CN102768122B - 不平衡激扰力作用下的设备内源特性测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供不平衡激扰力作用下的设备内源特性测量方法，包括以下步骤：将第一组隔振器对称安装在被测设备的机脚下，被测设备和隔振器均安装在刚性质量块上，所有安装点在同一水平面上；将四个加速度传感器布置在被测设备的机脚处、隔振器的顶端，并依次连接信号放大器、信号采集仪；启动被测设备，测得四个点的加速度响应，然后取其平均得到被测设备机脚所在平面中心点的加速度响应平均值，通过速度与加速度关系得到第一组隔振器下的速度响应值；更换隔振器，启动被测设备，测得四个点的加速度响应，从而得到第二组隔振器下的速度响应值，从而求得被测设备激扰力和被测设备等效质量。本发明精确度良好，操作简便易行且可控性高。

Description

不平衡激扰力作用下的设备内源特性测量方法

技术领域

本发明涉及的是一种测量方法，具体地说是内源特性的测量方法。

背景技术

由于机械设备比较复杂，且设备在不同工况下运转时，设备振动的输出力与接收结构的特性有关，不同的基座、不同的安装方式会改变注入接收结构的能量和接触力大小。工程中需要获取不同安装条件下(不同安装位置或方式)设备振动输出到基座的能量和激励力的特性，从而进行声学预报与控制。然而设备制造商在设备出厂之前进行台架试验，测得设备对台架传递的激励力，给出加速度值。但由于台架试验无法模拟实际情况，因此无法直接应用于真实的工况中，解决工程中的实际困难。因此，通过机械设备的内源特性试验，获得设备的内源特性非常必要。

为了研究结构振动响应和辐射噪声计算，传统的方式是得到机械设备的振动激励载荷及设备输入支承结构的功率流，人们往往根据机械设备重量、拆装难易程度及可实施性等，常常采用以下两种方法，第一种是：建立以自由速度理论为基础的设备激扰力测量方法，该方法是指将设备悬吊起来使其不与基础连接，在设备正常开启时测得的设备机脚振动速度。但由于悬吊条件环境不易满足，设备自由速度测试通常采用空气弹簧等方式进行支撑，因此，设备的自由速度测试通常会引起一定误差，进而导致其在实际应用中出现较大误差。第二种是：在试验台架上进行测量，然后应用到实际环境中，此种方法虽然比第一种简便易行，由于测量结果通常与隔振器及测试基础刚度等密切相关，因此还存在一定的误差。

有关机械设备内源特性实验方法的公开文献还非常缺少。这些相关报道主要有：1、Indirect Engineering Estimation of Force Excited by Machinery vibrationSources of Ship(Journal of Ship Mechanics,2007,11(6):961-972)；2、Estimation offorces generated by a machine mounted upon isolators under operatingconditions(Journal of the Franklin Institute,1999,336:875-892)；3、机械设备振动源特性研究(船舶力学，2010,14(10):1180-1188)；4、船舶机械设备振动激励特性测试方法研究(舰船科学技术，2006,28(2):34-39)；5、机械设备对基座激励力估算方法研究(中国舰船研究，2008,2(3):47-49)等。其中：文献1提出了最小二乘法来间接测量设备对基座的激励力。文献2提出一种带递推估算的片尔曼滤波器法，用以估算旋转机械安装在隔振器上时的激振力时间历程。它通过测量系统动态响应，用最小二乘算法计算力的幅值。文献3和文献4以自由速度作为描述振源激励特性的参数，通过对机器-隔振器-基座系统的分析，得到了作用于基座结构的激励力与机器自由速度之间的关系。最后来测量机械设备的自由速度，这种方法的缺点在上文已经叙述。文献5阐述利用有限元法和导纳法的基本原理，间接估算处机械设备对基座的输出激励力，其前提是认为基座的特性不变，但是不同的基座、不同的安装方式会改变注入接收结构的能量和接触力大小，因此这种方法也存在一定的误差，其误差的大小取决于基座的变化大小。

发明内容

本发明的目的在于提供精确度良好，操作简便易行且可控性高的不平衡激扰力作用下的设备内源特性测量方法。

本发明的目的是这样实现的：

本发明不平衡激扰力作用下的设备内源特性测量方法，其特征是：

将第一组四个相同的隔振器对称安装在被测设备的机脚下，第一组隔振器的刚度为k₁、阻尼系数为c₁，被测设备和隔振器均安装在刚性质量块上，所有安装点在同一水平面上；将四个加速度传感器布置在被测设备的机脚处、隔振器的顶端，并依次连接信号放大器、信号采集仪；启动被测设备，测得四个点的加速度响应，然后取其平均得到被测设备机脚所在平面中心点的加速度响应平均值，通过速度与加速度关系v＝a/ω，得到第一组隔振器下的速度响应值v₁；更换隔振器，第二组隔振器的刚度为k₂、阻尼系数为c₂，启动被测设备，测得四个点的加速度响应，从而得到第二组隔振器下的速度响应值v₂，则被测设备激扰力F和被测设备等效质量m_e为：

F＝D₁/D₀，m_e＝D₂/D₀，

其中 $D_0=\left|\begin{array}{cc}1& -j{\mathrm{\ωv}}_1\\ 1& -j{\mathrm{\ωv}}_2\end{array}\right|,D_1=\left|\begin{array}{cc}{c}_1{v}_1+\frac{v_1{k}_1}{\mathrm{j\ω}}& -j{\mathrm{\ωv}}_1\\ c_2{v}_2+\frac{v_2{k}_2}{\mathrm{j\ω}}& -j{\mathrm{\ωv}}_2\end{array}\right|,D_2=\left|\begin{array}{cc}F& c_1{v}_1+\frac{v_1{k}_1}{\mathrm{j\ω}}\\ F& c_2{v}_2+\frac{v_2{k}_2}{\mathrm{j\ω}}\end{array}\right|,$ ω为被测设备的圆频率。

本发明还可以包括：

1、对同一被测设备重复5次以上测试，每次测试均更换刚度和阻尼系数不同的隔振器，利用最小二乘法线性回归修订被测设备激扰力F和等效质量m_e。

本发明的优势在于：本发明精确度良好，操作简便易行且可控性高。

附图说明

图1为设备弹性安装于刚性基础的振动系统简化图；

图2a振动系统安装示意图，图2b测点布置示意图；

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，本发明包括以下步骤：

1、安装基础的选择

一般来说，常假设设备质心处激励力和等效质量恒定，它们能反映设备的固有振动特性而与其它条件无关。因此可知，选择刚性安装基础或弹性安装基础对机械设备的内源特性没有影响，设备内源特性只由设备自身结构，加工精度决定，一旦设备制造完成，其内源特性就将确定。如果选择弹性安装基础，那么此振动系统就将简化为二自由度振动系统，试验时需要多布置一组加速度传感器。因此在试验时为了简便易行，将机械设备通过隔振器安装在刚性基础上，保证刚性基础表面无振速即可，简化后的振动系统如图1所示。

2、振动系统的组装

组装振动系统时，要求设备、刚性基础的接触面都保持平行，因此在安装时必须要使刚性基础放在水平面上，然后选择4个相同型号的隔振器，分别对称安装在设备的机脚下，用螺栓通过设备机脚和隔振器安装在大型刚性质量块上，同时保证所有安装点在同一水平面上。由于设备运转时会产生振动，因此必须将隔振器通过螺钉铆接在质量块上，保证了设备安装的稳定性同时保证设备能够平稳的正常运行。

3、测点的布置

由于设备正常运行时，设备将受到垂向激扰力的作用，整个系统将简化为一维的单自由度振动系统，加速度传感器布置在设备的机脚处隔振器的顶端，编号分别为1、2、3、4(如图2b所示)，用于测量设备机脚处垂向的振动加速度响应。

4、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，然后将布置好的加速度传感器接入信号放大器，形成完整的测试系统，如图3所示。加速度传感器感应到的机脚振动响应信号(加速度传感器感应到的是加速度响应)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，由计算机中的信号处理软件可以得到加速度，从而实现设备振动时机脚处的加速的测量。

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；运行设备使系统产生振动，检验测试系统是否正常工作。

5、速度响应v的测量

由于设备正常运行时，将受到垂向不平衡激扰力作用，此系统将简化单自由度振动系统，如图1所示。如图3中所述的布置在设备机脚位置的加速度传感器把采集到的加速度应变经4中的测试系统处理后，得到各个测点的加速度响应，然后取其平均得到设备机脚所在平面中心点的加速度响应平均值，通过速度与加速度的计算公式v＝a/ω得到速度响应值v₁。更换另一组隔振器后，用上述同样的方法得到速度响应值v₂。

6、设备内源特性的计算

根据图1所示，将该振动系统简化为单自由度振动系统，由5中所测得的速度响应值v₁，v₂，由于设备内源参数中包含设备激扰力F及设备等效质量m_e两个未知参数，只要将v₁和v₂分别代入公式得到两个方程，然后解方程组得到设备激扰力F和等效质量m_e。

本发明提供了一种新的高效的设备内源特性的测量方法，改变了以往的设备台架试验下仅测量台架加速度的方法，在实际工况下的能够利用试验所测得的设备内源特性对设备激励力进行估算。

将设备在不平衡激扰力作用下的模型简化为一维单自由度的振动系统，由于机械设备的内源特性不受隔振器、基座等外部参数的影响，所以机械设备的内源特性参数保持不变，如果改变隔振器刚度k及阻尼参数c，那么只需通过2次测量设备的振动加速度响应，即可得到设备激扰力F及设备等效质量m_e。为了说明问题，对同一机械设备进行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刚度为k₁、阻尼系数为c₁，设备机脚处的振动速度为v₁，更换隔振器型号后，隔振器参数刚度为k₂、阻尼系数为c₂，设备的振动速度为v₂。根据力-电类比理论得到设备内源特性与速度响应的关系，通过计算得到参数F和m_e。

F＝D₁/D₀，m_e＝D₂/D₀

式中: $D_0=\left|\begin{array}{cc}1& -j{\mathrm{\ωv}}_1\\ 1& -j{\mathrm{\ωv}}_2\end{array}\right|;D_1=\left|\begin{array}{cc}{c}_1{v}_1+\frac{v_1{k}_1}{\mathrm{j\ω}}& -j{\mathrm{\ωv}}_1\\ c_2{v}_2+\frac{v_2{k}_2}{\mathrm{j\ω}}& -j{\mathrm{\ωv}}_2\end{array}\right|;D_2=\left|\begin{array}{cc}F& c_1{v}_1+\frac{v_1{k}_1}{\mathrm{j\ω}}\\ F& c_2{v}_2+\frac{v_2{k}_2}{\mathrm{j\ω}}\end{array}\right|,$ ω为被测设备的圆频率。

由上式可直接求得设备不平衡激扰力F及设备等效质量m_e。当然，为避免单次试验带来的偶然误差，可通过多次试验，由最小二乘法线性回归得到设备激扰力F及设备等效质量m_e。

由此得到此设备的内源特性，即设备不平衡激扰力F、设备等效质量m_e。

Claims (2)

1.不平衡激扰力作用下的设备内源特性测量方法，其特征是：

将第一组四个相同的隔振器对称安装在被测设备的机脚下，第一组隔振器的刚度为k₁、阻尼系数为c₁，被测设备和隔振器均安装在刚性质量块上，所有安装点在同一水平面上；将四个加速度传感器布置在被测设备的机脚处、隔振器的顶端，并依次连接信号放大器、信号采集仪；启动被测设备，测得四个点的加速度响应，然后取其平均得到被测设备机脚所在平面中心点的加速度响应平均值，通过速度与加速度关系v＝a/ω，得到第一组隔振器下的速度响应值v₁；更换隔振器，第二组隔振器的刚度为k₂、阻尼系数为c₂，启动被测设备，测得四个点的加速度响应，从而得到第二组隔振器下的速度响应值v₂，则被测设备激扰力F和被测设备等效质量m_e为：

F＝D₁/D₀，m_e＝D₂/D₀，

其中 $D_0=\left|\begin{array}{cc}1& -{\mathrm{j\ωv}}_1\\ 1& -{\mathrm{j\ωv}}_2\end{array}\right|{,D}_2=\left|\begin{array}{cc}{c}_1{v}_1+\frac{v_1{k}_1}{\mathrm{j\ω}}& -{\mathrm{j\ωv}}_1\\ c_2{v}_2+\frac{v_2{k}_2}{\mathrm{j\ω}}& -{\mathrm{j\ωv}}_2\end{array}\right|,D_2=\left|\begin{array}{cc}F& c_1{v}_1+\frac{v_1{k}_1}{\mathrm{j\ω}}\\ F& c_2{v}_2+\frac{v_2{k}_2}{\mathrm{j\ω}}\end{array}\right|,$ ω为被测设备的圆频率。

2.根据权利要求1所述的不平衡激扰力作用下的设备内源特性测量方法，其特征是：对同一被测设备重复5次以上测试，每次测试均更换刚度和阻尼系数不同的隔振器，利用最小二乘法线性回归修订被测设备激扰力F和等效质量m_e。