。在载荷识别时，也常用应变片测量应变，然后预估载荷。试调放大器的作用是放大传感器所产生的信号，以便送至分析仪进行测量。数据分析系统用于测量、处理和分析传感器所产生的信号。包括传递函数（频率响应函数）分析仪及数字信号分析仪，后者为目前模态分析最常用的的分析仪器222627。33试验模态分析步骤试验模态分析一般分为以下四个步骤第一步建立测试系统所谓建立测试系统就是为了确定实验对象，选择激振方式，选择力传感器和响应传感器，并对整个测试系统进行校准测试。第二步测量系统的响应数据这是试验模态的关键一步，测量得到的数据的准确性和可靠性直接影响模态测试的结果。在激振力作用下，被测系统一旦被激振起来，就可通过测试仪器测量得到激振力或响应的时域信号，再将其转化为频域信号，就可以得到系统频响函数的平均估计。第三步进行模态参数估计即利用测量得到的频响函数或时间历程来估计模态参数，包括固有频率、模态振型、模态阻尼等。第四步模态模型验证它是对第三步模态参数估计所得结果的正确性进行检验，它是对模态试验成果评定以及进一步对被测系统进行动力学分析的必要过程。34本章小结在本章内容中，首先介绍了理论模态分析、实验模态分析的基本理论和模态激振方法；然后介绍了模态试验系统的组成及其分析步骤，为后续测试系统的建立、试验方案的制定提供了理论依据。4扭转振动试验模态分析前面章节介绍了试验模态分析的基本理论和试验模态分析技术，包括模态激振方法、试验模态分析系统的组成和试验模态分析步骤。本章在结合基本理论的基础上，对自己设计的转盘系统进行模态试验分析，对试验方案、试验系统、试验过程及试验模态结果进行逐一阐述。41试验方案411试件的设计思想测扭装置的设计是建立转轴扭振测量方法的关键环节。测扭装置的作用是感受被测转轴上的扭转振动信号,并将微弱的扭转振动信号转化为较大幅度的扭振信号供计算机进行分析。测扭装置所产生的扭振信号应在频率上与转轴的扭转振动信号保持一致,在幅值上是扭振信号的比例放大,即该信号能够直接放映转轴扭转振动的特征,这是能否准确测量转轴扭振的关键所在。所以笔者在设计时，为了得到真实且较强的扭振信号，在转轴上布置了一个盘，起到放大扭振信号的作用。盘是铝制的，质量仅有016KG,相比于1985KG的转轴，其附加质量非常小，几乎可以忽略不计。而且结构简单，便于加工，使整体测扭装置结构大大简化，便于试验。图4L是测扭装置总体结构图。测扭装置主要包括转轴、转盘、激振棒等。1被测轴2盘3激振棒图41总体结构图1转轴测扭装置的轴是一根长900MM,直径为60MM的钢轴。如图42所示,此次试验的主要目的是找出转轴的前几阶扭振频率和振型。图42转轴的结构2转盘转盘的结构如图43所示图43转盘的结构转盘是一个内径为60MM,外径为100MM,厚度为12MM的铝质圆环。转盘的一侧开有通槽，并在通槽的上下两边钻了通孔和螺纹孔，以便于转盘在转轴上既可以轴向移动又可以周向固定。3激振棒激振棒属于激励系统，用于激起结构的振动。其结构的具体参数见图44。图44激振棒结构图412基于MSCNASTRAN转轴模态仿真分析模态分析是动力学分析的重点内容，主要用于确定设计中的机械结构的振动特性，包括固有频率和模态振型。由于模态分析不是本文的研究重点，所以此处只对基于MSCNASTRAN的仿真作简单介绍。其分析步骤可分成三个阶段，前处理、处理和后处理。前处理是建立有限元模型，完成单元网格划分；后处理则是采集处理分析结果，使用户能简便提取信息，了解计算结果。一般来说，建立正确的有限元分析模型是对研究问题求解的前提条件。其中，建立正确的动力学模型是进行结构动力分析及优化设计的关键。本文中所设计的转盘结构较为复杂，要建立精确完整的动力学模型相当困难。因此，需要针对分析的目的正确简化模型是分析过程中极为重要的一步，本文中设计的简化原则为在不影响模型精度的基础上，将零部件上的一些细节特征进行压缩处理，可以压缩模型上的修饰特征，如圆角、棱角、小的槽和定位孔等。根据以上简化原则，采用六面体单元对光轴和转盘进行网络划分，光轴总共划分了1620个六面体单元盘总共划分了72个六面体单元。其三维实体模型如图45。图45轴盘有限元实体模型本文中，轴采用的材料是45钢；盘采用的材料是铝，其具体参数如表41所示。表41材料参数材料密度（KG/M3泊松比弹性模量MPA45钢7800030210E11铝270003370E10413仿真分析结果模态分析关心结构的固有特性，与外界载荷无关，与运动状态无关，是进一步分析振动分析的基础28。通过模态分析获得各阶固有频率和振型，为下文的模态分析提供参考依据。在模态提取方法中,与其他方法相比，LANCZOS法具有求解精度高,计算速度快等优点。本文采用BLOCKLANCZOS法求解转轴的前2阶扭振固有频率和振型,如表42所示。表42前2阶固有频率和振型阶数频率阵型11730923359342模态试验系统模态试验测试系统由3部分组成29，即激振系统、拾振系统、数据采集与处理系统。如图46所示。图46模态试验测试系统锤击激励脉冲对应一定频率范围成分,是一种宽频带的快速激励方法。试验采用单点激振多点拾振的锤击法进行信号采集,即一个输入力信号对应多个输出加速度传感器感应信号。本文中数据采集与处理系统使用的是比利时的LMSTESTLAB模态试验测试与分析系统；力锤激振系统使用的是美国PCB公司生产的086C04型脉冲力锤；拾振系统使用的是美国PCB公司生产的356A16型ICP三向加速度传感器。43模态试验过程在试验时为了更多的排除外界因素对轴盘试件模态测试的干扰，本文采取把轴盘试件用钢丝绳悬挂起来，来模拟轴盘系统试件的自由几何边界条件，如图47所示。图47轴盘试件的悬挂一般希望把钢丝绳在光轴上悬挂的位置选择在振幅较小的位置，最佳悬挂点应该是某阶振型的节点处。本文采用是数据采集和处理系统为LMSTESTLAB模态试验测试与分析系统，在进行模态分析试验时，先要在此系统中建立好测试模型。测试模型由许多个测试点构成，测试点的多少与分布应该根据实体模型和试验需要来决定。一般情况下，比较好的方法是把测试点在试件上按照某种程度地均匀分布，同时可以在感兴趣的区域多布置几个测试点。试验模型测点越多，越能充分表征结构的固有模态属性。不过试验测点的过度增多对表征结构的固有模态属性并没有太大的改善，反而增加了测试的困难和任务量，同时测试点不应该靠近节点，这样的测试点得到的信息才会有更高的信噪比。本文在进行测试时，测试件共布置了45个测点，前八个测试位置之间均匀分布，间隔100MM,最后一个位置因为实测时的装