《转子不平衡量测试》PPT课件.ppt

题目： 刚性转子不平衡量的测试 整体架构 刚性转子不平衡量测试 主要内容： 1，测试系统的主要任务。 2，该测试系统的整体测试过程。 被测轴承转子 （2）主要任务：测转子不平衡量 。 测量转子的不平衡量即测量不平衡引起 的振动。用传感器测得振动信号后，然 后对振动信号进行处理，最终得到振动 的幅值、相位。 2，该测试系统的整体测试过程。 动平衡测试系统主要功能： （1）采集来自传感器的不平衡振动信号 经。 （2）过模数转化后，再有计算机计算出 转子不平衡信号的幅值和相位信息， 最终得到不平衡量的幅值和相位。 1 伺服电机。 2 转子。 3 弹簧片。 4 振动信号传感器 11 是光电传感器及反光片。 5 振动信号处理电路。 7 基准信号处理电路。 8 模数转换 。 9 DFT算法。 10 转子不平衡量及相位显示。 待测转子放在测力支承上，当交流伺服 电机通过皮带摩擦驱动，带动转子作恒速 转动时，转子不平衡量产生的离心力经过 测力支承传递懂到力传感器而转化为电压 信号，该信号经过放大滤波A/D转换后，最 终由计算机处理得到不平衡量的大小及相 位。从而完成动平衡量的测量。 机械部分设计 主要内容 1，驱动电机的选择。 2，传动方式的设计。 3，转子支承的设计。 电机的选择 该实验中选用的是交流伺服电机，具有以 下优点：良好的速度控制特性，在整个速度 区内可实现平滑控制，几乎无振荡;高效率， 90%以上，不发热;高速控制;高精确位置控制 （取决于何种编码器）;额定运行区域内，实 现恒力矩;低噪音;没有电刷的磨损，免维护;不 产生磨损颗粒、没有火花，适用于无尘间、 易暴环境、惯量低。 由以上公式可知所选电动机功率与动平 衡机设计平衡转速、待测工件质量与尺寸及 加速时间有关，可根据实际设计的上述参数 确定电机功率，选取电机型号。另外还需考 虑到转子的支承等损耗及传动装置的传动效 率。 传动方式设计皮带传动 皮带传动是一种依靠摩擦力来传递运动 和动力的机械传动。它的特点主要表现在： 皮带有良好的弹性，在工作中能缓和冲击和 振动，运动平稳无噪音。载荷过大时皮带在 轮上打滑，因而可以防止其他零件损坏，起 安全保护作用。皮带是中间零件。它可以在 一定范围内根据需要来选定长度，以适应中 心距要求较大的工作条件。结构简单制造容 易，安装和维修方便，成本较低。 由于所设计的动平衡测量系统待测转子 质量相对较轻，且皮带的干扰信号可在后续 对信号进行滤波时滤除，故采用传动平稳， 安装简单的皮带传动。 支承的设计 动平衡机按系统力学特性的不同分为软 支承和硬支承两大类。软支承是指转子的支 承系统固有频率远低于平衡机转速，这种平 衡机的支承刚度小，传感器检测的信号与支 承振动位移成正比。硬支承则是支承系统固 有频率远远高于平衡转速，这种平衡机的支 承刚度很大，传感器检测出的信号与支承的 振动力成正比。 对于硬支承动平衡机，由转子不平衡量 带给支承的动载荷与转速的平方成正比，由 它引起支承的振动频率与转速同频，振幅与 转子不平衡量成正比，且振动的相位和不平 衡量相同，所以转子不平衡状态可以根据转 子支承是否振动或承受附加动载荷来判断。 该实验中我们也采取了硬支撑装置，用2个V 形块支撑轴承转子，如下图所示： 在支承处安装传感器可将振动信息转换 成相应的电量信号，再经过信号分析处理和 平面分离解算，得出校正面上不平衡量的大 小和相位。 转子动力学模型 转子动平衡的精度指标 目前常用剩余不平衡质量在额定转速下产 生的离心力大小占转子重量的百分比来衡量， 不同的旋转机械有不同精度要求，应根据其运 行的平稳性和经济性要求合理规划。 本实验将要完成对轴承转子的建模，并最终 测出轴承转子的径向不平衡量。鉴于轴承转子的 刚度及工作环境，将其视为刚性转子，工作在一 阶临界转速以下，动平衡过程中可以忽略其转子 挠曲变形。 刚性转子动平衡 对于径宽比 叶轮等，可近似地认为其不平衡质量分布在同一回转平面 内。在此情况下，若其质心不在回转轴线上，则当其转动 时，其偏心质量就会产生惯性力，从而在转动副中引起附 加动压力。所谓刚性转子的动平衡，就是利用在刚性转子 上加减平衡质量的方法，使其质心移到回转轴线上，从而 使转子的惯性力得以平衡（即惯性力之和为零）的一种平 衡措施。 的转子，如齿轮、盘形凸轮、带轮、链轮 图1. 动平衡矢量图解法 如上图 所示，设有一转子，具有偏心质量 m1、m2、m 3及 m4 ，回转半径分别为 r1、r2、r3、r4。当此转子以等角速度回转时， 各偏心质量所产生的离心惯性力分别为 为平衡这些离心惯性力，可在此转子上加上平衡质量 ，使 它所产生的离心惯性力F 与 F1、F2、F3、F4相平衡，亦即使 式中,r为平衡质量 的回转半径 对质径积mr产生的不平衡质量进行适当去重，就完成了刚性 转子的动平衡。 i=1,2,3,4 转子振动和转子不平衡量的动力学关系 式中，m为转子质量，c为支承阻尼系数，k为支撑刚 度x为振动量，M为该处的不平衡量。w为转动角速度。 从平衡原理可知，必须通过一定的测量手段测得两个 校正平面的不平衡量，才能完成转子的动平衡操作。实际 上，转子的不平衡量是很难直接测得的，一般通过测量校 正面出的振动量计算转子的不平衡量。根据机械振动理论 ，转子振动量的幅值相位和不平衡量的幅值相位通过下面 的动力学方程建立联系： 其中： 可解得： 不平衡表示方法 不平衡表示方法如下： 质量M的圆盘，质量偏心为e，则不平衡力 F =M*e*w*w w转子旋转角速度 若在半径r处加质量m可以抵消F，则 F = M*e*w*w = m*r*w*w 所以M*e = m*r，代表不平衡量大小（重径积 g.mm）。重径积虽然直接反映不平衡大小，但它 与刚体重量有关，表示不平衡引 起振动的程度不方便。因大转子和小转子 不平衡量相同，故也用 e = m*r/M； 单位g.mm/kg 即 M.e绝对平衡量，大小转子不好比较 e相对平衡量，大小转子便于比较 平衡精度等级可用G来表示： G =e.w/1000 动不平衡 在完全平衡转子的质心所在横截面上，同 时在两个不同的横截面上施加两个大小相 等方向相反的力偶不平衡，称为动不平衡 。 2.刚性转子平衡算法 刚性转子动平衡测试中，转子的动平衡按 其外径D与其跨距L比例的不同，分为单较 正面与双较正面平衡。因而不平衡测量方 法分为单平面平衡影响系数法和双平面平 衡影响系数法。当D/L5，盘形转子只进行 单面平衡；当D/L1，长轴转子采用双面平 衡；当1D/L5时，转子根据实际安装情况 决定采用单面或双面平衡，一般建议采用 双面平衡。 第5步启动转子至平衡转速，测试出震动 是否符合要求，如果符合要求，则平衡 工作可以结束，否则需要回到第1步继续 平衡。 本测试系统采用单面平衡 其中：a，b分别为平面到L,R面的距离 转子速度测量 转子速度测量作用： 1. 转速信号提供相位角 的基准 2. 测量转子速度 1.转速测量方法 分为两类:直接法和间接法 1.1 直接法 直接观测机械或者电机的机械运动，测量特定时间内机 械旋转的圈数，从而测出机械运动的转速。 1.2 间接法 测量由于机械转动导致其他物理量的变化，从这些 物理量的变化与转速的关系来得到转速。 除了以上两种方法外，按照测量仪是否与转轴接触， 可分为：接触式和非接触式。 由于平衡机要测量滚子的不平衡量，为了避免测量仪 与 滚子接触引起振动信号误差，导致测量结果失真，故选 用非接触式。 由于是测量滚子的转速，并且滚子的转速大约为2000rpm 直接法不能满足要求，故采用间接法。 2.转速传感器（ rotational velocity transducer ） 将旋转物体的转速转换为电量输出的传感器。 转速传感器属于间接式测量装置，可用机械、电气、 磁、光和混合式等方法制造。常用的转速传感器有光 电式、电容式、变磁阻式。 2.1 光电式转速传感器 光电式转速传感器分为投射式和反射式两类。 投射式光电转速传感器的读数盘和测量盘有间 隔相同的缝隙。测量盘随被测物体转动，每转过一 条缝隙，从光源投射到光敏元件（上的光线产生一 次明暗变化,光敏元件即输出电流脉冲信号（如图） 。 反射式光电传感器在 被测转轴上设有反射 记号，由光源发出的 光线通过透镜和半透 膜入射到被测转轴上 。转轴转动时，反射 记号对投射光点的反 射率发生变化。反射 率变大时，反射光线 经透镜投射到光敏元 件上即发出一个脉冲 信号；反射率变小时 ，光敏元件无信号。 在一定时间内对信号 计数便可测出转轴的 转速值。 2.2电容式转速传感器 电容式传感器，通过改变电容的大小来改变电量， 根据电容变化原理，可分为：面积变化型和介质变 化型。 变面积式电容 传感器工作原 理（如图3） ：转动板与转 子固定，以相 同角速度运动 ，转动板的转 动使电容发生 改变，从而检 测到R两端电 压的周期性变 化，从而测出 转速。 利用被测量的变化引起线圈自感或互感细数的变化，从 而导致线圈电感量改变这一物理现象来实现测量。 2.3 变磁阻式转速传感器 1.结构简单：工作中没有活动电接触点，因而比电位器 工作可靠，寿命长。 2.灵敏度高分辨率大：能测出0.01um甚至更小的机械 位移变化，能感受小到0.1的微小角度变化，传感器的 输出信号强，电压灵敏度一般每一毫米可达数百毫伏 ，因此有利于信号的传输与放大。 3.重复性好线信度优良：在一定位移范围内，输出特性 的线性度好，并且比较稳定，高精度的变磁组式传感 器，非线性误差仅0.1%。 4.缺点：存在交流零位信号，不易于动态测量。 特点： 结合以上三种传感器的原理或特点，以及平衡机 中测量转子速度的两个作用，作出一下结论： 1. 电容式传感器 无平衡机中要求的基准功能 外加转动板与转子固定，振动信号失真 2. 变磁阻式传感器 结构简单，非接触式， 但不适用于动态测试。 3. 光电式传感器 满足测量转子速度在平衡机中的两点作用， 输出电压信号，易于处理。 3 传感器确定 综上，选择光电式传感器 4.后处理 测量简图如右图： 光电式传感器得到的是周期性的脉冲信号，先利用傅 里叶变换得到频域信号，求出相应振幅最大值的频率，即 可得到转速。 振动传感器的选择 在工程振动测试领域中，测试手段与方法 多种多样: 机械式测量方法，光学式测 量方法，电测方法。其中电测方法测量 精度高，频率高，是目前应用得最广泛的 测量方法。 电测方法是将工程振动的参量转换成电 信号，经电子线路放大后显示和记录。电 测法的要点在于先将机械振动量转换为电 量（电动势、电荷、及其它电量），然后 再对电量进行测量，从而得到所要测量的 机械量。 传感器的选用原则一般考虑6 点： l灵敏度 l响应特性 l线性范围 l稳定性 l精确度 l测量方式 对于动平衡测试来说，有两点非常重 要：一是振动信号的获取，一是基准 信号的获取。在本设计中选用了压电 式加速度传感器获取振动信号，光电 传感器获取基准信号。 按机电变换原理分：电动式、压电式 、电涡流式、电感式、电容式、电阻 式、光电式； 按所测机械量分：位移传感器、速度 传感器、加速度传感器、力传感器、 应变传感器、扭振传感器、扭矩传感 器。 为了适应不同的实际应用场合，测试 系统选用了3种振动传感器，包括压电 式加速度传感器、电磁式速度传感器 和电涡流位移传感器；另一类是转速 传感器，使用中也选用了2种，包括光 电式转速传感器和电涡流转速传感器 。 压电式加速度传感器 测量时，通过基座底部的 螺孔将传感器与试件刚性连接， 传感器感受与试件相同频率的 振动。质量块以正比于加速度 的交变力作用在压电元件上， 压电元件的两个表面就有电荷 产生，其电荷量与作用力成正 比，即与试件的加速度成正比。 1. 工作原理 2. 结构形式： 分为压缩型、剪切型和组合型 压电式加速度传感器具有工作频带宽 、灵敏度高、信噪比高、结构简单、 工作可靠、体积小等特点受外界干扰 小以及压电材料受力自产生电荷信号 不需要任何外界电源等特点。适应于 硬支承动平衡机。 压电式加速度传感器的输出电荷与输 入加速度呈线性关系，可用于加速度 不失真测量。和电磁式速度传感器相 比，这种压电式传感器具有很高的自 振频率和很高的灵敏度。可以使它后 面的测量线路的总的放大增益减小， 放大器也易设计的稳定、可靠。 缺点是灵敏度受预应力大小、湿度 、温度影响，输出阻抗太高，噪声 较大，信噪比不高，低频特性差， 因此只能在转速较高的平衡机上应 用。若转速降低，其输出信号将随 w2的速率下降。 其质量块的相对位移y(t)与壳体加 速度之间的频响函数和幅频特性分 别为： 设弹簧的弹性系数为K，则压电晶 体上承受的动态力(不含静态时弹 簧的预紧力)为： F(t)=KyC(t) 设压电晶体的压电常数为Cq，得压 电式加速度传感器的输出电荷： Q(t)= CqF(t)= CqKy(t) 由式可知，当w wn时，压电式加速度传 感器的输出电荷与输入加速度呈线性关系 ，可用于加速度不失真测量。压电式加速 度传感器体积小、重量轻、灵敏度高、工 作频率范围宽，本文主要将其用于现场动 平衡 安装位置 为了获得准确的测试结果，通常希望 将平衡转速选择在振幅和相位都比较 稳定的那个状态，一旦转速稳定，就 必须保证多次测量应在同一个转速下 进行。在大多数情况下，总是选择在 工作转速下进行。 电荷放大电路 由于振动信号的选取是利用的压电式加速 度传感器，则可以选择电荷放大器来作为 前置放大电路。 电荷放大器可配接压电式加速度传感器。 由于压电式加速度传感器是将机械量转变 为与其正比的微弱电荷Q，而且输出的阻抗 极高，而电荷放大器的电荷变换级即可以 将电荷变换成为与其成正比的电压，可以 将高输出阻抗变成低输出阻抗，从而可以 满足信号的放大要求。 电荷放大器电路 由于电荷放大器是用于放大来自压电器件的电 荷信号放大电路。这类放大电路的信号源的内 阻抗极高，同时其电荷信号又很微弱，信号源 形成的电流仅为pA级，因而要求电荷放大器具 有除极高的输入电阻外，还应有极低的偏置电 流，否则当放大器的偏置电流与信号电流接近 时，信号可能被偏置电流所淹没，而不可以实 现正常放大。 根据以上对放大器的要求，可以选择美国AD公 司的AD823芯片。AD823芯片除了在阻抗以及 偏置电流上满足要求外，在驱动容性负载时， 还具有优良的限额为高频率负载驱动能力。 在设置的电荷放大电路中，其中C2，C3， C6,C7是对正负12V的电源进行去耦，可以减 少外界对运放的干扰。为了保护运放，在 运放的反相端串接了电阻R2,而为了避免R2 与AD832输入电容形成另一极点而使运放产 生自激震荡，则在R2上并联了C4进行相位 补偿。C5的作用是隔离掉压电的零漂。其 中Cf是反馈电容,Rf是反馈电阻。 电荷变换级的输出电压为Q / Cf，本放大电 路的Cf是101，则输出电压U0=10*Q mV。 信号采集及预处理 连续时间 信号 离散时间 信号 采样 内插 滤波器基本参数 1)截止频率fc：fc跟信号的频率有关，一般 为采样频率的0.5倍 2)纹波幅度d （幅值平坦度）：绕幅频特性 均值A0波动值，d与A0相比越小越好 3)带宽B和品质因数Q（分辨率）： Q值越大 ，滤波器的分辨力越高。 4)倍频程选择性W：反应幅频特性衰减的快 慢，衰减越快（即W值越大），滤波器的选 择性越好。 滤波器 压电加速度传感器的幅频特性的高频段有一个 很高的共振峰，能够严重的引起高频噪声，对 输入信号产生失真和干扰，此外低频信号甚至 直流信号也会对振动信号有所干扰。所以，在 电路用设计中选择的是RC有源带通滤波器。滤 波电路是由一个二阶高通滤波器和一个二阶低 通滤波器级联而成。高通部分主要是为了滤掉 一些低频干扰以及直流电，低通部分则是要滤 掉高频信号，具体频段可根据转子实际旋转频 率对电阻、电容大小选取而定。 滤波器 RC有源带通滤波器电路图 采样定理： 为保证采样后信号能真实地保留原始 模拟信号信息，信号采样频率必须至少 为原信号中最高频率成分的2倍。工程实 际中采样频率通常大于信号中最高频率 成分的3到5倍。 Fs 2 Fmax 数据采样系统的架构形式 1.多路分时采样 该系统特点：结构简单，成本低，分时 采样，但采样速度低。 数据采样系统的架构形式 2.同步采样（并行采样） 系统特点：可锁存同