振动测试与诊断工程案例

1工程案例工工程程案案例例•振动测试与诊断&计算机联合仿真专业实验室实验室条件1.计算机:戴尔（P42.4G/2.0GRAM/17’LCD）10台及其他,共计约20台2.分析软件:汽车虚拟试验场仿真软件VPG；流体分析软件CFX；噪声分析软件SYSNOICE；多物理场仿真软件（ANSYS/Multiphysics）；板料成型仿真软件（DYNAFORM）；疲劳分析软件（FE-SAFE）等。3.解算能力:可支持20个CPU的多机连网并行运算4.振动测试与信号处理硬件、软件条件硬件、软件条件（1）振动数据采集及噪声分析系统：B&K加速度计、B&K电荷放大器、Kistler加速度计、LMS-SC305数据采集及振动噪声分析系统、DEWE-501多通道数据采集系统、NR-500高速数据采集系统、HP3565动态分析系统、CF555频谱分析仪、Y6D-3A型动态应变仪、B&k4433声强测试仪；（2）STRAINBOOK616高速应变采集系、DRA-30A30通道数字动静态应变采集系统、LK-G30高精度激光位移传感器系统、其它配套的力、位移、应力、应变、温度等测量分析系统；••（（33））IPXIPX--1M481M48--LMCNCCDLMCNCCD图像采集系统、图像采集系统、TEACSR50CTEACSR50C磁带机、磁带机、日本日本XRXR--5000WB5000WB、、RD120TRD120T、、MR30MR30数据记录仪、高精度三坐标测量数据记录仪、高精度三坐标测量机等设备；机等设备；••（（44））拥有拥有100KW100KW电封闭、电封闭、50KW50KW机械封闭齿轮实验台等实验设备；机械封闭齿轮实验台等实验设备；••（（55））SC16SC16型光线示波器、型光线示波器、Probeye3300Probeye3300红外热成象系统、红外热成象系统、VS3300VS3300红红外线热像仪、激光散斑仪、表面轮廓仪等设备。外线热像仪、激光散斑仪、表面轮廓仪等设备。•内容介绍•1.车驱动轴扭振测试与控制•2.车轮边减速器断裂与结构拓扑优化•3.发动机热机耦合分析•4.发动机凸轮轴磨损原因分析问题解决思路问题解决思路„„通过测试与信号处理技术，发现问题关通过测试与信号处理技术，发现问题关键所在键所在„„通过通过CAECAE技术提供解决方案技术提供解决方案„„通过测试与信号处理技术验证通过测试与信号处理技术验证CAECAE方案方案„„解决方案实施解决方案实施驱动轴断裂驱动轴断裂驱动轴断裂驱动轴断裂系统标定系统标定扭矩频谱图扭矩频谱图••(a)(a)幅值谱幅值谱(b)(b)对数形式的幅值谱对数形式的幅值谱••图图扭矩信号频谱图扭矩信号频谱图((工况工况11、、3400rpm)3400rpm)•某车轮边减速器壳破裂问题研究问题出在哪里？是制造问题？还是设计问题？2233号号上上台台阶阶应应力力极极值值图图2333号轮号轮沙石沙石路上路上坡应坡应力极力极值图值图CAE分析结果显示：应力确实很大！是设计的问题。更棘手的问题是：是哪个零件的问题？如何解决问题？轴承的问题？齿轮的问题？箱体的问题？车身的问题？三、制动情况轮座板的拓朴优化拓朴优化模型三、制动情况轮座板的拓朴优化制动情况的托朴优化结果三、制动情况轮座板的拓朴优化制动情况的拓朴优化结果原结构拓扑优化结果改进后结构应力最大处应力最大处改进前后应力对比发动机箱体破裂系统振动传递特性测试系统振动传递特性测试系统振动传递特性测试系统振动传递特性测试主视图主视图侧视图侧视图图图系统振动传递特性测试系统振动传递特性测试图图3.143.14激振源激振源11对测点对测点11图图3.153.15激振源激振源22对测点对测点11激振源激振源11：测量点：测量点11、、22、、33、、44的传函分析可得到的传函分析可得到59Hz59Hz和和5300Hz5300Hz两个较大的幅值区两个较大的幅值区图图3.153.15可知，在箱体支撑夹具上激振源可知，在箱体支撑夹具上激振源22对箱体将产生对箱体将产生59Hz,657Hz,59Hz,657Hz,1250Hz,1950Hz,3248Hz,5800Hz1250Hz,1950Hz,3248Hz,5800Hz等数个峰值区，形成耐久试验安等数个峰值区，形成耐久试验安装方式振动的一些特点。装方式振动的一些特点。台架测试台架测试传感器布置传感器布置主视图主视图侧视图侧视图测点布置图（测点布置图（ThepositionofpointoftestThepositionofpointoftest））倒谱分析倒谱分析测点测点22的频谱分析（的频谱分析（5500rpm5500rpm））测点测点11的倒谱分析（的倒谱分析（5500rpm5500rpm））相关分析相关分析图图3.193.19显示显示4000Hz4000Hz附近峰值最大，低频部分具有谐波分量存附近峰值最大，低频部分具有谐波分量存在，这点在相关分析及倒频谱图上亦得到证实。在，这点在相关分析及倒频谱图上亦得到证实。图图3.203.20频谱显示频谱显示169Hz169Hz，，1000Hz1000Hz存在较大峰值。存在较大峰值。图图3.213.21相关分析显示信号存在周期信号。相关分析显示信号存在周期信号。应力测试应力测试原耐久应力计算序号3500rpm6000rpm应变片号MPaMPa190.62589.247521.232529.507530.5830.01540.8725.08558.2658.26566.6720.735190.62589.2475710.29521.2425826.317516.1675911.613.1225101.232528.7825114.20519.8651214.545.7475132.17542.34146.307526.2451535.52574.89251621.7521.3151712.542518.48751827.7522.4052225.302526.39◆发动机箱体破裂原因测功机振动信号发动机振动信号底座、悬架等振动信号裂纹数据处理与故障信息提取数据处理与故障信息提取05001000150020002500300002000400060008000转速rpmRMS值RMS值（原耐久）RMS值（性能机）信号处理中需要注意的问题信号处理中需要注意的问题„„趋势项及产生原因趋势项及产生原因„„消除趋势项的方法消除趋势项的方法趋势项及产生原因趋势项及产生原因„„由于放大器随温度变化产生的由于放大器随温度变化产生的零点漂移零点漂移;;„„传感器频率范围外低频性能的不稳定传感器频率范围外低频性能的不稳定;;„„传感器周围的环境干扰等传感器周围的环境干扰等;;输入电压ui=0输出电压uo在振动测试中采集到的振动信号数据往往会偏离基线，甚至偏离基线的大小还会随时间变化。偏离基线随时间变化的整个过程被称为信号的趋势项。趋势项的影响趋势项的影响趋势项直接影响信号的正确性。00.511.5-30-20-100102030时间(s)位移（m）原加速度信号二次积分消除趋势项后二次积分消除趋势项的方法消除趋势项的方法„„常用的方法是多项式最小二乘法；常用的方法是多项式最小二乘法；„„数据平滑。数据平滑。多项式最小二乘法多项式最小二乘法„„实测振动信号的采样数据为实测振动信号的采样数据为{{xxkk}}（（kk=1,2,=1,2,……,,nn），设一个多），设一个多项式函数：项式函数：确定待定系数确定待定系数aajj，使，使与与xxkk的误差平方和最小，即的误差平方和最小，即102()0(i=1,2,...,m)nmijjkkjiEkakxa==∂=−=∂∑∑1010(i=1,2,...,m)nmnjiijkkjkakxk+===−=∑∑∑m为设定的多项式阶次满足E有极值的条件为：产生一个m+1元线性方程组：消除趋势项的计算公式为：多项式最小二乘法（续）多项式最小二乘法（续）„„当当m=0m=0时，时，常数趋势项常数趋势项，有，有消除常数趋势项的计算公式为消除常数趋势项的计算公式为::„„当当m=1m=1时，时，线性趋势项线性趋势项，有，有消除线性趋势项的计算公式为消除线性趋势项的计算公式为::当当mm≥≥22时，时，曲线趋势项曲线趋势项。。通常取通常取m=1m=1～～33对采样数据进行多项式趋势项消除处理。对采样数据进行多项式趋势项消除处理。011nkkaxn==∑00110011112011111112(21)60(1)0126(1)(1)(1)nnkknnnkkkkkknnnnnkkkkkkkknxxkaakakxknnakakxkxknxannn==========⎧+−⎪⎧⎪=+−=⎪−⎪⎪⇒⎨⎨⎪⎪+−=−−⎪⎪⎩=⎪−+⎩∑∑∑∑∑∑∑∑∑∑信号采样数据的算术平均值多项式最小二乘法（续）多项式最小二乘法（续）------举例举例00.10.20.30.4-0.06-0.04-0.0200.020.040.06时间（s）位移（mm）输入输出趋势00.10.20.30.4-0.08-0.06-0.04-0.0200.020.040.06时间（s）位移（mm）输入输出趋势00.10.20.30.4-0.06-0.04-0.0200.020.040.06时间（s）位移（mm）输入输出趋势00.10.20.30.4-0.06-0.04-0.0200.020.040.060.08时间（s）位移（mm）输入输出趋势m=0m=1m=2m=3数据平滑数据平滑„„削弱不规则的随机干扰信号的影响，使采集到削弱不规则的随机干扰信号的影响，使采集到的离散数据绘成的振动曲线平滑，毛刺少。的离散数据绘成的振动曲线平滑，毛刺少。„„消除信号的不规则趋势项。消除信号的不规则趋势项。测试仪器由于意外干扰，造成个别测点的采样测试仪器由于意外干扰，造成个别测点的采样信号产生偏离基线较大且形状不规则的趋势信号产生偏离基线较大且形状不规则的趋势项。进行多次数据平滑处理。项。进行多次数据平滑处理。平均法平均法„„平均法的基本计算公式为：平均法的基本计算公式为：加权平均因子必须满足下式：加权平均因子必须满足下式：„„对于简单平均法，有：对于简单平均法，有：即即„„对于加权平均法，若作五点加权平均（对于加权平均法，若作五点加权平均（N=2N=2），可取），可取(i=1,2,...,m)NininnNyhx−=−=∑1NnnNh=−=∑1/(21)(n=1,2,...,N)nhN=+121NiinNNyxN−=−=+∑-2-10121{h}=(h,h,h,h,h)=(1,2,3,2,1)9m为数据点数x：采样数据2N+1:平均点数平均法（续）平均法（续）„„对于滑动平均法，利用最小二乘法原理对离散数据进对于滑动平均法，利用最小二乘法原理对离散数据进行线性平滑的方法称为直线滑动平均法。五点滑动平行线性平滑的方法称为直线滑动平均法。五点滑动平均（均（N=2N=2）的计算公式为：）的计算公式为：11234212341(32)51(432)10yxxxxyxxxx=++−=+++13213211(234)101(23)5mmmmmmmmmmyxxxxyxxxx−−−−−−−=+++=−+++21121()5iiiiiiyxxxxx−−++=++++......（i=3,4,…,m-2）平均法（续）平均法（续）------滑动平均法举例滑动平均法举例00.10.20.30.4-0.06-0.04-0.0200.020.040.06时间（s）位移（mm）输入输出趋势发动机凸轮-摇臂异常磨损发动机凸轮-摇臂异常磨损现场测试发动机凸轮-摇臂异常磨损原因发动机凸轮-摇臂异常磨损原因贴应变贴应变片处片处贴应变贴应变片处片处010020030040050060070001.953.95.857.89.7511.713.6515.617.55Time(ms)Stress(Mpa)•传感器1•传感器2•传感器3•传感器4温度与油压测试温度与油压测试Que