不平衡激扰力及不平衡激扰力矩联合作用下的设备内源激励载荷定量测试方法

摘要

本发明的目的在于提供不平衡激扰力及不平衡激扰力矩联合作用下的设备内源激励载荷定量测试方法，其步骤为：选择一组两台相同的隔振器分别布置在被测设备的机脚上，将隔振器固定在刚性台架上，在被测设备机脚的隔振器位置处安装四个加速度传感器；启动被测设备，分别获取两组加速度传感器的信号，得出两组的平均速度值；更换两台隔振器，启动被测设备，分别获取两组加速度传感器的信号，可以得出两组的平均速度值，从而得到被测设备的不平衡激扰力、设备不平衡激扰力矩、设备等效质量、设备等效惯性矩。本发明具有稳定性和可控性好、成本低、辅助设备少、简便易行的特点。

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种测量方法，具体地说是旋转设备内源特性的测量方法。

背景技术

由于实际工况的复杂性，设备对安装基础的激励力通常很难通过直接测量 得到，而设备出厂的台架试验结果则容易得到，如能有效利用台架测试数据，得 到实际环境下设备对安装基础的激励力，则可有效解决实际测试带来的困难。

进行设备出厂的台架试验，常常采用的方法是：设备固定于模拟实际工况下 的台架上，使设备正常运行后，测量试验台架上的加速度值，以此模拟设备在实 际工作环境下的加速度响应。而分析设备实际工作环境下的激励力是需要一定前 提条件：设备激扰力、设备等效质量、隔振器及安装基础阻抗均为已知量。安装 基础（基座等）具有一定的复杂性，安装基础振动时很难区分有多大质量参与“设 备—基座”系统的振动，因而安装基础的等效质量m_b难以准确得到；另一方面， 安装基础多为复杂弹性体，其支撑刚度kb也将随外界激励频率发生改变，因此， 安装基础的刚度kb也难以得到，而实际设备并非理想刚体，设备激扰力及其内阻 抗也不易确定。所以根据以往的台架试验方法很难得到设备对台架的激励力。

有关设备台架试验方法的公开文献大多都是集中在测试基座阻抗上，并未 有相关报道主要解决设备内源特性的问题。相关报道主要有：1、机械设备振动 源特性研究（船舶力学2010年10月第14卷第10期）；2、加载对设备基座导 纳测量的影响研究（振动与冲击2005年第24卷第4期）；3、设备安装对基座 导纳测量的影响研究（中国造船2005年9月第46卷第3期）；4、Resilient  mounting systems in building（Applied Acoustics.1976,9:77-101）；5、 Characterization of structure-borne sound sources:The source descriptor and the  coupling function（Journal of Sound and Vibration,1987,114(3):507-518.）等。其 中：文献1提出了对设备源特性进行测量，对弹性安装测量自由速度的条件进 行试验分析，但文中并未确定设备振动的等效质量和等效激扰力的方法；文献 2主要是考虑外载荷对设备基座的影响，并未考虑基座对设备内源特性是否有 影响；文献3主要针对的是设备的安装基础的导纳进行了分析，并未提出设备 的内源特性的估算方法；文献4提出了用“自由速度”描述源强度；文献5引 入了源描述符来表征源特性。

发明内容

本发明的目的在于提供稳定性和可控性好、成本低、辅助设备少、简便易 行的不平衡激扰力及不平衡激扰力矩联合作用下的设备内源激励载荷定量测试 方法。

本发明的目的是这样实现的：

本发明不平衡激扰力及不平衡激扰力矩联合作用下的设备内源激励载荷定 量测试方法，其特征是：

选择一组两台相同的隔振器分别布置在被测设备的机脚上，隔振器的刚度 为k₁、阻尼系数为c₁，将隔振器固定在刚性台架上，在被测设备机脚的隔振器 位置处安装四个加速度传感器；将被测设备即两自由度振动系统转化为两个单 自由度振动系统，即将加速度传感器延被测设备转动弯矩的方向分为左右两组； 启动被测设备，分别获取两组加速度传感器的信号，得出第一组的平均速度值 为v₁，第二组的平均速度值为v₂；更换两台隔振器，第二组隔振器的刚度为k₂、 阻尼系数为c₂，启动被测设备，分别获取两组加速度传感器的信号，可以得出 第一组的平均速度值为v₁′第二组的平均速度值为v₂′，则两个单自由度振动系 统的内源特性为：

F_L＝D₁/D₀,m_e1＝D₂/D₀，F_R＝D₁′/D₀′,m_e2＝D₂′/D₀′，

$D_0=\left(\begin{array}{cc}1& -{\mathrm{j\omega v}}_1\\ 1& {{-\mathrm{j\omega v}}_1}^{\prime }\end{array}\right),$$D_1=\left(\begin{array}{cc}{c}_1{v}_1+\frac{v_1+k_1}{\mathrm{j\omega }}& -{\mathrm{j\omega v}}_1\\ c_2{v_1}^{\prime }+\frac{{v_1}^{\prime }{k}_2}{\mathrm{j\omega }}& {{\mathrm{j\omega v}}_1}^{\prime }\end{array}\right),$$D_2=\left(\begin{array}{cc}1& c_1{v}_1+\frac{v_1{k}_1}{\mathrm{j\omega }}\\ 1& c_1{v_1}^{\prime }+\frac{{v_1}^{\prime }{k}_2}{\mathrm{j\omega }}\end{array}\right),$

${D_0}^{\prime }=\left(\begin{array}{cc}1& -\mathrm{j\omega }{v}_2\\ 1& {{-\mathrm{j\omega v}}_2}^{\prime }\end{array}\right),$${D_1}^{\prime }=\left(\begin{array}{cc}{c}_1{v}_2+\frac{v_2+k_1}{\mathrm{j\omega }}& -{\mathrm{j\omega v}}_2\\ c_2{v_2}^{\prime }+\frac{{v_2}^{\prime }{k}_2}{\mathrm{j\omega }}& {{\mathrm{j\omega v}}_2}^{\prime }\end{array}\right),$${D_2}^{\prime }=\left(\begin{array}{cc}1& c_1{v}_2+\frac{v_2{k}_1}{\mathrm{j\omega }}\\ 1& c_2{v_2}^{\prime }+\frac{{v_2}^{\prime }{k}_2}{\mathrm{j\omega }}\end{array}\right),$

其中F_L、F_R为两个单自由度振动系统被测设备的激扰力，m_e1、m_e2为两个 单自由度振动系统被测设备的等效质量，ω为被测设备的圆频率；

则被测设备的不平衡激扰力F、设备不平衡激扰力矩M、设备等效质量m_e、 设备等效惯性矩J为：

F＝E₁/E,M＝E₂/E,m_e＝E₃/E₀,J＝E₄/E₀,

$E=\left(\begin{array}{cc}b/(a+b)& -1/(a+b)\\ a/(a+b)& 1/(a+b)\end{array}\right),$$E_1=\left(\begin{array}{cc}{F}_L& -1/(a+b)\\ F_R& 1/(a+b)\end{array}\right),$$E_2=\left(\begin{array}{cc}b/(a+b)& F_L\\ a/(a+b)& F_R\end{array}\right),$

$E_0=\left(\begin{array}{cc}b/(a+b)& 1/(a^2+\mathrm{ab})\\ a/(a+b)& 1/(a^2+\mathrm{ab})\end{array}\right),$$E_3=\left(\begin{array}{cc}{m}_{e1}& 1/(a^2+\mathrm{ab})\\ m_{e2}& 1/(a^2+\mathrm{ab})\end{array}\right),$$E_4=\left(\begin{array}{cc}b/(a+b)& m_{e1}\\ a/(a+b)& m_{e2}\end{array}\right),$

其中a、b分别为两个隔振器到被测设备中心点的水平距离。

本发明的优势在于：本发明具有稳定性和可控性好、成本低、辅助设备少、 简便易行的特点。

附图说明

图1a为本发明的振动系统测点布置图，图1b为本发明的振动系统测点布 置图仰视图；

图2a为本发明被测设备与安装基础耦合分析模型设备简化模型，图2b为 本发明被测设备与安装基础耦合分析模型等效模型；

图3为本发明的流程图。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

结合图1～3，分为以下步骤：

1、试验台架的布置

将设备安装在质量和刚性极大的刚性台架上，保证刚性台架表面的无振速。 选择一组相同型号的隔振器，布置在设备的机脚上，使设备平稳运行，并且用 螺栓将隔振器固定在刚性台架之上。因为本专利主要针对的是旋转设备（即带 激扰力矩的设备）的内源特性，例如推进电机，柴发机组、各种海水泵等，为 得到这些设备的内源特性，必须将设备平稳地固定在隔振器之上，使设备能够 平稳运行后测量设备机脚处的速度响应，整个系统的具体布置如图1所示。

2、测点的布置

由于设备正常运行时，设备受不平衡激扰力及不平衡激扰力矩共同作用， 整个系统等效为两自由度振动系统，为了得到设备的内源特性，必须将此两自 由度振动系统转化为两个单自由度振动系统（如图2所示），因此将测点延转动 弯矩的方向分为左右两组，加速度传感器则布置在设备机脚的隔振器位置处（如 图1所示），根据图1所示的测点布置，将测点1、2分为一组，测点3、4分为 一组。

3、测试系统的组装

用信号线依次将信号放大器、信号采集仪和计算机连接完好，然后将布置 好的应变花接入信号放大器，形成完整的测试系统，加速度传感器将感应到的 设备机脚处振动响应信号通过信号放大器放大后输入到信号采集仪，信号采集 仪将采集到的信号输送到计算机，从而实现设备内源特性的测量。

测试系统连接好后，设置信号放大器的放大倍数和信号采集仪的采样频率， 放大倍数根据响应的大小而确定，一般取的稍大些。

4、速度响应的测量

由于设备在不平衡激扰力及不平衡激扰力矩共同作用时，系统为两自由度振 动系统，由2中所述将此系统简化为2个单自由度振动系统（如图2所示）。所以， 在得到速度响应时，则需沿转动弯矩方向，如图1所示将加速度传感器1、2分为 一组、3、4分为一组，根据左右两组传感器所测的加速度值经过计算得到1和2 测点的平均速度值为v₁、3和4测点的平均速度值为v₂。然后更换隔振器型号，得 到第二组的1和2测点的平均速度值v₁′、3和4测点的平均速度值v₂′。

5、设备内源特性的获得

将两自由度振动系统转化为两个只有不平衡激扰力单独作用的单自由度振 动系统（如图2所示），由于设备内源参数保持不变，如能改变隔振器刚度及阻 尼参数，至少通过2次测量设备的振动速度，即可得到设备激扰力F_L、F_R及设 备等效质量m_e1、m_e2。为便于说明问题，不妨对同一设备进行2次不同型号隔 振器时的振动台架试验，并设第一次隔振器参数为k₁、c₁，设备的振动速度为v₁、 v₂；更换隔振器型号后，隔振器参数为k₂、c₂，设备的振动速度为v₁′、v₂′。则 两个单自由度振动系统的内源特性可表示为：

F_L＝D₁/D₀,m_e1＝D₂/D₀             (1)

F_R＝D₁′/D₀′,m_e2＝D₂′/D₀′                     (2)

式中：$D_0=\left(\begin{array}{cc}1& -{\mathrm{j\omega v}}_1\\ 1& {{-\mathrm{j\omega v}}_1}^{\prime }\end{array}\right);$$D_1=\left(\begin{array}{cc}{c}_1{v}_1+\frac{v_1+k_1}{\mathrm{j\omega }}& -{\mathrm{j\omega v}}_1\\ c_2{v_1}^{\prime }+\frac{{v_1}^{\prime }{k}_2}{\mathrm{j\omega }}& {{\mathrm{j\omega v}}_1}^{\prime }\end{array}\right);$$D_2=\left(\begin{array}{cc}1& c_1{v}_1+\frac{v_1{k}_1}{\mathrm{j\omega }}\\ 1& c_1{v_1}^{\prime }+\frac{{v_1}^{\prime }{k}_2}{\mathrm{j\omega }}\end{array}\right).$

${D_0}^{\prime }=\left(\begin{array}{cc}1& -\mathrm{j\omega }{v}_2\\ 1& {{-\mathrm{j\omega v}}_2}^{\prime }\end{array}\right);$${D_1}^{\prime }=\left(\begin{array}{cc}{c}_1{v}_2+\frac{v_2+k_1}{\mathrm{j\omega }}& -{\mathrm{j\omega v}}_2\\ c_2{v_2}^{\prime }+\frac{{v_2}^{\prime }{k}_2}{\mathrm{j\omega }}& {{\mathrm{j\omega v}}_2}^{\prime }\end{array}\right);$${D_2}^{\prime }=\left(\begin{array}{cc}1& c_1{v}_2+\frac{v_2{k}_1}{\mathrm{j\omega }}\\ 1& c_2{v_2}^{\prime }+\frac{{v_2}^{\prime }{k}_2}{\mathrm{j\omega }}\end{array}\right),$F_L、

F_R为两个单自由度振动系统被测设备的激扰力，m_e1、m_e2为两个单自由度振动系 统被测设备的等效质量，ω为被测设备的圆频率。

经过计算得到得F_L、F_R、m_e1、m_e2等参数，进而根据理论力学中的超静定问 题（如图2（a）所示），由力的平衡关系得到此旋转设备的设备不平衡激扰力F、 设备不平衡激扰力矩M、设备等效质量me、设备等效惯性矩J为：

F＝E₁/E,M＝E₂/E                                 （3）

m_e＝E₃/E₀,J＝E₄/E₀                             （4）

式中：

$E=\left(\begin{array}{cc}b/(a+b)& -1/(a+b)\\ a/(a+b)& 1/(a+b)\end{array}\right),$$E_1=\left(\begin{array}{cc}{F}_L& -1/(a+b)\\ F_R& 1/(a+b)\end{array}\right),$$E_2=\left(\begin{array}{cc}b/(a+b)& F_L\\ a/(a+b)& F_R\end{array}\right),$

$E_0=\left(\begin{array}{cc}b/(a+b)& 1/(a^2+\mathrm{ab})\\ a/(a+b)& 1/(a^2+\mathrm{ab})\end{array}\right),$$E_3=\left(\begin{array}{cc}{m}_{e1}& 1/(a^2+\mathrm{ab})\\ m_{e2}& 1/(a^2+\mathrm{ab})\end{array}\right),$$E_4=\left(\begin{array}{cc}b/(a+b)& m_{e1}\\ a/(a+b)& m_{e2}\end{array}\right),$a、

b分别为两个隔振器到被测设备中心点的水平距离。