振動(dòng)響應(yīng)測試技術(shù)方法研究及應(yīng)用

宮海軍,任向鑫,李　龐

(北方工程設(shè)計(jì)研究院有限公司,河北 石家莊　050011)

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振動(dòng)響應(yīng)測試技術(shù)方法研究及應(yīng)用

宮海軍,任向鑫,李龐

(北方工程設(shè)計(jì)研究院有限公司,河北 石家莊050011)

摘要:利用激勵(lì)處的振動(dòng)響應(yīng)來反演振動(dòng)荷載是振動(dòng)工程中的重要技術(shù),但振動(dòng)響應(yīng)物理量的選擇會(huì)直接影響分析結(jié)果。文章選擇不同的物理量進(jìn)行微積分計(jì)算，并與實(shí)測值進(jìn)行量化比較分析；結(jié)果表明，速度時(shí)程數(shù)據(jù)微分所得加速度時(shí)程數(shù)據(jù)擬合度好,速度可以作為振動(dòng)測試過程中推薦的物理量。文中通過實(shí)際振動(dòng)測試和分析來評估機(jī)床振動(dòng)影響。

關(guān)鍵詞:振動(dòng)響應(yīng);測試技術(shù);數(shù)值計(jì)算;振動(dòng)響應(yīng)物理量

1振動(dòng)響應(yīng)測試系統(tǒng)

隨著機(jī)械設(shè)備工作機(jī)理和加工精度不斷提升及大型機(jī)械設(shè)備輸出功率的不斷提高,產(chǎn)生的振動(dòng)荷載也日趨復(fù)雜。振動(dòng)荷載的測試主要可以從以下2個(gè)方面來獲?。孩?直接測試振動(dòng)源所產(chǎn)生的時(shí)程擾力,這種方法直接有效,但在實(shí)際工程中會(huì)受到測試儀器量程不足、產(chǎn)生振動(dòng)源的設(shè)備不便再次拆裝等因素的影響,使這種方法在很多條件下無法實(shí)施；② 間接測量出振動(dòng)源對應(yīng)的激勵(lì)處的振動(dòng)響應(yīng)來反演振動(dòng)荷載[1-2]。本文首先對振動(dòng)響應(yīng)測試方法進(jìn)行論述,通過對比研究結(jié)果得出可行的測試振動(dòng)響應(yīng)方法,進(jìn)而通過振動(dòng)測試實(shí)例進(jìn)行驗(yàn)證。

1.1振動(dòng)響應(yīng)測試系統(tǒng)簡介

振動(dòng)響應(yīng)測試系統(tǒng)包括傳感器、連接線、數(shù)據(jù)采集儀、計(jì)算機(jī)和移動(dòng)電源5個(gè)部分,如圖1所示。其中目前的數(shù)據(jù)采集儀內(nèi)置了功率放大器。振動(dòng)響應(yīng)主要包括加速度、速度、位移、振動(dòng)傾角、動(dòng)應(yīng)力和動(dòng)應(yīng)變等。在進(jìn)行測試時(shí),可根據(jù)被測試設(shè)備類型選用測試物理量，并依據(jù)文獻(xiàn)[3]確定振動(dòng)控制物理量或根據(jù)實(shí)際需要確定。

在振動(dòng)測試前,依據(jù)振動(dòng)測試物理量選擇合適的傳感器。傳感器按工作機(jī)理分為壓阻式、壓電式、電容式以及磁電式等。由于工作機(jī)理的不同造成其性能參數(shù)差異，傳感器的主要性能參數(shù)有量程、頻響范圍、靈敏度和外形尺寸。在選擇傳感器時(shí),應(yīng)根據(jù)被測對象的振動(dòng)特性和測試結(jié)果的研究方向來選擇傳感器的型號及檔位[4-5]。本文采用INV3060S型24位網(wǎng)絡(luò)分布式同步采集儀和DH610磁電式振動(dòng)傳感器，并配套使用DASPV10工程版進(jìn)行數(shù)值分析?？紤]到傳感器的頻帶和振動(dòng)源的頻響特性,對于超出頻帶的振動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行濾波處理。

圖1　振動(dòng)響應(yīng)測試系統(tǒng)

1.2振動(dòng)測試步驟

(1)預(yù)估測試對象的振動(dòng)幅值、振動(dòng)頻率,并根據(jù)關(guān)注的振動(dòng)物理量選擇適合的傳感器。

(2)檢查測試環(huán)境,在被測試對象受干擾范圍內(nèi)不得有干擾源的出現(xiàn),如果無法避免,應(yīng)在測試結(jié)果中考慮干擾源的誤差影響。

(3)根據(jù)測試目的布置振動(dòng)測試系統(tǒng),并試測系統(tǒng)工作的有效性。例如,傳感器量程是否合適,振動(dòng)頻率是否處于測試頻帶范圍,測試結(jié)構(gòu)是否受干擾源影響,測試結(jié)果是否受電信號干擾等。

(4)依據(jù)測試工況的要求,分別采集振動(dòng)響應(yīng)。不同工況振動(dòng)響應(yīng)的幅值和頻率變化較大時(shí),應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況變換傳感器檔位或更換傳感器,以便準(zhǔn)確測量出振動(dòng)源的動(dòng)力特性。

(5)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理及分析。

1.3實(shí)際振動(dòng)測試的問題

文獻(xiàn)[3]給出了振動(dòng)控制物理量,但在實(shí)際工程中一種檢測物理量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)無法滿足要求,仍需要其他物理量數(shù)據(jù)補(bǔ)充分析。另一方面,有些歷史記錄的振動(dòng)數(shù)據(jù)與振動(dòng)控制物理量不一致,導(dǎo)致無法對歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行評估。除此之外,由于測點(diǎn)空間狹小或試驗(yàn)儀器通道數(shù)量等因素?zé)o法布置多種傳感器,因此選擇測試物理量成為測試過程中的一個(gè)困擾。

2不同振動(dòng)測試物理量對比分析

對于沒有直接測試到的振動(dòng)控制物理量數(shù)值,可以測試其他物理量,然后通過微積分的方法得到其振動(dòng)控制物理量數(shù)據(jù)。為了驗(yàn)證其有效性,將加速度傳感器和速度傳感器置于同一點(diǎn),并給予一定的時(shí)程激勵(lì),近似認(rèn)為這2個(gè)傳感器采集的數(shù)據(jù)為同一時(shí)刻、同一測點(diǎn)不同物理量的振動(dòng)響應(yīng)。本文對比了實(shí)測加速度響應(yīng)與速度微分響應(yīng)、實(shí)測速度響應(yīng)與加速度積分響應(yīng)、加速度二次積分響應(yīng)與速度積分響應(yīng)3組數(shù)據(jù),結(jié)果如圖2所示。

圖2　不同物理量的振動(dòng)響應(yīng)

由圖2可以看出,通過實(shí)測速度微分得到的加速度數(shù)據(jù)與實(shí)測加速度數(shù)據(jù)比較接近,實(shí)測加速度積分得到的速度數(shù)據(jù)和實(shí)測速度數(shù)據(jù)在峰值幅值方面存在較大差別,實(shí)測加速度二次積分?jǐn)?shù)據(jù)與實(shí)測速度積分?jǐn)?shù)據(jù)差異較大。考慮到數(shù)值積分過程中會(huì)受到初始數(shù)值的影響,因此可以認(rèn)為積分過程中誤差略高于微分過程中的誤差，而二次積分會(huì)帶來更大的累積誤差。

振動(dòng)擾力的特性包含振動(dòng)頻率、振動(dòng)幅值和持續(xù)時(shí)間。從圖2可以看出,數(shù)據(jù)微積分轉(zhuǎn)換不改變振動(dòng)頻率和相位差,而通過微分計(jì)算能夠得到較為準(zhǔn)確的數(shù)據(jù);積分計(jì)算由于初始數(shù)值差異,會(huì)給計(jì)算結(jié)果帶來誤差,故在試驗(yàn)測試過程中,在沒有對測試物理量有明確要求的前提下,建議采用速度量綱作為采集依據(jù),進(jìn)而通過數(shù)值變換的方法可以得到可信的數(shù)據(jù)。

若研究某機(jī)床振動(dòng)對相鄰的設(shè)備或主體結(jié)構(gòu)的影響,從動(dòng)力時(shí)程分析的角度可得地面振動(dòng)激勵(lì)[6]P(t)的計(jì)算公式為:

(1)

由(1)式可知,無法避免加速度時(shí)程的輸入,但這種輸入物理量和振動(dòng)容許控制物理量不一致,可以通過本文所述方法解決此問題。

3機(jī)床振動(dòng)響應(yīng)測試

金屬切削機(jī)床安裝處基礎(chǔ)的振動(dòng)對金屬切削機(jī)床的加工精度會(huì)產(chǎn)生一些影響,通過測試基礎(chǔ)位置振動(dòng)響應(yīng)來評估是否滿足工程容許振動(dòng)值。本文測試的機(jī)床為刨臺(tái)式銑鏜加工中心,尺寸為7 m×7 m×8 m(長×寬×高),機(jī)床位于加工車間中部。傳感器采用磁電式速度傳感器,最大量程為0.6 m/s,頻帶為0～100 Hz,并分為小速度、中速度和大速度檔位。測點(diǎn)分別布置于機(jī)床的4個(gè)角點(diǎn)的機(jī)床基礎(chǔ)臺(tái)座上,如圖3所示。選取具有代表性的3個(gè)測點(diǎn)來作為數(shù)據(jù)對比。

圖3　刨臺(tái)式銑鏜加工中心測點(diǎn)布置圖

測試工況為銑削過程,持時(shí)為320 s。測試工況:工況1，停車狀態(tài);工況2，空車以500 r/min轉(zhuǎn)動(dòng);工況3，以500 r/min轉(zhuǎn)速加工構(gòu)件。工況3豎向振動(dòng)響應(yīng)時(shí)程如圖4所示。

圖4　工況3豎向振動(dòng)響應(yīng)時(shí)程圖

從圖4可以看出,引起振動(dòng)最大的瞬間為進(jìn)刀瞬間,最大峰值為3.70×10-4m/s,再經(jīng)過10 s后振動(dòng)進(jìn)入平穩(wěn)銑削過程,銑削過程中振動(dòng)最大峰值為1.02×10-4m/s,統(tǒng)計(jì)得出加工狀態(tài)豎向振動(dòng)速度統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表1所列。由文獻(xiàn)[3,7]可知,該機(jī)床金屬精度等級為Ⅴ級，豎向容許振動(dòng)速度均方根值為0.5 mm/s。通過計(jì)算該機(jī)床基礎(chǔ)豎向振動(dòng)最大幅值和均方根值均小于容許值,故機(jī)床基礎(chǔ)的豎向振動(dòng)滿足設(shè)計(jì)的要求。

表1　加工狀態(tài)豎向振動(dòng)速度　10-4m/s

有些情況仍需要以加速度時(shí)程曲線作為依據(jù)來分析該振源對相鄰機(jī)床、主體結(jié)構(gòu)等振動(dòng)的影響,可以通過本文方法獲取加速度時(shí)程曲線,從而可得加工狀態(tài)豎向振動(dòng)加速度，見表2所列。

表2　加工狀態(tài)豎向振動(dòng)加速度　mm/s2

4結(jié)束語

振動(dòng)響應(yīng)測試技術(shù)研究對振動(dòng)荷載確定具有非常重要的意義,當(dāng)受條件限制無法直接測量振動(dòng)荷載,振動(dòng)響應(yīng)可以滿足其工程需要。當(dāng)無法在同一測點(diǎn)布置多種物理量的傳感器時(shí),可選用速度型傳感器,通過微分的方法得到滿足精度要求的加速度時(shí)程數(shù)據(jù)?？梢酝ㄟ^積分轉(zhuǎn)換的加速度時(shí)程數(shù)據(jù)對相鄰設(shè)備和主體結(jié)構(gòu)做進(jìn)一步的研究分析。通過積分方法得到的速度、位移時(shí)程數(shù)據(jù)尚需進(jìn)行幅值修正。

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(責(zé)任編輯閆杏麗)

收稿日期：2015-08-05；修回日期：2015-09-18

作者簡介：宮海軍(1965-),男,遼寧凌源人,北方工程設(shè)計(jì)研究院有限公司教授級高工.

doi:10.3969/j.issn.1003-5060.2016.06.023

中圖分類號:TU311.3

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號：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