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高速旋轉(zhuǎn)軸系的扭振模態(tài)實(shí)驗(yàn)研究
1 引言
對于旋轉(zhuǎn)機(jī)械，扭轉(zhuǎn)振動是廣泛存在的，而對高速旋轉(zhuǎn)機(jī)械來說，這種現(xiàn)象也更加明顯�，F(xiàn)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(diǎn)，就是要求待測軸上已經(jīng)安裝有分度結(jié)構(gòu)或者有足夠空間用于安裝測量齒盤[1]。而在高速旋轉(zhuǎn)機(jī)械中，旋轉(zhuǎn)軸往往在非常復(fù)雜的工況下運(yùn)行，例如充滿潤滑油的變速齒輪箱，在這種高溫復(fù)雜并且充滿干擾的環(huán)境下是不可能用傳統(tǒng)方法進(jìn)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(yán)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(huán)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(jìn)測試方法，選用更加節(jié)省空間的測試方法。
結(jié)合上文的介紹，本論文采用了試驗(yàn)臺對旋轉(zhuǎn)軸的扭振特性進(jìn)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(yōu)點(diǎn)，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(zhuǎn)軸扭振時信號線難的問題，同時也避免了傳統(tǒng)脈沖時序法對軸系形式有特定要求的弊端。另一方面，因?yàn)樵搨鞲衅鞑捎昧藢ΨQ布置的雙加速度傳感器結(jié)構(gòu)，所以很好消除了重力以及徑向加速度的影響。
在試驗(yàn)中，利用現(xiàn)有高速旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)平臺，用試驗(yàn)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(jì)算出待測軸的模態(tài)參數(shù)，通過和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的對比，證明了扭振測試系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和可靠性。
2 扭轉(zhuǎn)振動測試系統(tǒng)
扭振測試部分主要對被測旋轉(zhuǎn)軸的扭轉(zhuǎn)振動加速度參數(shù)進(jìn)行測量。示的是ATI 扭振傳感器安裝實(shí)物圖：
為保證扭振測試裝置能夠方便的安裝、調(diào)整，整個測試裝置設(shè)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(jìn)行橫向和縱向的位置調(diào)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(zhuǎn)振動實(shí)驗(yàn)主要運(yùn)用ATI 遙測扭振傳感器和轉(zhuǎn)速傳感器共同完成，整個扭振測試系統(tǒng)主要由四部分組成：ATI 扭振傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器、NI 數(shù)據(jù)采集卡、工控機(jī)以及軟件部分。扭振測試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖示：
因?yàn)檎麄�實(shí)驗(yàn)需要測試輸出軸在不同轉(zhuǎn)速下的扭轉(zhuǎn)振動，所以對轉(zhuǎn)速進(jìn)行監(jiān)測是必須的，扭轉(zhuǎn)振動信號和扭振信號通過不同的數(shù)據(jù)通道進(jìn)入數(shù)據(jù)采集卡中，數(shù)據(jù)采集卡將采集到的數(shù)據(jù)傳到工控機(jī)中通過測試軟件顯示出來，并且在數(shù)據(jù)采集完成后對數(shù)據(jù)進(jìn)行離線的分析。
3 扭振實(shí)驗(yàn)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果
對傳動軸扭振固有頻率的測量是分析軸系扭振的基礎(chǔ)，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(shí)驗(yàn)原理：對轉(zhuǎn)軸不施加任何人為激勵，使之處于自然振動狀態(tài)下，此時轉(zhuǎn)軸可能受到一些擾動力矩的作用，如轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速下的自然振動狀態(tài)扭振角加速度信號，并對這些時域信號進(jìn)行頻譜分析，找到不同轉(zhuǎn)速下頻率譜線的共同部分即為軸的扭振固有頻率。
實(shí)驗(yàn)過程：將扭轉(zhuǎn)振動傳感器安裝在軸端，并調(diào)零；開啟電機(jī)及變頻器，通過轉(zhuǎn)速設(shè)定窗口調(diào)整轉(zhuǎn)速，使軸分別在某一特定轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)一段時間，并在此期間采集軸在自然振動狀態(tài)下的角加速度信號。
數(shù)據(jù)分析：由于試驗(yàn)臺周圍的儀器設(shè)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(jié)點(diǎn)調(diào)用MATLAB 程序進(jìn)行信號的小波消噪、相關(guān)積累等處理，最后進(jìn)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(jīng)過預(yù)處理的數(shù)據(jù)送入頻域分析模塊，得到各轉(zhuǎn)速下角加速度功率譜分析結(jié)果所示。
從數(shù)據(jù)分析結(jié)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(zhuǎn)速扭振譜線在各圖中都存在，這是由于轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡造成的；
c) 重復(fù)測量發(fā)現(xiàn)輸入轉(zhuǎn)速與實(shí)測轉(zhuǎn)速只有5r/min 左右的誤差，證明轉(zhuǎn)速控制較為精確。
4 仿真分析結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對比
對被測軸扭振固有頻率的理論計(jì)算可用來驗(yàn)證扭振測量結(jié)果的準(zhǔn)確性及測試系統(tǒng)的可靠性。轉(zhuǎn)軸固有頻率的Ansys 仿真過程中因?yàn)椴捎昧?0 節(jié)點(diǎn)的SOLID186 單元并且對尺寸突變的位置做了網(wǎng)格的局部優(yōu)化，所以整個計(jì)算結(jié)果的精度得到了很好的保證[5]。其分析結(jié)果如下：
可以看到，理論分析出的一階固有頻率為69.72Hz，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果68Hz 比較吻合。
在 Ansys 求解器中可以設(shè)置需要求得的模態(tài)階數(shù)，在工程實(shí)際中，因?yàn)楣舱瘳F(xiàn)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(tài)計(jì)算誤差積累會變大，準(zhǔn)確性難以保證，所以工程實(shí)際中往往只關(guān)注系統(tǒng)的低階固有頻率。
5 結(jié)論
本文以武漢理工大學(xué)旋轉(zhuǎn)機(jī)械實(shí)驗(yàn)平臺為基礎(chǔ)，對平臺的輸出軸的扭轉(zhuǎn)振動模態(tài)做了深入的理論分析和詳實(shí)的實(shí)驗(yàn)研究。運(yùn)用Ansys 模態(tài)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(tài)參數(shù)；借助ATI 扭轉(zhuǎn)振動測試系統(tǒng)和相應(yīng)的測量分析軟件，測量得到了轉(zhuǎn)軸在不同工況下的扭轉(zhuǎn)振動信號，通過后期的數(shù)據(jù)處理與前期仿真計(jì)算結(jié)果的對比，得到了以下結(jié)論：
(1) 扭轉(zhuǎn)振動的結(jié)果具有較高的精度，實(shí)驗(yàn)得到的一階扭轉(zhuǎn)振動固有頻率和仿真數(shù)據(jù)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(huán)境噪音的影響，但是考慮到扭轉(zhuǎn)振動信號本身的微弱性以及環(huán)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(xiàn)
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