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高速旋轉軸系的扭振模態(tài)實(shí)驗研究
1 引言
對于旋轉機械，扭轉振動(dòng)是廣泛存在的，而對高速旋轉機械來(lái)說(shuō)，這種現象也更加明顯�，F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(shí)序法，這些方法有一個(gè)共同點(diǎn)，就是要求待測軸上已經(jīng)安裝有分度結構或者有足夠空間用于安裝測量齒盤(pán)[1]。而在高速旋轉機械中，旋轉軸往往在非常復雜的工況下運行，例如充滿(mǎn)潤滑油的變速齒輪箱，在這種高溫復雜并且充滿(mǎn)干擾的環(huán)境下是不可能用傳統方法進(jìn)行測量的，無(wú)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(shí)序法克服了齒盤(pán)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格的要求：軸的長(cháng)度必須具有一定跨度來(lái)安裝多個(gè)傳感器；并且軸上必須安裝有輪盤(pán)或者有足夠的空間可以安裝輪盤(pán)[2]。對于本論文中待測的傳動(dòng)軸來(lái)說(shuō)，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(méi)有足夠空間安裝分度輪盤(pán)，這個(gè)時(shí)候就需要改進(jìn)測試方法，選用更加節省空間的測試方法。
結合上文的介紹，本論文采用了試驗臺對旋轉軸的扭振特性進(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(wú)線(xiàn)信號傳送的優(yōu)點(diǎn)，既傳感器測得的信號不需要線(xiàn)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軸扭振時(shí)信號線(xiàn)難的問(wèn)題，同時(shí)也避免了傳統脈沖時(shí)序法對軸系形式有特定要求的弊端。另一方面，因為該傳感器采用了對稱(chēng)布置的雙加速度傳感器結構，所以很好消除了重力以及徑向加速度的影響。
在試驗中，利用現有高速旋轉試驗平臺，用試驗的方法得到了待測軸的扭振一階固有頻率，同時(shí)，利用Ansys 仿真軟件計算出待測軸的模態(tài)參數，通過(guò)和實(shí)驗數據的對比，證明了扭振測試系統的準確性和可靠性。
2 扭轉振動(dòng)測試系統
扭振測試部分主要對被測旋轉軸的扭轉振動(dòng)加速度參數進(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、調整，整個(gè)測試裝置設置在具有T 型滑動(dòng)槽的工作平臺上，同時(shí)，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整，已獲得更大的靈活性并滿(mǎn)足不同傳感器的安裝位置要求。
扭轉振動(dòng)實(shí)驗主要運用ATI 遙測扭振傳感器和轉速傳感器共同完成，整個(gè)扭振測試系統主要由四部分組成：ATI 扭振傳感器、轉速傳感器、NI 數據采集卡、工控機以及軟件部分。扭振測試系統的結構框圖示：
因為整個(gè)實(shí)驗需要測試輸出軸在不同轉速下的扭轉振動(dòng)，所以對轉速進(jìn)行監測是必須的，扭轉振動(dòng)信號和扭振信號通過(guò)不同的數據通道進(jìn)入數據采集卡中，數據采集卡將采集到的數據傳到工控機中通過(guò)測試軟件顯示出來(lái)，并且在數據采集完成后對數據進(jìn)行離線(xiàn)的分析。
3 扭振實(shí)驗與實(shí)驗結果
對傳動(dòng)軸扭振固有頻率的測量是分析軸系扭振的基礎，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)驗原理：對轉軸不施加任何人為激勵，使之處于自然振動(dòng)狀態(tài)下，此時(shí)轉軸可能受到一些擾動(dòng)力矩的作用，如轉速的波動(dòng)、軸承摩擦力矩、齒輪間沖擊力矩等。因此通過(guò)采集多組軸系在不同轉速下的自然振動(dòng)狀態(tài)扭振角加速度信號，并對這些時(shí)域信號進(jìn)行頻譜分析，找到不同轉速下頻率譜線(xiàn)的共同部分即為軸的扭振固有頻率。
實(shí)驗過(guò)程：將扭轉振動(dòng)傳感器安裝在軸端，并調零；開(kāi)啟電機及變頻器，通過(guò)轉速設定窗口調整轉速，使軸分別在某一特定轉速下穩定旋轉一段時(shí)間，并在此期間采集軸在自然振動(dòng)狀態(tài)下的角加速度信號。
數據分析：由于試驗臺周?chē)膬x器設備比較多，使得測量信號中引入了噪聲干擾。通過(guò)LabVIEW 中的MATLAB Script 節點(diǎn)調用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(shí)域波形可看作是具有有限能量的信號，對其作頻譜分析會(huì )引入虛假成分，可能使某些小幅值頻率分量被淹沒(méi)。而功率譜分析，則可獲得更為明確的譜線(xiàn)信息，突出信號的主要頻率分量。將經(jīng)過(guò)預處理的數據送入頻域分析模塊，得到各轉速下角加速度功率譜分析結果所示。
從數據分析結果可以看出：
a) 各組扭振頻域譜中都存包含68HZ左右的譜線(xiàn)，為軸的扭振一階固有頻率；
b) 工作轉速扭振譜線(xiàn)在各圖中都存在，這是由于轉子質(zhì)量不平衡造成的；
c) 重復測量發(fā)現輸入轉速與實(shí)測轉速只有5r/min 左右的誤差，證明轉速控制較為精確。
4 仿真分析結果與實(shí)驗數據對比
對被測軸扭振固有頻率的理論計算可用來(lái)驗證扭振測量結果的準確性及測試系統的可靠性。轉軸固有頻率的Ansys 仿真過(guò)程中因為采用了20 節點(diǎn)的SOLID186 單元并且對尺寸突變的位置做了網(wǎng)格的局部?jì)?yōu)化，所以整個(gè)計算結果的精度得到了很好的保證[5]。其分析結果如下：
可以看到，理論分析出的一階固有頻率為69.72Hz，與實(shí)驗結果68Hz 比較吻合。
在 Ansys 求解器中可以設置需要求得的模態(tài)階數，在工程實(shí)際中，因為共振現象在低階的固有頻率附近才具有比較大的能量，同時(shí)考慮到有限元分析方法在高階次下的模態(tài)計算誤差積累會(huì )變大，準確性難以保證，所以工程實(shí)際中往往只關(guān)注系統的低階固有頻率。
5 結論
本文以武漢理工大學(xué)旋轉機械實(shí)驗平臺為基礎，對平臺的輸出軸的扭轉振動(dòng)模態(tài)做了深入的理論分析和詳實(shí)的實(shí)驗研究。運用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(dòng)軸的基本模態(tài)參數；借助ATI 扭轉振動(dòng)測試系統和相應的測量分析軟件，測量得到了轉軸在不同工況下的扭轉振動(dòng)信號，通過(guò)后期的數據處理與前期仿真計算結果的對比，得到了以下結論：
(1) 扭轉振動(dòng)的結果具有較高的精度，實(shí)驗得到的一階扭轉振動(dòng)固有頻率和仿真數據基本重合；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，但是考慮到扭轉振動(dòng)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
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