西安交通大学机械转子试验台振动与噪声测量综合试验报告.docx

1、西安交通大学机械转子试验台振动与噪声测量综合试验报西安交通大学机械转子试验台振动与噪声测量综合试验报告告 机械测试技术实验 实 验 报 告 机械转子试验台的振动和噪声测试及分析综合实验 班级：第三小组 组长：成员（按姓氏）：仅供参考，不得抄袭！西安交通大学机械基础实验教学中心 2013年 12 月 一 实验简介 1 1.1实验目的 1 1.2实验仪器与设备 1 1.3实验要求 1 二 实验方案 2 2.1实验阶段 2 2.1.1准备阶段 2 2.1.2实施阶段 2 2.1.3总结分析阶段 2 2.2注意事项 2 三 测试系统搭建 3 3.1测试系统框架图 3 3.2传感器的位置选择与搭建 4

2、3.2.1位移传感器 4 3.2.2加速度传感器 4 3.2.3速度传感器 6 3.2.4声级计 7 3.2.5转速传感器 7 3.3传感器后续连接 9 四 信号采集与分析 9 4.1信号采集 9 4.2声级计标定 10 4.3转子轴心轨迹的测量 10 4.4不同转速下转子振动的时域分析 11 4.5不同转速下转子振动的频域分析 13 4.6不同转速下噪声的时域分析 19 4.7不同转速下噪声的频域分析 21 4.8转子振动与噪声相干分析 25 4.9转子动平衡 26 五 实验总结 27 5.1实验结论 27 5.2实验中遇到的问题 27 5.3 实验心得 28 一 实验简介 1.1实验目的

3、针对机械转子实验台，能够较熟练地掌握机械动态信号（振动、噪声等）测试系统设计、测试系统搭建、数据采集及信号处理的方法和技术。1.2实验仪器与设备 机械动态信号测量与信号采集分析系统 机械转子实验台 1 台 加速度传感器 1个 速度传感器 1个 电涡流位移传感器 2个 光电传感器 1个 噪声测量仪 1台 计算机 1台 1.3实验要求 1.针对转子实验台对象，按照机械动态特性测试要求，完成机械振动和噪声的计算机测试系统设计；2.选用合适的振动和噪声测试传感器及其信号调理装置；3.构建计算机测试系统，掌握振动和噪声信号分析软件使用方法；4.自主完成转子实验台振动和噪声的测量、信号采集；5.通过信号分

4、析，得出转子实验台在不同转速下的振动和噪声的时域波形、频谱（从转速 600rpm1800rpm 每 200 转测一组转速、振动时域信号、振动频域信号、噪声时域和频域的信号数据）；找出转速和振动及噪声的关系，并对转子实验台的动态特性进行分析评价。6.对振动和噪声进行相干分析，并对结果进行合理解释。二 实验方案 2.1 实验阶段 根据实验要求和实际情况，我们大致将本次实验分为三个阶段进行，即准备阶段、实施阶段、总结分析阶段。2.1.1准备阶段 1.熟悉试验台，熟悉各个传感器的安装位置及功能，以及整个测试系统的线路连接。2.基本掌握信号分析软件的使用。3.掌握各传感器的标定方法，尝试进行信号采集及分

5、析处理，为正式采集做准备。2.1.2实施阶段 1.连接测试线路，对各传感器进行灵敏度设定，对声级计进行标定。2.通过两个电涡流传感器采集的信号，得到轴心的运动轨迹，观察其形状，判断转子转动的不平衡程度。3.合理安装声级计位置，准备进行噪声信号的采集。4.通过速度和加速度传感器采集并得到转子转动引起的振动的时域和频域图。与此同时，采集得到噪声信号的时域和频域图。5.通过计算机软件对振动和噪声进行相干分析，并判断噪声是否由转子的振动引起。6.在不同转速下重复上述实验过程。2.1.3总结分析阶段 利用实验得到的数据，对噪声和振动的关系进行分析讨论，得出噪声的主要来源，如果可能，进一步提出降低转自振动

6、的方案。2.2注意事项 以上方案是通过理论分析联系实际在理想情况下提出的，实际实施中可能会出现各种问题：1.设备及软件使用不熟练引起的操作失误及数据异常。2.信号采集过程中干扰信号的混入难以避免，应尽量根据实际条件采取措施，减小干扰信号的影响。如：实验台桌面的振动；其他实验小组的影响；噪声采集过程中其他声音的干扰以及周围物体对声波反射作用的干扰。3.有实验设备包括传感器存在自身故障的可能，实验前应仔细检查。4.实际数据可能会与理想的实验数据存在出入，应对得到的数据进行大致判断，估计其合理性。5.实验过程中应具体问题具体分析，合理调整实验方案。三 测试系统搭建 3.1测试系统框架图 图 3.1.

7、1 测试系统框架图 3.2传感器的位置选择与搭建 3.2.1位移传感器 位移传感器是利用电涡流传感器制成，根据电磁感应原理，通过检测磁场的大小来检测传感器与转轴之间的距离，从而达到测量位移的作用。共有两个，XY方向各一个，装在转轴的支撑处。图 3.2.1 位移传感器安装 3.2.2加速度传感器 加速度传感器是利用压电传感器制成，所谓压电效应是指某些电介质在受到某一方向的外力作用而发生形变（包括弯曲和伸缩形变）时，由于内部电荷的极化现象，会在其表面产生电荷的现象。加速度传感器安装在基架上。图 3.2.2 加速度传感器安装 3.2.3速度传感器 速度传感器是接触式传感器，多为磁电式速度传感器或者其

8、他，也是安装在基架上。图 3.2.3 速度传感器安装 3.2.4声级计 声级计是最基本的噪声测量仪器，它是一种电子仪器，但又不同于电压表等客观电子仪表。在把声信号转换成电信号时，可以模拟人耳对声波反应速度的时间特性；对高低频有不同灵敏度的频率特性以及不同响度时改变频率特性的强度特性。因此，声级计是一种主观性的电子仪器。图 3.2.4 声级计安放 3.2.5转速传感器 本次试验转速传感器是利用光电式转速传感器，反射式光电传感器在被测转轴上设有反射记号，由光源发出的光线通过透镜和半透膜入射到被测转轴上。本次试验中光电传感器安装在转轴一端。图 3.2.5 转速传感器安装 图 3.4.6 传感器整体安

9、装位置 3.3传感器后续连接 在连接仪器时，一号通道接通的为转速传感器，二号通道接通的为速度传感器，三号通道接通的为加速度传感器，四号五号都是接通的为电涡流位移传感器，六号通道接通的为噪声声级计，通过计算机软件对振动和噪声进行相干分析，获得实验结果。图 3.3.1 传感器与动态信号采集系统的连接 四 信号采集与分析 4.1信号采集 本实验一共用到四种传感器分别是：光电转速传感器、加速度传感器、速度传感器、电涡流位移传感器。其中通过两个电涡流传感器采集的信号，得到轴心的运动轨迹，用速度和加速度传感器采集并得到转子转动引起的振动的时域和频域图，但由于在运用加速度传感器进行采集数据时，受到外围环境的

10、影响，误差较大，所以我们就以速度传感器测得数据进行测量分析，同时采集得到噪声信号的时域和频域图，进行比较分析。4.2声级计标定 图 4.2.1 声级计的标定截图 正确连接声级计到测试系统，图中为通道 2-7，设置单位为 Pa，使用 94dB标准声源，调节灵敏度，使信号在时域图中的有效时为 1Pa，可看到此时灵敏度为 2100。完成声级计的标定。4.3转子轴心轨迹的测量 轴心轨迹由两个互为的 90度的电涡流传感器测出。可以反映出转轴的不平衡成度。若转动平衡，轴心轨迹应为直径很小的圆，若不平衡，轨迹呈现尺寸较大的椭圆。设置转速为 1200rpm（实际为 1211rpm），测量轴心轨迹如图所示，由图

11、可看出，转子中心转动不平衡，最大振动幅值在 30m 左右。（此值可与后续平衡后振幅做比较）图 4.3.1 转速 1211rpm 轴心轨迹截图 4.4不同转速下转子振动的时域分析 图 4.4.1 转速 600rpm 转子振动时域截图 图 4.4.2 转速 798rpm 转子振动时域截图 图 4.4.3 转速 1221rpm 转子振动时域截图 图 4.4.4 转速 1616rpm 转子振动时域截图 图 4.4.5 转速 1831rpm 转子振动时域截图 4.5不同转速下转子振动的频域分析 将转子转速从 1800 转至 600 转以 200 转为间隔进行测试，从而得到了以下 7个频域图谱。图 4.5

12、.1 转速 1801rpm 转子振动频域截图 图 4.5.2 转速 1597rpm 转子振动频域截图 图 4.5.3 转速 1399rpm 转子振动频域截图 图 4.5.4 转速 1210rpm 转子振动频域截图 图 4.5.5 转速 1009rpm 转子振动频域截图 图 4.5.6 转速 818rpm 转子振动频域截图 图 4.5.7 转速 606rpm 转子振动频域截图 表 4.5.1 转子振幅及频率与转速的关系 图 4.5.8 转子振幅与转速折线图 分析:从图中可以看出，振动信号表现出明显的谐波性，主要的峰值基本出现在工频处，其他的峰值所对应的频率也基本为工频的谐波。以转速为 1801转

13、时的频谱为例，峰值出现在工频（1800/60=30HZ）处，而在二倍频 60HZ处也有明显的振动信号。当转速在 1000转以上时，主要峰值出现在工频处，倍频处的峰值影响相对较小，振动主要是由于转子转动的不平衡引起的；而当转速低于 1000 转时，工频处的峰值与倍频处的峰值相差无几，这时振动不仅是由于转子转动不平衡引起，还与其他的外界因素有较大关联。而在不同转速下，振动信号峰值的大小也不一样，从一系列的频谱可以知道，转速越快，振动信号的峰值越大。其中 1210转时峰值逆趋势发生突增，是因为在实验时干扰引起的误差。综上所述，振动主要是由转子转动时的不平衡所引起的，并且随着转速的增大，振动也会随之增

14、大。4.6不同转速下噪声的时域分析 图 4.6.1 转速 798rpm 噪声时域截图 图 4.6.2 转速 1221rpm 噪声时域截图 图 4.6.3 转速 1408rpm 噪声时域截图 图 4.6.4 转速 1616rpm 噪声时域截图 图 4.6.5 转速 1831rpm 噪声时域截图 4.7不同转速下噪声的频域分析 噪声测量时，由于电动机会产生较大的噪声，在频谱图中将会占据最主要的地位，这样就无法分析转轴所产生的噪声，所以我们将频谱图频率范围固定在 0 至200HZ进行分析。在频谱图中我们可以看出，噪声信号也表现出了明显的谐波性，主要峰值出现在工频处，而其他峰值基本也处于倍频处。如转速

15、为 1797转时，噪声信号峰值出现在工频（1800/60=30HZ）处，而 2 倍频60HZ出也有一峰值。工频处噪声信号的大小有着随转速减小而减小的趋势，当转速降至 1000 转时，噪声信号基本为 0，而其余的信号没有太大变化，从这里可以初步得出噪声信号主要是由于转子转动引起的，其他不变的为外界的干扰信号。图 4.7.1 转速 1797rpm 噪声频域截图 图 4.7.2 转速 1608rpm 噪声频域截图 图 4.7.3 转速 1408rpm 噪声频域截图 图 4.7.4 转速 1203rpm 噪声频域截图 图 4.7.5 转速 1004rpm 噪声频域截图 表 4.7.1 噪声峰值频率与转

16、速关系 4.8转子振动与噪声相干分析 通过把所测噪声的频谱图与所测转速振动频谱图进行相干分析获得振动与噪声的的关系。在转速为 1403rpm 时，其工频为 24Hz，其相关分析见图 4.8.1。图 4.8.1 转子振动与噪声相干分析截图 图中横坐标为不同的频率，纵坐标为相干系数表征在不同频率下的振动和噪声的相干性，由图可知，在整个分频带内，有许多频率对应的相干系数都较大，在大概23.78Hz，的时候我们看到相干函数值 0.90，说明振动和噪声的相干性很好，故可知该噪声和机械转子的振动在工频处有很大程度的相关程度，可以认为转子的噪声主要是由转子的振动引起。4.9转子动平衡 图 4.9.1 转子动

17、平衡前后振动幅值对比图 图 4.9.2 转子动平衡前后轴心轨迹对比图 通过在转盘上加装质量块，对转盘的不平衡进行补偿，补偿后测量的振动及轴心轨迹如图所示。未平衡前，速度传感器测得的最大值为 1.7mm/s，轴心轨迹振幅在30m 左右；平衡后，速度传感器测得的最大值为 0.84 mm/s，轴心轨迹振幅在 13m 左右。因此，平衡对改善转自振动有较明显的效果。五 实验总结 5.1实验结论 振动信号表现出明显的谐波性，主要峰值出现在工频处，振动主要是由于转子转动的不平衡引起的。转速越快，振动信号的峰值越大。噪声信号表现出了明显的谐波性，主要峰值出现在工频处。工频处噪声信号的大小随转速减小而减小。转子

18、振动和噪声信号有很强的相干性，工频处相干度为 0.91，转子的噪声主要是由转子的振动引起。转子经过动平衡，轴心轨迹振幅由 30m 降为 13m；振动最大值为由 1.7 mm/s 下降为 0.84 mm/s。5.2实验中遇到的问题 图 5.2.1 转速 1015 噪声频域截图 在图 5.2.1中，高频成分占据了绝大部分，而且最高值也出现在高频处，根据理论计算，本该出现最高值的地方，频谱图是极值，根据我们的讨论分析，是由于在这个频率下，系统受到的外界干扰起了绝大部分作用，而且外界干扰是高频居多。所以在这种情况下，不应该只根据最高值来分析频谱图，而应该理论实际结合，屏蔽高频干扰。5.3 实验心得 本次试验是我们进入大学后自助独立完成的第一个综合大实验，本次试验需要我们自己做出试验方案，搭建试验测试系统，分析总结。通过本次试验，我们更加充分的理解了电涡流传感器，光电传感器，磁电式传感器在工业测试系统中的应用。本次试验中，通过分析，我们发现了转子振动，噪声信号源的产生机理。增强了我们的动手能力和探索能力，充分将理论和实际结合在一起，真正做到了将课本上所学的知识应用到了实际生产中。