CN106768767A - 一种基于频响函数的轴承座特性参数的测量系统及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于频响函数的轴承座特性参数的测量系统，包括中央处理器以及和中央处理器连接的数据采集仪，还包括待测轴承座；在轴承座的x和y方向上装有加速度传感器，两个加速度传感器分别与数据采集仪连接；数据采集仪通过电荷放大器连接力锤，力锤将激励力作用到轴承座上，两个加速度传感器将轴承座在激励力作用下的加速度响应信号传送给数据采集仪。本发明还公开了一种基于频响函数的轴承座特性参数的测量方法，本发明测量方法具有良好的测试精度，其不仅考虑了轴承座的各向异性，还考虑了轴承座各个方向参数的耦合，能够很好的满足工程计算要求；而且在计算轴承座参数时不需要人工选择特征点，最终能得到轴承座的全部10个特性参数。

Description

一种基于频响函数的轴承座特性参数的测量系统及测量方法

技术领域

本发明涉及一种基于频响函数的轴承座刚度、阻尼和参振质量的测量系统和测量方法，属于旋转机械轴承座特性参数的测试领域。

背景技术

随着旋转机械向大容量高参数方向发展，支撑系统的刚度越来越弱。轴承作为大型转转机械的承载部件，影响着整个系统的动态性能和工作效率。轴承的内支撑点是转子，外支撑点是轴承座。轴承座刚度不足会导致轴承座振动大甚至大于转轴振动的异常现象，影响机组安全稳定运行。轴承座特性参数是影响转转机械轴系临界转速的重要因素，轴承座阻尼对于临界转速附近振动幅值有明显的抑制作用。对于大型旋转机械，轴承座对整个系统的影响不可忽略。

研究旋转机械的动力特性时一般将轴承座简化为质量-弹簧-阻尼器模型，有效识别轴承座特性参数具有十分重要的意义。目前识别轴承座参数的方法主要有：(1)自由振动响应法，利用轴承座在激励力下自由振动响应得到轴承座参数。该方法认为轴承座全部质量参与振动，而工程实例表明，轴承座参振质量与轴承座实际质量并不相同，且两个方向上的参振质量不同，与工程实际偏差较大。(2)频响函数法，通过激振实验得到轴承座频响函数或机械阻抗并进一步换算得到轴承座参数。该方法将轴承座简化为质量-弹簧模型，不考虑阻尼影响，不考虑两个方向参数耦合，不能很好地满足工程要求。该方法计算轴承座参数时需要人工选择特征点，比较繁琐。本发明基于频响函数法，提出一种考虑轴承座各向异性可以智能识别轴承座全部特性参数的方法。

发明内容

发明目的：本发明所要解决的技术问题是提供一种基于频响函数的轴承座特性参数的测量系统。本发明还要解决的技术问题是提供一种基于频响函数的轴承座特性参数的测量方法。

发明内容：为解决上述技术问题，本发明所采用的技术手段为：

一种基于频响函数的轴承座特性参数的测量系统，包括中央处理器以及和中央处理器连接的数据采集仪，还包括轴承座；在所述轴承座的x和y方向上装有加速度传感器，两个加速度传感器分别与数据采集仪连接；数据采集仪通过电荷放大器连接力锤，力锤将激励力作用到轴承座上，两个加速度传感器将轴承座在激励力作用下的加速度响应信号传送给数据采集仪。

其中，还包括220V交流电源，所述中央处理器、数据采集仪和电荷放大器均与220V交流电源连接。

一种基于频响函数的轴承座特性参数的测量方法，包括如下步骤：

步骤1，构建轴承座简化模型：将轴承座简化成1个质量块、4个弹簧和4个阻尼器，由于x和y两个方向参振质量不同，轴承座共有参振质量m_x、m_y，刚度k_xx、k_xy、k_yx、k_yy和阻尼c_xx、c_xy、c_yx、c_yy10个特性参数；

步骤2，构建测量系统：将待测轴承座按步骤1的轴承座简化模型进行简化，测量系统包括中央处理器以及和中央处理器连接的数据采集仪，在待测轴承座的x和y方向上装有加速度传感器，两个加速度传感器分别与数据采集仪连接；数据采集仪通过电荷放大器连接力锤，力锤将激励力作用到待测轴承座上，测量系统采用220V交流电源供电；

步骤3，用力锤敲击待测轴承座x方向，采集x方向和y方向加速度响应信号a_xx、a_yx和激励力信号F_x；再用力锤敲击轴承座y方向，采集x方向和y方向加速度响应信号a_xy、a_yy和激励力信号F_y；

步骤4，对采集到的加速度和力的时域信号做FFT变换得到加速度和力的频域信号，然后得到加速度频响函数并求逆得到阻抗矩阵；

步骤5，在固有频率的±10％区域内选择m个点为特征点，其中，m≥2，再利用最小二乘法拟合由轴承座运动方程得到的机械阻抗函数求得轴承座全部特性参数。

其中，步骤1中，轴承座简化模型的运动方程为：

假设

可得：

则阻抗矩阵：

其中，步骤4中，测量系统对测得的加速度响应信号和激励力信号做FFT变换得到加速度和力的频域响应，按式计算得到实测的频响函数H_xx、H_yx、H_xy和H_yy，加速度频响函数矩阵为求逆得到阻抗矩阵Z。

其中，步骤5中，在固有频率±10％区域选取f₁，f₂…f_m作为特征点，并按式ω_k＝2πf_k计算得到相应频率对应的角速度ω_k，相应角速度下加速度阻抗矩阵Z_k，k＝1，2…m。

其中，将实测的加速度阻抗矩阵Z_k按公式似合，可列出如下方程组：

式中，i为虚数单位；(Z_k)_pq为加速度阻抗矩阵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计算公式为x＝(A^TA)^-1A^Tb，解得轴承座全部10个特性参数。

相比于现有技术，本发明技术方案具有的有益效果为：

本发明技术方案具有良好的测试精度，其不仅考虑了轴承座的各向异性，还考虑了轴承座各个方向参数的耦合，能够很好的满足工程计算要求；而且在计算轴承座参数时不需要人工选择特征点，提高了测量的效率，最终能得到轴承座的全部10个特性参数。

附图说明

图1是本发明轴承座的简化模型图；

图2是本发明测量系统的结构原理图；

图3a～3c是第一次锤击实验激励力信号和加速度信号；

图4a～4c是第二次锤击实验激励力信号和加速度信号；

图5a～5c是两次锤击实验实测信号的频域表示；

图6a～6h是实测和计算的轴承座频响函数曲线图。

具体实施方式

根据下述实施例，可以更好地理解本发明。然而，本领域的技术人员容易理解，实施例所描述的内容仅用于说明本发明，而不应当也不会限制权利要求书中所详细描述的本发明。

如图2所示，本发明基于频响函数的轴承座特性参数的测量系统，包括中央处理器6以及和中央处理器6连接的数据采集仪3，还包括轴承座1；在轴承座1的x和y方向上装有加速度传感器2，两个加速度传感器2分别与数据采集仪3连接；数据采集仪3通过电荷放大器5连接力锤4，力锤4将激励力作用到轴承座1上，两个加速度传感器2将轴承座1在激励力作用下的加速度响应信号传送给数据采集仪3；本发明基于频响函数的轴承座特性参数的测量系统还包括用于给系统供电的220V交流电源7，其中，中央处理器6、数据采集仪3和电荷放大器5均与220V交流电源7连接。

本发明基于频响函数的轴承座特性参数的测量方法，包括如下步骤：

步骤1，构建轴承座简化模型：如图1所示，将轴承座简化成1个质量块、4个弹簧和4个阻尼器，考虑到x和y两个方向参振质量不同，轴承座共有参振质量m_x、m_y，刚度k_xx、k_xy、k_yx、k_yy和阻尼c_xx、c_xy、c_yx、c_yy10个特性参数；

其中，轴承座简化模型的运动方程为：

假设

可得：

则阻抗矩阵：

步骤2，构建测量系统：将待测轴承座按步骤1的轴承座简化模型进行简化，测量系统包括中央处理器以及和中央处理器连接的数据采集仪，在待测轴承座的x和y方向上装有加速度传感器，两个加速度传感器分别与数据采集仪连接；数据采集仪通过电荷放大器连接力锤，力锤激励力作用到待测轴承座上，测量系统采用220V交流电源为系统供电；

步骤3，用力锤敲击待测轴承座x方向，采集x方向和y方向加速度响应信号a_xx、a_yx和激励力信号F_x，测试结果如图3a～3c所示；再用力锤敲击轴承座y方向，采集x方向和y方向加速度响应信号a_xy、a_yy和激励力信号F_y，测试结果如图4a～4c所示；

步骤4，对采集到的加速度和力的时域信号做FFT变换得到加速度和力的频域信号，结果如图5a～5c所示，按式计算得到实测的频响函数H_xx、H_yx、H_xy和H_yy如图6a～6h所示，加速度频响函数矩阵为求逆得到阻抗矩阵Z；

步骤5，频响函数中主共振峰指的是频响函数中在某个频率点响应幅值最大，图6a中的第一个主共振峰对应的频率245HZ为固有频率，测量系统自动搜索频响函数的主共振峰，在固有频率±10％区域选取f₁，f₂…f_m作为特征点(即在其附近选取m(m≥2)个不同频率f₁，f₂…f_m作为特征点)，并按式ω_k＝2πf_k计算得到相应频率对应的角速度ω_k，相应角速度下加速度阻抗矩阵Z_k，k＝1，2…m，本实施中m取40；

其中，将实测的加速度阻抗矩阵Z_k按公式拟合，可列出如下方程组：

式中；i为虚数单位；(Z_k)_pq为加速度阻抗矩阵Z_k的第p行q列元素，p，q＝1，2；

上述4个方程组为复数线性方程组，一个方程可以求解两个未知数，可以写成Ax＝b，m＞2，方程组均为超定线性方程组，无精确解，用最小二乘法求近似解，计算公式为x＝(A^TA)^-1A^Tb，解得轴承座特性参数：

参振质量矩阵

刚度矩阵

阻尼矩阵

根据轴承座运动方程按所求参数求得轴承座加速度频响函数，如图6a～6h所示。

本发明采用加速度传感器测量轴承座在激励力作用下的加速度响应，通过力锤和电荷放大器得到激励力信号，系统对采集到的加速度响应和力信号做FFT变换得到加速度和力的频域响应，然后进一步得到加速度频响函数并求逆得到机械阻抗，系统自动选择固有频率±10％区域的m(m＞2)个点作为特征点，最后利用最小二乘法拟合由轴承座运动方程得到的机械阻抗求得轴承座特性参数参振质量m_x、m_y，刚度k_xx、k_xy、k_yx、k_yy和阻尼c_xx、c_xy、c_yx、c_yy。本发明技术方案考虑了轴承座的各向异性，具有可智能识别轴承座全部特性参数(轴承座阻尼)的优点。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而这些属于本发明的精神所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。

Claims (7)

1.一种基于频响函数的轴承座特性参数的测量系统，其特征在于：包括中央处理器以及和中央处理器连接的数据采集仪，还包括轴承座；在所述轴承座的x和y方向上装有加速度传感器，两个加速度传感器分别与数据采集仪连接；数据采集仪通过电荷放大器连接力锤，力锤将激励力作用到轴承座上，两个加速度传感器将轴承座在激励力作用下的加速度响应信号传送给数据采集仪。

2.根据权利要求1所述的基于频响函数的轴承座特性参数的测量系统，其特征在于：还包括220V交流电源，所述中央处理器、数据采集仪和电荷放大器均与220V交流电源连接。

3.一种基于频响函数的轴承座特性参数的测量方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤1，构建轴承座简化模型：将轴承座简化成1个质量块、4个弹簧和4个阻尼器，由于x和y两个方向参振质量不同，轴承座共有参振质量m_x、m_y，刚度k_xx、k_xy、k_yx、k_yy和阻尼c_xx、c_xy、c_yx、c_yy10个特性参数；

步骤2，构建测量系统：将待测轴承座按步骤1的轴承座简化模型进行简化，测量系统包括中央处理器以及和中央处理器连接的数据采集仪，在待测轴承座的x和y方向上装有加速度传感器，两个加速度传感器分别与数据采集仪连接；数据采集仪通过电荷放大器连接力锤，力锤将激励力作用到待测轴承座上，测量系统采用220V交流电源为系统供电；

步骤3，用力锤敲击待测轴承座x方向，采集x方向和y方向加速度响应信号a_xx、a_yx和激励力信号F_x；再用力锤敲击轴承座y方向，采集x方向和y方向加速度响应信号a_xy、a_yy和激励力信号F_y；

步骤4，对采集到的加速度和力的时域信号做FFT变换得到加速度和力的频域信号，然后得到加速度频响函数并求逆得到阻抗矩阵；

步骤5，在固有频率的±10％区域内选择m个点为特征点，其中，m≥2，再利用最小二乘法拟合由轴承座运动方程得到的机械阻抗函数求得轴承座全部特性参数。

4.根据权利要求3所述的基于频响函数的轴承座特性参数的测量方法，其特征在于：步骤1中，轴承座简化模型的运动方程为：

假设

可得：

则阻抗矩阵：

5.根据权利要求3所述的基于频响函数的轴承座特性参数的测量方法，其特征在于：步骤4中，测量系统对测得的加速度响应信号和激励力信号做FFT变换得到加速度和力的频域响应，按式计算得到实测的频响函数H_xx、H_yx、H_xy和H_yy，加速度频响函数矩阵为求逆得到阻抗矩阵Z。

6.根据权利要求3所述的基于频响函数的轴承座特性参数的测量方法，其特征在于：步骤5中，在固有频率±10％区域选取f₁，f₂…f_m作为特征点，并按式ω_k＝2πf_k计算得到相应频率对应的角速度ω_k，相应角速度下加速度阻抗矩阵Z_k，k＝1，2…m。

7.根据权利要求6所述的基于频响函数的轴承座特性参数的测量方法，其特征在于：将实测的加速度阻抗矩阵Z_k按公式拟合，可列出如下方程组：

式中，i为虚数单位；(Z_k)_pq为加速度阻抗矩阵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，计算公式为x＝(A^TA)^-1A^Tb，解得轴承座全部10个特性参数。