高速旋转轴系的扭振模态实验研究

1 引言

对于旋转机械，扭转振动是广泛存在的，而对高速旋转机械来说，这种现象也更加明显。现在广泛使用的扭振测量方法有相位差法、激光多普勒测扭法以及脉冲时序法，这些方法有一个共同点，就是要求待测轴上已经安装有分度结构或者有足够空间用于安装测量齿盘[1]。而在高速旋转机械中，旋转轴往往在非常复杂的工况下运行，例如充满润滑油的变速齿轮箱，在这种高温复杂并且充满干扰的环境下是不可能用传统方法进行测量的，无论是定位元件的安装以及传感器的抗干扰性都很难保障。

虽然脉冲时序法克服了齿盘分度不均匀的影响，测量精度也较高，但是这种方法对待测轴系有严格的要求：轴的长度必须具有一定跨度来安装多个传感器；并且轴上必须安装有轮盘或者有足够的空间可以安装轮盘[2]。对于本论文中待测的传动轴来说，大部分轴段是在密封环境中使用的，而暴露在外的轴段没有足够空间安装分度轮盘，这个时候就需要改进测试方法，选用更加节省空间的测试方法。

结合上文的介绍，本论文采用了试验台对旋转轴的扭振特性进行研究，在传感器方面，选用了美国ATI 公司的2000 系列遥测扭振传感器，一方面考虑到它的无线信号传送的优点，既传感器测得的信号不需要线材就可以很好的被接收器接收。这样不仅很好的解决了测量高速旋转轴扭振时信号线难的问题，同时也避免了传统脉冲时序法对轴系形式有特定要求的弊端。另一方面，因为该传感器采用了对称布置的双加速度传感器结构，所以很好消除了重力以及径向加速度的影响。

在试验中，利用现有高速旋转试验平台，用试验的方法得到了待测轴的扭振一阶固有频率，同时，利用Ansys 仿真软件计算出待测轴的模态参数，通过和实验数据的对比，证明了扭振测试系统的准确性和可靠性。

2 扭转振动测试系统

扭振测试部分主要对被测旋转轴的扭转振动加速度参数进行测量。示的是ATI 扭振传感器安装实物图：

为保证扭振测试装置能够方便的安装、调整，整个测试装置设置在具有T 型滑动槽的工作平台上，同时，各传感器组件以及支架都可以方便的进行横向和纵向的位置调整，已获得更大的灵活性并满足不同传感器的安装位置要求。

扭转振动实验主要运用ATI 遥测扭振传感器和转速传感器共同完成，整个扭振测试系统主要由四部分组成：ATI 扭振传感器、转速传感器、NI 数据采集卡、工控机以及软件部分。扭振测试系统的结构框图示：

因为整个实验需要测试输出轴在不同转速下的扭转振动，所以对转速进行监测是必须的，扭转振动信号和扭振信号通过不同的数据通道进入数据采集卡中，数据采集卡将采集到的数据传到工控机中通过测试软件显示出来，并且在数据采集完成后对数据进行离线的分析。

3 扭振实验与实验结果

对传动轴扭振固有频率的测量是分析轴系扭振的基础，知道了固有频率，才能正确判断和分析受迫扭振特性及轴系共振的可能性。

实验原理：对转轴不施加任何人为激励，使之处于自然振动状态下，此时转轴可能受到一些扰动力矩的作用，如转速的波动、轴承摩擦力矩、齿轮间冲击力矩等。因此通过采集多组轴系在不同转速下的自然振动状态扭振角加速度信号，并对这些时域信号进行频谱分析，找到不同转速下频率谱线的共同部分即为轴的扭振固有频率。

实验过程：将扭转振动传感器安装在轴端，并调零；开启电机及变频器，通过转速设定窗口调整转速，使轴分别在某一特定转速下稳定旋转一段时间，并在此期间采集轴在自然振动状态下的角加速度信号。

数据分析：由于试验台周围的仪器设备比较多，使得测量信号中引入了噪声干扰。通过LabVIEW 中的MATLAB Script 节点调用MATLAB 程序进行信号的小波消噪、相关积累等处理，最后进行频域分析以提取扭振信号的频率特性。

信号时域波形可看作是具有有限能量的信号，对其作频谱分析会引入虚假成分，可能使某些小幅值频率分量被淹没。而功率谱分析，则可获得更为明确的谱线信息，突出信号的主要频率分量。将经过预处理的数据送入频域分析模块，得到各转速下角加速度功率谱分析结果所示。

从数据分析结果可以看出：

a) 各组扭振频域谱中都存包含68HZ左右的谱线，为轴的扭振一阶固有频率；

b) 工作转速扭振谱线在各图中都存在，这是由于转子质量不平衡造成的；

c) 重复测量发现输入转速与实测转速只有5r/min 左右的误差，证明转速控制较为精确。

4 仿真分析结果与实验数据对比

对被测轴扭振固有频率的理论计算可用来验证扭振测量结果的准确性及测试系统的可靠性。转轴固有频率的Ansys 仿真过程中因为采用了20 节点的SOLID186 单元并且对尺寸突变的位置做了网格的局部优化，所以整个计算结果的精度得到了很好的保证[5]。其分析结果如下：

可以看到，理论分析出的一阶固有频率为69.72Hz，与实验结果68Hz 比较吻合。

在 Ansys 求解器中可以设置需要求得的模态阶数，在工程实际中，因为共振现象在低阶的固有频率附近才具有比较大的能量，同时考虑到有限元分析方法在高阶次下的模态计算误差积累会变大，准确性难以保证，所以工程实际中往往只关注系统的低阶固有频率。

5 结论

本文以武汉理工大学旋转机械实验平台为基础，对平台的输出轴的扭转振动模态做了深入的理论分析和详实的实验研究。运用Ansys 模态分析模块对轴系的固有频率和主振型做了仿真分析，得到了该传动轴的基本模态参数；借助ATI 扭转振动测试系统和相应的测量分析软件，测量得到了转轴在不同工况下的扭转振动信号，通过后期的数据处理与前期仿真计算结果的对比，得到了以下结论：

(1) 扭转振动的结果具有较高的精度，实验得到的一阶扭转振动固有频率和仿真数据基本重合；然而对于高频信号的测量存在较大误差，特别是扭振传感器的抗干扰性有待提高。

(2) 小波降噪这种信号处理方法能够很好的消除环境噪音的影响，但是考虑到扭转振动信号本身的微弱性以及环境噪音的多样性，从传感器本身以及信号传输方面寻找提高信噪比的方法更加可取。

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参考文献 [2] 张勇．汽轮发电机组轴系扭转振动及弯-扭振动耦合的研究：[博士学位论文].北京：清华大学热能工程系. 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] 邓在京．圆弧圆柱齿轮实体造型和有限元分析．华中农业大学学报．2004，6

(3):352-354．