摘 要

回转轴系作为一种常见的动力传输机构，在航空航天、交通运输、能源、机械等领域中有着十分广泛的应用，例如汽轮机、压缩机、发电机、泵等。而振动作为一种影响回转轴系工作状态的重要因素，能直接导致设备出现故障，严重时会造成机毁人亡的事故。针对回转轴系的振动，本文提出一套回转轴系振动测试系统，由信号采集模块、软件以及计算机三部分组成，以此完成对回转轴系振动信号的测试。同时对某型船推进轴系进行三维实体建模并给出指定的故障，进行故障动力学仿真，获得特定故障的仿真信号，并研究分析其故障机理和信号特征。为实际信号的故障识别和诊断方法提供指导意义，以实现快速实时且准确地识别回转轴系的故障。本论文的主要内容如下：

1. 分析了回转轴系的组成以及典型的回转轴系故障，如：转子不平衡、转子不对中、紧固件松动、动静件碰摩以及油膜涡动和油膜振荡，了解其故障产生的原理和各故障在时域、频域上所展现的特征；
2. 基于SolidWorks建立某型船推进轴系的三维模型，并给出指定单体故障，使用ADAMS对正常轴系和指定某种故障的轴系进行动力学仿真，得到相对应的振动仿真信号；
3. 基于Labview搭建回转轴系振动测试系统，实现对加速度信号、位移信号、噪声信号三种信号的采集、处理和显示，并通过轴心轨迹图判断存在的故障类型；
4. 针对某型船推进轴系的特点搭建简化的实验台，进行相应的振动测试实验与故障分析。

实验结果表明，该方法能够提高回转轴系故障识别的准确率和速度，为回转轴系的振动测试和故障分析提供了可靠的依据。

关键词：回转轴系；振动测试；故障；动力学仿真

Abstract

As a common power transmission mechanism, rotary shaft system is widely used in aerospace, ship, automobile, energy, machinery and other fields, such as steam turbine, compressor, generator, pump and so on.Vibration, as an important factor affecting the working state of the rotating shaft system, can directly lead to equipment failure or even fatal accidents.In view of the vibration of the rotary shaft system, a set of vibration test system for the rotary shaft system is proposed, which is composed of computer, signal measurement hardware module and application software.At the same time, a certain type of ship propulsion shaft system is modeled by 3d entity and given the specified fault, and the fault kinematics simulation is carried out to obtain the corresponding fault signal, and the fault mechanism and signal are studied and analyzed.It provides guidance for the fault feature extraction method of the actual signal, so as to realize fast, real-time and accurate fault identification of the rotary shaft system.The main contents of this paper are as follows:

(1) The composition of the rotating shaft system and typical faults of the rotating shaft system are analyzed, such as rotor unbalance, rotor misalignment, loose fasteners, friction between moving and moving parts, oil film whirl and oil film oscillation.

(2) based on SolidWorks, a three-dimensional model of a certain type of ship propulsion shaft system is established, and the specified single failure is given. ADAMS is used to carry out dynamic simulation of normal shaft system and the specified failure shaft system, and the corresponding vibration simulation signal is obtained.

(3) based on Labview, the vibration test platform of rotary shaft system is built to realize the acquisition, processing and display of acceleration signal, displacement signal and noise signal, and judge the existing fault type through the axis track diagram;

(4) according to the characteristics of a certain type of ship propulsion shaft system, a simplified test platform was built to carry out corresponding vibration test experiments and verify the feasibility of the test platform.

The experimental results show that this method can improve the accuracy and speed of fault identification of rotary shaft system, and provide a reliable basis for vibration test and performance analysis of rotary shaft system.

Key words: rotary shaft system; Vibration testing; Fault; dynamics simulation

目录

第一章 绪论 7

1.1 研究背景和意义 7

1.2 回转轴系振动测试的研究现状 8

1.3 本文研究的主要内容 10

1.4 本章小结 11

第二章 回转轴系故障机理分析 12

2.1 回转轴系概述 12

2.2 回转轴系故障分类 14

2.3 典型故障分析 15

2.3.1 转子不平衡 15

2.3.2 转子不对中 16

2.3.3 动静件碰摩 19

2.3.4 紧固件松动 20

2.3.5 油膜涡动、油膜振荡 20

2.4 本章小结 21

第三章 回转轴系故障动力学仿真 22

3.1 ADAMS软件简介 22

3.2 某型船回转轴系三维建模 22

3.3 回转轴系动力学仿真 23

3.3.1 正常回转轴系动力学仿真 23

3.3.2 故障回转轴系动力学仿真 25

3.4 本章小结 31

第四章 回转轴系振动测试系统设计 32

4.1 总体方案 32

4.1.1 测试系统功能简介 32

4.1.2测试系统总体组成 32

4.2 实验对象子系统 33

4.2.1 回转轴系实验台 33

4.2.2 电涡流传感器及前置器 33

4.3 采集分析子系统 35

4.3.1 NI数据采集模块 35

4.3.2 数据分析模块 36

4.4 本章小结 37

第五章 回转轴系的振动测试实验 38

5.1 实验方案概述 38

5.1.1 实验目的 38

5.1.2 实验设备 38

5.1.3 实验方案 38

5.2 数据采集软件设计 40

5.2.1 初始设置模块 41

5.2.2 数据采集模块 41

5.2.3 数据处理和显示模块 42

5.3 振动特征的测试与故障分析 44

5.3.1 正常轴系实验 44

5.3.2 故障轴系实验 44

5.4 本章小结 47

第六章 总结与展望 48

6.1 本文总结 48

6.2 研究展望 48

参考文献 49

致 谢 51

第一章 绪论

• 1. 研究背景和意义

回转轴系在机床、自动化设备等工业设备中被广泛应用，如汽轮机、压缩机、泵等。而振动作为一种影响回转轴系工作状态的重要因素，能直接导致设备出现故障，严重时甚至还会发生机毁人亡的恶性事故。例如，著名的华盛顿州塔科马海峡大桥通车仅仅4个月就因为不堪大风的摧残而发生剧烈颤振，致使坍塌^[1]；无独有偶，1986年4月前苏联的切尔诺贝利核电站发生剧烈振动，导致4号机组出现核泄漏事故，死亡人数达2000人，直接损失超过30亿^[2]。为了能够实时清楚设备运行状态，防止事故的发生，本文通过搭建测试系统对具有回转轴系的机械设备进行振动测试，探讨回转轴系振动测试和故障分析的方法，从而保证机械设备连续正常满负荷运行，提高生产率。

因为振动导致的事故不计其数，有关回转轴系振动的研究也逐渐引起学者们的关注，其中振动测试是重中之重。关于振动，公认的测试方法有机械法、光测法和电测法三类。