轴系扭振和横振的激光测量
amesim轴系扭振计算基本原理
AMESim软件可以用于轴系扭振计算，其基本原理是基于一维仿真分析模型，分析传动系统主要部件转速波动、应用FFT变化、瀑布图分析、阶次分析和传动系统固有模态分析确定其扭振特性。
具体来说，AMESim软件通过建立一维仿真分析模型，可以模拟轴系在不同工况下的扭振情况，包括转速波动、负载变化等因素对轴系扭振的影响。
通过FFT变化分析，可以得到轴系扭振的频率特性；通过瀑布图分析，可以观察到轴系扭振在不同转速下的变化趋势；通过阶次分析，可以确定轴系扭振的主导频率；通过传动系统固有模态分析，可以了解轴系的固有振动特性。
以上信息仅供参考，建议查阅专业书籍或咨询专业人士以获得更准确的信息。
曲轴轴系的扭转振动讲解
I12 k1,2 1
1
1
I 2 2
0 k1,2 1
I1 I2 k
I1I2
2、双质量扭振系统
A1
A1 I1
A2
I2
A2
结点
3、多质量扭振系统
4、三盘解例
4、三盘解例
设3盘的直径为1m，质量分别为500kg, 1000kg和1500kg。L1=L2=75cm， d=12cm，材料的剪切模量 G=8×109N/m2
相当于在强迫振动的基础上，叠加有阻尼的自由振动。
h
B
h
2
2 p2 2 4n2 p2
1
p
2
2
2n
2
p
2
2n p
2np arctan
2 p2
arctan
1
p 2
2n
B B0
,
B0
h
2
1
1
p
2
2
2
p
2
p
arctan
1
p
2
强迫振动的幅频特性和相频特性
第四节 曲轴轴系的扭转振动
• 曲拐作用力大小和方向变化 • 阻力矩的变化
产生曲轴的扭转振动和弯曲振动。
曲轴的弯曲刚度大，固有频率高，不易产生弯曲振动。 曲轴的扭转刚度小，扭振频率低，易产生扭振。
一、自由扭转振动
1、单质量扭振系统
I k 0
2 0
0
cost
0
sin t
Asin t
二、单质量有阻尼强迫扭转振动
1、单质量有阻尼扭振
阻尼力矩：R －C
I C k 0 2n 2 0
R
Aent sin 2 n2t
轴振与瓦振
瓦振——轴承座的振动，通过振动传感器测量（接触），3000转/分的转动机械质量标准是5丝。
轴振——转子轴颈处的振动，通过涡流探头测量（不接触），3000转/分的转动机械质量标准是16.5丝（各厂要求略有不同）。
补充：测量轴振时，常把涡流探头装在轴承壳上，探头与轴承壳变为一体，因此所测结果相对于轴承壳的振动。
测量轴承瓦或盖的振动，是利用速度传感器测量机壳相对于自由空间的运动速度。
轴振动会传递给约束轴的轴承和轴承座，，测量轴承外壳振动可间接反映轴承振动情况。
瓦振不能说不重要，它只是监视轴振的辅助方法。
设备振动测量方法
设备振动测量方法
1. 贴片加速度计法：将加速度计贴在被测物体表面，测量其振动加速度，通过微积分可计算出振动速度、位移等参数。
2. 光电测微法：利用激光光束射向被测物体表面，测量反射光的位移量，通过计算可得到振动速度、位移等参数。
3. 振弦法：将一条细弦贴在被测物体表面，当被测物体振动时，弦也会振动，通过测量弦的振动频率和振幅，可求出被测物体振动的频率和振幅等参数。
4. 麦克风测量法：利用麦克风测量被测物体振动时产生的声音，通过分析声波的频率和振幅等参数来推算被测物体的振动情况。
5. 应变计测量法：将应变计贴在被测物体表面，当被测物体发生振动时，应变计也会受到应变，通过测量应变计的变化，可以分析出被测物体的振动情况。
激光测振原理及应用
间隔δt 中，假定 P 移动到 P′ 的距离为 Vδt。 在光程中周期数将减少为
− δn
=
PN λ
+
PN ′ λ ′′
（17—7）
其中 PN 和 PN′分别是向 SP 和 PO 作的垂线，PP′为无限小，λ 和λ″ 是散射前后的波长。
（17—7）可表示为
− δn
=
Vδt
cos θ1 λ
+
Vδt
cos θ 2 λ ′′
图 17—7 用时间平均法 ESPI 测量传统乐器 Veena 振动的图像
涉条纹不随振幅增加而衰减，缺点是振动节线不明显。该方法对非正弦振动也可以进行测量。 随着激光技术的飞速发展，多脉冲激光器发出的脉冲激光的光脉冲时间极短，约为几十
纳秒，可以用来做全息振动测量的光源。
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(17—11)
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接收器接收到的光波频率为 f + ∆fD。 频率偏移量为∆fD, 也称多普勒频率，通常又可写成
∆f D
=
2Vf c
cos θ1
+θ2 2
cos θ1
−θ2 2
在传统的全息方法中，将振动信 息记录在全息干板上，进而做分析和 处理。从式（17—5）式和（17—6） 式可知：当 ρ = 0 时，I 值取极大值， 即振幅为零的地方光强最亮，也就是 振动节线处最亮。随着振幅变大，光 强衰减开始很快，后来变得缓慢，同 时，条纹的对比度也变差。
图 17—4 第一类零阶贝塞尔函数的平方分布
一般曲轴扭振应力
一般曲轴扭振应力
曲轴扭振应力是发动机中最重要的部件之一，其制造周期长，加工工艺复杂，造价高。
工作时，曲轴同时承受着气缸内气体作用力、往复运动质量及旋转运动质量的惯性力以及功率输出端转矩的作用。
这些周期性的激励会引发曲轴的扭转振动。
扭转振动简称为扭振，不同于我们所说的常规振动。
除了常规的振动之外，扭振是结构动力学行为的另一种表现形式，通常与其他振动荷载同时出现。
评定曲轴轴系扭转振动的主要参数包括扭振应力、振动扭矩和扭振振幅，一般情况下，主要按扭振应力或振动扭矩进行评定。
如果检查轴系扭振应力是否超出许用应力值，一般会以振幅或应力作纵坐标，转速或速比（即临界转速nc与额定转速n e之比）为横坐标在坐标图上画出许用应力。
轴承振动测量原理
滚动轴承振动、噪声和异音测试系统技术研究杭州轴承试验研究中心（浙江，杭州，310022）李兴林陈芳华沈云同张燕辽张永恩摘要：本文论述了滚动轴承（以下简称轴承）振动、噪声和异音测试系统技术（BVT+BANT），介绍了我中心根据此技术研制的BVT系列轴承振动（速度）测量仪和BANT系列轴承异音测量仪。
该测试系统1985年经原机械工业部鉴定，其主要性能指标达到国外同类仪器的先进水平。
该测试系统自问世以来，经过近二十年的推广，已有近二千台套被一千余家国内外用户采用，深受用户好评。
广泛适用于轴承生产企业对轴承振动的检测以及家电、电机、机床、冶金、纺织、石化等轴承用户对轴承产品的验收，也适合大专院校和科研单位对轴承振动的分析与研究。
本文同时介绍了由我中心制定的相关技术标准。
1.引言随着家电等行业对轴承振动、噪声和异音要求的不断提高，对轴承振动、噪声和异音的控制、检测以及评定已成为各轴承及轴承用户企业越来越关注的问题。
本文结合BVT系列轴承振动（速度）测量仪和BANT系列轴承异音测量仪来着重讨论轴承振动、噪声和异音测试的有关技术问题。
2. 轴承振动与噪声测试2.1轴承振动与噪声的概念轴承在运转过程中，除轴承零件间的一些固有的、由功能所要求的运动以外的其他一切偏离理想位置的运动均称为轴承振动。
当滚动轴承的振动传播到辐射表面，振动能量转换成压力波，经空气介质再传播出去即为声辐射。
其中20—20000Hz部分为人耳可接收到的声辐射，即为滚动轴承噪声。
滚动轴承噪声测量应在特殊的消音室内进行，消音室的背景噪声较低，可以把轴承噪声和环境噪声区分开来，但其建造成本高，且不能在现场测试。
滚动轴承的振动是产生噪声的主要根源，与噪声表现为强相关特征，因此一般用振动测量代替噪声测量。
2.2 BVT系列轴承振动（速度）测量仪测试原理被测轴承的内圈端面紧靠芯轴轴肩，并以某一恒定的规定转速旋转，外圈不转并承受一定的径向或轴向载荷，用传感器测头摄取滚道中心截面与外圈外圆柱面相交线上的轴承外圈振动（速度）分量，将该径向振动（速度）分量转变成电信号并将该电信号输入到测量放大系统，对其进行信号处理并同步显示轴承低、中、高三个频段的径向振动速度均方根值（μm/s）。
激光测振仪内外测振原理
激光测振仪内外测振原理激光测振与人类的生产生活是息息相关的，在材料探伤、机械系统的故障诊断、噪声消除、结构件的动态特性分析及振动的有限元计算结果验证等方面广泛应用。
此项测量技术方法促使人类的生产生活质量向着更好更完善的方向发展，随着激光振动测量技术的成熟与完善，高精度、高效率、低成本的测量方案必将实现并走向成熟。
面外测振偏振光从氦氖激光分束器分裂成两束，一个用于测量，一个用于参考。
前者通过调制提供频移F，并且集中在样品表面。
系统收集物体的反射光束和在传感器表面干涉的参考光束。
由于多普勒效应，干涉频率是F+f,f是将要测量的样品振动频率。
由于多普勒频移与速度成正比，也就是f = 2v/λ，f是频率。
从传感器出来的信号与输出电压信号成线性比例关系。
也就是U=k×(F+f)+L=k×f+L‘, U是输出电压L, L’是常数，电压信号的直流部分被高通滤波器除去，所以输出信号是U=k×f=2kv/ λ.因此电压和振动速度成比例，也就是说v=k‘×U，k’是常数.面内测振激光内测振仪测量的是垂直于两个汇聚激光探针平分线平面内的表面移动速度。
背散色激光的频移（多普勒效应）决定了速度。
信号处理把振动（交流电源）组件和连续运动（直流电源，平均速度）分开。
在测量头里面，输出激光被分成两束。
探测光离开测量头，在待测移动表面，以一个已知的角度Φ汇聚和交叠。
两束交叠的光作用在由平行光和暗条纹构成的干涉图样的3D区域（测量范围）将要测量的表面切割了测量体积，显示和散色条纹的中间部分。
边缘间距d仅由交叉半角Φ和光的波长λ决定。
波长的稳定，产品的设计与生产对保持两个变量不变是很重要的.多普勒频移和速度直接成正比例.嘉兆公司拥有40年测试测量行业经验，专业的销售、技术、服务团队，在众多领域都非常出色，包括：通用微波/射频测试、无线通信测试、数据采集记录与分析、振动与噪声分析、电磁兼容测试、汽车安全测试、精密可编程测量电源、微波/射频元器件、传感器等并分别在深圳、北京、上海、武汉、西安、沈阳、珠海、成都设有全资分公司、生产工厂、办事处。
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第２２卷第ｌ期 １９９５年１月 中 国 激 光
ＣＨＩＮＥＳＥ ＪｏＵＲＮＡＬ ｏＦ ＬＡＳＥＲＳ Ｖｏ１．Ａ２２．Ｎｏ．１
Ｊａｎｕａｒｙ，１９９５
门一２２
轴系扭振和横振的激光测量 ０ 曾周示孙家鼐 杨学友 万里雪
石 雨天学 工程系，天津３０００７２） Ｔ
提要本文全面分析了多维振动状态下旋转轴表面光的散射特性，提出了利用激光技术实施旋转 轴系扭振和横振测量的方法。 扭振和横振的合并测量为基础，能实现两种振动的独立测量，且扭 振测量不受轴系横振因素的影响 关键词激光测量，振动测量，扭转振动，横向振动
１ 引 言 由于象轴翘曲、非对称负载等不平衡因素的影响，运行中的回转机械轴系总存在着扭转振 动，表现为轴的应力状态周期性变化 这种振动会使机械的平稳运行受到破坏，严重时将导致 轴系及相关部件的损坏。 目前广泛使用的电感式扭振仪、光电码盘式扭振仪等，都假定轴上具有精确等分的齿盘， 在无扭振情况下，齿盘转动使传感器产生均匀脉冲输出。然而实际齿盘的不等分误差总是存在 的，如直径为２００ ｍｍ的标准渐开线圆柱齿盘，６级精度下的不等分度为０．００３６。，较小幅度的 扭振实际上就处于该数量级水平。另一方面，非扭振因素的影响也不容忽视，当轴系存在横向 振动时，沿传感器表面方向上的分量将改变齿盘掠过传感器的速度。若轴系存在０．３ ｍｍ／ｓ的 横振，对直径为２００ ｍｒＥ１的齿盘，相当于引入０．０８５。的附加角位移。现有扭振测量仪器常采用 在多个角度上设置传感器的方法来消除轴系横振对测量的影响，显然，不消除上述因素的影 响，要实现高精度的扭振测量是困难的，无法实施扭振和横振的同时测量。 本文将激光测量技术应用于旋转轴系的扭振测量及运行监测中，全面分析了振动状态下 轴表面的光学散射特性，提出了轴系扭振和横振的合并测量方法。
２基本原理 按光波渡长的尺度来衡量，机械轴系的表面是极其粗糙的。当激光被这样一个表面散射 时，空间任一点ｐ的散射场Ｅ （ｐ， ）是由许多来自轴表面不同微观区所产生的次级波的叠加。 实际上，轴表面的散射不仅与其散射特性有关，还与散射点、光源、接收器三者之间的相对位置
＊国家教委博士点基金资助课题。 收稿日期：１９９４年２月７日Ｉ收到修改稿日期：ｌ９９４年６月２７日 中 国 激 光 ２２卷 有关。由于这些微观区空问位置的微小差别，散射场包含着大量频率相同而相位随机的次级波 间的干涉和差拍，在宏观上形成散斑［１：，因而，研究Ｂ（ｐ， ）的统计特性才有意义。可以证明０’， 对于运动速度为ｖ的散射体，当入射光为平面波时，空问两点ｐ ，ｐ 散射场强度的互相关函数 为 Ｒ（ｐｌ，ｐ２，ｚ 一ｅｘｎ 一（ “。 ｃ一 —ｖ ］ ㈣
式中， 为相关延时，Ｆ 表示Ｖ在入射光等相位面上的投影，５为照射光斑的半径，当光源到散 射点的距离ｓ确定之后，ｂ为常数， ＝２ ， 为光波波长。 事实上，光电检测器是一个具有有限面积的窗口。假设窗中点的位置矢量记为ｐ，为方便 讨论不妨定义窗函数 ｛。ｉ暑
则检测器的强度输出 （ ）。ｃ ｌ ｗ（ｐ）ＩＢ（ｐ， ）Ｉ ｄｐ （３） 由于散射场分布的随机性，，（ ）是关于时间和空间的平稳随机过程嗍，其时间相关函数与时间 起点和空间位置无关，可以用窗面上任两点的强度相关函数表示，即
）＝¨ ｗ（ｐ１）ｗ（ｐ２） （ｐ１， ，ｆ）ｄｐｌ ｄｐ２
＝ｅ砷［一 ］』』帅 咖 ［一 ｃ ｖ ］ｄｐｌｄｐ２㈣ 因为 （ｐ）代表着检测器的响应特性，显然， （ｐ）是可积函数，同时令ｐ：，ｏｌ—ｐｚ，由式（２）有
…砷［一（竽ｎ』ｅ ［ 警 一Ｖ ］ａ 一 ｅ砷［
式中ｃ为常数。式（５）对 求导数，当ｒ一０时 （０）：一２： Ｉ岛（Ｄ）
从而 、一 令 Ｒ；（Ｏ） 。垒、一莉
（５） （６） （７） 则 一— ｅ （８） 般来说，轴系的横向振动是三维的。为了简化讨论，忽略轴沿轴向的振动，这时，在轴的 任一轴向位置，横振是一个二维振动，假定轴心取向与坐标Ｚ一致，那么横振速度 Ｖ Ｘ＋ （９） 而在轴的任一轴向位置，扭振表现轴的转动角速度的周期性变化。因此，振动状态下轴表面点 １期 曾周末等：轴系扭振和横振的激光测量 的合成速度应表示为 Ｖ＝∞（Ｒ Ｘ Ｚ）－４－Ｖ （１Ｏ） 式中，Ｒ表示轴的半径，。为轴的转动角速度。 测量系统采用如图１所示的参考光外差光路结 构。激光器输出波长为＾的线偏振光，由半透半反镜 ＢＳ ，反射棱镜Ⅳ分成间距为ｄ的两平行光束照在待 测轴表面Ａ．Ｂ两点，散射光分别经ＢＳ ，ＢＳｓ与相应 的参考光合成，在检测器ｎ，Ｄ 表面差拍形成光电流 输出 假定在某一时刻，两测试点偏离Ｘ轴的角度分 中 国 激 光 ２２卷 咖 一 ｃ √ ｚ一 ２龆 ｏ Ｌ 一 。十州 删 一一ｃ矾一鲁√ 一 从而 一一 （ 一 ） （２３） ｛（＾ ＋ ）一 √ ＝警拳 一１（２４）
【，｜＝ 卜警√ 一 ， 确立了实现轴系扭振和横振合并测量的方法。 式（２３）中，。表示轴的转动角速度，包括平均转速和转速波动两部分，其中后者与轴系的 扭振状态有关。该式表明，扭振测量－ｆ轴系的横振及轴系与测试系统间的相对运动无关，这正 是扭振测量需善解决的一个难题。
３系统设计 分析表明，光电检测器的输出信号是一个频率调制信号，因而，光电流信号的相位信息提 取应由频率解调电路完成，对于幅度信息，由于光电流信号上带有较强的加性噪声和振幅调制 噪声，需利用数字信号处理的方法来获取有用信息。
８０９８ ｃｈ Ｊ口 …ｕ— ｒｅｒ
Ｆｉｇ．２ Ｓｉｇｎａｌ ｐｒ 舀ｓ】ｎｇ ｓｙｓｔｅｍ
测量系统包括信号预处理电路、高速数据采 集存储电路及以１ ６位单片机８０９８芯片为核 Ｃ，－ 的处理、控制电路三部分组成 如图２所示。 光电流信号 经滤波、混频和限幅中放后 送鉴频电路产生与多普勒频移成正比的电压输 出 由于 的频率与轴系的振动状态有 关，一般都较低，可以直接用８０９８片内的Ａ／Ｄ转 换器将其数字化。 对于幅度信息的处理，由于 本身的频率 较高，系统进行滤波放大后送入高速采集电路数 字化，以求不损失幅度信息 这部分的数据量较大，系统对８０９８单片机的存储空间进行了扩 展，并将数据线挂接８０９８单片机的数据总线。８０９８单片机对外部接口的控制速度也难以满足 高速采集电路的工作要求，因而系统设计了局部控制器和地址产生电路，与单片机的数据联系 采用“总线握手”方式。 测量系统由８０９８单片机协调。一方面，利用单片机的硬件和软件资源从 ，“ 中提取多普 勒频移值 。。 ，处理高速采集数据确定散射光强度的相关函数Ｒ （ｔ），进而利用式（７）及式 （２３）～（２５）确定轴系的瞬时运动状态，并对部分测试参数（如平均转速等）进行现场显示，通 过控制端口调整混频电路的本振频率，信号的采样速率等 另一方面，可以将全部测试数据通 过串行口传输给ＩＢＭ－ＰＣ微机，以便保存测试数据及进行轴系振动参数的动态分析和故障诊 １期 曾周末等ｔ轴系扭振和横振的激光测量 断 对扭振的测量，还需确定轴的扭振振型，这一般需要多点测量才能完成，从而最终了解振 动状态下轴系的动力学特性
４振动测量 利用本文设计的测量方法和测量系统，在ＮＺＪ ｌ型扭振校验计上进行了轴系扭振及轴系 运行状态的联合测试。 ＮＺＪ一１型扭振校验计是一种平行位移型校验计，其 轴系由输入轴和扭振轴两部分组成，轴的转动由两轴间 的活动滑块耦合。当输入轴与扭振轴完全同心时，两轴 同步转动，而当扭振轴偏离输入轴某一水平位移时，扭 振轴就产生周期性扭转振动。如图３所示，假定输入轴 中心为Ｏ，半径为ｒ，角速度为 ，扭振轴中心为Ｏ ，两轴 间的相对位移为ｅ，那么扭转角位移
／ ／
ｄ一 一０一ａｒｃｔｇ ＿二一 ＝（２６）Ｆｉｇ＿。ｍ 鲥Ｄｎ ｏｆ ｏｒ 。“ａｌ ｖｉｂｒ 吐叽 ｅＣＯＳＵ 由ｄａ／ｄ０—０，得‰ 一ａｒｃｓｉｎ（ｅ ） （２７） 可见，扭振振幅大小由两轴间的相对位移量决定，扭振频率等于输入轴的转速，这时，扭振轴的 实际角速度，除输入轴的角速度 外还附加一个扭转振动。轴系工作时，相对输入轴而言，扭振 轴在靠近输入轴一端是一个偏心轴，偏心距为ｅ，轴表面的点，不仅绕轴心Ｏ，转动，同时还绕Ｏ 转动。其中，前者是扭振轴旋转和扭振的总效果，而后者是由偏心引起的平面运动，相当于轴系 在 ，ｒ方向均存在振幅为ｅ，频率与输入轴转速相同的横向振动。因此，当扭振测试点选在靠 近输入轴的一端时，系统能同时测出扭振轴的偏心轨迹。 图４是偏心距ｅ一０．５ｍｍ（千分表指示值），ｒ一９５ｍｍ条件下实测出的扭振波形（ｎ）和扭 振轴的偏心轨迹（６）。轴的平均转速Ｎ一６８９．４ ｒｐｍ，扭振振幅口～一０．３００ ，扭振轴偏心Ｘ一 ０．４９６ｍｍ，Ｙ一０ ４９４ｍｍ。
Ｆｉｇ．４ ）１１．４９ Ｈｚ．０．３００。ｔｏｒｓｉ￣ｍａｉ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ Ｆ（ ）０．５ ｍｍ ｅｃｃｅｎｔｒｉｃ ｏｒｂｉｔ
扭振轴偏心轨迹的测量体现了轴系横振的测量思想，而扭振的测量结果说明了扭振测量 与光学测试头和被测轴间的相对运动（横振）无关。