《透平強度與振動》

《透平強度與振動》實驗指導(dǎo)書哈爾濱工業(yè)大學(xué)制2012年12月前言工程測試技術(shù)課程近年來已為國內(nèi)工科大專院校各專業(yè)所普遍重視。這門課對于培養(yǎng)和提高學(xué)生的實驗研究能力，為今后在工作崗位上從事生產(chǎn)和科學(xué)研究都是極為重要的。振動測試是工程測試技術(shù)的一部分，是解決工程振動問題的極為重要的、必不可少的手段之一。這是由于實際的機(jī)械系統(tǒng)往往比我們借以進(jìn)行理論探討的物理模型要復(fù)雜得多，因此理論計算結(jié)果是有誤差的。驗算經(jīng)過簡化和假設(shè)而得來的理論計算的可靠性僅僅是實驗研究的任務(wù)之一。本實驗課的主要目的在于培養(yǎng)同學(xué)們的獨立分析問題和解決問題的能力。實驗指導(dǎo)書著重于傳感器和儀器的基本原理，對基本的結(jié)構(gòu)應(yīng)用敘述不多。同學(xué)們應(yīng)通過參加具體的實驗去掌握。實驗一：葉片自由振動一、實驗?zāi)康膶W(xué)習(xí)用自由振動方法測定葉片的一階固有頻率。二、簡述1.自由振動當(dāng)葉片受到一個沖擊后，它將產(chǎn)生各種振型的合成振動，由于阻尼的存在，振動是衰減的，頻率越高衰減越快，因此，實際上經(jīng)過一個極短的時間間隔，只能測到第一階振動，而其他階振動減弱到測量不出來的程度。2.磁阻式振動傳感器的工作原理葉片的振動是機(jī)械振動。為了測量上的方便，我們先把葉片的機(jī)械振動轉(zhuǎn)換成電量，這個工作可以用傳感器來完成。傳感器的種類很多，本次實驗所用的是磁阻式傳感器。磁阻式傳感器的結(jié)構(gòu)原理如圖1所示，它是由永久磁鐵1，感應(yīng)線圈2和軟鐵3組成，感應(yīng)線圈套在軟鐵上，使傳感器的軸線與葉片振動方向一致，并使間隙δ=2毫米左右。圖1磁阻式傳感器原理當(dāng)葉片發(fā)生振動時，使空氣間隙厚度δ產(chǎn)生變化，從而改變了磁路的磁阻（圖中以封閉的虛線表示磁路），因而改變了貫穿線圈的磁通外在線圈中產(chǎn)生一感應(yīng)電勢s=-d?3.用李沙育圖形測量頻率的方法在很多測量技術(shù)中，人們經(jīng)常采用“比較法”。它是用已知量與同類的未知量去比較，從而確定未知量。利用李沙育圖形測量頻率的原理（圖2），就是基于被測頻率f和已知頻率fH相比較而進(jìn)行測量的。圖2李沙育圖形的獲得其被測頻率的大小，由熒光屏上所顯示的圖形來確定。若將被測頻率的電壓u和已知頻率的電壓uH（均為正弦交流）分別送至示波器的Y軸和X軸，熒光屏上就出來橢圓圖形。三、實驗內(nèi)容及步驟1.測繪實驗葉片的尺寸，作為理論計算的依據(jù)。2.按圖3連接測量電路，并分析各部分的作用。圖3測量線路圖3.檢查電路連接無誤后，征得指導(dǎo)教師同意開啟電源，對葉片進(jìn)行實驗。4.用橡皮錘斷續(xù)敲擊葉片，使葉片發(fā)生振動。同時不斷改變信號發(fā)生器輸出電壓的頻率，直到示波器上出現(xiàn)不晃動的橢圓圖形為止。這時信號發(fā)生器的頻率與葉片振動頻率相同，頻率值可由頻率計讀得，也可在信號發(fā)生器的刻度盤上直接讀數(shù)。5.實驗完畢后，關(guān)閉電源，拆除連接導(dǎo)線，整理現(xiàn)場。四、實驗結(jié)果1.按繪測的尺寸，計算葉片一階固有頻率，并和實驗結(jié)果作比較，計算相對誤差。試分析產(chǎn)生誤差的原因。2.繪出測量電路圖，闡述實驗過程和各部分的作用。五、預(yù)習(xí)要求1.詳細(xì)閱讀實驗指導(dǎo)書。2.預(yù)習(xí)示波器，信號發(fā)生器和前量放大器的基本知識，了解其功能。3.預(yù)習(xí)有關(guān)電工知識，進(jìn)一步理解磁阻式傳感器的工作原理。實驗二：葉片的強迫振動一、實驗?zāi)康膶W(xué)習(xí)用簡諧激振的方法測量葉片各階固有頻率。觀察葉片各階共振現(xiàn)象。二、簡述共振受迫振動和自由振動不同。當(dāng)周期性激振力作用到葉片上時，強迫葉片按激振力的頻率振動，而與葉片自振頻率無關(guān)。受迫振動的振幅大小決定于激振力的大小、頻率以及葉片自振頻率和阻尼大小。下面分析具有粘性阻尼的單自由度系統(tǒng)，當(dāng)受到簡諧力F0mx+cx這個方程的穩(wěn)態(tài)解為：x=Xsin（ωt+?）式中X是振動的振幅，?是位移相對于激振力的相位角。把（2--2）式代入（2--1）式就可以找到（2--2）式中的振幅和相位X=F0K1上式還可以進(jìn)一步表示為下列量的函數(shù)ωn=Cc=?=CC于是得到振幅的表達(dá)式。X=F0K1對于單自由度系統(tǒng)而言，K、ωｎ和?都是常數(shù)。因此，當(dāng)激振力大小不變時，振幅只和激振力頻率有關(guān)，當(dāng)ωωn接近1時，即ω=ω顯然加速度幅值為A=F0Kω可以證明，當(dāng)ωωn=11-電動式激振器的工作原理產(chǎn)生激振力的裝置稱激振器。本次實驗應(yīng)用電動式激振器。電動式激振器的結(jié)構(gòu)原理如圖4所示，它是由永久磁鐵1，動圈架2，線圈3，接桿4和上、下彈簧片5等組成，線圈是繞在動圈架上的。圖4激振器的結(jié)構(gòu)原理當(dāng)功率放大器供給動圈可變頻率電流時，由于動圈處在由永久磁鐵產(chǎn)生的磁場中，因此動圈產(chǎn)生電磁力，并通過拉桿作用在葉片上，其大小根據(jù)電磁感應(yīng)定律可以得到：F=0.102BLI×10式中：F為電磁力，即激振力；B為工作氣隙中磁感應(yīng)強度（高斯）；I為通過線圈的電流瞬時值（安培）；L為切割磁力線的線圈的導(dǎo)線的有效長度（米）。壓電式加速度計的工作原理在振動測量中，廣泛采用壓電式傳感器測量震動參數(shù)。壓電式傳感器的工作原理是以某些電介質(zhì)的壓電效應(yīng)為基礎(chǔ)的。當(dāng)晶體發(fā)生機(jī)械變形時，它們的相對面上產(chǎn)生異號電荷，這種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。常見的壓電材料有石英。酒石酸負(fù)，鈦酸鋇等。壓電式加速度計的結(jié)構(gòu)原理如圖6所示，壓電晶體片2放置在基礎(chǔ)1上，上面為慣性質(zhì)量塊4，用片彈簧5把壓電晶體壓緊，使壓電晶體片2產(chǎn)生一個預(yù)應(yīng)力。圖5晶體片上電荷符號與受力方向的關(guān)系圖6壓電式加速度傳感器當(dāng)待測物體振動時，慣性質(zhì)量塊產(chǎn)生一個與加速度成正比的慣性力F作用在壓電晶體片上，因而產(chǎn)生了電荷Q。而F與加速度α成正比，因此電荷Q與加速度α成正比。從而可以用電荷量Q來表示所測振動體的加速度α。因為傳感器的電容量C0是不變的，因此也可以用電壓EE=Q電壓式加速度計的內(nèi)阻較高，為了使阻抗匹配，要在加速度計和測振儀之間加一個阻抗變換器（參見圖7）。圖7測量系統(tǒng)圖測量系統(tǒng)圖用共振法測量葉片的固有頻率的測量系統(tǒng)如圖7所示。信號發(fā)生器產(chǎn)生的信號，一方面送至頻率計，可以精確地讀出信號的頻率；另一方面經(jīng)功率放大輸?shù)郊ふ衿鞯膭尤?。此動圈在磁場的作用下便產(chǎn)生往復(fù)運動，動圈是通過拉桿和葉片連在一起的，因此葉片與其一起振動，振動頻率與信號發(fā)生器產(chǎn)生的信號頻率相同。緩慢地改變信號發(fā)生器輸出信號的頻率，當(dāng)此頻率與葉片的某一振型的固有頻率相等時，葉片便產(chǎn)生共振。此時葉片的振動將明顯增大，同時發(fā)出較大的響聲。葉片的振動信號由加速度計通過阻抗變換器送到測振儀，振動訊號大小可以由示波器來顯示。三、實驗內(nèi)容及步驟閱讀各儀器說明書。按圖7連接測量系統(tǒng)，并分析各部分的作用。檢查線路，確認(rèn)連接無誤后，征得指導(dǎo)教師同意，開電源進(jìn)行實驗。注意：在使用功率放大器過程中，開啟電源時，必須先開低壓后開高壓；而關(guān)閉電源時，必須先關(guān)高壓后關(guān)低壓。其它一些有高低壓開關(guān)的儀器一般也是如此。此外，在使用功率放大器時必須街上負(fù)荷。測量實驗葉片的最低的三階固有頻率，并觀察其振型。緩慢地由低到高地改變信號發(fā)生器輸出信號的頻率，同時注意觀察測振儀指示表上讀數(shù)和示波器波形大小。開始時，隨著急診頻率的上升，振動也隨之而加強，直到到達(dá)共振頻率，激振力頻率再升高，振動就隨之變?nèi)?，一直到最弱點（稱為反共振點參見圖8），激振力頻率繼續(xù)升高，振動又開始隨之變強，直至到達(dá)第二個共振頻率。圖8激振力頻率與加速度關(guān)系為了觀察振型，在共振時，可以在葉片上撒一些細(xì)沙，根據(jù)沙粒的跳動情況來判斷振型；也可以用鋼筆在葉片各處進(jìn)行探測，幫助觀察振型。實驗結(jié)束后，關(guān)閉電源，拆除連接導(dǎo)線，整理現(xiàn)場。四、實驗結(jié)果把實驗所得頻率值和理論計算頻率值進(jìn)行比較，計算相對誤差。分析誤差產(chǎn)生的原因。繪出測量系統(tǒng)圖，并簡單地說明實驗步驟和各部分的作用。五、預(yù)習(xí)要求詳細(xì)閱讀實驗指導(dǎo)書。復(fù)習(xí)有關(guān)阻抗匹配的知識，理解阻抗變換器的作用。預(yù)習(xí)有關(guān)電工知識，進(jìn)一步理解電動式激振器的工作原理。實驗三：轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速測定及噪聲測量實驗?zāi)康恼莆諏嶒瀮x器的操作方法。根據(jù)轉(zhuǎn)子振幅和相位的變化測量轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速。掌握噪聲的測量方法。實驗設(shè)備、儀器及其作用多功能柔性轉(zhuǎn)子試驗臺（參見圖9）可提供單跨和雙跨的試驗轉(zhuǎn)子。非接觸位移、振幅測量儀它配有兩個渦流傳感器，兩個前置器及放大顯示器，其主要作用是通過電渦流效應(yīng)來測量被測物體的靜位移及振動幅值的大小。儀器的接線如圖9所示，前置器的信號直接輸入到測振儀內(nèi)。示波器用來觀察振動波形和軸心運動軌跡。轉(zhuǎn)速顯示表用來測量轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，使得軸每旋轉(zhuǎn)一周給儀器一個脈沖信號，將這一信號輸入轉(zhuǎn)速顯示表即可測量轉(zhuǎn)速。圖9試驗臺及儀器接線圖噪聲傳感器及測量系統(tǒng)噪聲傳感器的工作原理：在聲壓的作用下，膜片產(chǎn)生與聲波信號相對應(yīng)的振動，使膜片與不動的后極板之間的極距改變，導(dǎo)致該電容器電容量的相應(yīng)變化。運用直流極化電路輸出一交變電壓，此輸出電壓的大小和波形由作用膜片上的聲壓所決定。噪聲測量系統(tǒng)：采集振動、噪聲傳感器所獲得的電壓信號，對該信號進(jìn)行實施分析及相應(yīng)的后處理，同時能夠?qū)?shù)據(jù)下載進(jìn)行再處理。實驗內(nèi)容及步驟單跨單盤轉(zhuǎn)子實驗按圖9接線開車運轉(zhuǎn)，慢慢升速，記下不同轉(zhuǎn)速時所對應(yīng)的振幅值。通過噪聲測試分析系統(tǒng)，觀察噪聲水平隨轉(zhuǎn)速變化規(guī)律。通過臨界轉(zhuǎn)速后，隨轉(zhuǎn)速升高，振動降低。停車過程中觀察上述現(xiàn)象。將測量值與計算值進(jìn)行比較。實驗注意事項傳感器安裝應(yīng)牢固可靠，水平方向與垂直方向的兩傳感器不要