軸類零件扭轉(zhuǎn)振動測試方法研究

畢業(yè)設(shè)計(論文)軸類零件扭轉(zhuǎn)振動測試方法研究學(xué)生姓名：學(xué)號：學(xué)部（系）：機械與電氣工程學(xué)部專業(yè)年級：09級機械設(shè)計制造及其自動化指導(dǎo)教師：職稱或?qū)W位：教授2013年5月27日目錄TOC\o"1-3"\h\u27490摘要 331881關(guān)鍵詞 320190Abstract 410926KeyWords 4128681.緒論 5205121.1課題概述 519511.1.1課題背景 5248581.1.2研究目的及意義 5315391.2軸類扭振測量技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀 615261.2.1軸類扭振測量技術(shù)國外研究現(xiàn)狀 6134291.2.2軸類扭振測量技術(shù)國內(nèi)研究現(xiàn)狀 7283711.3扭振測試儀器的發(fā)展現(xiàn)狀 760381.4論文主要內(nèi)容及結(jié)構(gòu)安排 9228862.軸類扭振測量方法分析 10216612.1接觸測量法 105652.2非接觸測量法 12143742.3調(diào)制解調(diào)法 14176192.4本章小結(jié) 1449263.模態(tài)分析基本理論 1527743.1理論模態(tài)分析基本理論 15314773.1.1背景概述 15265223.1.2模態(tài)理論分析 15260053.2試驗?zāi)B(tài)分析基本理論 16284373.2.1背景概述 1668303.2.2模態(tài)激振方法 1721163.2.3模態(tài)分析系統(tǒng) 18215833.3試驗?zāi)B(tài)分析步驟 19163743.4本章小結(jié) 1989904.扭轉(zhuǎn)振動試驗?zāi)B(tài)分析 2017934.1試驗方案 20297504.1.1試件的設(shè)計思想 20243654.1.2基于MSC-Nastran轉(zhuǎn)軸模態(tài)仿真分析 22202114.1.3仿真分析結(jié)果 22215864.2模態(tài)試驗系統(tǒng) 23210084.3模態(tài)試驗過程 24193204.3試驗結(jié)果與分析 28293804.4本章小結(jié) 29163895.總結(jié)與展望 30219565.1全文總結(jié) 3018425.2工作展望 306482參考文獻 3113414致謝 33軸類零件扭轉(zhuǎn)振動測試方法研究摘要扭轉(zhuǎn)振動問題普遍存在于各種旋轉(zhuǎn)機械中。對于大型旋轉(zhuǎn)機械，扭振的破壞性很強，不僅影響機械運行的平穩(wěn)性，而且極易引起機械的結(jié)構(gòu)松散和疲勞斷裂，甚至造成嚴重的安全事故。隨著機械的大型化、高速化發(fā)展，軸類結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜，使得扭振問題愈發(fā)突出。但是到目前為止，扭振測試技術(shù)還不是很成熟，傳統(tǒng)的扭振測量儀器大多存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、分析功能有限、價格比較昂貴等問題，導(dǎo)致扭振測試精度及測試效率受到限制，因此需要利用現(xiàn)有的成熟技術(shù)開發(fā)新型扭振測試系統(tǒng)。為檢測軸類零件扭振時的動態(tài)性能,本文采用有限元分析和模態(tài)試驗相結(jié)合的方法對軸類進行振動研究。首先利用MSC-Nastran軟件對被測軸進行模態(tài)仿真分析,求解得出前2階固有扭振頻率和相應(yīng)的主振型；然后選用錘擊激勵法對被測軸進行模態(tài)試驗,將試驗測試結(jié)果和理論分析結(jié)果進行對比分析,驗證該測試方法的可靠性。對誤差原因進行分析研究,為軸類零件的進一步動力學(xué)研究及其優(yōu)化設(shè)計提供了重要依據(jù)。本文的研究結(jié)果具有較大的工程實際意義，對于實際軸系的扭振檢測和研究具有一定的參考價值,為今后測試和研究大型旋轉(zhuǎn)機械軸類的扭振特性及實現(xiàn)扭振故障診斷、抑制與消除等提供理論與技術(shù)支持。關(guān)鍵詞:主軸；扭振測試；模態(tài)分析；錘擊法StudyonthetorsionalvibrationtestofshaftpartsAbstractTorsionalvibrationproblemscommonlyarefoundinvariousrotatingmachinery.Itishighlydestructiveespeciallyforlargerotatingmachinery,itcouldnotonlyaffectmachines’runningstability,butalsoeasilycausefatiguefractureandstructurelooseandevenseriousproductionaccidents.Withthedevelopmentofmaximizationandhi-speedoperationoftherotatingmachinery,unitshaftsystembecomesmoreandmorecomplex,makingtorsionalvibrationproblemsbecomeincreasinglyprominent.However,uptonow,torsionalvibrationmeasurementtechnologyisstillimmature,thereareproblemsinmostofthemeasuringinstrumentsinpracticalapplicationatpresent,suchascomplexstructures,limitedanalysiscapabilities,higherrequirefortestconditions,etc.,resultthatit’sdifficulttoimprovethetestaccuracyandtestefficiency,andthustoapplytheexistingmaturetechnologytodevelopnewtypeoftorsionalvibrationtestsystemisnecessary.Forthedynamicperformancetestofshaftparts’torsionalvibration,thispaperadoptedfiniteelementmethodandtheexperimentalstudyonthespindlevibration.MSCNastran-modalanalysiswascarriedoutonthemodalsimulationanalysisofthemeasuredshaft,thenthefirsttwoordernaturalvibrationfrequencyandthecorrespondingmainvibrationmodeareestablished.Hammeringmethodisusedtoanalysisthedynamicresponseofspindle,throughcomparativeanalysisoftestdataandFEMresults,verifytherationalityoffiniteelementmodel,anddiscussthecauseoftheerror,whichprovidesanimportantbasisforfurtherresearchandoptimizationofdynamicdesignforshaftparts.Theresultofthisresearchisprovidedwithgreatsignalityofpracticalengineeringprovidingthetheoreticalandtechnicalsupportfortestingandstudyingtorsionalvibrationoflargerotarymachineandachievingtorsionalvibrationon-linemonitoring,faultdiagnosisandsoon.KeyWords:Shaft;Torsionalvibrationtest;Modalanalysis;Hammeringmethod1緒論1.1課題概述1.1.1課題背景旋轉(zhuǎn)機械在工業(yè)生產(chǎn)和制造領(lǐng)域中的使用已經(jīng)很普遍了，軸類是其核心部件，被廣泛應(yīng)用于工程車柴油機、船舶推進裝置、汽輪發(fā)電機組中，在電力、航海、航空、機械化工等領(lǐng)域中起著十分重要的作用。軸類是一個結(jié)構(gòu)復(fù)雜的彈性連續(xù)體，具有無窮多階扭振固有頻率，很容易受到交變扭振作用而產(chǎn)生扭振，因此軸類的扭振問題不容忽視。首先，隨著機械向大型化、輕量化（相對剛度變?。┑姆较虬l(fā)展，其軸類部件的柔度不斷加大，使固有頻率呈下降的趨勢。柔性激勵因素引發(fā)軸類自激振動，如汽輪機的蒸汽激勵、內(nèi)燃機的進排氣波動、直升飛機的螺旋槳空氣擾動、大型鼓風(fēng)機的空氣擾動等因素容易激勵轉(zhuǎn)子系統(tǒng)，從而導(dǎo)致扭振的產(chǎn)生。其次，旋轉(zhuǎn)機械的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)（如航空發(fā)動機的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)，化工機械中的進動式旋轉(zhuǎn)機械，紡織機械中的高速紗錠等）越來越復(fù)雜。舉發(fā)電機組轉(zhuǎn)子軸類來說，隨著電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜化，以及為確保電力系統(tǒng)穩(wěn)定運行所采取的相應(yīng)措施都會對轉(zhuǎn)子軸類產(chǎn)生相應(yīng)的力矩，誘發(fā)各種形式的扭振，甚至引發(fā)共振。最后，機械轉(zhuǎn)子軸類常常工作在高速狀態(tài)下，并且是汽輪機、渦輪壓縮機、風(fēng)機和泵等重要設(shè)備的核心部件，它們的運行狀況好壞非常關(guān)鍵，一旦轉(zhuǎn)子軸類發(fā)生故障，將會造成巨大的經(jīng)濟損失甚至是災(zāi)難性的后果。據(jù)調(diào)查，在很多大型低速回轉(zhuǎn)機械的故障中，最主要形式之一是主傳動軸的損壞，它破壞性非常大，而扭轉(zhuǎn)振動又是引起主軸損壞的主要因素之一。扭振產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力使軸類各斷面受到交變的剪切應(yīng)力,導(dǎo)致軸類材料的疲勞積累,輕則引起較大的噪聲并加速零件的磨損,從而縮短其工作壽命。重則形成裂紋、切口,并逐漸擴散,導(dǎo)致軸類的斷裂和崩潰,其后果往往是毀滅性的惡性事故,損失極為慘重[1].如1972年日本海南電廠的一臺66萬千瓦汽輪發(fā)電機組，在試車過程中因為發(fā)生異常振動而導(dǎo)致全機損壞，長達51米的主軸斷裂飛散，聯(lián)軸節(jié)及汽輪機葉片飛散在百米之外；1986年4月前蘇聯(lián)切爾若貝利核電站四號機組發(fā)生發(fā)生嚴重振動而造成核泄漏，導(dǎo)致2000多人死亡，直接經(jīng)濟損失達30億美元[2]。類似的災(zāi)難性的故障，給各國在如何測量大型機械轉(zhuǎn)子軸類的扭振及故障診斷等方面，提出了一個嚴峻的課題。因此，本課題以此為背景，對轉(zhuǎn)子軸類扭轉(zhuǎn)振動機理進行深入分析研究,尋求新的扭振測試方法,以克服傳統(tǒng)測量方法的固有弊端，具有極其重大的理論和實踐意義。1.1.2研究目的及意義機械振動是指機械或機構(gòu)在它的靜平衡位置附近往復(fù)彈性運動的過程。扭轉(zhuǎn)振動,是其基本的振動形式之一[3]。大多數(shù)軸類都用來傳遞扭矩,外加負載或者驅(qū)動力矩的變化會引起軸的扭振,扭振產(chǎn)生的根本原因是軸自身并非絕對剛體，而存在彈性。因而在以平均速度旋轉(zhuǎn)的過程中，軸的各彈性部分間會由于各種原因而產(chǎn)生不同大小和不同相位的瞬時速度波動，并導(dǎo)致轉(zhuǎn)軸沿旋轉(zhuǎn)方向來回扭動，形成扭振。但是與測量橫向振動相比,測量扭振要困難的多，一方面，扭振振動表現(xiàn)形式不明顯，使得扭振造成的疲勞破壞具有較大的隱晦性；另一方面，扭振信號信噪比很差,加上橫縱向振動的干擾,使扭振信號的采集和分析處理比較困難。目前隨著機械的大型化和高速化，生產(chǎn)設(shè)備的精度、安全性要求，扭振問題也日趨突出，成為影響機械設(shè)備性能和壽命的重要因素。截至目前，測量技術(shù)還不是很成熟，信號采集與分析的改進、在線監(jiān)測系統(tǒng)的改善。特別是在適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境、提高測量精度等方面，還有待深入研究[4]。同時，扭振測試也是各種機械產(chǎn)品的開發(fā)研究、質(zhì)量檢驗、安全和優(yōu)化裝置等工作中必不可少的內(nèi)容。此外，扭振測試可用于檢驗加工、裝配過程中，各工序、各部件是否存在缺陷和錯誤。而通過大量扭振測試，還可以積累經(jīng)驗數(shù)據(jù)，使原有的理論不斷完善，進而指導(dǎo)新的設(shè)計。最后，扭振測量結(jié)果為軸類狀態(tài)分析和故障診斷提供可靠的信息。扭振測試獲得的信號中，包含了豐富的轉(zhuǎn)軸工作的狀態(tài)信息，通過這些狀態(tài)信息，研究人員可以判斷轉(zhuǎn)軸的工作狀態(tài)是否正常，是否存在故障和其它問題，深入了解故障的機理，為故障的預(yù)防、診斷和排除提供可靠信息。由此可見，通過對軸類扭振固有特性的研究，可以在設(shè)計階段預(yù)知軸類的扭振特性，從而及時修改結(jié)構(gòu)或者對結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計，避免共振現(xiàn)象的發(fā)生；即使軸類出現(xiàn)故障時，也可盡快的發(fā)現(xiàn)事故原因，并及時處理由于振動造成的故障，防止災(zāi)害事故發(fā)生，這對旋轉(zhuǎn)機械故障監(jiān)測與診斷具有非常重要的意義。1.2軸類扭振測量技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀1.2.1軸類扭振測量技術(shù)國外研究現(xiàn)狀從國外文獻來看，有些系統(tǒng)在特定的發(fā)動機轉(zhuǎn)速下會出現(xiàn)過度扭轉(zhuǎn)振動現(xiàn)象，1965年Draminsky[5]首次對此現(xiàn)象進行了研究。1987年HestermannandStone[6]等人開發(fā)了瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)響應(yīng)疊加模態(tài)技術(shù)，并將之用于預(yù)測內(nèi)燃機的扭轉(zhuǎn)振動特性。從國外扭振測試產(chǎn)品角度來講，世界上第—臺扭振測量儀－蓋革爾扭振測量儀[7]，是1916年德國人發(fā)明的。它模仿慣性式速度傳感器,設(shè)計巧妙，從信號獲取到記錄全部采用機械結(jié)構(gòu),實現(xiàn)了絕對測量,但是安裝麻煩，測試困難，數(shù)據(jù)精度低，易磨損。到1968年后，美國等發(fā)達國家開始對發(fā)電機組轉(zhuǎn)子軸類的扭振進行理論研究和實驗探索。通過對發(fā)電機組扭振固有頻率的理論計算和實際測試，從而評估軸類的疲勞壽命，并開發(fā)了一系列的扭振監(jiān)測儀器，但此類儀器測試設(shè)備繁多且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不適合在工業(yè)中推廣應(yīng)用。20世紀70年代后，國外相繼研發(fā)出了一批電子扭振儀，如美國本特利[8]公司生產(chǎn)的TVSC型，英國AEDL公司生產(chǎn)的TV型，日本公司生產(chǎn)的DP-840型。到20世紀90年代后，數(shù)字式扭振測量儀開始問世，如比利時西門子公司的QTV扭振測量模塊。此類儀器充分利用計算機的軟硬件資源，并且可以保證扭振和其它振動及聲學(xué)測量通道即時、同步地采集數(shù)據(jù)。此外，它有良好的精度，測量設(shè)置的操作十分容易，但此類儀器硬件較多，對數(shù)據(jù)采集卡的要求高，價格昂貴，所以應(yīng)用不廣[9-10]。1.2.2軸類扭振測量技術(shù)國內(nèi)研究現(xiàn)狀從國內(nèi)發(fā)表的文獻可知,1981年陳之炎[11]對內(nèi)燃機軸類扭轉(zhuǎn)振動進行了初步的研究，進行了相關(guān)實驗，并對測試數(shù)據(jù)作了較為詳盡的分析，指出了傳統(tǒng)分析方法的利弊，為后續(xù)的研究奠定了基礎(chǔ)。1997年，張建勛、羅德?lián)P[12]利用希爾伯特變換技術(shù)對扭振信號進行幅、相解調(diào)，將其用于扭轉(zhuǎn)振動的檢測和分析。由于整個解調(diào)過程是數(shù)字化的.因而具有精度高、應(yīng)用范圍廣、適應(yīng)性強等一系列傳統(tǒng)模擬方法所不可比擬的優(yōu)點,并摒棄了復(fù)雜、昂貴而精度有限的扭振傳感器.2003年太原理工大學(xué)機電所的熊曉燕[13]提出了一種高分辨率扭振測量方法及信號的相應(yīng)調(diào)制解調(diào)方式.該方法簡單可靠,精度較高，而且在實際應(yīng)用中比較方便。2008年楊建國、胡旭鋼[14]依據(jù)扭轉(zhuǎn)振動的測量原理，在深入研究扭振信號處理方法的基礎(chǔ)上，利用虛擬儀器技術(shù)開發(fā)出了基于Lab-view扭振測量虛擬儀器。并選擇柴油機為試驗對象，通過對比西門子公司的QTV扭振測量結(jié)果，驗證了測量儀的計算精度，測量誤差可滿足工程扭振測量的要求，不但減少了硬件設(shè)備，而且測量成本也大大降低。2009年清華大學(xué)的張敏杰、郭丹[15]設(shè)計了一種基于電磁感應(yīng)效應(yīng)的轉(zhuǎn)子扭振振動測量及相應(yīng)的信號提取方法。該方法對硬件性能要求不高，利用信號的幅值提取扭振，算法簡單。而且能更好的消除軸向振動和部分橫向振動。具有精確性良好，安裝簡單，操作方便的特點。從扭振測試產(chǎn)品角度來講，國內(nèi)也有一些廠家研發(fā)和生產(chǎn)測試扭振的產(chǎn)品。國內(nèi)的有上海生產(chǎn)的成套DTV-88型、東南大學(xué)研制出的NZ-T型以及清華大學(xué)研制的DK-IIA型等。此類監(jiān)測裝置結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便，可實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、存儲、運算、處理、分析、輸出等功能，但要求被測軸上安裝有嚴格的等分機構(gòu)，且其準(zhǔn)確精度直接受到測量基準(zhǔn)的影響。1.3扭振測試儀器的發(fā)展現(xiàn)狀隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和對轉(zhuǎn)軸扭振機理的深入研究,扭振測量儀器的發(fā)展大致經(jīng)歷了[1.16.17]機械式、模擬電路式、數(shù)字電路式等發(fā)展階段。這些儀器滿足了不同時期生產(chǎn)的要求,保障了社會生產(chǎn)的正常運行，為此后高級的扭振測試儀器的研發(fā)奠定了基礎(chǔ)。雖然都是扭振測試儀，但是不同階段的扭振裝置有著不同的形式和特點。1.機械式扭振儀機械式扭振儀以蓋格爾扭振儀（世界上第—臺扭振測量儀）為代表，是最早測量扭振的設(shè)備。它模仿慣性式速度傳感器測量原理,設(shè)計十分巧妙,可實現(xiàn)絕對測量,從信號獲取到記錄全部采用機械結(jié)構(gòu)。測量時,用皮帶將被測軸與扭振儀的皮帶輪相聯(lián),使扭振傳遞到頭架上,飛輪以頭架的平均角速度旋轉(zhuǎn),皮帶輪以頭架的瞬態(tài)角速度旋轉(zhuǎn),二者之間用蝶形彈簧聯(lián)接,它們之間的相對角位移用杠桿測量并放大后去推動記錄筆。此類扭振儀測試原理簡單，使用方便。但也因軸的扭振是通過皮帶傳遞的,皮帶的彈性振動會引起失真，所以測試精度不高。此外，機械式測量記錄系統(tǒng),響應(yīng)帶寬非十分有限。由于蝶形彈簧軟度的限制,頻率很低的扭振不能測量,高轉(zhuǎn)速、高頻率扭振信號測試的要求也無法滿足。所以應(yīng)用不廣現(xiàn)在只用于中、低速柴油機的扭振測試中。2.模擬式扭振儀模擬式扭振儀根據(jù)傳感器和被測轉(zhuǎn)軸接觸與否,分為接觸式測量和非接觸式測量兩種.接觸式扭振儀，如丹麥的DISA、英國的G318、上海內(nèi)燃機所的SZN-1型電感調(diào)頻式電子扭振儀等，是將傳感器(應(yīng)變計,壓電式加速度計等)安裝在被測軸上,獲取信號后通過集流環(huán)或者無線電發(fā)訊方式傳給儀器。模擬式扭振儀(如英國AE公司生產(chǎn)的TVI-5型、美國本特利公司的扭振儀等)一般采用的是測齒法原理，通過測量角速度的變化量而達到測量扭振的目的。由于模擬扭振儀采用模擬電路對信號進行傳輸、存儲和分析處理,所以抗干擾能力差,對低頻、低扭角（<0.1°）測試困難，現(xiàn)已很少使用。3.數(shù)字式扭振儀此類扭振儀器無論在測量精度和抗干擾能力上都比模擬電路式扭振儀有顯著的進步。它又可分為大型扭振監(jiān)測設(shè)備和經(jīng)濟型扭振監(jiān)測設(shè)備兩類。第一類為大型扭振監(jiān)測系統(tǒng),包括TSA(扭應(yīng)力分析系統(tǒng))和TVMS(扭振監(jiān)測系統(tǒng))。它的特點是整合與扭振有關(guān)的多種信號,如汽輪機電壓、電流、功率、轉(zhuǎn)速偏差信號等,然后通過復(fù)雜的計算程序或電子摸擬線路,進行轉(zhuǎn)軸受力計算,獲得有關(guān)截面的扭角、振幅、應(yīng)力等扭振特性，再配以大容量的數(shù)據(jù)檔案存儲系統(tǒng),和遠程計算機,就構(gòu)建了一個大范圍的扭振信息綜合監(jiān)測系統(tǒng)。如美國GE公司和電力研究所所研制的TMS、德國KWU公司開發(fā)的TSA等。此類系統(tǒng)可同時對若干發(fā)電廠內(nèi)若干機組的扭振情況進行監(jiān)測，并計算軸類疲勞壽命消耗，同時可實現(xiàn)遠程診斷功能，性價比較高，但這類扭振監(jiān)測設(shè)備實驗配件多且價格昂貴，不適合中國企業(yè)的實際。第二類為經(jīng)濟型扭振監(jiān)測設(shè)備，它主要用于監(jiān)測扭振位移,并以此作為測試機組固有頻率、扭振致因和扭振阻尼的理論依據(jù)。這種類型的扭振裝置的測量原理也可歸結(jié)為測齒法。如上海生產(chǎn)的成套DTV-88型、東南大學(xué)研制出的NZ-T型以及清華大學(xué)研制的DK-IIA型等扭振測量儀都屬于這種類型。此類裝置結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便,使用16位單片機即可完成包括數(shù)據(jù)采集、儲存、運算處理、實時譜分析、數(shù)字顯示、輸出等功能。但測量精度不是很高，難以滿足高精度的測量要求。4.激光扭振儀基于多普勒效應(yīng)的激光扭振測量儀是近幾年國外研制成功的。這類扭振測量儀主要由光學(xué)感應(yīng)頭、信號處理和信號分析三大部分組成，其原理是當(dāng)激光束照射到軸的表面時,該表面的線速度就會使散射光產(chǎn)生多普勒頻移,頻移量的瞬間值即表征了軸的瞬時角速度,分離出其中的直流分量,即可得到軸的扭振信號。這類測量法的優(yōu)點是不需專門建立測量基準(zhǔn),測點容易設(shè)置,可實現(xiàn)扭振的絕對測量,但不足之處在于受到轉(zhuǎn)軸的橫向振動及其截面的圓度誤差的直接影響,測量精度很難提高，而且測試設(shè)備復(fù)雜昂貴,難于大范圍推廣使用。總之,和國外先進技術(shù)相比,無論是在轉(zhuǎn)軸扭振機理的研究方面，還是在測扭儀的研發(fā)上,國內(nèi)還存在不小的差距。因此在較短的時間里，如何縮短和先進國家的差距，盡快的開發(fā)和完善我國新型的扭轉(zhuǎn)振動測試儀器,以促進國民經(jīng)濟的發(fā)展,是機械狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷領(lǐng)域的一項迫切任務(wù)。1.4論文主要內(nèi)容及結(jié)構(gòu)安排本文的主要任務(wù)是根據(jù)現(xiàn)有的扭振測試技術(shù)和測試方法，研制與建立扭轉(zhuǎn)振動的測試方法，并搭建實驗臺進行模態(tài)實驗，采用壓電加速度計對被測軸進行扭振測試，并將測試數(shù)據(jù)與理論數(shù)據(jù)進行比較，驗證該測試方法的可靠性。論文結(jié)構(gòu)安排如下：第一章緒論。首先介紹了課題研究背景和研究目的及意義，接著介紹了軸類扭振測量技術(shù)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，最后分析了扭振測試儀器的發(fā)展現(xiàn)狀。第二章軸類扭振測量方法分析。詳細闡述了目前使用的軸類扭振的接觸測量法、非接觸測量法以及調(diào)制解調(diào)分析法，并比較它們之間的異同。第三章模態(tài)分析的基本理論。簡要介紹了理論模態(tài)分析、試驗?zāi)B(tài)分析基本理論和模態(tài)激振方法。然后闡述了試驗?zāi)B(tài)分析系統(tǒng)的組成和試驗?zāi)B(tài)分析步驟，為后續(xù)實驗系統(tǒng)的建立和試驗方案的制定奠定了理論基礎(chǔ)。第四章被測軸扭振實驗研究。簡要介紹了有限元分析步驟，并應(yīng)用MSC-NASTRAN軟件對實測軸進行仿真分析，得到理論計算結(jié)果。利用自己設(shè)計的扭振測試裝置和比利時的LMSTest.Lab(模態(tài)試驗測試與分析系統(tǒng))，進行模態(tài)實驗，并將測試數(shù)據(jù)與理論數(shù)據(jù)進行比較，得出結(jié)論。第五章結(jié)論與展望。對所做的工作進行總結(jié)并對今后的深入研究工作提出展望。

2軸類扭振測量方法分析測量扭振就是要測取旋轉(zhuǎn)軸由交變角速度變化引起的角速度變化量或測點處的扭角及頻率變化規(guī)律。一般來說，現(xiàn)有的測量扭振的方法主要有兩大類：接觸測量和非接觸測量[16]。前者是將傳感器（應(yīng)變片,加速度計）等安裝在被測軸上,測量信號通過集流環(huán)抑或無線電發(fā)訊方式送至記錄或分析儀器。后者采用“測齒法”,即利用軸上的等分結(jié)構(gòu)（如碼盤、齒輪等）測量角速度的波動量而達到測量扭振目的。2.1接觸測量法接觸測量法是將傳感器安裝在轉(zhuǎn)子上利用傳感器直接感受轉(zhuǎn)子的扭轉(zhuǎn)信號，再通過無線電發(fā)送方式傳到接收端，經(jīng)過分析獲得扭轉(zhuǎn)振動的特征。其典型的應(yīng)用是把應(yīng)變片貼在軸上或在軸上沿軸截面切向安裝壓電式加速度計。以應(yīng)變片為例，其測量裝置如圖2-1所示，將應(yīng)變片互成90°粘貼在待側(cè)軸上，并連接成電橋。當(dāng)扭振發(fā)生時，應(yīng)變片作為敏感元件,來測量剪應(yīng)變,剪應(yīng)變隨時間的變化情況就反映了被測件的扭振信息。圖2-1應(yīng)變片測量法應(yīng)變片測量法具有較寬的頻響范圍和較高的靈敏度，但也存在不足之處：首先是需要在待測軸上安裝傳感器和信號傳輸裝置,但是常常受到安裝位置限制，不得不破壞被測軸的固有結(jié)構(gòu)。其次是在較高速度條件下工作時，測試精度難以保證，而且傳感器的維護以及信號傳輸比較困難。特別對于一些大型高速旋轉(zhuǎn)機械，轉(zhuǎn)軸表面線速度很非常高，若長時間工作，大部分傳感器將會失效，測量誤差也會增加，同時電滑環(huán)的引出信號不穩(wěn)定也會影響測量精度。再次是應(yīng)變片的布置要能消除軸的橫向振動的干擾,并能實現(xiàn)溫度影響的自動補償。但在實際測量過程中，由于機械結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，相應(yīng)的處理電路搭建并不容易實現(xiàn)。此外，也可用壓電式加速度計進行測量。其測量簡圖如下圖2-2所示,在被測軸上安裝一個與之同速旋轉(zhuǎn)的安裝盤，在安裝盤上對稱布置兩個完全相同的加速度計，并保持轉(zhuǎn)軸截面的切線方向和加速度計的敏感方向一致，且二者到轉(zhuǎn)軸的中心的距離相等。圖2-2加速度計測量法當(dāng)扭振發(fā)生時，安裝在軸上的同速旋轉(zhuǎn)的盤也將產(chǎn)生同步的振動。扭振信號可以看做是不同頻率和幅值的簡諧分量的疊加，因此被測角位移為：(2-1)式中：—幅值；—角頻率；—初始相位；一對加速度計對稱安裝，在切向方向的扭振信號相同，但在徑向方向，由彎曲振動引起的測量誤差恰好大小相等，方向相反。設(shè)為第i個頻率分量的彎曲振動對扭振產(chǎn)生的瞬態(tài)值,則傳感器1測得的角位移為：(2-2)而傳感器2所測得角位移為：(2-3)將式（2-1）和式（2-2）相加可得到總的扭振信號：(2-4)從式（2-4）可以看出，采用對稱安裝傳感器的方法，不但可以實現(xiàn)彎、扭解藕測量，而且使輸出信號幅值擴大兩倍，因此測量精度大大提高。對于上述兩種方式，信號的傳輸問題是一個共同的難點.電荷信號微弱，不易傳輸，如何準(zhǔn)確地從被測軸上提取出傳感器的輸出信號,是測量的關(guān)鍵?？傊?，接觸測量法都需要在軸上安裝傳感器等測量裝置,常常受到旋轉(zhuǎn)軸類結(jié)構(gòu)和工作環(huán)境的限制，特別是一些回轉(zhuǎn)設(shè)備（如大型的汽輪機組）不允許停車安裝傳感器，給實時監(jiān)測扭振帶來了困難，此時非接觸測量法就顯示出它的優(yōu)越性。2.2非接觸測量法非接觸測量包括測齒法，激光測量法。其中測齒法用的最廣泛，分為相位差法、頻率計數(shù)法，脈沖時序計數(shù)法。它借助于安裝在被測轉(zhuǎn)軸上的齒輪、碼盤或均勻分布的黑白反光帶，利用光電式或磁電式傳感器感應(yīng)出脈沖序列。脈沖序列的幅值和相位都可能攜帶軸的扭振信息,通過相應(yīng)后續(xù)處理即可提取出扭振信息。對于測齒法，其測量精度受軸上等分結(jié)構(gòu)的分度誤差影響較大。誤差很大時，測試信號就會嚴重失真，因而必須對收集到的數(shù)據(jù)進行分度誤差補償，才能獲得真實的扭振信號。脈沖計數(shù)法可以減小上述誤差的影響，使測量精度提高。其測量裝置如圖2-3所示：圖2-3脈沖計數(shù)法在待測軸的一端安裝或利用現(xiàn)成的等分齒盤，在軸的另一端選定一個突齒或凹槽作為鑒相點，將電渦流式傳感器安裝在齒盤和鑒相點旁，就可感應(yīng)出脈沖時序信號。設(shè)定一個計數(shù)器，由脈沖觸發(fā)啟動，記錄齒盤脈沖計數(shù)值。當(dāng)轉(zhuǎn)軸平穩(wěn)轉(zhuǎn)動時，計數(shù)值正常記錄齒盤的分度信息；當(dāng)扭振發(fā)生時，因瞬時轉(zhuǎn)速不同，計數(shù)值發(fā)生改變，其差值大小反映了瞬時角速度的變化程度，此時平均角速度與扭振角速度的疊加即為轉(zhuǎn)軸角速度：（2-5）采樣多組脈沖信號，并對其做相應(yīng)的信號處理，就可提取軸的扭振角速度信息。采用側(cè)齒法測量扭振時，一般來說信號的解調(diào)方法不同。這取決于使用傳感器,若用電渦流式傳感器,則扭振信息存在于脈沖的相位中,利用調(diào)頻法經(jīng)鑒相器解調(diào)后得到扭振信號；若用電磁感應(yīng)式速度傳感器,則扭振信息存在于信號的幅值和相位信息中，利用調(diào)幅法即可得到扭振信號。然而,二者都有局限性，前者假定等分機構(gòu)的間距嚴格等分,不存在分度誤差；后者假定輪齒不存在齒廓誤差,而這兩項誤差是影響測量精度的主要因素，實際測量中是無法消除的，故要提高測量精度,需要改進和發(fā)展上述方法。數(shù)字式脈沖相位解調(diào)法[18]能消除上述兩項主要誤差,是一種很好的改進措施。測齒法在測量過程中不會干擾軸的正常運行，適合長期監(jiān)測，因此在實際中應(yīng)用較為廣泛。但側(cè)齒法要求軸上安裝有專有的等分結(jié)構(gòu)，故對于無法安裝齒盤且自身不帶有等分結(jié)構(gòu)的軸類就無法應(yīng)用測齒法進行測量。激光測量法是一種利用多普勒效應(yīng)測量扭振的方法，其測量原理如圖2-4所示：在系統(tǒng)中,激光的波長為632.18nm。圖2-4測試系統(tǒng)光路圖激光經(jīng)分光鏡分成強度相等的兩束光,其中的透射光束2直接到達被測軸表面B點,反射光束經(jīng)反射鏡、平面鏡成為與透射光2完全平行光束1,并到達被測表面A點.這兩束平行光分別在A,B兩點被散射,其中一部分散射光沿原路返回,成為圖中虛線表示的后向散射光束1'和2’,兩束光再經(jīng)過透鏡處理，由光電探測儀進行接收。根據(jù)多普勒頻移原理,兩束光在A,B兩點發(fā)生的頻移值分別為：(2-6)(2-7)式中,,分別為轉(zhuǎn)軸A,B兩點的線速度在x方向的分量,,,ω為角速度,“+,-”號取決于轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)向,λ為激光波長,為轉(zhuǎn)軸在x方向的平動分量,γ為兩平行光束平面與轉(zhuǎn)軸橫截面的夾角,,為旋轉(zhuǎn)軸A,B兩點速度矢量與水平方向的夾角,,為旋轉(zhuǎn)軸A,B兩點的半徑。d為兩平行光束之間的距離,由圖可知是一個常量。差頻為:（2-8）測試系統(tǒng)光路圖2-4中的旋轉(zhuǎn)軸不僅存在轉(zhuǎn)動,而且還存在平動。由式(2-8)可以看出,差頻僅僅與旋轉(zhuǎn)角速度ω成正比,與軸的平動分量和橫截面形狀均無關(guān)。所以,實現(xiàn)了旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動、平動的分離,且測量的結(jié)果不受激光光斑在軸截面輪廓上位置的影響,這是其他扭轉(zhuǎn)測量系統(tǒng)無法比擬的一個優(yōu)勢。但這種測試設(shè)備價格昂貴、對環(huán)境要求苛刻。而且激光扭振儀只能完成單通道的測量，要進行多通道的測量時必須同時使用多套儀器，成本將成倍增加，實際工程測量中幾乎不大可能使用?？偟膩碚f，非接觸測量法不需要在軸上安裝特殊裝置,而是利用軸上已有的等分結(jié)構(gòu),測量準(zhǔn)備工作較少,測量過程也不干擾軸的正常運轉(zhuǎn)。它適合扭振的長期監(jiān)測之用,將成為大型旋轉(zhuǎn)機械扭振測量和監(jiān)測的主要方法。但是也存在一些不足，軸上已有的等分齒形結(jié)構(gòu)一般齒數(shù)較少,軸轉(zhuǎn)動一周得到的脈沖數(shù)也較少,不能測到小幅度的扭振。2.3調(diào)制解調(diào)法調(diào)制解調(diào)法可以說是間接測量法的一種。當(dāng)實際的工作環(huán)境或是測試現(xiàn)場無法安裝傳感器時，采用一種間接的測量方法來獲取扭振信息就很有必要了。只要測得與扭振相關(guān)的物理量，再用調(diào)制解調(diào)分析方法即可獲取所需要的扭振信息。尤其在故障診斷中，解調(diào)分析技術(shù)比其實驗檢測技術(shù)更有優(yōu)越性，實現(xiàn)方法更簡單，更準(zhǔn)確.1982年RnadallRB使用高通絕對值分析解調(diào)方法成功解決了齒輪調(diào)制性故障的診斷問題；此后ChenYangbo和FengQing研究了基于經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解的希爾伯特變換，即先通過經(jīng)驗?zāi)B(tài)把一列時間序列數(shù)據(jù)分解，然后經(jīng)過希爾伯特變換獲得頻譜信號的處理方法。到1997年張建勛、羅德?lián)P利用希爾伯特變換技術(shù)對扭振信號進行幅、相解調(diào)，將其用于扭轉(zhuǎn)振動的檢測和分析，將測試信號變?yōu)榻馕鲂盘?而后將其幅值和相位調(diào)制分量分解出來[19-21]。近年來，希爾伯特變換(HTF)技術(shù)常常被用在信號分析中，它是將一個一維時域函數(shù)轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的一個二維時域解析函數(shù)。在特定條件下，這個解析函數(shù)的相角和模就代表了原時間函數(shù)的相位特性及包絡(luò)特性，即實現(xiàn)了對信號的幅值和相位解調(diào)。與傳統(tǒng)模擬方法相比，此方法具有精度高、適應(yīng)性強、應(yīng)用范圍廣等一系列無可比擬的優(yōu)勢,適用于有高精度要求的扭振測試中。2.4本章小結(jié)無論是接觸式測量法還是非接觸式測量法或者調(diào)制解調(diào)法，都有其適用的場合，各自的優(yōu)缺點也比較鮮明。本章詳細介紹了現(xiàn)有的四種不同的測量方法，并一一分析了它們的特點及應(yīng)用場合，為下文進行模態(tài)試驗及試驗分析提供了理論依據(jù)。3模態(tài)分析基本理論模態(tài)分析是研究結(jié)構(gòu)動力特性一種近代方法，是系統(tǒng)辨別方法在工程振動領(lǐng)域中的應(yīng)用。模態(tài)是機械結(jié)構(gòu)的固有振動特性，每一個模態(tài)具有特定的固有頻率、阻尼比和模態(tài)振型。這些模態(tài)參數(shù)可以由計算或試驗分析取得，這樣一個計算或試驗分析過程稱為模態(tài)分析。這個分析過程如果是由有限元計算的方法取得的，則稱為計算模態(tài)(理論模態(tài))分析；如果通過試驗將采集的系統(tǒng)輸入與輸出信號經(jīng)過參數(shù)識別獲得模態(tài)參數(shù)，稱為試驗?zāi)B(tài)分析。通常，模態(tài)分析都是指試驗?zāi)B(tài)分析。3.1理論模態(tài)分析基本理論3.1.1背景概述模態(tài)分析的基礎(chǔ)是在機械阻抗和導(dǎo)納的概念上發(fā)展起來的。近十余年來，隨著振動理論、信號分析、數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計及自動控制理論的日益成熟,模態(tài)分析理論吸收其中的有關(guān)營養(yǎng)，結(jié)合自身內(nèi)容，逐漸形成了一套獨特的理論，對模態(tài)分析和參數(shù)識別的發(fā)展提供了理論依據(jù)。控制理論中的傳遞函數(shù)概念的引入，極大地推動了模態(tài)分析理論的發(fā)展。傳遞函數(shù)是系統(tǒng)在頻域中識別模態(tài)參數(shù)的重要依據(jù)，反映系統(tǒng)輸入與輸出之間的關(guān)系。因此，分析傳遞函數(shù)的特性，并建立它與模態(tài)參數(shù)之間的關(guān)系，是模態(tài)分析理論中的重要內(nèi)容。振動模態(tài)分析[22]，就是利用系統(tǒng)固有模態(tài)的正交性，以系統(tǒng)的各階模態(tài)向量所組成的模態(tài)矩陣作為變換矩陣，對選取的物理坐標(biāo)進行線性變換，使得振動系統(tǒng)以物理坐標(biāo)和物理參數(shù)所描述的、相互耦合的運動方程組能夠變成一組彼此獨立的模態(tài)方程。因為坐標(biāo)變換是線性變換，所以模態(tài)分析又可看做是模態(tài)疊加。而各階模態(tài)的響應(yīng)則決定了各階模態(tài)在疊加中所占的比重。實際的工程結(jié)構(gòu)均可看做是為有阻尼的多自由度系統(tǒng)。對多自由系統(tǒng)而言，不僅分析的復(fù)雜性增加了，而是還具有單自由度系統(tǒng)所沒有的特性。實際結(jié)構(gòu)的阻尼特性是十分復(fù)雜的。然而截至目前，還沒有一種完備而有效的阻尼模型，能夠比較真實且準(zhǔn)確地反映實際結(jié)構(gòu)的阻尼特性。現(xiàn)有的各種阻尼模型都是根據(jù)經(jīng)驗假設(shè)提出來的。即便如此，我們依然利用已有的阻尼模型分析問題。本文所使用的試驗?zāi)B(tài)分析方法，即通過對機構(gòu)的振動測試來獲得機構(gòu)的振動數(shù)據(jù)，并以之建立數(shù)學(xué)模型，進而識別模態(tài)參數(shù)，建立以模態(tài)參數(shù)表示的運動方程這樣一個過程。在實際結(jié)構(gòu)振動時，由于阻尼的分散性，各點的振動除了振幅不同外，振動相位也相異。這就使系統(tǒng)的特征頻率及特征向量成為復(fù)數(shù)，從而形成所謂的“復(fù)模態(tài)”。復(fù)模態(tài)的性質(zhì)與實模態(tài)不同,后者是前者的一個特例。因此在實際工程結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)中，復(fù)模態(tài)比實模態(tài)更具有一般性。3.1.2模態(tài)理論分析在結(jié)構(gòu)動力學(xué)問題中結(jié)構(gòu)固有頻率和固有振型是動力學(xué)問題分析的基礎(chǔ)。在無阻尼自由振動的情況下,結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型可轉(zhuǎn)化為特征值和特征向量的問題。要研究轉(zhuǎn)軸的動態(tài)特性，首先要建立該系統(tǒng)的運動微分方程。一般地，多自由度的動力學(xué)的通用方程為（3-1)式中:[M]—質(zhì)量矩陣；[C]—阻尼矩陣；[K]—剛度矩陣；對于模態(tài)分析，F(xiàn)(t)=0,[C]一般忽略，則上式變?yōu)槿缦滦问剑?-2）由于彈性體的自由振動可分解為一系列簡諧振動振動的疊加，即位移為正弦函數(shù)，故可令其解為（3-3）將式（3-3）代入式（3-2）得到特征方程：（3-4）上式為經(jīng)典的特征值問題，此方程的根為，即特征值，i的范圍從1到自由度的數(shù)目，相應(yīng)的特征向量（振型）為。從式（3-4）解得（3-5）其開方為結(jié)構(gòu)的自然固有頻率。3.2試驗?zāi)B(tài)分析基本理論3.2.1背景概述模態(tài)實驗分析也就是模態(tài)分析的試驗過程，是終合運用線性振動理論、動態(tài)測試技術(shù)、數(shù)字信號處理和參數(shù)識別方法等手段進行系統(tǒng)識別的過程。實驗?zāi)B(tài)分析的目的是對已知結(jié)構(gòu)或系統(tǒng)進行識別與評價，了解結(jié)構(gòu)或系統(tǒng)的動態(tài)特性及所存在的問題，為驗證和修改結(jié)構(gòu)動力學(xué)的分析模型提供實驗依據(jù)。我們常常把振動系統(tǒng)的各階固有頻率、振型，模態(tài)質(zhì)量、剛度和阻尼等作為表征模態(tài)的特征參數(shù)，并把系統(tǒng)各階模態(tài)參數(shù)的求取作為模態(tài)分析的主首要任務(wù)。但結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性主要由少數(shù)的前幾階模態(tài)決定，而且階數(shù)越低影響越顯著，所以模態(tài)試驗時一般只需識別前幾階模態(tài)即可。因此，對現(xiàn)有結(jié)構(gòu)進行實驗?zāi)B(tài)分析是十分必要的。結(jié)構(gòu)動力學(xué)逆問題的一個主要方面是對結(jié)構(gòu)的動態(tài)力學(xué)性能進行研究。通過對實測結(jié)構(gòu)的輸入和輸出來確定系統(tǒng)的動態(tài)特性，從而建立系統(tǒng)的分析模型。其內(nèi)容分為系統(tǒng)識別和參數(shù)識別兩大類。按系統(tǒng)輸入輸出個數(shù)分類，參數(shù)識別可分為：單輸入/單輸出（SISO）、單輸入/多輸出（SIMO)、多輸入/多輸出（MIMO),此類方法主要是利用結(jié)構(gòu)質(zhì)量較輕的構(gòu)件。對一些超大型結(jié)構(gòu)件，常常采用另一種實驗方法，也就說通常所說的工作模態(tài)分析方法（OMA），這是一種不需要激勵信號的模態(tài)試驗方法[23]。模態(tài)分析是一門綜合性技術(shù)，廣泛應(yīng)用與各個工程結(jié)構(gòu)和各種工程部門。如航空、機械、交通運輸?shù)阮I(lǐng)域。歸結(jié)起來主要有以下幾個方面：（1）獲得結(jié)構(gòu)的固有頻率，避免共振現(xiàn)象的發(fā)生當(dāng)外界激勵力的頻率等于振動系統(tǒng)的固有頻率時，系統(tǒng)發(fā)生共振現(xiàn)象，使系統(tǒng)最大限度地從外界吸收能量，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)松散，甚至是嚴重毀壞。工程設(shè)計人員可利用模態(tài)分析結(jié)果，設(shè)法使機械結(jié)構(gòu)工作在固有頻率范圍內(nèi)，避免發(fā)生共振。（2）進行結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計建立有限元模型時，在邊界條件的處理和力學(xué)模型的簡化上，往往與實際結(jié)構(gòu)相差較大，用模態(tài)分析的參數(shù)對有限元模型進行修改，使其更能符合實際，提高有限元分析的精度。（3）應(yīng)用模態(tài)疊加法求結(jié)構(gòu)響應(yīng)，確定動強度和疲勞壽命任何線性結(jié)構(gòu)在已知外部激勵作用下的響應(yīng)是可以通過每個模態(tài)的響應(yīng)疊加而成的。所以模態(tài)分析可以應(yīng)用于建立結(jié)構(gòu)動態(tài)響應(yīng)的預(yù)測模型，為結(jié)構(gòu)的動強度設(shè)計及疲勞壽命的估計服務(wù)。（4）控制結(jié)構(gòu)的輻射噪聲結(jié)構(gòu)噪聲是由于結(jié)構(gòu)振動引起的。結(jié)構(gòu)振動時，各階模態(tài)對噪聲的“貢獻”各不相同，對其貢獻較大的幾階模態(tài)成為“優(yōu)勢模態(tài)”。抑制或調(diào)整優(yōu)勢模態(tài)便可降低噪聲。（5）識別結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的載荷。某些結(jié)構(gòu)在工作時所承受的載荷很難測量，此時可通過實測響應(yīng)和由模態(tài)分析所得到的模態(tài)參數(shù)來加以識別。此方法在航空、航海及核工程中應(yīng)用較廣[24]。3.2.2模態(tài)激振方法實驗?zāi)B(tài)分析的激振方法常用的有三種：正弦激振、隨機激振和瞬態(tài)激振。正弦激振屬于單頻激振，使用歷史長，技術(shù)成熟，測試精度高，但測試速度低，激振設(shè)備復(fù)雜。隨機激振屬于寬屏激振技術(shù)范疇，它又分為純隨機激勵和偽隨機激勵，此類設(shè)備比較復(fù)雜，測試時間很長，但可以用總體平均的方法消除非線性因素的影響。由于隨機激振在很寬的頻率范圍內(nèi)不會引起共振響應(yīng)，所以可以在機器工作時進行測試而不影響它的正常運行和對它的控制。本實驗采用瞬態(tài)激勵法。它又可分為錘擊法、階躍法和快速正弦掃描法三種。錘擊法使用帶力傳感器的力錘對結(jié)構(gòu)施加力，由裝在結(jié)構(gòu)上傳感器測量瞬態(tài)響應(yīng)，測試信號經(jīng)電荷放大器放大后送入數(shù)據(jù)采集裝置，最終傳送到計算機內(nèi)進行分析處理。此方法的優(yōu)點是激振設(shè)備簡單，測試效率高，便于現(xiàn)場測試。但激振力的大小很難控制，且激振力的能量有限。所以在保證上限激振頻率足夠高的前提下，應(yīng)盡量延長脈沖波持續(xù)時間。為此，設(shè)備有可更換的各種硬度的錘帽（用鋼、鋁、塑料等制成，安裝在力傳感器頂部）以供使用。階躍法用能高速切割的繩索、能高速泄放的油缸對結(jié)構(gòu)突加或突泄常力來激出結(jié)構(gòu)的響應(yīng)，常用于測試太陽能電池板之類的脆性結(jié)構(gòu)。快速正弦掃描法的原理是在幾秒或十幾秒的時間內(nèi)，將信號發(fā)生器的頻率從低頻掃到高頻，并經(jīng)功率放大器放大后，傳輸至激振器激勵被測結(jié)構(gòu)。此方法的特點是：力的頻譜在測試頻率范圍內(nèi)基本是平直的，輸入結(jié)構(gòu)的能量比前兩種方法大得多。綜合考慮瞬態(tài)激勵法的三種激勵方式的優(yōu)缺點和現(xiàn)有實驗條件，本文選用錘擊法為實驗的激振方法[25]。3.2.3模態(tài)分析系統(tǒng)隨著現(xiàn)在計算機技術(shù)和振動測試技術(shù)的不斷發(fā)展，產(chǎn)生了各種高精度、多功能的模態(tài)測試分析系統(tǒng)。以計算機為主體結(jié)構(gòu)的模態(tài)特性試驗分析系統(tǒng)主要由三部分組成：激勵系統(tǒng)；測量系統(tǒng)；數(shù)據(jù)采集、處理和分析系統(tǒng)。如圖3-1所示：圖3-1模態(tài)試驗分析系統(tǒng)激勵系統(tǒng)用于激起結(jié)構(gòu)的振動。包括信號發(fā)生器、功率放大器和激振器。信號發(fā)生器用來產(chǎn)生激勵信號，可以用硬件或軟件實現(xiàn)。常用的激勵信號有正弦、隨機、瞬態(tài)和周期等。由于信號源提供的信號相當(dāng)微弱，實際實驗時，常常利用功率放大器將激勵信號進行放大，使之能推導(dǎo)激振器。測量系統(tǒng)主要包括傳感器、試調(diào)放大器和連接設(shè)備。壓電式傳感器是最常用的傳感器。在載荷識別時，也常用應(yīng)變片測量應(yīng)變，然后預(yù)估載荷。試調(diào)放大器的作用是放大傳感器所產(chǎn)生的信號，以便送至分析儀進行測量。數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)用于測量、處理和分析傳感器所產(chǎn)生的信號。包括傳遞函數(shù)（頻率響應(yīng)函數(shù)）分析儀及數(shù)字信號分析儀，后者為目前模態(tài)分析最常用的的分析儀器[22.26.27]。3.3試驗?zāi)B(tài)分析步驟試驗?zāi)B(tài)分析一般分為以下四個步驟：第一步：建立測試系統(tǒng)所謂建立測試系統(tǒng)就是為了確定實驗對象，選擇激振方式，選擇力傳感器和響應(yīng)傳感器，并對整個測試系統(tǒng)進行校準(zhǔn)測試。第二步：測量系統(tǒng)的響應(yīng)數(shù)據(jù)這是試驗?zāi)B(tài)的關(guān)鍵一步，測量得到的數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性直接影響模態(tài)測試的結(jié)果。在激振力作用下，被測系統(tǒng)一旦被激振起來，就可通過測試儀器測量得到激振力或響應(yīng)的時域信號，再將其轉(zhuǎn)化為頻域信號，就可以得到系統(tǒng)頻響函數(shù)的平均估計。第三步：進行模態(tài)參數(shù)估計即利用測量得到的頻響函數(shù)或時間歷程來估計模態(tài)參數(shù)，包括：固有頻率、模態(tài)振型、模態(tài)阻尼等。第四步：模態(tài)模型驗證它是對第三步模態(tài)參數(shù)估計所得結(jié)果的正確性進行檢驗，它是對模態(tài)試驗成果評定以及進一步對被測系統(tǒng)進行動力學(xué)分析的必要過程。3.4本章小結(jié)在本章內(nèi)容中，首先介紹了理論模態(tài)分析、實驗?zāi)B(tài)分析的基本理論和模態(tài)激振方法；然后介紹了模態(tài)試驗系統(tǒng)的組成及其分析步驟，為后續(xù)測試系統(tǒng)的建立、試驗方案的制定提供了理論依據(jù)。4扭轉(zhuǎn)振動試驗?zāi)B(tài)分析前面章節(jié)介紹了試驗?zāi)B(tài)分析的基本理論和試驗?zāi)B(tài)分析技術(shù)，包括模態(tài)激振方法、試驗?zāi)B(tài)分析系統(tǒng)的組成和試驗?zāi)B(tài)分析步驟。本章在結(jié)合基本理論的基礎(chǔ)上，對自己設(shè)計的轉(zhuǎn)盤系統(tǒng)進行模態(tài)試驗分析，對試驗方案、試驗系統(tǒng)、試驗過程及試驗?zāi)B(tài)結(jié)果進行逐一闡述。4.1試驗方案4.1.1試件的設(shè)計思想測扭裝置的設(shè)計是建立轉(zhuǎn)軸扭振測量方法的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。測扭裝置的作用是感受被測轉(zhuǎn)軸上的扭轉(zhuǎn)振動信號,并將微弱的扭轉(zhuǎn)振動信號轉(zhuǎn)化為較大幅度的扭振信號供計算機進行分析。測扭裝置所產(chǎn)生的扭振信號應(yīng)在頻率上與轉(zhuǎn)軸的扭轉(zhuǎn)振動信號保持一致,在幅值上是扭振信號的比例放大,即該信號能夠直接放映轉(zhuǎn)軸扭轉(zhuǎn)振動的特征,這是能否準(zhǔn)確測量轉(zhuǎn)軸扭振的關(guān)鍵所在。所以筆者在設(shè)計時，為了得到真實且較強的扭振信號，在轉(zhuǎn)軸上布置了一個盤，起到放大扭振信號的作用。盤是鋁制的，質(zhì)量僅有0.16kg,相比于19.85kg的轉(zhuǎn)軸，其附加質(zhì)量非常小，幾乎可以忽略不計。而且結(jié)構(gòu)簡單，便于加工，使整體測扭裝置結(jié)構(gòu)大大簡化，便于試驗。圖4-l是測扭裝置總體結(jié)構(gòu)圖。測扭裝置主要包括轉(zhuǎn)軸、轉(zhuǎn)盤、激振棒等。1-被測軸2-盤3-激振棒圖4-1總體結(jié)構(gòu)圖(1)轉(zhuǎn)軸測扭裝置的軸是一根長900mm,直徑為60mm的鋼軸。如圖4-2所示,此次試驗的主要目的是找出轉(zhuǎn)軸的前幾階扭振頻率和振型。圖4-2轉(zhuǎn)軸的結(jié)構(gòu)(2)轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)盤的結(jié)構(gòu)如圖4-3所示：圖4-3轉(zhuǎn)盤的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)盤是一個內(nèi)徑為60mm,外徑為100mm,厚度為12mm的鋁質(zhì)圓環(huán)。轉(zhuǎn)盤的一側(cè)開有通槽，并在通槽的上下兩邊鉆了通孔和螺紋孔，以便于轉(zhuǎn)盤在轉(zhuǎn)軸上既可以軸向移動又可以周向固定。(3)激振棒激振棒屬于激勵系統(tǒng)，用于激起結(jié)構(gòu)的振動。其結(jié)構(gòu)的具體參數(shù)見圖4-4。圖4-4激振棒結(jié)構(gòu)圖4.1.2基于MSC-Nastran轉(zhuǎn)軸模態(tài)仿真分析模態(tài)分析是動力學(xué)分析的重點內(nèi)容，主要用于確定設(shè)計中的機械結(jié)構(gòu)的振動特性，包括固有頻率和模態(tài)振型。由于模態(tài)分析不是本文的研究重點，所以此處只對基于MSC-Nastran的仿真作簡單介紹。其分析步驟可分成三個階段，前處理、處理和后處理。前處理是建立有限元模型，完成單元網(wǎng)格劃分；后處理則是采集處理分析結(jié)果，使用戶能簡便提取信息，了解計算結(jié)果。一般來說，建立正確的有限元分析模型是對研究問題求解的前提條件。其中，建立正確的動力學(xué)模型是進行結(jié)構(gòu)動力分析及優(yōu)化設(shè)計的關(guān)鍵。本文中所設(shè)計的轉(zhuǎn)盤結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，要建立精確完整的動力學(xué)模型相當(dāng)困難。因此，需要針對分析的目的正確簡化模型是分析過程中極為重要的一步，本文中設(shè)計的簡化原則為：在不影響模型精度的基礎(chǔ)上，將零部件上的一些細節(jié)特征進行壓縮處理，可以壓縮模型上的修飾特征，如圓角、棱角、小的槽和定位孔等。根據(jù)以上簡化原則，采用六面體單元對光軸和轉(zhuǎn)盤進行網(wǎng)絡(luò)劃分，光軸總共劃分了1620個六面體單元;盤總共劃分了72個六面體單元。其三維實體模型如圖4-5。圖4-5軸-盤有限元實體模型本文中，軸采用的材料是45鋼；盤采用的材料是鋁，其具體參數(shù)如表4-1所示。表4-1材料參數(shù)材料密度（kg/m3)泊松比彈性模量(Mpa)45鋼78000.302.10e+11鋁27000.337.0e+104.1.3仿真分析結(jié)果模態(tài)分析關(guān)心結(jié)構(gòu)的固有特性，與外界載荷無關(guān)，與運動狀態(tài)無關(guān)，是進一步分析振動分析的基礎(chǔ)[28]。通過模態(tài)分析獲得各階固有頻率和振型，為下文的模態(tài)分析提供參考依據(jù)。在模態(tài)提取方法中,與其他方法相比，Lanczos法具有求解精度高,計算速度快等優(yōu)點。本文采用BlockLanczos法求解轉(zhuǎn)軸的前2階扭振固有頻率和振型,如表4-2所示。表4-2前2階固有頻率和振型階數(shù)頻率陣型11730.923359.34.2模態(tài)試驗系統(tǒng)模態(tài)試驗測試系統(tǒng)由3部分組成[29]，即激振系統(tǒng)、拾振系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)。如圖4-6所示。圖4-6模態(tài)試驗測試系統(tǒng)錘擊激勵脈沖對應(yīng)一定頻率范圍成分,是一種寬頻帶的快速激勵方法。試驗采用單點激振多點拾振的錘擊法進行信號采集,即一個輸入力信號對應(yīng)多個輸出加速度傳感器感應(yīng)信號。本文中數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)使用的是比利時的LMSTest.Lab模態(tài)試驗測試與分析系統(tǒng)；力錘激振系統(tǒng)使用的是美國PCB公司生產(chǎn)的086C04型脈沖力錘；拾振系統(tǒng)使用的是美國PCB公司生產(chǎn)的356A16型ICP三向加速度傳感器。4.3模態(tài)試驗過程在試驗時為了更多的排除外界因素對軸-盤試件模態(tài)測試的干擾，本文采取把軸-盤試件用鋼絲繩懸掛起來，來模擬軸-盤系統(tǒng)試件的自由幾何邊界條件，如圖4-7所示。圖4-7軸-盤試件的懸掛一般希望把鋼絲繩在光軸上懸掛的位置選擇在振幅較小的位置，最佳懸掛點應(yīng)該是某階振型的節(jié)點處。本文采用是數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)為LMSTest.Lab模態(tài)試驗測試與分析系統(tǒng)，在進行模態(tài)分析試驗時，先要在此系統(tǒng)中建立好測試模型。測試模型由許多個測試點構(gòu)成，測試點的多少與分布應(yīng)該根據(jù)實體模型和試驗需要來決定。一般情況下，比較好的方法是把測試點在試件上按照某種程度地均勻分布，同時可以在感興趣的區(qū)域多布置幾個測試點。試驗?zāi)Ｐ蜏y點越多，越能充分表征結(jié)構(gòu)的固有模態(tài)屬性。不過試驗測點的過度增多對表征結(jié)構(gòu)的固有模態(tài)屬性并沒有太大的改善，反而增加了測試的困難和任務(wù)量，同時測試點不應(yīng)該靠近節(jié)點，這樣的測試點得到的信息才會有更高的信噪比。本文在進行測試時，測試件共布置了45個測點，前八個測試位置之間均勻分布，間隔100mm,最后一個位置因為實測時的裝夾問題所以與前面不同。其LMS模態(tài)測試模型如圖4-8所示。圖4-8LMS模態(tài)測試模型建立好了模態(tài)試驗的測試模型之后，下一步就是進行試驗的參數(shù)設(shè)置和激勵點的選擇。激勵點選擇的原則是以能有效激起各階模態(tài)，若激振點正好落在某階模態(tài)的反節(jié)點或者附近，則激勵力就能有效地激起該階的模態(tài)[30]。在進行模態(tài)試驗前試件整體結(jié)構(gòu)的模態(tài)特性是未知的，所以本文通過先選定幾個激振點進行錘擊激振實驗，然后測量若干個頻響函數(shù)，再觀察由哪個激振點激振所得到的頻響函數(shù)不丟失重要模態(tài)，以此點為最佳激振點。最后本文選取了激振棒試件的根部端點為激勵點，如圖4-9所示。圖4-9模態(tài)測試時激振點選擇好錘擊點后就對試驗中的參數(shù)進行設(shè)置。為了保證錘擊力為脈沖力，對錘擊的輸入信號加矩形窗，從而提高激勵信號的信噪比，測試頻率的范圍比較寬，可滿足一般結(jié)構(gòu)幾階到十幾階的振型及相應(yīng)的固有頻率[31]；對響應(yīng)信號加指數(shù)窗，這樣能夠加速振動的衰減，同時避免了頻響函數(shù)的泄露，提高頻響函數(shù)的精度。本文試驗采用鋁制錘頭，靈敏度設(shè)置為0.25mV/N；帶寬取5120Hz，采樣頻率即為取10240Hz，譜線數(shù)取5120，此時頻率分辨率為0.5Hz。此外，為了減少外界噪聲的干擾而引起的誤差，測試過程中我們采用了多次采集取平均值的辦法，使頻響函數(shù)曲線盡可能的光滑。本文在測試時選取3次錘擊對頻響函數(shù)取平均；而且在錘擊時使激振力錘的錘頭盡量與敲擊表面垂直，同時錘擊力的大小控制好，太大會過載太小信號分析困難[32]。試驗現(xiàn)場圖如圖4-10所示。a實驗試件和傳感器b數(shù)據(jù)處理裝置c力錘d數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)圖4-10轉(zhuǎn)-盤試件現(xiàn)場試驗圖完成整個軸-盤扭振試驗45個點的錘擊模態(tài)測試之后，用LMS軟件包自帶的數(shù)據(jù)處理分析系統(tǒng)ModalAnalysis進行模態(tài)分析，圓盤夾持在不同位置處測試得到FRF頻率峰值有偏移，其FRF函數(shù)頻譜圖如4-11所示，圖4-11加窗后FRF函數(shù)（力譜/響應(yīng)譜）在本次實驗中，被測件的扭振模態(tài)是所關(guān)心的，因此，對每個數(shù)據(jù)點只取X、Y方向的數(shù)據(jù)，由有限元仿真分析結(jié)果可知1階扭振頻率1730.9Hz，2階扭振頻率3359.3Hz，3階扭振頻率5164.5Hz（超出測試設(shè)置帶寬），根據(jù)測試結(jié)果取定分析頻帶為1240.04~3826.68Hz，由實驗數(shù)據(jù)得到的穩(wěn)態(tài)振型圖：圖4-12穩(wěn)態(tài)振型圖4.3試驗結(jié)果與分析對轉(zhuǎn)-盤裝置進行模態(tài)特性試驗后,錘擊脈沖激勵法試驗數(shù)據(jù)分析得到主軸前2階扭振頻率及振型。由穩(wěn)態(tài)圖得到實驗關(guān)心的2階扭振固有頻率如下表所列：表4-3扭振固有頻率固有頻率（Hz）阻尼比1753.1550.87%3422.1750.80%其前兩階扭振仿真模態(tài)及測試模態(tài)振型如表4-4所示。表4-4仿真模態(tài)及測試模態(tài)振型仿真模態(tài)測試模態(tài)振型由試驗得出的前2階扭振頻率與理論分析得出的固有頻率相近,數(shù)值相比一階略高，二階略低。計算值與試驗值比較,相對誤差均在5%以內(nèi),如表4-5所示。表4-5扭振固有頻率計算值與試驗結(jié)果比較階數(shù)計算頻率/Hz試驗頻率/Hz相對誤差/%1階1730.91753.151.32階3359.33422.751.9由上可見其相對誤差較小，說明本實驗測試方法可靠,精度達到工程要求。出現(xiàn)數(shù)據(jù)誤差的可能原因:（1）在建立有限元模型時采用了很多簡化和理想的假設(shè),其中軸與盤之間的配合剛度問題和在建立模型過程中對槽口和螺紋孔、光孔等的省略,都能影響主軸動態(tài)性能的測量,使其固有頻率上下波動。（2）建模時材料的彈性模量、質(zhì)量密度、邊界條件的設(shè)置等參數(shù)取值的準(zhǔn)確性都會影響模態(tài)試驗結(jié)果。（3）測試前，試驗測點位置、激勵方向、力錘材質(zhì)等導(dǎo)致錘擊脈沖無法激勵出全部固有頻率,部分振型不能完全識別。(4)在測量時,加速度傳感器本身的誤差和安裝誤差也對此實驗有很大影響,此外，錘擊的力度及熟練程度也對實驗結(jié)果造成一定的影響。4.4本章小結(jié)本章首先闡述了模態(tài)試驗試件的設(shè)計思想，然后利用有限元分析軟件對其進行建模仿真；其次是模態(tài)試驗前的準(zhǔn)備，最佳錘擊點的選擇以及相應(yīng)參數(shù)的設(shè)置；最后進行試驗，獲得實際試驗數(shù)據(jù)；將其經(jīng)過處理后得到的前2階扭振頻率以及相應(yīng)振型與仿真結(jié)果相比較，誤差較小，達到了預(yù)期目標(biāo)。5總結(jié)與展望5.1全文總結(jié)本文是在搜索、查閱大量關(guān)于扭振測試方法文獻、論著的基礎(chǔ)上，歸納總結(jié)現(xiàn)有的扭振測試技術(shù)和測試方法，將模態(tài)試驗分析方法應(yīng)用于軸類扭轉(zhuǎn)振動的測試中，并搭建實驗臺進行實驗。利用LMSTest.Lab（模態(tài)試驗數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)），對被測軸的扭振信號進行采集、處理、分析，并將測試數(shù)據(jù)與理論數(shù)據(jù)進行比較，經(jīng)驗證該測試方法是可行的，且測試精度較高。為此本人做了如下工作：（1）闡述了課題的背景及研究目的意義，對軸類扭振測量技術(shù)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和扭振測試儀器的發(fā)展現(xiàn)狀做了簡要的介紹。（2）對軸類扭振測量方法進行分析。詳細地比較了接觸測量法、非接觸測量法以及調(diào)制解調(diào)分析法的優(yōu)缺點和使用場合。（3）簡要闡述了理論模態(tài)分析、實驗?zāi)B(tài)分析的基本理論。然后介紹了模態(tài)試驗方法、試驗?zāi)B(tài)分析系統(tǒng)的組成和模態(tài)分析步驟。（4）合理的設(shè)計并加工了軸、盤試件，并應(yīng)用MSC-NASTRAN軟件對實測軸進行仿真分析;選擇合理的錘擊點和參數(shù)設(shè)置，并進行了模態(tài)測試試驗，得到了整體結(jié)構(gòu)的前幾階扭振模態(tài)振型以及對應(yīng)的固有頻率。把模態(tài)試驗結(jié)果與有限元模態(tài)計算結(jié)果相比較，得到了比較好的結(jié)果。5.2工作展望對動力機械軸類扭振的分析和測量是一個理論性和工程實踐性都很強的綜合性研究課題，它涉及機電系統(tǒng)、計算機技術(shù)、測試技術(shù)和材料工藝等眾多學(xué)科和領(lǐng)域，需要進行大量的理論與實驗研究。本文利用有限元模態(tài)分析技術(shù)和模態(tài)實驗相結(jié)合的方法對軸類零件的扭振測試方法做了一定的研究，但是由于實際條件及時間的限制，此次研究工作尚有不足之處，有些方面還需要做進一步的探索，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：（1）在測試的過程中，轉(zhuǎn)盤需要在被測軸上軸向移動。但是每次裝夾的力度多少有些差異，從而造成整個裝置的剛度有所變化，所以轉(zhuǎn)盤夾持在不同位置時測試得到FRF頻率峰值有偏移，這一點需要繼續(xù)改善。（2）對于試驗者來說，錘擊力的大小不易控制，易造成隨機誤差，影響測試結(jié)果的準(zhǔn)確性.所以該敲擊水平有待于進一步提高。（3）本文僅實現(xiàn)了軸類扭振的測量，并沒有考慮彎曲振動、縱向振動以及它們的耦合作用。從發(fā)展的趨勢來看，實現(xiàn)彎扭縱的一體化測量，并將其分離開來單獨分析研究將是未來的重點。參考文獻[1]桑波,趙宏,譚玉山.激光多普勒扭轉(zhuǎn)振動測試技術(shù)的研究[J].中國激光,2003(8).[2]黃文虎，夏松波，劉瑞巖.設(shè)備故障診斷原理、技術(shù)及應(yīng)用[M].科學(xué)出版社，1996:1-4.[3]雷繼堯.壓電角加速度式扭振遙測系統(tǒng)的研究[J].重慶大學(xué)學(xué)報.1985(9).[4]王艷南.基于虛擬儀器旋轉(zhuǎn)機械軸系振動測試研究[J].2010(5).[5]Draminski,P.Extendedtreatmentofsecondaryresonance[J].Shipbuild.MarineEng.Int.1965,88.[6]Johnston,P.R.andShusto,L.M.Analysisofdieselenginecrankshafttorsionalvibrations[J].SAESpec.Pub