本發(fā)明涉及一種基于頻響函數(shù)的軸承座剛度、阻尼和參振質(zhì)量的測(cè)量系統(tǒng)和測(cè)量方法，屬于旋轉(zhuǎn)機(jī)械軸承座特性參數(shù)的測(cè)試領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

隨著旋轉(zhuǎn)機(jī)械向大容量高參數(shù)方向發(fā)展，支撐系統(tǒng)的剛度越來越弱。軸承作為大型轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)機(jī)械的承載部件，影響著整個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能和工作效率。軸承的內(nèi)支撐點(diǎn)是轉(zhuǎn)子，外支撐點(diǎn)是軸承座。軸承座剛度不足會(huì)導(dǎo)致軸承座振動(dòng)大甚至大于轉(zhuǎn)軸振動(dòng)的異?，F(xiàn)象，影響機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行。軸承座特性參數(shù)是影響轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)機(jī)械軸系臨界轉(zhuǎn)速的重要因素，軸承座阻尼對(duì)于臨界轉(zhuǎn)速附近振動(dòng)幅值有明顯的抑制作用。對(duì)于大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械，軸承座對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的影響不可忽略。

研究旋轉(zhuǎn)機(jī)械的動(dòng)力特性時(shí)一般將軸承座簡(jiǎn)化為質(zhì)量-彈簧-阻尼器模型，有效識(shí)別軸承座特性參數(shù)具有十分重要的意義。目前識(shí)別軸承座參數(shù)的方法主要有：(1)自由振動(dòng)響應(yīng)法，利用軸承座在激勵(lì)力下自由振動(dòng)響應(yīng)得到軸承座參數(shù)。該方法認(rèn)為軸承座全部質(zhì)量參與振動(dòng)，而工程實(shí)例表明，軸承座參振質(zhì)量與軸承座實(shí)際質(zhì)量并不相同，且兩個(gè)方向上的參振質(zhì)量不同，與工程實(shí)際偏差較大。(2)頻響函數(shù)法，通過激振實(shí)驗(yàn)得到軸承座頻響函數(shù)或機(jī)械阻抗并進(jìn)一步換算得到軸承座參數(shù)。該方法將軸承座簡(jiǎn)化為質(zhì)量-彈簧模型，不考慮阻尼影響，不考慮兩個(gè)方向參數(shù)耦合，不能很好地滿足工程要求。該方法計(jì)算軸承座參數(shù)時(shí)需要人工選擇特征點(diǎn)，比較繁瑣。本發(fā)明基于頻響函數(shù)法，提出一種考慮軸承座各向異性可以智能識(shí)別軸承座全部特性參數(shù)的方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

發(fā)明目的：本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種基于頻響函數(shù)的軸承座特性參數(shù)的測(cè)量系統(tǒng)。本發(fā)明還要解決的技術(shù)問題是提供一種基于頻響函數(shù)的軸承座特性參數(shù)的測(cè)量方法。

發(fā)明內(nèi)容：為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明所采用的技術(shù)手段為：

一種基于頻響函數(shù)的軸承座特性參數(shù)的測(cè)量系統(tǒng)，包括中央處理器以及和中央處理器連接的數(shù)據(jù)采集儀，還包括軸承座；在所述軸承座的x和y方向上裝有加速度傳感器，兩個(gè)加速度傳感器分別與數(shù)據(jù)采集儀連接；數(shù)據(jù)采集儀通過電荷放大器連接力錘，力錘將激勵(lì)力作用到軸承座上，兩個(gè)加速度傳感器將軸承座在激勵(lì)力作用下的加速度響應(yīng)信號(hào)傳送給數(shù)據(jù)采集儀。

其中，還包括220V交流電源，所述中央處理器、數(shù)據(jù)采集儀和電荷放大器均與220V交流電源連接。

一種基于頻響函數(shù)的軸承座特性參數(shù)的測(cè)量方法，包括如下步驟：

步驟1，構(gòu)建軸承座簡(jiǎn)化模型：將軸承座簡(jiǎn)化成1個(gè)質(zhì)量塊、4個(gè)彈簧和4個(gè)阻尼器，由于x和y兩個(gè)方向參振質(zhì)量不同，軸承座共有參振質(zhì)量m_x、m_y，剛度k_xx、k_xy、k_yx、k_yy和阻尼c_xx、c_xy、c_yx、c_yy10個(gè)特性參數(shù)；

步驟2，構(gòu)建測(cè)量系統(tǒng)：將待測(cè)軸承座按步驟1的軸承座簡(jiǎn)化模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，測(cè)量系統(tǒng)包括中央處理器以及和中央處理器連接的數(shù)據(jù)采集儀，在待測(cè)軸承座的x和y方向上裝有加速度傳感器，兩個(gè)加速度傳感器分別與數(shù)據(jù)采集儀連接；數(shù)據(jù)采集儀通過電荷放大器連接力錘，力錘將激勵(lì)力作用到待測(cè)軸承座上，測(cè)量系統(tǒng)采用220V交流電源供電；

步驟3，用力錘敲擊待測(cè)軸承座x方向，采集x方向和y方向加速度響應(yīng)信號(hào)a_xx、a_yx和激勵(lì)力信號(hào)F_x；再用力錘敲擊軸承座y方向，采集x方向和y方向加速度響應(yīng)信號(hào)a_xy、a_yy和激勵(lì)力信號(hào)F_y；

步驟4，對(duì)采集到的加速度和力的時(shí)域信號(hào)做FFT變換得到加速度和力的頻域信號(hào)，然后得到加速度頻響函數(shù)并求逆得到阻抗矩陣；

步驟5，在固有頻率的±10％區(qū)域內(nèi)選擇m個(gè)點(diǎn)為特征點(diǎn)，其中，m≥2，再利用最小二乘法擬合由軸承座運(yùn)動(dòng)方程得到的機(jī)械阻抗函數(shù)求得軸承座全部特性參數(shù)。

其中，步驟1中，軸承座簡(jiǎn)化模型的運(yùn)動(dòng)方程為：

假設(shè)

可得：

則阻抗矩陣：

其中，步驟4中，測(cè)量系統(tǒng)對(duì)測(cè)得的加速度響應(yīng)信號(hào)和激勵(lì)力信號(hào)做FFT變換得到加速度和力的頻域響應(yīng)，按式計(jì)算得到實(shí)測(cè)的頻響函數(shù)H_xx、H_yx、H_xy和H_yy，加速度頻響函數(shù)矩陣為求逆得到阻抗矩陣Z。

其中，步驟5中，在固有頻率±10％區(qū)域選取f₁，f₂…f_m作為特征點(diǎn)，并按式ω_k＝2πf_k計(jì)算得到相應(yīng)頻率對(duì)應(yīng)的角速度ω_k，相應(yīng)角速度下加速度阻抗矩陣Z_k，k＝1，2…m。

其中，將實(shí)測(cè)的加速度阻抗矩陣Z_k按公式似合，可列出如下方程組：

式中，i為虛數(shù)單位；(Z_k)_pq為加速度阻抗矩陣Z_k的第p行q列元素，p，q＝1，2；最后用最小二乘法求近似解計(jì)算公式為x＝(A^TA)^-1A^Tb，解得軸承座全部10個(gè)特性參數(shù)。

相比于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明技術(shù)方案具有的有益效果為：

本發(fā)明技術(shù)方案具有良好的測(cè)試精度，其不僅考慮了軸承座的各向異性，還考慮了軸承座各個(gè)方向參數(shù)的耦合，能夠很好的滿足工程計(jì)算要求；而且在計(jì)算軸承座參數(shù)時(shí)不需要人工選擇特征點(diǎn)，提高了測(cè)量的效率，最終能得到軸承座的全部10個(gè)特性參數(shù)。

附圖說明

圖1是本發(fā)明軸承座的簡(jiǎn)化模型圖；

圖2是本發(fā)明測(cè)量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理圖；

圖3a～3c是第一次錘擊實(shí)驗(yàn)激勵(lì)力信號(hào)和加速度信號(hào)；

圖4a～4c是第二次錘擊實(shí)驗(yàn)激勵(lì)力信號(hào)和加速度信號(hào)；

圖5a～5c是兩次錘擊實(shí)驗(yàn)實(shí)測(cè)信號(hào)的頻域表示；

圖6a～6h是實(shí)測(cè)和計(jì)算的軸承座頻響函數(shù)曲線圖。

具體實(shí)施方式

根據(jù)下述實(shí)施例，可以更好地理解本發(fā)明。然而，本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解，實(shí)施例所描述的內(nèi)容僅用于說明本發(fā)明，而不應(yīng)當(dāng)也不會(huì)限制權(quán)利要求書中所詳細(xì)描述的本發(fā)明。

如圖2所示，本發(fā)明基于頻響函數(shù)的軸承座特性參數(shù)的測(cè)量系統(tǒng)，包括中央處理器6以及和中央處理器6連接的數(shù)據(jù)采集儀3，還包括軸承座1；在軸承座1的x和y方向上裝有加速度傳感器2，兩個(gè)加速度傳感器2分別與數(shù)據(jù)采集儀3連接；數(shù)據(jù)采集儀3通過電荷放大器5連接力錘4，力錘4將激勵(lì)力作用到軸承座1上，兩個(gè)加速度傳感器2將軸承座1在激勵(lì)力作用下的加速度響應(yīng)信號(hào)傳送給數(shù)據(jù)采集儀3；本發(fā)明基于頻響函數(shù)的軸承座特性參數(shù)的測(cè)量系統(tǒng)還包括用于給系統(tǒng)供電的220V交流電源7，其中，中央處理器6、數(shù)據(jù)采集儀3和電荷放大器5均與220V交流電源7連接。

本發(fā)明基于頻響函數(shù)的軸承座特性參數(shù)的測(cè)量方法，包括如下步驟：

步驟1，構(gòu)建軸承座簡(jiǎn)化模型：如圖1所示，將軸承座簡(jiǎn)化成1個(gè)質(zhì)量塊、4個(gè)彈簧和4個(gè)阻尼器，考慮到x和y兩個(gè)方向參振質(zhì)量不同，軸承座共有參振質(zhì)量m_x、m_y，剛度k_xx、k_xy、k_yx、k_yy和阻尼c_xx、c_xy、c_yx、c_yy10個(gè)特性參數(shù)；

其中，軸承座簡(jiǎn)化模型的運(yùn)動(dòng)方程為：

假設(shè)

可得：

則阻抗矩陣：

步驟2，構(gòu)建測(cè)量系統(tǒng)：將待測(cè)軸承座按步驟1的軸承座簡(jiǎn)化模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，測(cè)量系統(tǒng)包括中央處理器以及和中央處理器連接的數(shù)據(jù)采集儀，在待測(cè)軸承座的x和y方向上裝有加速度傳感器，兩個(gè)加速度傳感器分別與數(shù)據(jù)采集儀連接；數(shù)據(jù)采集儀通過電荷放大器連接力錘，力錘激勵(lì)力作用到待測(cè)軸承座上，測(cè)量系統(tǒng)采用220V交流電源為系統(tǒng)供電；

步驟3，用力錘敲擊待測(cè)軸承座x方向，采集x方向和y方向加速度響應(yīng)信號(hào)a_xx、a_yx和激勵(lì)力信號(hào)F_x，測(cè)試結(jié)果如圖3a～3c所示；再用力錘敲擊軸承座y方向，采集x方向和y方向加速度響應(yīng)信號(hào)a_xy、a_yy和激勵(lì)力信號(hào)F_y，測(cè)試結(jié)果如圖4a～4c所示；

步驟4，對(duì)采集到的加速度和力的時(shí)域信號(hào)做FFT變換得到加速度和力的頻域信號(hào)，結(jié)果如圖5a～5c所示，按式計(jì)算得到實(shí)測(cè)的頻響函數(shù)H_xx、H_yx、H_xy和H_yy如圖6a～6h所示，加速度頻響函數(shù)矩陣為求逆得到阻抗矩陣Z；

步驟5，頻響函數(shù)中主共振峰指的是頻響函數(shù)中在某個(gè)頻率點(diǎn)響應(yīng)幅值最大，圖6a中的第一個(gè)主共振峰對(duì)應(yīng)的頻率245HZ為固有頻率，測(cè)量系統(tǒng)自動(dòng)搜索頻響函數(shù)的主共振峰，在固有頻率±10％區(qū)域選取f₁，f₂…f_m作為特征點(diǎn)(即在其附近選取m(m≥2)個(gè)不同頻率f₁，f₂…f_m作為特征點(diǎn))，并按式ω_k＝2πf_k計(jì)算得到相應(yīng)頻率對(duì)應(yīng)的角速度ω_k，相應(yīng)角速度下加速度阻抗矩陣Z_k，k＝1，2…m，本實(shí)施中m取40；

其中，將實(shí)測(cè)的加速度阻抗矩陣Z_k按公式擬合，可列出如下方程組：

式中；i為虛數(shù)單位；(Z_k)_pq為加速度阻抗矩陣Z_k的第p行q列元素，p，q＝1，2；

上述4個(gè)方程組為復(fù)數(shù)線性方程組，一個(gè)方程可以求解兩個(gè)未知數(shù)，可以寫成Ax＝b，m＞2，方程組均為超定線性方程組，無(wú)精確解，用最小二乘法求近似解，計(jì)算公式為x＝(A^TA)^-1A^Tb，解得軸承座特性參數(shù)：

參振質(zhì)量矩陣

剛度矩陣

阻尼矩陣

根據(jù)軸承座運(yùn)動(dòng)方程按所求參數(shù)求得軸承座加速度頻響函數(shù)，如圖6a～6h所示。

本發(fā)明采用加速度傳感器測(cè)量軸承座在激勵(lì)力作用下的加速度響應(yīng)，通過力錘和電荷放大器得到激勵(lì)力信號(hào)，系統(tǒng)對(duì)采集到的加速度響應(yīng)和力信號(hào)做FFT變換得到加速度和力的頻域響應(yīng)，然后進(jìn)一步得到加速度頻響函數(shù)并求逆得到機(jī)械阻抗，系統(tǒng)自動(dòng)選擇固有頻率±10％區(qū)域的m(m＞2)個(gè)點(diǎn)作為特征點(diǎn)，最后利用最小二乘法擬合由軸承座運(yùn)動(dòng)方程得到的機(jī)械阻抗求得軸承座特性參數(shù)參振質(zhì)量m_x、m_y，剛度k_xx、k_xy、k_yx、k_yy和阻尼c_xx、c_xy、c_yx、c_yy。本發(fā)明技術(shù)方案考慮了軸承座的各向異性，具有可智能識(shí)別軸承座全部特性參數(shù)(軸承座阻尼)的優(yōu)點(diǎn)。

顯然，上述實(shí)施例僅僅是為清楚地說明本發(fā)明所作的舉例，而并非是對(duì)本發(fā)明的實(shí)施方式的限定。對(duì)于所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在上述說明的基礎(chǔ)上還可以做出其它不同形式的變化或變動(dòng)。這里無(wú)需也無(wú)法對(duì)所有的實(shí)施方式予以窮舉。而這些屬于本發(fā)明的精神所引伸出的顯而易見的變化或變動(dòng)仍處于本發(fā)明的保護(hù)范圍之中。