CN107228746B - 一种弹性联轴器动态扭转刚度在线识别方法 - Google Patents

Abstract

一种弹性联轴器动态扭转刚度在线识别方法，其特征在于，包括如下步骤，先采集柴油机轴系扭转振动信号，得到轴系扭转振动的固有频率实验值；再依据模型计算得到轴系扭转振动的固有频率计算值；计算轴系扭转振动的固有频率计算值与实验值相对误差及其2‑范数，并构造弹性联轴器扭转刚度修正函数；然后，比较当前迭代循环步中相对误差的2‑范数与上一次迭代循环步中相对误差的2‑范数、预设误差限，进行弹性联轴器扭转刚度修正，输出弹性联轴器的动态扭转刚度，实现弹性联轴器动态扭转刚度在线识别。本发明可以在弹性联轴器不拆卸的条件下进行在线识别，方法快速精确，操作简便，易于实施，不需要专门的实验测试台架。

Description

一种弹性联轴器动态扭转刚度在线识别方法

技术领域

本发明属于振动工程领域，尤其涉及一种弹性联轴器动态扭转刚度在线识别方法，具体地说是一种基于轴系扭转振动固有频率测量与修正的弹性联轴器动态扭转刚度在线识别方法。

背景技术

弹性联轴器是机械设备动力传递的关键部件，具有减振、降噪和缓冲等功能，广泛应用于船舶、电力和机车等行业。弹性联轴器的扭转刚度是其主要的动力学参数，也是影响动力装置轴系振动的关键参数。目前，弹性联轴器在出厂时只标注静态扭转刚度，其动态扭转刚度与静态扭转刚度的比值一般取为1.2。然而当弹性联轴器安装在动力装置轴系中运行后，由于受到高温、老化和交变载荷持续作用等影响，联轴器的橡胶原件属性易发生变化，甚至发生损坏如烧蚀和微裂纹，导致弹性联轴器的扭转刚度发生变化，进而使动力装置轴系的振动特性发生改变，甚至造成弹性联轴器自身及整个动力装置轴系破坏的发生。

目前弹性联轴器动态扭转刚度的测试，都需要在特定的试验台架上完成。711研究所的屠尉立利用弹性联轴器动态试验台，测定不同橡胶硬度条件下的动态扭转刚度，并对振动频率、载荷和温度等参数的影响进行了一些分析讨论，指出弹性联轴器动态扭转刚度与静态扭转刚度之间的关系与联轴器的结构和测试方法有关(屠尉立.弹性联轴器动态特性试验研究.中国科学技术协会首届青年学术年会论文集[C],1992,539-544.)。711研究所的谢华银和上海交通大学的陈进等在弹性联轴器动态试验台上，通过偏心量可调的曲柄摇杆偏心机构产生角位移激振，并通过扭矩传感器测量扭矩来测量弹性联轴器的动态扭转刚度(谢华银,高顶云,林中柏,陈进.弹性联轴器动态特性的实验研究[J].传动技术.1996(3):21-29.)。海军工程大学的张磊等将弹性联轴器一端固定，另一端加载动态扭矩，利用编码器测量扭角、应变仪测量应变，通过改变加载的动态扭矩测量弹性联轴器的动态扭转刚度(张磊,何琳,束立红.弹性联轴器动刚度测试系统研究[J].海军工程大学学报,2000,93(4):87-89.)。711研究所的陆传荣等利用液压式静扭转试验台测量了弹性联轴器的静态扭转刚度，在动力系统试验台上测量了弹性联轴器的动态扭转刚度，发现弹性联轴器的动静扭转刚度之比为1.32，而不是常用的1.2(陆传荣,姜荣浩,林中柏.大转矩弹性联轴器的试验研究[J].柴油机,2002,37(5):38-43.)。重庆理工大学的邹喜红等发明了一种弹性联轴器扭转刚度动态测试装置及方法，该方法需要在专门的动态测试台架来完成对弹性联轴器动态扭转刚度的测量(邹喜红,石晓辉,彭吉刚,王耀伟.一种联轴器扭转刚度及扭转阻尼动态测试方法[P].中国专利:104634569,2015-05-20.)。上述有关弹性联轴器动态扭转刚度测定的方法因均需在特定的实验条件下进行，而实际工程中并不具备上述测试方法所要求的实验条件，因此在工程中难以得到广泛的应用。

目前，关于弹性联轴器动态扭转刚度在线识别的相关研究较少。典型的方法是哈尔滨工程大学的李玩幽教授等发明了一种工作状态下弹性联轴器动静扭转刚度同步测量方法，该方法虽然能实现弹性联轴器在动态状态下的动静扭转刚度的同步测量，但是由于该方法由于需要在动力装置两端分别安装一个角标仪，导致该方法的工程推广性受到了一定的限制(李玩幽,卢熙群,张天元,杜敬涛,吕秉琳,郭宜斌.工作状态下的弹性联轴器动静扭转刚度同步测量方法[P].中国专利:101718612,2010-06-02.)。该方法工程推广性受限的主要原因是，角标仪的安装需要设计专门的安装固定机构，并且角标仪的安装需要动力装置有合适的可供安装位置，但是船舶动力装置轴系就不具备在功率接收机(螺旋桨)上安装角标仪的条件。

综上可知，目前有关弹性联轴器动态扭转刚度的测量与识别，主要在特定的弹性联轴器动态试验台上完成，但是由于实验条件的限制，该方法很难广泛应用于实际工程中。另一方面，当前典型的弹性联轴器动态扭转刚度在线识别方法，由于角标仪的安装条件要求，工程推广性也具有一定的局限性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种精度更高，且更易于工程实现的弹性联轴器动态扭转刚度的在线识别方法，在动力装置正常运行时在线测量并识别工作状态下的弹性联轴器动态扭转刚度的方法。

本发明的目的是这样实现的：

步骤一：柴油机开始工作，采集轴系扭转振动信号，进行傅里叶变换得到幅频曲线，然后通过谐次分析法，得到轴系扭转振动的固有频率实验值；

所述的轴系扭转振动信号由磁电传感器通过升降速法采集得到；

步骤二：根据振动特性不变原则建立轴系扭转振动的自由振动分析模型，将弹性联轴器扭转刚度以及原动机轴段、传动轴系和功率接收机的集中惯量参数精确值，代入扭转振动自由振动分析模型，得到轴系扭转振动的固有频率计算值；

所述轴系扭转振动自由振动分析模型为集中参数扭转振动模型，其表达式为：

式中，[J]为轴系的等效转动惯量矩阵，[K]为轴系的等效刚度矩阵，为等效惯量对应的扭角；

步骤三：先计算步骤二中轴系扭转振动的固有频率计算值与步骤一中轴系扭转振动的固有频率实验值的相对误差，再计算相对误差的2-范数，并根据相对误差的2-范数构造弹性联轴器扭转刚度修正函数；

步骤四：比较当前迭代循环步中相对误差的2-范数与上一次迭代循环步中相对误差的2-范数；

如果当前迭代循环步中相对误差的2-范数小于上一次迭代循环步中相对误差的2-范数，则执行步骤五；

否则先判断动态修正因子是否达到设定下限：若动态修正因子达到设定下限，则输出工作状态下弹性联轴器的动态扭转刚度；若动态修正因子未达到设定下限，则利用步骤三中的弹性联轴器扭转刚度修正函数修正弹性联轴器扭转刚度，再转入步骤二，得到新的轴系扭转振动的固有频率计算值；

步骤五：将当前迭代循环下相对误差的2-范数与预设误差限进行比较；

如果当前迭代循环下相对误差的2-范数小于等于预设误差限，则迭代循环结束，输出工作状态下弹性联轴器的动态扭转刚度；

如果大于预设误差限，则先判断动态修正因子是否达到设定下限：若动态修正因子达到设定下限，则输出工作状态下弹性联轴器的动态扭转刚度；若动态修正因子未达到设定下限，否则根据步骤三中的弹性联轴器扭转刚度修正函数修正弹性联轴器扭转刚度，再转入步骤二进行迭代循环。

本发明还可以包括：

1.所述弹性联轴器扭转刚度修正函数的表达式为：

式中，k_n为当前循环的弹性联轴器扭转刚度；k_n-1为上一次循环迭代时的弹性联轴器扭转刚度；t为动态修正因子，其表达式为j为修正次数；Er为第一阶固有频率的计算值与实验值的相对误差。

2.所述相对误差的2-范数的表达式为：

式中，||ε||₂为相对误差的2-范数；f_i ^c为第i阶固有频率计算值；f_i ^m为第i阶固有频率实验值。

本发明具有如下有益效果：

1、弹性联轴器工作状态下的动态扭转刚度是通过轴系扭转振动固有特性的在线测量与修正得到的，可以在弹性联轴器不拆卸的条件下进行识别，方法操作简便，易于实施。轴系扭转振动固有特性可以在动力装置运行时在线测量，因此弹性联轴器的动态扭转刚度的识别不需要设计专门的实验测试台架，具有广泛的工程推广价值。

2、根据前三阶固有频率计算值与测试值的相对误差构造的弹性联轴器扭转刚度修正函数，可保证弹性联轴器动态扭转刚度的快速精确识别。

3、通过设置预设值、动态修正因子下限，有效避免过度修正和过度循环迭代。

附图说明

图1为轴系扭转振动固有特性测试系统原理示意图；

图2为柴油机传动轴系集中参数简化模型示意图；

图3为实际工作状态下的弹性联轴器动态扭转刚度识别流程图。

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、图2和图3所示，将本发明应用在以柴油机为原动机、以螺旋桨为功率接收机的动力装置轴系上，进行工作状态下的弹性联轴器动态扭转刚度的识别，其具体流程为：

步骤一：将磁电传感器径向安装在柴油机的飞轮齿盘处，传感器探头正对齿顶并指向飞轮的中心。在柴油机工作转速范围通过升降速法采集轴系扭转振动信号，也可以通过稳态测试法采集轴系扭转振动信号，将采集到的轴系扭转振动的时域振动信号经傅里叶变换得到轴系扭转振动的幅频特性曲线，再利用谐次分析法得到轴系扭转振动固有频率，优选前三阶固有频率，即有f_i ^m(i＝1,2,3)。

步骤二：根据振动特性不变原则建立柴油机动力装置轴系扭转振动的集中参数简化模型，主要包括扭振减振器、8缸柴油机、曲轴齿轮、飞轮、弹性联轴器和螺旋桨轴，共15个集中惯量和14个弹性轴段。实际工作状态下整个动力轴系中，除弹性联轴器的扭转刚度可能发生较大变化外，其它轴系参数不会与其对应的理论设计值发生明显偏差。因此，本发明假定除弹性联轴器的扭转刚度外，其它轴系参数均为设计值且已知，其它轴系参数的设计值可查阅该动力装置轴系的设计手册或其扭振计算书得到。将弹性联轴器扭转刚度的初始值同其它轴系参数的精确值一同带入扭转振动自由振动分析模型的方程中，计算轴系的固有频率f_i ^c，自由振动方程为：

式中，[J]为轴系的等效转动惯量矩阵，[K]为轴系的等效刚度矩阵，为等效惯量对应的扭角。

步骤三：先计算由扭转振动自由振动分析模型计算得到的前三阶固有频率与实验测试得到的前三阶固有频率的相对误差，再计算前三阶固有频率相对误差的2-范数||ε||₂。然后根据前三阶固有频率相对误差的2-范数||ε||₂，以及第一阶固有频率的计算值与测试值的相对误差Er，构造弹性联轴器动态扭转刚度修正函数。其中，所述的前三阶固有频率计算值与测试值相对误差的2-范数表达式为：

式中，||ε||₂为前三阶固有频率计算值与测试值的相对误差的2-范数；f_i ^c为第i阶固有频率的计算值；f_i ^m为第i阶固有频率的测试值。

所述步骤三中弹性联轴器动态扭转刚度修正函数为：

式中，k_n为当前循环迭代修正得到的弹性联轴器扭转刚度；k_n-1为上次循环迭代时的弹性联轴器扭转刚度；t为弹性联轴器的扭转刚度修正函数的动态修正因子，取值依据为其中j为步骤四的迭代次数，且满足0＜ε_t≤t≤1，其中ε_t为动态修正因子t的设定下限；为第一阶固有频率的计算值与测试值的相对误差。

步骤四：比较当前迭代循环步的前三阶固有频率计算值与测试值相对误差的2-范数与上次迭代循环时的前三阶固有频率相对误差的2-范数。若当前迭代循环步的前三阶固有频率相对误差的2-范数小于上次迭代循环时的前三阶固有频率相对误差的2-范数，则执行步骤五；

如果当前迭代循环步的前三阶固有频率相对误差的2-范数大于等于上次迭代循环时的前三阶固有频率相对误差的2-范数，则先判断动态修正因子是否达到设定下限：若动态修正因子t达到设定下限ε_t，则终止整个循环，输出工作状态下弹性联轴器的动态扭转刚度，该具体实施方式中取ε_t＝2^-10。若动态修正因子未达到设定下限，则执行优化弹性联轴器扭转刚度修正函数环节，进入优化扭转刚度修正函数的循环，迭代调整弹性联轴器扭转刚度修正函数的动态修正因子t。，动态修正因子的下界可根据具体问题适当调整。其中，所述的动态修正因子t调整时所用的具体公式为：

式中，j为修正次数

步骤五：将当前迭代循环下的前三阶固有频率计算值与测试值的相对误差的2-范数||ε||₂与预设误差限η_ε进行比较，该具体实施方式中取η_ε＝1％。预设误差限可以根据实际精度要求适当调整，若满足则循环结束，输出当前循环下的弹性联轴器的扭转刚度，即为工作状态下弹性联轴器的动态扭转刚度若大于预设误差限，则根据步骤三中构造的弹性联轴器扭转刚度修正函数修正刚度值，进行迭代循环，直至前三阶固有频率计算值与测试值相对误差的2-范数||ε||₂小于预设误差限η_ε＝1％；特别地，在修正弹性联轴器扭转刚度进行迭代循环时，若动态修正因子t达到设定下限ε_t＝2^-10，则终止整个循环，输出工作状态下弹性联轴器的动态扭转刚度

弹性联轴器在长期使用过程中，由于受到高温、老化、交变扭矩持续作用等影响后，弹性元件的材料属性易发生变化，导致其扭转刚度难以确定。考虑到弹性联轴器实际动态扭转刚度可能较理论设计值有较大的偏差，因此假定弹性联轴器取不同的初始扭转刚度，然后用本发明所提出的基于轴系扭转振动固有特性测量与修正的弹性联轴器动态扭转刚度在线识别技术方案，识别弹性联轴器的动态扭转刚度，并将在线识别结果与在弹性联轴器动态特性测试台架上测得的动态扭转刚度结果进行对比，结果如表1所示。

表1本发明识别结果与台架测试结果对比列表

弹性联轴器动态特性测试台架，虽然工程适用性具有一定的局限性，但是所识别的弹性联轴器动态扭转刚度的精度较高，因此，可将本发明所提出的弹性联轴器动态扭转刚度在线识别方法识别得到的结果与之对比，以验证本发明的识别精度。

对比表1中数据，由第二列、第四列和最后一列数据可知，本发明提出的弹性联轴器动态扭转刚度在线识别方法具有很强的适用性，即使输入的弹性联轴器的初始扭转刚度与真实刚度值偏差很大，本发明也能准确地识别出弹性联轴器动态扭转刚度；由第二列和第三列数据可知，本发明提出的弹性联轴器动态扭转刚度在线识别方法具有迭代收敛快的特点，可实现正常工作状态下弹性联轴器动态扭转刚度的快速识别。

案例分析说明，本发明提出的基于轴系扭转振动固有特性测量与修正的弹性联轴器动态扭转刚度在线识别方法具有初始刚度值适应性强、识别精度高、迭代收敛快、方法操作简便、易于实施、工程推广性强的优点。

Claims (3)

1.一种弹性联轴器动态扭转刚度在线识别方法，其特征在于，包括如下步骤，

步骤一：柴油机开始工作，采集轴系扭转振动信号，进行傅里叶变换得到幅频曲线，然后通过谐次分析法，得到轴系扭转振动的固有频率实验值；

所述的轴系扭转振动信号由磁电传感器通过升降速法采集得到；

步骤二：根据振动特性不变原则建立轴系扭转振动的自由振动分析模型，将弹性联轴器扭转刚度以及原动机轴段、传动轴系和功率接收机的集中惯量参数精确值，代入扭转振动自由振动分析模型，得到轴系扭转振动的固有频率计算值；

所述轴系扭转振动自由振动分析模型为集中参数扭转振动模型，其表达式为：

式中，[J]为轴系的等效转动惯量矩阵，[K]为轴系的等效刚度矩阵，为等效惯量对应的扭角；

步骤三：先计算步骤二中轴系扭转振动的固有频率计算值与步骤一中轴系扭转振动的固有频率实验值的相对误差，再计算相对误差的2-范数，并根据相对误差的2-范数构造弹性联轴器扭转刚度修正函数；

步骤四：比较当前迭代循环步中相对误差的2-范数与上一次迭代循环步中相对误差的2-范数；

如果当前迭代循环步中相对误差的2-范数小于上一次迭代循环步中相对误差的2-范数，则执行步骤五；

否则先判断动态修正因子是否达到设定下限：若动态修正因子达到设定下限，则输出工作状态下弹性联轴器的动态扭转刚度；若动态修正因子未达到设定下限，则利用步骤三中的弹性联轴器扭转刚度修正函数修正弹性联轴器扭转刚度，再转入步骤二，得到新的轴系扭转振动的固有频率计算值；

步骤五：将当前迭代循环下相对误差的2-范数与预设误差限进行比较；

如果当前迭代循环下相对误差的2-范数小于等于预设误差限，则循环结束，输出工作状态下弹性联轴器的动态扭转刚度；

如果大于预设误差限，则先判断动态修正因子是否达到设定下限：若动态修正因子达到设定下限，则输出工作状态下弹性联轴器的动态扭转刚度；若动态修正因子未达到设定下限，否则根据步骤三中的弹性联轴器扭转刚度修正函数修正弹性联轴器扭转刚度，再转入步骤二进行迭代循环。

2.如权利要求1所述的一种弹性联轴器动态扭转刚度在线识别方法，其特征在于，所述弹性联轴器扭转刚度修正函数的表达式为：

式中，k_n为当前循环的弹性联轴器扭转刚度；k_n-1为上一次循环迭代时的弹性联轴器扭转刚度；t为动态修正因子，其表达式为j为修正次数；Er为第一阶固有频率的计算值与实验值的相对误差。

3.如权利要求1或2所述的一种弹性联轴器动态扭转刚度在线识别方法，其特征在于，所述相对误差的2-范数的表达式为：

式中，||ε||₂为相对误差的2-范数；f_i ^c为第i阶固有频率计算值；f_i ^m为第i阶固有频率实验值。