《透平强度与振动》

《透平强度与振动》实验指导书哈尔滨工业大学制2012年12月前言工程测试技术课程近年来已为国内工科大专院校各专业所普遍重视。这门课对于培养和提高学生的实验研究能力，为今后在工作岗位上从事生产和科学研究都是极为重要的。振动测试是工程测试技术的一部分，是解决工程振动问题的极为重要的、必不可少的手段之一。这是由于实际的机械系统往往比我们借以进行理论探讨的物理模型要复杂得多，因此理论计算结果是有误差的。验算经过简化和假设而得来的理论计算的可靠性仅仅是实验研究的任务之一。本实验课的主要目的在于培养同学们的独立分析问题和解决问题的能力。实验指导书着重于传感器和仪器的基本原理，对基本的结构应用叙述不多。同学们应通过参加具体的实验去掌握。实验一：叶片自由振动一、实验目的学习用自由振动方法测定叶片的一阶固有频率。二、简述1.自由振动当叶片受到一个冲击后，它将产生各种振型的合成振动，由于阻尼的存在，振动是衰减的，频率越高衰减越快，因此，实际上经过一个极短的时间间隔，只能测到第一阶振动，而其他阶振动减弱到测量不出来的程度。2.磁阻式振动传感器的工作原理叶片的振动是机械振动。为了测量上的方便，我们先把叶片的机械振动转换成电量，这个工作可以用传感器来完成。传感器的种类很多，本次实验所用的是磁阻式传感器。磁阻式传感器的结构原理如图1所示，它是由永久磁铁1，感应线圈2和软铁3组成，感应线圈套在软铁上，使传感器的轴线与叶片振动方向一致，并使间隙δ=2毫米左右。图1磁阻式传感器原理当叶片发生振动时，使空气间隙厚度δ产生变化，从而改变了磁路的磁阻（图中以封闭的虚线表示磁路），因而改变了贯穿线圈的磁通外在线圈中产生一感应电势s=-dϕ3.用李沙育图形测量频率的方法在很多测量技术中，人们经常采用“比较法”。它是用已知量与同类的未知量去比较，从而确定未知量。利用李沙育图形测量频率的原理（图2），就是基于被测频率f和已知频率fH相比较而进行测量的。图2李沙育图形的获得其被测频率的大小，由荧光屏上所显示的图形来确定。若将被测频率的电压u和已知频率的电压uH（均为正弦交流）分别送至示波器的Y轴和X轴，荧光屏上就出来椭圆图形。三、实验内容及步骤1.测绘实验叶片的尺寸，作为理论计算的依据。2.按图3连接测量电路，并分析各部分的作用。图3测量线路图3.检查电路连接无误后，征得指导教师同意开启电源，对叶片进行实验。4.用橡皮锤断续敲击叶片，使叶片发生振动。同时不断改变信号发生器输出电压的频率，直到示波器上出现不晃动的椭圆图形为止。这时信号发生器的频率与叶片振动频率相同，频率值可由频率计读得，也可在信号发生器的刻度盘上直接读数。5.实验完毕后，关闭电源，拆除连接导线，整理现场。四、实验结果1.按绘测的尺寸，计算叶片一阶固有频率，并和实验结果作比较，计算相对误差。试分析产生误差的原因。2.绘出测量电路图，阐述实验过程和各部分的作用。五、预习要求1.详细阅读实验指导书。2.预习示波器，信号发生器和前量放大器的基本知识，了解其功能。3.预习有关电工知识，进一步理解磁阻式传感器的工作原理。实验二：叶片的强迫振动一、实验目的学习用简谐激振的方法测量叶片各阶固有频率。观察叶片各阶共振现象。二、简述共振受迫振动和自由振动不同。当周期性激振力作用到叶片上时，强迫叶片按激振力的频率振动，而与叶片自振频率无关。受迫振动的振幅大小决定于激振力的大小、频率以及叶片自振频率和阻尼大小。下面分析具有粘性阻尼的单自由度系统，当受到简谐力F0mx+cx这个方程的稳态解为：x=Xsin（ωt+ϕ）式中X是振动的振幅，ϕ是位移相对于激振力的相位角。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上式还可以进一步表示为下列量的函数ωn=Cc=ς=CC于是得到振幅的表达式。X=F0K1对于单自由度系统而言，K、ωｎ和ς都是常数。因此，当激振力大小不变时，振幅只和激振力频率有关，当ωωn接近1时，即ω=ω显然加速度幅值为A=F0Kω可以证明，当ωωn=11-电动式激振器的工作原理产生激振力的装置称激振器。本次实验应用电动式激振器。电动式激振器的结构原理如图4所示，它是由永久磁铁1，动圈架2，线圈3，接杆4和上、下弹簧片5等组成，线圈是绕在动圈架上的。图4激振器的结构原理当功率放大器供给动圈可变频率电流时，由于动圈处在由永久磁铁产生的磁场中，因此动圈产生电磁力，并通过拉杆作用在叶片上，其大小根据电磁感应定律可以得到：F=0.102BLI×10式中：F为电磁力，即激振力；B为工作气隙中磁感应强度（高斯）；I为通过线圈的电流瞬时值（安培）；L为切割磁力线的线圈的导线的有效长度（米）。压电式加速度计的工作原理在振动测量中，广泛采用压电式传感器测量震动参数。压电式传感器的工作原理是以某些电介质的压电效应为基础的。当晶体发生机械变形时，它们的相对面上产生异号电荷，这种现象称为压电效应。常见的压电材料有石英。酒石酸负，钛酸钡等。压电式加速度计的结构原理如图6所示，压电晶体片2放置在基础1上，上面为惯性质量块4，用片弹簧5把压电晶体压紧，使压电晶体片2产生一个预应力。图5晶体片上电荷符号与受力方向的关系图6压电式加速度传感器当待测物体振动时，惯性质量块产生一个与加速度成正比的惯性力F作用在压电晶体片上，因而产生了电荷Q。而F与加速度α成正比，因此电荷Q与加速度α成正比。从而可以用电荷量Q来表示所测振动体的加速度α。因为传感器的电容量C0是不变的，因此也可以用电压EE=Q电压式加速度计的内阻较高，为了使阻抗匹配，要在加速度计和测振仪之间加一个阻抗变换器（参见图7）。图7测量系统图测量系统图用共振法测量叶片的固有频率的测量系统如图7所示。信号发生器产生的信号，一方面送至频率计，可以精确地读出信号的频率；另一方面经功率放大输到激振器的动圈。此动圈在磁场的作用下便产生往复运动，动圈是通过拉杆和叶片连在一起的，因此叶片与其一起振动，振动频率与信号发生器产生的信号频率相同。缓慢地改变信号发生器输出信号的频率，当此频率与叶片的某一振型的固有频率相等时，叶片便产生共振。此时叶片的振动将明显增大，同时发出较大的响声。叶片的振动信号由加速度计通过阻抗变换器送到测振仪，振动讯号大小可以由示波器来显示。三、实验内容及步骤阅读各仪器说明书。按图7连接测量系统，并分析各部分的作用。检查线路，确认连接无误后，征得指导教师同意，开电源进行实验。注意：在使用功率放大器过程中，开启电源时，必须先开低压后开高压；而关闭电源时，必须先关高压后关低压。其它一些有高低压开关的仪器一般也是如此。此外，在使用功率放大器时必须街上负荷。测量实验叶片的最低的三阶固有频率，并观察其振型。缓慢地由低到高地改变信号发生器输出信号的频率，同时注意观察测振仪指示表上读数和示波器波形大小。开始时，随着急诊频率的上升，振动也随之而加强，直到到达共振频率，激振力频率再升高，振动就随之变弱，一直到最弱点（称为反共振点参见图8），激振力频率继续升高，振动又开始随之变强，直至到达第二个共振频率。图8激振力频率与加速度关系为了观察振型，在共振时，可以在叶片上撒一些细沙，根据沙粒的跳动情况来判断振型；也可以用钢笔在叶片各处进行探测，帮助观察振型。实验结束后，关闭电源，拆除连接导线，整理现场。四、实验结果把实验所得频率值和理论计算频率值进行比较，计算相对误差。分析误差产生的原因。绘出测量系统图，并简单地说明实验步骤和各部分的作用。五、预习要求详细阅读实验指导书。复习有关阻抗匹配的知识，理解阻抗变换器的作用。预习有关电工知识，进一步理解电动式激振器的工作原理。实验三：转子临界转速测定及噪声测量实验目的掌握实验仪器的操作方法。根据转子振幅和相位的变化测量转子的临界转速。掌握噪声的测量方法。实验设备、仪器及其作用多功能柔性转子试验台（参见图9）可提供单跨和双跨的试验转子。非接触位移、振幅测量仪它配有两个涡流传感器，两个前置器及放大显示器，其主要作用是通过电涡流效应来测量被测物体的静位移及振动幅值的大小。仪器的接线如图9所示，前置器的信号直接输入到测振仪内。示波器用来观察振动波形和轴心运动轨迹。转速显示表用来测量转子的转速，使得轴每旋转一周给仪器一个脉冲信号，将这一信号输入转速显示表即可测量转速。图9试验台及仪器接线图噪声传感器及测量系统噪声传感器的工作原理：在声压的作用下，膜片产生与声波信号相对应的振动，使膜片与不动的后极板之间的极距改变，导致该电容器电容量的相应变化。运用直流极化电路输出一交变电压，此输出电压的大小和波形由作用膜片上的声压所决定。噪声测量系统：采集振动、噪声传感器所获得的电压信号，对该信号进行实施分析及相应的后处理，同时能够将数据下载进行再处理。实验内容及步骤单跨单盘转子实验按图9接线开车运转，慢慢升速，记下不同转速时所对应的振幅值。通过噪声测试分析系统，观察噪声水平随转速变化规律。通过临界转速后，随转速升高，振动降低。停车过程中观察上述现象。将测量值与计算值进行比较。实验注意事项传感器安装应牢固可靠，水平方向与垂直方向的两传感器不要