（机械电子工程专业论文）精密高速轴系振动和动平衡检测设备的设计.pdf

摘要 摘要 为了判断精密高速轴系是否合格或重新装配，保证精密轴系的精度和质量， 需要对轴系的振动和动平衡进行测试分析。动平衡的一般做法主要有两种：平衡 机法和现场动平衡法。现场动平衡技术以其方便、高效和低廉的特点取得了越来 越广泛的应用。 国内外目前所用的大部分动平衡仪器都是基于单片机技术的，因其主控芯片 性能和存储容量等的限制，系统功能的可扩展性有限，对于信号处理的大量数字 运算能力不强，动平衡的精度和速度不理想，可进行动平衡的转子转速范围窄。 为适应主轴装配质量要求中对动平衡的需要，提高测试精度，使人机界面更加友 好，本文将现场动平衡技术和数字信号处理等技术结合起来，开发了一套基于d s p 的轴系的振动和动平衡进行测试系统。 本论文首先对不平衡算法：刚性转子影响系数法以及基于d f t 的不平衡振幅、 相位提取算法作了详细归纳、阐述。在参考和借鉴国内外智能动平衡仪的基础上， 提出了采用d s p ( 数字信号处理器) 技术，以1 1 公司的t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7d s p 为平台， 开发轴系振动和动平衡测试系统。论文中对系统的主体电路结构、主控芯片的选 择、模拟量输入通道设计和a d 采样方法进行了详细的方案比较和论证；并给出 了振动信号预处理电路、a d 转换电路、通讯模块、按键电路和液晶电路等功能 模块的电路原理图。系统的软件设计遵循自顶向下的模块化设计思路。文中重点 分析了主程序的总体框架设计、转速测量程序设计、不平衡计算以及数据通讯程序 的设计。 整个系统能够对转子振动信号进行精确测量；对不平衡进行准确计算和实时显 示；并能通过r s 2 3 2 实现与p c 机的数据通讯。试验结果表明本系统设计达到了 预定技术指标，基于d s p 的轴系的振动和动平衡测试系统必将具有广阔的应用前 景。 关键词：动平衡，振动，d s p ，高速轴系 a b s t r a c t a b s t r a c t f o rj u d g i n gt h ep r e c i s ea n dh i 曲- s p e e da x e sw h e t h e rc o m p l i e dw i t has t a n d a r d ， m a k i n gs u r et h ea c c u r a c ya n dq u a l i t yo fi t , t h ev i b r a t i o na n dt h ed y n a m i cb a l a n c eo ft h e a x e sn e e d st oc a r r yo nt h et e s ta n a l y s i s t w ow a y so fd y n a m i cb a l a n c ec a nb eu s e d ： e q u i l i b r a t o ra n df i e l dd y n a m i cb a l a n c e t h ef i e l dd y n a m i cb a l a n c ei su s e dm o r ea n d m o r ew i d e l yb e c a u s eo fi t sc o n v e n i e n c e , h i g m ya c t i v ea n dl o wp r i c e a tt h ep r e s e n tt i m e ，m o s to fd y n a m i cb a l a n c ei n s t r u m e n t sa r eb a s e do nc h i pm i c r o c o m p u t e r , a sf o rp e r f o r m a n c ea n dc a p a b i l i t yo f m e m o r i z a t i o no fm a s t e rc o n t r o l sl u ga r e r e s t r i c t e d ，e x p a n d a b i l i t yo fs y s t e mf u n c t i o ni sl i m i t e d ，t h ea b i l i t yo fd e a l i n g 谢吐lv a s t s c a l ed a t aa b o u ts i g n a lp r o c e s s i n gi sn o tv e r yi n t e n s i v e ，a c c u r a c ya n ds p e e do fd y n a m i c b a l a n c ea l en o tv e r yi d e a l ，t h er a n g eo fr o t a t o r ss p e e di sn a r r o w i no r d e rt om e e tt h e q u a l i t yr e q u i r e m e n t so fs p i n d l ea s s e m b l y , t h en e e d so fb a l a n c i n ga n di n c r e a s et e s t i n g a c c u r a c ya n dm a k et h ei n t e r f a c eo fp e o p l ea n dm e c h a n i c sm o r ef r i e n d l y , t h ep a p e r c o m b i n ef i e l dd y n a m i cb a l a n c et e s t i n gt e c h n o l o g ya n d d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g t e c h n o l o g y , d e v e l o p ad y n a m i cb a l a n c ea n dv i b r a t i o nt e s t i n gs y s t e mb a s eo n d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ) t h ep a p e rf i r s te x p o u n d st h ec a l c u l a t i o no fi n f l u e n c ec o e f f i c i e n tm e t h o df o rr i g i d r o t o r r o t o ra n dv e c t o ri n f l u e n c ec o e 伍c i e n tm e t h o df o rf l e x i b l er o t o ra n dt h ec a l c u l a t i o n o fp h a s ef o rb a l a n c eb a s e d0 1 1d f ta n dd e v e l o p sh i g h - s p e x x tr o t o rv i b r a t i n gb a l a n c e t e s t i n gs y s t e mb yu t i l i z i n g d s pt m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 雒c o r ec h i pw h i l er e f e r r i n gt o i n t e l l i g e n tv i b r a t i n gb a l a n c ei n s t r u m e n t sh o m e a n da b r o a d t h em a i nc i r c u i ts t r u c t u r e 、c h i p sf o rc e n t r a lc o n t r o lc h o o s i n g 、i n p u tc h a n n e lo f s i m u l a t i o na m o u n t d e s i g n a n da i ) s a m p l i n g o ft h es y s t e ma r ec o m p a r e d , c h o i c e - m a k i n gm e t h o d sa n dd e s i g np r i n c i p l ef o rf u n c t i o nm o d u l a rs u c ha sr e f e r e n c e v i b r a t i o ns i g n a lp r e p r o c e s s i n gc k c u i t 、a dc o n v e r t e rc i r c u i t 、c o m m u n i c a t i o nm o d u l a r 、 k e y b o a r dc i r c u i ta n dl i q u i dc r y s t a lc i r c u i tp r e s e n t e di nt h ep a p e r t h es o f t w a r ed e v e l o p m e n tf o l l o w st o p - b o t t o md e s i g ni d e aofm o d u l a r i z a t i o nt h e p a p e rd e s i g n st h ec o l ep r o g r a mf r a m e ，m e a s u r i n gr o t a t i n gs p e e ds o f t w a r e ，u n b a l a n c i n g c a l c u l a t i o na n du n b a l a n c ep h a s ep r o g r a m ，d a t ac o m m u n i c a t i o n sp r o g r a m t h es y s t e m c a nm e a s u r e ，c a l c u l a t ea n dd e m o n s t r a t ev i b r a t i n gs i g n a l si nr e a lt i m e , a n dr e a l i z e d a t ac o m m u n i c a t i o nw i t hp ct h r o u g hr s 2 3 2 t h es y s t e mm e e t st h ep r e a r r a n g e d t e c h n i c a li n d e x ，a n dt h e r e f o r eh i g h s p e e ds p i n d l ev i b r a t i n gb a l a n c et e s t i n gs y s t e mb a s e d o nd s pw i l ls u r e l yb ew i d e l ya p p l i e d k e y w o r d s ：d y n a m i cb a l a n c e ，v i b r a t i o n , d s p , h i g hs p e e da x e s h i 独创性声明 本人声明所呈交的学位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。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 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 为获得电子科技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 确的说明并表示谢意。 签名： 鏖盘夔日期：2 8 年6 且，日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 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、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：盥导师签名： 日期：厶心年6 月t 1 日 第一章绪论 1 1 课题的目的、意义 第一章绪论 加工中心和数控机床是制造业的高精设备，其质量和水平是衡量一个国家制 造业水平的重要标志。由精密主轴部件装配而成的精密轴系是加工中心和数控机 床中十分重要的核心单元，需要通过设计、制造和装配共同保证精密轴系的精度 和质量。通常，精密轴系的质量控制体现在五个方面，即轴系的回转精度、主轴 系统的刚度、振动、动平衡和热位移，其中热位移问题需要通过机械结构和热力 学的有限元分析解决，而在主轴部件装配过程中，通过在线检测，前四个方面才 能得以体现，从而判定轴系是否合格或重新装配。 加工中心和数控机床的回转精度是指主轴锥孔表面径向跳动、轴向窜动和角 摆动量的大小，它是标志机床最主要的技术指标之一。回转精度取决于设计、制 造和装配水平，当主轴部件的零件精度确定之后，钳工装配技术成为影响机床回 转精度的主要因素。虽然在轴系装配时经常采用定向选配或角度选配的装配方法 以提高轴系精度，但还是需要高精度的在线检测手段。 机床主轴系统的刚度、振动和动平衡问题是轴系质量另外三大影响因素，决 定了主轴系统的设计状态与产品实际使用状态的差异，它们同回转精度一道，涉 及零件的设计、制造、装调和使用维护过程，呈现出非线性、随机性和耦合的复 杂关系，也只有在主轴部件的装配环节中才能体现出来，并且必须在装配过程中 进行准确测量，才能把好质量控制这一关。 目前国内许多机床制造企业在轴系装配工艺中，采用千分表加专用工具手动 检测回转精度、加载台半自动检测主轴刚性、动平衡试验机对轴系动平衡校准， 轴系的振动问题则缺乏有效的、可行的检测方法。检测项目分离、效率低、对人 员技术素质要求高，检测精度难以保证，缺乏制造装配过程的零件数据存储与分 析手段，而且现有方法中轴系检测状态与轴系实际工作状态不同步( 例如主轴检 测转速几十一几百r p m ，实际运行转速可以高达几千、上万r p m ) ，较难实际反映 轴系的装配质量。这些问题一直是困扰我国装备制造业的技术难题之一，切实提 高机床主轴系统装配环节的精度和质量，需要从技术和装配工艺入手加以解决。 精密主轴部件装配的在线质量控制关键技术的研究与开发，旨在解决精密主 电子科技大学硕十学位论文 轴部件在线装配现场的质量控制技术难题，对切实提高国内工艺装备重点制造企 业的核心竞争力，缩短我国重要加工设备与国外的技术差距，有着重要的现实意 义和应用价值。 本课题是在深入学习测控技术和信息处理技术的基础上，以d s p 控制器作为 控制和处理单元，对精密主轴部件装配的在线质量控制关键技术中的高速主轴部 件的振动和动平衡的测试技术进行研究。高速主轴部件的振动和动平衡的测试技 术结合了电子学、控制理论、信号处理理论和机械工程领域，是现代工业生产中 的一项重要技术，具有较高的经济效益和广阔的应用前景。 1 2 国内外技术现状与发展趋势 在加工中心和数控机床的科研、设计制造和应用方面，国际公认的技术和应 用大国当属美、德、日三国。例如著名的美国辛辛那提( c i n c i n n a t i ) 公司的数控 机床、哈斯( h a a s ) 公司和f a d a l 公司的加工中心；德国巨浪( c h 瓜o n ) 公司 立式加工中心、德马吉( d m g ) 公司的加工中心、西门子( s i m e n s ) 公司的数控 系统；日本的马扎克、大隈、森精机三大机床公司、东芝( t o s h i b a ) 公司的五轴 联动数控机床、法拉克( g ef a m ，c ) 公司的数控系统，此外还有瑞士的超高精度 加工中心和数控机床。1 9 9 8 年美国为振兴其制造业制订了“集成制造技术计划及 其路线图计划( i m t i 及帆) ，提出了包括信息、制造和产品创新三个方面 的六项策略，其中柔性化、可重构与分布式生产，智能化的工艺与装备成为两个 重要策略。至今美国在数控机床领域已经进入全面集成和完全的数字化制造阶段。 目前国外加工中心、数控机床的主轴精度达到2 l z m 以下，与之相比，国内加 工中心数控机床的主轴精度有较大的差距，这里既有设计上的原因，又有制造和 装配上的问题。国外机床行业的主要厂家都有严格的精密主轴装配质量检验标准 和技术手段，在轴系装配过程中的质量控制体系非常细化，检测手段先进，包括 非接触的光电磁电测量、激光测量，主轴刚性和热位移的有限元分析、振动模态 分析等。 英国雷尼绍( r e n i s h a w 公司) 的r x l 0 回转轴测量软件，利用激光干涉仪 和配套的基准回转分度器，对数控机床回转轴的角摆动误差进行测量，系统测量 精度为1 。，分辨率为0 0 1 。，基准回转分度装置的重复精度为0 2 。该测量系统精 度较高，技术成熟，但仅能检测角摆动误差，且每秒采样5 次的测量速度，难以 胜任高达6 0 0 0 r p m 工作转速的测量要求。 2 第一章绪论 美国本特利( b e n t l yn e v a d a ) 公司的5 0 0 0 系列和7 0 0 0 系列轴系检测系统仪 表，是汽轮机、离心式轴流式压缩机等大型转动设备的首选检测设备，我国石油、 化工行业的许多大型机组都纷纷采用了这类仪表，系统运用电涡流传感器测量轴 系振动和轴位移，适用于大型回转轴的多个检测点的状态监测。表1 1 为当前国外 振动分析仪比较。 德国h 豇l l e f - h i l l e 公司制定了组合机床多轴箱主轴回转精度的检验标准，精度 体系完整、要求较为严格，为我国钻镗类组合机床的标准制定起到了很好的借鉴 作用。 表1 - 1 当前国外振动分析仪比较 公司名称 主要仪器、装置 测量指标 缺点 测振仪v m 1 0振幅测量指标单一 瑞典 转速表t a c 1 0转速测量指标单一 s p m 公司 轴承分析仪b e a 5 2转速测量指标单一 脉冲震动仪s p m 2 1 3 a频率测量指标单一 轴承和齿轮监测及故障诊 丹麦断系统，包括测振和噪声测量通道数少、实时 b & k 公司分析仪器，主计算机和 振幅、频率测量 性差 诊断软件 f f f 实时分析系统( 应用 美国本特 各种传感器，尤其是电涡 流传感器) ，监视仪和数据振幅、频率、相位测量测量通道数少 利公司 处理装置组成的d d m 系统a d r e 系统 德国申克 模块化多通道监测系统 振幅、频率测量 测量通道数少、实时 公司 v i r o c o n t r o l 2 0 0 0 性差 目前我国机床行业已初步形成了几个知名品牌和大的企业集团，2 0 0 4 年出现 了销售额达到3 0 亿元以上的企业，例如沈阳机床、大连机床等。但是国内精密轴 系的许多关键性技术( 如回转误差、刚性、热变形、振动、噪音、精度补偿等) 没有从根本上解决；发展机床所需的基础技术和应用技术科研工作薄弱，制约了 赶超世界先进水平的步伐。清华大学、大连理工、东北大学、中科院计算所、自 动化所等国内著名高校、科研院所的机床技术研究领域的专家学者都做出了有益 的探索。 轴系回转精度的测量原理的方法上基本上是基于1 9 6 6 年日本学者青木保雄、 大园成夫提出的全部采用位移传感器的三点法n 1 ，为此国内相继在测点的布置、误 3 差分离方法、数据采集和软件系统等万【f i 做出了许多有益的探索和应用。上海理 l 一大学提出了基于l a b v i e w 的光电在线主轴测振技术。：兰州理工大学基于o + 的辅类零件智能检测软件系统，较好地解决了人机对话、数摄处理与数据管理等 问题。对于回转设备的现场动平衡方面，北京伊麦特科技有限公司推出e m t 3 7 0 现 场动平衡仪，如图1 一i 所示；北京时代龙城科技责任有限公司推出的l c 一8 1 0 现场 动平衡系统，图1 2 所示，都达到了非常高的实用化水平。 群刃 网 二二二：兰一： 根据2 0 0 5 年9 月2 8 号国务院通过的国务院关于加快振兴装备制造业的若 干意见，在国家发改委、科技部关于2 0 2 0 年国家中长期发展规划中，把数控机 床产业发展列为重点发展行业，走自主创新、提高数控机床技术水平成为“卜一 五”期间的重要方向。近年柬，我国数控机床在高速化、多轴化、复合化、精密 化方面进展很大，并联机构、复合化、多机能化、工程集约化已成为现代数控机 床技术新动向。据中国机床工具工业协会统计，2 0 0 5 年我国数控机床拥有量突破 6 0 0 0 0 台，2 0 0 6 年中国机床工具行业将步入稳定发展的车道，总产值和产品销售 收入将达到1 5 0 0 亿元人民币，相比2 0 0 5 年有1 5 左右的增长。根据国家发改委 2 0 0 4 年制定的数控机床发展专项规划要求，到2 0 1 0 年，国产数控机床占国内 市场需求的5 0 以上；功能部件配套齐全，自给率达6 0 ；有自主知识产权的数 控系统占数控机脒总产量的7 5 。 这一切充分说明，在加工中心和数控机床的科研、设计、制造和应用各个方 面，我国在引进和消化国外先进技术的同时，需要集中力量在数控机床装备制造 中实施重点科技攻关，突破其关键共性技术瓶颈。走自主创新的道路，掌握核心 第一章绪论 技术，形成自主知识产权，大力提高我国装备制造业的竞争力，是由制造大国迈 向制造强国的成功之路。 1 3 本论文的主要研究内容 本文的目的在于研制基于d s p 、用于精密高速轴系振动和动平衡检测的设备， 保证机床的主轴在装配过程中达到装配精度要求。其总体的结构框图如图1 3 所 示。 被测主轴 图1 - 3 振动和动平衡检测仪总体的结构框图 围绕这一目的，主要解决三方面的问题，一是高速精密轴系振动和动平衡检测 的理论原理问题；二是基于d s p 的硬件部分设计；三是系统的软件设计。 本文的主要工作： ( 1 ) 找到适合轴系振动测试方法、总结查询转子动平衡的相关理论h 1 。主要包 括动平衡时涉及的一些基本内容、刚性转子的各种平衡方法、对测试信号 的快速f f t 变换的处理。由于本系统采用影响系数法，因此对此法进行 了详尽的描述。 ( 2 ) 进行系统的硬件设计。本文中精密高速轴系振动和动平衡检测系统采用了 电子科技大学硕士学位论文 t i 公司的t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 芯片作为核心处理器，主要工作有以下几个方 面：包括振动信号处理电路、转速信号处理电路、振动信号a d 转换电路、 d s p 主控单元电路、键盘液晶显示电路、与工业控制计算机之间通讯传 输电路的设计。主要完成信号的预处理和采集，系统的操作和数据的显示。 ( 3 ) 进行系统的软件设计。采用模块化设计思想，包括振动分析模块、动平衡 分析模块、键盘显示器驱动模块、通讯传输模块。主要完成采集数据的分 析和处理。 6 第二章原理和理论部分 第二章原理和理论部分 振动的位移测试是进行动平衡的前提，根据前者的检测结果才能通过动平衡 模型计算出不平衡量。但是要得到不平衡量，还要对振动的测试数据进行采样处 理，通过信号处理中的快速f f t 变换a 能得到理想的结果。所以本章内容包括振 动测试原理，动平衡原理和快速f f t 变换原理三大部分。 2 1 振动测量技术 振动现象是物质在运动中产生的。当一个观察对象的某个质点( 包括固体的、 液体的和气体的) 离开其平衡位置作往复运动时，就产生了振动。振动信号分析与 数据处理的内容非常丰富，其基本内容包括基频检测、频谱分析、波形分析和数 据采集与处理。频谱分析的目的就是从频域分析总的振动中各种频率分量，以及 各频率分量随转速或负荷等因素的变化情况，它是进行振动诊断的重要依据。 2 1 1 振动研究的基本方法 振动系统最简单的振动形式是简谐振动，其波形是正弦或余弦曲线。实际的振 动通常要复杂得多，虽然它们绝大多数都是周期振动，但其波形却千差万别，远不 如正弦波那么简单。直接测量分析系统的动力学特性目前还难以实现，因此采用科 学研究的基本方法即分解个别处理合成的方法。首先将复杂的振动分解成 若干个简单的振动，然后对各成分分别进行计算，最后对各成分进行合成处理，只 要这三步都反映了振动的内在规律，那么合成的结果就能准确地表示实际振动的性 质。由于一个复杂的振动可以利用傅立叶级数展开成多个不同频率、不同幅值的简 谐振动，因此，简谐振动就是研究一切振动问题的基础凸1 。 2 1 1 1 简谐振动的特性 简谐运动是复杂运动的基本成分，它以时间为坐标轴的波形，可用正弦或余 弦函数表示； y = 彳c o s ( 2 斫+ 纠( 2 1 ) 式中：y 为振动体位移；a 为振幅，即位移最大值；( 2 矽+ 砂) 为振动相位角， 7 电子科技大学硕士学位论文 是一个确定系统瞬时状态的量；q 为初相位角，即t - - o 时的相位角；f 是振动频率， 即每秒振动的次数。 简谐运动具有如下特性： 1 当振动体的位移是简谐运动时，其速度、加速度亦为简谐运动； 2 速度、加速度的幅值分别为位移幅值的2 a f 和( 2 a - j ) 2 倍； 3 速度、加速度的相位比位移相位超前9 0 0 或1 8 0 0 ； 4 同方向具有同频率的简谐运动叠加，其合成运动仍为该频率的简谐运动： 不同频率简谐运动叠加，其合成运动不是简谐运动，但仍为周期振动。 2 1 1 2 振型的正交性 当系统以某一固有频率振动时，其振幅只取决于系统的物理参数而与其初始 状态无关，这决定了系统的振动形态，称为该固有频率下的振型。 正交性是振型最主要的基本性能。振动力学中一些基本的分析方法都建立在 振动具有正交性的基础上。振动的正交性是指系统的第i 阶振型的干扰只能激发 起第f 阶振型的振动而不能激发起第，阶振型u f ) 的振动。 对多自由度系统有： i n 个自由度系统有个固有频率w ，w 2 ，w ； 2 n 个自由度系统有个振型，分别称为第一阶、第二阶、ee 、第阶振型。 它们是互相正交的； 3 系统以第i 阶固有频率毗和第f 阶振型进行的自由振动称为第f 阶主振动， 主振动是简谐振动。一般情况下，系统的自由振动是个主振动的叠加，因而不 是简谐振动； 4 系统在外界干扰力作用下强迫振动的频率等于干扰力的频率，振幅与干扰 力的幅值成正比。 2 1 1 3 振动的类型及特征 振动可分为两类：一类是强迫振动，即引起振动的干扰力来自于外力，振动 是由外部的激励产生的；另一类是自激振动，这种振动是由振动本身的激励产生 的，通过运动本身，不断向振动系统馈送能量，运动停止时，产生振动的交变力 也就消失。自激振动时转轴的运动是频率不同的转动和涡动的合成，所以其波形 不是单纯的正弦波，而是相当于转动角速度和涡动角速度q 频率的正弦波的迭 加，前者称为基波，后者称为低频谐波。 8 第二章原理和理论部分 产生振动的原因及特征： 1 质量不平衡产生振动的主要特征是振动随转速发生变化，振动频率是工作频 率厂x ，转子启动时，振幅随转速的增大而增大，其相位在工作频率下保持稳定。 2 转子不对中除了引起径向振动外，还引起轴向振动。其径向激振频率除工作 频率厂x 外，主要以工作频率的二倍频2 厂，或四倍频铲。为主。振动振幅对转速变化 不敏感。 3 自激振动时转轴的运动是频率不同的转动和涡动的合成。转子的涡动，是指 转子不仅绕其轴线旋转，而且轴线本身还在空间缓慢回转。自激振动时其振动波 形不是单纯的正弦波，而是相当于转动角速度c o 和涡动角速臼频率的正弦波的迭 加，振幅随转速的增高而增大。其激振频率以1 2 工作频率o 5 厂x 为主，其相位角 总是周期性地增加或减少嘲。 2 1 2 振动测量的主要内容和研究方法 振动的测量是评价机器振动、进行振动分析和故障诊断的一种手段。从简谐 运动的表达式可看出，振幅、相位角和频率就是确定振动的三要素。因而高速精 密轴系振动的测量主要是指幅值、相位和频率的测量口，。 2 1 2 1 振幅的测量 振幅大小是衡量一个机器运行好坏的标志，是判断振动大小的依据。振幅的 测量可以使用速度传感器或涡流传感器，当使用速度传感器时其原理是由于振动 使传感器内部的线圈和永久磁铁产生相对运动而使线圈内有电压输出，对其进行 采样、处理后而得到振动幅值。 电涡流传感器的测量原理是当传感器头部线圈通上高频电流时，在线圈周围 产生一个高频电磁场，并在邻近的金属体表面产生感应电流即电涡流，该电涡流 产生的磁场与原线圈电磁场方向相反，使其阻抗发生变化，在其他条件不变化的 情况下可以认为该阻抗变化仅与金属导体间的间隙值有关，故当间隙电压调整好 后，即可根据所测得的电流大小，推算出间隙值。 由于涡流传感器检测到的交直流信号是迭加在线圈的高频电源上的，如果直 接将这种混频信号送到振动仪，其灵敏度就很低且易受干扰，因此必须通过检波、 放大和滤波后，再进行处理。 9 电子科技大学硕士学位论文 2 1 2 2 相位的测量 振动是一个矢量，因此要确切地表示它，不但要测量它的大小，而且还要测 量它的方向，在进行机器分析时，为了分析转子的振型和各转子问的相互影响， 必须测量相位，相位测量还可以区分基频振动分量和通频振动分量的大小，从而 判断转子的失衡情况，在分析旋转机械引起的振动或对转子进行动平衡时，振动 的相位与转子不平衡所在的角度位置有直接联系。只有正确测定振动相位，才能 进行有效的平衡，在一定意义上来说，此时相位的测定比幅值测定更为重要。在 振动测量中，其相位是针对某一基准信号而言的，即振动波形上某一点( 如高点或 由负到正的零点) 与转子某一基准信号之间的关系。 2 1 2 3 频率的测量 旋转机械的振动频率一般是工作频率、二倍频、高次倍频和1 1 2 工作频率。现 代大多采用实时的f f t 频谱分析法。 由于各种类型的振动都有其不同的频率特点，所以根据频谱测量可以区分出 振动的类型，找出产生振动的主频率和各种频率分量，从而分析机器的故障。 2 1 2 4 振动信号的分析方法 可以采用频谱分析法。频谱分析目前是用快速傅立叶变换( f f t ) 来实现的，因 此又称为f f t 分析法。频谱图是用频谱分析法提取诊断信息的一种表达方式，在 振动诊断中常用到的是幅值谱和相位谱。 设黝为振动信号顶力的傅氏变换 x = r 础) e - j 2 v d t ( 2 - 2 ) 一般情况下砌为一复变函数，令 x = u ( 门+ i v o c ) = i x ( f ) e 州门( 2 3 ) 则有 i x ( 门l = u 2 ( 力+ y 2 ( 2 4 ) 酊) = a r c t g 器 ( 2 - 5 ) 其中嘞l 称为幅值谱，它表示各频率成分的幅值大小在频率轴的分布状况。驴 称为相位谱，它表示信号中各频率成分的相位在频率轴的相对关系。 幅值谱可以提供以下的诊断信息： 1 振动信号中主要由哪些频率成分及谐波分量所组成； 1 0 第二章原理和理论部分 2 组成的谐波分量中哪些成分的幅值最为突出，这提示着和缺陷及故障的某 种关系。 相位谱可以提供缺陷及故障发生的位置。 频谱分析即从频谱图中提取有关的诊断信息，它是故障诊断的基本手段之一。 频谱图提供的最基本的信息是谱峰的高低以及频率特征。不同频率的谱峰反映了 不同性质和类型的故障。 2 1 3 高速精密轴系的振动测量 主轴振动的测量主要是测量主轴前后端轴承的振动，目前常用涡流式位移传 感器来测量轴振动相对位移或者加速度传感器来测量轴振动的频率。 2 1 3 1 测量参数 轴振动位移测量的参数是振动位移，测量单位是微米。对于轴振动测量有两 种型式： 绝对位移转轴相对于某一固定惯性参照系的振动位移。 相对位移转轴相对于某一构件，如相对于轴承座或者机壳的相对振动位 移。 在垂直于轴线的同一平面内，径向互成9 0 0 设置两个传感器可测得轴心轨迹， 相应振动位移定义如下： 疋】，为固定参考坐标轴线；d 为轨迹按时间积分平均位置；k 为轴中心瞬时 位置；p 为离d 点位移最大的轴心位置；s m , _ e 为在方向爿轴位移峰峰值；鼽p 为 在方向口轴位移峰峰值；岛、岛似为在方向彳，占上轴位移瞬时值；剐为轴心 轨迹瞬时值；s m a x 为在轴心轨迹上轴位移的最大值；s p - p m a x 为在轴心轨迹上轴 位移的最大峰峰。 s ( f ) = x s 2 a ( t ) + s ；( t ) ( 2 6 ) s 一= m a x s ( o ( 2 - 7 ) 目前轴振动测量量s p - p m a x 或s m a x 值可以用仪器来测量，s p - p m a x 用示波器 从轨迹图上测量，但误差较大 2 1 3 2 测量类型 轴振动测量包括相对振动测量和绝对振动测量两类。 电子科技大学硕士学位论文 相对振动测量使用非接触式传感器( 电容式，电感式或电涡流式) 测量轴相对 于机器某一构件的位移变化。 绝对振动测量有两种方法。其一是用骑轴式传感器( 在骑轴结构上径向安装一 个惯性式传感器速度型或加速度型) 直接同轴相接触来测量绝对振动。另一 方法是一个惯性传感器和一个非接触传感器联用，二者紧挨着安装，以便在测量 方向上能承受相同的绝对振动，用二者的适调输出矢量和来测量轴绝对振动。 目前国内外常用轴相对振动测量。 2 1 2 4 轴振动评价准则 轴振动用测量量s p - p m a x 或s m a x 进行评价。但s p - p m a x 值难以测量， i s 0 7 9 1 9 1 1 9 8 6 ( e ) 标准采用下面三个公式近似计算t 方法a ：令昂一p 一= s 仙2 一p + s i p 一，当轴心轨迹为圆时公式值偏大4 0 ，轨 迹趋于扁平误差逐渐减小。 方法b ：令趾，一= m a x s a , _ 尸，跣p i ，当轴心轨迹为4 5 。斜线时公式值偏小 3 0 ，轨迹趋于圆形误差逐渐减小，为圆时误差为零。 方法c ：用仪器测量s k 甜，令昂册田r _ 2 岛甜，要用昂p m 4 。值来评价，对仪器则 要求有测量s a , _ e ，s b p - p 或者品甜测量量的功能。测量要求在通频带进行，使机器 的所有振动频谱都包括在其中。 2 1 2 5 振动频率的测量 y 图2 - 1 振频测量 1 2 第二章原理和理论部分 振动频率的测量原理与振动位移的测量原理基本相同。将测量轴振动位移的 加速度传感器换成测量振动频率的加速度传感器，加速度传感器的位置御置仍 然为9 0 。正交布置，轴振动频率测量的参数是振动加速度。 如图2 1 ，在垂直于轴线的同一平面内，径向互成9 0 。设置两个传感器，；两 个传感器分别测量五y 方向的轴振动加速度。 e 即为在z 轴方向上振动加速度峰峰值；e 卿为在】，轴方向上振动加速度峰 峰值；f x ( o ，以d 为在五y 轴方向上轴振动加速度瞬时值；，( f ) 为轴振动加速度瞬 时值；，为轴振动加速度的最大值。 厂= _ 一 ，( f ) = ( f ) + ( f ) ( 2 - 8 ) ，二= l ，( f ) | ( 2 9 ) 根据测量，我们可以得到轴振动加速度的时间函数f ( 0 ，再将r 煅与主轴振 动频率评定标准进行比较，来评估该主轴的振动是否符合要求。 2 2 轴系动平衡相关理论 转子动平衡技术的发展大致经历了刚性转子动平衡技术和挠性转子动平衡技 术两个发展阶段。刚性转子动平衡技术限于低于一阶临界速，单面或双校正面转 子平衡，但随着现代工业的不断发展，转子逐渐向高速和重载方向发展，许多转 子被设计在高于其一阶甚至二阶临界转速上运行。为了针对该类型高速转子的平 衡技术，产生了挠性转子动平衡技术。挠性转子动平衡技术基本上可以归纳为两 大类：模态平衡法和影响系数法，模态平衡法的研究始于1 9 5 4 年，m e l d a l 阳1 首次 利用转子模态响应的正交性提出转子前三阶模态平衡步骤，从而为模态平提供了 根本的理论依据。此后，b i s h o p 和p a r k i n s o n 阻1 有关模态平衡法的研究成果与m e l d a l 的理论被公认为是模态平衡法理论与事件的基础。挠性转子影响系数法的基本思 想始于二十世纪6 0 年代初，由e i h a d i 提出并经g o o d m a n 加以扩展，引入了最小 二乘及加权最小二乘法，形成了多测点、多转速的平衡方法。为了克服采用模态 平衡法必须首先对转子的模态振型有先验性了解，以及为了克服影响系数法起停 机次数过多。p a r k i n s o n 和d a r l o w 在二十世纪八十年代初，提出一种新的基于模态 振型平衡法和影响系数法的挠性转子动平衡方法一混合平衡法。它基于影响系数 法，利用模态平衡法中振型分离的特点，更加完善挠性转子动平衡技术u 叫。 1 3 电子科技大学硕士学位论文 2 2 1 轴系转子动力学分析 高速主轴一般以角接触球轴承作为轴系的支承，如图2 2 所示。 对于以角接触球轴承作为支承的高速主轴的转子轴承系统，转轴作为挠性梁， 轴上零件按附加质量处理。根据梁力学分析的有限元法，可得转子轴承系统的动力 学方程1 。 图2 2 支承 【圈) + q + 嗍m ) = ( 2 - 1 0 ) 式中旧是轴系刚度集合矩阵嗍是轴系质量集合矩阵，【q 是轴系阻尼 集合矩阵，) 是轴系节点位移列向量) 是轴系节点速度列向量，) 是轴系节点加速度列向量，是轴系节点外载荷列向量。上述各集合矩阵 中，分别包括角接触球轴承对转轴的支承刚度以及轴承阻尼和轴承内圈质量 对轴系动力学特性的影响。轴系的自由振动方程： 阍) + c 】) + 嗍髑) = 0( 2 - i f ) 求解方程( 2 1 0 ) 的特征值和特征向量，即可求得轴系的各阶固有频率和振型。再利用 振型叠加法，求得轴系对外力的位移响应。 临界转速是与系统的质量和刚度有关而与系统受到外界激励等条件无关的系 统本身固有的频率n 引。当外界激振频率与系统的固有频率相同时会发生共振。当 不考虑回转效应和工作环境等因素时，回转体的l 临界转速在数值上与其横向振动的 固有频率相同。设某回转体的临界转速为n c ( r r n i n ) ，而其横向振动的固有频率 。( r a d s ) ，则有： n ：- 3 0 h r x ( 2 - 1 2 ) 通过研究影响机械临界转速的各个因素，可以实现对临界转速的调整，从而有 1 4 第二章原理和理论部分 目的地使工作转速避开临界转速，达到防治共振灾害的目的，使机械系统能够稳定 安全运行。 2 2 2 轴系转子动平衡分析 当转子质量分布均匀、安装良好的情况下，运行是平稳的。在理想的情况下， 转子对支承的压力，除重力外别无它力，即转动和不转动时一样，只有静压力。当转子 的质量分布不均匀、安装不正确时，转子的中心惯性主轴和旋转主轴不重合，在高速 旋转的时候，就会产生惯性离心力和离心力偶，在支承上造成额外的转动载荷( 即动 载荷) ，则称之为不平衡转子。不平衡转子在支承上造成的动载荷，不仅会引起整个 旋转机械的振动，产生噪音，加速轴承的磨损，造成转子部分高频疲劳破坏和支承部 分的某些部件强迫振动损坏，降低旋转机械的寿命，甚至会使整个机器控制失灵，发 生严重事故。 2 2 2 1 双面平衡的力学依据 在旋转机械中，若转子的质心与旋转轴不重合，就存在不平衡，旋转的转子 就受到离心力，d 的作用： f o = m e c 0 2 = , c 0 2 ( 2 13 ) 式中m 为不平衡质量，堙；e 为偏心距，历；0 2 为角频率，r a d s ；“为不平衡 量。那么离心力在水平和垂直方向的分量分别为： 厂f h = m e o j 2 s i n ( f 9 0 0 ) 1 ( 2 - 1 4 ) lf 产m e c o zs i n f 由于各偏心大小不等，所以其向径的位置也是各异。把这些不平衡矢量记作 “o ) ，当转子以角速度旋转时，便形成了一个分布的离心惯性力系用砂= c 0 2 u ( s ) 。， 引起转子和支承组成的系统发生强迫振动。若此离心惯性力系可以简化为一个合 力，则称相应转子具有静不平衡：若可以向质心简化成一个力偶，则称对应转子具 有动不平衡。 u ( s ) = m ( s ) e ( s ) = f u ( s ) e 把o ) | ( 2 15 ) 式中i ”( s ) i 和口( j ) 分别为“的模与复角。偏心分布p 例、不平衡量分布“ 和离心惯性力系c o ? ”御都是固定不变的。 电子科技大学硕士学位论文 若使转子达到理想平衡，必须沿转子轴向加上分布的校正质量，以纠f 每一 薄片的偏心，最后达到e 例= d 。但转子不平衡量“例一般是任意和随机的，达到理 想平衡的要求是不现实的。实际的平衡过程是根据在不平衡离心力激励下转于挠 曲和轴承振动的特点，人为的在转子一定的轴向或周向位置上加上一些质量，这 些质量称为校正质量，从而使校正质量所激发的振动与原始不平衡所产生的振动 相互抵消，最终达到平衡转子、减小振动的目的n3 1 。 设有不平衡的刚性转子m 绕定轴z 作匀速转动，如下图2 3 所示可将此转子 理解为由若干个偏心薄圆盘所组成，各圆盘均产生一个惯性力即乃，既彳，r 组成一 个空间惯性力系。假定转子的左右两端面作为校正平面，将每个惯性力r 都分解 为通过彳，曰两点的平行力。 耳= 竽霉 萨等霉 ( 作用于a 点的端面上) ( 作用于b 点的端面上) ( 2 1 6 ) ( 2 - 1 7 ) 图2 - 3 两回平衡原理 式( 2 1 6 ) ( 2 1 7 ) 中，为转子左右两个端面间的距离，厶为第f 个惯性力至左端面间的距 离。同理把每个惯性力都如此分解，在左、右两个端面上各得到一个平面汇交力 系，分别以彳、召两点为汇交点的合力为瓦和死它们和转子的所有惯性力是等 效的。因此，如果在左、右两个端面( 或任意指定的校正平面) 上进行校正，适 当地加重或去重便可消去瓦和瓦使转子得到平衡。 瓦= 耳，瓦= 刀 ( 2 1