基于激光多普勒振动计的转轴系统的扭转振动测量外文翻译资料
2022-09-03 10:09
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基于激光多普勒振动计的转轴系统的扭转振动测量
Ling Xianga, Shixi Yangb, Chunbiao Ganb
a：河北省保定市华电路689号，华北电力大学，机械工程系，071003
b：浙江省杭州市，浙江大学，机械工程系，310027
摘 要
在电网冲击下,本文利用激光扭转振动计测量转轴系统的扭转振动。基于激光多普勒测速仪的原理,激光扭转振动计(the laser torsional vibrometer, LTV)采用非接触式测量方法测量转轴的扭转振动,相比于传统的技术具有显著的优势。此外,本文利用修改后的黎卡提微分扭转传递矩阵分析了高度复杂的轴系系统。该系统被建模成为一个由带有集中质量点的弹性弹簧组成的链,同时为此系统建立了连接后的质量模集中型。通过修改后的黎卡提微分扭转传递矩阵法，在获得固有频率的的过程中有效的消除了积累计算。电网冲击可以激起轴系的扭转振动,被激起的扭转振动频率包含轴系的固有频率。利用激光多普勒扭转振动计，可以测量电网冲击下轴系的扭转振动。通过比较, 测量的固有频率与计算结果相一致。结果验证了仪器的鲁棒性好、操作简便，可以原位校准。激光扭转振动计表明了旋转机械的故障诊断研究向前迈出了重要一步。
1.引 言
在转轴系统中，扭转和弯曲振动同样重要。由于汽轮机转子故障在南加州爱迪生公司莫哈维族火车站在1970年和1971年[1]，行业的注意力都集中在轴的扭转振动引起的传输操作在一个水轮发电机。典型的扭转振动问题,汽车、船用推进和工业应用包括曲轴的振动,传动轴,齿轮箱组件磨损。在这些情况下轴开裂,耦合恶化和齿轮故障结果[2,3]。基础研究汽轮发电机轴扭转振动,发生在次同步的共振和高速重合,是计算振动的特征频率和响应。
在动力装置发展初期，由于当时技术水平的限制，在相当长的一段时间内，在轴系的强度设计工作中，是把轴系作为绝对刚体来处理的。当时认为，轴系中应力的变化完全取决于载荷或其受力情况。但在19世纪末，在工业发达国家对内燃机广泛应用后，由于在动力、海路交通运输部门所使用的内燃机装置中，各种断轴事故不断发生，这就促使研究设计人员和工程师们，从实践中认识到，把轴系作为绝对刚体来处理显然是不合理的，须作为弹性体系进行研究。正是由于轴系具有弹性，才使轴系产生扭转振动，造成各种断轴事故，从而导致对这项工作深入的理论研究和测量。19世纪末道20世纪初，各种断轴事故的分析报告及有关文章逐渐出现，对于轴系扭转振动的研究也逐渐深入。1916年在德国盖格尔发表了机械式盖格尔振动仪测量轴系扭转振动的文章后，扭转振动的研究开始了实测和试验阶段。到20世纪50年代末，扭转振动的研究逐渐成熟，计算方法和研究手段也日趋多样化。
本应用笔记描述和分析了使用两个扭振米2523型关键,严重有时限的,故障情况[4]。扭转振动米2523型是在说明书中引入的[5]。本特利内华达公司扭转振动信号调节器(TVSC)[6]可以产生方波信号与变量时期代表的扭转振动。它被用来检测转子轴裂纹,还需要安装一个轴上的齿轮。Wang和Davies[7]用磁传感器通过牙齿的感觉齿轮轮安装在发动机轴。信号的频率随着发动机转速的变化而变化。系统使用一个快速柜台和个人电脑的连接。
上述所有生产信息系统需要进一步测量运动在x和y方向和很难安装,或不灵活。因此有一个真正的需要一个扭转振动换能器的用户友好并立即在现场的情况下可以提供数据。激光扭转振动计 [8]扩展的应用程序技术,实现准确的非接触式测量旋转组件的扭转振动和克服的局限性传统仪表[9]。LTV的测量受目标形状的影响,允许使用任意截面的组件。使用的一个轴或端面是可能的，这是有利的访问限制。此外，该系统使用最少的光学组件和简单的信号处理要求[10,11]。经常探测器带应用于目标轴促进使用低功率激光器。扭转振动计2523型[12]设计进行扭转振动测量，这不是可行的安装传感器在旋转对象。南安普顿大学声音和振动研究所的布鲁尔·卡亚尔技术为基础开发出了2523型设计。这是一个易于使用，高度精确、可靠的振动测量系统。
2. 激光扭转振动计的测量原理
激光有一个固有的属性,使激光技术适用于扭转振动计的使用。当一束激光随后分割和重组,一个定义良好的调制的光束相位关系仍然存在,即使它的组件梁不同距离的旅行。这就是所谓的时间相干性,最大值路径的差异在它适用是相干长度。
图1 激光扭转振动计的内部电子和光学组件结构示意图
电子和光学组件的示意图激光扭转振动计图1所示。系统的核心是一个低功率激光(lt;1.5mW)。激光光束分裂成两个相同强度平行光束隔开距离。
（1）
是的瞬时旋转半径，是的瞬时旋转半径。梁的轴表面点和。每个点的瞬时速度和,转动轴,分别是和。轴本身也有一个，每个梁只能看到的瞬时速度速度在一个方向上：
（2）
因此频移：
和
是激光的波长。这个信号包含所需的角振动信息。它不是实际直接解调信号。当光束到达他们外差的光电二极管,产生一个输出电流是在拍频调制的,也就是说,梁的频率因都卜勒频移之间的区别：
（3）
因此,击败频率成正比轴转速()和独立于任何固体轴的运动。如果激光束的平面不垂直于轴,那么也因为的函数,在是激光束的平面之间的夹角,飞机垂直于轴的轴旋转。
激光扭振仪旨在简化扭转振动的测量。激光扭振仪旨在简化扭转振动的测量。附件的回射的磁带是快速,从而减少机器停机时间和简化测量过程。
3. 扭转振动的信号提取
激光扭转振动的处理电子在简化框图信号计如图2所示。扭转振动换能器的信号主要由频率与转速成比例的目标。它既是频率和振幅调制。振幅调制的随机位置的玻璃球体回射的磁带。频率转速成正比,在扭转振动的情况下,信号是平行于一个过滤器银行和振幅探测器。从滤波器组、信号传递给一个快速变化的比较器方波。
图2 激光扭转振动计的电子信号处理简化框图
并行信号然后前往两个锁相环解调的调频信号。如果激光调频由于转速,也就是说,只有载波,然后从锁相回路的信号只有一个直流分量。如果载波频率调制,那么信号直流和交流分量。直流分量是目标和交流分量的转速是扭转振动。
接下来,通过调节放大器的信号。从那里通过 1.5 kHz的低通滤波器。信号通过三个不同的路线。直流分量(转速)得到信号后通过0.1赫兹低通滤波器。交流分量(角振动速度)旅行通过积分器并行获取角振动位移或直接通过多路复用器。比重模式选择多路复用器,所以只有感兴趣的信号目前通过一组过滤器,衰减器,放大器显示和交流输出插座。
光电检测器接收到的干涉信号也与频率合成器混频通过低通滤波器降频得到低频的测量信号。参考信号和测量信号经过混频和低通滤波处理后。转换到了最合适于模数转换（ADC)的频带范围内，接着采用两通道同步高速数据采集卡对这两路信号进行数据采集，这样更便于后面的信号处理，使得信号处理软件数据处理量大大减少，执行效率得到了提高，获得了更高的性价比。数据采集后的参考信号通过90度相移得到一对正交信号，这正交信号再分别与测量信号相乘，通过正反两次低通滤波滤掉所有调制信号频带范围外的频率成分，再接着后续的信号处理完成信号解调、数学计算、正弦逼近、信号分析及显示等功能。
4. 转轴系统的扭转固有特性
转轴系统的扭转固有特性是可以计算的，计算结果可以与激光多普勒振动计测量的扭转振动结果相对比。
目前，有限元传递矩阵方法是两种最普遍的方法分析轴系扭转振动系统。有限元法(FEM)制定转子由二阶系统微分方程直接用于控制设计和评估，而传输矩阵法(TMM)解决了动力问题在频域[13,14]。
转轴系统建模为一个弹性弹簧组成的链集中质量点，和黎卡提微分传递矩阵法可以用于计算机轴的扭转频相应的系统。轴系统可以被离散成n扭转振动单元,和中心线连接所有单位和大惯性系统的中心。如图3，轴现在相当于一个多集中质量模型。它由一个统一的，免费扭力杆长度和扭转刚度，携带质量惯性矩霁。这里的利益在于建立一个关系这个扭转振动系统的学。
图3 多段集中质量模型
系统的运动方程如图3，典型形式如下：
（4）
其中代表外部力矩作用在轴上，和代表分别转动角位移和角加速度，J和K分别代表了刚度和质量矩阵。外部扭矩时,固有频率和模式形状很容易得到以下方程:
（5）
系统进一步划分为一系列的动态特征单元(见图4)。端点的状态向量代表系统的扭转振动状态，而传递矩阵表示状态之间的关系相邻元素的向量。
图4 动力特性单位
对图4所示的运动方程可以用公式写成：
（6）
状态向量的是第i个扭转角位移，我是第i个内部扭转力矩，我代表第i个内部扭转力矩在右边,和我代表第i个内部扭转力矩在左边。左右通道变量的关系有以下形式：
（7）
其中，
（8）
（9）
把（8）和（9）代入（7）：
（10）
黎卡提微分传递矩阵：，，，，公式（10）变成：
（11）
（12）
公式 (12)的递归关系方程可以用来计算轴系的扭转振动系统的固有频率。与一个特定的计算步骤，必须有一个零点残余值试验频率之间，如果两个迹象剩余价值是不同的，也就是说，存在一个正确的频率方程的根试验频率，可以从微分计算获得。固有频率时证实，其相应的模式形状也可以推导出从情商。
图5显示了汽轮发电机轴系系统。这个物理轴系系统可以采用模拟高压缸转子,转子结构的低压缸转子、发电机转子，主励磁机转子。这个模拟轴是一个多转轴弹簧-质量系统，建模为163磁盘，如图3所示。
图5汽轮发电机的轴结构
轴系的扭转固有频率计算通过设备。轴系系统扭转振动是假定为免费,并开始部分的边界条件是和，而在结束部分和。所以，我们有和。
表1轴扭转振动的固有频率
前三个轴的扭转振动的固有频率如表1所示。在图6中，我们目前的模式形状对应于前三个自然频率。
图6 轴的前三个固定扭转模型
螺旋桨对轴系固有振动特性的影响主要体现在轴系的振动频率上，由于螺旋桨的存在相当于增大了轴系的悬臂长度，降低了其相对刚度，因此固有频率有很大程度的降低。分析轴系的固有频率，轴系的前两阶段固有频率可以在轴系的运行转速范围内，可以导致轴系的共振。因此轴系的旋转速度设法处在轴系共振频率之外。
5. 转轴系统的扭转振动测量
电力系统机电暂态过程引起的故障或操作条件的变化可能会导致涡轮发电机轴系统的扭转振动。扭转振动发生时，我们测量扭转振动信号从布鲁尔·卡亚尔通过激光多普勒振动计2523。图7显示了旋转的轴的扭转振动测量系统。
1.转轴系统 2. 扭转振动换能器MM0071 3. 扭转振动计2523 4. 计算机系统
图7 实验系统：(a)转轴图（b）转轴系统的扭转振动测量
电力系统中的电气干扰可以机电的振荡出现不同程度的电力网络和轴之间，将干扰力矩的平衡，并且可以激发振动响应的一个或多个轴的扭转模式。三相短路故障的数据分析如下。图8显示了时间和光谱图轴扭转振动的影响。图8显示了时间和轴的扭转振动的频谱图电网的影响。我们可以发现，扭转振动变化明显的图的影响。从图9中我们可以发现电力频率50 Hz和倍频是主要的组件，以及N / 3 x的振幅频率成分增加了。除此之外，第一个(7Hz)的高峰值和第三个(33.5Hz)产生扭转振动的自然频率轴,这是造成的影响。迫使轴产生扭转振动的影响，激发扭转振动的固有频率轴。在图8和9中放大可以改变角度，0.006751 / MV。 搅拌自然频率符合表1中计算值。这些结果证明的准确性和一致性的扭转振动计2523型。
（a）扭转响应的波形 （b）扭转响应的频谱
图8 冲击前利用激光扭转振动计测量扭转振动的时间和频谱图
（a）扭转响应的波形 （b）扭转响应的频谱
图9 电网冲击下利用激光扭转振动计测量扭转振动的时间和频谱图
6. 结论
激光扭振振动计测量扭转振动时，不接触转轴表面。测量扭转振动的能力，可以很容易地和快速地可以大大简化机械设计和分析。激光扭振测量提供了原位测量，从而避免了机械的停机时间和可旋转部件的任意形状的同时保持免疫的操作或组件固体运动。该仪器是健壮的、用户友好,可以在现场校准。
基于多集中质量模型和传递矩阵法,轴系的固有频率计算。通过激光多普勒振动计2523,轴系的扭转振动测量下电网的影响。影响可以激起轴系的扭转振动,和珍贵的轴系扭转振动频率的固有频率。通过比较,固有频率测量是通过计算值一致。
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