什么是转子振动中的节点？ • 便携式平衡仪、振动分析仪"Balanset"用于对破碎机、风机、粉碎机、联合收割机螺旋输送机、轴、离心机、涡轮机以及许多其他转子进行动态平衡。 什么是转子振动中的节点？ • 便携式平衡仪、振动分析仪"Balanset"用于对破碎机、风机、粉碎机、联合收割机螺旋输送机、轴、离心机、涡轮机以及许多其他转子进行动态平衡。

转子振动中的节点是什么？

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理解转子振动中的节点

定义：什么是节点？

A 节点 （在考虑三维运动时也称为节点或节点线）是沿振动线的特定位置 动盘 其中 位移 或者在特定振动条件下，挠度保持为零。 固有频率. 即使轴的其他部分振动和偏转，节点相对于轴的中立位置仍保持静止。.

节点是基本特征 模态振型, 它们的位置为以下方面提供了关键信息： 转子动力学 分析， 平衡 程序和传感器放置策略。.

不同振动模式下的节点

第一弯曲模式

第一（基本）弯曲模态通常具有：

  • 零内部节点： 轴长方向上不存在零挠度点
  • 方位角位置近似为节点： 在简支结构中，轴承充当近节点。
  • 最大挠度： 通常位于轴承之间的跨中附近
  • 简单弧形： 轴弯曲成一条平滑的曲线

第二弯曲模式

第二种模式的规律更为复杂：

  • 一个内部节点： 轴上某一点（通常靠近跨中）的挠度为零。
  • S形曲线： 轴在节点两侧向相反方向弯曲。
  • 两个腹节点： 节点两侧出现最大挠度
  • 更高频率： 自然频率明显高于第一阶模态

第三模式及更高

  • 第三种模式： 两个内部节点，三个反节点
  • 第四种模式： 三个节点，四个腹节点
  • 通则： 模式 N 有 (N-1) 个内部节点
  • 复杂性增加： 更高阶的模态呈现出越来越复杂的波形。

节点的物理意义

零挠度

在振动过程中，于该模态固有频率的节点处：

  • 横向位移为零
  • 轴穿过其中性轴
  • 然而，弯曲应力通常最大（挠度曲线的斜率最大）。
  • 节点处的剪力最大。

零灵敏度

作用于节点的力或质量对该特定模式的影响极小：

  • 添加 校正权重 在节点上并不能有效地平衡这种模式
  • 放置在节点上的传感器可以检测到该模式下的最小振动
  • 节点处的支撑或约束对模态的固有频率影响甚微

对平衡的实际意义

校正平面选择

了解节点位置有助于制定平衡策略：

适用于刚性转子

  • 低于第一临界速度运行
  • 第一模式并未显著激发
  • 标准 双平面平衡 靠近转子端部有效
  • 节点并非主要关注点

适用于柔性转子

  • 以临界速度或高于临界速度运行
  • 必须考虑模态形状和节点
  • 有效矫正平面： 应该位于或靠近波腹位置（最大偏转点）
  • 无效地点： 节点处或附近的校正平面对该模式的影响极小
  • 模态平衡: 在分配校正权重时，明确考虑节点位置。

示例：第二模式平衡

考虑一根长柔性轴，其转速高于第一临界转速，激发第二模态：

  • 第二种模式在跨中附近有一个节点。
  • 将所有修正配重都放置在跨中附近（节点处）是无效的。
  • 最优策略：在两个波腹位置（节点两侧）放置修正项
  • 为了有效平衡，重量分布模式必须与第二模态形状相匹配。

传感器放置位置的考虑因素

振动测量策略

节点对振动监测起着至关重要的作用：

避免节点位置

  • 节点处的传感器检测到该模式下的最小振动
  • 如果仅在节点处进行测量，可能会遗漏严重的振动问题。
  • 可能给人造成振动水平可接受的错误印象。

目标反节点位置

  • 波腹处的最大振幅
  • 对发展问题最为敏感
  • 通常位于第一模态的轴承位置
  • 对于更高阶模式，可能需要中间测量点

多个测量点

  • 对于柔性转子，需在多个轴向位置进行测量。
  • 确保不会因节点位置而遗漏任何模式
  • 可用于实验测定模态形状
  • 关键设备通常在每个轴承处以及跨中位置都装有传感器。

确定节点位置

分析预测

  • 有限元分析： 计算振型并识别节点
  • 梁理论： 对于简单的配置，解析解可以预测节点位置。
  • 设计工具： 转子动力学软件提供带有节点标记的可视化模态形状显示。

实验鉴定

1.冲击（碰撞）测试

  • 使用带仪器的锤子在多个位置敲击竖井
  • 在多个点测量响应
  • 在特定频率下没有响应的位置是该模式的节点。

2. 工作挠曲形状测量

  • 在接近临界转速运行时，测量多个轴向位置的振动。
  • 绘制偏转幅度与位置的关系图
  • 零交叉点是节点位置

3. 近距离探针阵列

  • 沿轴长方向设置多个非接触式传感器
  • 直接测量启动/滑行过程中的轴挠度
  • 识别节点的最准确实验方法

节点与波腹

节点和反节点是互补的概念：

节点

  • 零挠度
  • 最大弯曲斜率和应力
  • 力施加或测量效率低
  • 适用于支撑位置（最大限度减少传递力）

波腹

  • 最大挠度
  • 零弯曲斜率
  • 矫正重量的最大有效性
  • 最佳传感器放置位置
  • 应力最大位置（组合载荷下）

实际应用和案例研究

案例：造纸机卷

  • 情况： 长（6米）滚筒，转速1200转/分，振动较大
  • 分析： 高于第一临界值运行，激发第二模式，节点位于跨中位置
  • 初始平衡尝试： 在跨中位置增加配重（便于操作）效果不佳
  • 解决方案 认识到跨中点是节点；权重重新分配到四分之一点（波腹）
  • 结果： 振动通过 85% 降低，模态平衡成功

案例：蒸汽轮机监测

  • 情况： 新的振动监测系统显示，尽管存在已知的不平衡，但振动仍然很低。
  • 调查： 传感器意外放置在主导模式的节点附近
  • 解决方案 位于振动波腹位置的附加传感器揭示了实际振动水平。
  • 课： 设计监测系统时，务必考虑振型。

高级考量

移动节点

在某些系统中，节点会随运行条件而变化：

  • 速度相关的轴承刚度变化节点位置
  • 温度对轴刚度的影响
  • 负荷依赖性反应
  • 非对称系统可能具有不同的水平和垂直运动节点

近似节点与真实节点

  • 真节点： 理想系统中的精确零偏转点
  • 近似节点： 在存在阻尼和其他非理想效应的实际系统中，挠度非常低（但非零）的位置
  • 实际考虑因素： 实际节点是挠度较小的区域，而不是精确的数学点。

了解节点能够深入了解转子振动行为，对于有效平衡柔性转子、优化传感器放置以及正确解释旋转机械中的振动数据至关重要。.

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