轴振分析步骤详解

1. 明确分析目标

• 故障诊断：识别现有振动问题（如不平衡、不对中、轴承损坏）。
• 设计优化：预测临界转速，避开共振区，优化轴系参数（直径、支撑刚度）。

2. 数据采集与预处理

• 传感器布置：安装加速度计或位移传感器于轴承座或轴表面。
• 采样参数：采样频率≥2.56倍最高关注频率（如分析至1000Hz需≥2560Hz采样率）。
• 信号处理：滤波（去噪）、加窗（汉宁窗）、FFT频谱分析。

3. 理论建模（有限元法）

• 几何建模：精确构建轴系3D模型（含键槽、阶梯轴等细节）。
• 材料属性：输入弹性模量、密度（如钢：E=210GPa，ρ=7850kg/m³）。
• 网格划分：六面体网格为主，关键区域局部细化（网格尺寸≤轴径1/10）。
• 边界条件：模拟实际支撑（如滚动轴承简化为弹簧，刚度k=1e8 N/m）。

4. 模态分析

• 求解设置：提取前10阶模态（覆盖工作转速范围）。
• 结果输出：固有频率（如1阶弯曲频率85Hz）、振型（弯曲/扭转）。
• 验证：对比锤击法实验模态，误差≤5%。

5. 临界转速计算

• Campbell图：绘制转速-频率曲线，识别临界转速（如1倍频与模态频率交点）。
• 安全裕度：工作转速应避开临界转速±20%（如临界转速2000rpm，工作转速需＜1600或＞2400rpm）。

6. 谐响应分析

• 载荷施加：不平衡力（F=m·r·ω²，m=5g，r=50mm，ω=转速对应角速度）。
• 频率范围：0.5-2倍工作转速对应频率（如工作转速1800rpm，对应30Hz，范围15-60Hz）。
• 结果解读：最大位移幅值（如峰值在45Hz，幅值0.1mm），判定是否超标。

7. 动平衡校正

• 现场平衡：试重法，通过影响系数计算配重（如初始振动80μm，加试重10g后降至40μm，需配重15g@120°）。
• ISO 1940标准：平衡等级G6.3（通用机械），残余不平衡量≤6.3mm/s。

8. 故障诊断（基于频谱特征）

• 特征频率识别：
  • 不平衡：1倍转频（如30Hz）幅值突出。
  • 不对中：2倍转频（60Hz）及高次谐波。
  • 轴承损伤：特定频率（如保持架故障频率=0.4×转频）。
• 案例：某泵轴振动频谱显示48Hz峰值，对应轴承外圈故障频率，拆检确认剥落。

9. 优化措施

• 结构改进：增大轴径（从Φ50→Φ60，临界转速提升至2500rpm）。
• 阻尼增强：安装挤压油膜阻尼器，降低共振幅值30%。
• 支撑调整：缩短跨距（从1000mm→800mm），提升刚度。

10. 报告与验证

• 输出结果：模态振型图、Campbell图、谐响应曲线、平衡记录。
• 实验验证：空载/负载振动测试，确保最大振动值≤ISO 10816-3的4.5mm/s（Class III机械）。

注意事项

• 非线性效应：大变形或接触问题需启用非线性求解（如轴承间隙）。
• 温度影响：高温环境下需修正材料参数（如E下降10%时，临界转速降低约5%）。
• 多轴耦合：复杂轴系需进行多体动力学仿真（如ADAMS），考虑齿轮啮合激励。

通过系统化的轴振分析，可有效预防故障、优化设计，确保旋转机械安全高效运行。

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