FL9風洞大功率電機軸系振動特性研究

宋顯威

（中國航空工業空氣動力研究院，黑龍江 哈爾濱 150001）

0 引言

增壓風洞軸系屬于多跨、大扭矩、彈性支承、長軸、變轉速且含有非線性套齒聯軸器的低轉速轉子軸承系統。它是增壓風洞的動力系統，它擔負著向風洞提供穩定風源的作用，因此它能否安全、可靠及穩定地運行，直接影響到風洞實驗的精度[1]。在風洞設備的非正常損壞中，振動引起的破壞比例為90%以上。在風洞中，大電機軸系振動是整個風洞振動的主要激振源。如果軸系振動量級較小，那么整個風洞的振動幅度就會變小。該院FL9風洞的大電機功率為9500kW，軸系轉子在風洞試驗過程中傳輸的動能以及出現的慣性非常可觀。因此轉子在運轉工作過程中，軸系的對中、質量偏心等現象，都會對轉子軸系振動產生影響。聯接軸系的套齒聯軸器質量也較大，其套齒長期工作磨損使間隙加大，也會加劇軸系的振動。由于以上原因，掌握并分析軸系的振動狀態，研究風洞軸系振動的特性，進而根據這些振動狀態判斷風洞內部的工作狀態，并根據判別結果采取及時措施，可以大大提高設備的可利用度和可靠性。

1 轉子振動簡述

為了對大功率電機軸系振動的特性進行研究，筆者首先要知道轉子振動的基本概念，以此來明確轉子振動的主要量值是什么，來研究如何對轉子振動（或軸系振動）進行監控[2]。

1.1 轉子振動的基本概念和表示方法

在大多數情況下，以電機和槳葉為核心的動力系統振動的激振力來自于周期旋轉的軸，因此多數是周期振動。它們一般可以被分解為若干個簡諧振動。

位移、速度、加速度等運動量是隨時間按諧和函數變化的簡諧運動，它的數學表達式如公式（1）所示。

式中：A—位移幅值，它是指做簡諧振動的物體離開平衡位置的最大距離，量值是單峰值，即振動測量中峰峰振幅值的一半，單位是mm或um；ω—圓頻率，每秒鐘轉過的弧度，即弧度/秒；f—振動頻率，每秒振動次數，單位，Hz；T—振動周期，運動重復一次所需要的時間，單位，s；φ—初始相位角。

這幾個量值之間，頻率與周期互為倒數，頻率的2π倍是圓頻率，即T=1/f，ω=2πf。

式（1）對時間t求導得到速度v：

式中的v=Aω，是最大速度。

再將式（2）對t求導，得到加速度a。

式中的a=Aω2，是最大加速度。

式（1），式（2）和式（3）表明簡諧振動的位移、速度、加速度都隨時間以同樣的頻率按諧和函數變化。3個量的最大幅值不同，幅值之間依次之比均為ω，相位之間的關系固定，依次超前π/2，即速度超前位移π/2，加速度超前速度π/2[3]。

綜上所述，筆者如果要對以電機和槳葉為核心的動力系統的轉子振動進行監測，只需要對振動位移進行測量，就能依次得到振動的速度、加速度等量值。

1.2 振動的名詞解釋

1.2.1 振動幅值、頻率和振動相位

振幅表示振動或動態運動的幅度，它是表示系統振動嚴重程度或烈度的一個重要指標[4]。

振動幅值通常采用位移、速度或加速度值為度量單位。振動頻率是指振動物體在單位時間1s內振動的周期數，它是分析振動原因的重要依據。根據振動頻率可以初步查明振動的“源”。振動相位是由鍵相信號與選頻振動信號構成的相對關系，它是轉子某一瞬間的振動選頻信號與軸上某一固定標志的相位差。

1.2.2 通頻振動、基頻振動

基頻振動是對應轉速下的振動，它表示與轉速頻率相同的正弦波正峰和負峰之間的偏差值。通頻振動表示振動原始波形正峰和負峰之間的最大偏差值。振動的基頻信號為振動的基頻典型信號，是設備振動量的主要組成部分。

1.2.3 徑向振動、軸向振動

徑向振動是指垂直于轉軸中心線方向的振動。徑向振動有時也稱為橫向振動。

軸向振動是指與轉軸中心線同一方向的振動。

1.2.4 軸振、瓦振

轉子的軸振包括相對軸振和絕對軸振。相對軸振是指轉軸相對軸承座的振動。它可用非接觸式傳感器來測量。絕對軸振是指轉軸相對地面的振動。它可用接觸式傳感器或用一個非接觸傳感器和一個慣性傳感器組成的復合傳感器來測量。瓦振是指在軸承座相對地面的振動。它可用慣性傳感器來測量。

2 軸系振動監測系統

通過上一部分轉子振動基本原理的簡述，為確保增壓風洞試驗過程中動力系統安全穩定運行，筆者需要使用軸系振動監測系統來完成對軸系的有效監測。軸系振動監測系統分為硬件和軟降2個部分[5]。

2.1 軸系振動監測系統的硬件

適用于增壓風洞軸系振動測量的傳感器主要包括2種類型：渦流位移傳感器和振動速度傳感器。

渦流傳感器用于測量軸承處轉軸的振動位移，由于它可以測量轉子的振動，因此它反映的是轉子的直接振動信息，一般在同一軸截面上同時安裝2個渦流傳感器，2個傳感器夾角90°，以便測量轉子的軸心軌跡。而在軸承座（或軸瓦）上直接接觸式安裝速度傳感器，通過對速度信號的積分，就可得到軸承座的振動位移。

軸振的位移數據是通過監測系統采用渦流位移傳感器來測量的，瓦振的位移數據是通過振動速度傳感器來測量的。

2.2 軸系振動監測系統的軟件

增壓風洞軸系振動監測系統軟件由2個部分組成。一是數據采集與管理軟件，另一部分是監測分析軟件。采集及數據管理軟件的主要功能是采集并按一定的規律存儲瞬態數據、穩態數據、啟停機數據；監測分析軟件負責將數據管理及采集的數據以圖形的方式顯示到屏幕上。監測的圖形包括趨勢圖、時間波形、頻譜圖、軸心軌跡圖等[6]。

3 軸系振動特性研究

3.1 振動“源”情況分析與數據處理

由上文轉子振動的簡述（第二部分），并結合FL9風洞工作環境，總結筆者關心的風洞軸系的實際情況如下。

風洞軸系的主振動“源”來自變速運行的風洞槳葉，副振動“源”來自變速運行的大功率電機，其他振動“源”則是每個軸連接，彈性支撐和軸系在洞體的穿壁位置的動態摩擦與共振傳導等，這是動靜關系和能量傳遞就可以推導出的結果，沒有疑問。而且在2019年電機稀油站更新換代采用高壓油頂后，電機前后軸瓦的振動有所減輕。

風洞軸系結構分為電機軸、短軸、長軸1、長軸2、風扇軸4個分軸及洞外聯軸器、洞壁穿壁、洞內非線性套齒聯軸器等多個部分，具有多個彈性支承，存在不同壓力條件的工作環境。因此分析振動數據與風洞關鍵參數的關系，筆者可以從同壓力不同風速、不同壓力同風速、同環境不同模型等設定不同條件來分別分析。軸振與瓦振傳感器所監測的各部位節點中需要說明的是長軸1的風扇側和電機側，其中間穿過了風洞的洞壁。根據式（1），軸系振動A的位移幅值，由軸振X、Y的渦流位移傳感器直接測出的徑向振動來獲得。按照正常的振動波形和頻譜圖，筆者會在每個節點獲得海量的數據。海量數據會影響筆者的判斷，出現不必要的干擾，因此筆者采用信號濾波的方法來進行數據預處理。然后通過計算并采樣位移振幅的方式，將振動數據進行簡化，最后進行分析。

3.2 常壓變風速的特性

為了研究軸系振動特性，首先選定風洞試驗中最為典型的常壓下變風速的試驗數據。風速每次增加10m/s，風洞壓力為常壓0.1MPa保持不變。

為了對比風速同槳葉轉速的對應關系，筆者通過圖像處理的方法，并標注整數風速的時間臺階。

通過3.1章節的數據處理方法，對歷年的歷史數據進行分析，得到對應的曲線圖見圖1、圖2。

圖1 常壓變風速軸振數據曲線圖

將振動曲線與軸系的平視示意圖對照分析，可以提出如下結論：1）軸振曲線在節點3，即長軸2的風扇側，振幅最大。如圖1曲線圖所示，說明該處轉子的徑向位移跳動量較大。造成這一現象的原因：風扇軸與長軸2連接的連軸器的對中度不夠理想。在軸系工作正常的狀態下，常壓下軸系振動的平均值與不同風速差值的關系接近重復性的效果，說明軸系彈性支撐的禁錮效果是相對穩定可靠的；2）瓦振曲線的節點5，得出長軸1的風扇側，振幅最大。如圖2曲線所示，5Z處瓦振數據在風洞超過100m/s時出現明顯跳變，從2.3μm跳變至110m/s的28.5μm、120m/s的95.4μm，結合節點位置處在長軸1的風扇側，是軸系穿過洞壁的位置，說明該節點處對電機的大功率大扭矩狀態有高一個量級的反應；3）軸振曲線和瓦振曲線的幾個波峰位置，與風洞軸系的幾處的軸承彈性支撐、洞壁穿壁位置和套齒聯軸器幾個部分有直接的相關性，且波峰均位于風扇側，這與軸系的主振動源是變速運行的風洞槳葉的實際情況是一致的。

圖2 常壓變風速瓦振數據曲線圖

3.3 穩風速變風洞壓力的特性

由3.2章節可知，在軸系工作正常的狀態下，常壓下軸系振動的平均值與不同風速差值的關系接近重復性的效果。

在維持70m/s的風速不變的情況下，以0.5MPa為間隔提高風洞壓力。這時可生成穩風速變風洞壓力的振動數據柱狀圖。

從柱狀圖與軸系數據曲線圖對照分析，可以提出如下結論：1）軸振的3節點，也就是長軸2的風扇側，在變化風洞洞內壓力的條件下，其振動幅值最大；2）瓦振的3和5節點，也就是長軸2和長軸1的風扇側，在變化風洞洞內壓力的條件下，其振動幅值最大。

3.4 2種條件下振動特性的結合分析

結合多個曲線圖和柱狀圖，包括常壓下變風速和穩風速變風洞壓力2個不同條件，筆者能夠清晰地看出，風洞軸系的振動特性對風洞壓力和風洞風速的勻速變化，都不是線性的。1）軸振的變化源于風洞長軸轉子軸承系統被彈性支撐較好地禁錮在它的工作圓柱體內，而軸系3節點與其他節點的區別，它的偏心軌跡會有相應地調整。2）瓦振因為固定在彈性支撐的軸瓦，呈現柱狀圖的變化，這與風洞試驗中電機功率與風速、槳葉轉速的非線性是密切相關的，正因為電機功率通過軸系輸出到風扇槳葉，能量的傳遞影響到了風洞的方方面面。

電機的功率同電機的轉速并不是線性的關系，而是類似于指數關系。在對不同風速下電機的轉速及對應的電機瞬時功率的數據進行采樣后，筆者能夠得出風速與電機轉速、電機功率的關系不是線性的，而是類指數曲線。限于篇幅，無法具體展示。正因為電機功率的指數性增長，原來相對穩定的瓦振數據在突破某一閾值的時候，才呈現出量變產生質變的較大變化。而其中數據變化更激烈敏感的采樣點，它們的采樣傳感器是處于風扇一側而不是電機一側，也正是因為風洞槳葉才是電機功率輸出的目標和對象，風洞槳葉是主要的振動源頭。

3.5 多個試驗車次振動特性的穩定性

考慮到FL9風洞試驗多以常壓下70m/s的風洞試驗為主，筆者選取多個年份跨度的多個試驗車次下的軸系某一定點的振動數據，可得到振動特性的長期穩定性較好的結論。

4 結論

該文對電機軸系振動特性進行分析，我們能夠得到如下結論：1）軸振曲線和柱形圖表明風扇軸與長軸2連接的連軸器處的徑向跳動量較大。2）瓦振曲線和柱形圖表明軸系的軸承和聯軸器對電機小功率小扭矩的重復性較好，會明顯提高電機大功率大扭矩時瓦振數據跳動量。3）軸振曲線和瓦振曲線的幾個波峰位置，與風洞軸系的幾處彈性支撐的軸承、洞壁穿壁位置和聯軸器有直接的相關性，且波峰均位于風扇側，這與軸系的主振動源是變速運行的風洞槳葉的實際情況是一致的。4）振動隨風速和壓力的增大，越接近風洞滿載荷狀態振動越劇烈，符合轉子振動的客觀規律。它來自于電機功率、槳葉轉速和風速的指數變化關系。5）筆者對多個年份跨度、多種試驗的定點采樣所獲得的振動趨勢曲線進行判斷，電機軸系振動特性的長期穩定性較好。