（测试计量技术及仪器专业论文）曲轴动平衡测试系统的研制与开发.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 研究表明，旋转机械的振动主要是由不平衡引起的。因此，对于各类旋转 机械，在制造和使用时都要对转子或整机进行严格的动平衡。随着旋转机械的 发展，动平衡技术得到越来越广泛的应用。曲轴作为结构特殊的刚性转子，在 动平衡领域更是占有特殊地位。 本文首先对刚性转子的动平衡理论做了深入研究。通过介绍单双面转子动 平衡原理，引入了最常用的动平衡方法一影响系数法，并对曲轴动平衡原理 做了介绍。 其次分别从时域和频域两个方面介绍了数字信号处理的方法。通过对信号 基频分析获取信号的大小和相位；通过对信号频域分析确定振动的原因。 最后以东风公司生产的曲轴为研究对象，引入虚拟仪器的思想，利用图形 化编程语言l a b v i e w 软件作为开发平台，开发了一套基于虚拟仪器的曲轴组 件动平衡测试系统。该系统把仪器的主要功能模块放到计算机上实现，通过通 用串行总线( u s b ) 实现计算机和数据采集卡的数据传输，并在计算机上通过软件 控制数据采集、信号分析处理并显示结果，能够满足工程中振动测试分析的需 要。 本系统采用先进的影响系数法和自相关运算处理不平衡数据，提高t n 试 效率及消除各种干扰因素的影响；利用模块化结构实现对振动信号的处理，包 括数据采集、时频域分析及对曲轴进行动平衡分析；实时给出不平衡量的大小 和不平衡相位，同时对测试不合格的产品进行自动去重处理，使剩余的不平衡 量降低到允许的范围之内。 通过实验证明，本文所研究的动平衡测试系统操作简便，平衡精度高，并 具有较高的去重效率，完全能够满足生产实际的要求，具有较好的实用价值和 广阔的市场前景。 关键词：动平衡曲轴虚拟仪器影响系数法相关运算 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t r e s e a r c hs h o w st h a tt h ev i b r a t i o no fr o t a t i n gm a c h i n e si sm a i n l yc a u s e db y u n b a l a n c e s oi ti sn e c e s s a r yt oc a r r yo u tt h ee x a c td y n a m i cb a l a n c ew h e np r o d u c i n g a n du s i n gt h er o t a t i n gm a c h i n e s w i t ht h ed e v e l o p m e n to fr o t a t i n gm a c h i n e s ， d y n a m i cb a l a n c et e c h n o l o g yi su s e di nm o r ea n dm o r ef i e l d s a s t h es p e c i a lr i g i d r o t o r ，c r a n k s h a f th a sas p e c i a ls t a t ei nd y n a m i cb a l a n c e f i e l d f i r s to fa l l ，t h et h e s i sm a k e sar e s e a r c ho nt h ed y n a m i cb a l a n c et h e o r y t h r o u g h i n t r o d u c i n gt h es i n g l e - s i d e da n dt w o - s i d e dr o t o rd y n a m i c b a l a n c et h e o r y ，t h i st h e s i s l e a d si n t ot h em o s tp o p u l a rd y n a m i cb a l a n c em e t h o d - - i n f l u e n c ec o e f f i c i e n tm e t h o d a n dm a k e sa ni n t r o d u c t i o nt oc r a n k s h a f td y n a m i cb a l a n c et h e o r y s e c o n d l y ，t h i st h e s i sr e s p e c t i v e l yi n t r o d u c e st h es i n g l ep r o c e s s i n gm e t h o d s f r o mt i m ed o m a i nt of r e q u e n c yd o m a i n t h r o u g ha n a l y z i n gb a s i cf r e q u e n c ys i g n a l ， t h i s s y s t e mc a l lg e tt h es i g n a l sp h a s ea n da m p l i t u d e ；t h r o u g ha n a l y z i n g t h e f r e q u e n c yd o m a i no ft h es i g n a l ，t h i ss y s t e mc a nm a k es u r et h er e a s o n s o fv i b r a t i o n i nt h ee n d ，t h i st h e s i st a k e sc r a n k s h a f tm a d eb yd o n g f e n gc o r p o r a t i o na s r e s e a r c ho b j e c t ，b r i n g si nl a b v i e wa n dd e s i g n sad y n a m i cb a l a n c et e s t i n gs y s t e m b a s e do nl a b v i e wp l a t f o r m t h es y s t e mr e a l i z e st h ei n s t r u m e n t sm a i nf u n c t i o n m o d u l e sb yc o m p u t e r , c o n n e c t st h ec o m p u t e ra n dd a qb yu s bb u sa n dc o n t r o l s d a t aa c q u i s i t i o n ，s i g n a la n a l y s i sa n ds h o wr e s u l t sb ys o f t w a r e i tc a ns a t i s f yt h e n e e d so fv i b r a t i o na n a l y s i si np r o j e c t t h es y s t e ma d o p t sa d v a n c e di n f l u e n c ec o e f f i c i e n tm e t h o da n da u t o c o r r e l a t i o n t od e a lw i t hu n b a l a n c e dd a t aw h i c hi m p r o v et h ee f f i c i e n c ya n de l i m i n a t et h e i n f l u e n c eo fa 1 1k i n d ss y s t e mr e a s o n s ；i td e a l sw i t hv i b r a t o r ys i g n a l sb ym o d u l e s i n c l u d i n gd a t aa c q u i s i t i o n ，t i m ed o m a i n f r e q u e n c yd o m a i na n a l y s i sa n dc r a n k s h a f t d y n a m i cb a l a n c ea n a l y s i s ；i tc a l lg i v et h es i g n a l sp h a s ea n da m p l i t u d e o nt i m e ，a n d r e m o v ew e i g h tb yi t s e l f i no r d e rt om a k et h eu n b a l a n c e dw e i g h tu n d e rt h ep e r m i t t e d r a n g e t h er e s e a r c hp r o v e st h a tt h es y s t e mh a st h ef o l l o w i n ga d v a n t a g e s ：e a s y o p e r a t i o n ，h i g hb a l a n c ep r e c i s i o n ，h i g h e re f f i c i e n c y ，m e e t i n gt h er e a ld e m a n d ，b e t t e r p r a c t i c a lv a l u e a n dw i d em a r k e tf o r e g r o u n d k e yw o r d s ：d y n a m i cb a l a n c e ，c r a n k s h a f t ，l a b v i e w , i n f l u e n c ec o e f f i c i e n tm e t h o d ， a u t o c o r r e l a t i o n u 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特另t j j j l 以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 一二_ ， 签名：秀监二艇日期：卫2 2 显乜一 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权 保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部 或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：勿生! 燕二 导师签名：盘墟日期：2 丝：! 苫 ( 注：此页内容装订在论文扉页) 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 计算机技术的迅猛发展使人类社会的各个领域都发生了普遍的变革，对测 量技术及仪器的发展也产生了深刻的影响，n 1 从传统的自成体系的单一仪器到 伴随着大规模集成电路技术、微电子技术发展而相继出现的诸如虚拟仪器、自 动测试系统等无不体现了计算机对其产生的巨大推动作用。另一方面，随着工 业生产过程现代化及测量自动化的提高，需要测量的数据量也越来越大，同时 系统中各个计算机之间也日益要求更多的数据交换，扩展测量系统功能，提高 系统的规范性、稳定性、加强系统之间数据和信息交换的便利性的呼声也越来 越高。因此应用自动测试系统已越来越成为现代测试技术的重要发展方向。2 1 3 1 动平衡自动测试系统的出现就是为了适应振动测试与动平衡技术发展的需要而 产生的。 1 1 引言 在机械设备中，旋转是一种很普遍的运动形式。日常见到的大部分机械都 以转子作为工作的动力，大到大型的汽轮发电机组轴系，小到风机、泵、压缩 机等都以转子系统作为工作的主体。转子系统运行的平稳性决定机器运转的可 靠性。但机器运转时不产生振动是绝对不可能的，且不说制造安装工艺及环境 条件等因素会引起转子系统不平衡振动，即使以上各方面都很理想，在一定条 件下正确安装高精度的转子系统也会因运行过程中磨损及负载冲击而产生较大 的振动。振动过大危害极多：直接造成机组事故，例如，汽轮机组高压端振动过 大，可能引起危及保安器动作而停机；损害机组零件，如造成轴瓦和轴承座的 紧固螺钉、联接管道、传动机构部件等的损害。当轴承合金因振动过大造成破 裂时，事故将更为扩大；造成机组动静部分磨擦或咬合，导致机组发生严重损 坏而被迫停机；过大的振动将使各个部件之间的联接发生松动，削弱轴承座、 基础台板和基础之间联接的刚性，甚至使基础松裂、建筑共振，造成严重事故； 过大的危害和噪音会损害运行人员的健康。 转子的振动是多种多样的，常见的振动故障为转子质量不平衡、轴线不对 中、轴弯曲、轴裂纹、轴承松动、基础变形、油膜涡动、高次谐波振动、随机 振动等等。由振动故障诊断结果统计表明，引起振动过大的激振力中主要是转 子不平衡力，所以转子的动平衡处理是现场晟重要的消振工作。 早期的旋转机械转速较低，振动的主要原因是圆盘的偏心，即重心不在转 动的轴线上。因此用静平衡的方法使偏心的距离减小，就可基本消除转子的振 1 武汉理工大学硕士学位论文 动。随着技术的进步和发展的需要，现代的机械正向高速、高效率、高精度和 大型化发展，机械内的转子也越来越向细长发展，用静平衡的方法已经不能消 除转子的振动，而需要用动平衡的方法来解决。 在电力、化工、机械等众多工业领域中，旋转机械是生产的主要的物质条 件，而只有它能高效、平稳的运行，才能保证企业给社会创造出更多的物质财 富，使我们的社会快速地发展。由上可见，转子的动平衡处理不仅是消除或减 小机械振动的有效工艺措施，也是各种旋转机械投入生产的首要任务，同时也 是保证安全生产的重要手段。随着生产技术的不断进步，对振动规定的标准越 来越高，相应地动平衡的要求也越来越严格。 1 2 动平衡测试技术 转子系统的动平衡测试技术主要指通过转子系统的振动信号峰值与相位， 从而获取转子系统不平衡量的大小和相位信息的技术。“1 如图卜1 所示： 图1 - 1 动平衡测试简图 动平衡技术的发展和动平衡机的产生是随着旋转机械的制造和使用提出来 的，并且随着电动机、发电机、汽轮机等的出现，使得机械转子的转速越来越 高而变得更为重要。旋转机械出现的初期，由于机械转子的转速低，引起的振 动对机构的影响不大，对平衡测试精度要求不高，所以初期阶段一般只对转子 进行静平衡测量校正，而使用的各种设备也属于静平衡机一类。2 0 世纪9 0 年 代，现代工业及科学技术迅猛发展，人类环保意识不断增进，无论是航空航天 高科技领域，还是机械制造、交通运输、动力及纺织机械基础工业，各种设备、 装置都在向高速、高效、高精度的方向发展。与此同时，如何抑制和减小振动 噪声、节约能源、提高工作和生活环境的舒适性也引起了人们的高度重视。要 解决这些问题只对转子进行静平衡校正已满足不了工业生产的实际需要，因而 对动平衡技术的研究和动平衡机的研制就提到日程上来了。 第一台动平衡机出现迄今己有一百多年的历史，而动平衡技术的发展主要 还是近几十年的事，它与科学技术的发展密切相关。在二十世纪四十年代，几 乎所有的动平衡工序都是在纯机械式的平衡设备上进行，用干分表观测振动幅 度以估算不平衡量大小，利用机械系统谐振提高灵敏度，判断不平衡相位。到 五十年代，电子技术的发展促进了平衡技术的大变革。在刚性转子平衡理论基 2 武汉理工大学硕士学位论文 本完善的同时，平衡设备都利用了电子测量技术，平面分离电路有效地消除了 左右面的相互影响，利用电气“标准转子 提高了调整动平衡测试的效率。在 这期间，除通用机形成系列化产品外，测量与校正装置一体化的平衡装置以及 为提供大批量生产使用的平衡设备在工业发达国家发展起来，测量方式得到很 大的改进。七十年代出现了硬支承型动平衡机被认为是动平衡机发展史上的一 次飞跃，它使传统软支承型动平衡机上麻烦的动态调整代之以用静态的尺寸标 定，从而形成永久标定式的动平衡机。到九十年代，随着电子技术、信息技术、 计算机技术的发展，出现了基于计算机技术的采集控制、数据处理的设备，用 软件程序实现硬件功能，可实现了在线测试，但这些先进技术在曲柄连杆机构 动平衡测试设备中的应用还很少。 在转子平衡技术的发展过程中，对挠性转子和对结构特殊的刚性转子的动 平衡理论与实验方法的研究作为转子动平衡技术的两大特殊领域日益受到当今 学者的重视，并且有一批重大研究成果问世。我国平衡技术的研究和动平衡机 的生产开始于5 0 年代后期。最初使用r c 带通滤波器的闪光动平衡机和矢量瓦 特表式动平衡机，后来出现电子解算电路的硬支撑动平衡机；滤波技术由带通 滤波和相关滤波发展为跟踪滤波；电子计算机技术也已广泛应用于动平衡机的 测量和控制系统中。 虽然动平衡机生产厂家在动平衡机的制造中均采用等同国际标准i s 0 2 9 5 0 的国家标准以及行业标准进行产品出厂检验，但在使用中或维修后的动平衡机 的平衡性能则处于无控状态。要保证动平衡机的平衡精度和平衡效率，就应使 用专用的校验转子对其性能进行定期检测。但动平衡技术是一门综合的应用技 术，涉及到动力学、电子学、光学、信号处理、传感器及测试技术等多门学科， 平衡校验方法也比一般的长度、质量、力学的检测更为复杂，检验用的转子几 何尺寸精度确定比较困难，对其综合精度的确定必须依赖于动平衡机本身。因 而，动平衡机用户受多方面因素的制约，实现自行校验存在一定困难。而且人 们习惯上认为平衡校正是机械加工中的一道工序，对平衡量值没有一个“标准” 统一管理，大量使用中和维修后的动平衡机的平衡质量存在着较为严重的失准 问题。 可见，转子不平衡测试自诞生以来，就一直处于不停的发展中。从早期的 静平衡测试发展到动平衡测试；从软支承型动平衡机的出现到硬支承型动平衡 机测试原理的建立和实际产品的应用；从模拟测量电路发展至现在普遍采用的 数字测量电路，以及数据采集与处理技术的发展，功能强大的高速计算机及高 灵敏度的传感器元件的应用，使得测试精度大大得到提高，动态测试成为可能； 从单纯的测试不平衡发展到当今测试校正一体化的自动平衡机，在线动平衡机 武汉理工大学硕士学位论文 的出现，平衡工艺方法的改进，使得动平衡测试较正技术都在不断的完善中， 平衡精度及工作效率不断的得到提高。 1 3 国内外研究现状 到目前为止，动平衡技术大致可分为三类：工艺平衡法、现场整机平衡法和 在线自动平衡法。前两种均适合于不平衡量不经常变化的转子，后一种方法适 用于运转时可能发生不平衡状态变化的转子。 国内外研制动平衡机的机构和企业较多，比较著名的有美国吉肖特公司， 德国的申克公司和霍夫曼公司，日本的三菱重工和明石制作所等。5 我国对 转子平衡理论的研究和装置的研制起步较晚，但也形成了一支基本的科研力量 和一定的生产能力。从几克的微型机到2 0 0 吨的重型机、高效率的自动线、精 度在1 0 2 微米数量级的高精度平衡机和特殊要求的人造卫星、导弹等专业平衡 机，都能自己研制和生产。 随着检测手段的不断发展，动平衡检测仪器发展至今，大体可分为四代： 第一代模拟类仪器。主要由光电矢量瓦特计和测振仪等组成，其主要特点是电 磁机械式，要借助指针或光电来显示测试结果。 第二代数字化仪器。这类闪频式动平衡仪可以将测量得到的模拟信号转化 为数字信号量，并以数字方式输出测量结果。 第三代智能仪器。其内置了数字信号处理单片机，集测试、输入、计算和 图形显示等功能于一体。既能自动跟踪测试又具有一定的数据处理能力，且拥 有简单的频谱分析等功能。 近二十年以来，随着电子技术、信息技术、计算机技术的迅猛发展，高速 发展的计算机技术和仪器仪表技术己紧密地结合在一起，产生了虚拟仪器 基于计算机的测试和自动化技术。而且，其发展之快己把传统仪器远远抛在了 后面。因此，仪器己经逐步进入了第四代一虚拟仪器时代。 1 4 虚拟仪器概述 虚拟仪器( v i r t u a li n s t r u m e n t ，简称v i ) ，又称卡式仪器i 卡泰仪器( c a t a i ) 即计算机采集测试分析仪器，是现代计算机技术和仪器技术深层次结合的产物， 是当今计算机辅助测试( c a t ) 领域的一项重要技术。”1 虚拟仪器是计算机硬件资 源、仪器与测控系统硬件资源和虚拟仪器软件资源三者的有效结合。虚拟仪器 通过应用程序将计算机与功能模块硬件结合起来，用户可通过友好的图形界面 来操作计算机，就像操作自己定义、设计的测试仪器，从而完成被测试量的采 武汉理工大学硕士学位论文 集、分析、数据处理和结果显示。鉴于此，本系统采用了虚拟仪器的形式。 1 4 1 虚拟仪器的概念 1 9 5 6 年美国的国家仪器公司( n a t i o n a li n s t r u m e n t sc o r p o r a t i o n ，简称 n i ) 首先提出了虚拟仪器的概念，认为虚拟仪器就是在以计算机为核心的硬件平 台上，其功能由用户设计和定义，具有虚拟面板，其测试功能由测试软件实现 的一种计算机仪器系统。虚拟仪器的实质是利用计算机显示器的显示功能来模 拟传统仪器的控制面板，以多种形式表达输出检测结果；利用计算机强大的软 件功能实现信号数据的运算、分析和处理；利用i o 接口设备完成信号的采集、 测量与调理，从而完成各种测试功能的一种计算机仪器系统。由于仪器的专业 化功能和面板控键都是由软件形成，因此国际上把这类新型的仪器称为“虚拟 仪器”或称“软件即仪器。 1 4 2 虚拟仪器的特点 现代化生产要求电子仪器品种多、功能全、精度和自动化程度高，而且要 求测试速度快、实时性好、具有良好的人机界面。虚拟仪器正可以实现这些要 求。与传统仪器相比，虚拟仪器具有以下6 个特点： 1 、传统仪器的面板只有一个，其上布置着种类繁多的显示与操作元件，易于导 致识别与操作误差。虚拟仪器则可以通过在几个分面板上的操作来实现比较复 杂的功能。 2 、在通用硬件平台确定后，由软件取代传统仪器中的硬件来完成仪器的功能。 3 、仪器的功能是用户根据需要由软件来定义的，而不是事先由厂家定义好的。 4 、仪器性能的改进和功能扩展只需更新相关软件设计，而不需购买新的仪器。 5 、研制周期较传统仪器大为缩短，且成本低、维护方便，易于应用新理论、新 算法和新技术来实现仪器的换代升级。 6 、虚拟仪器开放、灵活，可与计算机同步发展，也可与网络及其他周边设备互 联。目前，我国高档台式仪器还主要依赖进口，因为这些仪器加工工艺复杂， 制造水平要求高，生产突破有困难，而采用虚拟仪器技术后，就可以通过只采 购必要的通用仪器硬件来设计自己的高性价比的仪器系统。 1 4 3 虚拟仪器的发展历史、现状及趋势 电子测量仪器经历了由模拟仪器、智能仪器到虚拟仪器的发展历程。其中 每一次飞跃无不以高性能计算机的发展为动力。近年来，计算机的处理能力 直按指数率提高，发展之快已把传统仪器远远抛在了后面。比如p e n t i u m 处理 武汉理工大学硕士学位论文 器几乎刚面市的时候，p e n t i u mi i 处理器的发展计划已经展开。此外，功能强大 的r i s c 处理器和先进的操作系统在台式机中得到了迅速发展。计算机具有仪器 所需要的、最先进及性能价格比最好的显示与存储能力，高分辨的图形显示与 数百兆的硬盘业己成为标准配置。同时，计算机生产厂商的激烈竞争保证了计 算机在显示、存储能力与处理性能等方面仍将继续高速发展。 自2 0 世纪8 0 年代以来，美国n i 公司研制和推出的l a b v i e w 图形编程系统 己被广泛使用，n i 公司无论是在软件开发平台还是在虚拟仪器产品上都处于领 先水平。在软件体系结构的各个层次上，形成了完整的设备驱动程序、系统开 发平台、使用支持软件、应用软件包相互支撑的格局。在产品方面，n i 公司提 供的g p i b 产品、插卡式数据采集产品、信号调理产品、p x i 总线产品、v x i 总 线产品、图像采集产品等，均处于世界领先地位。除此之外，世界上陆续有数 百家公司，如t e k t r o n i x 公司、r a c a l 公司等也相继推出了多种总线系统和虚 拟仪器。从2 0 世纪9 0 年代中期以来，国内的一批高校和科技公司在研究和开 发虚拟仪器产品和虚拟仪器设计平台以及引进消化国外产品等方面做了一系列 有益的工作。专家预测：未来的几年内，我国将有大部分的仪器为虚拟仪器， 大批的企业用虚拟仪器系统对生产设备的运行状况进行实时监测。虚拟仪器技 术是现代电子测量仪器发展的主潮流，必将在更多、更广的领域得到应用和普 及。8 1 1 5 本课题目的、研究意义以及所完成的工作 1 5 1 本课题目的 本课题的目的就是设计一套曲轴动平衡测试系统，该系统能完成曲轴动平 衡的自动检测和自动去重功能，从而提高曲轴的工作质量。同时，最大限度地 降低曲轴的剩余不平衡量，改善其工作性能并解决曲轴切削加工中由于曲轴原 始不平衡量大，造成曲轴切削转速不能提高的问题。 1 5 2 本文研究意义以及所完成的工作 在近几年中，虚拟技术以其自身的优势以及n i 公司的推广，得到了广范的 应用，尤其是在工科院校里。虚拟技术从1 9 8 4 年的初步应用，到现在的十几年 里面，它的发展可谓是一日千里。目前，虚拟技术特别是l a b v i e w 正沿着总线 与驱动程序的标准化、硬软件的模块化，以及编程平台的图形化和硬件的即插 即用化等方向发展。从刚开始的在工科院校的使用，到现在的广泛应用于各个 领域，对科学技术的发展有着不可估量的影响。 武汉理工大学硕士学位论文 本文将虚拟技术应用于最为广泛的转子机械的平衡有着十分重要的现实意 义。转子机械是目前最为重要的机械类型之一，在国防、民用等方面都有着及 其重要的应用，如各种军舰的动力系统，各种发电系统等等关系国计民生的重 要装备。而转子是它的关键部件，本文的研究对这个领域的发展都有着至关重 要的作用。 本文对由转子不平衡引起的转子振动作了深入的探讨，以下几个方面是本 文所作的具体工作： 1 ) 对动平衡理论做了深入研究，包括单、双面平衡法，影响系数法； 2 ) 对由曲轴不平衡引起的振动进行了理论分析； 3 ) 对由曲轴不平衡引起的振动信号进行了正确的采集，从理论上推导了基 频信号幅值、相位的求法； 4 ) 对l a b v i e w 应用于曲轴动平衡的各个环节，比如数据采集、数据处理、 数据分析以及控制环节等做了深入的研究； 5 ) 对各个出现误差的环节进行了分析。 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章转子动平衡理论 机器中绕轴线旋转的零部件，称为机器的转子。如果一个转子的质量分布 均匀，制造和安装都合格，则运转是平稳的。理想情况下，其对轴承的压力， 除重力之外别无其他的力，即与转子不旋转时一样，只有静压力。这种旋转与 不旋转时对轴承都只有静压力的转子，称为平衡的转子。如果转子在旋转时对 轴承除有静压力外还附加有动压力，则称之为不平衡的转子。转子如果是不平 衡的，附加动压力将通过轴承传达到机器上，引起整个机器的振动，产生噪音， 加速轴承的磨损，降低机器的寿命，甚至使机器控制失灵，发生严重事故。转 子不平衡又可分为静不平衡与动不平衡两种情况。 2 1 转子质量不平衡引起的振动 图2 - 1 质量不平衡离心力 如图2 1 ( a ) 所示，物体在绕一定点旋转时，所产生的离心力f 的大小为 ，。旦尺：；堡尺f ，里、l ( 2 1 ) gg3 0 式中卜物体的质量； r 旋转半径； n 转速； 角速度； g 重力加速度 一个质量分布均匀的圆盘，其重心正好在旋转轴的中心，在旋转时，各个 方向的离心力大小一样，其合力等于零，所以不会产生离心力，如图2 一l ( b ) 所示。 若由于前述的种种原因，造成圆盘质量的不平衡，使圆盘的重心0 与旋 武汉理工大学硕士学位论文 转轴线的中心o 之间总存在一偏心距a ，则旋转时各个方向的离心力就不相等， 其合力也就不等于零。如图2 1 ( c ) 所示。若圆盘的质量为g ，则质量不平衡所 造成的离心力为： ， f o 。 ja m 2 ( 2 2 ) g 上述离心力是与转子一起旋转的，它通过轴承油膜作用在轴承座上，从而引 起支承的动反力。如不对质量不平衡现象进行处理，则动反力可能要比由转子 重量所引起的支承静反力大很多倍。同时，质量不平衡离心力对于轴的垂直或 水平方向是一个周期性的干扰力，因而它将使转子支承系统发生强迫振动。 所以一般要求将转子的质量不平衡控制在一定范围内，使得轴承的动反力不超 过由转子重量本身所引起的静反力的5 。 在工程实际应用上，对于直径与其厚度的比d w 5 时，可将其视为单个圆 盘；当转子长度比直径大时可将其视为多个圆盘重叠在一起。如图2 2 ( a ) 所示： z y 。f 。 l ab t 图2 - 2 刚性转子的不平衡力 b 无论刚性转子的不平衡量分布在转子的任何位置，总可以在某一个或两个 校正面上适当的位置加重或去重来平衡。 由理论力学的原理可知，两个平行力可以合成为一个与之平行的力，反之， 一个力也可以分解为与之平行的两个力。如图2 - 2 ( b ) 所示。 作用于0 点的力f 可以分解为作用于0 。、0 ：两点的同向平行力f 1 和f 2 ，0 与0 ：位置任意，但f 1 和f 2 须满足下列条件： f f ；墨+ e e ；上眦。上f ( 2 3 ) 【 a + 6 。a + 6 由于任意转子的离心惯性力为一垂直转轴的空间力系，向垂直于转轴的两 武汉理工大学硕士学位论文 端面简化，便可得到两端面的平面交汇力系，根据多边形法则，最终在两个端 面上得到两个合力。9 1 显然这两个力随着转子的旋转在不断地变化着。 转子质量不平衡所引起的振动有以下特点： 1 ) 振动的频率与转速相等； 2 ) 振动是一个简谐振动，所以轴承的振动规律是一个比较规则的正弦波， 相位也较为稳定； 3 ) 其它条件不变时，可以认为振动的大小与引起振动的干扰力成正比，而 干扰力( 即不平衡离心力) 与转速的平方成正比，所以对刚转子，振动的大小与 转子转速的平方成正比关系。 这些特点是判断机组振动是不是由质量不平衡所引起的依据。 2 2 刚- | 生转子不平衡的种类 刚性转子不平衡量分布是随机的，根据转子惯性力系简化的结果不同，转 子不平衡分为三种情况：1 0 小1 2 主矢：作用于0 点并等于力系中所有各力的矢量和； 主矩 1 0 ：力系所有各力对o 点的矩矢的矢量和。 主矢不为零，主矩为零 如图2 3 所示，主矢r 。是惯性力系的合力，且通过质心c ，r 。0 ，转轴z 与中心惯性主轴平行，这种不平衡相当于把一个不平衡质量m 加在一个质量为 m 、半径为r 的平衡转子的中心平面上。转子新的重心位于原重心平面内，离原 来中心的距离为e ( e = m r m 称为偏心距) ，新的中心惯性主轴和转动轴线始终平 行。 这种惯性力系简化为一通过质心的合力的不平衡称为静不平衡。 图2 - 3 静不平衡 主矢为零，主矩不为零 如图2 - 4 所示，r o = m r 。( i ) 2 = 0 ，即旋转轴线通过质心c ，m o 0 ，即惯性力系 武汉理工大学硕士学位论文 合成为一个力偶，中心惯性主轴通过质心而与转动轴线相交成q 角。这种因不 平衡量为力偶的不平衡称为偶不平衡。 疹 朋 幽 l 一一1 留一 一 一 誓o 舅，一 口 ， ，一一一 朋 翻 图2 4 偶不平衡 主矢和主矩均不为零 如图2 - 5 所示，这是最普遍的不平衡现象，相当于静不平衡和偶不平衡的 组合，称为动不平衡。转子的中心惯性主轴和转动轴线既不平行也不相交，这 种不平衡不可能再进一步简化。 2 3 转子的平衡方法 图2 - 5 动不平衡 根据刚性转子的动力原理，对转子进行双面平衡，将轴上不平衡量简化到 两个平面上，该校正面可以是预先指定的任意两个与转轴轴线垂直的平面，在 两个平面上适当地加重或去重总能使转子平衡。单面平衡则是双面平衡的简化。 刚性转子的动平衡测量方法很多，常用的有矢量平衡法和影响系数法，分别介 绍如下。1 3 1 “钉1 5 1 2 3 1 矢量平衡法 此法是动平衡最基本的方法，用于一个平面的平衡，比如单独平衡连轴器 或者转子的端。转子升到某一转速，原始振动为a 0 ，动平衡的目的就是要找 武汉理工大学硕士学位论文 出平衡块引起的矢量，与a o 大小相等，方向相反，以抵消a o 。 设振动信号为x ( t ) ，由于不平衡信号只与基频成分有关，所以需要对其进 行离散付里叶变换d f t 。根据采样定理在一个周期t 里进行等间隔采样n 个点， 所得时域序列为x ( 0 ) ，x ( 1 ) ，x ( 2 ) ，x ( n 1 ) 则该序列的d f t 为： x ( k ) ；n - i z ( ，1 ) e 。等砌 ( 2 4 ) 式中k = o 、1 、2 ，n l 为谐波次数；n = o ，1 ，2 ，n 一1 为采样点数。 当k = i 时，x ( 1 ) 为d f t 的基频分量。由上式可知 芒j j 竺肠 x ( 1 ) = x q ) e 1 百“；口。+ 郇一互b 式中 ny-1alz m ) c o s 丝 ( 2 5 ) 式中 。善z o ) c o s 等 ( 2 5 ) 2 j l n 磊- i 砌) s i n 警 互一( 口1 2 + 轨2 ) “2 ( 2 6 ) b ；a r c t a n ( b , a 1 ) ( 2 7 ) 不平衡矢量信号的幅值和相位可由以下公式求出： i a i ：三f ( 2 8 ) 。 口= 岛 ( 2 9 ) 上面所求的相角并不是信号正峰点对应的相位a 当振动传感器与脉冲传 感器在同一纵截面上时 a = 9 0 0 o ( 2 1 0 ) 当振动传感器与脉冲传感器之间有一定的角度o t 时则 a - - 9 0 0 o q( 2 1 1 ) 基于以上确定振幅和相位的理论，对各阶挠曲进行消除时，首先将转子转 速升到临界转速l l 测原始振动矢量a 0 ，由公式( 2 8 ) 得到i a 0 l ，由公式( 2 1 0 ) 或公式( 2 1 1 ) 得到a 。动平衡的目的就是要找出平衡块引起的矢量，使它与 a o 大小相等方向相反以抵消a o 。因此在实际进行动平衡测试时应首先测得la of ， a 0 然后进行平衡，“6 1 步骤如下： 1 停车试加重m 。 2 转速开到n ，测振动矢量a 1 的幅值l a li ，相位舭 3 作矢量运算图，如图2 - 6 所示。 a o ，a 1 是已知量，连接a 0 ，a l 的箭头端得出矢量p 的大小和这个矢量与a 0 武汉理工大学硕士学位论文 的夹角q 。因为a 1 是原始振动值a 0 与所加平衡块引起振动矢量p 之和，所以 p 矢量箭头指向a 1 终点，图中： p = a 1 一a 0 a a = i a 0 1 - 1 a 1 i ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) 将p 矢量转动q 角度并把它的模增加鲋时与a 0 大小相等方向相反，即可 将原始振动抵消。在实物加重面上将试加重块m 增加与鲋成比例的重量并移动 q 角，即可达到动平衡的目的。 】80 90 2 3 2 影响系数法 270 图2 - 6 矢量运算原理图 0 影响系数法也称幅相影响系数法，是目前应用得最普遍的动平衡方法。影 响系数平衡法是将转子及支承系统近似的当作黑箱，平衡面上的试加重量( 包括 大小和相位) 作为这一封闭系统的输入；在相同平衡转速下、相同测振位置和相 同测振方向上，试加重量所引起的振动变化作为系统的输出，把输入与输出的 武汉理工大学硕士学位论文 传递关系定义为影响系数。如果平衡中转子上的平衡面数为m ，测点数为n ，这 样转子平衡的影响系数平衡法把转子及支承系统简化为具有m 个输入和n 个输 出的线性系统。n 7 1 8 1 在采用影响系数法进行平衡时，首先启动转子，在所选定的平衡转速下和 测振点位置上测取原始振动4 。( i = l ，2 ，3 ，n ) ；然后，选取与原始振动大小相 适应的试加重量p j ( j = l ，2 ，m ) ，逐次安装到m 个平衡面上，启动转子后在 相同平衡转速和测振点处测取试加质量后的振动4 ；按照影响系数的定义可得： 促；盟 ( 2 1 4 ) ” 弓 式中 口；，影响系数 口。表示第j 平衡面的试加质量对第i 测点振动所产生的影响，其物理意义 是：在第j 平衡面的零相位处单位试加重量对第i 测点所产生的振动。 影响系数法的平衡目标是：各平衡面上校正质量q ；( j = l ，2 ，m ) 对同一 测点所产生的振动迭加在一起，恰好抵消该测点的原始振动，即： q 1 q 1 + a f 2 q 2 + + 口谢q _ m + 4 o = 0 ( 2 1 5 ) 对所有的测点得到具有m 个未知数、n 个方程的复系数线性方程组，求解 上述方程组便可得到各平衡面的校正质量。简言之，影响系数法的基本手段是 引入一个试重来测出一个具体的转子轴承系统的不平衡振动的影响系数。通常 在转子每一个设置的平衡校正面内，依次加上一个试重，根据加重前后转子或 轴承座的不平衡振动响应的变化，求出影响系数，然后由转子或轴承座的初始 不平衡振动求解得初始不平衡量或相应的校正量。 2 3 2 1 单面平衡法 电厂的送、引风机和汽轮发电机组联轴器的平均可当作单平面平衡问题。 这是由于加重面与失衡面基本相符，通过单面加重就可使力和力偶都达到平衡。 这种方法在汽轮机和发电机平衡中有时也会遇到。 该法的具体步骤如下： ( 1 ) 转子不加重，测取转速下的振动a 0 ； ( 2 ) 在转子上试加重p ，测取加重后平衡转速下的振动a 1 ； ( 3 ) 转子上应加平衡重量为： 蚕，一鸳一p( 2 1 6 ) 4 4 上式可以写成： 武汉理工大学硕士学位论文 石 a o 蟛2 7 口 ( 2 1 7 ) 其中云；绁，通常称为影响系数。它表示在转子零度方向、一米半径处加 p 单位重量所引起的振动变化。 2 3 2 2 双面平衡法 单平面平衡是刚性转子动平衡的一种特殊情况，多数情况下需要在两个平 面上同时加重进行平衡。两平面平衡通常采用影响系数法。n 盯n 乜其平衡程序 框图见图2 - 1 影响系数是转子系统对不平衡质量响应程度的表示。双面动平衡 操作的具体步骤如下： ( 1 ) 转子不加重，测取平衡转速下两侧轴承的原始振动4 ，b o ； ( 2 ) 在平面i 加重号，测取平衡转速下的4 。，。； ( 3 ) 取下号，在平面i i 加重只，测取平衡转速下的振动如，b ：； ( 4 ) 计算两个平面上加重的影响系数： 平面i 加重影响系数瓦。鱼丛，瓦。s o l - b o ( 2 1 8 ) 一 d d 平面i i 加重影响系数a 一1 2 ；, 4 0 2 - a o ，瓦：刍堡 ( 2 1 9 ) p p ( 5 ) 根据线性条件可得到如下矩阵：其中q 1 ，q 2 为校正平面i 和平面i i 上的 原始不平衡量。 圈匮h 习 亿2 由式( 2 1 8 ) 、( 2 1 9 ) 和( 2 2 0 ) 可得q l ，q 2 。 ( 6 ) 在校正平面i 和i i 上去掉计算所得的不平衡量q 1 ，q 2 。 ( 7 ) 最后启动转子至平衡转速，如振动符合要求，则完成平衡工作。如果各轴 承振动不满足要求，则以此时状态作为初始状态，回到第( 1 ) 步再次平衡。如 果平衡转速不是工作转速，则应升至工作转速，并测出各轴承各个方向的振动， 看是否符合要求。 由上述影响系数法求得的不平衡量为真实不平衡量，是在校正时应去重的 值。在影响系数法平衡中，并不要求了解转子上原始不平衡的大致分布，也不 武汉理工大学硕士学位论文 关心转子及轴承系统的振动特性，而且完全按照控制论中由系统输入与系统输 出求取系统特性的方法处理问题，把振动平衡问题转化为线性方程组的求解。 影响系数法是现场动平衡中应用较为广泛且成功的技术。本测试系统采用的是 影响系数法。 图2 - 7 两平面动平衡程序框图 武汉理工大学硕士学位论文 2 4 曲轴动平衡原理 2 4 1 曲轴动平衡的特点 我们知道，曲轴是一种结构特殊的刚性转子，这是因为曲轴在工作时是多 点支承，工作转速远低于曲轴的临界转速，另外，曲轴平衡时转速也比较低， 平衡时不会产生明显影响曲轴不平衡状态的弹性变形。因此，它在原则上可按 刚性转子二面平衡原理进行平衡校正。但由于曲轴的结构特殊性，它没有任意 位置去重的校正面，平衡时的去重，都只能在某些固定的位置上或范围内进行 ( 如平衡块或连杆颈) 。恤1 m m 钉 图2 - 7 四缸曲轴简图 o ) 图2 - 7 为四缸曲轴的简图，其两端和中间主轴两侧的连杆颈的对面配有扇 形平衡块( 图中1 ，2 ，3 ，4 面) 。为了测量和去重的方便，这类曲轴通常采用 9 0 。固定坐标系( 直角坐标系) 进行平衡。即取1 、4 面为测量平面进行测量， 将测得的不平衡量进行9 0 。( 沿x ，y 坐标方向) 分解；如果其分量为正，就在1 、 4 面中的x ，y 的正向去重，如果分量为负，在1 、4 面的相应位置无法去重， 就要将此负量转换到其他各面相应的位置上去重。例如在1 面上有不平衡量u 可将不平衡量沿直角坐标分解，如图2 7 所示。设0 。方向为x 轴的正向( 1 8 0 。为负向) ，9 0 。方向为y 轴正向( 2 7 0 。为负向) ，其大小为： 玑h i u c o s 0 ， u ，【，s i n 口：u c o s ( 詈一口) 2 2 1 武汉理工大学硕士学位论文 图2 - 8 不平衡量分解图 如果这两个分量( 包括正、负量) 都被除掉，不平衡量u 也就被平衡了。若 曲轴采用钻孔的方法去重，那么分量都为正时，可在1 面o 。和9 0 。方向去重； 当分量为负值时，表示应在1 8 0 。或在2 7 0 。方向去重，而1 面在1 8 0 。或2 7 0 。方向不能去重。这时可以利用四缸曲轴的平衡块分布对称的特点，根据平行 力分解的原理进行运算，把负分量转换到2 ，3 ，4