4.7单圆盘转子的临界转速测定 一，实验目的 1.掌握旋转轴临界转速测量的基本方法。 2.观察转子过临界转速时，旋转轴的振动及相位变化。 3.学会电涡流位移传感器及速度传感器的使用方法。 4.了解高速转子滑动轴承的油膜涡动和油膜振荡现象。 二.实验原理 1.临界转速 形 y Fe (b) (c) (a) 图4.7-1 图4.7-1所示单圆盘转子，设圆盘质量为m,质心为 C,转轴过圆盘的几何中心A点，偏心距AC=e。不 考虑阻尼影响，当圆盘与转轴一起以角速度O运转 时，由于质量偏心而引起的不平衡惯性力将使转轴产 生弯曲变形。设点O为：轴与圆盘的交点，则转轴中 点A的弯曲变形r4=OA由达朗伯原理：F=Fc, kaa=moOC=mo(r4+e)得： r=moie o'e k-mo206-02 0=0n 式中k为转轴的弹簧常数。 图4.7-2 当0→⊙时，r4逐渐增大。 当0=®时，”4→∞，实际上由于阻尼和非线性刚度的影响，”4为一很大的有限值。 使转轴绕度异常增大的转动角速度称为临界角速度，记为⊙。，。 80
80 4.7 单圆盘转子的临界转速测定 一．实验目的 1．掌握旋转轴临界转速测量的基本方法。 2．观察转子过临界转速时，旋转轴的振动及相位变化。 3．学会电涡流位移传感器及速度传感器的使用方法。 4．了解高速转子滑动轴承的油膜涡动和油膜振荡现象。 二．实验原理 1．临界转速 图 4.7-1 所示单圆盘转子，设圆盘质量为 m，质心为 C，转轴过圆盘的几何中心 A 点，偏心距 AC=e。不 考虑阻尼影响，当圆盘与转轴一起以角速度ω运转 时，由于质量偏心而引起的不平衡惯性力将使转轴产 生弯曲变形。设点 O 为 z 轴与圆盘的交点，则转轴中 点 A 的弯曲变形r OA. A 由达朗伯原理： F FC ， ( ) 2 2 kr m OC m r e A A 得： 2 2 0 2 2 2 e k m m e rA （4.7-1） 式中 k 为转轴的弹簧常数。 当 0 时， A r 逐渐增大。 当 0 时，rA ，实际上由于阻尼和非线性刚度的影响， A r 为一很大的有限值。 使转轴绕度异常增大的转动角速度称为临界角速度，记为cr 。 图 4.7-2 图 4.7-1
k (4.7-2) 即它等于系统的固有频率。此时转速称为临界转速，记为n。,。 当o>o时，实践证明，质心C位于OA之间，如图(4.7-1)(c)所示：这时OC=r4-e, m@2(r4-e)=k4,所以： we A=- mo'e (4.7-3) mo2-ko2-0 o个，r4↓。当0>0o时，r4≈。这时质心C与轴心点O趋于重合，即圆盘绕质心C转动，这 种现象称为自动定心现象。 2.相位突变 转子在升速运行时，当转速达到临界装速时，转轴的振动位移与激励力之间的相位角会发生突 变，此时轴心轨迹的李萨育图（椭圆）会达到最大并突然转向。 3.滑动轴承的油膜涡动和油膜振荡 高速转子在临界转速以上工作时，由于滑动轴承中油膜的作用，使转轴在某特 定转速下产生回旋，引起轴承和转子系统的强烈振动，称为油膜振荡。对本系统转 速在一阶临界转速两倍左右时，即n≈2n,时，产生油膜涡动，转子振动剧烈增加， 轴心轨迹也从原来的“椭圆型”变为双椭圆型，如图(4.7-3)所示，继续增大转速 图4.7-3 时，轴心的轨迹变得更加紊乱，并且很不稳定，此时称为油膜振荡。油膜振荡产生 后，转速继续增加，也不易立即消除。 三.实验装置 单圆盘转子实验台（含直流电机）：调速器：电涡流感器，其中1、2、3号传感器分别测轴的转 速、水平和垂直振动位移：速度传感器：前置器：信号采集仪：计算机：DASP转子实验软件。 电涡流 油杯 传感器 四。实验步骤 1.测定转子的 速度 直流 传感器 电机 临界转速 1).打开调速器 和计算机电源，启动 动态信号分析仪。 前 前 双击Windows 熹 XP系统界面 调速器 8 一“转子基 本实验”，分析仪进 1 2 3 入转子实验窗口。 采集器 计剪机 图4.7-4实验装置
81 m k cr 0 （4.7-2） 即它等于系统的固有频率。此时转速称为临界转速，记为 cr n 。 当 cr 时，实践证明，质心 C 位于 OA 之间，如图（4.7-1）（c）所示：这时OC r e A ， A A m (r e) kr 2 ，所以： 2 0 2 2 2 2 e m k m e rA （4.7-3） ,rA 。当 0 时， r e A 。这时质心 C 与轴心点 O 趋于重合，即圆盘绕质心 C 转动，这 种现象称为自动定心现象。 2．相位突变 转子在升速运行时，当转速达到临界装速时，转轴的振动位移与激励力之间的相位角会发生突 变，此时轴心轨迹的李萨育图（椭圆）会达到最大并突然转向。 3．滑动轴承的油膜涡动和油膜振荡 高速转子在临界转速以上工作时，由于滑动轴承中油膜的作用，使转轴在某特 定转速下产生回旋，引起轴承和转子系统的强烈振动，称为油膜振荡。对本系统转 速在一阶临界转速两倍左右时，即 cr n 2n 时，产生油膜涡动，转子振动剧烈增加， 轴心轨迹也从原来的“椭圆型”变为双椭圆型，如图（4.7-3）所示，继续增大转速 时，轴心的轨迹变得更加紊乱，并且很不稳定，此时称为油膜振荡。油膜振荡产生 后，转速继续增加，也不易立即消除。 三．实验装置 单圆盘转子实验台（含直流电机）；调速器；电涡流感器，其中 1、2、3 号传感器分别测轴的转 速、水平和垂直振动位移；速度传感器；前置器；信号采集仪；计算机；DASP 转子实验软件。 四．实验步骤 1．测定转子的 临界转速 1）.打开调速器 和计算机电源，启动 动态信号分析仪。 双击 Windows XP 系统界面 图标，选择“转子实验” “ 转子基 本实验”，分析仪进 入转子实验窗口。 Coinv Dasp 2005 标准版 图 4.7-3 图 4.7-4 实验装置
2).设置测量参数 点击转子实验窗口上部工具条 设置[P] 按钮，在设置采样和通道参数对话框的 实验内容栏中选择 常规实验缺省值(C) 点击 确定(Y) 即完成设置。 这里应注意在4个测量通道设置中，1ch为转速，2ch为水平转速，3ch为垂直位移，4ch为台 体振动。X-Y轴心轨迹由2、3ch获得，谱阵和幅值曲线由2ch获得，各通道标定参数由缺省值 给出。分析仪采样频率为2048Hz,程控放大为1。 3)测试轴振动的幅值-转速曲线 在转子实验窗口上部工具条一组分析模式中选择“幅值”，并点击 开始[O] 按钮，分析仪进 入采样与分析状态。缓慢旋动调速器转速按钮，使转子逐渐升速，至8000rmi停止升速，点击 停止[Q] 按钮，停止测量。然后快速将电机转速降至零，屏幕图形区显示完整的幅值-转速曲线。 点击鼠标将光标移至曲线最大幅值处。测得转子的临界转速及相应的水平幅值。 4).保存数据与结果输出 a. 点击工具条 存盘[S] 按钮，保存数据文件，文件后缀为“CRS“: b.点击转子测试分析窗工具条上的“存图图标，输出图形文件。 2.测定旋转轴的振动位移和台体的振动速度 1)点击转子实验窗口工具条 调盘 按钮，调出刚保存的数据文件进行回放。 2)在工具条分析模式中选择“频谱”，利用回放操作控件测得临界转速处轴振动的水平与垂直 位移量及台体振动的速度值，并输出图形。 3).重新回放测转子在1000rmin附近和6000rmin附近轴的位移与台体振动。 3.观察旋转轴的轴心轨迹 1)选择分析和显示模式 在转子实验窗口左边操作控制区，数字跟踪滤波[F]下拉菜单选项中选择“基频1X带通”，在 X-Y图轴心轨迹分析选项中，选择“显示波形频谱”，其余保存不变。在上部工具条分析模式中选择 “X-Y”。 2)点击工具条 开始[O] 按钮，缓慢旋动调速器转速旋钮，观察升速过程的轴心轨迹图，至 4000r/min停止测试，并存盘保存数据文件。 4.验证转子过临界转速时，轴振动的相位突变 1)调出轴心轨迹数据文件： 2)在临界转速附近反复回放，观察轴心轨迹图的变化： 3)输出说明相位突变的图形文件。 5.观察滑动轴承的油膜涡动和油膜振荡现象
82 2）.设置测量参数 点击转子实验窗口上部工具条 按钮，在设置采样和通道参数对话框的 实验内容栏中选择 ，点击 ，即完成设置。 这里应注意在 4 个测量通道设置中，1ch 为转速，2ch 为水平转速，3ch 为垂直位移，4ch 为台 体振动。X-Y 轴心轨迹由 2、3ch 获得，谱阵和幅值曲线由 2ch 获得，各通道标定参数由缺省值 给出。分析仪采样频率为 2048Hz，程控放大为 1。 3）.测试轴振动的幅值-转速曲线 在转子实验窗口上部工具条一组分析模式中选择“幅值”，并点击 按钮，分析仪进 入采样与分析状态。缓慢旋动调速器转速按钮，使转子逐渐升速，至 8000 r/min 停止升速，点击 按钮，停止测量。然后快速将电机转速降至零，屏幕图形区显示完整的幅值-转速曲线。 点击鼠标将光标移至曲线最大幅值处。测得转子的临界转速及相应的水平幅值。 4）.保存数据与结果输出 a．点击工具条 按钮，保存数据文件，文件后缀为“CRS“； b．点击转子测试分析窗工具条上的“存图”图标，输出图形文件。 2．测定旋转轴的振动位移和台体的振动速度 1）点击转子实验窗口工具条 按钮，调出刚保存的数据文件进行回放。 2）在工具条分析模式中选择“频谱”，利用回放操作控件测得临界转速处轴振动的水平与垂直 位移量及台体振动的速度值，并输出图形。 3）.重新回放测转子在 1000 r/min 附近和 6000 r/min 附近轴的位移与台体振动。 3．观察旋转轴的轴心轨迹 1）选择分析和显示模式 在转子实验窗口左边操作控制区，数字跟踪滤波[F]下拉菜单选项中选择“基频 1X 带通”，在 X-Y 图轴心轨迹分析选项中，选择“显示波形频谱”，其余保存不变。在上部工具条分析模式中选择 “X-Y”。 2）点击工具条 按钮，缓慢旋动调速器转速旋钮，观察升速过程的轴心轨迹图，至 4000 r/min 停止测试，并存盘保存数据文件。 4．验证转子过临界转速时，轴振动的相位突变 1）调出轴心轨迹数据文件； 2）在临界转速附近反复回放，观察轴心轨迹图的变化； 3）输出说明相位突变的图形文件。 5．观察滑动轴承的油膜涡动和油膜振荡现象 设置[P] 常规实验缺省值（C） 确定（Y） 开始[O] 停止[Q] 存盘[S] 调盘[L] 开始[O]
1).在转子实验窗口左边操作控制区，数字跟踪滤波器下拉菜单选项中，选择0~1X低通滤波， 在上部工具条选择“幅值”。 2)点击工具条 开始[O]按钮，逐渐提高电机转速，观察转轴半频幅值-转速曲线， 在转速n=2n,附近的变化。当n=8000 r/min时，点击工具条 停止[Q] 按钮， 停止测量，并使电机转速回零，再点击工具条 存盘[S] 按钮，保存数据文件。 3)调盘回放数据文件，选择工具条“X-Y“图分析模式，在n=2n附近观察轴心轨迹图的变 化。 4)退出DASP软件结束本次实验。 五，实验结果 1.单圆盘转子的临界转速及转轴与台体在测点处的振动量： 测试内容 1000rmin附近 临界转速 6000rmin附近 转速((r/min) 转轴水平振幅(m) 转轴垂向振幅(m) 台体振动量(cm/s) 2.轴振动的幅值-转速特性曲线： 3.轴与台体在临界转速处的幅频图： 4.转轴过临界转速前后的轴心轨迹图。 六.注意事项 1.启动转子实验台前，请务必检查油杯贮油情况，若缺油应加注机油：每次试验前都应检查各 部件螺丝是否松动： 2.在观察到临界转速的相关现象后，应及时降速或升速，以保护设备： 3.油膜振荡产生后，转速很高，振动很大，现象看清后，应尽快停止运转，或把转速降下来： 4.转子实验台若出现异常情况，应立即停止运转，并报告实验指导老师即时处理。 七。思考题 1.不运行转子实验台，能否确定转子的临界转速，为什么？ 2.转子的工作转速相对临界转速的范围应如何选取，为什么？ 83
83 1）.在转子实验窗口左边操作控制区，数字跟踪滤波器下拉菜单选项中，选择 0~1X 低通滤波， 在上部工具条选择“幅值”。 2）点击工具条 按钮，逐渐提高电机转速，观察转轴半频幅值-转速曲线， 在转速 cr n 2n 附近的变化。当 n＝8000 r/min 时，点击工具条 按钮， 停止测量，并使电机转速回零，再点击工具条 按钮，保存数据文件。 3）调盘回放数据文件，选择工具条“X-Y“图分析模式，在 cr n 2n 附近观察轴心轨迹图的变 化。 4）退出 DASP 软件结束本次实验。 五．实验结果 1．单圆盘转子的临界转速及转轴与台体在测点处的振动量； 测试内容 1000 r/min 附近 临界转速 6000 r/min 附近 转速(r/min) 转轴水平振幅(m) 转轴垂向振幅(m) 台体振动量(cm/s) 2．轴振动的幅值-转速特性曲线； 3．轴与台体在临界转速处的幅频图； 4．转轴过临界转速前后的轴心轨迹图。 六．注意事项 1．启动转子实验台前，请务必检查油杯贮油情况，若缺油应加注机油；每次试验前都应检查各 部件螺丝是否松动； 2．在观察到临界转速的相关现象后，应及时降速或升速，以保护设备； 3．油膜振荡产生后，转速很高，振动很大，现象看清后，应尽快停止运转，或把转速降下来； 4．转子实验台若出现异常情况，应立即停止运转，并报告实验指导老师即时处理。 七．思考题 1．不运行转子实验台，能否确定转子的临界转速，为什么？ 2．转子的工作转速相对临界转速的范围应如何选取，为什么？ 开始[O] 按钮 停止[Q] 存盘[S]