變頻調速導致旋轉機械扭轉振動問題研究進展

中圖分類號 TQ051 文獻標志碼 A 文章編號 0254-6094（2025）03-0357-（

在石油化工、航空航天、風電熱力等行業中，壓縮機、渦輪泵、風機等高端透平機械是必不可少的重要裝備，具有極其重要的戰略意義。其中，高速轉子是旋轉機械中最為關鍵的部件，據相關資料統計，在旋轉機械故障案例中，近 80% 的故障是由于轉子故障引起的。因此，攻克旋轉機械轉子故障頻發的問題成為高端透平機械技術攻關的重中之重。

隨著化工技術的不斷發展，化工機械中旋轉設備功率迅猛增長，變頻調速裝置的應用更加廣泛，變轉速工況也變得越來越常見，這也成為機組軸系扭振問題頻發的關鍵因素之一。變頻調速技術是通過變頻裝置改變輸人電機的電網頻率，使電流發生交流-直流-交流（AC-DC-AC）的轉化，將固定的電網頻率轉換為可變頻率，進而調整電機的轉速。變頻調速技術不僅優化了機組的啟動性能和工作能效，而且便于對軸系轉速進行無級調節，降低了工廠的成本。然而由電網電能轉化為機組機械能的轉換過程中，電氣與機械的耦合作用致使軸系扭振問題日益突出。

在彎曲振動、軸向振動和扭轉振動3種轉子振動類型中，彎曲振動和軸向振動均可采用電渦流位移傳感器對其位移量進行監測，而扭轉振動的表現形式比較特殊，比彎曲振動和軸向振動更加難以監測，因此經常會忽略扭轉振動，對扭轉振動的研究也比振動現象明顯的彎曲振動和軸向振動的滯后。實際上，扭轉振動可能非常劇烈，并且能夠毫無征兆地產生導致疲勞失效的破壞性交變應力[1]。因此研究清楚扭轉振動的機理以及其在轉子故障中的表現形式，能夠更加深刻地揭示旋轉機械的振動規律，為旋轉機械的故障診斷以及健康管理提供技術支持，保障了大型機組的安全可靠運行。

有關轉子扭振問題最早的研究是在20世紀70年代，美國Mohave電站的一臺790MW機組勵磁機軸系在幾個月之內連續發生兩次斷裂事故[1]，通過專家學者的討論研究，發現本次事故是因轉子扭振導致的勵磁機組軸系損壞。自此扭振問題出現在工程界與學術界的研究中。

1針對當前變頻技術導致扭振問題研究

隨著變頻調速技術逐步在工廠中普及，變頻器調速引發扭轉振動的問題也被諸多學者專家所研究。目前針對變頻器導致的扭振問題，通常給出的解釋是變頻調速過程中機組的扭轉振動是由電機產生的脈動扭矩所導致的。但是實際工程中變頻調速引發扭轉振動的原因主要有兩點，除了上述電機脈動扭矩導致扭轉振動外，變頻器與驅動負載閉環機電耦合作用引發的扭轉振動也是一個不可忽視的因素[2]。

1.1 電機脈動扭矩引發扭轉振動

在變頻過程中，由于變頻器輸出的通常是脈沖寬度調制（PWM）波形，這會導致電機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。變頻器產生的PWM波形中的非基波頻率成分會在電機的氣隙中產生額外的扭矩波動，這種波動稱為扭轉諧波激勵。這些激勵會導致電機輸出扭矩發生脈動。這種脈動扭矩與靜態扭矩疊加，如果脈動頻率與轉子系統的扭振固有頻率重合，就會導致扭振現象發生。

1.2變頻器與驅動負載閉環機電耦合作用引發扭轉振動

變頻器引發的扭轉諧波激勵會影響轉子系統產生扭轉振動，同時轉子系統扭振引起的振蕩反向傳輸到驅動端，電機控制系統對提取的受到振蕩影響的測量信號（如電機轉速、定子電流、定子電壓等）發出控制信號，這些控制信號會導致電機產生錯誤的驅動行為，使軸系扭振故障進一步加重。閉環機電耦合作用適用于所有使用反饋控制的驅動器，使用閉環反饋思維分析故障來源，而不是僅使用傳統的開環前饋思維分析扭振故障，開環前饋思維忽略了電機控制系統對扭振的響應，這也導致扭轉振動難以預測。采用閉環變頻系統可以顯著減少電機引起的扭轉振動[3]。

2扭轉振動模型分析的研究

旋轉機械的軸系是在整個機組中主要承擔旋轉運動的部件，在變轉速工況下需要承受極大的扭矩，轉子的運動形式是繞其軸線勻速轉動疊加往復扭轉，故轉子的實際轉速是初始角速度加交變角速度。這就意味著轉子的扭轉振動可能會產生具有極強破壞性的旋轉振蕩，情況嚴重會造成整個機組的振蕩[4]。對軸系扭振問題進行建模分析，以獲得軸系的扭振特性，為軸系扭振參數識別、扭振抑制和疲勞預測奠定基礎

WACHELJC和SZENASIFR主要在建模分析、監測診斷等方面針對旋轉機械扭轉振動做了較全面的論述[5]。WIDDLEJr.RD等提出了兩種扭轉振動模型，假設轉子是剛性轉子或柔性轉子，該兼容模型允許更高頻的扭轉振動傳輸[6]。WANGM等利用多體動力學仿真軟件ADAMS構建了多自由度剛性混合動力發動機系統的多體動力學模型[7。姜興安運用模態縮減法降低有限元建模計算的難度，并開發Comdyn-rotor軟件進行扭振建模計算[8]。殷洪權基于虛擬樣機技術建立了高速多級離心泵機組軸系的虛擬樣機模型[9。劉家玲和梁偉華詳細介紹了高壓水泵軸系扭轉振動的簡化建模計算方法，能夠較為迅速地得出其扭轉振型[10]。MEIRELLESPS等建立了內燃機扭振的數學模型，該公式基于狀態方程解，通過過渡態矩陣和卷積積分進行系統穩態響應計算[11]。YUCESANYA等構建了一個用于使用物理信息神經網絡將扭轉減振器模型的輸出調整為實驗數據的框架，解決了由于簡化和模型假設帶來的誤差[12]。物理神經網絡訓練模型如圖1所示。

CHENX等研究了單級傳動齒輪系統的非線性扭轉振動模型，比較了離散化法、微擾法、里茲法及運動方程的逐步時間積分法來求解軸系運動方程[13]。孫曉東等建立往復壓縮機軸系剛柔耦合的動力學模型，研究飛輪轉動慣量等關鍵因素對軸系扭振特性的影響[14]。曾琪等構建潛油電泵細長串聯軸系扭轉振動模型，基于模型對聯軸器扭轉剛度與細長串聯軸系扭振特性的關系進行研究[15]。崔亞輝等提出一種針對旋轉機械軸系扭振模型進行實時在線自適應調整的方法[16]。劉大偉和巴延博基于龍格-庫塔法的微分方程計算原理，構建了低脈動橢圓齒輪泵的多參變扭轉振動模型[17]。GAOSX等建立扭轉振動模型的最優化方法，能夠快速精確獲得軸系的扭轉振動特性[18]。DACHARUMG基于三維實體模型有限元法分析了瞬態轉矩激勵下機組軸系的固有頻率和動力學響應，能夠提供更加真實的模擬分析結果[19]。SONGZQ等建立了水輪發電機軸系扭轉振動模型，研究了電磁與液壓激勵頻率、轉動慣量、轉子扭轉剛度以及軸系集中質量對機組軸系扭振的影響[20]。AL-BEDOORBO等基于多體動力學方法與拉格朗日動力學方程，建立了從機組軸系扭轉振動信號中提取葉片振動特征參數的數學模型[21]

3扭轉振動測量技術的研究

國內外專家學者對于扭轉振動測量與參數識別的研究起步較早，主要分為非接觸式扭振測量和接觸式扭振測量技術，前者能夠更加便捷、無損地對軸系進行參數測量，其非侵入式、整機測量等優點也被眾多專家學者所關注。

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葉端定時技術測量轉子扭轉振動特征的碰摩故障診斷方法，通過傳感器監測轉子扭轉振動的特征參量變化進行碰摩故障的診斷預警[22]，如圖2所示。

李啟行等提出一種從側向彎曲振動信號中提取弱扭轉振動信號的方法，通過希爾伯特變換及希爾伯特振動分解等方法，能夠在側向振動信號中提取扭轉振動信號[23]。翟功濤等提出基于葉端定時原理的扭振測量新方法，設計并開發了集葉片振動及軸系扭轉振動于一體的監測系統，能夠在旋轉機械葉片振動測量的同時實現軸系扭振監測[24]。陳子文提出一種基于BTT法測量扭轉振動的原理，并結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等基于轉子和聯軸器的集總質量彈簧模型監測振動分量，并計算機組軸系的固有頻率和扭轉振動模態[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振動的方法，通過改進的Riccati扭轉傳遞矩陣方法，極大地減少了累積計算[27]。MERONOPA等針對用于測量轉子扭轉振動的數字時間間隔技術中存在角度編碼裝置的幾何變化及非恒定轉速等問題，提出了一種基于實際編碼器角間隔的參考陣列的編碼器原位標定方法[28]。HENAOH等通過完全非侵入非接觸式測量技術處理高速旋轉機械傳動中的扭轉振動評估，證明了軸系轉子可以通過估計其電磁扭矩用于扭轉振動監測，從而無需額外加裝扭振傳感器[29]。劉美茹等開展葉尖定時光纖傳感器加溫和冷卻試驗研究，解決了渦輪葉片實際運行過程中傳感器不易冷卻、定時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子進行了動力學分析和實驗研究，設計了勵磁裝置測量轉子的扭轉振動特性[31]。JANSSENSK和BRITTEL對現有的扭轉振動測量方法與測量儀器進行了綜述研究，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測量得到的信號中分離出扭轉振動和橫向振動的方法[33]，測量原理如圖3所示。

ABIDINZ和HALEYNAA提出了一種用兩個編碼器測量扭轉振動的方法，通過對扭轉振動信號進行分析，發現扭轉振動的強弱取決于機組軸系中彈性聯軸器的特性[34]。

4扭轉振動控制方法研究

軸系的扭振問題不僅會導致轉子失穩，還會導致整個機組的嚴重振蕩。在監測傳感系統接收到扭轉振動的信號后，如何能夠更快、更有效地抑制扭轉振動一直是高速旋轉機械設計、研發中無法避開的議題。目前抑制扭轉振動的方法主要有主動控制、半主動控制和被動控制3種（圖4）。除此之外，將主動控制與其他控制方法結合起來應用在一個系統的混合控制法在近幾年脫穎而出，經過實驗驗證表明，該方法可以快速、有效地抑制軸系扭轉振動，確保機組健康安全運行。

4.1 扭轉振動主動控制

主動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，從而達到對振動的抑制。GAOWZ和HAOZY針對大型渦輪機械提出了一種二次調節器的主動控制算法，通過安裝在轉子上的直流電機施加適當的力，進而控制扭轉振動[35]。WANGY等研究了發動機系統扭轉振動一體化抑制策略，將陷波濾波器和低通濾波器組成的扭轉振動濾波器應用于發動機的調速回路，以抑制動力渦輪運轉時產生的扭轉振動[36]。SHARMAA等對扭轉振動主動控制問題進行了論述，重點對主動控制與機器學習技術的結合以抑制扭轉振動問題進行了總結[37]。LIZY等提出了一種雙通道主動壩控制措施，通過增加軸系的電磁轉矩，從而抑制傳動鏈的扭轉振動[38]，雙通道主動壩控制原理如圖5所示。

XUJW等針對低頻扭轉振動提出了一種電磁扭轉主動控制減振器，并構建了一種基于濾波-X最小均方算法的主動控制系統，通過仿真分析驗證了在諧波轉矩和白噪聲轉矩激勵下，電磁扭轉主動減振器能夠達到良好的低頻扭轉減振效果[39]。趙艷影和李昌愛通過一個帶有非線性動力吸振器的時滯反饋控制來抑制軸系的扭轉振動[40]。于洋等建立了石化行業中多例典型的大型往復式壓縮機軸系扭轉振動的數理模型，獲取了壓縮機軸系無阻尼自由扭振狀態下的若干階固有頻率和強迫振動下的扭轉振動響應，為壓縮機扭轉振動的抑制提供理論基礎[41]

4.2 扭轉振動半主動控制

半主動控制是指需要少量地借助外部能量的介入，同時借助自身的運動改變系統的阻尼、剛度等參數，從而產生減振效果。PREGOWSKAA等基于實現磁流變流體的最優粘性阻尼和摩擦特性原理，提出一種對工作機器驅動系統中扭轉振動進行半主動控制的方法[42]。該方法通過帶有磁流變流體的旋轉阻尼器對旋轉機械進行扭轉振動的半主動控制，提出了簡單的開環控制策略，旋轉阻尼器的結構如圖6所示。

LAIYA等證明了可以通過在轉子系統中安裝調諧質量阻尼器的半主動相位控制來減少扭轉振動，研究表明相位控制調諧質量阻尼器可以產生最優的功率流，以降低系統的扭轉振動[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振動抑制策略，解決了現有扭轉振動抑制方法中難以平衡抑振效果與響應速度關系的問題[44]

4.3 扭轉振動被動控制

被動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一起運動，進而改變系統自身的剛度和阻尼特性，從而使系統的振動得到抑制。JURMUL等開發了一種慣性和尺寸較小的減振器，并通過實驗研究了扭轉振動減振器的最優調諧頻率[45]。馬凱等證明了非線性能量阱替代調諧質量阻尼器抑制曲軸扭轉振動的可行性[46]

4.4 扭轉振動混合控制

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應用在一個系統上，依據機組不同部位的結構、功能特點選擇不同的控制方法，在彎曲振動抑制中應用較為廣泛，但在扭轉振動抑制方面幾乎沒有相關研究。PAILLOTG等于2023年首次將混合控制方法應用于扭轉振動的抑制，設計了專門的電磁裝置，通過調整控制模型與被動阻尼器的狀態參數并進行實驗分析，驗證了混合控制法應用于扭轉振動抑制的可行性[47]。

5 扭轉振動疲勞壽命預測研究

人們對扭轉振動的研究起步較晚，對扭轉振動的各項研究也較為滯后。與扭轉振動其他領域相比，國內外對扭轉振動的疲勞壽命預測較為匱乏，研究時間也缺乏連貫性，僅有少數的專家學者對扭轉振動疲勞壽命預測進行研究。而扭轉振動難以測量，一旦引發疲勞失效，其發展速度往往極其迅速，難以再去人為干預，因此對扭轉振動進行疲勞壽命預測具有十分重要的意義。

CHENDC等提出了一種用于在線評估扭轉振動造成軸系疲勞損傷的方法，主要采用雨流計數法、SN曲線和線性損傷累積規律[48]。趙芳慧運用Comdyn-rotor轉子動力學軟件，對高速齒輪壓縮機軸系的扭轉振動疲勞壽命預測進行了相關研究[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電機軸系扭轉振動的疲勞壽命分析方法，預測了兩相短路模擬下的累積扭轉疲勞損傷[50]。SONGMH等計算了瞬態扭轉振動應力引起的部分損傷累積并估計軸系系統的疲勞壽命，發現在加速過程中的疲勞損傷是一個值得關注的問題[51]。CHERNOUSENKOO等提出了汽輪機轉子扭振疲勞損傷的實驗分析方法[52]。余沛坰等針對某燃機發電機組軸系扭轉振動問題提出分析模型的建立方法，并且結合雨流計數法、累積損傷原理對短路工況下的機組軸系進行壽命損耗分析[53]

6結束語

隨著變頻技術的持續深度應用，扭轉振動主要由脈動扭矩和閉環機電耦合作用導致，在此基礎上對旋轉機械扭振問題進行了論述，在總結了有關變頻技術引發扭振問題的機理研究、實驗分析、工程應用的基礎上，提出以下幾點研究方向：a.在扭振模型建立方面，更精確的模型有待開發。軸系扭振問題建模的精確與否決定著后續絕大部分研究方向的準確性。旋轉機械是一個復雜的系統，將所有的參數提取出來并不現實，因此與工程研究相結合，提取出重要的模型參數，將現有的扭振研究模型補充完善。

b.隨著先進狀態監測技術的發展，設備的運行狀況也變得更加直觀迅捷。扭轉振動狀態監測設備逐漸由接觸式監測向非接觸式監測發展，軸系可以避免因安裝扭轉振動監測設備而造成的二次損傷。由于軸系扭振的故障特征并不明顯，傳統的狀態監測設備難以直接應用，因此開發更加專業的軸系扭振監測技術具有較高的需求。

c.目前工業上應用的扭轉振動抑制措施主要還是以半主動控制和主動控制為主，主動控制因需外加能源以及控制裝置復雜，其應用尚未大面積普及。但由于主動控制的響應敏捷、控制效果最優等優點，國內外的很多專家學者正大力研究更為先進的主動控制方法。除此之外，混合控制策略在近幾年被廣泛應用，它可以將主動控制和其他控制方法的優點結合起來，在旋轉系統中采取混合控制策略，從而使旋轉系統振動的抑制能力實現最大化，為旋轉系統控制策略提供最優解。

d.扭轉振動的疲勞破壞形式與彎曲振動以及軸向振動較為不同，傳統的電渦流傳感器難以測量扭轉振動的信號，一旦發生疲勞失效，其發展速度往往難以預測。國內外專家學者對于扭轉振動的疲勞壽命預測研究較為匱乏，且研究僅停留在實驗分析階段，因此對扭轉振動的疲勞壽命預測有待進一步研究。

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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