高分辨率扭振测量方法及其应用

　　引　言

　　在各类回转机械中,轴的扭转振动是重要的一种振动形式,它是由于作用在轴上的扭矩随时间变化而产生的旋转振动。扭振对轴及轴上零件的危害在振动初期表现得并不明显,但扭振引起的扭转应力变化的积累往往会造成突发性的事故,如矿井提升机的主轴断裂等。所以,通过扭振信号来监测主轴的运行状态可以防止灾害事故的发生[1]。另外,利用扭振信号,可以对轴及其相关部件进行损伤检测和故障诊断。在齿轮等机器零部件的故障诊断中,通常是在箱体上安装振动加速度计来拾取振动信号,但由于此信号从故障激励源到测量点经过了较复杂的　　传递路径,信号会受到干扰和污染,从而影响了故障特征的分离和准确提取。而反映在转动轴的扭振信号中的故障信息没有经过复杂的传递路径,信噪比高,故障特征明显,利于随后的分析处理。

　　一般来说,扭振信号的测取比较困难,从而影响了它在实际中的广泛应用。测量扭振的方法有直接法和间接法两类[2]。直接法就是直接感测轴的扭振,有接触测量和非接触测量。接触测量主要是将传感器(应变片、加速度计和编码器等)安装在轴上,测量信号可以通过集流环或有线、无线电发讯等方式传输到仪器上。非接触测量主要有测齿法、红外法和激光法等,这些方法无须在轴上安装传感器,利用非接触方式感测轴的扭振。间接法主要是通过测量与扭振有关的其他物理量来得到扭振信息,如定子电流法等。各种测量方法都有其应用局限性。

　　本文研究高分辨率扭转振动测量及相应的脉冲调制解调方法,并探讨提高分辨率和测量精度的途径。讨论用扭振信号进行齿轮故障诊断的若干问题,同时给出齿轮箱故障的扭振诊断结果及其与箱体振动信号进行诊断的比较。

　　1　高分辨率扭转振动测量方法

　　在回转机械中,有很多因素可以引起轴的扭转振动,系统的机械负载或动力系统工况的突然变化及系统零部件的一些损伤和故障等都是扭振的诱因。扭转振动的幅度(角度)一般是比较小的,如果测量的分辨率不够高,就不能有效地掌握扭振的情况。我们希望找到一种在实际应用中既简便易行,又有较高分辨率的测量方法。

　　扭振测量可以用轴上的码盘、齿轮或其他等分的齿形结构,通过传感器或直接用传感器产生脉冲,脉冲的时间间隔反映了轴的瞬时角速度的大小,从而获得扭振信息。轴上已有的等分齿形结构一般齿数较少,轴转动一周得到的脉冲数也较少,不能测到小幅度的扭振。为了解决这个问题,通常的做法是在相邻脉冲间进行插值,但这样得到的扭振信息是不真实的,实际的扭振信息已经丢失,随后无论经过什么样的信号处理也不可能恢复丢失的信息。因此,必须找到一种可以获得足够的每转脉冲数的传感器,以提高扭振幅度分辨率。目前,已有一转可以产生几千甚至几万个脉冲的增量型光电编码器,这样就使角度分辨率大大提高,再经过比较简单的后续处理,就可以实现高分辨率扭振测量。