扭轉振動測試：原理、方法與工程應用解析

一、扭轉振動的基本概念與測試意義

扭轉振動（Torsional Vibration）是旋轉機械系統中常見的動態現象，指軸系或旋轉部件在周期性扭矩作用下，沿其軸向發生的周期性扭轉變形。這種振動本質上是旋轉系統固有特性與外部激勵共同作用的結果——當激勵頻率與系統扭轉固有頻率接近時，會引發共振，導致振幅急劇增大，進而引發疲勞破壞、噪聲加劇、效率下降等問題。

在工業領域，扭轉振動的危害不容忽視：

• 汽車工業：發動機曲軸的扭轉振動可能導致曲軸斷裂、離合器失效或變速器齒輪沖擊；
• 電力工業：汽輪機-發電機軸系的扭轉振動可能引發軸系裂紋、聯軸器損壞，甚至導致機組停機；
• 風電產業：風機主軸與齒輪箱的扭轉振動會加速齒輪磨損、軸承失效，縮短機組壽命；
• 航空航天：渦輪發動機傳動軸的扭轉振動可能影響動力輸出穩定性，威脅飛行安全。

因此，扭轉振動測試作為旋轉機械故障診斷與設計優化的關鍵手段，其核心目標是識別振動源、測量振動參數（頻率、振幅、相位）、評估系統穩定性，為設備的安全運行與性能提升提供數據支撐。

二、扭轉振動測試的主要方法

扭轉振動測試的核心是測量旋轉部件的角位移或扭矩變化，常用方法可分為接觸式與非接觸式兩類，各有其適用場景與優缺點。

（一）接觸式測試方法

接觸式方法通過物理接觸獲取振動信號，是傳統且應用廣泛的測試手段。

1. 應變片法
   原理：將電阻應變片粘貼在旋轉軸表面，當軸發生扭轉變形時，應變片隨軸產生拉伸或壓縮變形，導致電阻值變化。通過橋式電路將電阻變化轉換為電壓信號，即可得到扭矩或角位移的變化。
   優點：成本低、靈敏度高、適用于各種軸徑；
   缺點：安裝復雜（需打磨軸表面、粘貼應變片、做防潮處理）、易受電磁干擾、導線易因旋轉而磨損，不適用于高速或長期監測。

2. 扭矩傳感器法
   原理：在旋轉軸系中串聯扭矩傳感器（如應變式、磁電式或光電式），直接測量軸傳遞的扭矩變化。扭矩信號經調理后，可轉化為扭轉振動的振幅與頻率。
   優點：測量精度高、信號穩定、可實時監測；
   缺點：需中斷軸系安裝（串聯傳感器）、成本較高、對傳感器的動平衡要求嚴格。

（二）非接觸式測試方法

非接觸式方法無需與旋轉部件直接接觸，避免了接觸式方法的缺陷，適用于高速、高溫或難以安裝傳感器的場景。

1. 激光多普勒測振儀（LDV）
   原理：利用激光多普勒效應，測量旋轉部件表面的速度變化。通過對速度信號積分，得到角位移或扭轉振動的振幅與頻率。
   優點：非接觸、精度高（可達納米級）、響應快、適用于高速旋轉部件（如渦輪機葉片）；
   缺點：價格昂貴、對測試環境要求高（需避免強光干擾）、需被測表面具有一定的反光性。

2. 光電編碼器法
   原理：在旋轉軸上安裝光電編碼器，通過檢測編碼器輸出的脈沖信號變化，計算軸的角位移與轉速。當軸發生扭轉振動時，脈沖信號的相位差會發生周期性變化，從而提取振動信息。
   優點：非接觸、安裝方便、可同時測量轉速與振動；
   缺點：分辨率受編碼器精度限制（需高分辨率編碼器才能檢測微小振動）、易受電磁干擾。

三、扭轉振動測試系統的組成與流程

（一）測試系統的基本組成

扭轉振動測試系統通常包括以下四個部分：

1. 傳感器：根據測試需求選擇應變片、扭矩傳感器或激光測振儀；
2. 信號調理器：對傳感器輸出的弱信號進行放大、濾波（去除噪聲）、隔離（防止電磁干擾）；
3. 數據采集卡（DAQ）：將模擬信號轉換為數字信號，采樣率需滿足奈奎斯特定理（至少為信號最高頻率的2倍）；
4. 分析軟件：對采集到的數據進行處理（如FFT分析、階次分析、時域波形分析），識別振動源與共振頻率。

（二）測試流程

1. 測試準備

   • 目標定義：明確測試目的（如識別共振頻率、驗證設計合理性、故障診斷）；
   • 設備選擇：根據軸徑、轉速、環境條件選擇傳感器（如高速軸選激光測振儀，低速軸選應變片）；
   • 安裝調試：確保傳感器安裝牢固（應變片需粘貼平整，激光測振儀需對準被測表面）、信號調理器與采集卡連接正確；
   • 工況確定：設定測試工況（如不同轉速、負載、溫度），覆蓋設備的正常運行范圍。

2. 信號采集

   • 啟動設備，待運行穩定后開始采集信號；
   • 實時監測信號波形，確保無異常（如過載、噪聲過大）；
   • 記錄工況參數（如轉速、負載），便于后續分析。

3. 數據處理與分析

   • 時域分析：觀察振動信號的波形（如正弦波、脈沖波），判斷振動的穩定性（是否有沖擊或突變）；
   • 頻域分析：通過FFT變換將時域信號轉換為頻域譜，識別主要振動頻率（如共振頻率、激勵頻率）；
   • 階次分析：針對旋轉機械，將頻率轉換為階次（頻率/轉速），識別與轉速相關的振動源（如1階不平衡、2階 misalignment）；
   • 趨勢分析：對比不同工況下的振動數據，判斷振動隨工況的變化規律（如共振是否隨轉速升高而加劇）。

4. 結果評估與反饋

   • 根據測試標準（如ISO 10816、API 617）評估振動是否超標；
   • 分析振動源（如不平衡、 misalignment、齒輪嚙合），提出改進措施（如動平衡、調整聯軸器、優化齒輪參數）；
   • 形成測試報告，為設備設計、維護提供依據。

四、扭轉振動測試的關鍵技術問題

（一）誤差抑制

• 傳感器安裝誤差：應變片粘貼歪斜會導致測量值偏小，激光測振儀對準偏差會降低信號強度，需嚴格按照安裝規范操作；
• 電磁干擾：工業環境中的電機、變頻器會產生電磁噪聲，需使用屏蔽線、隔離放大器或濾波電路；
• 環境噪聲：機械振動（如地基振動）會干擾信號，需采用固定支架或減振裝置。

（二）階次分析的應用

旋轉機械的扭轉振動頻率與轉速密切相關（如齒輪嚙合頻率=齒數×轉速），傳統的FFT分析無法區分不同轉速下的頻率成分。階次分析通過將頻率歸一化為轉速的倍數（階次），可準確識別與轉速相關的振動源（如1階不平衡、2階齒輪嚙合），是旋轉機械扭轉振動分析的核心工具。

（三）高速旋轉部件的測試

高速旋轉部件（如渦輪機軸，轉速可達數萬轉/分鐘）的扭轉振動測試需解決兩個問題：

• 傳感器的響應速度：需選擇高帶寬傳感器（如激光測振儀的帶寬可達幾十kHz）；
• 數據采集的采樣率：需滿足高速信號的采樣要求（如轉速10000rpm時，1階振動頻率為167Hz，采樣率需至少334Hz，實際應用中通常取5~10倍）。

五、扭轉振動測試的工程應用案例

（一）汽車發動機曲軸扭轉振動測試

某汽車制造商在開發新發動機時，發現曲軸在高速運轉時出現異常噪聲。通過應變片法測試曲軸的扭轉振動，發現其2階固有頻率與發動機的點火頻率（60Hz）重合，引發共振。通過優化飛輪的轉動慣量，將曲軸的2階固有頻率調整至70Hz，避開了點火頻率，解決了噪聲問題。

（二）風電齒輪箱扭轉振動測試

某風電場的風機齒輪箱在運行中出現齒輪磨損加劇的問題。通過激光多普勒測振儀測試齒輪箱輸入軸的扭轉振動，發現其1階共振頻率與風機的運行轉速（15rpm）重合，導致齒輪嚙合時的沖擊力增大。通過調整齒輪箱的支撐剛度，將1階固有頻率提高至20rpm，減少了齒輪磨損，延長了齒輪箱壽命。

（三）汽輪機-發電機軸系扭轉振動測試

某火力發電廠的汽輪機-發電機軸系在啟動過程中出現軸系振動超標。通過扭矩傳感器法測試軸系的扭轉振動，發現其3階固有頻率與汽輪機的蒸汽激勵頻率（120Hz）重合，引發共振。通過調整軸系的聯軸器剛度，將3階固有頻率調整至150Hz，避免了共振，確保了機組的安全運行。

六、扭轉振動測試的未來趨勢

隨著工業4.0與智能制造的發展，扭轉振動測試技術正朝著非接觸、智能化、實時化方向發展：

1. 非接觸測試技術的普及：激光多普勒測振儀、光電編碼器等非接觸傳感器的成本逐漸降低，將取代傳統的應變片法，成為高速旋轉部件的主流測試手段；
2. 無線傳感器網絡（WSN）的應用：無線傳感器可安裝在旋轉部件上，無需導線連接，避免了導線磨損問題，適用于長期監測；
3. 人工智能（AI）的融合：機器學習算法（如神經網絡、支持向量機）可對扭轉振動數據進行深度學習，實現故障的早期預測（如齒輪磨損、軸承失效）；
4. 工業物聯網（IIoT）的集成：扭轉振動測試系統可與工業物聯網平臺連接，實現實時監測、遠程診斷與大數據分析，提高設備的運維效率。

七、結語

扭轉振動測試是旋轉機械安全運行與性能優化的重要保障，其技術發展與工業需求密切相關。從傳統的應變片法到現代的激光測振儀，從離線測試到實時監測，扭轉振動測試技術正不斷進步。未來，隨著非接觸技術、人工智能與工業物聯網的融合，扭轉振動測試將更加高效、智能，為工業設備的可靠性與安全性提供更有力的支撐。

無論是汽車發動機、風電齒輪箱還是汽輪機-發電機軸系，扭轉振動測試都在默默發揮著作用——它不僅是解決現有問題的工具，更是預防未來故障的“眼睛”。在工業高速發展的今天，扭轉振動測試的重要性將愈發凸顯。