轴系扭转振动测量方法评述

中华人民共和国国家标准UDC 621.431．713．6船用柴油机轴系扭转振动测量方法GB 6299-86The measuring method for torsional vibrationin shaft system of marine diesel engine标准适用于船用柴油机轴系的扭振测量。

其他动力的船舶轴系的扭振测量亦可参照使用。

注：轴系包括与扭振计算有关的动力机、传动元件和受功构件。

1 量标以柴油机曲轴回转中心线为参考，第一曲拐（从自由端数起）上死点为基准，取被测点在定转速各谐次的角位移振幅为量标，以（°）或rad为计量单位。

2 测量仪器2.1 总的要求2.1.1 测量仪器系统必须经过校验，能够获得被测轴系扭振响应正确信息的记录，同时还要获取测点的转速信息。

2.1.2 测量频率范围一般为1～600Hz。

如所选测量仪器的频率范围不足,则必须满足测量信号中主谐次(即柴油机各单位曲柄相对振幅矢量同向时的谐次）或副谐次的频率要求,其频率响应平直部分的允许误差为上10％。

如果测量仪器低频响应不足，其特性确定，则可以使用，但必须对扭振测量值进行修正。

2.1.3 测量仪器应按规定在国家主管机关认可的单位进行校验，并具有校验证书。

2.2 机械式扭振仪2.2.1 正确选择仪器的安装位置，并保批安装精度。

2.2.2 合理选择或调整有关的仪器工作参数如：传动比、弹簧常数、皮带长度和松紧（如用皮带传动时）、划笔放大比和阻尼等。

2.3 电测扭振仪2.3.1 仪器组成测量仪器系统一般由传感器、放大器、记录器及监测指示装置等组成。

在能满足2.1.1款要求的条件下，允许改变其组成。

2.3.2 传感器传感器与被测点之间的联系装置应尽量减小尺寸，并保证其制造和安装精度，以减少非扭振信号对测量精度的影响。

选用的传感器，在规定的工作环境（如温度、湿度、磁场、油污等）下，应能可靠地工作。

传感器经受非正常状况（如冲击、过热、浸油、浸水等）后，应及时校验。

往复式压缩机轴系扭振分析与现场测试本文对一台往复式压缩机机组进行轴系扭振分析，并根据分析结果对轴系施加了频率干预措施。

为了验证扭振分析结果与现场压缩机运行情况的吻合性，专门邀请了国内专业的扭振分析测试团队，对本文分析的压缩机机组进行了现场扭振频率验收测试试验。

现场测试的结果显示，分析计算得到的机组扭振共振转速未偏离机组的实际扭振共振转速（即扭振共振转速测试值），说明理论分析的计算结果具体现场指导意义，可以尽早消除扭振潜在风险，为压缩机长期安全运行提供了保证。

标签：往复压缩机，共振转速，扭振分析1概述在现有的往复式压缩机运行使用过程中，尽管有更成熟的设计和分析工具，但是扭振相关的问题仍然是往复式压缩机安装与使用过程中一个反复出现的难题。

大多数问题发生在由电机驱动的压缩机机组上，常见问题包括曲轴故障、联轴器故障、电机轴故障、电机转子的焊接筋板故障、曲轴辅助驱动端故障和冷却器风扇轴故障等。

为解决这些问题，常用的措施是增加阻尼器，更改飞轮，改变压缩机运行速度范围，或提高零部件承受扭矩和应力的能力。

为某炼化公司生产制造的一台氢气压缩机，为避免轴系存在扭振的风险，我公司在压缩机设计阶段，就对整个机组的轴系进行了扭振分析。

根据轴系中各部位的转动惯量、刚度、阻尼以及相位等参数建立轴系扭振分析的等效模型。

机组的主要技术参数列于表1。

2扭振计算模型的建立与分析在实际的往复式压缩机的轴系中，扭转振动的形态往往很复杂，尤其是那些质量比较集中的地方，往往又伴有扭转变形，而作为连接轴的部分，本身又往往有相当的转动惯量，也就是说轴系中每一小质量都是既有惯量又有弹性的振动体。

这样的数学模型，显然是无法进行分析计算的。

本文按照振动特性不变的原则，将实际的轴系简化成能进行数学计算的当量系统模型。

借助专业的扭振分析软件，建立了氢气压缩机机组的轴系当量轴系模型，如图1。

從图1可以看出，此当量轴系模型由21个具有转动惯量的圆盘（每个圆盘代表一个集中质量块）和20个具有弹性的扭转弹簧所组成。

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IAbstract 硕士论文AbstractThe 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，torsionalvibration detectingII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 ...........................................................................................103.4 本章小结 ...................................................................................................................114解调模块的硬件设计 (12)4.1 A/D转换接口电路设计 ............................................................................................124.1.1 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)4.2 FPGA的外围配置电路设计 .....................................................................................184.2.1 FPGA的时钟及电源电路 (18)4.2.2 FPGA的加载电路 (19)4.3 DSP介绍及芯片选择................................................................................................204.3.1 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 ............................................................................................294.5 本章小节 ...................................................................................................................315 FPGA的逻辑设计及解调模块的软件设计 (32)5.1 FPGA的逻辑设计 .....................................................................................................325.1.1 FIR带通滤波器的设计 (33)III目录硕士论文5.1.2双口RAM的设计 (36)5.2 软件实现希尔伯特变换解调 ...................................................................................385.2.1 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 ...................................................................................................................446仿真结果 (45)6.1 系统仿真环境 ...........................................................................................................456.2 双口RAM的仿真测试 ............................................................................................466.3 希尔伯特变换频率解调的仿真 ...............................................................................476.3.1 MATLAB仿真 (47)6.3.2 CCS软件仿真 (51)6.4 本章小结 ...................................................................................................................537 总结与展望 (54)7.1 总结 ...........................................................................................................................547.2 展望 ...........................................................................................................................54 致谢 ......................................................................... 错误！未定义书签。

船舶柴油机的轴系扭转振动的分析与研究【摘要】本文通过一些国内因轴系扭转振动而引起的断轴断桨的事故实例，来分析引起轴系扭转振动的主要原因，分析扭振主要特性，并提取一些减振和防振的基本控制措施。

【关键词】船舶柴油机轴系扭振危害分析措施在现代船舶机械工程中，船舶柴油机轴系扭转振动已经成为一个很普遍的问题，它是引起船舶动力装置故障的一个很常见的原因，国内外因轴系扭转而引起的断轴断桨的事故也屡见不鲜，随着科学水平的提高和航运业的发展，人们越来越重视船舶柴油机组的轴系扭转振动，我国《长江水系钢质船舶建造规范》和《钢质海船入级与建造规范》（简称《钢规》）和也均规定了在设计和制造船舶过程中，必须要向船级社呈报柴油机组的轴系扭转振动测量和计算报告，以此来表明轴系扭转振动的有关测量特性指标均在“规范”的允许范围内。

1 船舶柴油机轴系扭转振动现象简介凡具有弹性与惯性的物体，在外力作用下都能产生振动现象。

它在机械，建筑，电工，土木等工程中非常普遍的存在着。

振动是一种周期性的运动，在许多场合下以谐振的形式出现的，船舶振动按其特点和形式可分为三种，船体振动，机械设备及仪器仪表振动，和轴系振动。

船舶柴油机轴系振动按其形式可分为三种：扭转振动，纵向振动，横向振动。

柴油机扭转振动主要是由气缸内燃气压力周期性变化引起的，它的主要表现是轴系上各质点围绕轴系的旋转方向来回不停的扭摆，各轴段产生不相同的扭角。

纵向振动主要是由螺旋桨周期性的推力所引起的。

横向振动主要是由转抽的不平衡，如螺旋桨的悬重以及伴流不均匀产生的推力不均匀等的力的合成。

船舶由于振动引起的危害不但可以产生噪音，严重影响旅客和船员休息，还会造成仪器和仪表的损害，严重的时候甚至出现船体裂缝断轴断桨等海损事故，直接影响船舶的航行安全。

而在船舶柴油机轴系的三种振动中，产生危害最大的便是扭转振动，因扭转振动而引起的海损事故也最多，因此对扭转振动的研究也最多。

而且当柴油机轴系出现扭转振动时，一般情况下，船上不一定有振动的不适感，因此这种振动也是最容易被忽视的一种振动形式，一旦出现扭转振动被忽视，往往意味着会发生重大的事故。

船舶轴系扭振计算与测量分析简介高莹莹(青岛齐耀瓦锡兰菱重麟山船用柴油机有限公司技术部)摘要：随着现代船舶计算的发展,船舶轴系扭转振动成为船舶动力装置安全运行的重要因素之一,各船级社规范也对船舶轴系扭振提出了计算和实测的要求，本文结合实例对船轴系用霍尔茨法进行自由振动计算和采用能量法进行共振计算进行了简单介绍,结合实船的扭振测量的结果和理论计算结果进行对比分析.结果表明,采用精确的原始轴系数据和柴油机参数,使得扭振计算的理论结果和实测结果非常吻合,本船的理论计算值符合实船状况,转速禁区设定正确.关键词:当量系统霍尔茨法能量法测量修正随着船舶工业的发展,造船数量和吨位不断增大,造船行业对造船技术的工艺和质量要求越来越高。

高质量、高效率的生产设计离不开现代化的技术支持。

然而船舶柴油机轴系的扭转振动是影响船舶动力装置安全运行的重要动力特性之一。

轴系振动计算不但对深入研究船舶推进轴系的可靠性、安全性、用于动力装置故障诊断等具有重要意义，而且是船舶推进轴系设计、制造、安装和检验比不可少的环节之一，为推进装置可靠安全运行提供了有力保障。

基于此，本文结合一30万吨VLCC船舶的轴系实例对船舶柴油机扭振计算和测量分析做了简要的概述。

1，当量系统的转化根据有关轴系振动理论，船舶柴油机及推进轴系实际就是一个多质量有阻尼强迫振动系统。

实际计算分析中，可以将其转化成为若干用无惯量的轴连接起来的集中质量系统，称之为当量扭振系统。

为了使转化后的当量扭振系统能代表实际的轴系的扭振特性，一般要求：当量扭振系统的固有频率应与实际系统的固有频率基本相等；其振型与实际的振型相似。

如下图Fig.1为一30万吨VLCC油轮轴系的当量扭振系统模型。

该船安装的是瓦锡兰7RT-flex82T电喷柴油机，主机的额定功率31640Kw，额定转速80rpm。

中间轴长9927mm，直径700mm，抗拉强度为590N/mm2;螺旋桨轴长10233mm，艉轴承处直径850mm，抗拉强度为590N/mm2。

曲轴扭振测试方法
曲轴扭振测试方法通常选用频响函数法。

频响函数法是利用频响函数测试扭振的方法，主要通过测量曲轴扭转减振器的频响函数来获取扭振频率。

在测试过程中，通常会沿X方向对系统进行锤击，给系统切向激励，以模拟实际工作状态。

同时，测试之前需要先将曲轴扭转减振器加热到指定温度，然后利用保温装置进行保温，并利用非接触式温度测量装置测量系统温度，以保证测试结果的准确性。

另外，由于橡胶在100℃时会有高温失效的倾向，而实际工作温度通常低于100℃，因此通常仅对20、40、60、80℃这四个温度下的曲轴扭转减振器扭振频率进行测试。

以上信息仅供参考，具体操作可能需要根据具体情况进行调整。

如需更多信息，建议咨询专业技术人员或查阅相关技术手册。

第23卷　第1期 昆　明　理　工　大　学　学　报 Vol.23No.1 1998年2月　JOURNAL OF KUNMIN G UN IV ERSIT Y OF SCIENCE AND TECHNOLO GY　Feb.1998扭转振动测试的实验研究Ξ张建勋　罗德扬(昆明理工大学建筑工程及力学系,昆明　650093)摘要　扭转振动可以看作是匀速轴转动的相位调制.如果可能从回转轴上取出回转编码信号,在一定条件下,此信号的相位解调就表示轴的扭转振动.进行相位解调的有效方法是使用FF T分析仪将实信号变为解析信号,而后将其幅值和相位调制分量分解出来.利用希尔伯特变换技术进行幅、相解调,这在通讯领域应用较为广泛.而将其用于扭转振动的检测和分析,目前来说还不多见.为此,我们设计了一套实验装置,利用相应的设备和开发软件进行了一系列实验,得到了一些数据和结果.由于整个解调过程是数字化的.因而具有精度高、应用范围广、适应性强等一系列传统模拟方法所不可比拟的优点,并摒弃了复杂、昂贵而精度有限的扭振传感器.关键词　希尔伯特变换;扭转振动;相位调制;相位解调;编码信号;扭振传感器中图分类号　TG506191　扭转振动分析原理和方法图1显示实现相位解调和扭振分析的测试分析系统.分析系统主要由双通道信号分析仪B K2034和286微机组成,二者间由GPIB通用接口总线联结,并由开发的通讯软件B KU TIL支持.此程序使计算机能监测,控制B K2034的运行和数据输入输出等.根据扭振分析的理论,实际分析过程可用图2表示.图中,双边框的过程由B K2034实现,单边框内的过程由计算机完成.从光电编码器输入的被扭振调制的编码脉冲,被输入B K2034,在转速同步脉冲和外部采样脉冲的控制下进行时域同步平均,达到排除与转速频率无关的噪声的干扰.转速脉冲作为同步平均的触发信号,外部采样则保证了频率跟踪.在达到给定的平均次数后, B K2034自动对平均信号用FF T进行谱分析.并显示同步平均谱.带通滤波是由程序控制以人机对话方式进行的,在定了适当的中心频率和带宽后,仅只有带宽内的数据被读入计算机从而实现带通滤波.程序按频移原理及离散付里叶变换的周期特性将滤波谱进行重新排列,完成谱不移并生成数据文件.该数据文件被输入B K2034调用其FF T功能进行付里叶变换.变换后的数据又写入计算机后,由程序控制组成了复信号,并算出它的包络和Ξ收稿日期:1997-10-15相位.计算结果经标定后输入2034显示分析结果,并可打印出硬拷贝.图1　扭振分析系统图2　扭振分析流程图回转轴的扭转振动,无论是伴随着回转的周期性振动,还是每转重复发生的瞬态振动,都是以轴的回转频率的整数倍(包括相等)频率为基频的周期振动.理论上扭振编码信号的频谱应为离散状,所有谱线包括谐波谱线和边带谱线都位于回转频率的整数位置上.由于整个分析过程是数字过程,主要运算为付里叶正逆变换,其间还对频谱进行矩形截断以实现带通滤波.为保证数字化分析的可靠性,必须对扭振信号进行整周期截取,以避免泄漏和栅栏效应.实现整周期截取的关键是采用频率跟踪技术,使A/D 变换中的采样频率自动跟踪轴的频率始终为回转频率的整倍数(称为乘法因子,本例中为1024),而不是由A/D 内部时钟控制.当轴的转速变化时,仍能保证对每一转的编码信号有相同的采样点,而形成一个完整的数据块.在B K2034进行数据采取时,就是用脉冲发生器产生的采样脉冲来实现频率跟踪的.而转速脉冲用来触发A/D 变换器保证每一个数据块的起始点位于编码信号(即扭振信号)的某固定相位上,保证了同步平均的可靠.B K2034在进行运算分析时,每个数据块是2048点,而脉冲发生器每转发出的是1024个采样脉冲,所以一个数据块包含了两转的编码和扭振信号.理论分析证明,在频谱图上,编码脉冲及调制边带的谱线应当位于分析仪的偶数谱线上,奇数谱线实为干扰噪声.根据这一分析,在进行带通滤波时,程序将通带内所有奇数谱线置零,消除噪声以提・96・第1期 张建勋等:扭转振动测试的实验研究高分析精度.图3　调幅调相信号及频谱由计算机完成频谱平移和数据组合后,需进行付里叶逆变换.这是调用B K2034的FF T 功能来完成的.数据的实部和反号后的虚部(取共轭)分别视为两路时间信号输入B K2034作付里叶正变换.得到各自的变换后实虚部共4组数据,程序将这些值重新组合成一复时间信号,该信号的模就是编码脉冲的包络,幅角除以修正因子(与每转编码脉冲数及通带滤波中心频率有关)就得到了扭转动的角位移时间历程.实现上述信号分析过程的应用程序软件是解调程序APDM (幅相解调).程序既控制调用B K2034相关功能又完成灵活的数据传输、转换、存储和各种运算.考虑使用的一般性和通用性,程序是在B K2034完成时域同步平均和谱分析并显示出编码频谱的基础上运算的.a 包络信号b 相位信号图4　APDM 解调的结果APDM 程度具有很高的可靠性和准确性,用B KU TIL 程序向B K2034写入一系列专门生成的数据文件,模拟各种情况下的调幅调相波及频谱,而后用APDM 进行解调,均得到十分满意的结果.图3表示了一个幅相均被调制的周期信号及其频谱,在这个最一般的例子中载波、调幅波调相波均是有两个谐波(基频和二次谐波)的一般周期信号.图4表示了由APDM解调出的结果.图4a 为包络,图4b图5　扭振试验装置简图为相位.分析结果完全符合数据文件的设定参数.2　扭转振动试验装置扭转试验装置用来产生频率和幅值大小可以调节的扭转振动,输出扭转编码信号,并能同时产生用于频率跟踪的采样脉冲和同步触发用的转速脉冲.211　试验装置的构成・07・昆　明　理　工　大　学　学　报 1998年图5是本试验装置的结构简图.直流电机经过单级万向联轴节带动扭振轴旋转.在轴的另一端装有一个圆盘(编码盘)在靠近圆盘边缘的圆周上,均匀分布着60个小孔,圆周正好与固定在装置底坐上的红外光电开关的光线通道重合.当圆盘转动时,该圆周上的有孔和无孔部分交替通过光线通道,使光电开关中的光敏二极管交替地闭合断开,通过负载电阻输出编码脉冲.当扭振轴与电机轴在一条直线上时,扭振轴与电机一道作匀速转动;当二者成一角度时,根据万向联轴节特性,扭振轴会产生每转两周的扭转振动,振动频率为电机回转率的两倍.轴的扭振将调制编码脉冲的相位,用这种方法简单而又可靠地拾取到扭转振动信号.a 转速脉冲,b 采样脉冲,c 编码脉冲图6　试验装置产生的三种脉冲直流电机还通过一对1∶1的同步齿轮带动一个光电脉冲发生器转动,电机转一周,扭振轴转一周,脉冲发生1024采样脉冲,同时还在固定相位上发出一个转速脉冲,采样脉冲输入B K2034,驱动A/D 转换器,保证在电机的任何转速下,对每转的编码脉冲都是1024个采样点,实现了频率跟踪;转速脉冲输入B K2034作为采样时的触发脉冲,以实现同步平均.图6　a ,b ,c 分别表示由试验装置产生的转速脉冲,采样脉冲和编码脉冲.为实现采样频率自动跟踪回转频率,通常是采用一种称为频率乘法器的仪器,这种仪器国内尚无产家生产且相当昂贵.使用与电机轴同速转动的光电脉冲发生器,在此试验装置中简单可靠地解决了这一问题.3　扭振分析实例与分析参数选择311　分析实例图7所示为扭振轴的扭转振动分析结果.图7a 是扭振的时间历程,横坐标是转角,共两转720度,纵坐标是扭转振动的角位移,该图清楚地显示出存在着两周的扭转振动,这是与万向联轴节特性相符的.图中的角位移扩大了60倍(n =1N =60),其实际峰—峰值为240/60=4度.图7显示的是该扭振的位移频谱,频谱中的主要成分就是由联轴节引起的频率为2倍回转频率的扭振.多次分析结果,该频率分量的平均值为66177(RMS )标准差为01002;这说明了试验装置的稳定性和分析技术的可靠与精确性.频谱中的回转频率分量是由转轴的径向抖动引起的.・17・第1期 张建勋等:扭转振动测试的实验研究a 扭振的时间历程b 扭振的位移频谱图7　扭振轴的扭振分析结果312　带通滤波参数的选择在整个分析过程中,带通滤波是关键步骤之一,其参数是中心频率和带宽,即被解调的边带对数.对编码脉冲的不同次谐波,由同一扭振信号调制后产生的相位调制量是不同的;正如前面的理论分析指出的,由分析程序得出的结果是放大了nN 倍的扭振信号nN p (t ),(n 为谐波次数,N 是每转编码脉冲数).一般来说,n 的优选值是1,即选编码脉冲的基频分量及其边带为解调对象,此时滤波器的中心频率为nf .这样选择有三个考虑,一是使每转编码脉冲数N 有比较大的选择范围;二是周期信号的基频分量一般幅值最大,选基频可提高分析的信噪比;三是调制指数β与nN 之积正成比,选n =1使β较小,对下面要讨论的避免边带干涉是有利的.另一方面,在实际扭振量p (t )很小时,为提高分析灵敏度,也可选用高次谐波.相位调制理论指出,即使最简单的单频调制也会产生无限延伸的边频带,这样两个相邻谐波的边频带就会重叠产生干涉.实际上,边带幅值沿谐波左右延伸时是迅速衰减的,因而调制带宽可近似认为是有限的,在选择解调带宽时,一方面带宽应足够宽,以保证绝大部分调制信息.但从避免相邻边带干涉角度出发,解调带宽又应该是有限的.折衷原则是在保证分析精度的情况下,选择较小的带宽.图8　分析结果与λ的关系图8表示扭振分析结果与解调带宽之间的关系.图中的纵坐标是扭振幅值(基频分量),横坐标是被解调的边带对数λ.很明显,随着λ的增加,振幅值逐步增加,当λ>4时,分析值趋于一稳定值.这就是实际上的扭振幅值(放大了nN 倍).根据贝塞尔函数曲线及试验结果在β《1时(β以弧度计),λ=1即只需解调一对边带就可能得到足够精确的分析结果;在β较大时,可选2-5条边带.本例中λ=4.313　每转脉冲数N 及编码波形选择理想的编码波形,其频谱中相邻谐波分量之间的间隔应尽可能的宽,给解调带宽有较・27・昆　明　理　工　大　学　学　报 1998年大的选择余地,也减少边带干涉的影响.在各种脉冲波形中,容易得到而又合乎这个要求的是占空比相等的矩形脉冲.这种脉冲系列的频谱中只有奇次谐波,即n =1,3,5,…,任意两个相邻谐波间的频率跨度等于2N f ,这样解调带宽理论上也可达2Nf.而不至于进入相邻边频带.编码信号的每转脉冲数N 直接影响实际的调制指数β,如果N 是可调的,则在扭转幅值较大时,可用较小的N 值,使边带适当的缩小,以利于解调;而在扭转幅度较小时,可用适当大的N 值,以提高分析灵敏度和精度.一个简单的分频器,可以以整倍数减小N 值,同时又具有整形作用使输出信号为理想的方波.因而可选用N 值较大的编码发生器.后接分频器,根据具体情况作调整,以得到较佳的分析参数.a 离散频谱b 连续频谱图9　扭振编码信号的频谱314　频率跟踪的效应如前所述频率跟踪技术是此分析方法的关键之一.图9a 所示的是采用频率跟踪所得到的扭振编码的频谱,频谱呈现明显的离散状,而在不采用此技术时,频谱呈连续状,如图9b 所示,这主要是由于非周期截断而产生泄漏引起的.只有在周期信号所具有的离散频谱的前提下,才能用本课题所研究的数字方法进行扭转振动分析.4　结论通过以上工作,得出下列结论:1)当回转系统产生扭转振动或瞬时回转振荡时,所检测到的振动信号和回转编码脉冲会产生幅、相调制.利用希尔伯特变换技术对其进行解调,就能准确分离出扭振及瞬时振荡的全过程.由于解调过程是数字化的,因而具有精度高,应用范围广,适应性强等一系列传统模拟方法所不可比拟的优点,并摒弃了复杂,昂贵而精度有限的扭振传感器.2)频率跟踪技术是本课题所研究的扭振分析方法得以成功的关键之一.频率跟踪技术使信号采集时的A/D 变换采样频率自动跟踪参考轴的回转频率(相差一个固定的倍数),保证了在参考轴的转速稍有变化时,对每一转的编码信号有相同的采样点数(1024)和一致的触发相位;编码信号的频谱呈周期信号特有的离散状,所有信号谱线均位于轴回转频率的整数倍位置上.这就保证了在信号分析中的周期截取,避免了泄漏的产生,使分析结果精确可靠,并避免了非相关噪声的干扰.传统频率跟踪技术需要由锁相环控制的频率位乘器,此仪器十分昂贵且国内尚无可靠的产品.在本课题中,是采用同步齿轮由电机驱动一个光电脉冲发生器每转发出1024脉冲作为采样脉冲,实现了可靠的频率跟踪,此方法简单、可靠、有推广价值.3)用光电编码发生器检测扭振信号,取代了昂贵,复杂,且性能不高的扭振传感器.编码发生器由安装在扭振轴端的孔盘和远红外光电开关组成,每转发出60个被调相的编・37・第1期 张建勋等:扭转振动测试的实验研究码脉冲.利用触发器和分频器可改善编码信号的波形和每转脉冲数、调整分析参数.4)扭转编码脉冲以占空比相等的矩形脉冲最为有利;一般情况下,应选用编码脉冲的基频分量及边带作为解调对象,当扭振信号较弱时,可选用其高次谐波,这样既能有较高的分析精度,又能有效地避免相邻边带干涉;解调带宽在保证分析精度情况下,选择较小的宽带,每转脉冲数N 如果可调,则在扭转幅值较大时,选用较小的N 值,使边带适当缩小,以利于解调,而在扭转幅度值较小时,选用适当大的N 值,以分析灵敏度和精度.5)本文讨论的分析方法所得出的扭振函数在时域内十分细致地显示整个信号的时间历程,而且其频谱也十分清晰.6)本文所研究的扭振测试和分析方法.特别适合各种回转系统如内燃机曲轴、发电机、齿轮传动链等的扭转振动.有广阔的应用前景.参　考　文　献1　RANDLL R.B 1,LUO DEY AN G ,Hilber Transfom Techniques for Torsional Vibration Analllysis .The Institution of Engineers Australia ,Vibration and Noise confe rence ,Melbourne 18-20september 1990.2　R.B 1RANDALL ,Hilbert Transform Techniques In Machine Diagnostcs.Bruel K jaer Australia Pty Ltd.3　MCFADDEN P.O.Detecting Fatigue Cracks in G ears by Amplitude and Phase Demodulation of the Meshing Vibration .J.Vib.Acoust.stress Rel.Des 1,108/165,April 19864　黄迪山,陆乃炎,童忠钫,程耀东.应用希尔伯特变换提取相位信号.振动与动态测试,1988,(2):68～715　(美)J ・S 米切尔.机器故障的分析与监测,北京:机械工业出版社,1990.15～25Experimental Study on Torsional Vibration DetectionZhang Jianxun Lou Deyang(Department of Architectural Engineering and Mechanics ,Kunming University of Science and Technology ,Kunmng 650093)ABSTRACT Tosional vibration can be considered a phase modulation of a uniform shaft speed.If a shaft en 2clder encoder signal is available the phasedemodulation of this signal indicatds the torsional uibration the shaft FFT analyser is used to construct the analytic signal correspondring to a measured real signal and the amplitude and phase modulation components is to be decomposed.The Hilbert transformation technigue for anplitnde demodulation and phase demodulation is widely applied to communication ,But it has mot beem applied sowidely in torsional wibration detection and analysis.S o we havi designedan enperiment set -up ,using acrresponding eguipment anddevebped software forexperimentation We obtained some datas and results.As all process demodulationis digital ,it has the advantage of high precision ,widely application ,adaptable ,which the traditonal way modelling can mot becompoued with throws away tor 2sional vibration transmitter which is complicated ,expensive and low precision.K ey w ords Hilbert transformation ;torsional vibration ;phase modulation ;phase demodulation ;encdet sig 2nal ;transmittet.・47・昆　明　理　工　大　学　学　报 1998年。

毕业设计(论文)轴类零件扭转振动测试方法研究学生姓名：学号：学部（系）：机械与电气工程学部专业年级： 09级机械设计制造及其自动化指导教师：职称或学位：教授2013 年 5 月27日目录摘要 (3)关键词 (3)Abstract (4)Key Words (4)1.绪论 (4)1.1课题概述 (5)1.1.1课题背景 (5)1.1.2研究目的及意义 (5)1.2轴类扭振测量技术的发展现状 (6)1.2.1 轴类扭振测量技术国外研究现状 (6)1.2.2 轴类扭振测量技术国内研究现状 (7)1.3扭振测试仪器的发展现状 (7)1.4论文主要内容及结构安排 (9)2.轴类扭振测量方法分析 (10)2.1 接触测量法 (10)2.2非接触测量法 (11)2.3调制解调法 (14)2.4本章小结 (14)3.模态分析基本理论 (14)3.1 理论模态分析基本理论 (15)3.1.1 背景概述 (15)3.1.2模态理论分析 (15)3.2试验模态分析基本理论 (16)3.2.1背景概述 (16)3.2.2模态激振方法 (17)3.2.3模态分析系统 (18)3.3试验模态分析步骤 (18)3.4本章小结 (19)4.扭转振动试验模态分析 (19)4.1 试验方案 (20)4.1.1试件的设计思想 (20)4.1.2基于MSC-Nastran 转轴模态仿真分析.. 错误!未定义书签。

4.1.3仿真分析结果 ...................... 错误!未定义书签。

4.2 模态试验系统 ........................... 错误!未定义书签。

4.3模态试验过程 (21)4.3试验结果与分析 (27)4.4 本章小结 (29)5.总结与展望 (29)5.1 全文总结 (29)5.2 工作展望 (30)参考文献 (30)致谢 (32)轴类零件扭转振动测试方法研究摘要扭转振动问题普遍存在于各种旋转机械中。

发动机曲轴扭转振动的测量一、实验目的：1、学习用实验法确定曲轴固有频率和临界转速，并找出共振时的最大扭转角。

2、了解非接触式扭振仪的工作原理。

二、实验说明：在内燃机的使用实践中，人们发现当多缸机达到某一转速时，会变得运转很不均匀，并伴有机械敲击和抖动，性能也变坏了，当转速升高或降低一些，这种现象减轻甚至消失，这种现象的原因是由于曲轴发生了大幅度扭转振动引起的。

曲轴不是绝对刚性的，具有一定的弹性，而且有自己的固有频率。

曲轴在某一转速工作时，不仅要受到各缸平均扭矩的作用，还要受到各缸干扰力矩的作用，而且不同步，所以各曲拐间必然产生相当大的周期性相对扭转。

这种扭转与曲轴的刚度、转动惯量和施加在曲轴上的干扰力矩有关，或者说与曲轴的固有频率和干扰力矩有关。

而各缸干扰力矩是相当复杂但是是呈周期性变化的，根据傅立叶级数理论，再复杂的周期性函数都可以表示成由若干阶谐量叠加而成，所以，各缸干扰力矩可以认为是由若干阶谐量叠加而成。

+M0.5sin(0.5ωt t+δ0.5)+M1sin(1.0ωt t+δ1)+M1.5sin(1.5ωt t+δ1.5)+ M2sin(2.0ωt t+δ2)+M2.5sin(2.5ωt t+δ2.5)+M3sin(3.0ωt t +δ3)+…………………………………………..+M 9.5sin( 9.5ωt t+ δ9.5)+M10sin(10ωt t +δ10)+M10.5sin(10.5ωt t+δ10.5)+M11sin(11ωt t +δ11)+M11.5sin(11.5ωt t+δ11.5)+M12sin(12ωt t +δ12)当干扰力矩的某一阶谐量的变化频率等于曲轴的固有频率时，就会产生共振，使相对扭转角大大的增大，造成曲轴承受的应力大大增加，这样就会使曲轴轻则疲劳加剧，重则断裂，直接影响曲轴的使用寿命。

要想研究曲轴的扭转振动，用计算的方法比较繁琐，今天我们就用实验的方法来研究曲轴的扭转振动。

关于振动评定、轴振动的测量与评定振动评定1、机器分类在10-1000Hz的频段内，振动速度均方根值相同的振动，被被为具有相同的烈度，为使各种不同的旋转机械能用同一烈度标准进行评定，本标准根据机器的尺寸和功能（振动体质量、尺寸、机器的输出功率等）、机器一支承系统的刚性等将旋转机械分为如下4类：I--小型转机如15KW以下的电机；II--安装在刚性基础上的中型转机，功率300KW以下；III--大型转机，机器一支承系统为刚性状态；IV--大型转机，机器一支承系统为挠性支承状态。

2、评定振动标准每类旋转机械分4个区段作振动状态评定，振动烈度评定界限见表1。

当振动烈度变化达到表中所列一级数值时，表示振动烈度变化了1.6倍，即相差了4dB，表明大多数机器振动状态发生了有意义的变化，应及时报告。

振动烈度变化了两级，意味着振动变化了2.5倍，即振动状态变化了一个区段，应及时调查研究，分析原因。

表1 振动烈度评定等级表①I、Ⅱ、III、Ⅳ为机器分类，见机器分类；②A区-新交付使用的机器应达到的状态或优良状态；B区--机器可以长期运行或合格状态；C区一机器尚可短期运行但必须采取相应补救措施，或不合格状态；D区一不允许状态。

关于轴振动的测量与评定1、测量方法与要求（1）轴相对振动测量通常使用非接触式传感器进行测量。

在轴承内安装传感器时，不能影响润滑油膜压力区。

在支架上安装传感器时，支架的固有频率要高于机器最高转速的10倍以上。

（2）轴绝对振动测量轴绝对振动测量有两种方法，即有接触式轴振动传感器方法和把惯性传感器与非接触式，传感器结合使用的方法。

当采用惯性传感器与非接触式传感器结合使用的方法时。

要求惯性传感器和非接触式传感器固接在一起，刚性地安装在机器的轴承座上，以保证两个传感器在测量方向上承受相同支承的绝对振动。

两种传感器的灵敏度轴线应尽量重合，以保证它们输出信号的矢量和能成为轴绝对振动的精确测量值。

（3）两种轴振动测量方法，都需确定由于轴表面金相组织不均匀、局部剩磁及轴的机械偏差所引起的总的非振动性偏差，其值不超过振动位移允许值的1/4或6um两者中的较大值。

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。