（测试计量技术及仪器专业论文）基于全柔性串接式振动系统的高精度动不平衡测量研究.pdf

卜海交通大学t 学博七学位论文 摘要 基于全柔性串接式振动系统的高精度动不平衡测量研究 摘要 旋转机械的动不平衡是引起振动和噪声、降低设备寿命和可靠性、制约产品质量性能的 主要原因之一，也是旋转类产品生产、制造以及应用过程中必须解决的共性问题。研究高精 度动不平衡测量方法是一项具有巨大效益和重要意义的技术。 振动系统和电气测量系统是动平衡设备的核心组成部分，针对提高外悬式转子的动不平 衡测量设备的性能，本研究在新型振动系统设计、不平衡信号的提取和参数测量等环节提出 新方法，以实现能够降低最小可达剩余不平衡量，提高平面分离性能、重复性和长期稳定性 的动不平衡测量。具体研究工作分为以下几个方面： 1 对外悬式转子动不平衡测量中的常规振动系统的结构特点、力的关联效应的产生机理 及其抑制措施以及平面分离性能进行了深入分析，以提高不平衡测量精度和长期稳定性为目 的，指出新型振动系统的设计途径。 2 从理论力学中的瞬时运动中心的概念出发，提出了一种全新的全柔性串接式两自由度 振动系统，该振动系统结构上可以兼具常规悬臂梁结构平衡效率高和简支梁结构平面分离好 的优点为一体，而且拥有稳定的振动中心和较大的测量平面间距。将柔性铰链作为弹性元件 引入到该新型振动系统中来，其在传递不平衡力和运动的方向上具有较低的刚度、阻尼和较 高的灵敏度，降低了最小可达剩余不平衡量。传感元件安装在同一径向测量平面内，减弱了 环境因素造成的传感器性能差异，从而抑制了关联效应对动不平衡测量精度和长期稳定性的 影响。 3 建立了该振动系统两自由度摆动的动力学模型，得到其运动微分方程，进行了不平衡 响应分析，获得求解校正质量的平面分离方程。依据能量法原理，推导了该振动系统的等效 刚度、固有频率和灵敏度的理论定量表达式，同时指出了其影响因素。利用a n s y s 软件建 立了振动系统的有限元理论模型，对其进行了静、模态分析，证明了理论建模的正确性。采 用有限元理论深入分析了柔性铰链几何参数、振动系统结构参数和固有频率、灵敏度以及应 力分布之间的影响关系，在此分析基础上，得到各个系统参数的优化取值范围。最后，初步 结合机械结构优化设计方法，确定了振动系统的有关参数。 4 设计实现了高性能的电气测量控制系统以确保实现高精度动不平衡测量。该电气测量 控制系统以1 6 位微处理器x c l 6 7 为核心，主要包括两路压电传感器的电荷放大、选频滤波 等信号调理电路；以提高相位分辨率和确定主轴转速、转向为目的的光电传感器选择及其后 v 卜海交通大学t 学博十学位论文摘要 续电路设计；以及电机驱动控制电路。在此基础上，利用k e i l c l 6 7 实现了整套动不平衡测控 程序。 5 针对变频结构干扰和强噪声背景，分别采用改进经验模态分解和基于全通滤波器的自 适应i i r 格型陷波器的方法提取动不平衡信号。经验模态分解将振动信号自适应分解为有限 多个由高频到低频排列的、正交的本征模态函数：利用自回归预测模型延拓信号端点，消除 边界效应对提取的不平衡信号的影响，根据功率谱密度可以快速，有效的判断出代表基频信 号的本征模态函数。对于基于全通滤波器的自适应i i r 格型陷波器，提出了一种改进算法， 该算法采用瞬时输入和号前一次瞬时输出信号的互相关来调节步长因子，提高了低信噪比条 件下算法的收敛速度；引入归一化功率因子控制步长的变化量，使算法具有较好的鲁棒性能。 实验结果证明了这两种方法的有效性。 5 针对常规方法对不平衡信号参数测量需要整周期采样的限制，提出采用相位差校正技 术进行动不平衡信号参数测量。该方法的采样频率不受待测信号频率影响，不需要整周期采 样，算法实现方便，实时性好，选择旁瓣衰减较快的窗函数，能够消除能量泄露误差的影响， 窗函数的长度选择为待测信号周期的整数倍，以消除谐波干扰的影响。实验表明结果该方法 可以获得较高的测量精度。 最后从平面分离性能、相位精度、重复性和最小可达剩余不平衡量方面进行了实验验证， 结果表明该新型动不平衡测量系统的有效性。本研究取得的诸多成果可以为提高国有动不平 衡测量设备性能提供理论指导和实践经验，同时也指出了未来需要进行的改进工作。 关键词：动平衡，振动系统，柔性铰链，瞬时运动中心，平面分离，关联效应，模态分析， 经验模态分解，自适应陷波，相位差校正 v l 卜海交通大学t 学博卜学位论文 a b s t r a c t r e s e a r c ho nh i g ha c c u r a c yd y n a m i c u n b a l a n c i n gm e a s u r e m e n tb a s e do nf u l l y c o m p l i a n tt a n d e m b r a t i o ns y s t e m a b s t r a c t d y n a m i cu n b a l a n c i n go fr o t a t i o nm a c h i n e r yi so n eo fs o u r c e so fh a r m f u lv i b r a t i o na n dn o i s e ， w h i c ha f f e c t sl i f e s p a n , r e l i a b i l i t y , a n do p e r a t i o np e r f o r m a n c eo ft h ep r o d u c t t h a ti sa l s oa c o m m o np r o b l e mi nt h ec o b r $ eo fm a n u f a c t u r i n ga n da p p l i c a t i o no fr o t a t i o np a r t s i ti sm e a n i n g f u l t or e s e a r c hh i 【g ha c c u r a c yd y n a m i cu n b a l a n c i n gm e a s u r e m e n t v i b r a t i o ns y s t e ma n de l e c t r i c a lm e a s u r e m e n ts y s t e ma l et h ec o r ec o m p o n e n t so ft h ed y n a m i c b a l a n c i n ge q u i p m e n t t oi m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo ft h ed y n a m i cu n b a l a n c i n gm e a s u r e m e n t e q u i p m e n tf o ro u t b o a r dr o t o r , t h i sp a p e rp r e s e n t ss o m en e wm e t h o d sd u r i n gt h ec o u r s eo f u n b a l a n c i n gs i g n a lt r a n s m i s s i o n , a c q u i s i t i o na n dp r o c e s s i n g , w i t ht h er e s u l t st h a ts m a l l e r m i n i m u ma c h i e v a b l er e s i d u a lu n b a l a n c e ，b e n e rp l a n es e p a r a t i o np e r f o r m a n c ea n dl o n g t e r m s t a b i l i t yi sr e a l i z e di nu n b a l a n c i n gm e a s u r e m e n t i nb r i e f , t h i sr e s e a r c hi n c l u d e s ： 1 s o m ep o i n t so no u t b o a r dr o t o ru n b a l a n c i n gm e a s u r e m e 咄i n c l u d i n gt h es t r u c t u r e c h a r a c t e r i s t i c so ft h eg e n e r a lv i b r a t i o ns y s t e m ，t h em e c h a n i s mo ff o r c er e l a t i o ne f f e c t , a n dt h e p l a n es e p a r a t i o np e r f o r m a n c e ，a r ea n a l y z e di nd e p t h t h ed e s i g ni d e a sf o rn o v e lv i b r a t i o ns y s t e m a r ep r o p o s e dt oi m p r o v em e a s u r e m e n t a c c u r a c ya n dl o n g - t e r ns t a b i l i t y 2 s t a r t i n gf r o mt h ec o n c e p to fi n s t a n t a n e o u sm o t i o nc e n t e ri nt h e o r e t i cm e c h a n i c s ，an o v e l f u l l yc o m p l i a n tt a n d e mv i b r a t i o ns y s t e mw i t h2d o fi sp r e s e n t e d i t ss t r u c t u r ec o m b i n e st h e a d v a n t a g eo ft h eg e n e r a lo v e r h a n g i n gb e a ms t r u c t u r ew i t hh i g hb a l a n c i n ge f f i c i e n c ya n dt h e s i m p l eb e a ms t r u c t u r ew i t hg o o dp l a n es e p a r a t i o np e r f o r m a n c e m o r e o v e r ，i th a sb i g g e rd i s t a n c e b e t w e e nm e a s u r i n gp l a n e sa n ds t a b l ev i b r a t i o nc e n t e r f l e x u r eh i n g e s ，w h i c ha r ec o n s i d e r e da s p l a s t i ce l e m e n t , a r ei n t r o d u c e dt on o v e lv i b r a t i o ns y s t e mt op r o v i d eh i g h e rs e n s i t i v i t y , l o w s t i f f n e s sa n dd a m pi nt h ed i r e c t i o no fm o t i o na n df o r c et r a n s m i s s i o ni no r d e rt h a tt h em i n i m u m a c h i e v a b l er e s i d u a lu n b a l a n c ei sr e d u c e d t h et r a n s d u c e r sa l ei n s t a l l e do nt h es a m er a d i a l m e a s u r i n gp l a n e ，t h ep e r f o r m a n c ec h a n g e si nt r a l x s d u c e r sc a u s e db ye n v i r o n m e n tf a c t o ri sr e d u c e d , t h er e s u l t sf o rt h i sv i b r a t i o ns y s t e mi nl o n g - t e r mo p e r a t i o ni sm o r ea c c u r a t em e a s u r e m e n tw i t h l o w e rr e q u i r e m e n tf o ras e c o n dc o r r e c t i o nr u n 3 t h ek i n e m a t i cm o d e lo fv i b r a t i o ns y s t e mi se s t a b l i s h e da n dt h ek i n e m a t i c sd i f f e r e n t i a l v i i 上海交通大学t 学博十学位论文 a b s t r a c t e q u a t i o n sa r eo b t a i n e d o nt h eb a s i so fa n a l y z i n gu n b a l a n c i n gr e s p o n s e ，t h ep l a n es e p a r a t i o n e q u a t i o n sa r ea c h i e v e d b ye n e r g ym e t h o d ，t h et h e o r e t i ce x p r e s s i o n so ft h ee q u i v a l e n ts t i f f n e s s ， n a t u r ef r e q u e n c i e sa n ds e n s i t i v i t yo fv i b r a t i o ns y s t e ma r ei n d u c e d s t a t i ca n dm o d a la n a l y s e so f v i b r a t i o ns y s t e ma r ep e r f o r m e db ya n s y sf i n i t ee l e m e n tm e t h o dt op r o v et h er e l i a b i l i t yo ft h e t h e o r e t i c a lm o d e l t h ei n f l u e n c eo fg e o m e t r i c a lp a r a m e t e r so ff l e x u r eh i n g e sa n ds t r u c t u r e p a r a m e t e r so fv i b r a t i o ns y s t e m o nn a t u r ef r e q u e n c i e s ，s e n s i t i v i t ya n ds t r e s sd i s t r i b u t i o na r e r e s e a r c h e di nd e p t hb yf e m b a s e do nt h ea b o v eo b t a i n e dr e s u l t s ，a no p t i m u md e s i g np r o c e d u r ei s d e v e l o p e dt od e t e r m i n ev i b r a t i o ns y s t e m 4 h i 曲p e r f o r m a n c ee l e c t r o n i cc i r c u i t s i s d e s i g n e da n di m p l e m e n t e dt oa c h i e v eh i g i l a c c u r a c yd y n a m i cu n b a l a n c i n gm e a s u r e m e n t i n c l u d e s ：d e s i g n i n gs i g n a lc o n d i t i o n i n gc i r c u i t ( c h a r g ea m p l i f i e r , s e l e c t i n gf r e q u e n c y a n df i l t e r ) f o r p i e z o e l e c t r i ct r a n s d u c e r s ，d e s i g n i n g p r o c e s s i n gc i r c u i tf o rp h o t o d i o d es e n s o rt oi m p r o v ep h a s er e s o l u t i o na n de s t a b l i s hv e l o c i t ya n d r o t a t i o nd i r e c t i o no ft h ep r i n c i p a la x i s ，d e s i g n i n gc o n t r o l l i n gc i r c u i tf o rm o t o rb a s e do n16 - b i t m i c r o p r o c e s s o rx c 16 7 t h em e a s u r i n ga n dc o n t r o l l i n gp r o g r a m m e ri sr e a l i z e db yk e i l c16 7 5 a st h eu n b a l a n c i n gs i g n a lb e i n gi m m e r g e du n d e rt h es t r o n gb a c k g r o u n dn o i s e sa n dv a r i e d f r e q u e n c yd i s t u r b a n c e s ，t h ei m p r o v e de m p i r i c a lm o d a ld e c o m p o s i t i o nm e t h o da n da na d a p t i v ei i r l a t t i c en o t c hf i l t e rr e a l i z e db y a l l - p a s sf i l t e ra r es e p a r a t e l yp r o p o s e dt o e x t r a c td y n a m i c u n b a l a n c i n gs i g n a l t h eo r i g i n a lv i b r a t i o ns i g n a lc a l lb ea d a p t i v e l yd e c o m p o s e di n t oad e f i n i t e n u m b e ro fo r t h o g o n a li n t r i n s i cm o d ef u n c t i o n sa r r a n g e di no r d e rf r o mh i 曲f r e q u e n c yt ol o w f r e q u e n c yb ye m p i r i c a lm o d a ld e c o m p o s i t i o nm e t h o d t h ea u t o - r e g r e s s i o np r e d i c t i o nm o d e li s i n t r o d u c e dt oe l i m i n a t et h ei n f l u e n c eo fe n de f f e c t so nb a l a n c i n gs i g n a l t h ep o w e rs p e c t r a l d e n s i t yi sa d o p t e dt oi d e n t i f yu n b a l a n c i n gs i g n a lf r o ma l li n t r i n s i cm o d a lf u n c t i o n s o na d a p t i v e i i rl a t t i c en o t c hf i l t e rr e a l i z e db ya l l p a s sf i l t e r , an o v e la l g o r i t h mi sp r e s e n t e d t h et i m e - a v e r a g e d e s t i m a t i o no fc r o s sc o r r e l a t i o no ft h ep r e s e n ti n s t a n t a n e o u si n p u ts i g n a la n dt h ep a s to u t p u ts i 孕谢 i se m p l o y e dt ou p d a t es t e p - s i z e t h ec o n v e r g e n c er a t ei nal o ws n rs i t u a t i o ni sc o n s i d e r a b l y i m p r o v e d t h en o r m a l i z e dp o w e rf a c t o ri si n t r o d u c e dt oc o n t r o lt h ev a r i a t i o no fs t e p - s i z ei ni t s s t e a d y s t a t eb o u n d s t h i st e c h n i q u ep r e v e n t sa l g o r i t h mf r o md i v e r g i n gd u et ot h ei n f l u e n c eo f b i g g i s hp o w e ri n p u ts i g n a la n di m p r o v e st h er o b u s t n e s so fa l g o r i t h m t h ee x p e r i m e n tr e s u l t s v a l i d a t et h ee f f e c t i v e n e s so f t h ea b o v et w om e t h o d s 。 6 t h ep a r a m e t e r so fd y n a m i cu n b a l a n c i n gs i g n a l ，w h i c ha r em e a s u r e db yt h eg e n e r a l m e t h o d s ，m u s tb ep i c k e du pb yi n t e g r a l - p e r i o ds a m p l i n g t h ep h a s ed i f f e r e n c ec o r r e c t i o nm e t h o d i sp r e s e n t e dt om e a s u r et h ep a r a m e t e r so fr a n d o ms a m p l i n gu n b a l a n c i n gs i g n a l t h ef r e q u e n c yo f t h em e a s u r e ds i g n a lh a sn oi n f l u e n c eo nt h es a m p l i n gf r e q u e n c yw h e na d o p t i n gt h i sm e t h o da n d t h em e a s u r e ds i g n a ln e e d sn o tt ob ep i c k e du pb yi n t e g r a l p e r i o ds a m p l i n g t h ep r o p e rw i n d o w s f u n c t i o ni ss e l e c t e dt oe l i m i n a t ee n e r g yl e a k a g ee r r o r , a n dt h el e n g t ho ft h ew i n d o w sf u n c t i o n v i i i s h o u l db et h ei n t e g e rt i m e so f t h ep e r i o do f t m b a l a n c i n gs i g n a lt oe l i m i n a t eh a r m o n i cd i s t u r b a n c e s t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sv a l i d a t et h ep r e s e n t e dm e t h o dc a l la c h i e v eh i 曲a c c u r a c yp a r a m e t e r s m e a s u r e m e n to fd y n a m i cb a l a n c i n gs i g n a l f i n a l l y , t h ee x t e n s i v ee x p e r i m e n t sa l em a d et op r o v e t h ee f f e c t i v e n e s so ft h ep r e s e n t e d d y n a m i cu n b a l a n c i n g m e a s u r e m e n ts y s t e m ，i n c l u d i n gp l a n es e p a r a t i o np e r f o r m a n c e , p h a s e a c c u r a c y , m i n i m u ma c h i e v a b l er e s i d u a lu n b a l a n c ea n dr e p e a t a b i l i t y t h e s ea c h i e v e m e n t si np a p e r c a ns u p p l yt h e o r e t i c a lg u i d a n c ea n dr e f e r e n c et oi m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo fn a t i o n a ld y n a m i c u n b a l a n c i n gm e a s u r e m e n te q u i p m e n t k e yw o r d s ：d y n a m i cb a l a n c i n g , v i b r a t i o ns y s t e m ，f l e x u r eh i n g e ，i n s t a n t a n e o u s m o t i o nc e n t e r , p l a n es e p a r a t i o n , f o r c er e l a t i o n , m o d a la n a l y s i s ，e m p i r i c a lm o d a ld e c o m p o s i t i o n , a d a p t i v el a t t i c en o t c hf i l t e r , p h a s ed i f f e r e n c ec o r r e c t i o n i x 上海交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权上 海交通大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用 影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在_ 年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密口。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名：秦鹏指导教师签名：蔡萍 日期：2 0 0 7 年1 2 月 日日期：2 0 0 7 年1 2 月日 上海交通大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作 所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已 经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中 以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：秦鹏 日期：2 0 0 7 年1 2 月日 j _ 海交通大学t 学博卜学位论文第一章绪论 1 1 课题的背景和意义 第一章绪论 从精密的宇航导航陀螺仪，到交通车辆的普通轮毂；从重达数百吨的汽轮机转子，到轻 至几克的仪表转子，甚至微机电系统组件：从转速仅每分钟几转的卫星，到高达每分钟十几 万转速的机床主轴，旋转机械在工业技术的每一个领域得到广泛应用。统计数据表明，转子 的动不平衡是引起振动和噪声、降低设备寿命和可靠性、制约产品质量性能的主要原因之一， 也是旋转类产品生产、制造以及应用过程中必须解决的一个基本的共性问题。尤其是目前设 备向轻量化、高速化、高效化和高精化发展，更加要求抑制和减少振动噪声、节约能源；而 且，市场的国际化对产品品质一致性的要求更高。研究高精度动不平衡测量方法是提高旋转 类产品性能和延长使用寿命，增强产品市场竞争力的一项具有重要意义的技术【1 。2 】。 动不平衡测量设备作为工艺动平衡和在线自动动平衡的核心设型”】，在工业发达国家， 如美国、德国、日本等得到了极高的重视，其高精度动不平衡测量设备的研发处于绝对领先 地位，专用动不平衡测量设备的研究也日新月异睁1 3 】。但是，出于商业利益的考虑，鲜有德、 日等国关于动不平衡测量设备技术资料方面的报道。我国的动平衡技术起步较晚，动不平衡 测量设备的生产起于5 0 年代，经过多年的发展，也取得了诸多成绩，尤其是九十年代来我 国众多企业和研究机构都投入了大量资金进行动平衡设备的研究、设计和制造，同时加强了 和德国、日本的公司进行合资和技术合作，使得动平衡技术水平有了很大的提高【悱”j 。近年 来的研究主要集中在在线自动动平衡的平衡策略及一些专用动平衡设备上，主要包括： ( 1 ) 2 0 0 2 年哈尔滨工业大学对精密离心机的静、偶动不平衡的解耦方法、振动系统运动微 分方程的建立、传感器位置的安装等方面提出了一些新的设计思想，以提高测量精度【幡1 8 1 ； ( 2 ) 2 0 0 2 年浙江大学在微转速差双转子动平衡问题方面进行了深入的研究【1 9 - 2 0 ，该校的 c a d & c g 国家重点实验室在2 0 0 4 年对自动动平衡的的振动系统建模、动平衡自动去重和对刀 技术、多工位全自动动平衡机测控系统建模等方面进行了研究与实践【2 1 。2 2 】； ( 3 ) 2 0 0 2 年武汉汽车工业大学对极微型转子的单面自动平衡机面开展了大量研究【2 3 埘】； ( 4 ) 2 0 0 4 年华中科技大学对新型立式动平衡机的振动系统进行了深入研究，为提高立式动 平衡机的测量性能提供了强有力的理论依据口5 。2 7 】。 ( 5 ) 2 0 0 4 年四川大学对低转速情况下的气悬浮立式动平衡机的测量原理，分离算法模型、 测量控制装置等关键技术展开研究并取得相应成果【2 3 i 。 1 卜海交通大学t 学博十学位论文第一帚绪论 动不平衡测量设备主要包括振动系统、电气测量系统和驱动系统。振动系统对不平衡信 号起传递作用，是动不平衡测量设备中最核心的组成部分，振动系统中的结构设计、弹性元 件选择及其动态性能是实现高精度动不平衡测量的基础。目前市场上国产动不平衡测量设备 中的振动系统多见的是对国外旧有产品的改进或者仿制，譬如硬支承动平衡机的结构形式和 参数选择，大多是来自国外八十年代末九十年代初的产品。振动系统设计的根本性革新不多， 造成国产动平衡设备普遍存在性能稳定性差、指示精度低、适应范围窄等缺点【2 ”1 1 。只有改 进振动系统，从根源上提出新的测量方法才能使动不平衡测量精度和稳定性有革命性变化。 电气测量系统对不平衡信号进行获取和转换，和振动系统相辅相成，研究微弱动不平衡信号 的处理方法，提出新的电气测量系统，也能促进动不平衡测量精度的提高。 本文针对提高外悬式转子动平衡设备的性能和竞争能力，在不平衡信号的传递、获取和 处理等环节上提出新方法，集中在新颖振动系统结构设计、动态性能分析与优化、准静态弱 信号处理方面的关键技术研究，以实现能够降低最小可达剩余不平衡量，提高平面分离性能、 重复性和长期稳定性的动不平衡测量，获得具有自主产权的动平衡设备，促进国有动平衡技 术水平的提高。 1 2 国内外研究现状分析 从1 9 0 7 年德国的l a w a c z e d c k 提出采用机械测量振动的双面动平衡机的专利申请，到五十 年代，随着电子技术、电子测量的迅速发展而广泛采用的电测系统；从最初需要动态调整的 软支承振动系统，到七十年代出现的设定静态尺寸，进行永久定标的硬支承动不平衡测量设 备，及八十年代应用现代信号处理技术应用动平衡机的电气测量系统，直至测量和校正装置 组合为一体的自动平衡装置以及供批量生产的在线动平衡的迅速发展u 5 3 2 l 。纵观其每一个发 展历程，无论是振动系统结构的改变，还是信号处理处理技术的应用，都会促使动不平衡测 量的幅值、相位和平面分离精度及平衡效率的提高。因此，本研究将从这几个方面的国内外 研究现状展开阐述，以期寻求研究新型振动系统和电气测量系统的切入点。 1 2 1动不平衡测量设备的振动系统 针对不同的测量对象，作为动平衡设备中不平衡信号传递的关键部分，振动系统有不同 的结构形式。单面卧式动不平衡测量设备的振动系统是一端支承以另一端支承为振动中心发 生振动，主要实现薄圆盘形转子的单面动不平衡测量；为了对多缸曲轴进行动不平衡测量， 出现了将左右支承两侧板簧构成的摆架连接为一体，总共三个支承的船形振动系统；为了减 2 f ：海交通大学t 学博 ：学位论文第一帚绪论 小左右两侧摆架独立振动时产生的其它振动，提高测量精度，高转速小型转子的不平衡测量 中也选择用该种振动系统【1 5 】；为了适合较重工件在较高转速平衡时振动系统不变形，保证测 量的稳定性，出现了框架式振动系统的动不平衡测量设备，但是其结构复杂，加工制造不便。 目前最广泛应用的卧式和立式动平衡设备的振动系统分别见图1 1 和图l - 2 所示。对具有 两个校正平面的刚性转子的测量，卧式动平衡机的振动系统有六种不同的表示方法，但都可 以归结为：待测工件校正平面处于两支承之间的简支梁形式和待测工件校正平面处于两支承 外侧的悬臂梁形式，其中简支梁形式适合非外悬和轴向长度较大的转子，悬臂梁形式适合外 悬式转子。测振传感器安装在两支承附近，或者正交安装在一个支承附近测量轴向或纵向支 承力。立式振动系统主要进行单面的静偶不平衡测量或者双面不平衡量测量，传感器安装在 板簧变形最大的位置，将平动和扭转振动信号转化为电信号【l l o 】。 为了保证振动系统在不平衡离心力的作用下产生有规律的振动，振动系统必须设置弹性 元件，目前的振动系统都是以板簧作为弹性元件。为了使振动系统具有较大的刚度，要求板 簧的连接非常牢固。最初使用的螺钉连接会增加阻尼或降低振动系统刚度，使振动系统特性 变差，测量精度降低。因此，出现了h 型一体化式振动系统，其阻尼较小，测量精度较高。 而且，增加h 型的板簧块数可以提高这种一体化振动系统的固有频率。 由于技术保密等因素，关于振动系统结构的设计思想和方法，国外文献鲜有报导。国内 众多研究和发明专利也提出了众多的振动系统设计方案，基本都以以上结构形式为基础，根 本性革新不多，缺乏自主创新性 3 3 - 3 4 。 外悬式转子的动不平衡测量方面，常规两自由度立式动平衡机的平面分离能力差，卧式 硬支承动平衡机对于外悬内重心转子的平面分离能力较之非外悬转子也要差得多。在外悬式 外重心转子的平衡方面，为了平衡方便，国内外也多采用左右校正平面分离法来进行平衡校 正。但是无论采用硬支承还是软支承振动系统，尤其当测量平面距离和校正平面距离之比大 图1 - 1 卧式动平衡设备的振动系统 f i g u r e l - 1h o r i z o n t a lv i b r a t i o ns y s t e m 3 图1 - 2 立式动平衡设备的振动系统 f i g u r c l - 2v e r t i c a lgv i b r a t i o ns y s t e m j ：海交通大学t 学博卜学位论文 第一鼋绪论 于1 0 - - 2 0 时，平面分离能力较差，周士炎提出了最优准静一偶分离平衡法来解决该类问题， 但该方法实施不易瞰- 3 6 1 。针对一些存在的问题，目前动平衡设备中振动系统设计方面的主要 研究思路包括： ( 1 ) 华中科技大学以平动刚度与扭动刚度相匹配、平动固有频率与扭动固有频率相接近、 提高静偶分离比以及调整摆架系统的振动中心位置为目标，对立式动平衡机的振动系统结构 进行创新设计，得到h v b l 3 0 和h v b 2 两种类型的摆架结构【3 7 。3 9 】； ( 2 ) 利用多传感器信息融合理论，哈尔滨工业大学于2 0 0 2 年针对精密离心机的动平衡设 备结构中的测振传感器的安装位置提出了新的设计思路【1 7 】，东南大学也于2 0 0 3 年应用多传 感信息融合提出了动不平衡测量的新方法【4 0 1 ： ( 3 ) 2 0 0 4 年德国著名的s c h e n c k 公司的盛德恩分析了硬支承平衡机存在的原理误差和机械 灵敏度较低的问题，指出未来动平衡设备的振动系统设计应该满足以下基本目标：最大限度 的消除原理误差以及力的关联效应的影响，提高摆架刚度、机械灵敏度和平面分离度，以两 自由度振动系统的机械振动理论为基础，通过对振动系统进行复杂计算及信号处理实现动不 平衡的高精度测量【4 。 1 2 2 待测工件一振动系统的动力学分析 研究动平衡设备的发展历程可以发现，无论何种机械结构形式，它们都和待测工件组成 一个振动系统，而且都以待测工件的不平衡离心力激励产生的响应作为测量对象。所以在设 计出振动系统基本摆架结构的基础上，研究动平衡机振动系统的动力学性能能够对结构设计 起指导作用，促进平衡精度的提高。 目前，国内j l - 流行的硬支承振动系统的动力学分析，在忽略转子惯性力的条件下，都简 化为转子一支承多自由度系统进行设计，其不平衡量与弹性元件支承力的关系只和转子的几 何尺寸有关，同时忽略阻尼力以及转速和固有频率之比，对其进行等效静态分析，这种静力 学的处理方法，大大简化了问题的复杂性圩4 2 删，但是，其计算结果存在较大的误差。尤其 是振动系统原理误差的存在，测量转速越高，测量结果的幅值越大，相位滞后量越大，当作 为二自由度振动模型考虑时，两校正平面之间的相互影响极大，平面分离度低，这些弊端对 于高速动平衡机更为突出【4 5 - 4 6 1 。因此，叶能安针对硬支承振动系统的计算方法存在原理误差 的缺点，对对称转子，非对称转子和外悬式转子建立了更为精确的两自由度动力学模型，并 进行了误差分析和补偿，同时，给出了常规动平衡机的振动系统的动力学方程及其求解的普 遍表达式h 7 4 引。另外，针对振动系统交叉刚度系数和交叉阻尼系数的影响，文献【4 9 】提出t s 系数的动力学模型来描述不平衡量和振动系统关系的数学表达式及有关物理解释。 4 上海交通大学工学博f j 学位论文第一章绪论 在动力学分析的基础上，得到振动系统的动态响应特性以及线位移、角位移的幅频特性 和相频特性、振动系统的平面分离性能以及系统固有频率和机械灵敏度、从而为振动系统的 结构设计提供指导。其中固有频率和机械灵敏度是影响动平衡机性能的关键参数，一般振动 系统应该具有较高的机械灵敏度，另外，根据现有的国际标准，动平衡设备在不同转速情况 下测量精度要求不同，速度越高，平衡品质等级要求越高【1 删，为了消除常规动平衡机中原理 误差对测量精度的影响，也为了使动平衡机具有较宽范围的工作转速，应该尽可能提高振动 系统的固有频率【4 5 1 。 另外，为了补偿振动系统阻尼、幅值和相位测量等引起的误差，满足动不平衡测量设备振 动系统和电气测量系统的特性要求，将待测工件一支承看作线性系统的前提下，对动不平衡测 量设备的标定也引入了诸多研究。目前最主要的有永久标定法、影响系数法、最小二乘算法 和多元线性回归法等【5 1 巧5 1 。g a h a s s a n 采用指数、二次多项式非线性回归方法实现动平衡 机的精平衡和非线性支承转子现场动平衡【5 q 。y k a n g 研究了刚性转子的多平面分离算法，将 其用于复杂刚性转子的动平衡机，并且为降低仪器不完善引起的测量误差和环境干扰对平衡 准确性产生的影响，提出了新的标定方法，但计算复杂，应用不便1 5 9 】。为了将系统阻尼引 起的相移进行补偿，有文献提出了矢量影响系数法 c o l 。另外，频响特性对标定的影响较大， 应该根据频响特性选择合适的标定方法，以提高动不平衡测量的永久精度。这些标定方法对 系统的非线性都无补偿能力，