三環(huán)減速器振動(dòng)系統(tǒng)激勵(lì)源載荷識(shí)別
§4-1 前言
在第三章中我們建立了三環(huán)減速器的數(shù)學(xué)模型和理論模型，并用有限元法對(duì)三環(huán)減速器系統(tǒng)的Ⅱ子模型系統(tǒng)進(jìn)行了動(dòng)態(tài)特性的計(jì)算，求解出了其固有特性參數(shù)，稱之為結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)的第一類逆問題。獲得了Ⅱ子模型后，若能求出Ⅰ子模型對(duì)Ⅱ子模型產(chǎn)生的激勵(lì)力F（t），我們便能采用相應(yīng)的方法進(jìn)行三環(huán)減速器振動(dòng)系統(tǒng)響應(yīng)分析和振動(dòng)控制、噪聲研究等。
這里，我們就有兩部分工作要做：
一、識(shí)別載荷F（t）——結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)第二類逆問題；
二、系統(tǒng)響應(yīng)計(jì)算——結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)的正問題；
本章我們僅討論載荷識(shí)別問題，而把系統(tǒng)響應(yīng)計(jì)算問題（即振動(dòng)噪聲預(yù)估計(jì)算問題）放在第五章中討論。
在這里我們SHQ40型三環(huán)減速器為例進(jìn)行載荷識(shí)別的計(jì)算。我們采取的方法是：
1、對(duì)系統(tǒng)輸入軸進(jìn)行脈沖激勵(lì)實(shí)驗(yàn)，通過FFT計(jì)算出其頻響函數(shù)。
2、由實(shí)測(cè)振動(dòng)系統(tǒng)的響應(yīng)信號(hào)及頻響函數(shù)僅推導(dǎo)出輸入激勵(lì)力F（t）。
§4-2 載荷識(shí)別技術(shù)
§4-1.1 振動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性
一個(gè)振動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，可以用頻響函數(shù)畫描述。頻響函數(shù)為：
H（ω）=
（4.1）
即Y（ω）=H（ω）X（ω） （4.2）
經(jīng)富氏變換后得
y（t）=x（t）*h（t） （4.3）
式中：y（t）——輸出函數(shù)；
x（t）——輸入函數(shù)；
h（t）——頻響函數(shù)的逆變換
輸入函數(shù)是作用于振動(dòng)系統(tǒng)的激勵(lì)信號(hào)；輸出函數(shù)y（t）是振動(dòng)系統(tǒng)對(duì)激勵(lì)的響應(yīng)信號(hào)。由式（4.3）可知，系統(tǒng)的輸出函數(shù)y（t）等于輸入函數(shù)x（t）與函數(shù)h（t）的卷積，h（t）的作用相當(dāng)于給輸入函數(shù)加權(quán)處理，所以稱h（t）為系統(tǒng)的權(quán)函數(shù)。權(quán)函數(shù)是由系統(tǒng)的本身特性所決定，因此只要測(cè)量得到系統(tǒng)的激勵(lì)x（t）和響應(yīng)y（t），就可弄清楚系統(tǒng)的權(quán)函數(shù)h（t），從而也弄清了振動(dòng)系統(tǒng)的特性。式（4.1）和式（4.2）是式（4.3）在頻域內(nèi)的計(jì)算公式，從上式中可以看出，在頻式范圍內(nèi)，輸入與輸出之間只是簡(jiǎn)單的乘積關(guān)系，更有利于分析。
對(duì)一個(gè)未知的振動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行載荷識(shí)別，即求輸入函數(shù)，由式（4.1）、（4.2）、（4.3）可知，我們必須知道系統(tǒng)的輸出函數(shù)和頻響函數(shù)。輸出函數(shù)我們可以通過試驗(yàn)實(shí)測(cè)出實(shí)際工況下的響應(yīng)函數(shù)Y（ω），而頻響函數(shù)H（ω）我們也必須通過一定的試驗(yàn)而求出。
振動(dòng)系統(tǒng)在任何一種激勵(lì)x（t）之下都能反映出系統(tǒng)特性——頻響函數(shù)H（ω）。但不同的激勵(lì)方法，所用測(cè)度和分析手段有很大差別，所得結(jié)果的正確性也有不同。目前常用的激勵(lì)方法有正弦激勵(lì)、瞬態(tài)激勵(lì)和隨機(jī)激勵(lì)三大類。各有其適宜和范圍和優(yōu)缺點(diǎn)，在此我們僅討論瞬態(tài)激勵(lì)法中的脈中激勵(lì)。
§4-2.2 脈沖激勵(lì)
瞬態(tài)測(cè)試是測(cè)量系統(tǒng)瞬態(tài)響應(yīng)的一種方法，雖然測(cè)試試精度比穩(wěn)態(tài)正弦法稍遜，但只要信號(hào)處理方法得當(dāng)，仍可獲得滿意的精度，而其測(cè)試效率高，非常便于在線或?qū)崟r(shí)地處理系統(tǒng)的振動(dòng)問題。
脈沖激勵(lì)是瞬態(tài)激勵(lì)測(cè)驗(yàn)試法中一種，最常用的方法就是錘擊法。脈沖激勵(lì)的理論基礎(chǔ)是采用單位脈沖函數(shù)δ（t）對(duì)被測(cè)結(jié)構(gòu)對(duì)象激勵(lì)。其脈沖的持續(xù)時(shí)間t→o，其頻率范圍為無限大，且是連續(xù)的。在脈沖力寬頻信號(hào)的激勵(lì)下，就能把試驗(yàn)對(duì)象的所有各階固有頻率都激發(fā)出來。把脈沖力和激發(fā)起來的響應(yīng)信號(hào)同時(shí)輸入數(shù)字信號(hào)處理分析系統(tǒng)的兩個(gè)通道中，進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換和濾波后，就可作快速富利葉變換（FFT），分析出它們各自的幅值譜、相們譜，再經(jīng)計(jì)算，得出它們的頻響函數(shù)等。
脈沖測(cè)度中的幾個(gè)重要問題：
一、采樣頻率fs的確定
工程上測(cè)得的信號(hào)大多數(shù)是模擬信號(hào)，為了能利用數(shù)字計(jì)算機(jī)進(jìn)行處量，首先必須對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化處理，即采樣和量化處理。
信號(hào)的數(shù)字化處理，首先要對(duì)連續(xù)的時(shí)間歷程信號(hào)x（t）進(jìn)行采樣。按照通常的Shanon采樣定理選擇采樣頻率fs等于或大于信號(hào)處理所需求的最高上限頻率fmax的兩倍，即fs≥2fmax。對(duì)于脈沖信號(hào)來說，由脈沖寬度T僅是毫秒甚至1/10毫秒的數(shù)量級(jí)。如果僅按采樣定理來確定fs時(shí)，很有可能會(huì)使脈沖信號(hào)失真，甚至根本采不到信號(hào)。經(jīng)過對(duì)各種不同形狀的脈沖力分析研究后認(rèn)為，在一個(gè)力脈沖內(nèi)能采得5～7個(gè)點(diǎn)，即fs≥5/T～7/T，力譜幅值和相位的誤差就可以控制得很小。因此在進(jìn)行脈沖激勵(lì)試驗(yàn)中采樣頻率fs應(yīng)同時(shí)滿足兩個(gè)條件：
fs≥2fmax （4.4）
fs≥5/T
同時(shí)還應(yīng)兼顧考慮頻率分辯率的問題。在此我們就不詳細(xì)論述了，讀者可參考資料[45]、[90]、[145]、[146]。
二、觸發(fā)方式的選擇
當(dāng)力脈沖信號(hào)和響應(yīng)信號(hào)輸入分析系統(tǒng)時(shí)，要求分析系統(tǒng)同步進(jìn)行采樣，需要有個(gè)觸發(fā)信號(hào)控制分析系統(tǒng)。通常產(chǎn)生觸發(fā)信號(hào)的方式有：外觸發(fā)、內(nèi)觸發(fā)和手動(dòng)觸發(fā)三種。手動(dòng)觸發(fā)憑操作者的熟練經(jīng)驗(yàn)來控制，而外觸發(fā)則改變了原定的脈沖力和力譜特性，產(chǎn)生一定的誤差。目前常用的是內(nèi)觸發(fā)方式，即用力脈沖信號(hào)本身作為觸發(fā)信號(hào)，當(dāng)力信號(hào)送入到規(guī)定的電平時(shí)，分析系統(tǒng)就開始采樣。內(nèi)觸發(fā)方式首先要注意觸發(fā)電平的選擇，不能采用過零觸發(fā)方式，以避免由于噪聲干擾而發(fā)生誤觸發(fā)；其次要確定力脈沖的大小，應(yīng)盡量選擇小一些，但必雙略高于噪聲電平，這樣即可以減小信號(hào)的丟失，又可使系統(tǒng)不發(fā)生誤觸發(fā)。
三、平均化技術(shù)的作用
脈沖測(cè)試系統(tǒng)在實(shí)際試驗(yàn)過程中，真實(shí)的信號(hào)中往往有噪聲。根據(jù)兩互不相關(guān)獨(dú)產(chǎn)信號(hào)的互譜經(jīng)多次平均后逐步趨向于零的道理，通過多次平均后，用功率譜密度函數(shù)求得的頻響函數(shù)中，就可去除輸出端噪聲的影響。但是輸入端的噪聲還不能消除。因此，在試驗(yàn)時(shí)要盡可能使輸入端噪聲控制在最小的范圍內(nèi)。
為了考察噪聲對(duì)所得頻響函數(shù)的影響程度，即檢驗(yàn)試驗(yàn)結(jié)果的可靠程度，可以用相干函數(shù)作判斷。在脈沖激勵(lì)時(shí)，一般認(rèn)為其值大于0.75，也就可以了。
四、加窗處理
對(duì)任意信號(hào)x（t）的有限截取，在頻譜會(huì)產(chǎn)生一種“皺紋效應(yīng)”，這實(shí)質(zhì)是由于截?cái)喽斐傻男孤┱`差，在信號(hào)處理過程中采用窗函數(shù)截取，稱為加窗處理，即對(duì)被分析的信號(hào)x（t）的不同時(shí)刻給予不同的加權(quán)，使截?cái)嗟挠绊懕M量小。一般選擇原則是窗函數(shù)的旁瓣高度與主瓣高度之比盡量小，且旁瓣高度衰減的快。另外主瓣的寬度也不能太大，即涌使頻率分辨率降低太多。一般是以降低頻率分辯率來?yè)Q取泄漏的減少。
窗函數(shù)有許多種，常見的矩形窗、漢字窗（hanning）、海明（Hamming）窗、伯來克曼（Blackman）窗、SinX/X窗、力窗、指數(shù)窗等。各有其優(yōu)缺點(diǎn)，適用于不同要求的情況，在此，我們僅討論適用于脈沖激勵(lì)試驗(yàn)測(cè)量頻響函數(shù)的力窗和指數(shù)窗。
1、 力窗（Force Window）
力窗也是矩形窗的一種，僅用有限的窗寬用于分析計(jì)算，如圖4-1示。力窗函數(shù)為：
1（A≤n≤B）
W（n△t） （4.5）
0（n<A，n>B）
只有落入范圍A≤n≤B內(nèi)的波形才能用于分析計(jì)算，而在此范圍之外的部分則被置為零值考慮。力窗用于以下兩種情況：
a.在分析脈沖波形時(shí)，用于除去噪聲影響。
b.當(dāng)一個(gè)分析窗區(qū)間內(nèi)包含多于兩個(gè)周期的波形時(shí)，力窗能使FFT法僅分析其中一個(gè)周期的波形信號(hào)。
2、指數(shù)窗（Eesponential Window）
當(dāng)振動(dòng)系統(tǒng)受到脈沖激勵(lì)時(shí)，往往征呈自由衰減振動(dòng)，系統(tǒng)阻尼越小，幅值衰減的時(shí)間越長(zhǎng)，在進(jìn)行有限點(diǎn)采樣時(shí)因截?cái)喽斐傻哪芰啃孤┰酱�，頻譜產(chǎn)生的畸變?cè)絿?yán)重。為補(bǔ)償這種形式的泄漏，最好的辦法是以指數(shù)窗來對(duì)原信號(hào)加權(quán)，加速其衰減，使得加窗后的信號(hào)在載斷前基本上衰減到零。
指數(shù)窗函數(shù)的一般表達(dá)式為：
W（n△t）=e-p（n△t） （4.6）
e——自然對(duì)數(shù)的底；
p——指數(shù)窗衰減率；
n——信號(hào)的采樣序，k=1，2……N；
△t—采樣間隔時(shí)間；
§4-3 三環(huán)減速器載荷識(shí)別
我們以SHQ40型三環(huán)減速器為例，來計(jì)算振動(dòng)系統(tǒng)的Ⅰ子系統(tǒng)對(duì)Ⅱ子系統(tǒng)的激勵(lì)力的大小。這里我們京有兩部分工作要做；
一、計(jì)算頻響函數(shù)H（ω）；
二、計(jì)算激勵(lì)力
§4-3.1 三環(huán)減速器頻響函數(shù)
我們對(duì)SHQ40型三環(huán)減速器進(jìn)行脈沖激勵(lì)試驗(yàn)，其試驗(yàn)方案布置如圖6-1示。用脈沖錘24敲擊試件7輸入軸上測(cè)點(diǎn)14的X向，用傳感器20沿測(cè)點(diǎn)12的X向取出信號(hào)經(jīng)放大器21放大后送入磁帶記錄儀22記錄并用CF-355型頻譜分析儀23分析計(jì)算，由繪圖儀27輸出，試件7上測(cè)點(diǎn)布置圖如圖6-4所示。
脈沖錘擊信號(hào)送入 CF-355中的S通道，響應(yīng)信號(hào)送入B通道，對(duì)脈沖激勵(lì)所加的力窗函數(shù)及內(nèi)觸發(fā)脈沖的方向、數(shù)值大小及位置如圖4-1示，對(duì)脈沖響應(yīng)所加的指數(shù)窗函數(shù)如圖4-2示。
脈沖激勵(lì)信號(hào)的時(shí)域信號(hào)及自動(dòng)功率譜密度函數(shù)如圖4-3所示。脈沖響應(yīng)信號(hào)的時(shí)域波形及自功率譜密度函數(shù)如圖4-4所示，從圖中可以看出脈沖激勵(lì)信號(hào)和脈沖響應(yīng)信號(hào)均較為理想。
有了脈沖激勵(lì)信號(hào)和脈沖響應(yīng)信號(hào)后，CF-355頻譜分析儀就能計(jì)算出測(cè)點(diǎn)12X向由于14點(diǎn)X向激勵(lì)間的頻響函數(shù)H（ω）及其相干函數(shù)，如圖4-5所示。圖4-6是頻響函數(shù)H（ω）的倒數(shù)。
圖4-1 力窗及觸發(fā)脈沖
圖4-2 指數(shù)窗
圖4-3 脈沖激勵(lì)信號(hào)
圖4-4 脈沖響應(yīng)信號(hào)
圖4-5 頻響函數(shù)和相干函數(shù)
圖4-6 頻響函數(shù)的倒數(shù)
§4-3.2 三環(huán)減速器載荷識(shí)別
根據(jù)式（4.1）可知：
（4.7）
而根據(jù)功率譜密度函數(shù)G與幅值譜密度函數(shù)的關(guān)系有式。
（f≥0） （4.8）
（f≥0）
則:對(duì)于一定時(shí)間T有:
（f≥0） （4.9）
（f≥0）
上式中，
我們可以從圖4-5及圖4-6中求出，而
可以以圖（4-7）、圖4-8、圖4-9及圖4-10中求出，這樣，根據(jù)式（4.7）就可以求出
了。
各種工況下的
如表4-1，表4-2、表4-3、表4-4及圖4-11、圖4-12、圖4-13、圖4-14所示。其中
為相干值，
為響應(yīng)自動(dòng)率譜密度函數(shù)值，單位為mm/S
2,
為頻響函數(shù)倒數(shù)值，單位為N/mm/S
2。
圖4-7 1000rpm-100kgm工況
圖4-8 1000rpm-250gm工況
圖4-9 1000rpm-350gm工況
圖4-10 1000rpm-400gm工況
圖4-11 1000rpm-100kgm工況
圖4-12 1000rpm-250kgm工況
圖4-13 1000rpm-350kgm工況
圖4-14 1000rpm-400kgm工況
表4-1 SHQ40在1000rpm-100kgm工況下載荷譜表
|
頻率 |
|
|
|
|
|
|
0
50
100
160
215
280
300
370
410
480
560
610
670
710
750
820
860
915
965
1025
1065
1100
1160
1220
1275
1315
1360
1400
1445
1500
1545
1600
1645
1690
1720
1775
1845
1900
1950
2000 |
0.5059
0.6375
0.7213
0.8037
0.8367
0.9930
0.8962
0.9908
0.9856
0.9869
0.9611
0.9889
0.9724
0.9905
0.9802
0.9858
0.9895
0.9832
0.9728
0.9797
0.9711
0.9725
0.9816
0.9915
0.9751
0.9980
0.9863
0.9881
0.9857
0.9951
0.9680
0.9534
0.9973
0.9835
0.9546
0.9672
0.9874
0.9980
0.9824
0.9929 |
0.0889
0.0998
0.326
0.244
0.197
0.284
0.160
0.155
0.163
0.273
0.321
0.381
0.577
0.400
0.174
0.584
0.738
0.631
0.360
0.325
0.285
0.316
0.468
0.532
0.404
0.263
0.214
0.245
0.301
0.240
1.04
0.527
0.942
1.03
0.719
0.506
0.254
0.212
0.240
0.164 |
195
149
182
2040
382
274
225
314
669
494
197
323
310
319
217
287
119
460
743
410
433
250
106
210
124
168
216
177
434
207
201
221
520
645
365
582
618
408
386
508 |
62
47
58
645
121
87
71
99
212
156
62
102
98
101
69
91
38
145
235
130
137
79
34
66
39
53
68
56
137
65
64
70
164
204
115
184
195
129
122
161 |
5.5
5
19
157
24
25
11
15
34
43
20
39
57
40
12
53
28
92
85
42
39
25
16
35
16
14
15
14
41
16
66
37
155
210
83
93
50
27
29
26 |
表4-2 SHQ40在1000rpm-250kgm工況下載荷譜表
|
頻率 |
|
|
|
|
|
|
0
50
100
160
215
280
300
370
410
480
560
610
670
710
750
820
860
915
965
1025
1065
1100
1160
1220
1275
1315
1360
1400
1445
1500
1545
1600
1645
1690
1720
1775
1845
1900
1950
2000 |
0.5059
0.6375
0.7213
0.8037
0.8367
0.9930
0.8962
0.9908
0.9856
0.9869
0.9611
0.9889
0.9724
0.9905
0.9802
0.9858
0.9895
0.9832
0.9728
0.9797
0.9711
0.9725
0.9816
0.9915
0.9751
0.9980
0.9863
0.9881
0.9857
0.9951
0.9680
0.9534
0.9973
0.9835
0.9546
0.9672
0.9874
0.9980
0.9824
0.9929 |
0.0889
0.0998
0.326
0.244
0.197
0.284
0.160
0.155
0.163
0.273
0.321
0.381
0.577
0.400
0.174
0.584
0.738
0.631
0.360
0.325
0.285
0.316
0.468
0.532
0.404
0.263
0.214
0.245
0.301
0.240
1.04
0.527
0.942
1.03
0.719
0.506
0.254
0.212
0.240
0.164 |
19.5
472
648
580
590
303
1030
753
306
410
303
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383
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806
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501
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847
964
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459
300 |
6
149
205
183
187
96
326
238
97
130
96
218
121
295
96
207
255
308
376
167
229
17
88
120
201
329
104
131
162
158
99
190
15
176
323
268
305
85
145
95 |
0.5
15
67
45
37
27
52
37
16
35
31
166
70
118
17
121
188
197
135
54
65
5
41
64
84
87
22
32
49
38
103
100
15
182
232
136
77
18
35
16 |
表4-3 SHQ40在1000rpm-350kgm工況下載荷譜表
|
頻率 |
|
|
|
|
|
|
0
50
100
160
215
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300
370
410
480
560
610
670
710
750
820
860
915
965
1025
1065
1100
1160
1220
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1360
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1500
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1600
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1845
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1950
2000 |
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0.316
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0.404
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0.301
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279
271
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188
1030
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1220
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280
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1030
1090
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534
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83
72
348
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112
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0.8
53
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36
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237
73
78
140
49
36
68
68
14
101
30
108
59
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198
358
64
135
69
83
6 |
表4-4 SHQ40在1000rpm-400kgm工況下載荷譜表
|
頻率 |
|
|
|
|
|
|
0
50
100
160
215
280
300
370
410
480
560
610
670
710
750
820
860
915
965
1025
1065
1100
1160
1220
1275
1315
1360
1400
1445
1500
1545
1600
1645
1690
1720
1775
1845
1900
1950
2000 |
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53.7
1280
2400
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101
243
15
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177
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184
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1.5
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13
15
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24
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134
2
36
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461
192
141
126
32
114
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57
47
52
53
23
103
61
88
126
749
266
259
47
9
24
28 |
從表4-1、表4-2、表4-3和表4-4及圖4-11、圖4-12、圖13及圖4-14中分析可知，三環(huán)減速器產(chǎn)生振動(dòng)與噪聲的激勵(lì)源主要有三種：
1.平面四桿機(jī)構(gòu)在死點(diǎn)位置時(shí)對(duì)各軸造成的沖擊（350Hz以下）；
2.平面四桿機(jī)構(gòu)在死點(diǎn)位置對(duì)齒輪副造成的沖擊（1700Hz左右）；
3.齒輪副嚙合產(chǎn)生的沖擊（850Hz左右）。
