雙跨-三支撐轉(zhuǎn)子聯(lián)軸器偏角不對中實驗研究

龐智元，肖增弘，段瑩瑩，潘宏剛,，李健偉，李 麗

（1.沈陽工程學院a.研究生部；b.能源與動力學院，遼寧 沈陽 110136；2.國網(wǎng)沈陽供電公司，遼寧 沈陽 110000；3.沈陽鼓風機集團股份有限公司，遼寧 沈陽 110869）

旋轉(zhuǎn)機械作為扭矩輸出動力裝置廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域，其中由于核心部件轉(zhuǎn)子面臨復雜的運行工況，引發(fā)的故障也很多。

轉(zhuǎn)子不對中是旋轉(zhuǎn)機械頻發(fā)的故障之一，尤其體現(xiàn)在多跨多軸系轉(zhuǎn)子系統(tǒng)。在工程實際中，有60%以上的故障與轉(zhuǎn)子軸系不對中有關(guān)，不對中將引起軸系產(chǎn)生軸向和徑向的交變力，進而引起軸系振動，振動會隨著不對中量的增大呈現(xiàn)正相關(guān)的關(guān)系。當不對中量超過一定范圍時，引發(fā)的振動會對設(shè)備的穩(wěn)定運行造成有害的影響，甚至造成不可逆的損傷，嚴重時會造成災(zāi)難性事故。

因此，不同軸問題也成為國內(nèi)外學者的一個重點研究內(nèi)容：Wang［1］等人通過數(shù)值模擬的手段，研究了軸系不對中及不平衡耦合下的轉(zhuǎn)子振動特性，得到了在兩種特性的耦合下，轉(zhuǎn)子軸心軌跡呈現(xiàn)為倒三角，且1倍頻為主導；Qu［2］等人引入了一種通過轉(zhuǎn)子中心線（ACR）與軸心軌跡的方法以診斷不對中故障；Guan［3］等人通過有限元建模的形式分析了齒式聯(lián)軸器的不對中帶來的動力學影響，推導出了最優(yōu)接觸位置；Wang［4］等人通過建立有限元分析模型與實驗，分析了不對中—不平衡耦合下的故障特性，得到了在兩種故障特性的激勵下，轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的1 倍頻與2倍頻特性顯著；Saavedra［5］等人研究了三針Renold聯(lián)軸器與三爪Lovejoy聯(lián)軸器的不對中振動特性，得到了軸不對中產(chǎn)生的振動是由于旋轉(zhuǎn)時耦合剛度的變化引起的，產(chǎn)生的強迫頻率是轉(zhuǎn)速，并且直接取決于耦合剛度變化的頻率；李自剛［6］等人通過數(shù)值模擬的方法得到了在不對中作用下，隨轉(zhuǎn)速的上升出現(xiàn)了一系列的分叉現(xiàn)象，且系統(tǒng)響應(yīng)也逐漸進入混沌狀態(tài)；董霄［7］通過數(shù)值模擬與實驗的方法，建立了內(nèi)外雙轉(zhuǎn)子出現(xiàn)故障時的動力學方程。

本文主要研究轉(zhuǎn)子的聯(lián)軸器偏角不對中問題，通過擬定實現(xiàn)不對中的實驗方案，分析與統(tǒng)計實驗現(xiàn)象和數(shù)據(jù)，得出故障工況下轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的振動特性。

1 實驗裝置及方法

1.1 實驗臺概況

ZT3型轉(zhuǎn)子振動模擬試驗臺的結(jié)構(gòu)如圖1所示，由滑軌道底座、3個剛性軸承座、2個φ76×19 mm的輪盤、2根320 mm的短軸、1臺變頻調(diào)速電機、4個電渦流位移傳感器所組成。

輔助設(shè)備包括轉(zhuǎn)子系統(tǒng)調(diào)速儀、光電測速系統(tǒng)、振動測試系統(tǒng)、振動數(shù)據(jù)分析儀、振動分析軟件（EVMA）。整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

轉(zhuǎn)子系統(tǒng)調(diào)速儀通過調(diào)速器調(diào)節(jié)電機的輸入電壓以實現(xiàn)調(diào)速的目的；振動測試系統(tǒng)使用的主要傳感器為4個電渦流位移傳感器，分別測試兩轉(zhuǎn)子x、y方向的振動位移；振動數(shù)據(jù)分析儀采用ZXPF16D振動數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)，與個人計算機相連接，通過振動分析軟件得到實驗數(shù)據(jù)。

圖1 ZT3型轉(zhuǎn)子振動模擬試驗臺

圖2 實驗臺與測試及調(diào)速裝置

1.2 實驗方法

對于雙跨轉(zhuǎn)子系統(tǒng)，當其兩軸的軸心線不在同一直線上時，即出現(xiàn)不對中現(xiàn)象［14-15］。因此，對于模擬聯(lián)軸器偏角故障現(xiàn)象擬定了以下實驗方案：

1）在聯(lián)軸器內(nèi)加入極小的精準尺寸墊片，厚度分別為0.05 mm、0.06 mm、0.08 mm，效果如圖3所示。

圖3 偏角不對中實現(xiàn)效果

2）計算偏角變量，計算后的對應(yīng)角度分別為0.30°、0.36°、0.48°，如圖4所示。

圖4 偏角不對中距離—角度轉(zhuǎn)換

3）確定偏角不對中變量后，在軸系x、y方向布置電渦流傳感器以檢測水平與垂直方向的位移。將測試電路連接到ZXP-F16D振動數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)，啟動該系統(tǒng)，確定4個電渦流傳感器的輸入通道，并接入光電測速傳感器。啟動振動分析測試系統(tǒng)，以500 r/min作為遞增量，在2 000 r/min～4 000 r/min范圍內(nèi)分別測試不同測點的實驗數(shù)據(jù)。

2 實驗數(shù)據(jù)的提取

2.1 轉(zhuǎn)子健康狀態(tài)下的實驗結(jié)果

在不施加對中效果的前提下，對實驗臺進行基準測試，以確定健康狀態(tài)下轉(zhuǎn)子的特性，提取水平與垂直方向的實驗數(shù)據(jù)，如圖5所示。

圖5 健康狀態(tài)下轉(zhuǎn)子的頻譜及軸心軌跡

從圖5可知，頻譜圖以轉(zhuǎn)子的工作頻率（即1倍頻）為主，不存在其他的倍頻分量，此時的軸心軌跡則呈現(xiàn)為圓型軌跡。

該組實驗結(jié)果作為健康轉(zhuǎn)子的特性基礎(chǔ)，以該組實驗結(jié)果作為后續(xù)引入不對中量的對照樣本。

2.2 偏角不對中雙跨-三支點轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動力特性試驗

在偏角不對中量為0.30°的條件下分別提取不同轉(zhuǎn)速下轉(zhuǎn)子x、y方向的頻譜圖及軸心軌跡，如圖6所示。

圖6 不對中量為0.30°時的頻譜及軸心軌跡

如圖6所示，當轉(zhuǎn)速低于3 000 r/min時，頻譜圖中1倍頻占主要部分，其原因為轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動基礎(chǔ)頻率為轉(zhuǎn)速與時間的比值，觀察上圖6 a頻譜圖，除1倍頻外，2倍頻分量也很明顯，同時出現(xiàn)多處小振幅雜波，當轉(zhuǎn)速升到4 000 r/min時該現(xiàn)象明顯好轉(zhuǎn)。2 000 r/min時軸心軌跡也呈現(xiàn)一種混沌狀態(tài)，這是由于該實驗臺低轉(zhuǎn)速運行時振動幅值較低，造成傳感器信噪比偏低，表現(xiàn)為雜波較多。而在4 000 r/min時，軸心軌跡呈現(xiàn)為類“8”字形，且頻譜圖中除1倍頻外，2倍頻占主要部分，同時存在部分3、4倍頻分量。

2.3 偏角不對中量為0.36°的實驗結(jié)果與現(xiàn)象

在偏角不對中量為0.36°的條件下，分別提取不同轉(zhuǎn)速下轉(zhuǎn)子x、y方向的頻譜圖及軸心軌跡如圖7所示。

圖7 不同轉(zhuǎn)速下不對中量為0.36°時的頻譜及軸心軌跡

由圖7a可以看出，低轉(zhuǎn)速時頻譜圖內(nèi)干擾雜波較多，基頻同樣占主要部分，同時存在一定的2倍頻分量。而當轉(zhuǎn)速飛升至4 000 r/min時，相對干擾減小，相比于偏角不對中量為0.30°時，2倍頻振幅有明顯提升，占倍頻分量的主要部分；同時4 000 r/min相比于2 000 r/min的軸心軌跡更加規(guī)整。2 000 r/min時由于低幅振動雜波較多，軸心軌跡呈現(xiàn)不規(guī)整狀態(tài)，而在4 000 r/min時軸心軌跡同樣呈現(xiàn)為類“8”字形。

2.4 偏角不對中量為0.48°的實驗結(jié)果與現(xiàn)象

在偏角不對中量為0.48°的條件下，分別提取不同轉(zhuǎn)速下轉(zhuǎn)子x、y方向的頻譜圖及軸心軌跡如圖8所示。

圖8 不對中量為0.48°、轉(zhuǎn)速為2 500 r/min時的頻譜及軸心軌跡

觀察圖8，隨著不對中量的增加，高階倍頻分量的振幅有一定程度的增加，2倍頻分量仍然占整體的主要部分，由于轉(zhuǎn)子處較低轉(zhuǎn)速，軸心軌跡仍處于不規(guī)整的混沌狀態(tài)；而當轉(zhuǎn)速繼續(xù)飛升至4 000 r/min時，軸心軌跡則呈現(xiàn)為一種不同于先前實驗的類“月亮”形或類“香蕉”形，如圖9所示。

圖9 不對中量為0.48°、轉(zhuǎn)速為4 000 r/min時的軸心軌跡

3 實驗數(shù)據(jù)的對比與分析

在3種不對中量下，針對不同轉(zhuǎn)速下x、y方向，提取電渦流傳感器獲得的不同倍頻對應(yīng)的振幅數(shù)據(jù)，繪制成柱形圖與折線圖，并觀察其變化趨勢。

1）偏角不對中量為0.30°時得到不同轉(zhuǎn)速下不同振幅量的趨勢如圖10與圖11所示。

圖10 偏角不對中量為0.30°時不同轉(zhuǎn)速下的倍頻振幅

圖11 偏角不對中量為0.30°時不同轉(zhuǎn)速下的倍頻振幅

在轉(zhuǎn)速低于3 000 r/min時，1倍頻x方向與y方向的振動幅度幾乎相同。

當轉(zhuǎn)速飛升至3 000 r/min以上時，如圖11所示，轉(zhuǎn)子在x方向1倍頻的振幅有一個顯著的增強，在3 000 r/min～3 500 r/min范圍內(nèi)的增長率約為71%；在3 500 r/min～4 000 r/min范圍內(nèi)增長率高達175%。

而y方向轉(zhuǎn)速在3 000 r/min～3 500 r/min范圍內(nèi)的振幅增長率約為92%；在3 500 r/min～4 000 r/min范圍內(nèi)的振幅增長率約為30%。

由此可見，對于偏角不對中量為0.3°，轉(zhuǎn)速在2 000 r/min～3 000 r/min的范圍內(nèi)，x方向與y方向的1倍頻振幅基本相同。而當轉(zhuǎn)速超過3 000 r/min后，兩個方向的1倍頻振幅都開始迅速增長，轉(zhuǎn)速在3 000 r/min～3 500 r/min的范圍內(nèi)，y方向1倍頻振幅的增長速度大于x方向；轉(zhuǎn)速在3 500 r/min～4 000 r/min的范圍內(nèi)，x方向的1倍頻振幅增長幅度大于y方向。

當轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在4 000 r/min后，x方向1倍頻振幅超過y方向的1倍，因此在4 000 r/min時，x方向的振動強于y方向。

在整個升速過程中，兩個方向的2倍頻分量突出，其振幅近于在20μm～60μm范圍內(nèi)波動，而高階倍頻相對于1倍頻則不突出。

2）偏角不對中量為0.36°時得到不同轉(zhuǎn)速下不同振幅量的趨勢如圖12與圖13所示。

圖12 偏角不對中量為0.36°時不同轉(zhuǎn)速下的倍頻振幅

圖13 偏角不對中量為0.36°時不同轉(zhuǎn)速下的倍頻振幅

偏角不對中量為0.36°時，與偏角不對中量為0.3°的數(shù)據(jù)走勢相近，x方向的1倍頻振幅最大增長段在轉(zhuǎn)速為3 500 r/min～4 000 r/min范圍內(nèi)，增長率高達190%，相同階段的y方向1倍頻振幅最大增長率為43%。轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后，x方向振幅遠大于y方向振幅，同偏角不對中量為0.3°相同，水平方向振動更加劇烈。

2倍頻在整個升速過程中持續(xù)存在，兩個方向上的振值在25μm～55μm處波動，在x方向升速到4 000 r/min后有所下降，說明此時已進入非線性狀態(tài)。同樣，其余的高階頻率相對于1倍頻不突出。

3）偏角不對中量為0.48°時得到不同轉(zhuǎn)速下不同振幅量的趨勢如圖14和圖15所示。

圖14 偏角不對中量為0.48°時不同轉(zhuǎn)速下的倍頻振幅

圖15 偏角不對中量為0.48°時不同轉(zhuǎn)速下的倍頻振幅

偏角不對中量為0.48°時，與前2組數(shù)據(jù)趨勢基本吻合，1倍頻振幅最大增長范圍仍為3 500 r/min～4 000 r/min，最大增長率為130%，而y方向最大增長范圍則變?yōu)? 000 r/min～3 500 r/min，增長率為43%。2倍頻則同樣持續(xù)存在于整個實驗過程中，其振幅在35μm～55μm內(nèi)波動。高階倍頻相對于1倍頻依然不突出。

4 結(jié) 論

本文建立了雙跨-三支點轉(zhuǎn)子系統(tǒng)實驗臺，擬定了聯(lián)軸器偏角不對中的實驗方案，通過實驗測得了聯(lián)軸器偏角不對中轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的軸心軌跡圖和頻譜圖。通過對比試驗結(jié)果得出如下結(jié)論：

1）確定了模擬故障工況的實驗方案，得到了在偏角不對中的故障工況下，轉(zhuǎn)子的軸心軌跡會呈現(xiàn)“8”字形或“香蕉”形。

2）得到了在轉(zhuǎn)子升速過程中，1倍頻占整體的主要部分，其振幅隨轉(zhuǎn)速增加而增加。通過判斷1倍頻在兩個方向的振幅，確定了實驗臺水平方向振動的劇烈程度遠大于垂直方向。

3）隨不對中量引入的影響，2倍頻分量伴隨整個升速過程，當轉(zhuǎn)速升到較高速度時，其振幅進入隨機狀態(tài)。