旋转部件垂向振动测量与计算方法研究

唐海川，咸晓雨，田 寅，刘 琦

(中车工业研究院有限公司，北京 100070)

1 引 言

工业现场有大量旋转机械，对于旋转部件振动情况的监测十分重要。目前，常用的测量方法是在旋转部件附近寻找可行的位置，安装布置传感器进行测量。但是，该方法受到安装位置限制，并不能直接反映旋转部件的准确振动情况。为了能够直接测量旋转部件的振动情况，本文提出了通过在旋转部件不同位置布置振动传感器，进而解算振动情况的计算方法。

基于上述思路，本文对旋转部件旋转过程中传感器的受力情况进行了理论分析，以垂向为例形成了振动解算方法。通过在小功率电机旋转试验台上试验，对算法理论进行验证，并介绍了将该算法进一步推广到机车联轴器测试试验的情况。通过解算联轴器不同位置的垂向振动数据，验证了联轴器的设计要求和计算方法的有效性。

2 振动计算方法

对匀速旋转状态下的振动传感器进行受力分析，研究力的传递效果，以实现振动信号的解算。如图1所示模型，一竖直圆盘沿顺时针方向以速度v匀速旋转，传感器(深色矩形)安装在圆盘边缘，以圆盘正面为例进行分析。在旋转过程中，传感器受到重力G和圆盘通过安装面向传感器传递的作用力N。其中，G的大小、方向已知，N的大小、方向未知，但可以分解为沿着圆盘切线方向和指向圆心两个方向的分力，分力的大小可以通过传感器的读数反映。另一方面，作用力N又包含了两方面的分力：因为做竖直方向的匀速圆周运动而需要平衡向心力和重力的分量FN，以及振动所产生的分量Fvib(定义水平方向振动为Fvib_h，垂直方向为Fvib_v)。传感器受力分析示意图(侧面)见图2。

图1 传感器受力分析示意图(正面)

图2 传感器受力分析示意图(侧面)

以传感器质心O′处为原点建立坐标系，其中切线方向为X轴方向，向心方向为Y轴方向。将G和FN分别向X轴和Y轴投影(FN相应的投影值为FN_X和FN_Y)，并建立等式关系：

(1)

考虑到FN是作用力N的一个分量，将式(1)中的FN用Fvib和N在X轴和Y轴的投影分别代替，有：

(2)

上式中，Fvib_X和Fvib_Y分别为Fvib_h和Fvib_v在X轴和Y轴上的投影。Fvib_v是待求量，变量间存在以下关系：

(3)

将式(2)、式(3)联合求解，可以得到竖直方向上的振动读数：

(4)

(5)

3 基于小功率电机旋转试验台的算法验证

图3所示为用于算法验证的旋转机械模拟试验台。该试验台由0.75kW电机、转速控制器、轴、转盘、轴承等部件组成，可开展传动性能、变速变载分析、信号处理等基础研究。该试验台为振动解算算法的验证提供了理想的试验环境，在转盘上布置3个三轴振动传感器，用于振动信号解算。基座上布置1个传感器，用于解算结果验证。传感器布置情况如图3所示。

图3 传感器布置情况

试验过程中，电机转速设定为每5r/s，采样频率200Hz，低通滤波频率100Hz，试验时长10min，试验重复3次。为了使试验对比效果更加显著，在试验开始后6min，对试验台面进行敲击，引入冲击振动，基座传感器Z轴(竖直方向)得到的振动信号如图4的上图所示。

将旋转过程中采集到的转盘上传感器X、Y方向读数按照式(5)进行解算，解算后得到的振动信号如图4的下图所示。将解算后的信号与基座信号进行时域对比，可以看出，该算法能够比较明显地再现竖直方向上的振动冲击。

图4 解算结果与实际信号时域对比

4 算法在列车联轴器的应用

为了测量某型号机车联轴器在运行过程中不同部位的垂向振动状态及衰减情况，将该旋转部件计算方法应用于联轴器的振动计算。如图5所示，利用中车研究院研制的小型振动无线传感器，分别在联轴器的3个位置完成布置，安装位置包括联轴器与车轮连接处、联轴器轴身以及传力盘位置，每个位置安装3个无线振动传感器，相邻传感器相隔120°角放置。

(a)联轴器与车轮连接处

在完成传感器布置后，在滚动试验台上完成了数据采集工作，数据采集设置的采样率为1000Hz，传感器低通滤波频率设置为400Hz。图6和图7分别是3个安装位置处通过传感器数据转换得到的垂向时域振动信号及相应的频域信号。

图6 垂向时域振动信号

图7 垂向频域振动信号

从图中可以看出，因联轴器与车轮连接处直接与车轮相连，线路的垂向激扰直接通过车轮作用于此处，导致此处的垂向振动最大。联轴器轴身通过刚性连接直接与车轴连接，线路的激扰通过车轮-车轴作用于此处，联轴器具有一定的振动衰减作用，使此处的振动小于与车轮直连的连接处振动。而传力盘处的振动通过传力盘的振动衰减，振动幅度及能量明显减小，振动衰减明显。从频域图上也可以看出，联轴器在各个频率上均能有效衰减来自线路的机械振动，符合联轴器的设计要求，这也进一步说明了针对旋转部件的振动计算方法的有效性。

5 结 论

本文提出了一种针对旋转部件的垂向振动测试方法，并通过间隔120°对称安装振动传感器，抵消噪声，可以准确评估实际振动情况。通过搭建基于小功率电机旋转试验台，验证了该计算方法的有效性。将该方法应用于机车联轴器测试，通过获取联轴器不同位置的振动传感器数据，并转换为垂向振动，验证了联轴器能够有效衰减来自线路的振动，符合设计要求。