高速旋转轴系的扭振模态实验研究

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1、中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn高速旋转轴系的扭振模态实验研究彭健，谭跃刚武汉理工大学机电工程系，武汉(430070)Email:pjian.bolton@gmail.com摘要：本文以武汉理工大学高速旋转机械试验台为基础，利用ATI遥测扭振测试系统对待测轴在不同转速下的扭转振动做了详尽的测量，经过后期的频谱分析和数据处理，得到了待测轴的一阶固有频率；通过Ansys仿真分析结果和实验数据的对比，证明了测量结果的准确性，同时指出了对扭振信号进行后处理时小波降噪的必要性和有效性。为今后整个旋转平台的模态研究打下了基础。关键词：模态；

2、遥测扭振测试系统；一阶固有频率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[1]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。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

3、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[2]盘或者有足够的空间可以安装轮盘。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

4、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。图1示的是ATI扭振传感器安装实物图：本课题得到国家自然科学基金（项目编号：50775167）的资助。-1-中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn图

5、1扭振传感器安装示意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如图2示：转速传感器ATI扭振传感器NI数据采集卡工控机测试软件图2扭振测试系统结构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

6、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

7、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。测量结果如图3示：-2-中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn图3某时刻角加速度时域波形数据分析：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MATLABScript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

8、量的信号，对其作频谱分析会引入虚假成分，可能使某些小