转轴扭振测量基本原理

1/3 转轴扭振测量基本原理

1 转轴扭振测试基本原理[1]

图1 转轴发生扭振时的角速度变化图[1]

轴系扭振是在轴系的旋转过程中同时发生的运动现象。轴系正常稳定运行无扭振时，其按某一角速度

0ω

回转。当轴系出现扭振时，会在轴截面上相应产生往复扭转变形值弧长󰀀

'''BB或扭角ϕ

，此时轴系的回

转角速度因扭振引起的交变角速度ωΔ而发生了变化，其瞬时角速度为

0ωω+Δ，如图1所示。

按扭振信号的拾取方式分，扭振测量方法主要有两大类，即接触测量法和非接触测量法。接触测量法

是将传感器(应变片等)安装在轴上，测量信号经过集流环或者无线电方式传给二次仪表。非接触测量一般

采用“测齿法”，即利用轴上的齿轮或其他等分结构，由磁电式、涡流式或光电式非接触传感器感受扭振引起的不均匀脉冲信号，通过二次仪表的解调处理后达到测量扭振的目的。

图2 角位移测试原理图[1]

扭振角位移测量基于非接触测齿原理，如图2所示。图2(a)所示为扭振非接触测量信号拾取装置，由

齿轮和传感器(如电涡流传感器等)组成，齿轮随轴转动，传感器感应脉冲信号(每个齿轮经过传感器时，将

产生一个脉冲信号)。当轴平稳旋转，亦即无扭振时，传感器将输出如图2(b)所示的均匀的脉冲波，其基本

频率为

0Zω×(

0ω

为转速频率，Z为齿轮齿数)。当轴发生扭振时，这个基频分量将被调制成图2(c)所示的

疏密相间的脉冲波，并经扭振仪解调后获得图2(d)所示的扭振角位移信号，由此，可测出扭振振幅，经记

录并分析得出扭振频率。 转轴扭振测量基本原理

2/3 2 消除转轴弯曲振动影响的措施[1]

图3 消除弯曲振动双接头180度布置图[1]

对于小扭幅的扭振信号，为消除转轴弯曲振动的影响，每个测点应装设二只相对180度的传感器如图

3所示，由质量不平衡等引起弯曲振动可分解成垂直和水平两方向。水平方向的弯曲振动对传感器的调制

信号无影响，而垂直方向的弯曲振动则会使靠近传感器的齿轮瞬时线速度叠加上一个由该振动形成的附加

分量，影响传感器的调频信号。显然，180度对置的双传感器对弯曲振动的调频反应是相反的。双传感器

的信号进行合成，即可消除弯曲振动影响。应指出，对于较大幅度的扭振，弯曲振动影响可忽略不计，这

时每个测点只需装设一个传感器。 3 扭振测试具体步骤[2, 3]

图4 扭振测试传感器布置图[3]

扭振角位移测量需要3个通道的传感器信号输入，如图4所示。在齿轮盘处安放两个呈180度布置的

传感器信号处理通道a，b，第3路为键相信号处理通道。设齿轮齿数为Z个，采集过程以Z个完整的脉

冲波形为一个单元。

首先对通道3获得的键相信号数据进行处理。记录键相信号发生跳变时的脉冲沿上升时刻序号数据值，

可连续测量多周，通过每两个相邻数据值的差值可得出实时转速值

0ω

。

其次是对a，b两路测量通道建立各自的基准信号。当由键相信号多次测量得到的转速值的平均误差

在一定的范围内时，可认为转子处于稳定状态，基准建立的条件已成立。当可建立基准时，可先等待键相

信号通道的脉冲沿上升时刻到来，在到来时刻开始对通道a、b获得的数据进行处理，分别记录两个通道

测得的Z个电压跳变点时刻，如图5所示。

当基准数据已建立，可进行扭角测量采样信号的数据处理。每次采样周期为一周，起始标志为键相信

号通道脉冲上升沿时刻到来，然后把每个采样周期得到的a，b两路的Z个电压跳变点时刻与基准数据比

较，得到Z个对应每个齿形转过的时间差值(1,2,...,)

iTiZΔ=。 转轴扭振测量基本原理

3/3 最后根据实时转速

0ω

和(1,2,...,)

iTiZΔ=，得到a，b两路对应转子每周的实时扭转角

0(1,2,...,)

iiTiZϕω=Δ=󰀀，把a，b两路通道对应扭角值平均后，可消除转轴弯曲振动的影响。对

iϕ

求

导可得到实时交变角速度

iωΔ。

图5 一个周期采样与基准数据比较的脉冲示意图[2]

4 参考文献

1. 刘英哲, "汽轮发电机组扭振." 1997, 北京: 中国电力出版社.

2. 郭钢利. "汽轮发电机组轴系扭振测量与分析." 2005: 华北电力大学硕士学位论文.

3. 徐洪志. "旋转机械轴系扭振测量研究." 2005: 清华大学硕士学位论文.