對機械高速旋轉振動系統的探究

王童童 楊坤祥 王涑宇 陳元睿

摘要：高速旋轉相關的機械是諸多行業的關鍵設備，比如飛機航行、造船、用電系統等許多行業都離不開這種機械，因為它不僅具備運行方面的安全性，還有著生產方面的高效性，這些都是其他設備所不具備的。本文從實際情況出發，對該檢測系統研究的意義及方法進行了簡要闡述，論述了監測的相關系統的工作原理。同時，對檢測系統的技術進行了詳細分析。希望在今后，機械高速旋轉振動系統可以發揮出它最大的優勢，為其他機械的研究提供了更為有效的科學理論依據。

關鍵詞：高速旋轉機械；振動監測；系統分析；光纖束；

引言

近年來，我國的航空、船舶、能源、化工業等各個領域在技術上都取得了長足的發展，大型高速旋轉機便是促進其發展的關鍵性設備之一。利用高速旋轉機不僅可以提高工作效率，還使得各類機械的運行更為安全、可靠。因此，對機械高速旋轉機進行系統檢測是很有必要的。探究機械高速旋轉振動系統的運行參數，可以使得設備在任何情況之下，都能保證完成機械自身的高速度旋轉對系統徑向振動檢測的重要任務。

一、檢測系統研究的意義及方法

隨著我國綜合國力的不斷增強和國民生活水平的的不斷提高，旋轉的相關機械在用電系統、能源的應用、造船行業、飛機飛行等行業發揮著越來越重要的作用。由高速的以固定的轉軸旋轉的轉子、靜子和極為重要的機匣成軸組成的，其自動化的相關程度高，結構相對來說比較復雜，具有驚人的轉速，并具有效率性高，精度高、可靠性相對來說比較高的高的特點的機械的高度旋轉是決定這些行業在國內快速發展的重要設備，因此我們對待此類機械的性能要求極高，這也是這些機械行業中所要認真對待的問題。

隨著科學技術的不斷發展進步，對振動監測系統的研究方法也是多種多樣的，主要是運用了反射式的光纖高速傳感器對其振動進行檢測，它較普通的光纖傳感器精確度及準確度都較高，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境下其精確度會嚴重下降，因此來說，對其檢測系統的還要做更進一步的研究，以便于提高測量的精確度使之更好地運用于實踐中。

二、監測的相關系統的工作原理

有關機械的高速旋轉徑向振動的工作原理是利用了光之間的相互作用和物理知識的交融進行的結果。首先半導體的激光器是一個發光的裝置，它發出的光由高速旋轉的軸系中的轉子進行接收，從而使測出來的結果與調節區所受的的光相互影響，是相互作用的光發生物理變化，最后使其變成所需的信號光再由接收器一一接收。由振動所造成的轉軸與測量儀器的頭部的發生了位移變化會導致光線強度對應的信號的變化，進而就能測出對應的機械不同方向振動的振動量。

三、檢測系統的技術分析與實驗分析

（1）半導體控制系統

該檢測系統分為半導體控制系統和光纖耦合的對應系統，他們在檢測的過程中分別發揮著不同的作用。半導體系統提供的光源為徑向振動的檢測提供了一個相對穩定的環境，即在溫度恒定和在電流恒定的條件之下，實現了半導體激光器對其功率恒定的控制，從而使其在其探究的過程中減小不必要的誤差。但是受到半導體自身材料的限制，半導體激光器會受到電網波動和外界環境溫度的影響，因此其穩定性很差。

（2）激光光纖耦合系統

在機械高速旋轉振動系統檢測過程中，除了需要高性能的二極管之外，光纖耦合系統也是研究過程中必不可少的，因為曲面的光線微透鏡要比平面的耦合效率高，所以，這種光纖耦合系統要用曲面光纖系統的微透鏡。同時，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）光纖束的構造

在對高速度旋轉的機械不同方向振動檢測時，不但要克服光纖的強弱和光纖的損耗等會對測量造成誤差的問題，同時也要消除光束的波動性強弱和光纖的損耗程度對測量結果造成影響，要對光纖束結構設計有著極其高的要求，對入射光纖和接收的光纖采用同軸分布，對入射光纖要使用較小的孔徑的單膜光纖，對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，這樣的結構不僅控制了光的波動性，還避免了光纖的損耗。

光纖束的構造設計是在有著大量蒸汽的工作環境下，在狹小的空間內，既有強力的電磁波干擾，機械高速旋轉機的轉軸也在快速旋轉的情況下，應用傳感器的一頭才開始進行檢測的。但這種現象往往會造成被測表面的加工情況不一致，最終使測量結果出現一定的偏差。同時，光源波動和光纖問題都會給測量結果帶來一定的影響。因此，在測量的過程中，我們要注意把握好光線的質量，保證光纖具有良好的接觸面等問題。選好研究設備，并對其進行系統檢測是促進工作順利進行的關鍵，不僅可以避免產生不必要的數據誤差，也減少了重復試驗的次數。而且，還可以提高工作效率和工作質量。

（4）對系統的穩定性進行試驗分析

對系統的穩定性試驗前提是在恒溫恒功率的條件下進行的，以保證試驗的準確性。把系統預熱三十分鐘使其達到恒定的溫度并且把憑證功率相同，保證半導體達到一個動態平衡的狀態。在進行實驗時的測量時間是在兩分鐘之內因此系統的穩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果的差異。

實驗必須在不同的條件下進行比較實驗的結果，在其他條件相同的情況下，時期轉速不同來進行測量。利用光纖探頭與軸系轉子間的縫隙不同，在不同的轉速下徑向振動然后觀察測量值，其結果分散程度較大，測量值變化較小，原因可能是在轉軸高速運轉的條件下，會因起點的較大變形，轉子與釘子之間間隙的增大是由振動的增大引起的，因此間隙值與轉速成正比，實踐與理論是相符的，由此說明了振動監測系統的精確性極好。

在不同的旋轉速度之下，機械振東的頻率也屬不近相同的，在靜止的和運動的旋轉軸之間進行測量比較，其數值的變化相對來說比較小。因為在高速度運轉的轉軸之間它的運行狀態是非常不夠穩定的，但通過旋轉的轉子和固定不變的釘子之間的空隙來比較，空隙越大，其它的旋轉速度越大該振動系統的設計的精度越大。這只是在理想狀態下的實驗，與實際中的相關的機械的高速運轉有一定差距這也是不可避免的。

四、結語

通過對機械的高速度旋轉的不同方向振動的說明和探究，針對在檢測過程中存在的問題，設計出了反射式的光纖系統的傳感器；通過合理的參數設計出了半導體的良好的控制系統，實現了高效率激光與曲面透鏡的耦合；同時，利用光纖束控制了光的強弱波動和光纖的損耗。因此可以說明機械高速旋轉系統具有很強的穩定性和高度的準確性。相信在不久的將來，機械高速旋轉系統可以在更多領域作出卓越的貢獻。

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