（机械电子工程专业论文）火车轮对动平衡数控校正系统的研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 车轮的动平衡性能对列车的高速运行安全起着重要的作用。随着我国列车的提 速，对车轮的动平衡性能要求不断提高。对此，本文研制了一套集动平衡测量和铣 削去重于体的火车轮对动平衡数控校正系统它具有自动化程度高，加工效率高、 校正精度高等优点，可以提高车轮制造和维修的效率、质量，并减轻劳动强度。f 主 要内容如下： 在轮对不平衡振动信号的处理中，研究了软支承动平衡机的工作原理：采用数 字相关滤波技术对振动信号进行分离，得到轮对的基频振动信号：通过平面分离方 法和左右轮基频信号确定不平衡量大小与方位。 轮对的动平衡校正方法主要分为两种：反向加重与去重。反向加重是在轮对不 平衡位置的对面焊接或用螺栓固定适当重量的铁块对轮对进行平衡，这种方法的缺 点是容易脱落：而传统的钻孔去重方法会使车轮产生应力集中，并在高速转动时产 生啸叫声。对此，本文采用在轮缘内侧面铣削圆弧片的方式进行去重。其优点为： 铣削去重表面光滑，不会产生应力集中，且可去重的量较大。 根据上述原理，在华中i 型数控平台上进行了火车轮对动平衡测量及校正去重 控制软件的研制，它集动平衡测量和铣削去重子一体，具有自动化程度高的特点， 其功能包括：轮对的动平衡测量，去重区域的计算，轮对的铣削去重校正，相关数 据文件的管理以及友好的交互式图形化用户界面。该系统已在实际动平衡去重机床 上实现，获得良好效果，其测量精度为到1g - m ，校正精度达5g m ，并将作为企 业的新产品配套。 关键词：火车轮对动平衡测量铣削去重平面分离数字相关滤波 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t n 坨d y n a m i c b a l a l l c ep e r f o r m a n c eo fw h e e l s e t sh a sag r e a te f f e c to nt h es e c u r i t yo f t h eh i g h l yr u n n i n gw a i n h i g h e rp e r f o r m a n c eo ft h ed y n a m i cb a l a n c eo fw h c c l s e t si s n e e d e d 、i t l lt h ei n c r e a s eo ft h et r a i n ss p e e d s oa t r a i nw h e e l s e t s d y n a m i cb a l a n c en c c o r r e c t i n gs y s t e m ，w h i c h h a st h ef u n c t i o n so f b o t hd y n a m i cb a l a n c cm e a s u r i n ga n dm i l l i n g w e i g h tr e d u c t i o 珥h a sb e e nd e v e l o p e di nt h i sd i s s e r t a t i o n n l i ss y s t e mh a s 也ev i r t u e so f l l i g l la u t o m a t i z a t i o n , h i g l le f f i c i e n c ya n dh i g l lc o r r e c t i n gp r e c i s i o na n di t c 锄e l e v a t et h e e f f i c i e n c ya n dt h eq u a l i t yo f t h em a n u f a c t u r ea n dm a i n t a i n i n go ft h ew h e e l s e t s t h em a i n c o n t e n t so f t h i sd i s s e r t a t i o na r es h o w n a sf o l l o w s 码ep r i n c i p l eo fs o f tb e a r i n gb a l a n c em a c h i n ei ss t u d i e d 硒ev i b r a t i o ns i g n a l so f f u n d a m e n t a lf r e q u e n c ya l e s e p a r a t e df r o mt h ew h o l ev i b r a t i o ns i g n a l sb ym e a n so f 也e t e c h n o l o g yo fd i g i t a lc o r r e l a t i v ef i l t r a t i o nw h e nt h ei m b a l a n c es i g n a l sa r cd i s p o s e d t 1 l e q u a n t i t ya n dt h e 】o c a f i o no f t h ei m b a l a n c ea r ec a l c u l a t e df r o mt h ev i b r a t i o ns i g n a l so f t h e l e f ta n dr i g h tw h e e l sb ym e a n so f p l a n ed e t a c h r n e n l t h e r ea r et w ow a y st oe l i m i n a t et h ei m b a l a n c eo ft h ew h c e l s e t s ：r e v e r s ew e i g h t i n c r e a s ea n dw e i g h tr e d u c t i o n r e v e r s ew e i g h ti n c r e a s em e a n s t h a taa p p r o p r i a t ep i e c eo f i r o nb l o c ki sw e l d e do rb o r e dt ot h ep o s i t i o no p p o s i t et ot h ei m b a l a n c ep o s i t i o n 删s m e t h o dh a st h ed e f e c tt h a tt h eb l o c k i se a s yt of a l lo f f t h et r a d i t i o n a lc o r r e c t i n gm e t h o d m a tt h ew h e e l s e t sa r ec o r r e c t e db yd r i l l i n gc a u s e ss t r e s sc o n c e n t r a t i o na n dm a k e st h e w h e e l s e t sw h i s t l i n gw h e nt h e ya r er o t a t i n ga th i 咖s p e e d s o an e wm e t h o dt h a taa r cf l a k e i nt h ei n s i d ef a c ei sm i l l e da tt h ei m b a l a n c ep o s i t i o ni sp u tf o r w a r di nt h i sd i s s e r t a t i o n 侧s m e m o dh a sm u c hm e r i tt h a tt h em i l l i n gf a c ei sg l o s s ys ot h a tn os t r e s sc o n c e n t r a t i o ne x i s t s a n dt h eq u a n t i t yo f t h em a x i m a lw e i 【g h tr e d u c t i o ni sl a r g e a c c o r m n g t ot h ea f o r e m e n t i o n e dp r i n c i p l e s ，t h ec o n t r o ls o f t w a r eo fd y n a m i cb a l a n c e m e a s u r i n ga n dw e i g h t r e d u c t i o n c o r r e c t i n gf o r t h et r a i nw h e e l s e t si sd e v e l o p e do nt h eb a s i s o fh u a z h o n gt y p e in cp l a t f o r m 1 1 圮f u n c t i o n so ft h i ss y s t e mi n c l u d et h ed y n a m i c b a l a n c em e a s u r i n go fw h e e l s e t s ，t h ec a l c u l a t i o no fw e i g h tr e d u c t i o na r e a , t h em i l l i n g w e i g h tr e d u c t i o nc o r r e c t i n g ，t h em a n a g e m e n to f t h er e l a f t v ed a t af i l e sa n dt h em u t u a l g r a p h i c a l u i t l l i ss y s t e mh a sb e e ni m p l e m e n t e do nt h ea c t u a lm a c h i n eo f d y n a m i cb a l a n t e w e i g h tr e d u c i n ga n dg o tf m e e f f e c tt h a ti t sm e a s u r ep r e c i s i o ni s1 g m a n di t sc o r r e c t i n g p r e c i s i o ni s5g m i tw i l lb cu s e da s t 1 1 em a t c h i n go f n e w p r o d u c to f f a c t o r y k e y w o r d s ：t r a i n w h e e l s e t s d y n a m i c b a l a n c em e a s u r i n g m i l l i n gw e i g h t r e d u c t i o n p l a n ed e t a c h m e n t d i g i t a lc o r r e l a t i v ef i l t r a t i o n i i 华中科技大学硕士学位论文 1 1 课题的来源与意义 第一章绪论 本课题来源于孝感试验机厂和华中科技大学的合作项目，其目的是开发一套高效 率，高自动化，高精度的集动平衡和去重校正于一体的火车轮对校正系统。 列车在高速运行时，如果车轴，车轮及刹车盘组装件( 以下称轮对) 的不平衡 量较大，便会产生很大的离心力，使列车运行性能恶化，垂直和横向振动加剧，转 向架基础制动装置配件磨损严重，制动圆销碰磨制动梁缓解簧、安全托、车轮内侧 面，严重者发生闸瓦折断，闸瓦托翻转，拉板吊断裂以及杠杆、拉板脱落等，危及 了行车安全 1 工”。而且，由于磨损的加剧，部件的使用寿命减短，需要经常检修与 更换，增加了列车的运行成本。因此，要控制轮对的不平衡量到可容许的范围。但 是，在机械加工中，由于材料分布不均匀，加工毛胚上的缺陷，加工误差，装配误 差和设计误差等原因都会使轮对工件质量分布不均匀而形成一定的偏心。在旋转时， 由于惯性作用，必然会产生离心力h o 。因此，需要有专门的装置对装配好的轮对进 行动平衡校正。 随着交通运输业的发展，要求铁路运输加快火车的运行速度，我国自1 9 9 6 年以 来已多次逐步提高了火车的运行速度，从6 0 公里4 , 时提高到了1 6 0 公里4 , 时。目 前广深铁路线，客车运行速度已达到了2 0 0 公里，j 、时。由于离心力与转速及不平衡 量有关，转速越高，离心力越大。因此，火车提速后，轮对的不平衡量要限制到一 个更小的范围才能保证火车的正常运行，其平衡应小于或等于7 5 9 m 【l 引。因此需 要更高精度，更高效率的轮对测量与校正装置。 我国已有动平衡生产厂家，设计并生产出了火车轮对动平衡检测机，但没有相 应配套的去除不平衡量的机床。传统的方法是先在动平衡测量机上测量出轮对的不 平衡量及相位角，然后再到车床或铣床上进行去重加工，校正完毕后，要再到测量 机上进行测量。整个过程需要经过多次吊装，不仅操作复杂，效率低下；而且由于 测量与校正是在不同的系统上分别进行，精度得不到保障。这些缺点使当前的轮对 校正设备很难满足当前铁路运输业发展的需要。火车轮对动平衡数控校正系统正是 针对此而研究的一套校正系统。这套系统具有精度高，自动化程度高，效率高等优 点，因此开发集测量与加工于一体的火车轮对动平衡数控校正系统具有重要意义。 国内火车轮对的生产厂家，各铁路沿线的机务段，机车维修厂急需这类系统用于制 造和维修火车轮对f i _ 2 】。 因此，研究本课题对提高轮对校正的效率，提高加工的自动化程度，减轻劳动 华中科技大学硕士学位论文 强度等具有重要意义。 1 2 动平衡技术的发展 对于高速回转部件，为减小由于回转部件的不平衡引起的振动，延长机器的寿 命，改善其性能，平衡工艺被看成是绝对必要的。由于设计、加工、装配等方面， 制造出完全平衡的转子是不现实的。而回转部件在高速转动时又对平衡有很高的要 求，故要求对加工好的转子进行必要的静平衡和动平衡校正，以达到平稳和无振动 地运转【邓。 第一台动平衡机的出现迄今已有一百多年的历史，在上世纪初，美国的a k i m o f f 和瑞士的s t o d o l a 提出双面平衡机的专利技术并经过改进，开始在工业中使用。而动 平衡技术的发展主要还是近四十年的事，它与科学技术的发展密切相关i s 。直到上 世纪四十年代，几乎所有的平衡工序都在纯机械式的平衡设备上进行，一般用千分 表观测各边、振幅以估算不平衡量，利用机械系统谐振增加灵敏度和判断不平衡相 位。为了提高测量灵敏度，曾在超共振运转后再降至共振转速的谐振中进行测量， 这样，才获得比较好的频率选择性。但是，关于角度位置，开始只能凭揣测而定， 而所要求的校正平面( 平面分离) 测量值的精确配置也还不可能。电子技术的发展 促进了平衡技术的大变革1 9 l 。到上世纪五十年代，在剐性转子平衡理论基本完善的 同时，百分之九十以上的平衡设备都利用了电子测量技术，平面分离电路有效的消 除了左右面的相互影响，电气标准转子提高了调整平衡机的效率；这期间除通用机 形成系列化产品外，测量与校正装置组合为一体的平衡装置及供大批量生产用的平 衡自动线在工业发达国家发展起来，测量方式也在不断改进。上世纪七十年代出现 的硬支承平衡机可以认为平衡机发展史上的一次飞跃，它使传统软支承平衡机上麻 烦的动态调整代之以静态下的尺寸设定，从而形成永久标定式平衡机1 9 1 。进入上世 纪九十年代，动平衡测量技术与迅速发展的p c 机结合，通过计算机来处理测量数 据，不仅简化了测量电路，而且为动平衡测量提供了更强大的功能，并为用户提供 了友好的交互式操作界面【l ”。 我国动平衡理论和装置的研制及新产品开发是从1 9 5 8 年开始的，且前已形成基 本的科研力量和一定的生产能力。近年来，在刚性和挠性转子平衡理论与方法上， 作了大量的研究，在平衡装置方面填补了一系列空白。目前，我国已有自己的平衡 机系列产品，从几克的微型机到2 0 0 吨的重型机、导弹等专用机，都能自己研制和 生产。 华中理工大学动平衡科研组自1 9 5 8 年研制成功第一台采用电子测量技术的 d s 5 0 0 型通用动平衡机以来，一直坚持动平衡理论和装置的研究，先后研制成d b 5 0 0 型、d b 0 5 型和d b 5 0 型带电气“标准转予”的通用动平衡系列：从上世纪六 2 华中科技大学硕士学位论文 十年代中期起，就与上海试验机厂、孝感试验机厂等协作，成功研制了传动轴动平 衡机、曲轴动平衡机、发动机总成动平衡机、数控立式平衡机等，还为第二汽车制 造厂研制了我国第一条动平衡自动线以及砂轮自动平衡仪等。它在制定我国有关动 平衡标准上也做了一些工作9 1 3 火车轮对动平衡测量与校正技术的研究现状 1 3 t 测量技术简介 从动平衡机的振动方式上分，现今轮对动平衡机主要有两大类：软支承平衡机 和硬支承平衡机 i o 1 “。它们在性能，使用场合等方面的区别如下表所示。 表1 1软、硬支承平衡机性能比较 机型硬支承平衡机软支承平衡机 项目 c o o 3 c o o ，机器可在高 工作频率 速状态下工作 硬支承结构中转子振动很小，直接测出软支承结构中转子接近作 不平衡量 不平衡离心力或正比于不平衡离心力的自由振动，直接检测由不 检测方式 支架位移平衡量产生的振动 支承轴承刚度接近转子实际用的轴承刚轴承用板弹簧支承成为接 平衡机的度，使平衡接近于转子的实际工作情况近自由振动状态，因此平 轴承状态衡时支承轴承状态与实际 工作状态有很大区别 平面分离 只需测量转子尺寸、调整电路度盘，操要附加试重，作预备运 作容易，不需要预运转，一次标定，长行，操作复杂，调整困难 与校准 久使用 通用、专用均适合，既能用于多品种、特别适用于大批量生产的 适用范围小批量转子的通用机，又能用作大批量专用平衡机 生产的专用平衡机 与脚2 成正比。仪表指示正比于两校正 与成正比( 测量振动速 测量灵敏度 面上的不平衡量离心力e 和e 度时) ，仪表指示正比予 不平衡量u 平衡精度平衡精度偏低 平衡精度高 不平衡量减低率8 5 9 5 8 0 9 s 易受外界振动干扰，对地基的安装要求不易受外来振动的影响， 安装基础较高一般比硬支承机器的安装 简单 华中科技大学硕士学位论文 随着电子技术的发展，现在的轮对动平衡测量机都采用电子测量方式，并利用 相关滤波技术对来自传感器的不平衡信号进行处理，滤除无用的直流分量、各次谐 波分量、异频分量和各种干扰噪声，取出有用的不平衡基波分量，最终指示出两校 正面上的量值和方位。现在主要有四种测量方式：瓦特表测量方式，相敏检波测 量方式，他激时分割式测量方式和数字相关滤波器式测量方式l l 3 ”】。 1 、瓦特表是一种测量电功率的仪表，它由两个定圈、一个动圈和旋转弹簧等组 成。使用时，两个定圈串在一起通以电流形成磁场。这时若在动圈上加以被测电流， 则动圈在磁场中将会受力而发生偏转。瓦特表实质上是一种乘法器：定圈电流( 基 准信号) 和动圈电流( 待测不平衡信号) 的乘法装置。而它的机械装置，既扭转振 动系统则是一个“低通滤波器”。因此，它具有良好的频率选择性。但是由于构成瓦 特表机械部分的固有频率因尺寸和材料性能等因素不可能很低，故而瓦特表不适于 低速平衡机。而且由于瓦特表是以机电滤波方式工作，所以瓦特表测量精度较低。 2 、相敏检波有时亦称为电子锁相，同步整流或同步检波。它是将不平衡信号与 两路相位差为9 0 度的基准方波信号分别相乘，然后将两路结果分量合并即可求得不 平衡信号的量值和方位。 3 、他激时分割式测量方式也是利用相关滤波的原理工作的，它的关键部件是电 子乘法器。他激时分割式测量的优点是测量精度高，滤波性能好，抗干扰能力强。 但由于系统中全部采用模拟电路，因此这些电路的零位漂移会影响测量精度的进一 步提高。 4 、数字相关滤波器式测量方式是用数字电路实现相关滤波功能。它的优点是不 存在电路的零位漂移，滤波特性好、抗干扰性能强；并且可以与计算机配套使用， 用软件实现大部分功能，降低电路的复杂性与硬件成本。 1 3 2 轮对校正方法简介 现今轮对的校正主要分为两大类： 1 、反向加重。即在轮对的内侧面不平衡位置的对面( 即转过1 8 0 度) ，加上适 当重量的铁块来去除不平衡。一般铁块是被焊接、或用螺栓固定到轮对内侧面上的。 但是在列车高速运行时，铁块很容易脱落，而且由于空气的摩擦会产生很大的啸叫 声。 2 、去重。传统的方法是在不平衡位置处钻一定大小的孔。这种方法有两个缺点： 第一，去重的量不大，只能适用于不平衡量较小的情况；第二，钻孔会使轮对产生 应力集中，降低了轮对的强度和使用寿命。现在大多采用在不平衡位置处铣削或车 削一片圆弧状铣削块，这样可保证去重后内侧面的光滑，而且，这种方法的可去重 量比较大【1 6 川i 。 华中科技大学硕士学位论文 1 4 课题的主要研究内容和本文的主要工作 本课题主要完成了火车轮对动平衡数控校正系统的计算机控制系统的实现。其 中主要包括计算机控制系统的硬件结构及特点，软件的结构、功能，以及若干关键 技术的实现。 本论文的主要工作如下： l 、在轮对动平衡信号处理中，采用数字相关滤波技术对振动信号进行分离，得 到轮对的基频振动信号；研究了软支承动平衡机的工作原理，通过平面分离算法和 左右轮振动信号确定不平衡量大小与方位。 2 、鉴于传统的用钻孔去重对轮对进行动平衡校正的方法会使轮对产生应力集中 并在高速运行中产生啸叫声，本文采用在轮对不平衡位置处用成型铣刀对其内侧面 铣削一个圆弧片的方法去重，其优点是铣削加工面光滑，不会产生应力集中，并且 可去重的量较大。 3 、根据上述原理，在华中i 型数控平台上对这套集动平衡测量和铣削去重于一 体的高自动化、高效率的轮对校正系统进行了软件开发。其功能主要包括轮对的动 平衡测量，去重区域的计算，轮对的铣削去重校正，相关数据文件的管理以及友好 的交互式图形化用户界面。 华中科技大学硕士学位论文 第二章动平衡校正机的组成及总体方案 2 1 动平衡校正机的组成 血偷 盛 蕞裂卿 萨哕 图2 1 动平衡校正机外观图 2 1 1 总体布局 如图2 1 ，整个动平衡校正机由以下几部分组成：动平衡测量部分，数控铣削部 分，电柜和辅助器件( 包括液压泵，气泵) 。其总体布局如下： 根据铁道部标准，不同规格的轮对的两个车轮的内侧距离1 4 3 5 m m 不变，制动 盘的直径不变。只是轮轴的总长度不同，轴形r c 2 r e 2 其长度变化为 2 1 0 0 - - 2 1 6 6 。为适应检测不同规格的轮对，可以更换摇架上支承轮对的轴承宽 度和万向节的长度。 实现x ，y 运动的十字工作台沿轮对的轴向安放在两个车轮的中央。轮对动平衡 检测支架的基座宽9 0 0 m m ，十字工作台基座与平衡机基座之间放置一个排屑器。 轮对中心线到工作台基座尺寸取6 0 0 m m ，两个铣削头根据车轮内缘的形状可以 6 华中科技大学硕士学位论文 调整安装角，刀具退出切削位置后，主轴端面中心线致车轮去重处的边缘距离 为2 5 0 r a m 。取棒铣刀直径为5 0 r n m ，长度取1 2 0 1 5 0 r n m ，刀具轴端距离为9 5 0 m m 由此，决定十字工作台的x 向行程5 0 0 m m ，y 向行程为3 0 0 m m 。 关于检测和去重时轮对中心线距地面高度：火车轮进行平衡去重时，轮对在地 面的导轨上滚动，搬运方便，但厂房建筑投资较高。考虑到国内条件，是以厂 房地面为基准，平衡去重机床装在地平面以上，轮对采用吊装方式放子支架上。 动平衡机的基座为3 0 0 m m ，车轮最大半径约为5 0 0 m m ，考虑摇架制动油缸等部 件的安装高度，取轮对中心线到基座的距离为8 5 0 m m ，由此确定该平衡去重机床 轴线到地面高度为3 0 0 + 8 5 0 = 1 1 5 0 r n m 。 动平衡机的长度： 轮对长度 2 16 6 m m ，主轴箱及主电机长度为1 2 0 0 m m ， 联轴节长度取4 0 0 r a m ，动平衡机总长度 5 0 0 m m 。 平面布局： 操作人员站在主机的右前方，靠近平衡机主传动箱一侧。控制电柜及其上的操 作面板安置在操作人员的右侧，十字滑台安装在动平衡机的左后方，液压柜方 在右后方。 2 1 2 主要技术指标： 轮对最大长度 轮对重量 动平衡检测转速 动平衡驱动电机功率 去重铣削滑台( 长宽) 铣削滑台行程长度( x 、y ) 铣削进给速度 x 轴。y 轴 a 轴 x 、y 、a 坐标快速移动 脉冲当量( x 、y 、a ) 最小可达剩余不平衡重 不平衡减少率 进给伺服电机扭矩( x 、y 、a ) 铣削电机功率 2 1 1 眦5 5 0m m 8 0 0 - - 2 0 0 0 k g 2 5 0r r a i n ( 可调) 1 1k w 1 2 0 0 6 5 0i r l l l 5 0 0 ，3 0 0m m 嗍0 0 0r a m r a i n 0 0 0 5 巾1r r a i n 10 m r a i n 10 m r a i n 2 r r a i n 0 0 0 1 m m 0 0 0 1 m m 0 2 5 9 2 ” ls 1 彳丰l ? 革 _ 型： ? a 一j 上厂一 ：习；一 一j 、 q k 工 占 h 。 。z 。守f 图3 3 软支承平衡机的振动系统 y 软支承平衡机的轴承用板弹簧支撑成为接近自由振动状态，因此平衡时的支承 轴承状态与实际工作状态有很大区别；每次平面分离与校准都要附加试重，作预备 工作，操作复杂，调整困难，但它的平衡精度高，且不宜受外来振动的影响，一般 比硬支承平衡机的安装简单；特别适用于大批量生产的专用平衡机。 本系统是对专门针对火车轮对进行动平衡测量与校正，且要求精度较高，火车 轮对的型号种类不多，对于某一种型号的轮对，由于参数一样，故只需标定一次。 所以，本系统采用软支承平衡机，下面只介绍软支承平衡机的工作原理与平面分离 原理。 平衡机机械振动系统【”】，通常可以用图3 3 表示。 对于图3 3 所示的机械系统，若在距质心为h 的平面上有不平衡量m r 、忽略系 华中科技大学硕士学位论文 ! ! ! = m = = = i = = = = = = ；= i = i 皂! 苎! 曼竺! ! ! ! ! 寰! ! 统的阻尼和摆架的质量，由其振动方程不难求得左右两支承处的振幅，它们分别是： 彳，：竺 m 4 。：竺 m c 0 2胁，国2 ：一2 ，：( - o ；一脚2 j 垃，2 历，2 j ：一2 ，：；一2 式中： 埘转子工作角频率 甜，静不平衡力所引起的强迫振动自振频率 翻。动不平衡力偶所引起的强迫振动自振频率 m 参振系统( 包括转予) 总质量 由上式可知：当埘，吐和，远大于l 时，上式可以简化为： 二|： 一m ， = 一朋r b ( 3 2 ) ( 3 - 3 ) 从上式可以看出：左右支承的振动振幅与重径积【1 0 1 成正比，但相位相反。所以， 只要使平衡机的工作转速远高于摆架支承系统的固有频率，就可以由支承的振幅直 接反映出重径积。软支承机器就是利用以上原理工作的。 为了减小软支承平衡机中摆架支承系统的固有频率，在保证支承稳定的前提 下，可尽量减小弹簧的刚度k 、支承距离，并增加转子和摆架的转动惯量。当然转 动惯量的的增大将导致系统灵敏度的降低，而适当地减小支承距离则能起到比较显 著的效果。所以，在设计软支承机器时应综合考虑以上各个参数之间的相互关系。 任意选择的校正平面上的原理和转子的振动方 程可知：转子在任一平面上有不平衡量，必然 要在左右两个轴承上同时引起振动。如图3 4 卜二 图3 4 |i、，_ 型l 型t 十 飘爿 华中科技大学硕士学位论文 所示，振动的大小可以用左右两个传感器来测量，以a 。，a 。表示。 设码和珊：，2 为i 、i i 校正面上的不平衡量，i 面上的单位不平衡量在l 和r 处引起的振动用a l 和d 月i 表示；同样，i i 面上的单位不平衡量在l 和r 处引起的 振动用口l 2 和口 2 表示。口 是一组与转子重量、重心位置校正面的位置及转子的 惯性矩等有关的动力影响系数乜”。 以上振动及动力影响系数皆为矢量，将它们分解到两个相互垂直的轴x ，y 上， 得到以下方程组： j 彳肼2 口l x 小l 工+ a l 2 x 所2 乃z ja l r2 口i y 。肌l ，l y + 口2 y m 2 吃y i 彳斛= 口异l x m i _ z + 口月2 j m 2 ，2 z ( 3 4 ) l a r t 2 f z r i y 。聊l r + 口r 2 y 。m 2 r 2 r 其中： 如，4 ，如南，勉， ，r 邛r u , ，m r v ：，分别为石，石，i ，i ，瓦，瓦，玛i ， m ，r 2 在) ( y 轴上的分量大小。 在本系统中，在加工误差允许的情况下，我们作了一系列的假定，以达到简化 的目的： 本系统为线性系统。 火车轮对为刚性转子。 支承为软支承。 同一型号的轮对在同一平衡机上的口值相同。 由方程可知只要知道了口的值，通过传感器测得的以，4 值就可以解出 和m 2 r 2 的值。 为了确定各口的值，必须联立更多的方程才能解出。 确定各口的值的过程我们称之为标定。首先我们进行无试重转，即直接对轮 对进行动平衡测量，得到方程( 3 4 ) 。然后进行左试重转，即在左轮的确定位置贴 加一块质量已知的橡皮泥，这样可以事先知道增加的不平衡量a m r 1 。可得方程组 ( 3 5 ) 。 华中科技大学硕士学位论文 f 彳“= 口l x 切l x + a m r ，l xj + 口2 x m 2 1 2 x fa y = 口l r 协1 _ r + a m r ，l rj + a 2 y m 2 r 2 y j 彳肘= 口异l x 忉l _ + a m r ，l xj + 口旯2 z m 2 r 2 x ( 3 5 ) la r y = 口r l r 切lr i y a m r ，i yj + 口r 2 r 肌2 r 2 r 再进行右试重转，原理同左试重转，可得方程组( 3 6 ) 。 f a 肼= 口l m l _ + 口上2 x ( ，行2 r 2 - 4 - a m r ，2 j ) i a 工r = 口工l y 。，竹1 1 y + 口正2 r k 2 r 2 y + a m r ，2 y ) l 爿蹦= 口r l x m l r t x + 口只2 x 切2 1 2 x + a m r ，2 xj ( 3 6 ) l a 旯y 2 a r i r m l r i r + a 月2 y 协2 r 2 y + a m r ，2 y ) 联立方程组( 3 4 ) ( 3 5 ) ( 3 6 ) 就可以解得各口的值。 标定好后的系统，只要将同型号的轮对在平衡机上测量得到一a l ，一a r 值，解方 程组( 3 4 ) 就可以得到左右轮对的不平衡量。 3 2 测量信号滤波原理： 回转物体上的不平衡量产生的离心力使得平衡机作有规律的振动，振动的物理 量如位移、速度或加速度经相应的传感器转换成电信号输出。假设传感器的输出信 号为2 q ： p o ) = e o + e s i n ( o j ，+ 伊) + e l s i n ( 国t + 妒，) + 一( r ) ( 3 7 ) i - 2 式中： e 。传感器输出的直流分量 e s i n 缸+ 妒) 基波分量，即待测的不平衡信号 三不平衡信号的幅值 妒不平衡信号的起始相角 脚相应工作转速下的角频率 n e s i n ( i a - t + 记) 传感器输出的各次谐波分量 i = 2 华中科技大学硕士学位论文 n ( f ) 随机信号，包括各种异频分量和噪声 【p 2 t g 西 熙：吾s i a 。o ：(310)。o k ( f ) = e s o ) f 7 j 击胁印咖一。 l 丽i 。e 。擅，c o s 础- o 。 华中科技大学硕士学位论文 l e = 击r q 。s i n 硝+ l c o s 纠皿s m & 肋 l = 鲁母r 蜘2 砌5 扣饱一尹 l b = 而1 r ( r , s i n 耐+ 1 , , c o s a f ) e ，c o s 砌 = 而e r , , r c o s 2 砌2 圭毋d s i n 妒 3 对于谐波分量 当1 m 胛_ 0 0 时。有： ( 3 1 2 ) 上r s i n i r r s i i l 耐：0 加o 上r c o s f 研s i n 科：0 ? 由 ( 3 1 3 ) 上r s i n f 耐c o s 耐：0 n t 4 上r c o s f 耐c o s 纠：0 其中i 为大于1 的正整数。因此，只要积分周期数远大于1 ，即积分求平均值的 时间很长，就能抑制掉所有的谐波分量。 4 对于异频分量和噪声 当l i r a n t 一时，有： 击j v r 一，妇耐( ，) 一。 击r 胛m r c o s 耐吨( f ) 哼o ( 3 1 4 ) 其中”o ) 随机信号，包括异频分量和噪声； t ( ，) 、t o ) 随机量。 随机量占的值取决于积分时间n t 和函数甩( f ) 的统计特性，并随n t 的增加而减 ，j 、。 由此可见，不平衡信号e ( t ) 与两路基波信号相关后，消除了e ( t ) 信号中所有的 直流分量、谐波分量，而且只要积分时间足够长，异频分量和噪声的影响也可以忽 略不计，所以最终可以得到基波的两个分量表达式： 2 l 华中科技大学硕士学位论文 p 毒 即m 肌毒，咖一 叫， l h = 志r 印) e r c o s o ) 础= 寺r 印，c 。s 础 。 图3 5 相关滤波式测量系统的输入输出 进行合成。这样，指示系统就可以直 接指示出不平衡信号的幅值和相位。 整个测量系统的信号输入、输出如图3 5 所示。 综合上述图3 5 相关滤波式测量 系统的输入、输出，我们不难看出， 上述平衡机测量系统的测量原理是以 相关滤波技术理论为基础的，其核心是一由乘法器和低通滤波器组成的相关滤波器。 将被测信号与基准信号相乘，被测信号中和基准信号同频的成分与基准信号相乘后 表现为直流分量，可以通过低通滤波器输出，其余成分在相乘后一概为低通滤波器 所摒阻。把互相正交的两路信号分别作为两个相关滤波器的基准信号，就可以取得 被测信号中与基准信号同频成分的幅值和相角( 相角是相对于基准信号而言) 。 3 3 测量的实现 如图3 6 ，本系统采用数字相关式滤波对从传感器测量的信号进行处理。其特点 是充分利用计算机的强大的计算能力，将测量的大部分工作通过计算机用软件来实 现。如图3 6 ，系统通过数据采集板将振动信号进行放大滤波及模数转换后放入计算 机内存内，剩余的处理工作如相乘，积分，平面分离，各种补偿，平均化处理，坐 标变化和矢量分解等则由系统软件来完成p o , 3 ”。 3 3 1 基频振动信号的分离计算 由上一节知，从传感器得到的振动不平衡信号的基波和直流分量、谐波分量、 异频分量和各种噪声项；而我们可以通过使传感器的输出信号e ( t ) 与两路与基波 同频的基准信号分别相乘，然后在基波的整数周期( 长时间) 内积分并求平均值， 这样即可得到基波分量的实部和虚部，而抑制其它所有分量。 即： 华中科技大学硕士学位论文 i 硬件实现i 软件买理i 一一： l 左传 l 砖淡l l j ：l 萎h 篓卜 皿 雠 l 感器 =蝈廿 面 慢岱 分 f 框 i 坐iie 离 一霎h ：2 瘴卜n i 换if ” 压习_ l 一一 l 右偌 一放大h 加 一 伺 l 感嚣 。袭i u 图3 6 数字相关式滤波器测量系统框图 击) 即i n 砌 = 击f 7e o + e - s i n 缸十p ) + 即n ( 妙t ) + 盯。归幽砌( 3 1 6 ) = 击r 胁i n 缸+ 矿) 一幽砌 = 1 ze , e c o s q ，1 r f 取 耻1 ，则耻击r e m 沁砌； 同理：i m = 击r s ( f ) c o s 础。 其中t 为轮对转一圈的周期，n 为周期数。 本系统采集数据的频率为每转4 0 0 次，从零角度开始采集数据：设采集到的数据为 p j f 2 3 华中科技大学硕士学位论文 卜孛4 0 劁心，忉0n 卜击c 。s ( 矧也 一 其中： 去。 abcde 图3 7 内存覆盖技术示意图 总和不能大于6 4 k e 3 ”，如果按照采集数据申请内存块，很可能会造成程序的运行失 败。如果将这些采集数据保存成文件，虽然可以实现，但由于这些数据只是用于计 算不平衡量的中间量，完全没有保存的必要。 本系统采用一种覆盖技术使采集数据与对数据的计算并行进行。如图3 7 ，首先 申请一个内存块，大小为每转采集点数( 即4 0 0 ) 的整数倍，本系统程序申请了2 0 0 0 个内存单元，将它分为5 个区。每块为4 0 0 个点，每采集一转，就会填满个区。 设置变量i ，j ，开始时i = j = 0 。测量时，每当一个内存区被填满时，那此区便可用 来进行计算，将i 加1 ，而进行数据计算时，要首先看j 是否小于i ，如果小于则对 j 对应的区的数据进行处理，处理完后，将j 加l ；如果等于( 注意，j 是不可能大 于i 的) ，则等待直到j 小于i 。而采集数据时，当填满一个数据区并对i 加l 后， 亦应查看i 是否等于j + 5 ，如果等于则停止采集数据直到下一个采集周期的到来，然 后重复上述操作；如果小于则正常采集数据并写入i 对应的内存区。总之，保证 j 一5 蔓j s j ，使采集数据采集数据的速度与加工数据的速度相匹配，既不会使有效 数据被覆盖掉，也不会用到非有效数据。 i ，j 与内存区的对应关系为： 将i ，j 除5 所得的余数即为对应的内存区的序号。 华中科技大学硕士学位论文 3 3 2 计算左右轮的不平衡量 当上述采集过程完成后，就可得到左右轮不平衡量所引起的基频振动信号( 即 公式3 4 中的4 ，a 。) 。利用上面的平面分离公式可以得到左右轮的不平衡量相位 角及大小。但是这需要已知轮对的影响系数。因此，在轮对动平衡测量以前应首先 进行平衡机的标定，从而求出轮对平衡机的影响系数。由于这四个影响系数对于同 一型号的轮对是恒定的，故而在轮对动平衡测量前只须标定一次即可，以后只要轮 对型号不变就可直接测量。 所有这些标定中得到的数据都保存到系统文件中，- 每次系统启动时，将会将这 些数据从磁盘中读出，然后利用平面分离公式将影响系数算出，置于内存变量中， 在轮对测量完成后，用于计算左右轮的不平衡量。 3 4 动平衡测量误差分析及改进方法 由于设计原理、测量部件、测量方法等方面的原因，系统存在测量误差。为提 高测量精度，本文对测量误差源进行分析并介绍系统所采用的改进方法。 3 4 1 动平衡测量误差源分析 动平衡测量的误差主要由以下因素造成： 1 、机械支承系统的非线性误差o l 。由于测量时是假定振动是线性的( 参见公 式3 2 ，3 3 ) ，即振动幅度与不平衡量的大小成正比，而事实却非如此。 2 、数字相关滤波器的误差。数字相关滤波的工作过程实质是对经数字离散化后 的自相关函数进行求和平均的过程。在数字的离散和求和平均的过程中都必然存在 误差。大致可分为两种：偏度误差和随机误差。偏度误差主要是由对连续信号进行 数字离散化时引起，也就是说，它是一种因模数转换器的比特数有限而引起的固定 误差。该误差的产生使测量结果偏离真值，测量值的数学期望并非真正的相关函数。 随机误差主要是在求和平均过程中出现的误差。因为数字相关是以有限的时间( n t ) 作为积分的平均时间，用这种时间平均去代替概率平均。因而其测量结果总是一随 机变量。相关滤波器总是拿这一随机变量去估计相关函数，因此两者必然存在误差， 这就是随机误差。 3 、驱动系统引起的误差。它主要由两方面原因引起：第，驱动不稳定，即， 驱动马达的振动使轮对转速不平稳：第二，万向联轴节本身的不平衡或是联轴节与 轮对轴颈不同心对测量产生的影响。 4 、传感器的影响。这包括传感器的质量、精度、稳定性和线形范围等。传感器 的精度是限制测量精度的重要因素：轮对测量时，其振动一定要在传感器的线形测 华中科技大学硕士学位论文 量范围之内，如果偏离，则会造成很大的测量误差；传感器的稳定性也是影响测量 精度的重要因素，当传感器老化，势必会影响平面分离的影响系数的改变，从而造 成测量的误差。 5 、静压轴承的油膜的影响p ”。本系统轮对是放在静压轴承上，在轴承与轮对轴 颈之间有一层油膜起润滑作用。轮对转动时会引起油膜的振动，摇架的振动与轮对 的振动会在振幅与相位角上有差别，从而影响动平衡的测量；而且轴承进油温度也 会对测量产生影响，这是因为油膜温度的改变会影响系统的参数而最终影响到平面 分离影响系数。在现场调试时，刚刚开机时进行动平衡测量，数值直处于缓慢变 化中，半小时后，当油温稳定后测量结果趋于稳定。从刚开机测量的数据到数据的 稳定，其最大漂移量可达几个g m 。 3 4 2 减小测量误差的改进方法 针对以上的各种误差源，本系统采用下面几种方法消除误差源，减小测量误差： i 、对于上文所提的第一类误差，由于它是由机器工作原理决定了的误差，在某 种意义上讲，这种误差是无法消除的。减小此类误差的办法只能是改进设计，或根