（化工过程机械专业论文）高速分离机现场整机动平衡软件开发与研究.pdf

浙江大学颂j ：学位论文 摘要 摘要 碟式分离机和卧式螺旋卸料沉降离心机是两种化工、食品等行业广泛使用的 高速回转机械。由于它们特殊的结构设计和高速下连续输料、排料的工作特性， 对他们在工作转速下的转子动平衡有很高的要求。现场动平衡技术以其灵活，便 捷、经济的特点在我国被广泛的用于这两类高速回转机械的动平衡。 目前用于上述两类机器的动平衡测试仪器基本上还是以单片机类型为主，可 以完成回转机械转予振动信号的测试测量，获取校正质量信息。但在使用灵活性、 功能扩展性等方面明显不足。最近几年，基于d s p 技术的单片机类型的动平衡 仪的开发一定程度上对其功能上的不足进行了弥补囿于高速d s p 芯片昂贵的 价格，用于动平衡测试仪器的开发成本太高，而且它依然不能解决对传统仪器功 能进行灵活扩充的目的。 随着基于计算机的测试测量技术的发展，以计算机为平台，开发具备“虚拟 仪器”概念的动平衡测试仪器成为解决传统仪器诸多功能缺陷的必然要求。本文 详细介绍了利用测试测量业界最权威的图形编程语言l a b v i e w 开发“基于p c 机 的高速回转机械现场动平衡测试仪”的内容，该测试仪器适用于w i n d o w s x p 2 0 0 0 n t m e 9 8 操作系统。 它是针对上述两种高速回转机械的动平衡特点，以二者各自专用的动平衡理 论、数字信号处理技术以及高效的数据采集技术为基础，利用l a b v i e w 在信号 分析、信号处理以及数据信号显示等方面的强大功能开发成功的虚拟测试仪器。 具有对振动信号实时采集分析、测试精度高、误差小、功能易扩展、仪器面板显 示专业、直观、灵活的特点。可以在整个测试过程同步观察信号波形和振动数据 情况，记录、回放整个测试过程的振动数据，有效的进行动平衡数据管理，自动 生成专业的o f f i c e 文档格式测试报告，对波形、矢量瓦显示控件进行b m p 、i p g 等图象格式文件保存。进行远程数据采集分析。 该测试仪器除了能对碟式分离机和卧式螺旋卸料沉降离心机进行动平衡外， 还可以对普通单校正面、普通双校正面转子系统进行动平衡。由于具备实时采集 分析功能，还可以作为进行频谱分析的故障分析仪器使用。 经实验室测试和现场考核，该测试仪器功能稳定，操作简单易学，平衡效果 理想，达到产品化开发要求。 关键词：高速回转机械现场动平衡虚拟仪器l a b v i e w 数据采集 数据信号处理 塑翌查兰堡主兰焦堕茎 。j 坠生一 a b s t r a c t d i s hc e n t r i f u g a ls e p a r a t o r ( d c s ) a n dh o r i z o n t a ld e c a n t e rc e n 仃x f u g e ( h o e ) a r e t w o k i n d so fh i g h - s p e e dr o t a t h a gm a c h i n e sw i d e l yu s e di nc h e m i c a le n g i n e e r i n ga n df o o di n d u s 拄y d u et ot h e i rs p e c i a ls t r u c t u r ed e s i g na n d c h a r a c t e r i s t i ct h a tc e a s e l e s s l yi n p u ta n do u t p u tm a t e r i a l u n d e rh i 曲s p e e dw o r kc o n d i t i o r t , h i g h e rr e q u e s t so f r o t o rd y n a m i cb a a n c h a gb o t h a l en e c e s s a r i l y a tw o r kr o t a t es p e e db e c a u s eo ft h ev i r t u e so fa g i l i t y 、s i m p l e n e s sa n de c o n o m 弧t h ef i e l d w h o i e m a c h i n ed y n a m i cb a l a n c i n gt e c h n o l o g yi sa p p l i e dw i d e l yt ot h e s ek i n d so f m a c h i n e sm c h i n a n o wt h ep r e f e r r e dd y n a m i cb a l a n c i n gm e a s u r e m e n th a s t n t m e n t su s e df o rt h et w ok i n d so f m a c h 如e sm e n t i o n e da b o v em a i n l yb e l o n gt ot h ec a t e g o r y o fs i n g l e c h i pa l t h o u g h t h e s ek i n d so f l 【z s 旺n e n t sc a nm e a s u r et h ev i b r a t i o ns i g n a l so fr o t a t i n gm a c h i n e s ，o b 鼬nt h ei 越o r m a t j o no f e m e n d a h o nm a s s ，t h e y o b v i o u s l yl a c ks o m ep e c u l i a r i t i e s ，f o r i n s t a n c e ：t h ea g i l i t y 、f u n c t i o n e x t e n d i n ga n ds oo i l i nr e c e n t y e a r s ，t h ed e v e l o p m e n to fd y n a m i cb a l a n c i n gr f l e a s t l r m e r t t i n s t r u m e n tb a s e do nd s ph a sm a d eu pt h o s ed e f i c i e n c i e sa ts o m ec e r t a i ne x t e n tb u tt h ee x p e n s i v e c o s to f d s p l i m i t t h ea p p t i c m i o n o f t h i s k i n do f i n s t r u m e n t f u r t h e r m o r e i ts t i l ls o l v e t h ep r o b l e m o f f u n c t i o nr e a lt i m ee x t e n d i n g w i t ht h ed e v e l o p m e n to fm e a s u r e m e n tt e c h n o l 0 9 3 , b a s e do nc o m p u t e r , t h er e s e a r c ha n d d e v e l o p m e n to f d y n a r r i i cb a l a n c i n gm s m m a e n tb a s e do nv i r t u a li n s t r u m e n th a v eb e c o m et h et r e n d ， w h i c hu s ec o m p u t e ra st h ew o r k b e n c ha n dr e s o l v et h ep r o b l e mo ft r a d i t i o n a li n s t r u m e n t s o , i n t h i st h e s i sid e t a i l e d l yd i s s e r t a t et h ew h o l ep r o c e s so fd e v e l o p i n gas e to fd y n a m i cb a l a n c i n g m e a s u r e m e n ti m m a m e n tf o rh i g h s p e e dr o t a r ym a c h i n eb a s e dd np c w h i c hw a s d e v e l o p e di n l a b v i e w , as t a n d a r dd e v e i o p m e n ts t u d i oi nm e a s u r e m e n tm d u s 打5 , ，a n dc a nw o r ki nw i n d o w s x p 2 0 0 0 ，n t ，m e l 9 8o s t h i ss e to fi n s t r u m e n ti so n ek i n do fv i r t u a li n s t r u m e n tt h a tw a s d e v e l o p e dw i t ht h ep o w e r f u l f u n c t i o no f s i g n a la r a l y s i s 、s i g n a lm a n a g e 、d a t aa n d s i p v i s i o ne t ci nl a b v i e w w h i c ha i m s d i r e c t l ya tt h ec h a r a c t e r i s t i c so fd e sa n dt t d ca n db a s e do ne a c hs p e c i a ld y n a m i cb a l a n c i n g t h e o r y 、d i g i t a ls i g n a lp r o c e s st e c h n o l o g ya n dh i g he f f i c i e n c yd a t aa c q u i s i t i o nt e c h n o l o g yi t s v i r t u e si n c l u d er e a l t i m ea c q u i s i t i o na n da n a l y s i so f v i b r a t i o n s i g n a l ，h i g hm e a s u r e m e n tp r e c i s i o n a n dl i t t l ei ! l r r o r , e a s i l yf u n c t i o n e x t e n d i n g , m t u i t i o n i s t i c 、p r o f e s s i o n a la n da g i l i t yi n s t r u m e n tp a n e l v i s i o na n ds oo nd u r i n gm e a s u r e m e n t ，o p e r a t o rc a n s y n c h r o n o u s l yo b s e r v e st h es i g n a lw a v e f o r m a n dv i b r a t i o nd a t u m , r e c o r d sa n dr e v i e w sm e a s u r e m e n td a t u mo f w h o l em e a s u r e m e n t p r o c e s s u 浙江大学硕士学位论文 摘要 i m p a c t f u lm a n a g em e a s t n e m e n td a t u m , a u t o m a t i c a l l yb u i i dm e a s u r e n l t 3 i l tr e c o r d w i t ho l 币c e d o c u m e n tf o r m a t ，s a v ew a v e f o r ma n dv e c t o rd i a g r a ma sb m pa n dj p gi m a g ef i l ef o r m a t ，e x e c u t e r e m o t ed a t aa c q u i s i t i o na n d a n a l y s i s t h ei n s t r u m e n tt a p - w o r kf o rg e n e r a ls i 窑n a le m e n d a t i o np l a t ea n dd o u b l ee m e n d a t i o np l a t e e x c e p to f d c sa n dh d c d u et oh a v et h e 如缸o no fr e a lt i m ed a t aa c q u i s i t i o na n da n a l y s i s ，i t a l s ow o r ka sf a u i t - d i a g n o s t i ei n s t r m n e n tt h a te x e c u t et h ef u n c t i o no f s p e c t r u ma n a l y s i s ， i th a sp r o v e dt h a tt h ei n s t r u m e n tp o s s e s s e ss t a b l er u n i o n , s i m p l yi so p e r a t e da n de a s yi s m a s t e r e di nl a b o r a t o r ya n da tm e a s u r e m e n tl o e a l e t h e b a l a n c i n gr e s u l ti s a l s os a t i s f a c t i o ns oi t h a sb e e ns o l da sa p r o d u c t k e y w o r d ：h i - s p e e dr o t a r ym a c h i n e ，f i e l dw h o l e - m a c h i n ed y n a m i cb a l a n c i n g ，v i r t u a lm s m a m e n t ， l a b v l e w , d a t aa c q u i s i t i o n ，d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s h l 浙江人学顾【一学位论文第一章绪论 第一章绪论 旋转机械是工业生产中不可缺少的设备，其历史可以追溯到吉希腊以前的埃 及前王朝时陶工用的辘轳及双轮战车。但是直到1 9 世纪中叶蒸汽机时代以前， 旋转机械的旋转速度都很低，传递能量小，所谓的机械只要能动起来就足够了。 第一次工业革命以后，旋转机械逐步向精密化、大型化、高速化的方向发展，在 这个过程中遇到的最大问题就是机械的振动问题。它使机器的零部件承受附加的 动载荷，明显加速机器的磨损、缩短机器的使用寿命、影响生产、产生噪音、恶 化工作环境。相对于过去低速、小输出的机械相比，现代高速、高精度的机械来 自振动的危害的比例更要大的多。如何克服这一障碍，是人们一直关注的问题。 旋转机械产生振动的原因有很多，有来自设计和结构方面的因素，有材质以 及制造安装的原因，也有来自使用过程中设备磨损、腐蚀、变形的原因。多年的 研究表明：“转予的不平衡”是旋转机械产生振动的主要振源，在高速旋转机械中 更为明显。 为了消除该振动激振源，首先考虑的是对转子进行平衡以消除或减少不平衡 惯性力，使由于转子不平衡引起的振动限制在允许的范围之内”。“。 旋转机械中需要平衡的对象种类繁多，大小各异。有几克大小的手表摆轮， 也有超过3 0 0 t 的原子能电站用透平转子。平衡的方法针对不同的旋转机械有不 用的分类，。任何一种平衡方法的具体目标都是是降低转子的挠曲、降低机器的 振动以及降低轴承的动反力。这三个目标对旋转机械的安全运行来说，有时是一 致的，有时是矛盾的，但它们必须统一于平衡这个最终目标：保证机器平稳、安 全、可靠的运行。 本课题研究的对象是高速碟式分离机和卧式螺旋离心机，这两种机型在加工 完成后必须对其在工作转速下产生的不平衡进行消除，这些操作都属于动平衡技 术范畴。至于如何进行动平衡，后文将结合本课题中关于虚拟仪器技术在高速旋 转机械动平衡测试领域中的应用研究分析中予以介绍。 1 1 动平衡技术的发展 现代的动平衡技术是上个世纪随着蒸汽透平的出现而发展起来的。加拿大人 h e n r ym a r t i n s o n 于1 8 7 0 年申请了最早的动平衡技术专利。1 9 0 7 年德国人d l f r a n zl a w a c z e k 的动平衡技术专利授权c a r ls c h e n c k 公司制造出了世界上第一台 双平面动平衡机( 图1 ) ，1 9 1 5 年该公司购买了世界上所有动平衡机的版权“1 。2 0 世纪3 0 年代，由于r e u t l i n g e r 的可动线圈式振动传感器的发明，以及s c h e n c k 公司( 德国) 和g i s h o l t 公司( 美国) 的瓦特计式为基础的电气测量机构的发展，现代 第l 页 浙江大学硕 ：学位论盘 第一章绪论 动平衡机正式问世。其后 时俱进，飞速发展。 随着测量、控制技术的飞跃发展，动平衡技术更是与 到目前为止，动平衡技术大致分为三类：工艺平 衡法、现场整机动平衡法及自动在线平衡法”3 。 前两种方法均局限于旋转机械转子不平衡量不经常 变化的的情况，后一种方法则针对运转时随时可能发 生不平衡状况的转子。 图i - 1 第一台双平面动平衡机 工艺平衡法是指在机器转子安装前先在专用的动平衡机上进行平衡，再安装 到整机上，如果在使用过程中出现转子由于不平衡产生的振动情况，再把转子拆 下来在动平衡机上进行动平衡。该方法特别适于对生产过程中的旋转机械做单体 平衡。随着现代科学技术的飞速发展，动平衡机的种类日益多样，结构更加完善， 功能更加强大，在动平衡领域发挥着非常重要的作用。现代动平衡机的制造加工 以德国s c h e n c k 公司为代表，其动平衡机领域囊括航空航天、汽车制造、计算机、 电动机、造纸、化纤、流体机械等各行各业。在国内大多数工业领域，对机器动 平衡要求较高的行业企业多无力承担进1 2 1 动平衡整机昂贵的价格，以化纤长丝 囤1 - 2h s b 卷绕头动平衡机 工业领域卷绕头( w i n d e r ) 专用动平衡 机为例( 图1 - 2 1 ，购买一台s c h e n c k 公 司的h b ，s 系列动平衡机，大约需要 1 5 0 万r m b 。而且在国内制造加工业 水平相对不是很高的情况下，工艺平 衡法不能解决装配过程中出现的新 的在线不平衡。为了解决这些问题， 开始研究整机动平衡技术。 现场整机动平衡法就是在工作 转速下直接对装在整机上的转子进 行平衡。由于不需要动平缀机，只需一套价格低廉的测试系统，因而较为经济。最 早于2 0 世纪5 0 年代，有人对挠性转子的整机动平衡做过尝试，因为限于电测技术 的水平，平衡效果不尽如人意。到了8 0 年代由于电测技术的成熟，在此基础上，日 本人明日和彦提出了现场动平衡理论，在实践中达到了较高的平衡精度引起了业 界的高度重视。1 。在8 0 年代末期，浙江大学化工机械研究所对碟式分离机整机动 平衡技术的研究取得了重大突破，并在工业生产中进行了广泛的推广。9 0 年代， 又对以卧式螺旋卸料沉降离心机为代表的微速差双转子的的现场动平衡技术进 行了具有极大实用价值的研究，提出了全新的方法。基于上述高速转子动平衡理 论的工业产品开发一直在进行着有益的开展，但囿于测试测量技术的一些瓶颈， 第2 页 浙江人学硕l 学位论文第一章绪论 一直没有产品化的结果，本课题就是吸取前人多年来开发经验的基础上，结合同 益成熟的基于计算机测试测量控制技术和数字信号处理技术，开发出一整套可用 于现场推广的动平衡仪。 自动在线平衡是指在旋转机械运转过程中，在不影响机器正常工作的情况下 进行的平衡技术。1 9 6 4 年，j v a n d e v e g t e 首次提出在线自动平衡的概念，由于这 种方法不需要停车就能够在线实时自动平衡，所以到目前为止人们已经提出了多 种不同结构的动平衡调节器和相应的控制方法等组成的在线平衡系统但是在线 自动平衡装置结构复杂、成本高，使用推广也有其自身的局限性。 1 - 2 转子的分类 转子作为旋转机械的核一1 1 , 部件，不同的转子有不同的工作状态和动力学特 性。从动平衡的角度出发，常把转子分成刚性转子和挠性转子。 - 当转子的工作转速较低，远低于其一阶临界转速时，转子完全可以看作是 刚性物体，称为剐性转子。 _ 在高速机械中，当转子转速较高接近或超过回转系统的第一阶临界转速 时，转子将产生明显的变形，这时转子将不能视为刚体，而成为一个挠性体。这 种转子称为挠性转子。 在国际标准化组织制定的“平衡词汇”标准i s 0 1 9 2 5 1 9 8 1 和我国“试验机 名词术语”z b y 0 3 3 8 2 中，刚性转子被确切定义为“可以在一个或任意选定的两 个校正面上，以低于转子工作转速的任意转速进行平衡校正，且在校正之后，在 最高工作转速以及低于工作转速的任意转速和接近实际的工作条件下，其表现的 不平衡量均不会超过标准规定的要求”的转子。而凡是不满足刚性转子定义的均 定义为挠性转子。”。 1 3 转子的平衡方法 不同特性的转子需要不同的动平衡方法，就本课题涉及的转子特性，对以下 三种转子系统来讨论动平衡的方法： 剐性转子系统； 挠性转子系统； 微速差双转子系统。 1 3 1 刚性转子动平衡方法 刚性转子因其支承和转子的动刚度相当大，转子在不平衡离一1 1 , 力的作用下所 箱3 贞 浙江大学硕士学位葩立 第一章绪论 产生的动挠度( 弹性变形) 很小，可以忽略不计，可以用刚体力学的办法来处理 平衡圆题。这时，平衡转速一般低于转子系统鹤一阶临界转速，又称为低速平衡。 刚性转子的动平衡可通过任选的两个校正面加( 去) 校正质量加以平衡，而且一 旦在菜一转速下平衡以后，在较宽的转速范围内( 只要符合刚性转子韵条件) 它 总是保持平衡的。如我们所熟悉的曲轴结构、汽车内燃机、柴油机、机车蒸汽机、 活塞压缩机等机械的动平衡都属子刚性转子动平衡范畴。“1 。 刚性转子的动平衡方法目前成熟的是工艺平衡法和现场动平衡法。工艺平衡 法根据动平衡机支承刚度的动力性能的不同，分为软支承和硬支承两类。主要区 别在于软支承动平衡机的转子一支承系统的固有频率远低于平衡转速，而硬支承 动平衡枫的转子一支承系统的固有频率远高于平衡转速。在牲能方面。硬支承动 平衡机有许 多优于软支 承的地方。 现场动平衡 方法是在转 子工作条件 下，利用振 动测量系统 基准测点 由 图i - 3 双正面转子模型 获取不平衡量的幅值和相位。从工作效率上讲，现场动平衡不如动平衡机，因为 现场不可预知因素多。对人员的技术水平要求也较高。现场动平筏较多采用影响 系数法，该方法是基于系统的线形假设前提下进行的不平衡量计算。通过原始、 试重测量计算获取某转子一定工况下的影响系数，进而求得配重或去重位置和大 小。以刚性单转予双校正面( 图1 - 3 ) 系统为例的动平衡流程如( 图l - 4 ) 所示， 在系统中。左右轴承处为最能反映转子振动情况的位置，故在轴承处各安装 一只测振传感器拾取振动信号。校正面1 、2 用来试重、配重质量块的安装。同 时在校正面某一位置做标记作为计算方位角的基准，所有振动矢量和试重质量、 配重质量矢量的相位都参考该基准来定。 1 3 2 挠性转子动平衡方法 1 3 2 i 挠性转子动平衡理论基础 与刚性转子不同对于挠性转子必须考虑在不平衡离心力作用下转子产生的 挠曲变形。在不同转速下，转子有不同的挠曲变形，轴承的振动和动反力也不同。 即：挠性转子的不平衡状态是随转速而变化的。在某一转速下，平衡好的转子在 改变转速后，可能又失去平衡。挠往转子涉及到振圣和摸态不平衡量2 ，“： 第4 页 浙江大学坝1 ：g - 位论文 第一章绪论 图1 - 4 刚性单转子双校正面系统动平衡流程框幽 虬= h ( = ) 丸( z ) 出( 1 - 1 ) “。( z ) 不平衡量分布函数； 以( z ) 振型函数； 对于无阻尼挠性转子系统，振型函数a ( z ) 具有正交性。因此各阶振型不平衡量 之间也是正交的。u 。可以表示为： u 。= i “( z ) 丸( z ) 出 ( 1 2 ) 如果进行振型不平衡量的校正应满足如下条件： “( z ) 丸( z ) 比+ 允( z ，) = o ( 1 - 3 ) i 校正量 这样从理论上讲，只要达到偏心分布恒为零的理想平衡，挠性转子在任何转 速下都是平衡的。然而，实际的平衡过程是在一个或几个转速下，在有限的几个 校正面内加校正质量的。所以挠性转子平衡所要解决的问题是怎样选择校f 平面 和平衡转速，怎样确定校正质量的大小和方位，以保证转子在一定转速范围内达 到预定的平衡目标： 第5 页 浙江大学硕 ：学位论殳第一章绪论 一施加的平衡质量，应能消除转子在工作转速下的轴承动反力； 施加的平衡质量，应使沿着转子轴向长度的弯矩最小。 由于沿轴向分布的不平衡质量很难找到，所阱一般只能做到使轴承动反力接 近于零的同时，使弯矩尽可能的小，而不是使弯矩完全消除。在具体实现上，利 用各阶平衡分布载荷与其它阶振型挠度之间的正交性，即不平衡量的n 阶振型分 量只能对挠度的n 阶振型分量起作用，而不会激发挠度的其它阶振型分量，从而 使转子在一定的转速范围内都达到基本平衡。本课题关于碟式分离机的动平衡方 法就是基于该理论基础。 1 9 5 7 年，西德f e d e m 提出了较完善的挠性转子动平衡方法振型分离法， 他主张校正面数n 应采用振型阶数( n ) + 2 。而1 9 5 9 年英国b i s h o p 提出n 应采用 n 的主张。到目前为止，分歧一直没有解决。 同一时代的美国，g o o d m a n 于1 9 6 3 年j 下式提出了最小二乘法在影响系数中 的应用。该方法是刚性转子动平衡所用的两平面影响系数法的推广，是一种多平 面多转速的影响系数法，要求 校正平面数目= 测振点数目x 平衡转速数目( 1 4 ) 到了7 0 年代，在许多人的努力下，建立在计算机应用基础上的挠性转子动 平衡方法趋于成熟，形成了两种基本的平衡方法：振型平衡法和影响系数法。 振型平衡法不同于影响系数法的线性假设前提，它是基于前文所述的利用各 阶平衡分布载荷与其它阶振型挠度之间的正交性原理和逐阶平衡的思想，将沿轴 向分布的不平衡量分解为与各阶主振型相对应的不平衡量，然后逐阶进行平衡。 相比影响系数法，振型平衡法平衡的目标也不同。它要求的是逐阶求出与其 它各阶振型互相正交的校正质量( 共n 组) 来消除引起转予前n 阶振型的不平 衡分量，即( 1 1 ) 式中坼。、= 0 ，平衡后的残余不平衡量仅是n 阶以上各高阶的不平 衡量，并不要求在全部转速范围内转子振动均等于零。而影响系数法则力图在选 定的转速下，使转子的振动为零，它并不能保证全部转速范围内各轴上的振动都 很小。 这里以碟式分离机动平衡过程为例对振型分离法作简要说明“3 “”。2 “。 碟式分离机动平衡采用的是n 平面平衡法。其系统简化为挠性悬臂支承的 模型如( 图1 5 ) ，为了提高分离机在工作条件下的工作稳定性和减小振动，通常 还会将上轴承做成6 弹簧支承的弹性装置，其一、二阶振型p n ( 图1 6 ) 。在一阶 临界转速下，转轴系统的变形主要由于弹簧的变形引起，转鼓的上、下平衡校正 面偏向在静止状态时轴线一侧。在二阶临界转速下，转轴已经发生弯曲。而转鼓 的重心仍通过静止时的轴一t 2 , 线，转鼓的上、下校正面向静止时轴心线的两侧偏移。 碟式分离机工作转速一般介于一阶和二阶临界转速之间，故其工作转速下的挠度 第6 页 浙江人学砸i j 学位论殳第一章绪论 曲线是一阶和二阶振型分量在空间的向量迭加。 校正面l 校正面2 图1 5 碟式分离机模型图i - 6 碟式分离机一、二阶振型 - 在平衡一阶振型不衡量时，在转子两校正面同向( 即在校正面l 、2 上 相位一致) 加重量矩庇和厨，则根据振型分离原理，在一、二阶临界转速 附近存在如下关系： m l i l + m 2 y 1 2 0 ( 1 _ 5 ) m i k l m 2 k 2 = 0 0 - 6 ) 由( 1 - 6 ) 式知，当重量矩比为厨，府2 = 匕2 k 时，校正量只能使一阶i 缶界转速 附近的不平衡量发生变化，而不对高阶振型的不平衡量产生影响； 一在平衡二阶振型不衡量时，在转子两校正面反向( 即在校正面l 、2 上 相位相差1 8 0 度) 加重量矩届和 z ，同样由振型分离原理，在一、二阶临界 转速附近存在如下关系： m i y l l 一m 2 y 1 2 = 0 ( 1 - 7 ) 硝e 。+ 域匕2 0 ( 1 8 ) 由( 1 - 8 ) 式知，当重量矩比为厨：砑x ：r , 。时，校正量只能使二阶临界转速 附近的不平衡量发生变化，而不对其它阶振型的不平衡量产生影响。 根据在低速和高速工况下测得的单测点振动信号，利用式( 1 6 ) 、( 1 - 8 ) 确定 加重比例，在上下两个加重面上加重或去重，可以实现双测点的不平衡量消除， 进而实现在高低转速的平衡。下面将对利用振型分离平衡法进行动平衡操作的高 速碟式分离机平衡的做法进一步阐述。 第7 贞 岁l v h 【 ， 上川?熄 浙江大学顶卜学位论文 第一章绪论 1 3 2 2 动平衡测试基本步骤 - 确定平衡转速 平衡转速一般低速选在过临界以后，原则是不能离开一阶临界转速很远，保 证附近相位变化比较稳定。高速平衡选择在工作转速。 _ 上下平衡面的加重比例关系 低速： 由式( 1 - 6 ) 可知，该要求下校正质量圭堡型必! 要满足二阶振型值的比值，该比值可以 f转鼓重心位置 从( 图1 - 7 ) 的几何关系中得到，广一十、3 一 孚：_ h - h ( 1 - 9 ) 下校正鳓。偏移1 ； 一吉。2 _ ! = ：竺：! ：! ! i ! 2 1 月 | ll 因此，低速平衡要消除一阶不平衡量， | - 且不影响其它阶振型，上下校正面上 l 的加重量有如下关系， 堕：垒生：旦生m ，。、 2q 2 r 2 h 9 、q 2 ：低速平衡时，上下加重面 上的加重量； 卜 r 、r ，：上下加重面上的加重半径； 高速： 图1 - 7 二阶振型几何肘图 由式( 1 - 8 ) 可知，校正质量要满 上校正面轴删自移 足一阶振型值的比值，该比值可以 从( 图1 8 ) 的几何关系中得到，一 生：! x b 因此，高速平衡要消除二阶不平衡 量，且不影响其它阶振型，上下校 正面上的加重量有如下关系， 堕m = 器r = 旦b m d g 、q ：高速平衡时上下加重面 上的加重量： r 、r 2 ：上t ：s n 重面上f 拘d l ：i 重半径 第8 页 校正面轴心偏移 图1 8 一阶振型几何尺寸图 浙江大学顾1 二学位论文 第一章绪论 一? 。詈p = k 毒； - = - - j 。，强 t 簦_ 。i i j i 一 伊丢一一z 一痧叱 丘向上f 去重面分解： 艮+ 戽= 艮 f i d l = f i ( ，一d ) 由式( 1 - 1 3 ) 、( 1 1 4 ) 解得， f ；= 竽丘戽= 争丘 r 向上下去重面分解： f r + f c = f f f ；df = ， ( ，一df ) 由式( 1 1 6 ) 、( 1 1 7 ) 解得， 皓= 争砖耳= 竽戽 最后则有： 形，= 最+ f 一；旷。= 最+ 戽 第9 贞 ( 1 - 1 6 ) ( 1 - 1 7 ) ( 1 一l9 ) 浙江人学顾l ：学位论文第一章绪论 当然还要记得换算后去重相位相对加重位置要反相1 8 0 0 。 1 3 3 微速差双转予动平衡方法 所谓双转子系统，就是指在同一机座上存在两个同轴线安装的不同转速的内 外转子构成。双转子系统动平衡要处理的振动是由内转予不平衡量激起的振动和 外转子不平衡量激起的振动合成的一种拍振信号。而且内外转子各自的振动信号 与相应不平衡量都符合线性关系，互不影响。对这类转子进行整机平衡的难点在 于从拍振信号中提取内外转子的振动信号，进而分别算出内外转子的不平衡量。 各类文献显示“，对这类转子的动平衡，目前国内采用的动平衡方法主要是 利用模拟信号处理或者数字信号处理来提取内外转子各自的不平衡量，从原理上 分为“解拍”和“不解拍”两种方法。但由于从双转子拍振信号提取单一转子 振动信号对处理模拟信号的硬件仪器或者处理数字信号的采样要求很高，所以多 年来，虽然不断有人就这方面的工作在原理、方法和实现手段上提出新的思想 “8 ”2 “”。3 3 ”1 ，但一直没有一个实用、廉价的实现手段。针对这样的情况，本 课题在本人所在实验室多年来开发虚拟仪器动平衡测试软件的过程中积累的经 验，利用成熟的计算机测试测量技术，对相关方法进行了有益的实践探索。下面 先就双转子拍振信号做一个简单说明： 双转子内外转子不平衡量产生的振动信号分别为： x l2a lc o s ( c o l + 4 1 ) i ( i - 2 0 ) x 2 = a 2c o s ( c 0 2 t + 欢) j q 、c 0 2 内外转子不平衡激励振动的角频率： a 。、a ：内外转予不平衡激励振动的振幅； 萌、政内外转子不平衡激励振动信号的初始相位； 则叠加而成的拍振信号为： x 拍2 + x 2 = ( 4 + 4 ) c 。s ( ( 华) f + 煎) c 。s ( ( 生导) h _ 盘) 一( a t - a 2 ) s i n ( ( 半”立笋) s i n ( ( 竺手 立手) ：拓i 万瓦不面i 面万而j 莎s i n ( ( 掣导) r + ( 堕芒) + a ) ) 其中 n 庐= a r c t a n c c 鲁普瑚半”立 浙江大学顾 ：学位论史第一章绪论 按照上式模拟生成的双转子振动信号如下图1 1 0 所示 图1 l o ：拍振波形和包络线 对拍振信号的分析有以下的结论： 拍振信号可以认为是以( q 一印为频率的余弦调幅项( 包络线) 与以 ( 砌+ 却2 为频率的振动信号相乘的结果。 对于微速差双转子，在、的情况下，当组成拍振的两个简谐振动同时接近峰 值或者谷值的时候，即：a t t + 0 4z 唑f + 噍；2 切或者q f + 畦z 啦f + 畦z 戗+ d 石时，拍 振信号接近最大值：4 + a ：或一( 一，+ 4 ) 。 而当组成拍振的两个简谐振动一个接近峰值，一个接近谷值的时候，即： i ( 州+ 西) 一( 。：t + 珐) l = ( 2 k + l 弦时，拍振信号接近最小值： 一a ：或4 一 。 从图1 1 0 可以看出，拍振信号的拍峰不会超过包络线的峰值月，+ 或 一( 4 + ，) ，拍振信号的拍谷不会超过包络线的峰值一( 月，一 ) 或一( 4 一月，) 。 “解拍”方法是利用互相关原理，从拍振信号中提取单一转子进行动平衡 所需要的参数，分别计算内外转子的校正质量。这种方法对采样信息必须满足一 定的要求，才能有效的分离出内外转子计算校正质量的参数，在计算机测试技术 远没有达到今天这么完美的程度的时候，实现起来是有一定的困难的，但利用了 虚拟仪器技术后，实现“解拍”方法不是一件困难的工作了。关于这方面的内容、 将在本论文数字信号处理部分详细说明。 “不解拍”方法是9 0 年代提出的一种全新的动平衡解决方法。该方法不同 于常规的动平衡方法，它是利用测得拍振信号的拍峰和拍谷的幅值以及对应于 内、外转子的相位，而将拍振分解，然后利用单转子动平衡的办法分别对内外转 子进行平衡。基本过程如下所示： 一相位测量 如图1 1 l 所示，在内外转子上分别选取个基准，则机器每旋转一个周期， 就产生一个脉冲。这样每次完成一次拍振信号的采集后就可以进行拍振峰谷和最 第l l 页 浙江人学顾l ：学位论义第一章绪论 卜 l 譬i 磊毒毛i 如品。j 。i 矗 蓬il _r。-|】i|，；|_|尚 圈1 - 1 1 馓远差双转干内外转f 相位删量腺理幽 接近该峰谷而且时序小于该峰谷的内外转子脉冲的比较。将拍振峰谷时序值与基 准脉冲时序值相减，将差值转换为角度，就可以得到内外转子振动信号的振动相 位。 振幅测量 前面已经说过，拍峰信号由内外转子的振动信号合成得到，而且有 a 。= ( a i + a 2 ) 、a 。= ( 4 一a 2 ) ，这样不难看出，只要进行简单的计算就可以分离出 内外转子的振幅出来： 4 = 生手 爿：生鱼 ( 1 - 2 2 ) 至于分离出来的振幅和相位的对应关系，很多文献。7 “3 ”里已经进行了详细 的说明，因为本测试系统最终没有采用这种方法，这里不再赘述。 1 4 动平衡测试技术 动平衡测试技术的理解可以用图1 1 2 来描述， 丽丽；1 + r 雨丽 斗r 丽薪 网 1 i 。，一1 二二j ，二j i 二= _ l ；一 图1 - 12 动平衡测试简图 第1 2 页 浙江大学颇i ：学位论文第一章绪论 1 4 1 基准信号捕捉 旋转机械的振动测量中，为了获得转速和获取振动信号的参考相位，需要设 置一个基准，使得转轴在旋转一周中获得一个基准脉冲信号。常用的基准脉冲的 获得办法有两种： 在转轴上贴一个薄铁片，将电涡流传感器对准贴片所在转轴的径向置， 利用电磁感应获得每一个周 期的脉冲信号； - 在转轴上贴一片反 光材料，利用光电传感器进 行光电转换，如图1 1 3 所示。 反光贴片的贴法通常有两种： 一种是贴片只是很小的一块， 把基准脉冲按触发脉冲处理； 种是贴满半圈，按照方波处 理。 1 4 2 振动信号测量 反光片 发射管 一 兰；j 接收管 圈1 1 3 反射式光电传感器 利用振动测试传感器可以把测试对象的机械振动量( 位移、速度、加速度) 转换为与之有确定关系的电量( 如电流、电压、电荷) 。测振传感器按照选取坐 标系的不同分为相对式和绝对式两大类： 相对式传感器：测得的信号是被测对象相对于某一参考系的运动。如电 感式位移传感器、相对式磁电式速度传感器、电涡流位移速度传感器等； 绝对式传感器：也称惯性式测振传感器，传感器本身受固于被测对象， 与之一起振动，从而测得绝对运动。如绝对式磁电式速度传感器、压电式加速度 传感器。 在本课题涉及的振动信号的拾取过程中，两类传感器都进行了使用。 1 _ 4 3 信号调理 从传感器测得的信号因为测试对象的不同，形式也多种多样，必须先经过转 换电路转变为电压信号，才能进行后续处理，这个工作一般由传感器配套的前置 变换器完成。由变换器过来的信号会包含多种信号成份，而用于动平衡校正量计 算的信号只需要工频信号，为了去除信号的干扰成份，通常使用专门的信号调理 工具进行处理。在现代化的测试测量系统中，信号调理是最为重要的技术之， 但也是最容易被忽视的一个环节。它提供了信号传感器、d a q ( 数据采集) 板 第1 3 负 浙江大学硕l 学位论文 第一章绪论 卡和p c 之间的接口。本课题采用的虚拟仪器的信号调理技术在调理功能、编程、 集成、开放性等方面提供了强大的技术支持。 i 4 4 信号分析 一般来说，经过信号调理进入p c 机的信号由于转子系统自身的一些故障， 比如转子不对中和基础松动等，还会有i 2 倍频，二倍频等成分以及直流成分等。 针对这些信号，在信号分析部分必须有选择的进行频谱分析、滤波、误差分析等 手段来处理数据。当对信号的要求得到解决后，下一步做的工作就是运用指定的 数字信号处理算法，对获得的信号进行分析计算，提取其中的有用成份。在该测 试系统中主要是互相关的运用，如果把该测试系统向故障诊断方向扩展，则可以 充分利用小波分析，时频分析等复杂的算法，以及图象信号识别等。 1 i4 5 信号显示 作为动平衡测试仪器设计的最后一个环节，信号的显示在现代测试测量技术 领域中，已经变的非常灵活。在本课题的开发过程中，按照动平衡行业的规范不 平衡量的显示采用矢量瓦特计的形式同时配合列表显示，波形显示选用动态波形 图，提供采集信号以及分析得到的数据与m i c r o s o f to f f i c e 系列文档软件、a c d s e e 图象处理软件的接口，同时支持基于网络传输的远程数据采集和信号、数据的共 享功能。 1 4 6 动平衡测试仪器 仪器测量技术发展至今，经历了指针式仪表、模拟器件仪器、数字器件仪器、 智能仪器( s m a r ti n s t r u m e n t ) 、个人仪器( p e r s o n a li n s t r u m e n t ) 、虚拟仪器 ( v i r t u a li n s t r u m e n t ) 的发展阶段。其中的虚拟仪器是2 0 世纪8 0 年代在个人仪 器发展的基础上中，计算机软件在仪器控制、数据分析与处理、图形显示等方面 的功能越来越为各行各业的人士所关注的情况下，由美国国家仪器公司 ( n a t i