宋顯威

（中國航空工業(yè)空氣動力研究院，黑龍江 哈爾濱 150001）

0 引言

增壓風(fēng)洞軸系屬于多跨、大扭矩、彈性支承、長軸、變轉(zhuǎn)速且含有非線性套齒聯(lián)軸器的低轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)子軸承系統(tǒng)。它是增壓風(fēng)洞的動力系統(tǒng)，它擔(dān)負(fù)著向風(fēng)洞提供穩(wěn)定風(fēng)源的作用，因此它能否安全、可靠及穩(wěn)定地運行，直接影響到風(fēng)洞實驗的精度[1]。在風(fēng)洞設(shè)備的非正常損壞中，振動引起的破壞比例為90%以上。在風(fēng)洞中，大電機(jī)軸系振動是整個風(fēng)洞振動的主要激振源。如果軸系振動量級較小，那么整個風(fēng)洞的振動幅度就會變小。該院FL9風(fēng)洞的大電機(jī)功率為9500kW，軸系轉(zhuǎn)子在風(fēng)洞試驗過程中傳輸?shù)膭幽芤约俺霈F(xiàn)的慣性非?？捎^。因此轉(zhuǎn)子在運轉(zhuǎn)工作過程中，軸系的對中、質(zhì)量偏心等現(xiàn)象，都會對轉(zhuǎn)子軸系振動產(chǎn)生影響。聯(lián)接軸系的套齒聯(lián)軸器質(zhì)量也較大，其套齒長期工作磨損使間隙加大，也會加劇軸系的振動。由于以上原因，掌握并分析軸系的振動狀態(tài)，研究風(fēng)洞軸系振動的特性，進(jìn)而根據(jù)這些振動狀態(tài)判斷風(fēng)洞內(nèi)部的工作狀態(tài)，并根據(jù)判別結(jié)果采取及時措施，可以大大提高設(shè)備的可利用度和可靠性。

1 轉(zhuǎn)子振動簡述

為了對大功率電機(jī)軸系振動的特性進(jìn)行研究，筆者首先要知道轉(zhuǎn)子振動的基本概念，以此來明確轉(zhuǎn)子振動的主要量值是什么，來研究如何對轉(zhuǎn)子振動（或軸系振動）進(jìn)行監(jiān)控[2]。

1.1 轉(zhuǎn)子振動的基本概念和表示方法

在大多數(shù)情況下，以電機(jī)和槳葉為核心的動力系統(tǒng)振動的激振力來自于周期旋轉(zhuǎn)的軸，因此多數(shù)是周期振動。它們一般可以被分解為若干個簡諧振動。

位移、速度、加速度等運動量是隨時間按諧和函數(shù)變化的簡諧運動，它的數(shù)學(xué)表達(dá)式如公式（1）所示。

式中：A—位移幅值，它是指做簡諧振動的物體離開平衡位置的最大距離，量值是單峰值，即振動測量中峰峰振幅值的一半，單位是mm或um；ω—圓頻率，每秒鐘轉(zhuǎn)過的弧度，即弧度/秒；f—振動頻率，每秒振動次數(shù)，單位，Hz；T—振動周期，運動重復(fù)一次所需要的時間，單位，s；φ—初始相位角。

這幾個量值之間，頻率與周期互為倒數(shù)，頻率的2π倍是圓頻率，即T=1/f，ω=2πf。

式（1）對時間t求導(dǎo)得到速度v：

式中的v=Aω，是最大速度。

再將式（2）對t求導(dǎo)，得到加速度a。

式中的a=Aω2，是最大加速度。

式（1），式（2）和式（3）表明簡諧振動的位移、速度、加速度都隨時間以同樣的頻率按諧和函數(shù)變化。3個量的最大幅值不同，幅值之間依次之比均為ω，相位之間的關(guān)系固定，依次超前π/2，即速度超前位移π/2，加速度超前速度π/2[3]。

綜上所述，筆者如果要對以電機(jī)和槳葉為核心的動力系統(tǒng)的轉(zhuǎn)子振動進(jìn)行監(jiān)測，只需要對振動位移進(jìn)行測量，就能依次得到振動的速度、加速度等量值。

1.2 振動的名詞解釋

1.2.1 振動幅值、頻率和振動相位

振幅表示振動或動態(tài)運動的幅度，它是表示系統(tǒng)振動嚴(yán)重程度或烈度的一個重要指標(biāo)[4]。

振動幅值通常采用位移、速度或加速度值為度量單位。振動頻率是指振動物體在單位時間1s內(nèi)振動的周期數(shù)，它是分析振動原因的重要依據(jù)。根據(jù)振動頻率可以初步查明振動的“源”。振動相位是由鍵相信號與選頻振動信號構(gòu)成的相對關(guān)系，它是轉(zhuǎn)子某一瞬間的振動選頻信號與軸上某一固定標(biāo)志的相位差。

1.2.2 通頻振動、基頻振動

基頻振動是對應(yīng)轉(zhuǎn)速下的振動，它表示與轉(zhuǎn)速頻率相同的正弦波正峰和負(fù)峰之間的偏差值。通頻振動表示振動原始波形正峰和負(fù)峰之間的最大偏差值。振動的基頻信號為振動的基頻典型信號，是設(shè)備振動量的主要組成部分。

1.2.3 徑向振動、軸向振動

徑向振動是指垂直于轉(zhuǎn)軸中心線方向的振動。徑向振動有時也稱為橫向振動。

軸向振動是指與轉(zhuǎn)軸中心線同一方向的振動。

1.2.4 軸振、瓦振

轉(zhuǎn)子的軸振包括相對軸振和絕對軸振。相對軸振是指轉(zhuǎn)軸相對軸承座的振動。它可用非接觸式傳感器來測量。絕對軸振是指轉(zhuǎn)軸相對地面的振動。它可用接觸式傳感器或用一個非接觸傳感器和一個慣性傳感器組成的復(fù)合傳感器來測量。瓦振是指在軸承座相對地面的振動。它可用慣性傳感器來測量。

2 軸系振動監(jiān)測系統(tǒng)

通過上一部分轉(zhuǎn)子振動基本原理的簡述，為確保增壓風(fēng)洞試驗過程中動力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行，筆者需要使用軸系振動監(jiān)測系統(tǒng)來完成對軸系的有效監(jiān)測。軸系振動監(jiān)測系統(tǒng)分為硬件和軟降2個部分[5]。

2.1 軸系振動監(jiān)測系統(tǒng)的硬件

適用于增壓風(fēng)洞軸系振動測量的傳感器主要包括2種類型：渦流位移傳感器和振動速度傳感器。

渦流傳感器用于測量軸承處轉(zhuǎn)軸的振動位移，由于它可以測量轉(zhuǎn)子的振動，因此它反映的是轉(zhuǎn)子的直接振動信息，一般在同一軸截面上同時安裝2個渦流傳感器，2個傳感器夾角90°，以便測量轉(zhuǎn)子的軸心軌跡。而在軸承座（或軸瓦）上直接接觸式安裝速度傳感器，通過對速度信號的積分，就可得到軸承座的振動位移。

軸振的位移數(shù)據(jù)是通過監(jiān)測系統(tǒng)采用渦流位移傳感器來測量的，瓦振的位移數(shù)據(jù)是通過振動速度傳感器來測量的。

2.2 軸系振動監(jiān)測系統(tǒng)的軟件

增壓風(fēng)洞軸系振動監(jiān)測系統(tǒng)軟件由2個部分組成。一是數(shù)據(jù)采集與管理軟件，另一部分是監(jiān)測分析軟件。采集及數(shù)據(jù)管理軟件的主要功能是采集并按一定的規(guī)律存儲瞬態(tài)數(shù)據(jù)、穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)、啟停機(jī)數(shù)據(jù)；監(jiān)測分析軟件負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)管理及采集的數(shù)據(jù)以圖形的方式顯示到屏幕上。監(jiān)測的圖形包括趨勢圖、時間波形、頻譜圖、軸心軌跡圖等[6]。

3 軸系振動特性研究

3.1 振動“源”情況分析與數(shù)據(jù)處理

由上文轉(zhuǎn)子振動的簡述（第二部分），并結(jié)合FL9風(fēng)洞工作環(huán)境，總結(jié)筆者關(guān)心的風(fēng)洞軸系的實際情況如下。

風(fēng)洞軸系的主振動“源”來自變速運行的風(fēng)洞槳葉，副振動“源”來自變速運行的大功率電機(jī)，其他振動“源”則是每個軸連接，彈性支撐和軸系在洞體的穿壁位置的動態(tài)摩擦與共振傳導(dǎo)等，這是動靜關(guān)系和能量傳遞就可以推導(dǎo)出的結(jié)果，沒有疑問。而且在2019年電機(jī)稀油站更新?lián)Q代采用高壓油頂后，電機(jī)前后軸瓦的振動有所減輕。

風(fēng)洞軸系結(jié)構(gòu)分為電機(jī)軸、短軸、長軸1、長軸2、風(fēng)扇軸4個分軸及洞外聯(lián)軸器、洞壁穿壁、洞內(nèi)非線性套齒聯(lián)軸器等多個部分，具有多個彈性支承，存在不同壓力條件的工作環(huán)境。因此分析振動數(shù)據(jù)與風(fēng)洞關(guān)鍵參數(shù)的關(guān)系，筆者可以從同壓力不同風(fēng)速、不同壓力同風(fēng)速、同環(huán)境不同模型等設(shè)定不同條件來分別分析。軸振與瓦振傳感器所監(jiān)測的各部位節(jié)點中需要說明的是長軸1的風(fēng)扇側(cè)和電機(jī)側(cè)，其中間穿過了風(fēng)洞的洞壁。根據(jù)式（1），軸系振動A的位移幅值，由軸振X、Y的渦流位移傳感器直接測出的徑向振動來獲得。按照正常的振動波形和頻譜圖，筆者會在每個節(jié)點獲得海量的數(shù)據(jù)。海量數(shù)據(jù)會影響筆者的判斷，出現(xiàn)不必要的干擾，因此筆者采用信號濾波的方法來進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理。然后通過計算并采樣位移振幅的方式，將振動數(shù)據(jù)進(jìn)行簡化，最后進(jìn)行分析。

3.2 常壓變風(fēng)速的特性

為了研究軸系振動特性，首先選定風(fēng)洞試驗中最為典型的常壓下變風(fēng)速的試驗數(shù)據(jù)。風(fēng)速每次增加10m/s，風(fēng)洞壓力為常壓0.1MPa保持不變。

為了對比風(fēng)速同槳葉轉(zhuǎn)速的對應(yīng)關(guān)系，筆者通過圖像處理的方法，并標(biāo)注整數(shù)風(fēng)速的時間臺階。

通過3.1章節(jié)的數(shù)據(jù)處理方法，對歷年的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到對應(yīng)的曲線圖見圖1、圖2。

圖1 常壓變風(fēng)速軸振數(shù)據(jù)曲線圖

將振動曲線與軸系的平視示意圖對照分析，可以提出如下結(jié)論：1）軸振曲線在節(jié)點3，即長軸2的風(fēng)扇側(cè)，振幅最大。如圖1曲線圖所示，說明該處轉(zhuǎn)子的徑向位移跳動量較大。造成這一現(xiàn)象的原因：風(fēng)扇軸與長軸2連接的連軸器的對中度不夠理想。在軸系工作正常的狀態(tài)下，常壓下軸系振動的平均值與不同風(fēng)速差值的關(guān)系接近重復(fù)性的效果，說明軸系彈性支撐的禁錮效果是相對穩(wěn)定可靠的；2）瓦振曲線的節(jié)點5，得出長軸1的風(fēng)扇側(cè)，振幅最大。如圖2曲線所示，5Z處瓦振數(shù)據(jù)在風(fēng)洞超過100m/s時出現(xiàn)明顯跳變，從2.3μm跳變至110m/s的28.5μm、120m/s的95.4μm，結(jié)合節(jié)點位置處在長軸1的風(fēng)扇側(cè)，是軸系穿過洞壁的位置，說明該節(jié)點處對電機(jī)的大功率大扭矩狀態(tài)有高一個量級的反應(yīng)；3）軸振曲線和瓦振曲線的幾個波峰位置，與風(fēng)洞軸系的幾處的軸承彈性支撐、洞壁穿壁位置和套齒聯(lián)軸器幾個部分有直接的相關(guān)性，且波峰均位于風(fēng)扇側(cè)，這與軸系的主振動源是變速運行的風(fēng)洞槳葉的實際情況是一致的。

圖2 常壓變風(fēng)速瓦振數(shù)據(jù)曲線圖

3.3 穩(wěn)風(fēng)速變風(fēng)洞壓力的特性

由3.2章節(jié)可知，在軸系工作正常的狀態(tài)下，常壓下軸系振動的平均值與不同風(fēng)速差值的關(guān)系接近重復(fù)性的效果。

在維持70m/s的風(fēng)速不變的情況下，以0.5MPa為間隔提高風(fēng)洞壓力。這時可生成穩(wěn)風(fēng)速變風(fēng)洞壓力的振動數(shù)據(jù)柱狀圖。

從柱狀圖與軸系數(shù)據(jù)曲線圖對照分析，可以提出如下結(jié)論：1）軸振的3節(jié)點，也就是長軸2的風(fēng)扇側(cè)，在變化風(fēng)洞洞內(nèi)壓力的條件下，其振動幅值最大；2）瓦振的3和5節(jié)點，也就是長軸2和長軸1的風(fēng)扇側(cè)，在變化風(fēng)洞洞內(nèi)壓力的條件下，其振動幅值最大。

3.4 2種條件下振動特性的結(jié)合分析

結(jié)合多個曲線圖和柱狀圖，包括常壓下變風(fēng)速和穩(wěn)風(fēng)速變風(fēng)洞壓力2個不同條件，筆者能夠清晰地看出，風(fēng)洞軸系的振動特性對風(fēng)洞壓力和風(fēng)洞風(fēng)速的勻速變化，都不是線性的。1）軸振的變化源于風(fēng)洞長軸轉(zhuǎn)子軸承系統(tǒng)被彈性支撐較好地禁錮在它的工作圓柱體內(nèi)，而軸系3節(jié)點與其他節(jié)點的區(qū)別，它的偏心軌跡會有相應(yīng)地調(diào)整。2）瓦振因為固定在彈性支撐的軸瓦，呈現(xiàn)柱狀圖的變化，這與風(fēng)洞試驗中電機(jī)功率與風(fēng)速、槳葉轉(zhuǎn)速的非線性是密切相關(guān)的，正因為電機(jī)功率通過軸系輸出到風(fēng)扇槳葉，能量的傳遞影響到了風(fēng)洞的方方面面。

電機(jī)的功率同電機(jī)的轉(zhuǎn)速并不是線性的關(guān)系，而是類似于指數(shù)關(guān)系。在對不同風(fēng)速下電機(jī)的轉(zhuǎn)速及對應(yīng)的電機(jī)瞬時功率的數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣后，筆者能夠得出風(fēng)速與電機(jī)轉(zhuǎn)速、電機(jī)功率的關(guān)系不是線性的，而是類指數(shù)曲線。限于篇幅，無法具體展示。正因為電機(jī)功率的指數(shù)性增長，原來相對穩(wěn)定的瓦振數(shù)據(jù)在突破某一閾值的時候，才呈現(xiàn)出量變產(chǎn)生質(zhì)變的較大變化。而其中數(shù)據(jù)變化更激烈敏感的采樣點，它們的采樣傳感器是處于風(fēng)扇一側(cè)而不是電機(jī)一側(cè)，也正是因為風(fēng)洞槳葉才是電機(jī)功率輸出的目標(biāo)和對象，風(fēng)洞槳葉是主要的振動源頭。

3.5 多個試驗車次振動特性的穩(wěn)定性

考慮到FL9風(fēng)洞試驗多以常壓下70m/s的風(fēng)洞試驗為主，筆者選取多個年份跨度的多個試驗車次下的軸系某一定點的振動數(shù)據(jù)，可得到振動特性的長期穩(wěn)定性較好的結(jié)論。

4 結(jié)論

該文對電機(jī)軸系振動特性進(jìn)行分析，我們能夠得到如下結(jié)論：1）軸振曲線和柱形圖表明風(fēng)扇軸與長軸2連接的連軸器處的徑向跳動量較大。2）瓦振曲線和柱形圖表明軸系的軸承和聯(lián)軸器對電機(jī)小功率小扭矩的重復(fù)性較好，會明顯提高電機(jī)大功率大扭矩時瓦振數(shù)據(jù)跳動量。3）軸振曲線和瓦振曲線的幾個波峰位置，與風(fēng)洞軸系的幾處彈性支撐的軸承、洞壁穿壁位置和聯(lián)軸器有直接的相關(guān)性，且波峰均位于風(fēng)扇側(cè)，這與軸系的主振動源是變速運行的風(fēng)洞槳葉的實際情況是一致的。4）振動隨風(fēng)速和壓力的增大，越接近風(fēng)洞滿載荷狀態(tài)振動越劇烈，符合轉(zhuǎn)子振動的客觀規(guī)律。它來自于電機(jī)功率、槳葉轉(zhuǎn)速和風(fēng)速的指數(shù)變化關(guān)系。5）筆者對多個年份跨度、多種試驗的定點采樣所獲得的振動趨勢曲線進(jìn)行判斷，電機(jī)軸系振動特性的長期穩(wěn)定性較好。