硕士论文基于希尔伯特变换的轴系扭振测量技术研究
摘要
本文分析了国内外扭振检测技术的发展和现状，介绍了一种用软件实现扭振检测的方法，该方法是基于希尔伯特变换解调原理。该检测模块设计是以DSP处理器为核心，首先通过FPGA控制A/D采集输入的调制信号，然后将其经过FIR带通滤波器处理后储存在FPGA芯片中的双口RAM中，再由DSP提取处理，用希尔伯特变换算法对信号进行频率解调，最后由DSP的USB接口输出解调后的数据，从而能准确分离出扭振信号。
论文首先介绍了基于希尔伯特变换实现扭振检测的原理及技术，其次介绍了调制模块的硬件架构和软件平台的构建，然后介绍了该模块的硬件电路的设计，包括DSP 外设及配置，FPGA实现FIR滤波器及双口RAM的设计，A/D转换接口电路等；最后文章重点介绍了在DSP中实现希尔伯特变换频率解调的软件设计。
本文的研究结果具有较大的工程实际意义，对于轴系的扭振检测具有一定的参考价值。
关键词：DSP，FPGA，希尔伯特变换，相位解调，扭振检测
I
Abstract 硕士论文
II
Abstract
The development and current situation of domestic and foreign torsional vibration
testing technology are analyzed in this thesis. We introduce a software method which can detect torsional vibration, based on Hilbert transformation demodulation. The design is based on DSP processor, at first the A/D picks up the signals controlled by FPGA; the signals are processed through the filter and stored in the dual-port RAM of the FPGA chip.
And then the signals are processed by the method of frequency demodulation of Hilbert transform. At last, the outputs are sended to computer, and then we can accurately isolate the frequency from torsional vibration signals.
Firstly, the theory and technology of the Hilbert transformation based detection of torsinal vibration are introduced. Secondly, the hardware design and the set up of software platform are put forward and discussed, and the design of the hardware is also introduced，including the connection of DSP and the dual-port RAM,A/D, the external interface and configuration of DSP and FPGA; Finally, the software of this system are introduced which are the core part of this thesis. Including the frequency demodulation of Hilbert transformation are implemented by DSP, the control of dual-RAM via FPGA.
The result of this research is provided with great signality of practical engineering and a valuable reference for detecting of torsional vibration.
Key Word: DSP，FPGA，the Hilbert transformation，frequency demodulation，torsional vibration detecting
硕士论文基于希尔伯特变换的轴系扭振测量技术研究
目录
摘要..............................................................................................................I Abstract ........................................................................................................... II 1 绪论 (1)
1.1课题背景 (1)
1.2国内外轴系扭振检测的发展及现状 (1)
1.3论文主要内容及结构安排 (3)
2 轴系扭振检测的设计方案 (4)
2.1扭振信号的产生原理 (4)
2.2设计方案 (6)
2.3本章小结 (7)
3 希尔伯特变换及解调原理 (8)
3.1希尔伯特变换的定义和性质 (8)
3.2希尔伯特变换的实现方法 (8)
3.3希尔伯特变换解调原理 (10)
3.4本章小结 (11)
4解调模块的硬件设计 (12)
4.1A/D转换接口电路设计 (12)
4.1.1 FPGA的介绍及芯片选择 (12)
4.1.2 A/D芯片介绍 (13)
4.1.3 A/D转换接口电路设计 (16)
4.2FPGA的外围配置电路设计 (18)
4.2.1 FPGA的时钟及电源电路 (18)
4.2.2 FPGA的加载电路 (19)
4.3DSP介绍及芯片选择 (20)
4.3.1 DSP的配置及应用电路 (22)
4.3.2 DSP的EMIF模块 (25)
4.4双口RAM的硬件实现 (29)
4.5本章小节 (31)
5 FPGA的逻辑设计及解调模块的软件设计 (32)
5.1FPGA的逻辑设计 (32)
5.1.1 FIR带通滤波器的设计 (33)
III
目录硕士论文
IV 5.1.2双口RAM的设计 (36)
5.2软件实现希尔伯特变换解调 (38)
5.2.1 CCS的介绍 (38)
5.2.2 DSPLIB库函数的介绍 (41)
5.2.3 利用希尔伯特变换实现软件解调 (42)
5.3本章小节 (44)
6仿真结果 (45)
6.1系统仿真环境 (45)
6.2双口RAM的仿真测试 (46)
6.3希尔伯特变换频率解调的仿真 (47)
6.3.1 MATLAB仿真 (47)
6.3.2 CCS软件仿真 (51)
6.4本章小结 (53)
7 总结与展望 (54)
7.1总结 (54)
7.2展望 (54)
致谢......................................................................... 错误！未定义书签。参考文献 (55)
硕士论文基于希尔伯特变换的轴系扭振测量技术研究1 绪论
1.1 课题背景
据调查，在很多大型低速回转机械的故障中，最主要形式之一是主传动轴的损坏，它破坏性非常大，而扭转振动又是引起主轴损坏的主要因素之一。扭转振动它有着非常复杂的机-电表现形式，它们的频繁发生，严重地危害了轴的安全，并且大大缩短了轴系的很多零部件的寿命，从而危及整个生产过程。
所以在很多电机转动过程中都需要对轴承进行实时监测，在大型设备运转的状态监测下，可对转动零件的扭振进行实时测量，根据机器运行情况设定一个正常时的标准参考量，当扭振信号相对于这个量出现异常时，系统将报警，提醒现场操作人员注意。许多回转机械的故障信息都能反映在扭振信号中，对扭振信号进行分析及处理就能判断故障发生的部位和严重程度，操作人员及时的对故障进行排除，可以防止事故发生还能延长轴承的使用寿命等。
目前很多发电机设备中都有轴系，然而轴系的运转关系到设备的寿命及工作安全，所以对轴系的监测起着关键的作用。因此，本课题以此为背景，通过对轴系扭振的检测，连续地观察轴系在各种运动状态下的动态特征，及时处理由于振动造成的故障，对旋转机械故障监测与诊断具有非常重要的意义。
1.2 国内外轴系扭振检测的发展及现状
很早以前人们对滚动轴承的故障检测只能通过听觉来加以判断，虽然熟练的技术员工能通过经验察觉到轴承发生的偏移与损伤部位，但这样很受主观因素的影响，所以需要不断的寻找新检测方法。
到1916年德国人发明了最早的扭振测量仪-机械式扭振仪。但是这种测试仪从安装、校正、使用再到数据收集和处理都非常困难，而且仪器的功能差，精度低，易磨损。这类方法是接触检测法，就是把传感器装在转轴上，通过传感器直接感知轴的扭振，这种方法在信号传递上有一定的困难。到1967年后，美国等工业国家开始了对发电机组轴系扭振进行理论和实验研究。对机组扭振固有频率及振型的理论计算和实际测试，继而分析轴系的疲劳寿命及损耗，从而开发了一系列的扭振监测和扭振受力分析系统，但这些系统非常庞大且设备非常复杂，在工业中应用也很不方便。二十世纪七十年代后，国内外相继开发出了一批电子扭振仪器，国外有如美国本特利公司生产的TVSC型，亚特兰大科仪公司的2524、2538、SD25-380型，英国AEDL公司生产的TV型，日本公司生产的DP-840型，国内的有上海生产的成套DTV-88型、东
1
1 绪论硕士论文
南大学研制出的NZ-T型等[11]。
目前测量方法主要分为两大类：接触法和非接触法。接触法是将传感器安装在转子上利用传感器直接感受转子的扭转信号，再通过无线电发送方式传到接收端，经过分析获得扭转振动的特征。非接触法一般是借助安装在轴上的码盘，由光电式非接触传感器感受扭振引起的不均匀脉冲信号，通过处理后达到测量扭振。非接触法是目前使用最多的方法。轴系扭振检测的方法有以下几种。
(1)振动测试法
在转轴上安装均匀分布的黑白反光带、齿轮或码盘，通过光电传感器或磁电传感器输出的每转N个脉冲信号来检测扭振。当系统无扭振发生时，这些脉冲间隔是均匀的，反之如果检测出不均匀的脉冲则表示轴系出现扭振故障。它的主要工作原理是利用轴系的元件工作表面出现压痕、疲劳剥落或局部腐蚀时，轴系就会出现偏转，从而就会出现非周期性的脉冲信号。这种信号可由安装在轴承座上的传感器来接收，然后传到外部设备上观察。这样通过对振动信号的分析就可以实现对滚动轴承运行状态的监测与诊断。
(2)冲击脉冲法
这种方法被公认为对诊断滚动轴承局部损伤故障工程实用性最强的。它工作原理是当滚动轴承运转时，滚动体如果接触到内外道面的缺陷区，就会产生低频冲击作用，所产生的冲击脉冲信号会激起SPM传感器的共振，共振波形一般为20 kHz～60 kHz，这里面包含了低频冲击和随机干扰的幅值调制波，经过窄带滤波器和脉冲形成电路后，得到包含有高频和低频的脉冲序列。冲击脉冲方法根据这引起的反映冲击力大小的脉冲序列来判断轴承状态。但这种方法也有不足之处，它的固定中心频率和带宽的方法都有局限性，因为轴系的局部损伤故障所激起的结构共振频率并不是一直是这样的。
(3)调制解调分析法
当轴承的振动信号频谱的高频处出现调制边频带，这时用一般的谱分析方法就很难对故障的程度作出分析，而用解制解调分析即可求出调制信号，还可以顺利找到故障源。因而在故障诊断中，解调分析技术相比其实检测技术有着更高的优越性，实现的方法更简单，更准确。其中解调的方法有很多种，从八十年代起就有人将电学中的解调分析方法引用到机械设备故障诊断中，到1982年RnadallRB提出了用高通绝对值分析解调方法，以解决齿轮调制性故障的诊断问题；1986年MoafddenPD开始采用了希尔伯特变换法解决一些复杂的齿轮和滚动轴承的故障诊断问题，其中希尔伯特变换主要用于信号的解调，包括幅值解调和相位、频率解调。后来ChneYangbo和FengQing又介绍了基于经验模态分解的希尔伯特变换，是先把一列时间序列数据通过经验模态分解，然后经过希尔伯特变换获得频谱的信号处理新方法。再后来张建勋2
硕士论文基于希尔伯特变换的轴系扭振测量技术研究
等人将希尔伯特变换原理应用于扭转振动分析，能够准确分离出扭振及瞬时震荡的全过程[11][15]。
在本设计中就是使用软件解调的方法进行扭振的检测，在调制过程中轴系的扭转振动可以看作扭振信号对编码脉冲信号的频率调制，对此信号进行解调就可分离出扭转振动信号。使用希尔伯特变换将实编码信号变成复信号，从而分解出该复信号的频率分量，就能得到扭转振动的角位移及角速度，因此能直观地看到整个扭转振动的过程，这种方法也利于推广。
1.3 论文主要内容及结构安排
针对基于希尔伯特变换实现轴承的扭振检测技术进行分析，本文将着重研究以下内容：
(1) 轴系扭振检测技术方案的选择；
(2) 扭振信号产生的原理以及用希尔伯特变换进行解调的方法；
(3) 用FPGA控制A/D实现信号的采集、FIR滤波器及双口RAM的设计；
(4) 用DSP实现希尔伯特变换频率解调；
(5) 对解调模块的软硬件进行仿真测试。
全文的内容安排如下：
第1章综合概述了课题背景及国内外扭振检测研究的现状；
第2章阐述了扭振检测方案的设计；
第3章介绍了希尔伯特变换及频率解调原理；
第4章介绍了频率解调模块的硬件设计；
第5章介绍了FIR滤波器、双口RAM等功能单元的FPGA实现及DSP的软件实现；
第6章对解调模块的主要部分进行仿真测试；
第7章对本文的工作进行总结，并提出对今后工作的展望。
3
2 轴系扭振检测的设计方案 硕士论文
4 2 轴系扭振检测的设计方案
根据整个轴系扭振检测装置的要求，输入信号是调频形式的方波，低电平1V ，高电平7V ，调频波的载波为6kHz ，扭振信号的频率为小于50Hz ，也会同时存在四十几，三十几，二十几赫兹等几种不同的调制波。模块的主要功能是实现扭振信号的解调，如果在某一时刻只有40Hz ，那解调出来的就是40Hz ，如果在某一时刻同时存在40Hz ，30Hz ，那么解调出来后就是40Hz 和30Hz 的混合波形，最后将数据通过DSP 的USB 接口输出。
在解调模块的设计中，首先要确定扭振信号的解调方法，在绪论部分已经介绍了目前所常用的几种解调方法，有接触法和非接触法，目前非接触的方法比较多，在本设计方案中采用希尔伯特变换进行频率解调的方法，这种解调方法具有成本低，精度高，便于观察及分析等特点。
2.1 扭振信号的产生原理
发动机的轴系由高、中压转子，低压转子，发电机转子，励磁机转子等组成，在它的边缘安装有一个扭振传感装置，采用的是高精度增量型光电编码器，它主要由光源、码盘、光敏元件及放大、整形、数字滤波电路等组成。它的输出信号都是连续的脉冲序列，相邻脉冲之间的时间间隔就等同于被测轴转过一个角度增量的时间。发动机及编码器安装示意图如图2.1.1所示。
图2.1.1 发动机及编码器安装示意图 由于发电机的轴系一般由若干个质量块组成，在轴等速旋转不发生扭振时，编码器输出的脉冲信号是均匀的；但由于长期的运转，有的质量块可能会引起脱落或损耗，这时轴系就会发生扭振，相应的脉冲信号就发生疏密变化，即这个基频分量被调制。由传感器测取的信号是脉冲频率调制信号，其中编码器每转所发出的脉冲信号是载波信号，扭振信号是调制信号。因此轴系的扭转振动可以看作是扭振信号对编码脉冲信
硕士论文 基于希尔伯特变换的轴系扭振测量技术研究 5
号的调制。
在轴系中，当轴均匀转动时，不发生扭振，编码器输出的矩形脉冲信号是均匀的，那么它的傅里叶级数表达式为：
0()cos()n n f t c nN t ωθ=+∑ （2.1）
其中，n c 为谐波幅值，N 为每转脉冲数，n 为谐波阶数，n θ为轴的回转频率，0ω为轴的回转频率；由式（2.1）可以看出方波是由它的各次谐波相叠加而成，观察其频谱图如2.1.1所示。通过频谱可以看出基波频率为1ω。
图2.1.2 矩形脉冲方波的频谱图 当轴发生扭转振动时，扭振信号对脉冲信号进行调制，编码脉冲()f t 起载波作用，扭振角位移()cos T u t A t ω=起调相作用，其中T ω为调制信号的频率，A 为调制信号的幅值，编码信号的相位将被调制，这时被调制的编码信号为
0()cos(())u n n f t c nN t nNu t ωθ=++∑ （2.2）
该信号的频谱不仅是有脉冲基频及高次谐波，而且在每一谱线的两侧出现了调制边谱带，如图2.1.3所示。
2.1.3 已调相编码信号的频谱图
2 轴系扭振检测的设计方案 硕士论文
6 对某一谐波分量用其边频带进行带通滤波，当0θ=0时，载波的某一谐波分量就
为0()cos()n n f t c nN t ω=，此时调频信号的瞬时角频率为
00()()()f t nN t nN k u t ωωωω=+?=+
= 00cos cos f T mn T nN k A t nN t ωωωωω+=+? （2.3）
其中f k 为比例常数，mn ω?为相对于载频的最大角频偏。这时调频信号的瞬时相位为
00()()sin t mn T T
t d N t ω?ωττωωω?==+? （2.4） 其中mn
T ωω?为调频指数；得到的调频信号就为
10()cos(sin )mn FM T T u t c N t t ωωωω?=+
=10()cos()mn FM k
T T u t c J N t k t ωωωω∞-∞?=+∑ （2.5）
在式中，k J mn T ωω?为k 阶第一类贝塞尔函数[8]。
由此可以看出，基波的调频信号是由载波0N ω和无数的边频0T N t k ωω+组成。这
种情况是最简单的，在实际工程当中脉冲频率调制信号的频谱要更加复杂一些，所以得到此信号还需要经过频率解调以后才能得到扭振信号。
频率解调的方法有频率-电压转换电路直接鉴频法、共振解调法、正交鉴频法等。因为扭振幅度都比较小，调频波的频偏较小，前面几种方法进行解调的效果并不是很好，所以在本系统中选用希尔伯特变换方法进行频率解调。
2.2 设计方案
由于模块是用软件方法进行频率解调，在希尔伯特变换算法中，需要对信号数据做FFT 运算，这需要对数据的处理速度非常快，因此在本模块采用FPGA 与DSP 的结构，其中FPGA 主要负责控制A/D 信号采集与数据缓冲，DSP 主要是进行数据处理，进行希尔伯特变换和频率解调，由于希尔伯特变换只能处理窄带信号，所以在信号采集后存入双口RAM 前要经过FIR 带通滤波器处理，然后由DSP 提取双口RAM 中的信号进行数据的处理，最后通过DSP 的USB 接口将处理好的数据传至主控计算机。模块的结构框图如图2.2.1所示。
硕士论文基于希尔伯特变换的轴系扭振测量技术研究
图2.2.1解调模块结构框图
编码器输出的是低电平1V、高电平7V的脉冲信号，所以需要对信号调理整形使其与A/D相匹配，A/D转换芯片选用的是AD公司生产的AD7492。FPGA主要功能是控制信号采集，为A/D配置时钟控制时序，缓存数据及FIR滤波器的实现，在此模块设计中选用的是CycloneII系列的EP2C5Q208。在选择微处理器DSP时，在市场上很多的DSP芯片，从性能及功耗方面综合考虑，选择目前功耗低的TI 5000
系列的芯片TMS320VC5509。
2.3 本章小结
本章主要介绍了整个轴系扭振检测前端装置的结构和工作原理。根据解调模块的要求概述了该模块的开发设计方案，该方案的主要思想是采用基于DSP+FPGA平台，用希尔伯特频率解频方法来实现扭振的检测。
7
3 希尔伯特变换及解调原理 硕士论文
8 3 希尔伯特变换及解调原理
3.1 希尔伯特变换的定义和性质
希尔伯特变换(The Hilbert Transformation)是信号分析中的重要算法工具，希尔伯特变换的许多数学基础是德国数学家Hilbert 提出来的，它是将一个一维时域函数转换为唯一对应的一个二维时域解析函数。在一定条件下，这个解析函数的模和相角就代表了原时间函数的包络特性及相位特性，即实现了对信号的幅值和相位解调。希尔伯特变换其实主要是快速傅里叶变换和逆傅里叶变换的过程，而傅里叶变换在信号分析及其工程应用中倍受关注，并取得了很大的成功。傅氏变换的主要特点是将信号从时域变换到频率域上，并且在频率域上有很明确的物理意义。同样希尔伯特变换也是
将时域信号()x t 变换到相同域的实信号?()x
t 。从而实现了将一个一维时域函数转换为唯一对应的一个二维时域解析函数。
实信号()x t 的希尔伯特变换?()x
t 定义为： 1
0()()N k k H Z h k z --==∑ （3.1）
?()x t 可以看成是()x t 通过一个滤波器的输出，该滤波器的单位冲激响应1()h t t π=，如图3.1.1所示。
图3.1.1 希尔伯特变换器
希尔伯特变换的性质如下：
(1) 信号()x t 通过希尔伯特变换器后，信号频谱的幅度不发生变化；因为希尔伯特变换器是全通滤波器，引起频谱变化的只是其相位；
(2) ?()x
t 与()x t 是正交的； (3) 若()x t ，1()x t ，2()x t 的希尔伯特变换是?()x
t ，1?()x t ，2?()x t 则有1212???()()()()()x
t x t x t x t x t =*=*； (4) 能量守恒，即2
2?()()x t dt x t dt ∞∞
-∞-∞=??[39]。 3.2 希尔伯特变换的实现方法
实现希尔伯特变换一般有两种方法，第一种是时域方法，另一种是频域方法。通
过时域方法求()x t 的希尔伯特变换是通过()x t 与1t
π的卷积，计算方法如式（3.1）所
硕士论文 基于希尔伯特变换的轴系扭振测量技术研究 9 示。因为有1t
π的傅里叶变换为 ()()H j j sign Ω=-Ω （3.2）
其中1,0()1,0
sign Ω>?Ω=?-Ω
t 的傅里叶变换为 ?()()()()()X
j X j H j j sign X j Ω=ΩΩ=-ΩΩ （3.3） 也就是说希尔伯特变换器是幅频特性为1的全通滤波器。()x t 通过希尔伯特变换器后，()x t 在频域作相移，在正频内延迟2π，在负频内超前2
π，其幅频、相频特性如图3.2.1所示。
图3.2.1 希尔伯特变换器的频率响应
因此，计算信号怕希尔伯特变换，一般不直接用这种如式（3.1）这种直接方法，而是采用对应的频域移相法较为方便。其具体的实现方法过程如图3.2.2所示。
图3.2.2 在频域内通过移相实现希尔伯特变换
因此，我们可以得到实现希尔伯特变换的具体步骤：
(l) 先对()x t 作FFT 得()X j Ω；
(2) 然后对()X j Ω移相得?()X
j Ω； (3) 最后对?()X
j Ω作IFFT 变换得?()x t 。 定义一个解析信号?()()()z t x t jx
t =+，对它两边做傅里叶变换得到 ?()()()Z j X j jX
j Ω=Ω+Ω ()()()X j jH j X j =Ω+ΩΩ (3.4)
3 希尔伯特变换及解调原理 硕士论文
10
由于,0(),0
j H j j -Ω>?Ω=?Ω
2(),0()0,0
X j Z j ΩΩ>?Ω=?Ω
3.3 希尔伯特变换解调原理
希尔伯特变换的一个主要应用就是用于信号的解调，包括幅值解调和相位或频率解调。对一个实因果信号()x t ，它的傅里叶变换的实部和虚部，幅频响应及相频响应之间存在着希尔伯特变换关系。利用希尔伯特变换，我们可以得到相应的解析信号，使其仅含正频率成分，从而可降低信号的抽样率。因此我们可以将希尔伯特变换作为一种软件方法应用到轴承扭振检测中。
希尔伯特变换的一个最主要的应用就是进行带通信号的解调。用希尔伯特变换把一个实信号表示成复信号(即解析信号)，不仅使理论讨论很方便，更重要的是可以由此研究实信号的包络，瞬时相位和瞬时频率。设窄带信号()x t 为
0()()cos[2()]x t A t f t t π=+Φ (3.6)
其中0f 为截波频率。因此构成解析信号
00?()()()()cos[2()]()sin[2()]z t x t jx
t A t f t t jA t f t t ππ=+=+Φ++Φ
0[2()]()j f t t A t e π+Φ= (3.7)
当()t Φ=0时，()x t 为调幅信号，0[2]()j f t z t e π=，而
()A t = (3.8)
给出了调幅信号的包络即调制信号的信息。在这种情况下，希尔伯特变换可用于幅值解调。当()x t 为调相信号时，()z t 具有下列形式
0[2()]
()|()|j f t t z t z t e π+Φ= (3.9)
()z t 的瞬时相位为
0?()()2()arctan ()
x t t f t t x t θπ=+Φ= (3.10)
相位调制信号为 0()(
)2t t f t θπΦ=- (3.11) 根据相位调制与频率调制的关系得，实信号()x t 的频率调制信号为
0()()()2d t d t f t f d t d t
θπΦ==- (3.12)
硕士论文 基于希尔伯特变换的轴系扭振测量技术研究
11
由此得到了调相信号()x t 的相位和频率调制信息。在这种情况下希尔伯特变换适用于相位解调和频率解调，由此可以看出，当()x t 为调相信号时，通过频率或相位调制，用希尔伯特变换就很容易解调出()x t 的相位和频率调制信息[11][18]。
综上所述，当信号为窄带信号时，利用希尔伯特变换，可求出信号的幅值解调，相位解调和频率解调，所以在信号进行希尔伯特变换前，需要进行带通滤波预处理。
3.4 本章小结
本章主要介绍希尔伯特变换的定义及和性质，重点介绍了希尔伯特变换实现方法及如何用希尔伯特变换来实现频率解调。
4 系统的硬件设计硕士论文4解调模块的硬件设计
在解调模块硬件设计中，主要采用FPGA与DSP相结合的思想，FPGA主要功能是控制信号的采集、数据的缓冲和FIR带通滤波器，DSP的功能是实现数据的处理。解调模块的硬件结构如图4.1.1所示。
图4.1.1解调模块的硬件结构
4.1 A/D转换接口电路设计
在解调模块的硬件设计中，采用FPGA实现A/D转换器的逻辑控制。
4.1.1 FPGA的介绍及芯片选择
FPGA（Field Programmable Gate Array）即现场可编程门阵列，它是从GAL、PAL、CPLD等可编程器件的基础上进一步发展出来的。FPGA采用了逻辑单元阵列（LCA），FPGA内部包括输出输入模块(IOB)、可配置逻辑模块(CLB)和内部连线三个部分。FPGA的集成规模比较大，非常适用于时序、组合等各种逻辑电路的应用，兼有高集成度、高速、高可靠性和串并行工作方式等特点，并且其时钟延迟可达ns级；除此之外，它在芯片的设计中可以减少芯片的数量，缩小了系统体积，降低了能源消耗，提高了系统的性能指标和可靠性。因此使用FPGA既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。
一般的FPGA都具有以下基本特点：
（1）采用FPGA设计专用集成电路(ASIC)，用户不需要投片生产，就能得到合用的芯片；
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硕士论文基于希尔伯特变换的轴系扭振测量技术研究
（2）FPGA采用高速CHMOS工艺，功耗低，可以与CMOS、TTL电平兼容；
（3）FPGA可做其它全定制或半定制ASIC电路的中试样片；
（4）FPGA是ASIC电路设计周期最短、开发费用最低、风险最小的器件之一；
（5）FPGA内部有丰富的触发器和I／O引脚；
（6）FPGA能够反复使用。在加电时，FPGA芯片将EPROM中数据读入片内编程RAM中，配置完成后，FPGA进入工作状态。掉电后，FPGA内部逻辑关系消失。这样同一片FPGA，不同的编程数据，可以产生不同的电路功能[31][32]。
因此，FPGA的使用非常灵活，是小批量系统提高系统集成度、可靠性的最佳选择之一。经过十几年的发展，许多公司都开发出了多种类型的可编程逻辑器件。大多数的FPGA都有内嵌的块RAM，FPGA内嵌的块RAM一般可以灵活配置为单端口RAM双端口RAM、伪双端口RAM、CAM、FIFO等常用存储结构。目前市场上比较典型的芯片一般是Altera公司和Xilinx公司生产的。本课题中选用的是由Altera
公司生产的FPGA，其型号为CycloneII系列的EP2C5Q208C8。
EP2C5Q208提供的硬件资源包括如下：
（1）4608个可编程逻辑单元；
（2）26个M4K RAM块，可以配置成真正双端口模式，有256×16位，128×16位，128×32位等双口模式；
（3）2个PLL；最多用户管脚数为142个，这些管脚可配置成58对差分通道；
（4）每个嵌入式硬件乘法器可配置成两个9位×9位的乘法器，共有13个18位×18位的，乘法器的最高工作频率可达250MHz。
FPGA内部嵌入的这些可编程RAM模块，大大地拓展了FPGA的应用范围和使用灵活性。在本文中实现的过程中，块RAM是设计不可或缺的资源，内部RAM的使用节省了片外器件，从而节省了系统成本。
4.1.2 A/D芯片介绍
对于数据采集系统来说，设计合理的结构仅仅是采样速率实现的关键，而系统的速度性能要靠功能元件实现，因此只有正确选择部件，才能保证系统的速度性能指标。
综合考虑系统对性能指标的要求，最终选用AD公司生产的AD7492模数转换芯片。AD7492是AD公司推出的12位高速低功耗的AD转换器,它的工作电压是2.7V~5.25V，其数据通过率可高达1MSPS。在5V的工作电压下，速度为1MSPS时，平均电流仅为1.72mA，在5V供电和500kSPS数据通过率下的消耗电流为1.24mA。它还具有可变电压和数据通过率管理功能，转换时间由内部时钟决定，有两种工作模式，休眠模式和部分休眠模式，休眠模式在低数据通过率时实现低功耗。AD7492输入的电压范围峰峰值为0~2.5V。当输入信号为500kHz，抽样频率为1MSPS时，SNR
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4 系统的硬件设计
硕士论文
14 可以70dB ，SFDR 可为-83dB ；它还具有很宽的工作温度范围，可以在-40°C 到+85°C 的温度范围内正常工作。其最大的特点就是体积小，功耗低，精度高。AD7492的引脚排列如4.1.2所示。
图4.1.2 AD7492引脚排列图
图4.1.3 AD7492的功能方框图
硕士论文基于希尔伯特变换的轴系扭振测量技术研究
AD7492各引脚的对应功能如表4.1.1所示。
表4.1.1 AD9244的引脚对应功能表
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4 系统的硬件设计 硕士论文
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图4.1.4 AD9244的时序图
4.1.3 A/D 转换接口电路设计
由于解调模块的输入信号是低电平1V 、高电平7V 的调频形式方波，而AD7492的模拟输入范围为0~2.5V ，所以需要对输入信号进行调理。调理电路如图4.1.5所示。
4.1.5 调理电路
汽轮发电机组的轴系扭振 电力系统的某些故障和运行方式，往往导致大型汽轮发电机组的轴系扭转振动，以致造成轴系某些部件或联轴器的疲劳损坏。轴系扭振是指组成轴系的多个转子，如汽轮机的高、中、低压转子，发电机、励磁机转子等之间产生的相对扭转振动。随着汽轮发电机组单机容量增大，轴系的功率密度亦相对增大，以及轴系长度的加长和截面积相对下降，整个轴系成为一个两端自由的弹性系统，并存在着各种不同振型的固有的轴系扭转振动频率。同时随着大电网远距离输电使系统结构和输电技术愈趋复杂。由于这两方面的原因，电力系统因故障或运行方式的改变所引起的电气系统与轴系机械系统扭振频率的耦合作用，将会导致大型汽轮发电机组的轴系扭转振动，严重威胁机组的安全运行。 产生轴系扭振的原因，归纳起来为两个方面：一是电气或机械扰动使机组输入与输出功率（转矩）失去平衡，或者出现电气谐振与轴系机械固有扭振频率相互重合而导致机电共振；二是大机组轴系自身所具有的扭振系统的特性不能满足电网运行的要求。因此，无论产生的原因如何，从性质上又可将轴系扭振分为：短时间冲击性扭振和长时间机电耦合共振性扭振等两种情况。 从原则上讲，电力系统出现的各种较严重的电气扰动和切合操作都会引起大型汽轮发电机组轴系扭振，从而产生交变应力并导致轴系疲劳或损坏，只是其影响程度随运行条件、电气扰动和切合操作方式、频率（次数）等不同而异。其中影响较大的可归纳为以下四个方面： 1．电力系统故障与切合操作对轴系扭振的影响：通常的线路开关切合操作，特别是功率的突变和频繁的变化；手动、自动和非同期并网；输出线路上各种 类型的短路和重合闸等都会激发轴系的扭振并造成疲劳损伤。 2．发电厂近距离短路和切除对轴系扭振的影响：发电厂近距离（包括发电机端）二相或三相短路并切除以及不同相位的并网，都会导致很高的轴系扭转机械 应力。例如在发电机发生三相短路时，短路处电压下降接近于零，于是在短 路持续时间内，一方面与短路前有功负荷对应的同步电磁转矩接近于零，同 时发电机因短路并以振荡形式出现的暂态电磁转距将激发起整个轴系的扭 转振动。 3．电力系统次同步振荡对轴系扭振的影响：在电力系统高压远距离输电线路上，当采用串联补偿电容用以提高输电能力时，该电容器同被补偿的输电线 路的电感，将构成L-C回路（略去回路电阻）并产生谐振。当电网频率与上 述的谐振频率的差值与轴系某一机械固有扭振频率相同或接近时，则上述的 电气谐振与机械扭振合拍并相互激励，从而给机组轴系的安全运行构成严重 的威胁。由于电气谐振频率低于电网频率，通常称为次同步振荡。 4．电力系统负序电流对轴系扭振的影响：发电机定子绕组中的负序电流可由三相负荷不平衡、各种不对称短路、断线故障引起。负序电流相当于一个外力 源，因此由负序电流产生的轴系扭振有别于上述的自激扭振，并称之为强迫 扭振。负序电流在电机中产生的旋转磁场与转子的励磁磁场相互作用，并产 生交变转矩作用在轴系上，如果这一交变转矩的频率同机组轴系某一个固有 的扭振频率重合，就会激发起轴系的扭振。 预防和抑制轴系扭振的措施可以从设计制造、运行方式，机—电配合、在线监测等几个方面针对不同的情况采取相应的措施。 设计制造，是指包括汽轮发电机轴系扭振频率、绕组的设计、选材、工艺和机械加工以及输电系统的线路的结构方式、继电保护、控制手段以及串联电容补偿方式的设计与选择
电信号扰动下的轴系扭振 摘要 本文用一种改进的Riccati扭转传递矩阵结合Newmark-β方法研究非线性轴系的扭转振动响应。首先，该系统被模化成一系列由弹簧和集中质量点组成的系统，从而建立一个由多段集中质量组成的模型。第二，通过这种新发展起来的程序可以从系统的固有频率和扭振响应中消除累计误差。这种增量矩阵法，联合结合了Newmark-β法改进的Riccati扭转传递矩阵法，进一步应用于解决非线性轴系扭转振动的动力学方程。最后，将一种汽轮发电机组作为一个阐述的例子，另外仿真分析已被应用于分析典型电网扰动下的轴系扭振瞬时响应，比如三相短路，两相短路和异步并置。实验结果验证了本方法的正确性并用于指导涡轮发电机轴的设计。 关键词：传递矩阵法；Newmark-β法；汽轮发电机轴；电学干扰；扭转振动 1.引言 转子动力学在很多工程领域起着很重要的作用，例如燃气轮机，蒸汽轮机，往复离心式压气机，机床主轴等。由于对高功率转子系统需求的持续增长，计算临界转速和动态响应对于系统设计，识别，诊断和控制变得必不可少。由于1970年和1971年发生于南加州Edison’sMohave电站的透平转子事故，业界的注意力集中在由传动行为导致的透平发电机组内的轴的扭转振动。当代的大型透平发电机组单元轴系系统是一种高速共轴回转体。它是由弹性联轴器连接，由透平转子，发电机和励磁机组成。电力系统故障或操作条件的变化引起的机电暂态过程可能导致轴的扭转振动，而轴的扭转振动对于设计来说是非常重要的。对于透平发电机轴系扭振的研究，如发生次同步谐振和高速重合，基本的是对固有频率和振动响应的计算的研究。 当前，有限元法和传递矩阵法是最流行的两种分析轴系扭振的方法。有限元法（FEM）通过二阶微分方程构造出转子系统直接用于控制设计和评估，而传递矩阵法 （TMM）解决频域内的动态问题。TMM使用了一种匹配过程，即从系统一侧的边界条 1
船舶轴系扭振计算 1 已知条件 轴系原始资料 2 当量系统 2.1惯量计算（或给定） 2.2 刚度计算（或给定） 2.3 当量系统转化，即将系统转化成惯量－刚度系统，并给出当量系统图以及相关参数（见表） 当量系统参数
3 固有频率计算（自由振动计算并画出振型图） Holzer表 4 共振转速计算 5强迫振动计算(动力放大系数法的计算步骤) 步骤1：激励计算
步骤2：计算第1惯性圆盘的平衡振幅 步骤3：计算各部件的动力放大系数
步骤4：求总的放大系数 d r s p e Q Q Q Q Q Q 111111++++= 步骤5：计算第1质量的振幅 A ＝Q ×A 1st 步骤6：轴段共振应力计算 101,A k k ?=+ττ 步骤7：共振力矩计算 步骤8：非共振计算 2 22 2 1111??? ? ??+??? ???????? ? ??-= c c st n n Q n n A A 步骤9：扭振许用应力计算（按CCS96规范） 步骤10：作出扭振应力或振幅－转速曲线 能量法计算步骤： 步骤1 相对振幅矢量和的计算（如为一般轴系，可省略） 步骤2 激励力矩计算M v （若为柴油机轴系，方法同动力放大系数法步骤1；若为一般轴系，则已知条件给定） 步骤3：激励力矩功的计算 ∑=k T A M W απν1 步骤4：阻尼功的计算 各部件的阻尼功
部件外阻尼功的计算： 步骤5：阻尼力矩功W c 的计算(为系统各部件总阻尼功之和) +++++=cr cs cp cd ce c W W W W W W 步骤6：求第1质量振幅A1 c T W W A = 1 步骤7－11同动力放大系数法步骤6－10 强迫振动计算结果表：
第22卷 第5期（总第131期）2011年10月 船舶 SHIP&BOAT Vol.22No.5October，2011 ［船舶轮机］ 某船舶推进轴系扭振计算分析 金立平 （吉林省地方海事局 ［关键词］船舶推进轴系；有限元；转动惯量；扭振［摘 要］提高轴系扭振计算精度，必须有精确的原始参数，以准确掌握船舶轴系扭振情况。在有限元分析软件 中，建立曲柄半拐等的三维模型，用有限元分析方法精确的确定了各质量、轴段的转动惯量、扭转刚度等精确原始参数。基于建立的实船轴系当量系统，计算出了各结自由振动的频率及对应的共振转速，自由端和飞轮输出端的振幅，分析了轴段应力和扭矩随曲轴转角及转速的变化关系。结果表明在整个转速范围内，扭转振幅小于限定值，轴段的最大扭矩和应力均小于材料许用值，本船舶轴系扭转振动状况是良好的。 ［中图分类号］U664.21 ［文献标志码］A ［文章编号］1001-9855（2011）05-0046-04 长春130061）Torsionalvibrationcalculationandanalysisofashippropulsionshaft JINLi-ping （JiLinLocalMaritimeSafetyAdministration，Changchun130061） Keywords：marinepropulsionshafting；FEM；inertiamoment；torsionalvibration Abstract：Thepreciseoriginalparametersarecriticalforimprovingthecalculationaccuracyofshafttorsi onalvibration.Athree-dimensionalmodeofahalfcrankisestablishedinthefiniteelementanalysissoftwaretoaccurate lycalculatetheoriginalparameterssuchasthemomentofinertiaandtorsionalstiffnessofeachs haftsection.Basedontheestablishedrealshipshaftingequivalentsystem,thispapercalculatedt hefreevibrationfrequencyandthecorrespondingresonancespeed,aswellasthevibrationampl itudeofthefreeendandtheflywheeloutputend,analyzedtherelationshipofthestressandtorque ofshaftsandthecrankangleandenginespeed.Theresultsshowthatinthewholespeedrange,thet
船舶轴系扭振计算的一般步骤 （能量法和放大系数法） 1 已知条件 轴系原始资料
2 当量系统 2.1惯量计算（或给定） 2.2 刚度计算（或给定） 2.3 当量系统转化，即将系统转化成惯量－刚度系统，并给出当量系统图以及相关参数（见表） 当量系统参数 3 固有频率计算（自由振动计算并画出振型图） Holzer表 4 共振转速计算
5强迫振动计算(动力放大系数法的计算步骤) 步骤1：激励计算
步骤2：计算第1惯性圆盘的平衡振幅 步骤3：计算各部件的动力放大系数 步骤4：求总的放大系数 d r s p e Q Q Q Q Q Q 111111++++= 步骤5：计算第1质量的振幅
A ＝Q ×A 1st 步骤6：轴段共振应力计算 101,A k k ?=+ττ 步骤7：共振力矩计算 步骤8：非共振计算 2 22 2 1111??? ? ??+??? ???????? ? ??-= c c st n n Q n n A A 步骤9：扭振许用应力计算（按CCS96规范） 步骤10：作出扭振应力或振幅－转速曲线 6强迫振动计算(能量法的计算步骤) 步骤1 相对振幅矢量和的计算（如为一般轴系，可省略） 步骤2 激励力矩计算M v （若为柴油机轴系，方法同动力放大系数法步骤1；若为一般轴系，则已知条件给定） 步骤3：激励力矩功的计算 ∑=k T A M W απν1 步骤4：阻尼功的计算 各部件的阻尼功 部件外阻尼功的计算：
步骤5：阻尼力矩功W c 的计算(为系统各部件总阻尼功之和) +++++=cr cs cp cd ce c W W W W W W 步骤6：求第1质量振幅A1 c T W W A = 1 步骤7－11同动力放大系数法步骤6－10 强迫振动计算结果表： 7 一缸不发火的扭振计算 1）不发火气缸的平均指示压力近似为零，相应的气体简谐系数为bv ；其他气缸的平均指示压力pimis 为： i i mi s p z z p 1 -= N/mm2；式中：z-气缸数,pi 按前面计算公式计算。 2）相应的Cimis 为：v im is v im is b p a C += 3）一缸不发火影响系数为:∑∑=a C a C mis imis νγ 式中：Cv 、Cvmis ——分别为正常发火与一缸不发火时的简谐系数； ∑a 、∑mis a 分别为正常发火与一缸不发火时的相对振幅矢量和，其中∑mis a 按下式计算： ∑∑∑==+=z k z k k k k k k k mis a a a 1 1 2 ,12 ,1)cos ()sin (νζβνζβ 不发火缸vmis k C b νβ= ，其他气缸为1； 4）一缸不发火的振幅、应力和扭矩： 第1质量振幅为： 11A A mis γ= 轴段应力为： 1,!,1++=k k k m isk γττ 齿轮啮合处振动扭矩为：G gmis T T γ= 弹性联轴器振动扭矩为：R rmis T T γ=
1 轴系基本数据 轴系布置数据 船舶类型海船 安装类型螺旋桨 中间轴连接方式键槽 减振器无 弹性联轴器无 齿轮箱无 总质量数12 主支质量数12 1级分支数0 2级分支数0 柴油机基本参数 型号7S60MC 制造厂/ 气缸数目7 冲程数 2 气缸型式直列 额定功率(kW) 13570 额定转速(r/min) 105 最低稳定转速(r/min) 30 缸径(mm) 600 活塞行程(mm) 2292 往复部件重量(kg) 5559 平均有效压力(MPa) 1.7 连杆中心距(mm) 2628 发火顺序1-7-2-5-4-3-6 机械效率0.83 第1气缸质量号 2 螺旋桨基本参数 型号Fault 制造厂Fault 直径(mm) 700 叶数 4 盘面比0.7 螺距比 1.1 转动惯量(kg.m^2) 230 螺旋桨所处单元号12
2 系统当量参数表 序号分支号惯量(Kgm^2) 刚度(MNm/rad) 外径(mm) 内径(mm) 传动比标识 1 0 209.0000 1329.787 2 672.0 115.0 1 2 0 10171.0000 1095.290 3 672.0 115.0 1 气缸#1 3 0 10171.0000 1135.0738 672.0 115.0 1 气缸#2 4 0 10171.0000 1054.8523 672.0 115.0 1 气缸#3 5 0 10171.0000 1055.9662 672.0 115.0 1 气缸#4 6 0 10171.0000 1133.7868 672.0 115.0 1 气缸#5 7 0 10171.0000 1165.5012 672.0 115.0 1 气缸#6 8 0 10171.0000 1538.4615 620.0 115.0 1 气缸#7 9 0 3901.0000 3115.2648 620.0 115.0 1 推力轴 10 0 5115.0000 60.3500 480.0 0.0 1 中间轴 11 0 613.9000 166.8335 590.0 0.0 1 螺旋桨轴 12 0 75197.0000 1.0000 100.0 0.0 1 螺旋桨
扭振测量和Q T V介绍 1.引言 噪声及振动问题,在旋转部件开发中,是一个必须充分重视的因素。就车辆而言,旋转机械或旋转部件包括：发动机(引擎),动力传动系, 变速装置, 压缩机和泵等等?。对它们的动力特性, 必须了解得非常透彻, 力图实现宁静、平顺、安全地运转?。通常, 对线振动和角振动的测量和分析, 是分头进行的??。旋转件横向振动的测量方法, 是大家熟悉的,研究得已经比较透彻?，为了充分把握结构的动力特性, 通常会实施多通道并行的测量和分析?。而扭振测量则需使用专门的设备, 它们一般并不集成在一总体动力学测试系统内?。 2.扭振的“源—传导—接收”模型 研究动力学问题的一般方法,是建立所谓“源—传导—接收”模型（图1）。在某一部位（接收部位）观测到的响应,视为由源和源在结构上沿某途径传导产生的效果。由于结构的共振或反共振效应，源可能在传导过程中被放大或者被衰减。此外，它们可能沿多个不同途径，传导至接收部位。 图1 扭振的“源——传导——接收”模型接收部位或响应部位的振动，通常是刚体运动伴随柔体运动的复合现象。前者一般不产生交变应力，后者则会引起交变应力，并成为某种耐久性问题的根源。传递途径分析（TPA）涉及到某接收部位对源的干扰，这种干扰经由其可能的传导途径，并依赖于传导途径固有的动力学特性，影响整个结构的响应。 用同样的方法，我们来研究扭转振动。先是有一个“源”，譬如说，发动机给出的交变输入力矩。力矩传递过程，牵涉到轴系、齿轮传动系或皮带传动系等的动力特性。最终表现出来的，是旋转件的转速变化。如果沿整个轴，各部位的转速变化都是相同的、一致的，那么在严格的意义上，这不能算作是扭振，仅仅只是转速在变罢了（这相当于线振动分析中的刚体模态）。仅当沿轴不同部位检测到的转速增量有幅值和相位的相对变化时，扭振才确实发生了。当激励频率接近于扭振谐振频率时，会导致旋转件产生很大的内应力。如果未设置专门的监测设备，就有可能发生严重的耐久性问题。 习惯上，凡是在平均转速上、下发生得转速波动，都被称之为扭转振动，无论转轴的不同截面之间是否真正存在相对扭转。
转动惯量对轴系扭振测试的影响 发表时间：2019-07-22T15:57:14.870Z 来源：《基层建设》2019年第13期作者：余成双 [导读] 舟山市港航与口岸管理局浙江舟山 316000 在对轴系扭振理论进行大量的研究后，我们对影响轴系扭振计算结果的各种因素进行了详细的分析，研究发现对船舶轴系扭振计算影响较大的有平均指示压力、运动部件往复惯性力产生的干扰力矩、气体力和运动部件重力所产生的力矩以及外阻尼系数等，而在工程应用中比较常见的影响计算精度的扭振参数有联轴节的刚度、转动惯量、减振器等。本文选取一条轴系固有频率计算值与实测值不一致的船舶进行了分析，对这些影响因素进行了深入的分析和研究，来具体说明转动惯量对轴系扭振测试的影响。 某船在扭振测试时，在主机自由端连接光电编码器，其测得的扭振信号接至“ZDCL—Ⅳ型轴系振动测量分析仪”，如图6.2-1所示。 6.2-1 扭振测试布点示意图 测试方法为：在400～990r/min的转速范围内，每间隔20r/min左右为一档，对脱排工况进行测试；在360～980r/min的转速范围内，每间隔20r/min左右为一档，对柴油机的正常发火航行工况进行测试。 对测试结果的分析中，发现该船在脱排工况所测转速范围内，未测到明显的共振转速，而且在航行工况所测转速范围内也未测到主谐次3次和6次的共振转速，分别见图6.2-2和图6.2-3。但是在航行工况851.4r/min附近测得双节5次共振转速，频谱及典型波形见图6.2-4。 图6.2-2 3谐次频谱图 图6.2-3 6谐次频谱图 图6.2-4 双节5谐次频谱图 该船轴系扭振应力测试值都在规范许用值范围之内，如表6.2-1所示： 表6.2-1 正常发火航行工况扭振测量值及规范许用值 该船在双节5谐次的计算频率为90.33Hz，而实测固有频率为70.95Hz，相对误差达到27.32%，误差如此之大，已经大大超出规范允许的范围。我们对可能存在的问题进行了逐步排查，在反复核实柴油机相关参数并与柴油机厂家进行沟通后，发现问题应该不是出在主机的参数选取上。我们又对齿轮箱、轴系、螺旋桨的扭振参数进行了核算，也没能发现什么问题。最后，我们将最可能出现变数的联轴节刚度取值进行了反复核算，发现除非大幅度地将联轴节的刚度从38kNm/rad减小到18kNm/rad，才能使计算固有频率值减小到基本与实测值相符，但是这种大幅度降低某一个参数值的做法基本上是不切实际的，弹性联轴器的供货商也不认同这种做法。 在多方查找验算无果后，我们想到最后一种可能性，主机在安装上船以后，船东因为实际需要可能会在主机自由端加装皮带轮之类的元件，而设计公司并不是太了解船上的实际情况，因此设计师可能在生成计算模型的时候漏掉某一个元件。经实船查验，并与轮机长交流之后发现，该船主机自由端确实加装了一个皮带轮，相当于在主机的自由端增加了一个惯量为7.41kgm2的惯性轮。将该惯性轮加入整个系统中经重新建模并计算后得出，该船调整后的计算频率为72.35Hz，与实测固有频率70.95Hz的相对误差缩小到1.97%，调整后的计算频率及误差见表6.2-2。 表6.2-2 调整前后计算值与实测对比表 因此得出结论，该船首次计算所出现的远超规范允许的误差现象的原因，就是因为设计师漏掉了一个质量点所致。参考文献：
目录
概述 .............................................................................................................................................. 错误!未定义书签。目录 .. (1) 1.范围 (3) 2.规范性引用文件 (3) 3.术语和定义 (3) 3.1 轴系扭振 (3) 3.2 角度编码器 (3) 3.3边界条件 (3) 3.4 额定功率点 (3) 3.5 怠速 (3) 4.试验条件 (4) 4.1发动机要求 (4) 4.2 试验设备 (4) 4.3台架布置 (4) 5.试验方法 (6) 5.1测试软件 (6) 5.2试验工况 (6) 5.3 试验记录：记录转速上升全部过程。 (6) 5.4 重复测量2次或2次以上，避免测量误差。 (6) 6.试验评价 (6) 6.1 数据处理 (6) 6.2 评价标准 (7) 7.试验流程图 (7)
1.范围 本标准规定了汽车用四冲程发动机的曲轴扭振试验方法，用来评定汽车发动机轴系的 加工质量是否满足设计要求。其主要内容包括：规范性引用文件，术语和定义，试验条 件控制，试验方法，试验评价，试验流程图和试验经验积累。 本标准适用于本公司生产的所有汽柴油发动机，凡新设计及重大改进的发动机定型 试验、转厂生产的发动机验证试验以及现生产的发动机质量检验试验等，均可按本标准 规定的方法进行。 本标准还可作为发动机制造厂和汽车制造厂之间交往的技术依据。 2.规范性引用文件 下列文件对于本文件的应用是必不可少的。凡是注日期的引用文件,仅注日期的版本适用于本文件。凡是不注日期的引用文件,其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。 GB/T 1883 往复活塞式内燃机术语 GB/T 15371 曲轴轴系扭转振动的测量与评定方法 GB/T 13436 扭转振动测量仪器技术要求 GB/T 18297 发动机性能试验方法 GB 1105.1－1105.3 内燃机台架性能试验方法 3.术语和定义 3.1 轴系扭振 轴系扭振即发动机轴系的扭转振动。当轴系传递力矩时，在其各个断面上因其所受扭矩的不同而产生不同的角位移。当扭矩受到干扰，如扭矩瞬时变化、扭矩突然卸去或加载时，则轴系产生按其固有扭振频率的扭转振动。 3.2 角度编码器 用来精确测量轴系转速的仪器。 3.3边界条件 满足发动机试验所需要的参数条件控制。 3.4 额定功率点 在额定转速下的全负荷工况所输出的总功率。 3.5 怠速 怠速是指低怠速和高怠速。
扭振测量和QTV介绍 1.引言 噪声及振动问题,在旋转部件开发中,是一个必须充分重视的因素。就车辆而言,旋转机械或旋转部件包括：发动机(引擎),动力传动系, 变速装置, 压缩机和泵等等?。对它们的动力特性, 必须了解得非常透彻, 力图实现宁静、平顺、安全地运转?。通常, 对线振动和角振动的测量和分析, 是分头进行的??。旋转件横向振动的测量方法, 是大家熟悉的,研究得已经比较透彻?，为了充分把握结构的动力特性, 通常会实施多通道并行的测量和分析?。而扭振测量则需使用专门的设备, 它们一般并不集成在一总体动力学测试系统内?。 2.扭振的“源—传导—接收”模型 研究动力学问题的一般方法,是建立所谓“源—传导—接收”模型（图1）。在某一部位（接收部位）观测到的响应,视为由源和源在结构上沿某途径传导产生的效果。由于结构的共振或反共振效应，源可能在传导过程中被放大或者被衰减。此外，它们可能沿多个不同途径，传导至接收部位。 图1 扭振的“源——传导——接收”模型 接收部位或响应部位的振动，通常是刚体运动伴随柔体运动的复合现象。前者一般不产生交变应力，后者则会引起交变应力，并成为某种耐久性问题的根源。传递途径分析（TPA）涉及到某接收部位对源的干扰，这种干扰经由其可能的传导途径，并依赖于传导途径固有的动力学特性，影响整个结构的响应。 用同样的方法，我们来研究扭转振动。先是有一个“源”，譬如说，发动机给出的交变输入力矩。力矩传递过程，牵涉到轴系、齿轮传动系或皮带传动系等的动力特性。最终表现出来的，是旋转件的转速变化。如果沿整个轴，各部位的转速变化都是相同的、一致的，那么在严格的意义上，这不能算作是扭振，仅仅只是转速在变罢了（这相当于线振动分析中的刚体模态）。仅当沿轴不同部位检测到的转速增量有幅值和相位的相对变化时，扭振才确实发生了。当激励频率接近于扭振谐振频率时，会导致旋转件产生很大的内应力。如果未设置专门的监测设备，就有可能发生严重的耐久性问题。 习惯上，凡是在平均转速上、下发生得转速波动，都被称之为扭转振动，无论转轴的不同截面之间是否真正存在相对扭转。 注意, 转矩变化或转速变化，不能只看到表面现象。实际上，旋转件之间传递的力和力矩，只是机械载荷的一部分。而发生的机械振动和噪声，也应视为动力载荷的另一部分。
轴系扭振计算书设绘通则
1 主题内容与适用范围 1.1 本标准规定了“柴油机轴系扭振计算书”的设绘依据、基本要求、内容要 点、数据准备、注意事项、校审要点、质量要求以及附录。 1.2 本标准适用于下列柴油机动力装置在正常工况和任意一缸熄火工况下的扭 振特性计算。 1.2.1 船舶柴油机推进轴系，包括双机并车轴系，PTO轴系、可调距螺旋桨轴 系； 1.2.2 船舶柴油机发电机组轴系； 1.2.3 柴油机水力测功器轴系； 1.2.4燃气轮机推进轴系的自由振动计算。 2引用标准及设绘依据图纸 2.1 引用标准 下列标准所包含的条文，通过在本标准中引用而构成为本标准的条文。本标准出版时，所示版本均为有效，所有标准都会被修订，使用本标准的各方应探讨使用下列标准最新版本的可能性。 a) GB4476-84金属船体制图； b) GB4954-85船舶设计常用文字符号。 2.2 设绘依据图纸 a) 轮机说明书； b) 轴系布置图； c) 有关产品说明书尾轴尾管总图。 3 基本要求 3.1 船舶柴油机轴系扭振计算原理 3.1.1 计算模型 程序是把柴油机轴系简化成一个线性集总参数系统模型。如图1所示。
图1 3.1.2 计算公式 对一个有n个质量的系统，在圆频率为ω的激励力矩作用下，第k个质量的运动方程为： J kφk+C kφk+C k-1,k(φk-φk-1)+C k,k+1(φk-φk+1) +k k-1,k(φk-φk-1)+k k,k+1(φk-φk+1)=M k sin(ωt+ρk) (k=1,2,3,…n)……………………….(3.1.2) 式中: φk、φk、φk第k个质量的角位移、角速度、角加速度； J k第k个质量的转动惯量； C k-1,k、C k,k+1第k-1个和第k个质量间，第k个和第k+1 个质量间的轴段阻尼； k k-1,k、k k,k+1第k-1个和第k个质量间，第k个和第k+1 个质量间的刚度； M k 作用在第k个质量上的激励力矩振幅值； ρk 激励力矩的初相位；