第三章电机轴振动模拟平台与测试2

轴振动光电在线精密测量系统研究18第三章电机轴振动模拟平台设计与测试系统在工作时，光源发出的调制信号光照在高速运转的电机轴表面然后再反射到PSD上。C5932输出的电压信号的大小取决于PSD、信号光源和电机轴三者的相对位置。此外，电机轴的表面状况对输出的电压信号也有一定的影响。为了使理论研究与实际测试相结合，本文搭建了一个实验平台来模拟电机轴工作时的振动情况，并使用示波器测试各种情况下PSD测振仪的输出。通过比较分析来设计合理的机械结构。下面先介绍轴振动测量的基本概念和几个重要参数，再给出模拟实验平台的设计方案和测试结果分析。3.1轴振动分析确定一个机械振动一般需要三个参数：振动幅度、振动速度（周期）和初始相位。振动按运动轨迹的不同可以分为一维直线的、二维平面的和三维立体空间的，相应的振动幅度由一维变量、二维变量和三维变量决定。在轴振动测量中，本系统主要的研究对象是轴的径向平面上轴心振动幅度。轴的振动状况可以由轴心运动轨迹图来表示。轴振动的频率与轴运转时的转动频率一般成倍数关系。轴的转动频率在轴运转时固定不变，使用现有的成熟的技术可以很容易的测量得出。轴振动频率决定后面信号处理的滤波带宽、采样频率的取值。轴的初试相位不是本系统的主要研究对象，3.1.1轴振动原因前人对引起轴振动的原因已经做了很多的研究。轴振动来源划分，从早期按零部件，例如轴承、转子、汽缸、管道、基础等部件振动进行划分；发展到目前采用故障源，例如转子不平衡、机组中心不正、轴瓦不稳定、机械松动、共振等故障来划分；另外，也曾采用过振动频率来划分。经多年的研究和不断的改进，最新采用的分类方法首先将机组振动按振动性质划分为普通强迫振动、电磁振动、拍振、气流激振、随机振动、轴瓦自激振动、参数振动、汽流激振、摩擦涡动等共11类，然后按振动类别将振动故障原因再分类。以上11类振动，如果就每一类振动故障范围而言，又可分为激振力和支承动刚度两部分。激振力是指例如转子不平衡力、电磁激振力、转子径向刚性不对称引起参数振动中的惯性力、汽流冲击力等，激振力在运行的机组上始终是存在的。支承动刚度是指使轴固定部件产生单位振幅（位移）所需的交变力，影响动刚度的主要有连接刚度、共振和结构刚度三个因素。3.1.2轴振动幅度与频率分析在线性系统中，部件呈现的振幅与作用在部件上的激振力成正比，与它的动刚度成反比，可用下式表示：A=P/Kd(3.1.1)式中A---振幅；P---激振力；Κd---部件动刚度第三章电机轴振动模拟平台设计与测试19在现场发生的机组振动过大，按其原因来分，属于转子质量不平衡的约占80％；按激振力性质来分，属于转子不平衡力的将达90％左右。这种转子质量不平衡引起的激振力可用下式表示：A=mrω2/Kd(3.1.2)式中m-偏心质量；r-偏心距；ω-偏心轮的圆频率。由上式可知在这种振动中当支承动刚度保持不变时振幅和转速的二次方成正比，转速越高振幅越大，当转速达到共振频率时，振幅递增更大。轴振动频率是与轴转动频率是密切相关的。引起轴振动的主要因素：转子不平衡、支撑动刚度不足、不对称电磁力、轴系连接同心度、平直度偏差引起的轴振动频率与轴转动频率相同。是本系统研究的主要对象。此外电磁激振、高次谐波共振、分谐波共振、拍振、撞击振动会引起与轴转动频率成倍数关系的轴振动，在整个振动中处于次要的因素。基于此在后面的信号处理电路可以决定相应的滤波电路带宽和采样频率的取值。3.1.3轴心运动轨迹测量在本系统中，主要测量轴径向平面上轴心的振动情况。假设轴心的运动轨迹如下图所示：图3.1.1轴心运动轨迹图如上图所示，轴静止时的轴心位置位于坐标原点。轴运转并保持一定转速时轴心运动轨迹为一个以原点为中心的椭圆形。此时轴心以转动频率在该轨道上移动。轴振动光电在线精密测量系统研究20这只是理想情况下的轴心运动轨迹。在实际的轴运转中，引起轴振动的原因往往是几个因素的叠加，轴心运动轨迹是一个非常复杂的图形。当轴心在某一时刻移动到上图所标的位置时，设轴心位置在x轴和y轴上的位移为x，y，则此时轴心相对于轴静止时的振幅大小为(3.3.1)在系统设计时可以采用双通道结构，分别对x轴和y轴振幅进行数据采集，再将同一时刻采集到的两个数据传送到计算机上根据上式得到轴径向上的振动幅度d。在本系统研究中，由于设备的限制只能对一个方向上的振幅进行测量。3.2电机轴振动模拟平台本文使用电动机车的零部件来搭建模拟平台，其工作原理，表面特征均与电机轴类似，具有一定的可比性。下面介绍该模拟平台的电气连线和与PSD,光源的机械结构。3.2.1电气连线该模拟平台的电气连线如图3.2.1所示。它是由电机轴、控制器、调速器以及电源四部分组成的。图3.2.1模拟平台电气连线电机轴的直径为40cm左右。当满负荷运转时最高转速可以达到每秒钟3至4转。虽然这个转速相比发电机工作时的转速要低的多，但可以通过在电机轴上设置测试点（在电机轴表面上某些位置垫高反射层）来提高测试频率。模拟平台的电机轴径向振动幅度可以通过调整机械固定结构来改变大小。电机轴是金属结构，表面反射率比较高，光源发出的信号光反射后的光强损失比较小，照在PSD表面的光斑也比较小。此外由于电动车电机制造工艺，这个模拟平台上的电机轴上还有一个通孔。信号光照到孔上时无法反射到PSD上。PSD接受不到信号光时C5923会有相应的输出显示。这对振动的模拟测试影响不大，同时也提供了一个轴转动的周期信号。控制器在模拟平台起着一个电力分配的作用。它与电机轴、调速器和电源连在一起，将电源提供的电能量根据调速器的状况分配给电机轴。模拟平台的调速器是由一个滑动变阻器组成的。通过转动调速器可以调整电第三章电机轴振动模拟平台设计与测试21机轴的转速大小。模拟平台的电源是由三个12V直流电压输出的蓄电池串联组成的36V蓄电池组。当电耗尽时可以充电后再使用。3.2.2模拟平台机械结构上文介绍模拟平台的电气连线，在机械设计时要将模拟平台各个部分和PSD，光源进行合理的位置安排，使测试精度达到设计要求。模拟平台的机械结构原理图如图3.2.2所示。电机、电池、控制器和调速器被固定在由三角铁搭成的金属架上。电线沿三角铁走线。架子底部可以钻孔与地面连接以确保模拟平台工作时的整体稳定。图3.2.1模拟平台机械结构原理图模拟平台还提供两个可以选择的PSD与光源放置平台。PSD与光源可以固定在平台上，并且光源的信号光发射角度与PSD接受发射光的受光面角度都可以根据测试要求调节。两个平台均可以调整与电机轴表面的距离。平台2还可以调节高度。其中，平台2与电机平台相互独立，可以实现PSD光路面垂直电机轴测量法。平台1可以实现PSD光路面平行电机轴测量法。两种测试方法可以按要求应用于不同的测试环境，两者的区别与分析会在下文给出。模拟平台的实物图如图3.2.2所示。三角铁做了喷漆处理，解决了生锈的问题。电机工作时的振动幅度可以通过调节固定电机的螺丝来调节。在测试中，轴振动的幅度可以用肉眼观察出来。满负荷运转时电机转速可达每秒三周左右。在模拟平台上部还开了两条导轨。平台1可以沿导轨进行位置调整。平台2由于与电机平台相互独立，位置调整的空间比较大，甚至可以测试电机轴的轴向振动。平台2也可以与电机平台焊接在一起来降低平台振动引起的误差。轴振动光电在线精密测量系统研究22(a)(b)图3.2.2模拟平台实物照第三章电机轴振动模拟平台设计与测试233.3模拟平台波形测试将PSD与LD光源位置固定之后就可以进行测试了。启动C5923的电源，C5923的4脚和5脚输出调制驱动方波，LD光源被点亮，PSD接受反射的光斑，最后C5923输出位置电压信号波形到示波器上。下面按电机轴运转状况分静态测试与动态测试分别讨论。3.3.1静态测试静态测试是指在电机轴静止不转的情况下的测试。因为电机轴的位置是固定的，所以这时C5923输出的位置电压信号在理论上应该是一个常数。上文提到模拟平台的电机轴上有一个通孔，手动将该通孔对准信号光源的入射光，此时PSD上没有反射光斑，示波器显示的波形是许多高频宽幅振荡的脉冲波如图3.3.1所示。这是因为当PSD上没有信号光时，背景光产生的电信号通过解调电路时全部被滤掉。这时加在除法电路上的除数电信号和被除数电信号均为零，AD538进行0/0的运算,输出的是一个不确定的电压信号。这与图显示的波形相符。当电机运转时，每当信号光源发出的光照到通孔无法反射的时候，示波器就会显示高频的脉冲。电机轴每转一周相应有一个脉冲出现，通过这个特征可以测出电机的转速。图3.3.1PSD无光情况下输出波形当信号光照到电机轴反射到PSD时，示波器显示出一个幅值恒定的波形如图3.3.2所示。输出电压的大小是由LD信号光源，电机轴反射面和PSD受光面组成的光路决定的。由于C5923输出范围为-5V～+5V,因此在电机轴静止时，调整光源轴振动光电在线精密测量系统研究24和PSD的角度使输出电压尽可能等于零，这样电机运转时测试范围最大，从而最大限度地避免出现输出饱和的情况。图3.3.2电机轴静止时输出波形为了检验C5923调制解调电路对非调制信号的过滤效果。在上面的光路的基础上用恒定的电压代替C5923提供的方波驱动给LD光源供电。这时示波器显示的波形与PSD上没有反射光斑时的图3.3.1中的波形几乎一样。这证明了PSD只对调制信号才有反映，外部的背景光对输出的信号没有影响。3.3.2动态测试动态测试是测试在电机轴运转的情况下的信号输出。模拟平台提供了两个PSD与光源放置平台，可以实现PSD光路面平行电机轴测量法与PSD光路面垂直电机轴测量法。当PSD与光源放在平台1上时，光路面与电机轴平行，调整入射光使其延长线经过电机的轴心线，光路如图3.3.3所示。LD发射的光以入射角θ照到电机轴表面。图中D是电机运转时的轴振动幅度。X是对应于振动幅度D的反射光斑在PSD上的位移量。两者的关系如下式所示：X=2D×tanθ(3.3.1)设轴振动幅度为D，示波器输出的电压相对于轴静止时的电压变化量为V。由上一章的式2.5.1可得到两者的关系为：V=(2/3)D×tanθ(3.3.2)其中D的单位为mm。V的单位为伏特。第三章电机轴振动模拟平台设计与测试25图3.3.3PSD在平台一时光路图由上面两个关系式可知：当入射角θ为定值时，示波器的电压输出与轴振动幅度成正比。增大入射角θ可以增加相同轴振幅时电压的变化，以提高测量的精度。以上的关系式是在理想情况下得到的。但在实际的工作环境中，圆柱形的电机轴反射的光线会有一定程度的散射，造成信号光衰减，散射的调制光照在PSD上会产生干扰信号。此外，轴上各处的反射率并不一定是恒定值，轴表面的划痕，油渍都会对输出信号造成一定程度的影响。对此，我们可以通过减小光斑大小，改善电机轴表面来降低误差。给C5932上电，电机轴转动时示波器输出的波形如图3.3.4所示。(a)轴振动光电在线精密测量系统研究26(b)图3.3.4PSD在平台一时位置电压波形图上面的两张照片是在电机轴转速恒定时的不同时刻拍摄的。由于实验仪器的限制，无法精确测量入射角θ的大小，因此无法精确定量计算振动的幅度。使用现有的测量设备测得入射角约为45度。示波器输出的电压最大值与最小值的差（电压峰峰值）为（脉冲不考虑在内）3.6伏。由3.3.2式可以得到轴运转时振动幅度为5.4mm左右。此外，比较上面两个图可知电机转速一定时，电压波形是一个周期信号。电压波形实时反映了运转时轴在光路面上的位置情况。波形中的脉冲是信号光照到电机轴上的通孔时产生的，它的频率与电机的转速一致。将通孔用反光材料填上后在同样的测试环境下测得的波形如图3.3.5所示图3.3.5无通孔时输出波形第三章电机轴振动模拟平台设计与测试27当PSD与光源放在平台2上时，光路面与电机轴垂直，光路如图3.3.6所示。由于反射面是圆弧形的，因此当电机运转时，从轴表面反射的光线与轴静止时反射的光线并不平行，而是有个夹角的。在PSD受光面上相应有一个附加的反射光斑位移x。显然这个位移会随着入射角θ，PSD与电机轴的距离，以及电机