一种轴承-转子系统特性参数的在线测试方法

摘要

一种轴承-转子系统的特性参数在线测试方法，滑动轴承支撑的轴承-转子系统上，安装信号采集系统。调节主轴转速、开启驱动电机和信号采集仪，用电涡流位移传感器实时采集特定位置的振动信号，通过信号采集系统进行存储，采用有限元方法建立该轴承-转子系统的模型，通过机械动力学建模和遗传算法相结合的轴承-转子系统特性参数寻优方法，使仿真模型得到的理论振动状态与实际测量值最为接近，用以实现该轴承-转子系统的滑动轴承刚度、阻尼系数以及转子偏心量等的在线求解。本方法与传统方法相比较，其显著优点是：无需对于轴承-转子系统施加外部激励或者多次起停机，在线测试操作方法简单可靠，具有高效率、高稳定性和高精度的特点。

主权项

一种轴承—转子系统的特性参数在线测试方法，包括以下步骤：步骤一、在滑动轴承支撑的轴承—转子系统上，电涡流传感器互成90°安装，还安装有控制电源、润滑系统和信号采集仪；调节主轴转速，通过润滑系统向滑动轴承供应润滑剂；开启驱动电机带动主轴旋转，润滑介质在轴承和主轴之间形成润滑膜；开启信号采集仪，设置信号采集参数；步骤二、电涡流传感器分别采集滑动轴承处和质量盘处的振动位移信号，通过信号采集仪存储；然后，采用有限元方法建立该轴承—转子系统的模型，在此模型中，轴承的刚度、阻尼、转子的不平衡量按照计算需要进行调整；步骤三、通过机械动力学建模和遗传算法相结合的轴承—转子系统特性参数寻优方法，以刚度、阻尼以及转子的不平衡量作为优化参数，使模型得到的振动状态与实际测量值最为接近，此时由仿真模型获得的刚度、阻尼和转子的不平衡量参数认为等同于轴承的实际的刚度、阻尼以及转子的不平衡量，从而最终实现该轴承—转子系统的滑动轴承刚度、阻尼系数以及转子偏心量的在线求解；其特征在于，步骤二所述的采用有限元方法建立轴承—转子系统模型，首先将转子划分为若干个单元，各单元彼此在节点处联接，并依次编号，沿轴线把转子质量及转动惯量集总到若干节点上，集总质量的节点选择在圆盘中心，轴颈中心以及轴截面突变处，当节点间的弹性轴段为等截面轴时，质量、直径转动惯量及极转动惯量集总如下：$M_i=M_i^d+\frac{1}{2}{\left(\mu l\right)}_{i-1}+\frac{1}{2}{\left(\mu l\right)}_i$$J_{pi}={J_{pi}}^d+\frac{1}{2}{\left(J_{p}l\right)}_{i-1}+\frac{1}{2}{\left(J_{p}l\right)}_i$$J_{di}=J_{di}^d+\frac{1}{2}{\left(J_{d}l\right)}_{i-1}+\frac{1}{2}{\left(J_{d}l\right)}_i$式中：M_i、J_pi、J_di分别为集总到节点i处质量、极转动惯量及直径转动惯量；M_i^d、J_pi^d、J_di^d分别为节点i处圆盘质量、极转动惯量及直径转动惯量；μ、J_p、J_d分别为单位长度轴段的质量、极转动惯量及直径转动惯量；l——轴段长度；对于轴段单元，将该单元的两端的节点的位移作为其广义坐标：{u_1s}＝{x_A q_yA x_B q_yB}^T{u_2s}＝{y_A ‑q_xA y_B ‑q_xB}^T若轴段单元的单位长度质量、直径转动惯量及极转动惯量分别为μ、J_d及J_p，通过求得该单元的动能及Lagrange方程得到该弹性轴段的运动方程：$\left[M_s\right]\left\{{\stackrel{··}{u}}_{1s}\right\}+\Omega \left[J_s\right]\left\{{\stackrel{·}{u}}_{2s}\right\}+\left[K_s\right]\left\{u_{1s}\right\}=\left\{Q_{1s}\right\}$$\left[M_s\right]\left\{{\stackrel{··}{u}}_{2s}\right\}-\Omega \left[J_s\right]\left\{{\stackrel{·}{u}}_{1s}\right\}+\left[K_s\right]\left\{u_{2s}\right\}=\left\{Q_{2s}\right\}$式中：M_s——质量矩阵；Ω[J_s]——回转矩阵；K_s——刚度矩阵；Q_1s、Q_2s——广义力向量；通过轴承处轴颈的相对位移和速度与相应的轴承刚度、阻尼系数矩阵相乘得到轴颈处的受力情况，具体过程是：若轴颈中心的编号为s(j)，轴承中心及轴颈中心的坐标为(x_b、y_b)和(x_s(j)、y_s(j))，轴承座的运动方程为：$\left[\begin{array}{cc}{M}_{bx}& 0\\ 0& M_{by}\end{array}\right]\left\{\begin{array}{c}{\stackrel{··}{x}}_b\\ {\stackrel{··}{y}}_b\end{array}\right\}+\left[\begin{array}{cc}{c}_{xx}& c_{xy}\\ c_{yx}& c_{yy}\end{array}\right]\left\{\begin{array}{c}{\stackrel{·}{x}}_b-{\stackrel{·}{x}}_{s\left(j\right)}\\ {\stackrel{·}{y}}_b-{\stackrel{·}{y}}_{s\left(j\right)}\end{array}\right\}+\left[\begin{array}{cc}{k}_{xx}& k_{xy}\\ k_{yx}& k_{yy}\end{array}\right]\left\{\begin{array}{c}{x}_b-x_{s\left(j\right)}\\ y_b-y_{s\left(j\right)}\end{array}\right\}+$$\left[\begin{array}{cc}{c}_{bxx}& c_{bxy}\\ c_{byx}& c_{byy}\end{array}\right]\left\{\begin{array}{c}{\stackrel{·}{x}}_b\\ {\stackrel{·}{y}}_b\end{array}\right\}+\left[\begin{array}{cc}{k}_{bxx}& k_{bxy}\\ k_{byx}& k_{byy}\end{array}\right]\left\{\begin{array}{c}{x}_b\\ y_b\end{array}\right\}=\left\{\begin{array}{c}{Q}_{1d}^b\\ Q_{2d}^b\end{array}\right\}$假设基础刚性较好，即x_b＝y_b＝0，则油膜作用于轴颈节点处的广义力是：$\left\{\begin{array}{c}{Q}_{1d}^b\\ Q_{2d}^b\end{array}\right\}=-\left[\begin{array}{cc}{c}_{xx}& c_{xy}\\ c_{yx}& c_{yy}\end{array}\right]\left\{\begin{array}{c}{\stackrel{·}{x}}_{s\left(j\right)}\\ {\stackrel{·}{y}}_{s\left(j\right)}\end{array}\right\}-\left[\begin{array}{cc}{k}_{xx}& k_{xy}\\ k_{yx}& k_{yy}\end{array}\right]\left\{\begin{array}{c}{\stackrel{·}{x}}_{s\left(j\right)}\\ {\stackrel{·}{y}}_{s\left(j\right)}\end{array}\right\}$将轴承—转子系统划分为N个节点N‑1个轴段组成的有限元模型，系统的位移向量为：{U₁}＝[x₁，θ_y1，x₂，θ_y2，…，x_N，θ_yN]^T{U₂}＝[y₁，‑θ_x1，y₂，‑θ_x2，…，x_N，‑θ_xN]^T综合以上各式，即综合刚性圆盘与轴段单元运动方程，并将滑动轴承的支撑广义力并入轴承—转子系统的刚度和阻尼矩阵相应元素中，得到该轴承—转子系统的运动方程：$\left[\begin{array}{cc}{M}_1& 0\\ 0& M_1\end{array}\right]\left\{\begin{array}{c}{\stackrel{··}{U}}_1\\ {\stackrel{··}{U}}_2\end{array}\right\}+\left[\begin{array}{cc}{c}_{11}& c_{12}+\Omega \left[J_1\right]\\ c_{21}+\Omega \left[J_1\right]& c_{22}\end{array}\right]\left\{\begin{array}{c}{\stackrel{·}{U}}_1\\ {\stackrel{·}{U}}_2\end{array}\right\}+\left[\begin{array}{cc}{k}_{11}+K_1& k_{12}\\ k_{21}& k_{22}+K_1\end{array}\right]\left\{\begin{array}{c}{U}_1\\ U_2\end{array}\right\}=\left\{\begin{array}{c}{Q}_1\\ Q_2\end{array}\right\}$其中，Q₁,Q₂不包含支承轴承反力，设第j个轴承为油膜轴承j＝1，2，…，L，则在2N×2N阶的矩阵[c₁₁]、[c₁₂]、[c₂₁]、[c₂₂]、[k₁₁]、[k₁₂]、[k₂₁]和[k₂₂]中，除2s(j)‑1行及2s(j)‑1列中元素c_xx、c_xy、c_yx、c_yy、k_xx、k_xy、k_yx和k_yy外，其余元素都是零。