振动响应测试技术方法研究及应用

宫海军,任向鑫,李　庞

(北方工程设计研究院有限公司,河北 石家庄　050011)



振动响应测试技术方法研究及应用

宫海军,任向鑫,李庞

(北方工程设计研究院有限公司,河北 石家庄050011)

摘要:利用激励处的振动响应来反演振动荷载是振动工程中的重要技术,但振动响应物理量的选择会直接影响分析结果。文章选择不同的物理量进行微积分计算，并与实测值进行量化比较分析；结果表明，速度时程数据微分所得加速度时程数据拟合度好,速度可以作为振动测试过程中推荐的物理量。文中通过实际振动测试和分析来评估机床振动影响。

关键词:振动响应;测试技术;数值计算;振动响应物理量

1振动响应测试系统

随着机械设备工作机理和加工精度不断提升及大型机械设备输出功率的不断提高,产生的振动荷载也日趋复杂。振动荷载的测试主要可以从以下2个方面来获取：① 直接测试振动源所产生的时程扰力,这种方法直接有效,但在实际工程中会受到测试仪器量程不足、产生振动源的设备不便再次拆装等因素的影响,使这种方法在很多条件下无法实施；② 间接测量出振动源对应的激励处的振动响应来反演振动荷载[1-2]。本文首先对振动响应测试方法进行论述,通过对比研究结果得出可行的测试振动响应方法,进而通过振动测试实例进行验证。

1.1振动响应测试系统简介

振动响应测试系统包括传感器、连接线、数据采集仪、计算机和移动电源5个部分,如图1所示。其中目前的数据采集仪内置了功率放大器。振动响应主要包括加速度、速度、位移、振动倾角、动应力和动应变等。在进行测试时,可根据被测试设备类型选用测试物理量，并依据文献[3]确定振动控制物理量或根据实际需要确定。

在振动测试前,依据振动测试物理量选择合适的传感器。传感器按工作机理分为压阻式、压电式、电容式以及磁电式等。由于工作机理的不同造成其性能参数差异，传感器的主要性能参数有量程、频响范围、灵敏度和外形尺寸。在选择传感器时,应根据被测对象的振动特性和测试结果的研究方向来选择传感器的型号及档位[4-5]。本文采用INV3060S型24位网络分布式同步采集仪和DH610磁电式振动传感器，并配套使用DASPV10工程版进行数值分析。考虑到传感器的频带和振动源的频响特性,对于超出频带的振动响应进行滤波处理。

图1　振动响应测试系统

1.2振动测试步骤

(1)预估测试对象的振动幅值、振动频率,并根据关注的振动物理量选择适合的传感器。

(2)检查测试环境,在被测试对象受干扰范围内不得有干扰源的出现,如果无法避免,应在测试结果中考虑干扰源的误差影响。

(3)根据测试目的布置振动测试系统,并试测系统工作的有效性。例如,传感器量程是否合适,振动频率是否处于测试频带范围,测试结构是否受干扰源影响,测试结果是否受电信号干扰等。

(4)依据测试工况的要求,分别采集振动响应。不同工况振动响应的幅值和频率变化较大时,应根据实际情况变换传感器档位或更换传感器,以便准确测量出振动源的动力特性。

(5)试验数据的处理及分析。

1.3实际振动测试的问题

文献[3]给出了振动控制物理量,但在实际工程中一种检测物理量的试验数据无法满足要求,仍需要其他物理量数据补充分析。另一方面,有些历史记录的振动数据与振动控制物理量不一致,导致无法对历史数据进行评估。除此之外,由于测点空间狭小或试验仪器通道数量等因素无法布置多种传感器,因此选择测试物理量成为测试过程中的一个困扰。

2不同振动测试物理量对比分析

对于没有直接测试到的振动控制物理量数值,可以测试其他物理量,然后通过微积分的方法得到其振动控制物理量数据。为了验证其有效性,将加速度传感器和速度传感器置于同一点,并给予一定的时程激励,近似认为这2个传感器采集的数据为同一时刻、同一测点不同物理量的振动响应。本文对比了实测加速度响应与速度微分响应、实测速度响应与加速度积分响应、加速度二次积分响应与速度积分响应3组数据,结果如图2所示。

图2　不同物理量的振动响应

由图2可以看出,通过实测速度微分得到的加速度数据与实测加速度数据比较接近,实测加速度积分得到的速度数据和实测速度数据在峰值幅值方面存在较大差别,实测加速度二次积分数据与实测速度积分数据差异较大。考虑到数值积分过程中会受到初始数值的影响,因此可以认为积分过程中误差略高于微分过程中的误差，而二次积分会带来更大的累积误差。

振动扰力的特性包含振动频率、振动幅值和持续时间。从图2可以看出,数据微积分转换不改变振动频率和相位差,而通过微分计算能够得到较为准确的数据;积分计算由于初始数值差异,会给计算结果带来误差,故在试验测试过程中,在没有对测试物理量有明确要求的前提下,建议采用速度量纲作为采集依据,进而通过数值变换的方法可以得到可信的数据。

若研究某机床振动对相邻的设备或主体结构的影响,从动力时程分析的角度可得地面振动激励[6]P(t)的计算公式为:

(1)

由(1)式可知,无法避免加速度时程的输入,但这种输入物理量和振动容许控制物理量不一致,可以通过本文所述方法解决此问题。

3机床振动响应测试

金属切削机床安装处基础的振动对金属切削机床的加工精度会产生一些影响,通过测试基础位置振动响应来评估是否满足工程容许振动值。本文测试的机床为刨台式铣镗加工中心,尺寸为7 m×7 m×8 m(长×宽×高),机床位于加工车间中部。传感器采用磁电式速度传感器,最大量程为0.6 m/s,频带为0～100 Hz,并分为小速度、中速度和大速度档位。测点分别布置于机床的4个角点的机床基础台座上,如图3所示。选取具有代表性的3个测点来作为数据对比。

图3　刨台式铣镗加工中心测点布置图

测试工况为铣削过程,持时为320 s。测试工况:工况1，停车状态;工况2，空车以500 r/min转动;工况3，以500 r/min转速加工构件。工况3竖向振动响应时程如图4所示。

图4　工况3竖向振动响应时程图

从图4可以看出,引起振动最大的瞬间为进刀瞬间,最大峰值为3.70×10-4m/s,再经过10 s后振动进入平稳铣削过程,铣削过程中振动最大峰值为1.02×10-4m/s,统计得出加工状态竖向振动速度统计结果见表1所列。由文献[3,7]可知,该机床金属精度等级为Ⅴ级，竖向容许振动速度均方根值为0.5 mm/s。通过计算该机床基础竖向振动最大幅值和均方根值均小于容许值,故机床基础的竖向振动满足设计的要求。

表1　加工状态竖向振动速度　10-4m/s

有些情况仍需要以加速度时程曲线作为依据来分析该振源对相邻机床、主体结构等振动的影响,可以通过本文方法获取加速度时程曲线,从而可得加工状态竖向振动加速度，见表2所列。

表2　加工状态竖向振动加速度　mm/s2

4结束语

振动响应测试技术研究对振动荷载确定具有非常重要的意义,当受条件限制无法直接测量振动荷载,振动响应可以满足其工程需要。当无法在同一测点布置多种物理量的传感器时,可选用速度型传感器,通过微分的方法得到满足精度要求的加速度时程数据。可以通过积分转换的加速度时程数据对相邻设备和主体结构做进一步的研究分析。通过积分方法得到的速度、位移时程数据尚需进行幅值修正。

[参考文献]

[1]孙瑞杰.确定结构振动荷载方法的探讨[J].低温建筑技术,2012,13(6):88-90.

[2]纪国宜,赵淳生.振动测试和分析技术综述[J].机械制造与自动化,2010,40(3):1-5.

[3]GB 50868—2013,建筑工程容许振动标准[S].

[4]丁金玲.差分式双轴加速度传感器的系统仿真及分析[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学,2007.

[5]郭月强.振动信号的测试与分析及其软件系统开发[D].北京:北京工业大学,2002.

[6]刘晶波,杜修力.结构动力学 [M].北京:机械工业出版社,2009:132-135.

[7]GB/T 25372—2010,金属切削机床精度分级[S].

(责任编辑闫杏丽)

收稿日期：2015-08-05；修回日期：2015-09-18

作者简介：宫海军(1965-),男,辽宁凌源人,北方工程设计研究院有限公司教授级高工.

doi:10.3969/j.issn.1003-5060.2016.06.023

中图分类号:TU311.3

文献标识码：A

文章编号：1003-5060(2016)06-0833-04

Research and application of vibration response test technology

GONG Hai-jun,REN Xiang-xin,LI Pang

(Norendar International Ltd.,Shijiazhuang 050011,China)

Abstract:It is an important technology in vibration engineering to retrieve the vibration load from the vibration response of the excitation,but different physical quantities of vibration response will directly affect the results of the analysis. The calculus calculation value and the measured values are compared. The results show that the calculated value of the acceleration from velocity differential is close to the measured values,so velocity can be used as a recommended quantity in the process of vibration test. Then the vibration influence of machine tools is evaluated by actual vibration test and analysis.

Key words:vibration response;test technology;numerical calculation;physical quantities of vibration response