CN110044625B - 一种飞轮轴承动刚度的测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种飞轮轴承动刚度的测量方法，其特征在于，将待测飞轮安装在微振动测试平台上，驱动飞轮至最大转速后进行惯性停车，通过采集系统获取整个运行状态下的三向扰动力信号；对采集的时域信号进行快速傅里叶变换，并绘制出飞轮三向转速频谱图，通过幅值大小提取转子径向平移频率和轴向平移频率；在x、z向转速频谱图上分别提取与径向、轴向平移模态共振放大的高次谐波振幅数据，根据幅值函数对数据拟合得出径向阻尼系数和轴向阻尼系数；计算得出飞轮轴承的径向动刚度和轴向动刚度。本发明采用间接测量能避免对结构的拆装与破坏，具有计算简单、非侵入性、结果实时性与可视化的有益效果。

Description

一种飞轮轴承动刚度的测量方法
技术领域
本发明涉及一种飞轮轴承动刚度的测量方法，属于工程测量计算技术领域。
背景技术
旋转机械是现代工业中应用最为广泛的设备之一，其状态监测、故障诊断已成为系统设计与维护中最为关键的部分。作为典型的旋转机械，飞轮由运动转子、支撑轴承及保护罩等组成，主要用于航天器的姿态控制。在对卫星进行颤振特性研究时，往往需要获取飞轮的相关特征参数。
通常情况下，飞轮的轴承刚度由轴承生产商提供，普遍的测量方法是根据求解力的变换量与相应位移的变化量建立刚度测量模型。这种测量值一般在装配前测得，对于实际运转过程中的飞轮存在一定误差，不具备时效性。在对一体式结构的飞轮轴承动刚度进行实时测量时，往往需要将轴承从原结构中拆离，安装在特定的设备上进行测量。这种方法不仅对测量设备精度要求较高，同时会破坏结构固有装配特性，且耗时费力。
为实施有效的动态测量，采取一种间接方法对飞轮轴承动刚度进行测量。由于实际加工误差，飞轮转子自身存在着一定不平衡量，在飞轮运转时会与轴承瑕疵作用产生一系列的谐波振动。谐波通过内部结构模态放大，会对飞轮的正常运行和星上有效载荷造成不良后果。虽然飞轮的微振动百弊丛生，但对结构内部的故障识别与特征提取却具有极其重要的意义，其中就包括对飞轮轴承动刚度的测量。
发明内容
本发明所要解决的问题是：现有测量飞轮轴承动刚度的方法必须拆卸飞轮结构，易对原有装配特性造成破坏，且需要特定高精度测量设备，产生不必要的人力物力浪费，无法实时监测的问题。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种飞轮轴承动刚度的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1)：将待测飞轮安装在微振动测试平台上，驱动飞轮至最大转速后进行惯性停车，通过采集系统获取整个运行状态下的三向扰动力信号；
步骤2)：对采集的时域信号进行快速傅里叶变换，并绘制出飞轮三向转速频谱图，通过幅值大小提取转子径向平移频率fr和轴向平移频率fa；
步骤3)：在x、z向转速频谱图上分别提取与径向、轴向平移模态共振放大的高次谐波振幅数据，根据幅值函数对数据拟合得出径向阻尼系数ξr和轴向阻尼系数ξa；
步骤4)：通过式1和式2计算得出飞轮轴承的径向动刚度kr和轴向动刚度ka：
Figure BDA0002047085850000021
Figure BDA0002047085850000022
其中，fr为径向平移频率，m为飞轮转子质量，ξr为径向阻尼系数，fa为轴向平移频率，ξa为轴向阻尼系数。
优选地，所述步骤1)中微振动测试设备包括用于固定待测飞轮的转接工装，转接工装固定于测力平台上，测力平台上设有四个三轴压电式测力传感器，用于对飞轮三向扰动力进行测量，三轴压电式测力传感器与电荷放大器连接，电荷放大器通过数据采集系统连接计算机，数据采集系统与计算机连接，电荷放大器将输出的电荷转换为成比例的电压信号，数据采集系统用于信号的数字转换与传输，计算机用于对采集信号进行处理与计算。
优选地，所述步骤4)中式1和式2的构建过程如下：
将飞轮的轴承等效为弹簧-阻尼系统，其三自由度振动下的加速度、速度、位移分别为a、v、u，系统的质量、阻尼和刚度矩阵分别为M、C、K，所受激励力为F，通过拉格朗日建立系统动力方程，得到式3：
Ma+Cv+Ku＝F 式3；
求解系统动力方程得到飞轮径向平移频率fr和轴向平移频率fa：
Figure BDA0002047085850000023
Figure BDA0002047085850000031
对测算式4和式5变换得到：
Figure BDA0002047085850000032
Figure BDA0002047085850000033
优选地，所述步骤3)中的径向阻尼系数ξr和轴向阻尼系数ξa构建过程如下：
步骤3.1)：由单自由度质量-弹簧-阻尼模型得到系统的径向的振幅放大系数βr和轴向的振幅放大系数βa分别为：
Figure BDA0002047085850000034
Figure BDA0002047085850000035
其中，Ω为飞轮转速，Ωr为谐波与径向平移模态发生共振转速，Ωa为谐波与轴向平移模态发生共振转速；
步骤3.2)：提取与径向和轴向平移模态发生共振的hi阶次谐波，根据飞轮的微振动模型得到径向振幅函数Ar(Ω)和轴向振幅函数Aa(Ω)分别为：
Ar(Ω)＝CrΩ2βr 式8；
Aa(Ω)＝CaΩ2βa 式9；
其中，Cr为径向谐波振幅系数，Ca为轴向谐波振幅系数；
步骤3.3)：通过径向和轴向振幅函数对提取到的谐波振幅数据进行拟合，得到飞轮轴承的径向阻尼系数ξr和轴向阻尼系数ξa。
本发明采用动态响应反推法，避免对结构的拆装与破坏，省去大量的测量时间与人力成本，在测量计算时由计算机处理显示，能对实际工况下的轴承动刚度进行实时和无损测量，对于飞轮微振动的特性研究、轴承的状态监测与故障诊断具有重大价值。
附图说明
图1为本发明提供的飞轮轴承动刚度的测量方法的流程图；
图2为本发明中飞轮微振动的测量设备。
具体实施方式
为使本发明更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下。
实施例
一种飞轮轴承动刚度的测量方法，如图1所示，包括以下步骤：
步骤1)：将待测飞轮安装在微振动测试平台上，驱动飞轮至最大转速后进行惯性停车，通过采集系统获取整个运行状态下的三向扰动力信号；
步骤2)：对采集的时域信号进行快速傅里叶变换，并绘制出飞轮三向转速频谱图，通过幅值大小提取转子径向平移频率fr＝400Hz和轴向平移频率fa＝232Hz；
步骤3)：在x(径向)、z(轴向)向转速频谱图上分别提取与径向、轴向平移模态共振放大的高次谐波振幅数据，根据幅值函数对数据拟合得出径向阻尼系数ξr＝0.040和轴向阻尼系数ξa＝0.032；
步骤4)：通过式1和式2计算得出飞轮轴承的径向动刚度kr和轴向动刚度ka：
Figure BDA0002047085850000041
Figure BDA0002047085850000042
其中，fr为径向平移频率，m为飞轮转子质量，ξr为径向阻尼系数，fa为轴向平移频率，ξa为轴向阻尼系数。
所述步骤1)中微振动测试设备如图2所示，包括用于固定待测飞轮的转接工装1，转接工装1固定于测力平台2上，测力平台2上设有四个三轴压电式测力传感器201，用于对飞轮三向扰动力进行测量，三轴压电式测力传感器201与电荷放大器3连接，电荷放大器3通过数据采集系统4连接计算机5，数据采集系统4与计算机5连接，电荷放大器3将输出的电荷转换为成比例的电压信号，数据采集系统4用于信号的数字转换与传输，计算机5用于对采集信号进行处理与计算。
所述步骤4)中式1和式2的构建过程如下：
将飞轮的轴承等效为弹簧-阻尼系统，其三自由度振动下的加速度、速度、位移分别为a、v、u，系统的质量、阻尼和刚度矩阵分别为M、C、K，所受激励力为F，通过拉格朗日建立系统动力方程，得到式3：
Ma+Cv+Ku＝F 式3；
求解系统动力方程得到飞轮径向平移频率fr和轴向平移频率fa：
Figure BDA0002047085850000051
Figure BDA0002047085850000052
对测算式4和式5变换得到：
Figure BDA0002047085850000053
Figure BDA0002047085850000054
所述步骤3)中的径向阻尼系数ξr和轴向阻尼系数ξa构建过程如下：
步骤3.1)：由单自由度质量-弹簧-阻尼模型得到系统的径向的振幅放大系数βr和轴向的振幅放大系数βa分别为：
Figure BDA0002047085850000055
Figure BDA0002047085850000056
其中，Ω为飞轮转速，Ωr为谐波与径向平移模态发生共振转速，Ωa为谐波与轴向平移模态发生共振转速；
步骤3.2)：提取与径向和轴向平移模态发生共振的hi阶次谐波，根据飞轮的微振动模型得到径向振幅函数Ar(Ω)、轴向振幅函数Aa(Ω)分别为：
Ar(Ω)＝CrΩ2βr 式8；
Aa(Ω)＝CaΩ2βa 式9；
其中，Cr为径向谐波振幅系数，Ca为轴向谐波振幅系数；
步骤3.3)：通过径向和轴向振幅函数对提取到的谐波振幅数据进行拟合，得到飞轮轴承的径向阻尼系数ξr和轴向阻尼系数ξa。

Claims (4)

1.一种飞轮轴承动刚度的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1)：将待测飞轮安装在微振动测试平台上，驱动飞轮至最大转速后进行惯性停车，通过采集系统获取整个运行状态下的三向扰动力信号；
步骤2)：对采集的时域信号进行快速傅里叶变换，并绘制出飞轮三向转速频谱图，通过幅值大小提取转子径向平移频率fr和轴向平移频率fa；
步骤3)：在x、z向转速频谱图上分别提取与径向、轴向平移模态共振放大的高次谐波振幅数据，根据振幅函数对高次谐波振幅数据拟合得出径向阻尼系数ξr和轴向阻尼系数ξa；
步骤4)：通过式1和式2计算得出飞轮轴承的径向动刚度kr和轴向动刚度ka：
Figure FDA0003064798780000011
Figure FDA0003064798780000012
其中，fr为径向平移频率，m为飞轮转子质量，ξr为径向阻尼系数，fa为轴向平移频率，ξa为轴向阻尼系数。
2.如权利要求1所述的飞轮轴承动刚度的测量方法，其特征在于，所述步骤1)中微振动测试平台包括用于固定待测飞轮的转接工装(1)，转接工装(1)固定于测力平台(2)上，测力平台(2)上设有四个三轴压电式测力传感器(201)，用于对飞轮三向扰动力进行测量，三轴压电式测力传感器(201)与电荷放大器(3)连接，电荷放大器(3)通过数据采集系统(4)连接计算机(5)，数据采集系统(4)与计算机(5)连接，电荷放大器(3)将输出的电荷转换为成比例的电压信号，数据采集系统(4)用于信号的数字转换与传输，计算机(5)用于对采集信号进行处理与计算。
3.如权利要求1所述的飞轮轴承动刚度的测量方法，其特征在于，所述步骤4)中式1和式2的构建过程如下：
将飞轮的轴承等效为弹簧-阻尼系统，其三自由度振动下的加速度、速度、位移分别为a、v、u，系统的质量、阻尼和刚度矩阵分别为M、C、K，所受激励力为F，通过拉格朗日建立系统动力方程，得到式3：
Ma+Cv+Ku＝F 式3；
求解系统动力方程得到飞轮径向平移频率fr和轴向平移频率fa：
Figure FDA0003064798780000021
Figure FDA0003064798780000022
对测算式4和式5变换得到：
Figure FDA0003064798780000023
Figure FDA0003064798780000024
4.如权利要求1所述的飞轮轴承动刚度的测量方法，其特征在于，所述步骤3)中的径向阻尼系数ξr和轴向阻尼系数ξa构建过程如下：
步骤3.1)：由单自由度质量-弹簧-阻尼模型得到系统的径向、轴向的振幅放大系数βr和βa分别为：
Figure FDA0003064798780000025
Figure FDA0003064798780000026
其中，Ω为飞轮转速，Ωr为谐波与径向平移模态发生共振转速，Ωa为谐波与轴向平移模态发生共振转速；
步骤3.2)：提取与径向和轴向平移模态发生共振的hi阶次谐波，根据飞轮的微振动模型得到径向、轴向振幅函数Ar(Ω)和Aa(Ω)分别为：
Ar(Ω)＝CrΩ2βr 式8；
Aa(Ω)＝CaΩ2βa 式9；
其中，Cr为径向谐波振幅系数，Ca为轴向谐波振幅系数；
步骤3.3)：通过径向和轴向振幅函数对提取到的谐波振幅数据进行拟合，得到飞轮轴承的径向阻尼系数ξr和轴向阻尼系数ξa。
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