FL9风洞大功率电机轴系振动特性研究

宋显威

（中国航空工业空气动力研究院，黑龙江 哈尔滨 150001）

0 引言

增压风洞轴系属于多跨、大扭矩、弹性支承、长轴、变转速且含有非线性套齿联轴器的低转速转子轴承系统。它是增压风洞的动力系统，它担负着向风洞提供稳定风源的作用，因此它能否安全、可靠及稳定地运行，直接影响到风洞实验的精度[1]。在风洞设备的非正常损坏中，振动引起的破坏比例为90%以上。在风洞中，大电机轴系振动是整个风洞振动的主要激振源。如果轴系振动量级较小，那么整个风洞的振动幅度就会变小。该院FL9风洞的大电机功率为9500kW，轴系转子在风洞试验过程中传输的动能以及出现的惯性非常可观。因此转子在运转工作过程中，轴系的对中、质量偏心等现象，都会对转子轴系振动产生影响。联接轴系的套齿联轴器质量也较大，其套齿长期工作磨损使间隙加大，也会加剧轴系的振动。由于以上原因，掌握并分析轴系的振动状态，研究风洞轴系振动的特性，进而根据这些振动状态判断风洞内部的工作状态，并根据判别结果采取及时措施，可以大大提高设备的可利用度和可靠性。

1 转子振动简述

为了对大功率电机轴系振动的特性进行研究，笔者首先要知道转子振动的基本概念，以此来明确转子振动的主要量值是什么，来研究如何对转子振动（或轴系振动）进行监控[2]。

1.1 转子振动的基本概念和表示方法

在大多数情况下，以电机和桨叶为核心的动力系统振动的激振力来自于周期旋转的轴，因此多数是周期振动。它们一般可以被分解为若干个简谐振动。

位移、速度、加速度等运动量是随时间按谐和函数变化的简谐运动，它的数学表达式如公式（1）所示。

式中：A—位移幅值，它是指做简谐振动的物体离开平衡位置的最大距离，量值是单峰值，即振动测量中峰峰振幅值的一半，单位是mm或um；ω—圆频率，每秒钟转过的弧度，即弧度/秒；f—振动频率，每秒振动次数，单位，Hz；T—振动周期，运动重复一次所需要的时间，单位，s；φ—初始相位角。

这几个量值之间，频率与周期互为倒数，频率的2π倍是圆频率，即T=1/f，ω=2πf。

式（1）对时间t求导得到速度v：

式中的v=Aω，是最大速度。

再将式（2）对t求导，得到加速度a。

式中的a=Aω2，是最大加速度。

式（1），式（2）和式（3）表明简谐振动的位移、速度、加速度都随时间以同样的频率按谐和函数变化。3个量的最大幅值不同，幅值之间依次之比均为ω，相位之间的关系固定，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]。

综上所述，笔者如果要对以电机和桨叶为核心的动力系统的转子振动进行监测，只需要对振动位移进行测量，就能依次得到振动的速度、加速度等量值。

1.2 振动的名词解释

1.2.1 振动幅值、频率和振动相位

振幅表示振动或动态运动的幅度，它是表示系统振动严重程度或烈度的一个重要指标[4]。

振动幅值通常采用位移、速度或加速度值为度量单位。振动频率是指振动物体在单位时间1s内振动的周期数，它是分析振动原因的重要依据。根据振动频率可以初步查明振动的“源”。振动相位是由键相信号与选频振动信号构成的相对关系，它是转子某一瞬间的振动选频信号与轴上某一固定标志的相位差。

1.2.2 通频振动、基频振动

基频振动是对应转速下的振动，它表示与转速频率相同的正弦波正峰和负峰之间的偏差值。通频振动表示振动原始波形正峰和负峰之间的最大偏差值。振动的基频信号为振动的基频典型信号，是设备振动量的主要组成部分。

1.2.3 径向振动、轴向振动

径向振动是指垂直于转轴中心线方向的振动。径向振动有时也称为横向振动。

轴向振动是指与转轴中心线同一方向的振动。

1.2.4 轴振、瓦振

转子的轴振包括相对轴振和绝对轴振。相对轴振是指转轴相对轴承座的振动。它可用非接触式传感器来测量。绝对轴振是指转轴相对地面的振动。它可用接触式传感器或用一个非接触传感器和一个惯性传感器组成的复合传感器来测量。瓦振是指在轴承座相对地面的振动。它可用惯性传感器来测量。

2 轴系振动监测系统

通过上一部分转子振动基本原理的简述，为确保增压风洞试验过程中动力系统安全稳定运行，笔者需要使用轴系振动监测系统来完成对轴系的有效监测。轴系振动监测系统分为硬件和软降2个部分[5]。

2.1 轴系振动监测系统的硬件

适用于增压风洞轴系振动测量的传感器主要包括2种类型：涡流位移传感器和振动速度传感器。

涡流传感器用于测量轴承处转轴的振动位移，由于它可以测量转子的振动，因此它反映的是转子的直接振动信息，一般在同一轴截面上同时安装2个涡流传感器，2个传感器夹角90°，以便测量转子的轴心轨迹。而在轴承座（或轴瓦）上直接接触式安装速度传感器，通过对速度信号的积分，就可得到轴承座的振动位移。

轴振的位移数据是通过监测系统采用涡流位移传感器来测量的，瓦振的位移数据是通过振动速度传感器来测量的。

2.2 轴系振动监测系统的软件

增压风洞轴系振动监测系统软件由2个部分组成。一是数据采集与管理软件，另一部分是监测分析软件。采集及数据管理软件的主要功能是采集并按一定的规律存储瞬态数据、稳态数据、启停机数据；监测分析软件负责将数据管理及采集的数据以图形的方式显示到屏幕上。监测的图形包括趋势图、时间波形、频谱图、轴心轨迹图等[6]。

3 轴系振动特性研究

3.1 振动“源”情况分析与数据处理

由上文转子振动的简述（第二部分），并结合FL9风洞工作环境，总结笔者关心的风洞轴系的实际情况如下。

风洞轴系的主振动“源”来自变速运行的风洞桨叶，副振动“源”来自变速运行的大功率电机，其他振动“源”则是每个轴连接，弹性支撑和轴系在洞体的穿壁位置的动态摩擦与共振传导等，这是动静关系和能量传递就可以推导出的结果，没有疑问。而且在2019年电机稀油站更新换代采用高压油顶后，电机前后轴瓦的振动有所减轻。

风洞轴系结构分为电机轴、短轴、长轴1、长轴2、风扇轴4个分轴及洞外联轴器、洞壁穿壁、洞内非线性套齿联轴器等多个部分，具有多个弹性支承，存在不同压力条件的工作环境。因此分析振动数据与风洞关键参数的关系，笔者可以从同压力不同风速、不同压力同风速、同环境不同模型等设定不同条件来分别分析。轴振与瓦振传感器所监测的各部位节点中需要说明的是长轴1的风扇侧和电机侧，其中间穿过了风洞的洞壁。根据式（1），轴系振动A的位移幅值，由轴振X、Y的涡流位移传感器直接测出的径向振动来获得。按照正常的振动波形和频谱图，笔者会在每个节点获得海量的数据。海量数据会影响笔者的判断，出现不必要的干扰，因此笔者采用信号滤波的方法来进行数据预处理。然后通过计算并采样位移振幅的方式，将振动数据进行简化，最后进行分析。

3.2 常压变风速的特性

为了研究轴系振动特性，首先选定风洞试验中最为典型的常压下变风速的试验数据。风速每次增加10m/s，风洞压力为常压0.1MPa保持不变。

为了对比风速同桨叶转速的对应关系，笔者通过图像处理的方法，并标注整数风速的时间台阶。

通过3.1章节的数据处理方法，对历年的历史数据进行分析，得到对应的曲线图见图1、图2。

图1 常压变风速轴振数据曲线图

将振动曲线与轴系的平视示意图对照分析，可以提出如下结论：1）轴振曲线在节点3，即长轴2的风扇侧，振幅最大。如图1曲线图所示，说明该处转子的径向位移跳动量较大。造成这一现象的原因：风扇轴与长轴2连接的连轴器的对中度不够理想。在轴系工作正常的状态下，常压下轴系振动的平均值与不同风速差值的关系接近重复性的效果，说明轴系弹性支撑的禁锢效果是相对稳定可靠的；2）瓦振曲线的节点5，得出长轴1的风扇侧，振幅最大。如图2曲线所示，5Z处瓦振数据在风洞超过100m/s时出现明显跳变，从2.3μm跳变至110m/s的28.5μm、120m/s的95.4μm，结合节点位置处在长轴1的风扇侧，是轴系穿过洞壁的位置，说明该节点处对电机的大功率大扭矩状态有高一个量级的反应；3）轴振曲线和瓦振曲线的几个波峰位置，与风洞轴系的几处的轴承弹性支撑、洞壁穿壁位置和套齿联轴器几个部分有直接的相关性，且波峰均位于风扇侧，这与轴系的主振动源是变速运行的风洞桨叶的实际情况是一致的。

图2 常压变风速瓦振数据曲线图

3.3 稳风速变风洞压力的特性

由3.2章节可知，在轴系工作正常的状态下，常压下轴系振动的平均值与不同风速差值的关系接近重复性的效果。

在维持70m/s的风速不变的情况下，以0.5MPa为间隔提高风洞压力。这时可生成稳风速变风洞压力的振动数据柱状图。

从柱状图与轴系数据曲线图对照分析，可以提出如下结论：1）轴振的3节点，也就是长轴2的风扇侧，在变化风洞洞内压力的条件下，其振动幅值最大；2）瓦振的3和5节点，也就是长轴2和长轴1的风扇侧，在变化风洞洞内压力的条件下，其振动幅值最大。

3.4 2种条件下振动特性的结合分析

结合多个曲线图和柱状图，包括常压下变风速和稳风速变风洞压力2个不同条件，笔者能够清晰地看出，风洞轴系的振动特性对风洞压力和风洞风速的匀速变化，都不是线性的。1）轴振的变化源于风洞长轴转子轴承系统被弹性支撑较好地禁锢在它的工作圆柱体内，而轴系3节点与其他节点的区别，它的偏心轨迹会有相应地调整。2）瓦振因为固定在弹性支撑的轴瓦，呈现柱状图的变化，这与风洞试验中电机功率与风速、桨叶转速的非线性是密切相关的，正因为电机功率通过轴系输出到风扇桨叶，能量的传递影响到了风洞的方方面面。

电机的功率同电机的转速并不是线性的关系，而是类似于指数关系。在对不同风速下电机的转速及对应的电机瞬时功率的数据进行采样后，笔者能够得出风速与电机转速、电机功率的关系不是线性的，而是类指数曲线。限于篇幅，无法具体展示。正因为电机功率的指数性增长，原来相对稳定的瓦振数据在突破某一阈值的时候，才呈现出量变产生质变的较大变化。而其中数据变化更激烈敏感的采样点，它们的采样传感器是处于风扇一侧而不是电机一侧，也正是因为风洞桨叶才是电机功率输出的目标和对象，风洞桨叶是主要的振动源头。

3.5 多个试验车次振动特性的稳定性

考虑到FL9风洞试验多以常压下70m/s的风洞试验为主，笔者选取多个年份跨度的多个试验车次下的轴系某一定点的振动数据，可得到振动特性的长期稳定性较好的结论。

4 结论

该文对电机轴系振动特性进行分析，我们能够得到如下结论：1）轴振曲线和柱形图表明风扇轴与长轴2连接的连轴器处的径向跳动量较大。2）瓦振曲线和柱形图表明轴系的轴承和联轴器对电机小功率小扭矩的重复性较好，会明显提高电机大功率大扭矩时瓦振数据跳动量。3）轴振曲线和瓦振曲线的几个波峰位置，与风洞轴系的几处弹性支撑的轴承、洞壁穿壁位置和联轴器有直接的相关性，且波峰均位于风扇侧，这与轴系的主振动源是变速运行的风洞桨叶的实际情况是一致的。4）振动随风速和压力的增大，越接近风洞满载荷状态振动越剧烈，符合转子振动的客观规律。它来自于电机功率、桨叶转速和风速的指数变化关系。5）笔者对多个年份跨度、多种试验的定点采样所获得的振动趋势曲线进行判断，电机轴系振动特性的长期稳定性较好。