高速旋转轴系的扭振模态分析与实验研究

摘要

近几十年来，大型汽轮机发电机组、汽车传动系、以及船舶发动机轴系的扭转振动事故时有发生，人们对扭转振动的研究也越来越深入，这一领域的研究对人们的生活生产安全具有非常重大的意义。人们对轴系扭振的研究目前主要集中在大型发电机组、航空发动机、汽车和船舶的传动系轴系，对轴系状态的在线监测，轴系扭转振动减振器的设计等，其中模态分析是轴系动力学分析的起点，而扭转振动实验研究则是扭振研究中不可或缺的重要验证环节，因此轴系的扭振模态分析与实验研究在轴系扭振的研究中占有非常重要的地位。
　　 本文基于Ansys仿真软件，着重研究了武汉理工大学高速旋转机械平台输出轴的主要模态参数，并运用扭转振动测试系统对该输出轴的扭转振动做了详尽测量。通过数据分析和后处理，成功的提取出了该轴段的扭振一阶固有频率。经过和仿真数据的对比，证明了仿真结果的准确性。
　　 本文的模态分析基于Ansys有限元软件，在分析过程中使用了节点数较多的20节点solid186单元以提高仿真的精度；同时，因为模型本身尺寸较大，使用过于细腻的网格划分方法将引入过多节点，导致计算无法进行；因此为了控制节点个数在合理范围内，同时进一步提高仿真的准确性，对尺寸突变的局部进行了单元细化。这种方法只引入有限的新节点，却可以显著的提高计算的精度。通过将实验数据和理论数据的对比分析，表明：轴系的扭转振动测量结果与仿真计算结果吻合较好。
　　 针对实验室现有高速旋转实验平台的具体情况，由于平台的转速较高，且待测轴大部分轴段处于封闭的轴承箱内，转轴表面没有相应的分度零件，所以并不适合用脉冲时序发来测量扭转振动；同时，由于轴段处于高速旋转的工作环境中，所以相应的信号传输变得十分困难。针对这些问题，在扭振测量的时候选择了美国ATI公司的遥测扭振测试系统。由于采用了对称加速度计的结构，在测量时不依赖任何分度装置；同时因为采用了先进的遥测技术，传感器和信号接收器之间的信号传输不依赖电缆进行，这样一来，使得复杂工况下的高速旋转轴的在线扭振测量成为可能。通过前期的仿真计算，对于旋转机械扭振模态的分析方法有了深刻的认识，同时通过现有实验设备和合适的信号处理方法证明了整个扭转振动测量系统的可靠性和准确性，为后期整个实验平台的状态在线监测打下了坚实的基础。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章引言

1.1旋转机械轴系扭振研究的背景和意义

1.2旋转机械轴系扭振模态研究的现状

1.3轴系扭振模态实验研究现状

1.3.1扭转振动测量方法

1.4轴系扭振研究的发展趋势和本论文的工作内容

第2章旋转轴系扭振模态分析理论

2.1模态与模态分析的概念

2.1.1模态的定义

2.1.2模态分析

2.2旋转平台输出轴扭振与模态分析理论

2.2.1轴段无阻尼自由振动微分方程

2.2.2平台输出轴模态分析过程

2.2.3平台输出轴模态参数的识别

2.3本章小结

第3章旋转平台输出轴扭振模态分析与仿真

3.1分析对象与分析方法

3.1.1旋转实验平台分析对象

3.1.2旋转平台输出轴模态分析步骤

3.2旋转平台输出轴有限元模型的建立

3.3旋转平台输出轴边界条件设置

3.4旋转平台输出轴的模态求解

3.5旋转平台输出轴模态扩展

3.6临界转速的计算

3.7本章小结

第4章轴系扭转振动实验研究

4.1试验系统组成

4.1.1高速旋转平台的原理方案

4.1.2扭振测试系统的原理和方案

4.1.3 ATI 2000系列遥测扭转振动传感器

4.2本章小结

第5章实验结果和数据分析

5.1输出轴模态实验条件

5.2输出轴模态参数的提取方法

5.2.1小波消噪与特征提取

5.3扭振测量实验与结果分析

5.4数值分析对比

5.5本章小结

第6章结论与展望

参考文献

致谢

攻读硕士期间发表的学术论文

攻读硕士期间参加的科研项目