旋转机械中带传动的振动分析
SpectraQuest Inc.
8205 Hermitage Road
Richmond, VA 23228
摘要：带传动在各种动力传动中应用广泛。

对于传送带不正确的安装和维护将对机器的运行和老化产生巨大的影响。

广泛使用振动特征来研究带传动的故障。

本文给出了由两个传送带驱动系统的实验结果，包括带张紧状态、运行速度、带轮的偏心度以及未校准等情况。

结果表明：偏心带轮将产生调幅和较大的振动，带轮的偏心很容易使传送带达到固有频率。

同时，偏心对振动特征的影响并不明显。

实验装置和过程
实验装置
本实验中用到的实验器材包括：SpectraQuest公司的机械故障仿真器(MFS)，两个A42 V 的传动带，装有VibraQuest数据采集和分析软件的笔记本，SpectraPad的便携式数据采集器，两个PCB加速度计，Wilcoxon三轴的加速度计。

图1给出了MFS和加速度计以及结构的配置。

图1 实验装置
两个单轴的加速度计分别安装在外侧轴承座上的水平方向和竖直方向。

三轴加速度计安装在轴承座基座的顶部，通过轴连接着带轮。

图1中的数字代表在数据获得系统上的通道数。

带传动的传动比是2.56。

实验过程
首先，记录下不同的转子速度和不同的张力下的基线数据。

然后在驱动带轮上加入未校准的补偿量，并且在相同的速度和张力下记录数据。

最后，用另一个偏心带轮代替驱动带轮并在相同的速度和张力下记录数据。

在偏心带轮测试中，通过慢慢增加转子的速度观察传送带的共振数据。

数据记录的频率上限是2000Hz，每次记录时间是8s。

两个被测试的转子的速度分别是20Hz 和40Hz。

注意这些数据可以从电机控制器读出，但是由于控制器存在误差，实际速度与读数有所偏差。

通过旋转螺钉改变两个带轮的中心距，调节传送带的张力。

两个带轮的张力的高低是由手感决定的。

结果和讨论
本节显示的数据是时域和频域的原始数据。

基准数据
图2中给出了在张力较大的状态下外轴承座的水平方向上得到的加速度数据。

图2(a)和(b)是在20Hz的速度下运行的。

图2(c)和(d)是在40Hz的速度下运行的。

首先从图2中可以看到在40Hz速度下运行的振幅要比在20Hz速度下运行的振幅大。

图2(a)和(c)是时间间隔为0.1s时域数据。

并非随意地选择了0.1s的间隔，转子以20Hz的速度运行，每0.1s大约转两转；转子以40Hz的速度运行，每0.1s大约转四转。

从图2(a)和(c)的波形图看出，很难区分驱动轴每转的周期特征。

仔细观察图2(b)和(d)可知，峰值一般出现在驱动轴的周期频率和谐波频率处。

图2(d)中在120Hz处的振幅极高，可以推测传送带的固有频率就在附近。

图2中给出了在张力比较小的状态下外轴承座的水平方向上的加速度数据。

与张力较大情况类似，速度为40Hz的振幅高于20Hz的振幅。

从图3(a) 和(c)看到，仍然很难区分驱动轮一周内的周期特征。

然而，从图3(b)和(d)中看出，驱动轴每转的频率频谱和它的谐波分组频率频谱不是很清楚。

仔细比较图3(b)和(d)与图2(b)和(d)可看出，在振动频谱中有剧烈的振动，其对应的最大峰值的频率有所下降。

另外，从这几幅图的比较中可知，不管在张力高还是低的状态下，对不同的速度最高峰值的频率彼此吻合。

因为在图3(b)和(d)与图2(b)和(d)中唯一改变的参数是带的张力，所以此带的张力就是振动峰值频率产生的波动的原因，而带的张力最有可能影响的因素是带的固有频率。

图3(b)和(d)与图2(b)和(d)中的最高频率并不受速度影响，而受带的张力的影响，由此可知峰值频率和带的固有频率有关。

图2 通道1的基线数据（高张力）
图4和图5分别给出了在张力高、低两种状态下的三轴加速度计在水平方向上的加速度数据。

图4和图2区别不大。

然而，图4（b）中最高峰值在60Hz处，而在图2（b）中最高峰值出现在120Hz 处。

虽然三轴加速度计安装在连接驱动轮的轴承座的顶部，但是，得不到驱动轮在频域内每转和它的谐波分量。

图3 通道1 的基线数据（低张力）
比较图5(d)和图3(d)，不难看出在驱动带轮附近安装的加速度计的振幅在频域内很低。

图5(d)的主要分量是60Hz。

比较图5(d)和图4(d)，可以知道带的张力造成了驱动带轮附近的振幅迅速减小。

原因是驱动带轮造成的振动由于带轮的张力较低不能传递到被驱动带轮上。

图4 通道4的基线数据（高张力） 偏心数据
在驱动带轮上引进40/1000英尺的偏心量。

即使在基准测试中，皮金法角偏差被无意地引入，不过也无法避免，因为驱动轮和被驱动轮在带的张力下都会发生偏离。

当张力足够大时，由张力造成的错位数据就不可忽略。

至少在本实验中，有张力造成的错位和人为引入的错位有相同的效果。

图6给出了轴承座外侧在40/1000英尺补偿偏移量时水平方向的加速度数据。

和预期一样，图6和图2相似。

本实验中引进的偏移量很小，以至于振动分析无法检测出来。

图5 通道4的基线数据（低张力） 偏心带轮的数据
用偏心带轮代替正常的带轮，在速度和张力不变的情况下进行试验。

图7和图8分别给出了在张力大、小两种状态时轴承座外侧在水平方向上的加速度数据。

从图7和图8中可以很明显看出，在波形中能区分出驱动轮每转的信号，尤其在转速为40Hz 的时候。

在图7(c)和图8(c)中，很容易看到4个循环的波形。

比较图7(b)(d)和图2(b)(d)，图8(b)(d)和图3(b)(d)，可知驱动轮的每周的信号成为振动频谱的主要分量，尤其在张力较小的时候。

仔细观察图8(d) 和图3(d)可知在偏心带轮的120Hz 出的峰值并没有像在正常实验中那样移动。

具体的原因尚不明确，需要进一步研究。

图6 通道1的偏移数据（张力较大）
图7 偏心带轮通道1的数据（张力较大）
共振数据
实验中使用偏心带轮很容易使传送带达到其固有频率。

图9给出了一些共振数据。

图9(a)和(b)给出了传送带底部处于共振时的数据。

图9(c)和(d)给出了传送带顶部处于共振时的数据。

图9(e)和(f)给出了另一个传送带顶部处于共振时的数据。

由于传送带底部的张力低于顶部的张力，因此传送带底部发生共振的频率较低。

造成两个传送带顶部共振频率的差异的原因是这两个传送带之间的张力不同，而传送带的固有频率是由传送带的张力决定的。

本实验中确定的固有频率和前面进行的铁锤实验获得数据是一致的。

总结和结论
在两个带轮的传动系统中，本实验研究了传送带张紧程度、速度、带轮的偏心度和错位情
况对振动特征的影响。

对偏心轮造成的传送带共振在实验中进行了观察。

图8 偏心轮的通道1的数据
本实验总结如下几点：
带轮的偏心效应对振动特征有很大影响。

虽然振幅随带轮的偏心增长不是很快，但是带轮的偏心将造成很强的调幅。

带轮的偏心很容易激发带轮的固有频率。

当带轮的顶部共振时，将会增加机器的振动级别。

然而，当带轮底部发生共振时，机器振动不是很明显。

带轮的张力对于机器振动特征的影响很大。

随着带轮张力的增加，振动频谱将移向较高的频率区域内。

原因可能是：1）增加带轮张力时，整个机械结构加强了；2）增加带轮的张力时，带轮本身的固有频率也提高了。

未来工作
带轮的错位是否造成轴向的振动现在存有争议。

三轴加速度计轴向采集的数据需要进一步核对。

而且，需要在轴承座外侧的轴向方向安装一个单轴加速度计来采集数据。

需要开发一种可以计算传送带顶部和底部的张力的分析方法，给实验发现提供理论支持。

图9 通道1的共振数据（低张紧力）。