关于转子动力学测试

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转子动力学是研究所有与旋转机械转子及其部件和结构有关的动力学特性的学科，同时与流体力学中轴承与密封的润滑密切相关，有着极强的工程应用背景，它广泛应用于航空发动机、燃气轮机、汽轮机、压缩机、水轮机、涡轮泵、增压器、柴油机、泵、电机等各种旋转机械领域。通过对转子的临界转速、轴心轨迹、振动频谱、动平衡等特性的研究来了解和掌握转子的运行状态。下表列出了常见的转子故障及对应的轴心轨迹结果，可以看出转子动力学的测试及分析对于旋转机械来说是非常基础和重要的内容。

表1 常见转子故障与轴心轨迹

转子动力学测试系统的搭建

图1是一个转子动力学测试装置的样本，由两个轴承支撑的单轴系统。位移测量是在靠近轴承的两个位置进行的，轴承附近是一个常见的测量位置，因为了解轴在轴承中的运动情况往往很关键。响应信号可以是位移、速度、加速度等动态响应信号。每个轴承位置的传感器都在同一个平面上测量，我们称它们为传感器响应平面。

键相传感器是一个额外的传感器，它被安装在轴上。键相传感器提供了非常重要的关于轴的旋转速度信息，也提供了和位移传感器测量的信号之间的相位关系。键相传感器一般是由一个非接触式激光脉冲传感器和轴上的一个标记组成。当激光传感器 "看到"该标记时，会产生一个脉冲电压信号。这一信息被用来注释数据，它表明一个新的周期或轴的一个新的旋转开始了。

转子动力学测试也经常与其他一些物理测量（如温度、压力、流量......等）结合在一起，来研究转子系统中一些关键参数发生变化时的动态特性变化情况。

图1 转子动力学测试系统组成

此试验台样本需要四个动态通道对位移传感器输出的电压信号进行采集，还需要一个转速通道对键相传感器输出的方波信号进行采集。动态通道的采样率要覆盖所关心的频率和阶次带宽，转速通道的模式要支持最高转速下所对应的脉冲速率（以SCADAS Mobile采集系统为例，模拟模式下最大40K，数字模式下最大200K）。

转子动力学测试系统对数据的分析

转子动力学测试系统对于数据的分析包括轴心轨迹、中心线、极化图、双边谱等，通过这些分析来判断转子的运行状态。接下来将分别对每种结果进行简要说明其含义和对工程的指导意义。

· 轴心轨迹：轴的几何中心在一个周期（一圈）内的相对运动情况，它既可以显示X向和Y向传感器的位置，也可以显示相对运动的方向。原点表示每个周期（圈）的起始位置，可以用来区分不同的周期（圈）的结果。轴心轨迹是转子系统故障诊断最有效的工具之一，例如动不平衡、不对中、油膜失稳等引起的转子振动会呈现不同的轴心轨迹结果。下图2所示为一个周期的一阶轴心轨迹图。

图2 一阶轴心轨迹图

· 中心线：油膜在轴周围是不均匀的，轴在轴承内的运动取决于转速、油温、轴向载荷、轴承的刚度等等。中心线描述的是轴的几何中心在测量平面内一个周期内的平均位置变化情况，它可以用来显示轴相对于轴承的位置。中心线同样可以显示传感器的位置和旋转的方向。图3显示的是从第400圈到3600圈平均轴心位置的运动情况。

图3 中心线图

  · 极化图：它是对转子振动的矢量显示。通过在极坐标下同时显示振动的幅值和相位信息，可以跟踪时间、转速、温度等其它任意维度的动态信号。零度相位往往定义为键相传感器所在位置的幅值和相位。它和波特图的功效相当，同样都是用来显示振动的幅值和相位信息，只是相位的计算方式不同，此处极化图中的相位指的是相位差。

图4 极化图

  · 双边谱：单边谱只能针对一个信号进行频率分析，找出信号中的频率或阶次信息。双边谱提供了来自两个传感器的信息，它相当于一个轴心轨迹的频谱或来自两个探头组合的复数FFT。当用频率描述周期运动时，产生了角频率的概念，这时负频率就出现了物理意义，正频率对应反时针运动，负频率对应正时针运动。图5为某转子的双边谱结果，其中正一阶幅值大于负一阶幅值说明一阶正向运动强于一阶反向运动，其对应的轴心轨迹图应该是椭圆。

图5 双边谱

来源：Simcenter TEST微信公众号（ID：oceanbig_zhang），作者：王振。文章转载时略有删减。