双跨-三支撑转子联轴器偏角不对中实验研究

庞智元，肖增弘，段莹莹，潘宏刚,，李健伟，李 丽

（1.沈阳工程学院a.研究生部；b.能源与动力学院，辽宁 沈阳 110136；2.国网沈阳供电公司，辽宁 沈阳 110000；3.沈阳鼓风机集团股份有限公司，辽宁 沈阳 110869）

旋转机械作为扭矩输出动力装置广泛应用于各个领域，其中由于核心部件转子面临复杂的运行工况，引发的故障也很多。

转子不对中是旋转机械频发的故障之一，尤其体现在多跨多轴系转子系统。在工程实际中，有60%以上的故障与转子轴系不对中有关，不对中将引起轴系产生轴向和径向的交变力，进而引起轴系振动，振动会随着不对中量的增大呈现正相关的关系。当不对中量超过一定范围时，引发的振动会对设备的稳定运行造成有害的影响，甚至造成不可逆的损伤，严重时会造成灾难性事故。

因此，不同轴问题也成为国内外学者的一个重点研究内容：Wang［1］等人通过数值模拟的手段，研究了轴系不对中及不平衡耦合下的转子振动特性，得到了在两种特性的耦合下，转子轴心轨迹呈现为倒三角，且1倍频为主导；Qu［2］等人引入了一种通过转子中心线（ACR）与轴心轨迹的方法以诊断不对中故障；Guan［3］等人通过有限元建模的形式分析了齿式联轴器的不对中带来的动力学影响，推导出了最优接触位置；Wang［4］等人通过建立有限元分析模型与实验，分析了不对中—不平衡耦合下的故障特性，得到了在两种故障特性的激励下，转子系统的1 倍频与2倍频特性显著；Saavedra［5］等人研究了三针Renold联轴器与三爪Lovejoy联轴器的不对中振动特性，得到了轴不对中产生的振动是由于旋转时耦合刚度的变化引起的，产生的强迫频率是转速，并且直接取决于耦合刚度变化的频率；李自刚［6］等人通过数值模拟的方法得到了在不对中作用下，随转速的上升出现了一系列的分叉现象，且系统响应也逐渐进入混沌状态；董霄［7］通过数值模拟与实验的方法，建立了内外双转子出现故障时的动力学方程。

本文主要研究转子的联轴器偏角不对中问题，通过拟定实现不对中的实验方案，分析与统计实验现象和数据，得出故障工况下转子系统的振动特性。

1 实验装置及方法

1.1 实验台概况

ZT3型转子振动模拟试验台的结构如图1所示，由滑轨道底座、3个刚性轴承座、2个φ76×19 mm的轮盘、2根320 mm的短轴、1台变频调速电机、4个电涡流位移传感器所组成。

辅助设备包括转子系统调速仪、光电测速系统、振动测试系统、振动数据分析仪、振动分析软件（EVMA）。整体结构如图2所示。

转子系统调速仪通过调速器调节电机的输入电压以实现调速的目的；振动测试系统使用的主要传感器为4个电涡流位移传感器，分别测试两转子x、y方向的振动位移；振动数据分析仪采用ZXPF16D振动数据分析系统，与个人计算机相连接，通过振动分析软件得到实验数据。

图1 ZT3型转子振动模拟试验台

图2 实验台与测试及调速装置

1.2 实验方法

对于双跨转子系统，当其两轴的轴心线不在同一直线上时，即出现不对中现象［14-15］。因此，对于模拟联轴器偏角故障现象拟定了以下实验方案：

1）在联轴器内加入极小的精准尺寸垫片，厚度分别为0.05 mm、0.06 mm、0.08 mm，效果如图3所示。

图3 偏角不对中实现效果

2）计算偏角变量，计算后的对应角度分别为0.30°、0.36°、0.48°，如图4所示。

图4 偏角不对中距离—角度转换

3）确定偏角不对中变量后，在轴系x、y方向布置电涡流传感器以检测水平与垂直方向的位移。将测试电路连接到ZXP-F16D振动数据采集分析系统，启动该系统，确定4个电涡流传感器的输入通道，并接入光电测速传感器。启动振动分析测试系统，以500 r/min作为递增量，在2 000 r/min～4 000 r/min范围内分别测试不同测点的实验数据。

2 实验数据的提取

2.1 转子健康状态下的实验结果

在不施加对中效果的前提下，对实验台进行基准测试，以确定健康状态下转子的特性，提取水平与垂直方向的实验数据，如图5所示。

图5 健康状态下转子的频谱及轴心轨迹

从图5可知，频谱图以转子的工作频率（即1倍频）为主，不存在其他的倍频分量，此时的轴心轨迹则呈现为圆型轨迹。

该组实验结果作为健康转子的特性基础，以该组实验结果作为后续引入不对中量的对照样本。

2.2 偏角不对中双跨-三支点转子系统动力特性试验

在偏角不对中量为0.30°的条件下分别提取不同转速下转子x、y方向的频谱图及轴心轨迹，如图6所示。

图6 不对中量为0.30°时的频谱及轴心轨迹

如图6所示，当转速低于3 000 r/min时，频谱图中1倍频占主要部分，其原因为转子的转动基础频率为转速与时间的比值，观察上图6 a频谱图，除1倍频外，2倍频分量也很明显，同时出现多处小振幅杂波，当转速升到4 000 r/min时该现象明显好转。2 000 r/min时轴心轨迹也呈现一种混沌状态，这是由于该实验台低转速运行时振动幅值较低，造成传感器信噪比偏低，表现为杂波较多。而在4 000 r/min时，轴心轨迹呈现为类“8”字形，且频谱图中除1倍频外，2倍频占主要部分，同时存在部分3、4倍频分量。

2.3 偏角不对中量为0.36°的实验结果与现象

在偏角不对中量为0.36°的条件下，分别提取不同转速下转子x、y方向的频谱图及轴心轨迹如图7所示。

图7 不同转速下不对中量为0.36°时的频谱及轴心轨迹

由图7a可以看出，低转速时频谱图内干扰杂波较多，基频同样占主要部分，同时存在一定的2倍频分量。而当转速飞升至4 000 r/min时，相对干扰减小，相比于偏角不对中量为0.30°时，2倍频振幅有明显提升，占倍频分量的主要部分；同时4 000 r/min相比于2 000 r/min的轴心轨迹更加规整。2 000 r/min时由于低幅振动杂波较多，轴心轨迹呈现不规整状态，而在4 000 r/min时轴心轨迹同样呈现为类“8”字形。

2.4 偏角不对中量为0.48°的实验结果与现象

在偏角不对中量为0.48°的条件下，分别提取不同转速下转子x、y方向的频谱图及轴心轨迹如图8所示。

图8 不对中量为0.48°、转速为2 500 r/min时的频谱及轴心轨迹

观察图8，随着不对中量的增加，高阶倍频分量的振幅有一定程度的增加，2倍频分量仍然占整体的主要部分，由于转子处较低转速，轴心轨迹仍处于不规整的混沌状态；而当转速继续飞升至4 000 r/min时，轴心轨迹则呈现为一种不同于先前实验的类“月亮”形或类“香蕉”形，如图9所示。

图9 不对中量为0.48°、转速为4 000 r/min时的轴心轨迹

3 实验数据的对比与分析

在3种不对中量下，针对不同转速下x、y方向，提取电涡流传感器获得的不同倍频对应的振幅数据，绘制成柱形图与折线图，并观察其变化趋势。

1）偏角不对中量为0.30°时得到不同转速下不同振幅量的趋势如图10与图11所示。

图10 偏角不对中量为0.30°时不同转速下的倍频振幅

图11 偏角不对中量为0.30°时不同转速下的倍频振幅

在转速低于3 000 r/min时，1倍频x方向与y方向的振动幅度几乎相同。

当转速飞升至3 000 r/min以上时，如图11所示，转子在x方向1倍频的振幅有一个显著的增强，在3 000 r/min～3 500 r/min范围内的增长率约为71%；在3 500 r/min～4 000 r/min范围内增长率高达175%。

而y方向转速在3 000 r/min～3 500 r/min范围内的振幅增长率约为92%；在3 500 r/min～4 000 r/min范围内的振幅增长率约为30%。

由此可见，对于偏角不对中量为0.3°，转速在2 000 r/min～3 000 r/min的范围内，x方向与y方向的1倍频振幅基本相同。而当转速超过3 000 r/min后，两个方向的1倍频振幅都开始迅速增长，转速在3 000 r/min～3 500 r/min的范围内，y方向1倍频振幅的增长速度大于x方向；转速在3 500 r/min～4 000 r/min的范围内，x方向的1倍频振幅增长幅度大于y方向。

当转速稳定在4 000 r/min后，x方向1倍频振幅超过y方向的1倍，因此在4 000 r/min时，x方向的振动强于y方向。

在整个升速过程中，两个方向的2倍频分量突出，其振幅近于在20μm～60μm范围内波动，而高阶倍频相对于1倍频则不突出。

2）偏角不对中量为0.36°时得到不同转速下不同振幅量的趋势如图12与图13所示。

图12 偏角不对中量为0.36°时不同转速下的倍频振幅

图13 偏角不对中量为0.36°时不同转速下的倍频振幅

偏角不对中量为0.36°时，与偏角不对中量为0.3°的数据走势相近，x方向的1倍频振幅最大增长段在转速为3 500 r/min～4 000 r/min范围内，增长率高达190%，相同阶段的y方向1倍频振幅最大增长率为43%。转速稳定后，x方向振幅远大于y方向振幅，同偏角不对中量为0.3°相同，水平方向振动更加剧烈。

2倍频在整个升速过程中持续存在，两个方向上的振值在25μm～55μm处波动，在x方向升速到4 000 r/min后有所下降，说明此时已进入非线性状态。同样，其余的高阶频率相对于1倍频不突出。

3）偏角不对中量为0.48°时得到不同转速下不同振幅量的趋势如图14和图15所示。

图14 偏角不对中量为0.48°时不同转速下的倍频振幅

图15 偏角不对中量为0.48°时不同转速下的倍频振幅

偏角不对中量为0.48°时，与前2组数据趋势基本吻合，1倍频振幅最大增长范围仍为3 500 r/min～4 000 r/min，最大增长率为130%，而y方向最大增长范围则变为3 000 r/min～3 500 r/min，增长率为43%。2倍频则同样持续存在于整个实验过程中，其振幅在35μm～55μm内波动。高阶倍频相对于1倍频依然不突出。

4 结 论

本文建立了双跨-三支点转子系统实验台，拟定了联轴器偏角不对中的实验方案，通过实验测得了联轴器偏角不对中转子系统的轴心轨迹图和频谱图。通过对比试验结果得出如下结论：

1）确定了模拟故障工况的实验方案，得到了在偏角不对中的故障工况下，转子的轴心轨迹会呈现“8”字形或“香蕉”形。

2）得到了在转子升速过程中，1倍频占整体的主要部分，其振幅随转速增加而增加。通过判断1倍频在两个方向的振幅，确定了实验台水平方向振动的剧烈程度远大于垂直方向。

3）随不对中量引入的影响，2倍频分量伴随整个升速过程，当转速升到较高速度时，其振幅进入随机状态。