對(duì)機(jī)械高速旋轉(zhuǎn)振動(dòng)系統(tǒng)的探究

王童童 楊坤祥 王涑宇 陳元睿

摘要：高速旋轉(zhuǎn)相關(guān)的機(jī)械是諸多行業(yè)的關(guān)鍵設(shè)備，比如飛機(jī)航行、造船、用電系統(tǒng)等許多行業(yè)都離不開這種機(jī)械，因?yàn)樗粌H具備運(yùn)行方面的安全性，還有著生產(chǎn)方面的高效性，這些都是其他設(shè)備所不具備的。本文從實(shí)際情況出發(fā)，對(duì)該檢測系統(tǒng)研究的意義及方法進(jìn)行了簡要闡述，論述了監(jiān)測的相關(guān)系統(tǒng)的工作原理。同時(shí)，對(duì)檢測系統(tǒng)的技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)分析。希望在今后，機(jī)械高速旋轉(zhuǎn)振動(dòng)系統(tǒng)可以發(fā)揮出它最大的優(yōu)勢(shì)，為其他機(jī)械的研究提供了更為有效的科學(xué)理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：高速旋轉(zhuǎn)機(jī)械；振動(dòng)監(jiān)測；系統(tǒng)分析；光纖束；

引言

近年來，我國的航空、船舶、能源、化工業(yè)等各個(gè)領(lǐng)域在技術(shù)上都取得了長足的發(fā)展，大型高速旋轉(zhuǎn)機(jī)便是促進(jìn)其發(fā)展的關(guān)鍵性設(shè)備之一。利用高速旋轉(zhuǎn)機(jī)不僅可以提高工作效率，還使得各類機(jī)械的運(yùn)行更為安全、可靠。因此，對(duì)機(jī)械高速旋轉(zhuǎn)機(jī)進(jìn)行系統(tǒng)檢測是很有必要的。探究機(jī)械高速旋轉(zhuǎn)振動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)，可以使得設(shè)備在任何情況之下，都能保證完成機(jī)械自身的高速度旋轉(zhuǎn)對(duì)系統(tǒng)徑向振動(dòng)檢測的重要任務(wù)。

一、檢測系統(tǒng)研究的意義及方法

隨著我國綜合國力的不斷增強(qiáng)和國民生活水平的的不斷提高，旋轉(zhuǎn)的相關(guān)機(jī)械在用電系統(tǒng)、能源的應(yīng)用、造船行業(yè)、飛機(jī)飛行等行業(yè)發(fā)揮著越來越重要的作用。由高速的以固定的轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子、靜子和極為重要的機(jī)匣成軸組成的，其自動(dòng)化的相關(guān)程度高，結(jié)構(gòu)相對(duì)來說比較復(fù)雜，具有驚人的轉(zhuǎn)速，并具有效率性高，精度高、可靠性相對(duì)來說比較高的高的特點(diǎn)的機(jī)械的高度旋轉(zhuǎn)是決定這些行業(yè)在國內(nèi)快速發(fā)展的重要設(shè)備，因此我們對(duì)待此類機(jī)械的性能要求極高，這也是這些機(jī)械行業(yè)中所要認(rèn)真對(duì)待的問題。

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展進(jìn)步，對(duì)振動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)的研究方法也是多種多樣的，主要是運(yùn)用了反射式的光纖高速傳感器對(duì)其振動(dòng)進(jìn)行檢測，它較普通的光纖傳感器精確度及準(zhǔn)確度都較高，但它自身也存在很多不足之處，首先這種光線傳感器的測量是以信息為基礎(chǔ)的，很容易受到電磁波的干擾，如果這種光纖傳感器在極其惡劣的環(huán)境下其精確度會(huì)嚴(yán)重下降，因此來說，對(duì)其檢測系統(tǒng)的還要做更進(jìn)一步的研究，以便于提高測量的精確度使之更好地運(yùn)用于實(shí)踐中。

二、監(jiān)測的相關(guān)系統(tǒng)的工作原理

有關(guān)機(jī)械的高速旋轉(zhuǎn)徑向振動(dòng)的工作原理是利用了光之間的相互作用和物理知識(shí)的交融進(jìn)行的結(jié)果。首先半導(dǎo)體的激光器是一個(gè)發(fā)光的裝置，它發(fā)出的光由高速旋轉(zhuǎn)的軸系中的轉(zhuǎn)子進(jìn)行接收，從而使測出來的結(jié)果與調(diào)節(jié)區(qū)所受的的光相互影響，是相互作用的光發(fā)生物理變化，最后使其變成所需的信號(hào)光再由接收器一一接收。由振動(dòng)所造成的轉(zhuǎn)軸與測量儀器的頭部的發(fā)生了位移變化會(huì)導(dǎo)致光線強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的信號(hào)的變化，進(jìn)而就能測出對(duì)應(yīng)的機(jī)械不同方向振動(dòng)的振動(dòng)量。

三、檢測系統(tǒng)的技術(shù)分析與實(shí)驗(yàn)分析

（1）半導(dǎo)體控制系統(tǒng)

該檢測系統(tǒng)分為半導(dǎo)體控制系統(tǒng)和光纖耦合的對(duì)應(yīng)系統(tǒng)，他們?cè)跈z測的過程中分別發(fā)揮著不同的作用。半導(dǎo)體系統(tǒng)提供的光源為徑向振動(dòng)的檢測提供了一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的環(huán)境，即在溫度恒定和在電流恒定的條件之下，實(shí)現(xiàn)了半導(dǎo)體激光器對(duì)其功率恒定的控制，從而使其在其探究的過程中減小不必要的誤差。但是受到半導(dǎo)體自身材料的限制，半導(dǎo)體激光器會(huì)受到電網(wǎng)波動(dòng)和外界環(huán)境溫度的影響，因此其穩(wěn)定性很差。

（2）激光光纖耦合系統(tǒng)

在機(jī)械高速旋轉(zhuǎn)振動(dòng)系統(tǒng)檢測過程中，除了需要高性能的二極管之外，光纖耦合系統(tǒng)也是研究過程中必不可少的，因?yàn)榍娴墓饩€微透鏡要比平面的耦合效率高，所以，這種光纖耦合系統(tǒng)要用曲面光纖系統(tǒng)的微透鏡。同時(shí)，高效率的激光與平面的光線微透鏡的耦合率只有百分之二十到百分之三十，使用高效率的激光和曲面的微透鏡不僅提高了耦合的效率和精確度，還降低了其成本。

（3）光纖束的構(gòu)造

在對(duì)高速度旋轉(zhuǎn)的機(jī)械不同方向振動(dòng)檢測時(shí)，不但要克服光纖的強(qiáng)弱和光纖的損耗等會(huì)對(duì)測量造成誤差的問題，同時(shí)也要消除光束的波動(dòng)性強(qiáng)弱和光纖的損耗程度對(duì)測量結(jié)果造成影響，要對(duì)光纖束結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有著極其高的要求，對(duì)入射光纖和接收的光纖采用同軸分布，對(duì)入射光纖要使用較小的孔徑的單膜光纖，對(duì)于接受光纖則要采用較大的孔徑和多膜光纖且二者以同心分布，這樣的結(jié)構(gòu)不僅控制了光的波動(dòng)性，還避免了光纖的損耗。

光纖束的構(gòu)造設(shè)計(jì)是在有著大量蒸汽的工作環(huán)境下，在狹小的空間內(nèi)，既有強(qiáng)力的電磁波干擾，機(jī)械高速旋轉(zhuǎn)機(jī)的轉(zhuǎn)軸也在快速旋轉(zhuǎn)的情況下，應(yīng)用傳感器的一頭才開始進(jìn)行檢測的。但這種現(xiàn)象往往會(huì)造成被測表面的加工情況不一致，最終使測量結(jié)果出現(xiàn)一定的偏差。同時(shí)，光源波動(dòng)和光纖問題都會(huì)給測量結(jié)果帶來一定的影響。因此，在測量的過程中，我們要注意把握好光線的質(zhì)量，保證光纖具有良好的接觸面等問題。選好研究設(shè)備，并對(duì)其進(jìn)行系統(tǒng)檢測是促進(jìn)工作順利進(jìn)行的關(guān)鍵，不僅可以避免產(chǎn)生不必要的數(shù)據(jù)誤差，也減少了重復(fù)試驗(yàn)的次數(shù)。而且，還可以提高工作效率和工作質(zhì)量。

（4）對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性進(jìn)行試驗(yàn)分析

對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性試驗(yàn)前提是在恒溫恒功率的條件下進(jìn)行的，以保證試驗(yàn)的準(zhǔn)確性。把系統(tǒng)預(yù)熱三十分鐘使其達(dá)到恒定的溫度并且把憑證功率相同，保證半導(dǎo)體達(dá)到一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡的狀態(tài)。在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)的測量時(shí)間是在兩分鐘之內(nèi)因此系統(tǒng)的穩(wěn)定性必須保持十分鐘才能確保其正確性，采取到足夠多的樣本比較其結(jié)果的差異。

實(shí)驗(yàn)必須在不同的條件下進(jìn)行比較實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，在其他條件相同的情況下，時(shí)期轉(zhuǎn)速不同來進(jìn)行測量。利用光纖探頭與軸系轉(zhuǎn)子間的縫隙不同，在不同的轉(zhuǎn)速下徑向振動(dòng)然后觀察測量值，其結(jié)果分散程度較大，測量值變化較小，原因可能是在轉(zhuǎn)軸高速運(yùn)轉(zhuǎn)的條件下，會(huì)因起點(diǎn)的較大變形，轉(zhuǎn)子與釘子之間間隙的增大是由振動(dòng)的增大引起的，因此間隙值與轉(zhuǎn)速成正比，實(shí)踐與理論是相符的，由此說明了振動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)的精確性極好。

在不同的旋轉(zhuǎn)速度之下，機(jī)械振東的頻率也屬不近相同的，在靜止的和運(yùn)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)軸之間進(jìn)行測量比較，其數(shù)值的變化相對(duì)來說比較小。因?yàn)樵诟咚俣冗\(yùn)轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)軸之間它的運(yùn)行狀態(tài)是非常不夠穩(wěn)定的，但通過旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子和固定不變的釘子之間的空隙來比較，空隙越大，其它的旋轉(zhuǎn)速度越大該振動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)的精度越大。這只是在理想狀態(tài)下的實(shí)驗(yàn)，與實(shí)際中的相關(guān)的機(jī)械的高速運(yùn)轉(zhuǎn)有一定差距這也是不可避免的。

四、結(jié)語

通過對(duì)機(jī)械的高速度旋轉(zhuǎn)的不同方向振動(dòng)的說明和探究，針對(duì)在檢測過程中存在的問題，設(shè)計(jì)出了反射式的光纖系統(tǒng)的傳感器；通過合理的參數(shù)設(shè)計(jì)出了半導(dǎo)體的良好的控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了高效率激光與曲面透鏡的耦合；同時(shí)，利用光纖束控制了光的強(qiáng)弱波動(dòng)和光纖的損耗。因此可以說明機(jī)械高速旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)具有很強(qiáng)的穩(wěn)定性和高度的準(zhǔn)確性。相信在不久的將來，機(jī)械高速旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)可以在更多領(lǐng)域作出卓越的貢獻(xiàn)。

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