CN111044240B - 一种压缩机基础支撑刚度的确定系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种压缩机基础支撑刚度的确定系统及方法，利用多自由度粘性阻尼系统的传递函数，得到压缩机支撑组件的频响函数，然后对频响函数的参数进行调整，使得到的目标动刚度曲线低频区间单调递减且平滑连续，并在预设的频率区间内与实测动刚度曲线的误差在预设的范围内，根据目标动刚度曲线就可以得到全频区间内的动刚度及静刚度，能准确反应压缩机支撑组件的支撑状态。
Description
技术领域
本发明涉及机械测量领域，特别涉及一种压缩机基础支撑刚度的确定系统及方法。
背景技术
动刚度是指在动态条件下力的变化与位移的变化之比。而由于基础支撑系统往往比较复杂，建模比较困难，所以在针对某一部件的振动特性进行研究时，可以通过使用支承动刚度来代替基础支撑系统，这样，不仅使模型真实可信，而且大大提高了计算的效率。
压缩机的基础支撑系统为轴承以外的所有支撑部件，其中包括轴承箱、压缩机机壳以及基础等，结构复杂，仿真建模很难进行，并且，仿真分析不能反映出系统的真实支撑状态。因此常常采用测试的方法来得到基础支撑的动刚度。比较常用的测试方法有激振法和敲击法。相比于激振法，锤击法设备更简便，更利于弹性基础的动态测试。传统的锤击测试方法只能得到目标一阶固有频率之后的动刚度曲线，对0到目标一阶固有频率这一低频段曲线数据是失真的。对于压缩机来说，由于其基础支撑系统的固有频率往往比较高，压缩机运行转速区间通常会落在低频区。因此只采用测试方法无法得到低频区的动刚度及静刚度。
发明内容
本发明的目的在于提供一种压缩机基础支撑刚度的确定系统及方法，在简便高效地得到系统动刚度的同时，解决利用传统的测试方法无法得到低频区的动刚度和静刚度的问题。
第一方面，根据本发明的实施例，提供了一种压缩机基础支撑刚度的确定系统，所述系统包括压缩机支撑组件、刚度检测装置和处理器，所述刚度检测装置包括安装有力传感器的力锤、加速度传感器和测量仪，所述加速度传感器安装在所述压缩机支撑组件上，所述测量仪分别于所述力传感器和加速度传感器连接，所述力锤的敲击方向与加速度传感器的安装方向相同；
所述测量仪用于获取所述加速度传感器测量的加速度值以及所述力传感器测量的激振力值并进行数据处理；将所述加速度值进行二次积分得到位移值；对所述位移值和激振力值进行频响函数分析，得到支撑组件的实测动刚度曲线；
所述处理器用于利用多自由度粘性阻尼系统的传递函数，得到所述支撑组件的频响函数；对所述频响函数的参数进行调整，得到目标动刚度曲线，所述目标动刚度曲线在低频区间单调递减且平滑连续，并在预设的频率区间内与实测动刚度曲线的误差在预设的范围内，所述预设的频率区间为包含目标一阶固有频率且至少包含部分低频区间之外其他频率的频率区间；所述低频区间为0到目标一阶固有频率的频率区间；根据所述目标动刚度曲线，得到所述支撑组件的动刚度表达式和静刚度值。
具体地，所述多自由度粘性阻尼系统的传递函数为
其中，s为复变量；ai、bk为预设系数且为有理数，i＝1、2、3……n，k＝1、2、3……m；m和n为阶次，m≥n且m和n为正整数。
具体地，所述频响函数为
其中，ω为振动频率；j为虚数单位，
ai、bk为预设系数且为有理数，i＝1、2、3……n，k＝1、2、3……m-1；m和n为阶次，m≥n且m为所述预设的频率区间中固有频率总数的2倍，所述预设的频率区间为包含目标一阶固有频率且至少包含部分低频区间之外其他频率的频率区间。
具体地，所述目标动刚度曲线在低频区间满足单调递减且平滑连续的条件为H′<0，其中，H′为所述频响函数在低频区间内的一阶导数。
第二方面，根据本发明的实施例，提供了一种压缩机基础支撑刚度的确定方法，包括：
获取由刚度检测装置得到的实测动刚度曲线；
利用多自由度粘性阻尼系统的传递函数，得到支撑组件的频响函数；
对所述频响函数的参数进行调整，得到目标动刚度曲线，所述目标动刚度曲线在低频区间单调递减且平滑连续，并在预设的频率区间内与实测动刚度曲线的误差在预设的范围内，所述预设的频率区间为包含目标一阶固有频率且至少包含部分低频区间之外其他频率的频率区间；所述低频区间为0到目标一阶固有频率的频率区间；
根据所述目标动刚度曲线，得到支撑组件的刚度。
具体地，所述多自由度粘性阻尼系统的传递函数为
其中，s为复变量；ai、bk为预设系数且为有理数，i＝1、2、3……n，k＝1、2、3……m；m和n为阶次，m≥n且m和n为正整数。
具体地，所述频响函数为
其中，ω为振动频率；j为虚数单位，
ai、bk为预设系数且为有理数，i＝1、2、3……n，k＝1、2、3……m-1；m和n为阶次，m≥n且m为所述预设的频率区间中固有频率总数的2倍，所述预设的频率区间为包含目标一阶固有频率且至少包含部分低频区间之外其他频率的频率区间。
具体地，所述目标动刚度曲线在低频区间满足单调递减且平滑连续的条件为H′<0，其中，H′为所述频响函数在低频区间内的一阶导数。
本发明实施例提供了一种压缩机基础支撑刚度的确定系统及方法，利用多自由度粘性阻尼系统的传递函数，得到压缩机支撑组件的频响函数，然后对频响函数的参数进行调整，使得到的目标动刚度曲线目标动刚度曲线低频区间单调递减且平滑连续，并在预设的频率区间内与实测动刚度曲线的误差在预设的范围内，根据目标动刚度曲线就可以得到全频区间内的动刚度及静刚度，能准确反应压缩机支撑组件的支撑状态。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为支撑组件的结构图；
图2为本发明一实施例中的动刚度曲线图；
图3(a)为本发明另一实施例中的驱动端轴承区竖直方向的动刚度曲线；
图3(b)为本发明另一实施例中的驱动端轴承区水平方向的动刚度曲线；
图3(c)为本发明另一实施例中的非驱动端轴承区竖直方向的动刚度曲线；
图3(d)为本发明另一实施例中的非驱动端轴承区水平方向的动刚度曲线；
图3(e)为本发明另一实施例中的支腿竖直方向的动刚度曲线；
图3(f)为本发明另一实施例中的支腿水平方向的动刚度曲线；
图4为本发明提供的一种压缩机基础支撑刚度的确定方法的流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
第一方面，根据本发明的实施例，如图1所示，提供了一种压缩机基础支撑刚度的确定系统，系统包括压缩机支撑组件、刚度检测装置和处理器，刚度检测装置包括安装有力传感器的力锤、加速度传感器和测量仪，加速度传感器安装在压缩机支撑组件上，测量仪分别于力传感器和加速度传感器连接，力锤的敲击方向与加速度传感器的安装方向相同；
测量仪用于获取加速度传感器测量的加速度值以及力传感器测量的激振力值并进行数据处理；将加速度值进行二次积分得到位移值；对位移值和激振力值进行频响函数分析，得到支撑组件的实测动刚度曲线；
处理器用于利用多自由度粘性阻尼系统的传递函数，得到支撑组件的频响函数；对频响函数的参数进行调整，得到目标动刚度曲线，目标动刚度曲线在低频区间单调递减且平滑连续，并在预设的频率区间内与实测动刚度曲线的误差在预设的范围内，预设的频率区间为包含目标一阶固有频率且至少包含部分低频区间之外的其他频率区间的频率区间；低频区间为0到目标一阶固有频率的频率区间；根据目标动刚度曲线，得到支撑组件的动刚度表达式和静刚度值。
由于如图2所示，实测动刚度曲线，在低频区间，即0至目标一阶固有频率之间的刚度数据为失真状态，也无法得到准确的静刚度，但是实测动刚度曲线低频区间之外其他的频率区间是准确的，因此，将目标刚度曲线在预设频率区间至少部分是准确的，将目标动刚度曲线在该预设区间与实测动刚度曲线进行对比，在误差范围内，且保证目标动刚度曲线在低频区间单调递减且平滑连续，则可确定目标动刚度曲线是准确的。而利用本实施例获得的曲线在低频区间内与有限元法(FEM)得到的曲线近似，说明本实施例获得的曲线准确，从而能准确获得全频区间内的动刚度及静刚度，能准确反应压缩机支撑组件的支撑状态。有限元分法(FEM)仿真得到的动刚度曲线仅能反应刚度的变化趋势，无法准确得到准确的刚度数据，因此，利用有限元法(FEM)仿真得到的动刚度曲线仅能作为参考，来对本实施例的目标动刚度曲线进行验证。
进一步地，由图3(a)-图3(f)可以看出，应用于壳体的驱动端轴承区、非驱动轴承区以及支腿的水平和竖直方向的动刚度的确定，本实施例的刚度确定结果准确。
其中，低频区间为0至目标一阶固有频率之间的区间。如图1所示，压缩机支撑组件包括轴承壳体以及与轴承壳体连接的支腿3，对刚度的测试点可在壳体的驱动端轴承区1、非驱动轴承区2以及支腿3上，可对其水平方向和竖直方向进行测试。测量仪内安装有DASP软件，利用DASP软件可进行测量值的频响函数分析，得到支撑组件的动刚度曲线。
本发明实施例提供了一种压缩机基础支撑刚度的确定系统，利用多自由度粘性阻尼系统的传递函数，得到压缩机支撑组件的频响函数，然后对频响函数的参数进行调整，使得到的目标动刚度曲线目标动刚度曲线低频区间单调递减且平滑连续，并在预设的频率区间内与实测动刚度曲线的误差在预设的范围内，根据目标动刚度曲线就可以得到全频区间内的动刚度及静刚度，能准确反应压缩机支撑组件的支撑状态。
在上述实施例中，多自由度粘性阻尼系统的传递函数为
其中，s为复变量；ai、bk为预设系数且为有理数，i＝1、2、3……n，k＝1、2、3……m；m和n为阶次，m≥n且m和n为正整数。
将令jω＝s，bm＝1，可得到频响函数。具体地，频响函数为
其中，ω为振动频率；j为虚数单位，
ai、bk为预设系数且为有理数，i＝1、2、3……n，k＝1、2、3……m-1；m和n为阶次，m≥n且m为所述预设的频率区间中固有频率总数的2倍，所述预设的频率区间为包含目标一阶固有频率且至少包含部分低频区间之外其他频率的频率区间。
其中，根据相干性识别各阶固有频率并统计在预设的频率区间内固有频率的总数，根据固有频率的总数可以确定m的值，然后在1至m的区间内调整n的值，使频响函数得到的目标动刚度曲线满足在低频区间单调递减且平滑连续，并在预设的频率区间内与实测动刚度曲线的误差在预设的范围内。例如，目标一阶固有频率为46Hz，预设的频率区间为[40,100]Hz，由于在预设的频率区间内只有1个固有频率，因此，m＝2，n＝1。参见图2，由目标刚度曲线得到的静刚度为5.83e4N/m，数值仿真结果为6.9e4N/m，而原始测试数据是根本得不到结构静刚度的，因此证明本实施例的方法有效，且得到的刚度数据准确。
在上述实施例中，目标动刚度曲线在低频区间满足单调递减且平滑连续的条件为H′<0，其中，H′为频响函数在低频区间内的一阶导数。
第二方面，如图4所示，根据本发明的实施例，提供了一种压缩机基础支撑刚度的确定方法，包括：
步骤41：获取由刚度检测装置得到的实测动刚度曲线。
该步骤可采用上述实施例中的系统测量得到，不再赘述。
步骤42：利用多自由度粘性阻尼系统的传递函数，得到支撑组件的频响函数。
多自由度粘性阻尼系统的传递函数为
其中，s为复变量；ai、bk为预设系数且为有理数，i＝1、2、3……n，k＝1、2、3……m；m和n为阶次，m≥n且m和n为正整数。
将令jω＝s，bm＝1，可得到频响函数。具体地，频响函数为
其中，ω为振动频率；j为虚数单位，
ai、bk为预设系数且为有理数，i＝1、2、3……n，k＝1、2、3……m-1；m和n为阶次，m≥n且m为所述预设的频率区间中固有频率总数的2倍，所述预设的频率区间为包含目标一阶固有频率且至少包含部分低频区间之外其他频率的频率区间。其中，低频区间为0至目标一阶固有频率之间的区间。
步骤43：对频响函数的参数进行调整，得到目标动刚度曲线，目标动刚度曲线在低频区间单调递减且平滑连续，并在预设的频率区间内与实测动刚度曲线的误差在预设的范围内，预设的频率区间为包含目标一阶固有频率且至少包含部分低频区间之外的其他频率区间的频率区间。其中，低频区间为0至目标一阶固有频率之间的区间。
具体地，根据相干性识别各阶固有频率并统计在预设的频率区间内固有频率的总数，根据固有频率的总数可以确定m的值，然后在1至m的区间内调整n的值，使由频响函数得到的目标动刚度曲线满足在低频区间单调递减且平滑连续，并在预设的频率区间内与实测动刚度曲线的误差在预设的范围内。例如，目标一阶固有频率为46Hz，预设的频率区间为[40,100]Hz，由于在预设的频率区间内只有1个固有频率，因此，m＝2，n＝1。参见图2，由目标刚度曲线得到的静刚度为5.83e4N/m，数值仿真结果为6.9e4N/m，而原始测试数据是根本得不到结构静刚度的，因此证明本实施例的方法有效，且得到的刚度数据准确。目标动刚度曲线在低频区间满足单调递减且平滑连续的条件为H′<0，其中，H′为频响函数在低频区间内的一阶导数。
步骤44：根据目标动刚度曲线，得到支撑组件的刚度。
由于如图2所示，实测动刚度曲线，在低频区间，即0至目标一阶固有频率之间的刚度数据为失真状态，也无法得到准确的静刚度，而实测动刚度曲线低频区间之外其他的频率区间是准确的，因此，将目标刚度曲线在预设频率区间至少部分是准确的，将目标动刚度曲线在该预设区间与实测动刚度曲线进行对比，在误差范围内，且保证目标动刚度曲线在低频区间单调递减且平滑连续，则可确定目标动刚度曲线是准确的。而利用本实施例获得的曲线在低频区间内与有限元法(FEM)到的曲线近似，说明本实施例获得的曲线准确，从而能准确获得全频区间内的动刚度及静刚度，能准确反应压缩机支撑组件的支撑状态。有限元法(FEM)仿真得到的动刚度曲线仅能反应刚度的变化趋势，无法准确得到准确的刚度数据，因此，利用有限元法(FEM)仿真得到的动刚度曲线仅能作为参考，来对本实施例的目标动刚度曲线进行验证。
进一步地，由图3(a)-图3(f)可以看出，应用于壳体的驱动端轴承区、非驱动轴承区以及支腿的水平和竖直方向的动刚度的确定，本实施例的刚度确定结果准确。
本发明实施例提供了一种压缩机基础支撑刚度的确定方法，利用多自由度粘性阻尼系统的传递函数，得到压缩机支撑组件的频响函数，然后对频响函数的参数进行调整，使得到的目标动刚度曲线目标动刚度曲线低频区间单调递减且平滑连续，并在预设的频率区间内与实测动刚度曲线的误差在预设的范围内，根据目标动刚度曲线就可以得到全频区间内的动刚度及静刚度，能准确反应压缩机支撑组件的支撑状态。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由下面的权利要求指出。
应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。
Claims (8)
1.一种压缩机基础支撑刚度的确定系统，其特征在于，所述系统包括压缩机支撑组件、刚度检测装置和处理器，所述刚度检测装置包括安装有力传感器的力锤、加速度传感器和测量仪，所述加速度传感器安装在所述压缩机支撑组件上，所述测量仪分别于所述力传感器和加速度传感器连接，所述力锤的敲击方向与加速度传感器的安装方向相同；
所述测量仪用于获取所述加速度传感器测量的加速度值以及所述力传感器测量的激振力值并进行数据处理；将所述加速度值进行二次积分得到位移值；对所述位移值和激振力值进行频响函数分析，得到支撑组件的实测动刚度曲线；
所述处理器用于利用多自由度粘性阻尼系统的传递函数，得到所述支撑组件的频响函数；对所述频响函数的参数进行调整，得到目标动刚度曲线，所述目标动刚度曲线在低频区间单调递减且平滑连续，并在预设的频率区间内与实测动刚度曲线的误差在预设的范围内，预设的频率区间为包含目标一阶固有频率且至少包含部分低频区间之外其他频率的频率区间；所述低频区间为0到目标一阶固有频率的频率区间；根据所述目标动刚度曲线，得到所述支撑组件的动刚度表达式和静刚度值。
2.根据权利要求1所述的压缩机基础支撑刚度的确定系统，其特征在于，所述多自由度粘性阻尼系统的传递函数为
其中，s为复变量；ai、bk为预设系数且为有理数，i＝1、2、3……n，k＝1、2、3……m；m和n为阶次，m≥n且m和n为正整数。
3.根据权利要求1所述的压缩机基础支撑刚度的确定系统 ，其特征在于，所述频响函数为
其中，ω为振动频率；j为虚数单位，
ai、bk为预设系数且为有理数，i＝1、2、3……n，k＝1、2、3……m-1；m和n为阶次，m≥n且m为所述预设的频率区间中固有频率总数的2倍，所述预设的频率区间为包含目标一阶固有频率且至少包含部分低频区间之外的其他频率的频率区间。
4.根据权利要求3所述的压缩机基础支撑刚度的确定系统，其特征在于，所述目标动刚度曲线在低频区间满足单调递减且平滑连续的条件为H′<0，其中，H′为所述频响函数在低频区间内的一阶导数。
5.一种压缩机基础支撑刚度的确定方法，其特征在于，包括：
获取由刚度检测装置得到的实测动刚度曲线；
利用多自由度粘性阻尼系统的传递函数，得到支撑组件的频响函数；
对所述频响函数的参数进行调整，得到目标动刚度曲线，所述目标动刚度曲线在低频区间单调递减且平滑连续，并在预设的频率区间内与实测动刚度曲线的误差在预设的范围内，所述预设的频率区间为包含目标一阶固有频率且至少包含部分低频区间之外其他频率的频率区间，所述低频区间为0到目标一阶固有频率的频率区间；
根据所述目标动刚度曲线，得到支撑组件的动刚度表达式和静刚度值。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述多自由度粘性阻尼系统的传递函数为
其中，s为复变量；ai、bk为预设系数且为有理数，i＝1、2、3……n，k＝1、2、3……m；m和n为阶次，m≥n且m和n为正整数。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述频响函数为
其中，ω为振动频率；j为虚数单位，
ai、bk为预设系数且为有理数，i＝1、2、3……n，k＝1、2、3……m-1；m和n为阶次，m≥n且m为所述预设的频率区间中固有频率总数的2倍，所述预设的频率区间为包含目标一阶固有频率且至少包含部分低频区间之外其他频率的频率区间。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述目标动刚度曲线在低频区间满足单调递减且平滑连续的条件为H′<0，其中，H′为所述频响函数在低频区间内的一阶导数。
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