變頻調(diào)速導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)機(jī)械扭轉(zhuǎn)振動(dòng)問題研究進(jìn)展

中圖分類號(hào) TQ051 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 A 文章編號(hào) 0254-6094（2025）03-0357-（

在石油化工、航空航天、風(fēng)電熱力等行業(yè)中，壓縮機(jī)、渦輪泵、風(fēng)機(jī)等高端透平機(jī)械是必不可少的重要裝備，具有極其重要的戰(zhàn)略意義。其中，高速轉(zhuǎn)子是旋轉(zhuǎn)機(jī)械中最為關(guān)鍵的部件，據(jù)相關(guān)資料統(tǒng)計(jì)，在旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障案例中，近 80% 的故障是由于轉(zhuǎn)子故障引起的。因此，攻克旋轉(zhuǎn)機(jī)械轉(zhuǎn)子故障頻發(fā)的問題成為高端透平機(jī)械技術(shù)攻關(guān)的重中之重。

隨著化工技術(shù)的不斷發(fā)展，化工機(jī)械中旋轉(zhuǎn)設(shè)備功率迅猛增長，變頻調(diào)速裝置的應(yīng)用更加廣泛，變轉(zhuǎn)速工況也變得越來越常見，這也成為機(jī)組軸系扭振問題頻發(fā)的關(guān)鍵因素之一。變頻調(diào)速技術(shù)是通過變頻裝置改變輸人電機(jī)的電網(wǎng)頻率，使電流發(fā)生交流-直流-交流（AC-DC-AC）的轉(zhuǎn)化，將固定的電網(wǎng)頻率轉(zhuǎn)換為可變頻率，進(jìn)而調(diào)整電機(jī)的轉(zhuǎn)速。變頻調(diào)速技術(shù)不僅優(yōu)化了機(jī)組的啟動(dòng)性能和工作能效，而且便于對軸系轉(zhuǎn)速進(jìn)行無級(jí)調(diào)節(jié)，降低了工廠的成本。然而由電網(wǎng)電能轉(zhuǎn)化為機(jī)組機(jī)械能的轉(zhuǎn)換過程中，電氣與機(jī)械的耦合作用致使軸系扭振問題日益突出。

在彎曲振動(dòng)、軸向振動(dòng)和扭轉(zhuǎn)振動(dòng)3種轉(zhuǎn)子振動(dòng)類型中，彎曲振動(dòng)和軸向振動(dòng)均可采用電渦流位移傳感器對其位移量進(jìn)行監(jiān)測，而扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的表現(xiàn)形式比較特殊，比彎曲振動(dòng)和軸向振動(dòng)更加難以監(jiān)測，因此經(jīng)常會(huì)忽略扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，對扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的研究也比振動(dòng)現(xiàn)象明顯的彎曲振動(dòng)和軸向振動(dòng)的滯后。實(shí)際上，扭轉(zhuǎn)振動(dòng)可能非常劇烈，并且能夠毫無征兆地產(chǎn)生導(dǎo)致疲勞失效的破壞性交變應(yīng)力[1]。因此研究清楚扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的機(jī)理以及其在轉(zhuǎn)子故障中的表現(xiàn)形式，能夠更加深刻地揭示旋轉(zhuǎn)機(jī)械的振動(dòng)規(guī)律，為旋轉(zhuǎn)機(jī)械的故障診斷以及健康管理提供技術(shù)支持，保障了大型機(jī)組的安全可靠運(yùn)行。

有關(guān)轉(zhuǎn)子扭振問題最早的研究是在20世紀(jì)70年代，美國Mohave電站的一臺(tái)790MW機(jī)組勵(lì)磁機(jī)軸系在幾個(gè)月之內(nèi)連續(xù)發(fā)生兩次斷裂事故[1]，通過專家學(xué)者的討論研究，發(fā)現(xiàn)本次事故是因轉(zhuǎn)子扭振導(dǎo)致的勵(lì)磁機(jī)組軸系損壞。自此扭振問題出現(xiàn)在工程界與學(xué)術(shù)界的研究中。

1針對當(dāng)前變頻技術(shù)導(dǎo)致扭振問題研究

隨著變頻調(diào)速技術(shù)逐步在工廠中普及，變頻器調(diào)速引發(fā)扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的問題也被諸多學(xué)者專家所研究。目前針對變頻器導(dǎo)致的扭振問題，通常給出的解釋是變頻調(diào)速過程中機(jī)組的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)是由電機(jī)產(chǎn)生的脈動(dòng)扭矩所導(dǎo)致的。但是實(shí)際工程中變頻調(diào)速引發(fā)扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的原因主要有兩點(diǎn)，除了上述電機(jī)脈動(dòng)扭矩導(dǎo)致扭轉(zhuǎn)振動(dòng)外，變頻器與驅(qū)動(dòng)負(fù)載閉環(huán)機(jī)電耦合作用引發(fā)的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)也是一個(gè)不可忽視的因素[2]。

1.1 電機(jī)脈動(dòng)扭矩引發(fā)扭轉(zhuǎn)振動(dòng)

在變頻過程中，由于變頻器輸出的通常是脈沖寬度調(diào)制（PWM）波形，這會(huì)導(dǎo)致電機(jī)定子電流中包含多種頻率成分，除了基波頻率外，還有各種諧波頻率。變頻器產(chǎn)生的PWM波形中的非基波頻率成分會(huì)在電機(jī)的氣隙中產(chǎn)生額外的扭矩波動(dòng)，這種波動(dòng)稱為扭轉(zhuǎn)諧波激勵(lì)。這些激勵(lì)會(huì)導(dǎo)致電機(jī)輸出扭矩發(fā)生脈動(dòng)。這種脈動(dòng)扭矩與靜態(tài)扭矩疊加，如果脈動(dòng)頻率與轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的扭振固有頻率重合，就會(huì)導(dǎo)致扭振現(xiàn)象發(fā)生。

1.2變頻器與驅(qū)動(dòng)負(fù)載閉環(huán)機(jī)電耦合作用引發(fā)扭轉(zhuǎn)振動(dòng)

變頻器引發(fā)的扭轉(zhuǎn)諧波激勵(lì)會(huì)影響轉(zhuǎn)子系統(tǒng)產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，同時(shí)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)扭振引起的振蕩反向傳輸?shù)津?qū)動(dòng)端，電機(jī)控制系統(tǒng)對提取的受到振蕩影響的測量信號(hào)（如電機(jī)轉(zhuǎn)速、定子電流、定子電壓等）發(fā)出控制信號(hào)，這些控制信號(hào)會(huì)導(dǎo)致電機(jī)產(chǎn)生錯(cuò)誤的驅(qū)動(dòng)行為，使軸系扭振故障進(jìn)一步加重。閉環(huán)機(jī)電耦合作用適用于所有使用反饋控制的驅(qū)動(dòng)器，使用閉環(huán)反饋思維分析故障來源，而不是僅使用傳統(tǒng)的開環(huán)前饋思維分析扭振故障，開環(huán)前饋思維忽略了電機(jī)控制系統(tǒng)對扭振的響應(yīng)，這也導(dǎo)致扭轉(zhuǎn)振動(dòng)難以預(yù)測。采用閉環(huán)變頻系統(tǒng)可以顯著減少電機(jī)引起的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)[3]。

2扭轉(zhuǎn)振動(dòng)模型分析的研究

旋轉(zhuǎn)機(jī)械的軸系是在整個(gè)機(jī)組中主要承擔(dān)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的部件，在變轉(zhuǎn)速工況下需要承受極大的扭矩，轉(zhuǎn)子的運(yùn)動(dòng)形式是繞其軸線勻速轉(zhuǎn)動(dòng)疊加往復(fù)扭轉(zhuǎn)，故轉(zhuǎn)子的實(shí)際轉(zhuǎn)速是初始角速度加交變角速度。這就意味著轉(zhuǎn)子的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)可能會(huì)產(chǎn)生具有極強(qiáng)破壞性的旋轉(zhuǎn)振蕩，情況嚴(yán)重會(huì)造成整個(gè)機(jī)組的振蕩[4]。對軸系扭振問題進(jìn)行建模分析，以獲得軸系的扭振特性，為軸系扭振參數(shù)識(shí)別、扭振抑制和疲勞預(yù)測奠定基礎(chǔ)

WACHELJC和SZENASIFR主要在建模分析、監(jiān)測診斷等方面針對旋轉(zhuǎn)機(jī)械扭轉(zhuǎn)振動(dòng)做了較全面的論述[5]。WIDDLEJr.RD等提出了兩種扭轉(zhuǎn)振動(dòng)模型，假設(shè)轉(zhuǎn)子是剛性轉(zhuǎn)子或柔性轉(zhuǎn)子，該兼容模型允許更高頻的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)傳輸[6]。WANGM等利用多體動(dòng)力學(xué)仿真軟件ADAMS構(gòu)建了多自由度剛性混合動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的多體動(dòng)力學(xué)模型[7。姜興安運(yùn)用模態(tài)縮減法降低有限元建模計(jì)算的難度，并開發(fā)Comdyn-rotor軟件進(jìn)行扭振建模計(jì)算[8]。殷洪權(quán)基于虛擬樣機(jī)技術(shù)建立了高速多級(jí)離心泵機(jī)組軸系的虛擬樣機(jī)模型[9。劉家玲和梁偉華詳細(xì)介紹了高壓水泵軸系扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的簡化建模計(jì)算方法，能夠較為迅速地得出其扭轉(zhuǎn)振型[10]。MEIRELLESPS等建立了內(nèi)燃機(jī)扭振的數(shù)學(xué)模型，該公式基于狀態(tài)方程解，通過過渡態(tài)矩陣和卷積積分進(jìn)行系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)響應(yīng)計(jì)算[11]。YUCESANYA等構(gòu)建了一個(gè)用于使用物理信息神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)將扭轉(zhuǎn)減振器模型的輸出調(diào)整為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的框架，解決了由于簡化和模型假設(shè)帶來的誤差[12]。物理神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練模型如圖1所示。

CHENX等研究了單級(jí)傳動(dòng)齒輪系統(tǒng)的非線性扭轉(zhuǎn)振動(dòng)模型，比較了離散化法、微擾法、里茲法及運(yùn)動(dòng)方程的逐步時(shí)間積分法來求解軸系運(yùn)動(dòng)方程[13]。孫曉東等建立往復(fù)壓縮機(jī)軸系剛?cè)狁詈系膭?dòng)力學(xué)模型，研究飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等關(guān)鍵因素對軸系扭振特性的影響[14]。曾琪等構(gòu)建潛油電泵細(xì)長串聯(lián)軸系扭轉(zhuǎn)振動(dòng)模型，基于模型對聯(lián)軸器扭轉(zhuǎn)剛度與細(xì)長串聯(lián)軸系扭振特性的關(guān)系進(jìn)行研究[15]。崔亞輝等提出一種針對旋轉(zhuǎn)機(jī)械軸系扭振模型進(jìn)行實(shí)時(shí)在線自適應(yīng)調(diào)整的方法[16]。劉大偉和巴延博基于龍格-庫塔法的微分方程計(jì)算原理，構(gòu)建了低脈動(dòng)橢圓齒輪泵的多參變扭轉(zhuǎn)振動(dòng)模型[17]。GAOSX等建立扭轉(zhuǎn)振動(dòng)模型的最優(yōu)化方法，能夠快速精確獲得軸系的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)特性[18]。DACHARUMG基于三維實(shí)體模型有限元法分析了瞬態(tài)轉(zhuǎn)矩激勵(lì)下機(jī)組軸系的固有頻率和動(dòng)力學(xué)響應(yīng)，能夠提供更加真實(shí)的模擬分析結(jié)果[19]。SONGZQ等建立了水輪發(fā)電機(jī)軸系扭轉(zhuǎn)振動(dòng)模型，研究了電磁與液壓激勵(lì)頻率、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、轉(zhuǎn)子扭轉(zhuǎn)剛度以及軸系集中質(zhì)量對機(jī)組軸系扭振的影響[20]。AL-BEDOORBO等基于多體動(dòng)力學(xué)方法與拉格朗日動(dòng)力學(xué)方程，建立了從機(jī)組軸系扭轉(zhuǎn)振動(dòng)信號(hào)中提取葉片振動(dòng)特征參數(shù)的數(shù)學(xué)模型[21]

3扭轉(zhuǎn)振動(dòng)測量技術(shù)的研究

國內(nèi)外專家學(xué)者對于扭轉(zhuǎn)振動(dòng)測量與參數(shù)識(shí)別的研究起步較早，主要分為非接觸式扭振測量和接觸式扭振測量技術(shù)，前者能夠更加便捷、無損地對軸系進(jìn)行參數(shù)測量，其非侵入式、整機(jī)測量等優(yōu)點(diǎn)也被眾多專家學(xué)者所關(guān)注。

3.1 非接觸式扭振測量方法

王維民等提出了一種基于改進(jìn)葉端定時(shí)技術(shù)測量轉(zhuǎn)子扭轉(zhuǎn)振動(dòng)特征的碰摩故障診斷方法，通過傳感器監(jiān)測轉(zhuǎn)子扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的特征參量變化進(jìn)行碰摩故障的診斷預(yù)警[22]，如圖2所示。

李啟行等提出一種從側(cè)向彎曲振動(dòng)信號(hào)中提取弱扭轉(zhuǎn)振動(dòng)信號(hào)的方法，通過希爾伯特變換及希爾伯特振動(dòng)分解等方法，能夠在側(cè)向振動(dòng)信號(hào)中提取扭轉(zhuǎn)振動(dòng)信號(hào)[23]。翟功濤等提出基于葉端定時(shí)原理的扭振測量新方法，設(shè)計(jì)并開發(fā)了集葉片振動(dòng)及軸系扭轉(zhuǎn)振動(dòng)于一體的監(jiān)測系統(tǒng)，能夠在旋轉(zhuǎn)機(jī)械葉片振動(dòng)測量的同時(shí)實(shí)現(xiàn)軸系扭振監(jiān)測[24]。陳子文提出一種基于BTT法測量扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的原理，并結(jié)合基于軟件算法的高精度扭振測量方法，可以將扭振采樣頻率提高近32倍[25]。ZAFARANIM等基于轉(zhuǎn)子和聯(lián)軸器的集總質(zhì)量彈簧模型監(jiān)測振動(dòng)分量，并計(jì)算機(jī)組軸系的固有頻率和扭轉(zhuǎn)振動(dòng)模態(tài)[26]。XIANGL等基于多普勒激光測速原理提出利用多普勒測量扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的方法，通過改進(jìn)的Riccati扭轉(zhuǎn)傳遞矩陣方法，極大地減少了累積計(jì)算[27]。MERONOPA等針對用于測量轉(zhuǎn)子扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的數(shù)字時(shí)間間隔技術(shù)中存在角度編碼裝置的幾何變化及非恒定轉(zhuǎn)速等問題，提出了一種基于實(shí)際編碼器角間隔的參考陣列的編碼器原位標(biāo)定方法[28]。HENAOH等通過完全非侵入非接觸式測量技術(shù)處理高速旋轉(zhuǎn)機(jī)械傳動(dòng)中的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)評(píng)估，證明了軸系轉(zhuǎn)子可以通過估計(jì)其電磁扭矩用于扭轉(zhuǎn)振動(dòng)監(jiān)測，從而無需額外加裝扭振傳感器[29]。劉美茹等開展葉尖定時(shí)光纖傳感器加溫和冷卻試驗(yàn)研究，解決了渦輪葉片實(shí)際運(yùn)行過程中傳感器不易冷卻、定時(shí)脈沖難以獲取等問題[30]。

3.2 接觸式扭振測量方法

LIUC和JIANGDX針對有橫向和傾斜裂紋的轉(zhuǎn)子進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)分析和實(shí)驗(yàn)研究，設(shè)計(jì)了勵(lì)磁裝置測量轉(zhuǎn)子的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)特性[31]。JANSSENSK和BRITTEL對現(xiàn)有的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)測量方法與測量儀器進(jìn)行了綜述研究，比較了各類儀器以及測量方法的精度和性能[32]。KOENEI等介紹了一種軸上無線通用測量單元（UMU），提出了可以從UMU測量得到的信號(hào)中分離出扭轉(zhuǎn)振動(dòng)和橫向振動(dòng)的方法[33]，測量原理如圖3所示。

ABIDINZ和HALEYNAA提出了一種用兩個(gè)編碼器測量扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的方法，通過對扭轉(zhuǎn)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的強(qiáng)弱取決于機(jī)組軸系中彈性聯(lián)軸器的特性[34]。

4扭轉(zhuǎn)振動(dòng)控制方法研究

軸系的扭振問題不僅會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)子失穩(wěn)，還會(huì)導(dǎo)致整個(gè)機(jī)組的嚴(yán)重振蕩。在監(jiān)測傳感系統(tǒng)接收到扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的信號(hào)后，如何能夠更快、更有效地抑制扭轉(zhuǎn)振動(dòng)一直是高速旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)計(jì)、研發(fā)中無法避開的議題。目前抑制扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的方法主要有主動(dòng)控制、半主動(dòng)控制和被動(dòng)控制3種（圖4）。除此之外，將主動(dòng)控制與其他控制方法結(jié)合起來應(yīng)用在一個(gè)系統(tǒng)的混合控制法在近幾年脫穎而出，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證表明，該方法可以快速、有效地抑制軸系扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，確保機(jī)組健康安全運(yùn)行。

4.1 扭轉(zhuǎn)振動(dòng)主動(dòng)控制

主動(dòng)控制是指需要借助外部能量的輸人，通過控制器的控制策略施加外部能量，從而達(dá)到對振動(dòng)的抑制。GAOWZ和HAOZY針對大型渦輪機(jī)械提出了一種二次調(diào)節(jié)器的主動(dòng)控制算法，通過安裝在轉(zhuǎn)子上的直流電機(jī)施加適當(dāng)?shù)牧ΓM(jìn)而控制扭轉(zhuǎn)振動(dòng)[35]。WANGY等研究了發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)扭轉(zhuǎn)振動(dòng)一體化抑制策略，將陷波濾波器和低通濾波器組成的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)濾波器應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)的調(diào)速回路，以抑制動(dòng)力渦輪運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)[36]。SHARMAA等對扭轉(zhuǎn)振動(dòng)主動(dòng)控制問題進(jìn)行了論述，重點(diǎn)對主動(dòng)控制與機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)的結(jié)合以抑制扭轉(zhuǎn)振動(dòng)問題進(jìn)行了總結(jié)[37]。LIZY等提出了一種雙通道主動(dòng)壩控制措施，通過增加軸系的電磁轉(zhuǎn)矩，從而抑制傳動(dòng)鏈的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)[38]，雙通道主動(dòng)壩控制原理如圖5所示。

XUJW等針對低頻扭轉(zhuǎn)振動(dòng)提出了一種電磁扭轉(zhuǎn)主動(dòng)控制減振器，并構(gòu)建了一種基于濾波-X最小均方算法的主動(dòng)控制系統(tǒng)，通過仿真分析驗(yàn)證了在諧波轉(zhuǎn)矩和白噪聲轉(zhuǎn)矩激勵(lì)下，電磁扭轉(zhuǎn)主動(dòng)減振器能夠達(dá)到良好的低頻扭轉(zhuǎn)減振效果[39]。趙艷影和李昌愛通過一個(gè)帶有非線性動(dòng)力吸振器的時(shí)滯反饋控制來抑制軸系的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)[40]。于洋等建立了石化行業(yè)中多例典型的大型往復(fù)式壓縮機(jī)軸系扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的數(shù)理模型，獲取了壓縮機(jī)軸系無阻尼自由扭振狀態(tài)下的若干階固有頻率和強(qiáng)迫振動(dòng)下的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)響應(yīng)，為壓縮機(jī)扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的抑制提供理論基礎(chǔ)[41]

4.2 扭轉(zhuǎn)振動(dòng)半主動(dòng)控制

半主動(dòng)控制是指需要少量地借助外部能量的介入，同時(shí)借助自身的運(yùn)動(dòng)改變系統(tǒng)的阻尼、剛度等參數(shù)，從而產(chǎn)生減振效果。PREGOWSKAA等基于實(shí)現(xiàn)磁流變流體的最優(yōu)粘性阻尼和摩擦特性原理，提出一種對工作機(jī)器驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中扭轉(zhuǎn)振動(dòng)進(jìn)行半主動(dòng)控制的方法[42]。該方法通過帶有磁流變流體的旋轉(zhuǎn)阻尼器對旋轉(zhuǎn)機(jī)械進(jìn)行扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的半主動(dòng)控制，提出了簡單的開環(huán)控制策略，旋轉(zhuǎn)阻尼器的結(jié)構(gòu)如圖6所示。

LAIYA等證明了可以通過在轉(zhuǎn)子系統(tǒng)中安裝調(diào)諧質(zhì)量阻尼器的半主動(dòng)相位控制來減少扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，研究表明相位控制調(diào)諧質(zhì)量阻尼器可以產(chǎn)生最優(yōu)的功率流，以降低系統(tǒng)的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)[43]。司金冬等提出了一種基于電阻尼和剛度控制的軸系扭轉(zhuǎn)振動(dòng)抑制策略，解決了現(xiàn)有扭轉(zhuǎn)振動(dòng)抑制方法中難以平衡抑振效果與響應(yīng)速度關(guān)系的問題[44]

4.3 扭轉(zhuǎn)振動(dòng)被動(dòng)控制

被動(dòng)控制是指不借助外部能量的輸入，通過安裝減振裝置隨系統(tǒng)一起運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而改變系統(tǒng)自身的剛度和阻尼特性，從而使系統(tǒng)的振動(dòng)得到抑制。JURMUL等開發(fā)了一種慣性和尺寸較小的減振器，并通過實(shí)驗(yàn)研究了扭轉(zhuǎn)振動(dòng)減振器的最優(yōu)調(diào)諧頻率[45]。馬凱等證明了非線性能量阱替代調(diào)諧質(zhì)量阻尼器抑制曲軸扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的可行性[46]

4.4 扭轉(zhuǎn)振動(dòng)混合控制

混合控制是近幾年新提出的控制策略，它將多種控制方法同時(shí)應(yīng)用在一個(gè)系統(tǒng)上，依據(jù)機(jī)組不同部位的結(jié)構(gòu)、功能特點(diǎn)選擇不同的控制方法，在彎曲振動(dòng)抑制中應(yīng)用較為廣泛，但在扭轉(zhuǎn)振動(dòng)抑制方面幾乎沒有相關(guān)研究。PAILLOTG等于2023年首次將混合控制方法應(yīng)用于扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的抑制，設(shè)計(jì)了專門的電磁裝置，通過調(diào)整控制模型與被動(dòng)阻尼器的狀態(tài)參數(shù)并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析，驗(yàn)證了混合控制法應(yīng)用于扭轉(zhuǎn)振動(dòng)抑制的可行性[47]。

5 扭轉(zhuǎn)振動(dòng)疲勞壽命預(yù)測研究

人們對扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的研究起步較晚，對扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的各項(xiàng)研究也較為滯后。與扭轉(zhuǎn)振動(dòng)其他領(lǐng)域相比，國內(nèi)外對扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的疲勞壽命預(yù)測較為匱乏，研究時(shí)間也缺乏連貫性，僅有少數(shù)的專家學(xué)者對扭轉(zhuǎn)振動(dòng)疲勞壽命預(yù)測進(jìn)行研究。而扭轉(zhuǎn)振動(dòng)難以測量，一旦引發(fā)疲勞失效，其發(fā)展速度往往極其迅速，難以再去人為干預(yù)，因此對扭轉(zhuǎn)振動(dòng)進(jìn)行疲勞壽命預(yù)測具有十分重要的意義。

CHENDC等提出了一種用于在線評(píng)估扭轉(zhuǎn)振動(dòng)造成軸系疲勞損傷的方法，主要采用雨流計(jì)數(shù)法、SN曲線和線性損傷累積規(guī)律[48]。趙芳慧運(yùn)用Comdyn-rotor轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)軟件，對高速齒輪壓縮機(jī)軸系的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)疲勞壽命預(yù)測進(jìn)行了相關(guān)研究[49]。GUYJ和JINTZ基于Manson-Coffin方程和高周疲勞理論，建立了一種用于渦輪發(fā)電機(jī)軸系扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的疲勞壽命分析方法，預(yù)測了兩相短路模擬下的累積扭轉(zhuǎn)疲勞損傷[50]。SONGMH等計(jì)算了瞬態(tài)扭轉(zhuǎn)振動(dòng)應(yīng)力引起的部分損傷累積并估計(jì)軸系系統(tǒng)的疲勞壽命，發(fā)現(xiàn)在加速過程中的疲勞損傷是一個(gè)值得關(guān)注的問題[51]。CHERNOUSENKOO等提出了汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子扭振疲勞損傷的實(shí)驗(yàn)分析方法[52]。余沛坰等針對某燃機(jī)發(fā)電機(jī)組軸系扭轉(zhuǎn)振動(dòng)問題提出分析模型的建立方法，并且結(jié)合雨流計(jì)數(shù)法、累積損傷原理對短路工況下的機(jī)組軸系進(jìn)行壽命損耗分析[53]

6結(jié)束語

隨著變頻技術(shù)的持續(xù)深度應(yīng)用，扭轉(zhuǎn)振動(dòng)主要由脈動(dòng)扭矩和閉環(huán)機(jī)電耦合作用導(dǎo)致，在此基礎(chǔ)上對旋轉(zhuǎn)機(jī)械扭振問題進(jìn)行了論述，在總結(jié)了有關(guān)變頻技術(shù)引發(fā)扭振問題的機(jī)理研究、實(shí)驗(yàn)分析、工程應(yīng)用的基礎(chǔ)上，提出以下幾點(diǎn)研究方向：a.在扭振模型建立方面，更精確的模型有待開發(fā)。軸系扭振問題建模的精確與否決定著后續(xù)絕大部分研究方向的準(zhǔn)確性。旋轉(zhuǎn)機(jī)械是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，將所有的參數(shù)提取出來并不現(xiàn)實(shí)，因此與工程研究相結(jié)合，提取出重要的模型參數(shù)，將現(xiàn)有的扭振研究模型補(bǔ)充完善。

b.隨著先進(jìn)狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展，設(shè)備的運(yùn)行狀況也變得更加直觀迅捷。扭轉(zhuǎn)振動(dòng)狀態(tài)監(jiān)測設(shè)備逐漸由接觸式監(jiān)測向非接觸式監(jiān)測發(fā)展，軸系可以避免因安裝扭轉(zhuǎn)振動(dòng)監(jiān)測設(shè)備而造成的二次損傷。由于軸系扭振的故障特征并不明顯，傳統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)測設(shè)備難以直接應(yīng)用，因此開發(fā)更加專業(yè)的軸系扭振監(jiān)測技術(shù)具有較高的需求。

c.目前工業(yè)上應(yīng)用的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)抑制措施主要還是以半主動(dòng)控制和主動(dòng)控制為主，主動(dòng)控制因需外加能源以及控制裝置復(fù)雜，其應(yīng)用尚未大面積普及。但由于主動(dòng)控制的響應(yīng)敏捷、控制效果最優(yōu)等優(yōu)點(diǎn)，國內(nèi)外的很多專家學(xué)者正大力研究更為先進(jìn)的主動(dòng)控制方法。除此之外，混合控制策略在近幾年被廣泛應(yīng)用，它可以將主動(dòng)控制和其他控制方法的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來，在旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)中采取混合控制策略，從而使旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)振動(dòng)的抑制能力實(shí)現(xiàn)最大化，為旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)控制策略提供最優(yōu)解。

d.扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的疲勞破壞形式與彎曲振動(dòng)以及軸向振動(dòng)較為不同，傳統(tǒng)的電渦流傳感器難以測量扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的信號(hào)，一旦發(fā)生疲勞失效，其發(fā)展速度往往難以預(yù)測。國內(nèi)外專家學(xué)者對于扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的疲勞壽命預(yù)測研究較為匱乏，且研究僅停留在實(shí)驗(yàn)分析階段，因此對扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的疲勞壽命預(yù)測有待進(jìn)一步研究。

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（收稿日期：2024-06-03，修回日期：2025-05-13）

Research Progress on the Torsional Vibration Issues of Rotating Machinery Induced by the Variable Frequency Control

WANG Wei-min，QI Wen-tao

（College ofMechanical and Electrical Engineering，Beijing University of Chemical Technology）

AbstractWith the wide application of variable frequency control devices in petrochemical，aerospace，wind power and heat industries，the variable frequency control of high-speed rotating machinery prevails and the torsional vibration becomes prominent.Torsional vibration reflects shafting's speed change and destructive torsional oscilation.The vibration reduction measures not taken in time further cause theoscillation of the whole unit.Aiming at the torsional vibration of high-speed rotating machinery caused by the variable frequency regulation，the development of torsional vibration modelanalysis was introduced.Starting withthe technical development of torsional vibration measurement，the contact torsional vibration measuring technology and non-contact torsional vibration measuring technology were introduced.In addition，forthe purpose of suppressing the torsional vibration effectively，thecontrolmethods like theactive torsional vibrationcontrol，semi-active torsional vibration control，passive torsional vibration controland the mixed torsional vibration control were introduced.The results show that the research of torsional vibration fatigue prediction becomes the main direction to be solved in the future.

Key Wordsrotating machine，variable frequency speed control，torsional vibration，torsional vibration measurement，torsional vibration control，fatigue life prediction