（化工过程机械专业论文）微速差双转子系统智能化整机动平衡仪的开发与研究.pdf

塑坚盔堂攫主堂垡鲨塞 摘要 f 微速差双转子系统的不平衡振动信号是个拍振，如何从复杂的拍振信号 中，分离出内、外转子各自的不平衡量，一直是该类转子动平衡的难点纱本 文深入研究了微速差双转子系统不解拍整机动平衡原理和方法；( 详细讨论了 智能化双转子动平衡仪的软、硬件开发；并用开发成功的双转予动平衡仪对 w l 一3 5 0 型卧螺离心机进行了动平衡实验。1 通过本课题的研究，取得了以下 一些具有创造性的成果： 1 研究发现微速差双转子系统内、外转子不平衡量之间的相互影响很小， 因此可以对内转子两次试重，从左右轴承座上获得4 个对应于内转亍握麴值； 对外转子两次试重，从左右轴承座上获得4 个对应于外转子振动值，即通过 四次试重，获得8 个振动值，8 个影响系数，就可解决该类转予的动平衡问 题。电影响系数法使该类转子的动平衡问题得到了简化，又能保证获得足够 的动平衡精度，具有十分重要的工程价值。寸 2 本文从不解拍接机动平衡原理出发，在详细讨论基准信号、拍振信号 的提取；转速的测量：拍峰、拍谷的捕捉；不平衡相位的求法、特殊相位角 的处理：内、外转子幅值的确定等关键问题的基础上，应用信号处理技术和 单片机技术研制成功国内第一台性能稳定、操作简单、成本低廉且平衡速度 快，平衡精度高的便携式微速差双转子现场整狃智能动平衡仪。该仪器已在 实际双转子机组上进行了整机动平衡，取得了十分满意的效果。弋 ， 3 提出并成功的实践了内、外转子同时平衡的方法。内、外转子同时配 重平衡法只需要开机3 次( 第一次测量原始振动：第二次对内、外转子同时 加左试重并测振动：第三次对内、外转子同时加右试重并测试重) 即可同时 完成内、外转子的平衡，而内、外转子单独平衡需开机6 次。溪践证明该法 开机次数少，平衡效率高，具有十分重要的工程应用价值。心 ，、 4 针对目前在役卧螺离心机的内转子没有预留可装拆的配重处的问题， 本文提出了在外转子上试重进行平衡再换算到内转子校正面上的平衡方法， ( 此方法在理论上已得到充分的论证，在可行性方面己得到了有关企业高级技 术人员的认可一 、传键词，双转子 智能化整机平衡仪器 a b s t r a c t u n b a l a n c e dv i b r a t i o n s i g n a l o fd o u b l e - s h a f t r o t a t i n gs y s t e m w i t hl i t t l e r o t a t i n g s p e e dd i f f e r e n c ei s ac o m p o s i t es i g n a lc a l l e d “b e a t ”，h o wt os e p a r a t et w or o t o r s u n b a l a n c e dw e i g h tf r o m “b e a t ”i st h ek e yo fb a l a n c i n gf o rt h i sr o t a t i n gs y s t e m o nt h eb a s i s o fs t u d y i n gt h ew h o l em a c h i n eb a l a n c i n gp r i n c i p l ea n dm e t h o df o rd u a l - r o t o rs y s t e m sw i t h l i t t l e r o t a t i n gs p e e dd i f f e r e n c e ，t h i sp a p e rd i s c u s st h ed e s i g no f t h ei n t e l l e c t u a lb a l a n c i n g i n s t r u m e n ti nd e t a i lf r o mt h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r e ，t h e nw ec o n d u c t e dt h ei n s t r u m e n to na h o r i z o n t a ld e c a n t e rc e n t r i f u g e ，w l 3 5 0 ，i nt h el a b o r a t o r ya n dg a i n e das a t i s f a c t o r yr e s u l t s o m ei m p o r t a n ta n dc r e a t i v ec o n c l u s i o n sa r ea c h i e v e df r o ms t u d ya sf o l l o w ： 1 t h r o u g hal o to fe x p e r i m e n t s ，w ef i n do u tt h ee f f e c tb e t w e e nt w or o t o r s u n b a l a n c e d v i b r a t i o n si sw e a k ，s ow ec a l lg e tf o u ri n n e rr o t o r sa m p l i t u d ev a l u ef r o ml e f ta n dr i g h t b e a r i n g sb yt r i a l w e i g h tt w i c e ，a n dg e tf o u re x t e r n a lr o t o r sa m p l i t u d ev a l u ef r o ml e f ta n d r i g h tb e a r i n g sb yt r i a l - w e i g h tt w i c e i ti ss a i dt h a tw h e ng e te i g h ta m p l i t u d ev a l u ea n d e f f e c t c o e f f i c i e n t b yt r i a l - w e i g h t f o u rt i m e s ，w ec a nd e a lw i t hw h o l em a c h i n eb a l a n c i n gf o r d u a l - r o t o rs y s t e mw i t hl i t t l er o t a t i n gs p e e dd i f f e r e n c e t h ee i g h te f f e c tc o e f f i c i e n tm e t h o dc a n g e th i g hb a l a n c i n gp r e c i s i o na n ds i m p l i f yt h eb a l a n c i n go f t h i sr o t o rs y s t e m ，s oi th a sg r e a t a p p l i c a t i o np r o s p e c t 2 ，f i r s t l yt h i sp a p e ri n t r o d u c et h ew h o l em a c h i n eb a l a n c i n gp r i n c i p l ea n dm e t h o df o r d u a l r o t o rs y s t e m sw i t hl i t t l er o t a t i n gs p e e dd i f f e r e n c ef i r s t l y , t h e nd i s c u s sk e yp o i n t ss u c ha s p i c k i n gu pb a s es i g n a l ，p i c k i n gu p ”p a l ”s i g n a l ，m e a s u r i n gr o t o rs p e e d ，c a p t u r i n g t h ev a l u e o fw a v ec r e s ta n dt h r o u g h ，c a l c u l a t i n gt h ep h a s ev a l u e so fu n b a l a n c e dw e i g h t ，p r o c e s s i n go d d p h a s e sa n df i n d i n ge a c hr o t o r sa m p l i t u d e o nt h ef o u n d a t i o no f a b o v et h e o r i e s ，u s i n gs i g n a l p r o c e s st e c h n i q u ea n dc h i pm i c r o p r o c e s s o r st e c h n i q u e ，w ed e v e l o p e dap o r t a b l ei n t e l l e c t u a l i n s t r u m e n t ，t h ef i r s td o m e s t i cd e v i c e w h i c hc a nb a l a n c ed u a l - r o t o rs y s t e mw i t hl i t t l er o t a t i n g s p e e dd i f f e r e n c eq u i c k l ya n da c c u r a t e l y i ti sa l s oc h a r a c t e r i z e dw i t hi t ss t a b i l i t y ，l o wc o s ta n d s i m p l eo p e r a t i o n w ec o n d u c t e dt h ei n s t r u m e n to nt w o - r o t o rs y s t e ma n dg a i n e das a t i s f a c t o r y r e s u l t 3 p u tf o r w a r da n dt e s tt h em e t h o do fb a l a n c i n gt w or o t o r so ft h eh o r i z o n t a ld e c a n t e r c e n t r i f u g es i m u l t a n e o u s l y i nt h i sm e t h o d ，t ob a l a n c ei n n e ra n de x t e r n a lr o t o r sa tt h es a m e t i m e ，t h em a c h i n eo n l yn e e db e s t a r t e dt h r e et i m e s ( o n ef o rm e a s u r et h er o t o r s o r i g i n a l v i b r a t i o n ，t h eo t h e rf o rm e a s u r et h er o t o r s v i b r a t i o n a f t e ri n n e ra n de x t e m a lr o t o rw i t h l e f t - t r i a l - w e i g h ts i m u l t a n e o u s l y , a n o t h e r f o rm e a s u r et h er o t o r s v i b r a t i o na f t e ri n n e ra n d e x t e r n a lr o t o rw i t hr i g h t - t r i a l w e i g h t ) h o w e v e r , i fb a l a n c er o t o ri n d i v i d u a l l y , w es h o u l ds t a r t t h em a c h i n es i xt i m e s t h i sm e t h o dc a l ld e c r e a s et h et i m e so fs t a r t i n gm a c h i n ea n di m p r o v e w o r ke f f i c i e n c y , s oi th a sg r e a ta p p l i c a t i o np r o s p e c t 4 i na c c o r d a n c ew i t ht h ed i f f i c u l tp r o b l e mo ft r i a l - w e i g h to nt h eu s i n gh o r i z o n t a l d e c a n t e rc e n t r i f u g e s ，t h i sp a p e r b r i n gf o r w a r dam e t h o d t og a i nt h ei n n e ru n b a l a n c e dw e i g h t t h r o u g ha d d i n gt r i a l - w e i g h to n t h ee x t e r n a lr o t o r w eh a v ed i s c u s s e dt h et h e o r yo f t h i sm e t h o d i nd e t a i la n dt h ef e a s i b i l i t yo ft h i sm e t h o dh a v eb e e na c c e p t e db yt h eh i g h - g r a d et e c h n i c i a ni n s o m ef a c t o r y k e y w o r d d u a lr o t o r s i n t e l t e c t u a l i z e w h o l em a c h i n eb a l a n c i n g i n s t r u m e n t 浙江人。学膊 第一章绪论 1 1 课题的来源与意义 微小速差的双转子系统在j d 比用螺旋卸料沉降离心机和航空发动机【 _ i 均 得剑了“泛的应用。例如，已j 泛地应川f 石汕、化工、冶会、选矿、食拈、 轻：i ：、能源、建筑、交通、制约和，+ 物技术等i 刈k 部r j 的：式和卧螺旋卸 料沉降离心机【。 ”，r 其具有能自动连续操作、分离数滔、刈物料适j 、v 。h 强、结构紧凑、单j ! t v t - j “：能力人以及坼位产蝌牦l l _ i b 较少等系列优j 划”， | i 成为口丽幽内外应j l j 圾j “年【l 垃计时途的分离机械之。特 ；| j 是近年来随0 j ： 人类对卅i 保的越来越重视，污泥和污水的处理缝越米越人，这类离心机的优 点也越来越突出1 6 i i j 。 具有微小_ i 5 l i 差的双转r 系统稿：使 i j 中存往的4 个突 “问题址内、外转r 的小平衡会引起机组的强烈的拍振，筹小多有、卜数以l ：运 j 二t f l 的机纠受剑_ r 此炎振动的姒烈川扰。f i ，卜衡，j 越的振动，尢沦址刈航夺发动机还址刈蚓旋 卸料沉降离心机来说都足极为有害的，它将使机器的零部件受剑附加的动找 倚，明显地加速机器运动付的磨损，缩短机器的使用寿命。因而不少机器小 得不降低负荷使j 爿，从i f | j 给生，。带米了严重的影响，造成了臣大的经济损失。 另外机组振动产生的i 鬃声，还会严重地污染刷的一j ：作环境 1 2 1 5 】。引起机绷l 振动的原凶很多，如轴承磨损、转予不对中、加料不均匀等，但生要还是小 转子不平衡引起的。微速差双转子系统在生产过程中，虽然对内、外转予分 别往动平衡机j ：进f ? 仔身f i 的r 岂、 ，衡，但实际运f 川n 其煅机的f i 、f 衡振r 山 还足很入，其上婴原堋是： ( 1 ) n 生产过程i ，先刈内、外转r 分别码! 动、卜衡机j ：进 j ：一p 体| ，衡 校i i ( 渺1 艺、f ，衡) ，当完成整机装配后不时作懿机动一、i 衡。j ：戏转r 系 统的组装环1 ，比较多，轴承梢度、裟配累影 洪麓以及内、外转r 的残余小、i 衡l 最都会造成在动、f 衡机卜达到的f 衡梢度，祉实际装配支承条件i p 叫i 叫 牡f 降。喇此要挺商此炎转r 系统的产品质帑，必须仡列1 1 ；进行i 艺s 卜衢的 j i l ：f ：i l t l 上“对j 进 r 丝机、l ，衡1 1 6 “9 i ： ( 2 ) 经过仃细平衡的此类双转r 系统的两个转了，征l ：作段时m 第一章绪论 后。d j j 于腐蚀、磨损和变形( 如螺旋卸料离心机的作为内转予的螺旋输送器， 媾螺旋足由溥铡板卷焊而成并且没仃进行焊后热处理，掣0 接应力会造成j e 红 使用过程中的不断变形。) 等原凶，仍会产生新的失衡。为减小振动，延k 机器的使用寿命，必须对机组进行维修。为降低维修赞用，希望能在现场刈 维修后的机器直接进行整机动平衡。 从以上两点分析来看，无论从生，“厂家，还是使，h 厂家的角发米讲，为 减d , j l 组的振动，都要求能对微速差双转子系统进行现场整机动平衡。所消 现场整机动平衡是指在不拆卸转子的情况下，在工作转速下直接对转予进行 、卜衡的方法【2 0 - - 2 2 1 。目f j 刑单转予系统的现场整 j l s f 衡问题研究的比较多技 术也比较成熟【2 3 五8 1 ，市场上也衙世了多种针对单转子系统的现场牝机动、i ，| 衡 仪：但针对双转了鹄机动平衡原理、方法和仪器的研究上f j 相对很少，卜篮凶 为存在以下两个难点： ( 1 ) 如何从拍振中有效地识别内、外转子各自的不平衡响应? 山于转于系统的不平衡振动为i 蛔显的拍振( 由频率十分接近的两个1 ； 平衡振动分量构成) ，很难将内、外转子各自的不衡矢量有效地识别歼来。 ( 2 ) 何考虑内、外转子不平衡振动之问的相互影响? 尽管内、外转予产生的振动分别是由内、外转子存在的不平衡引起的， 仍严格地来说内、外转子各自不平衡产，卜的振动，不会相互之岍一点都没 仃影响，但到底影i 响有多人? 也就足说在实王见整机，卜撕时，究竟应使川8 个 影响系数还是1 6 个影响系数。 近几年来，许多学者对这两个问题进行了一些研究，也对此类转予的整 机动平衡进行了不少尝试，但效果都不是太理想 2 9 - 3 8 l 。为此，从原理和方法 l ：研究评| j 能对内、外子均能实施擀机平衡，义和原理和技术i ：更为先j ：上， 操作上更加方便，侄制造成本上更易二为广火用户所接受的新型微速羞烈转 f 现场智能整机动平衡仪就显得尤为必要了。本课题就是住这种背景下捉 ； 的，旦仪器研制成功必将产生明显的经济效益和社会效髓。 1 2 微速差双转子系统整机动平衡技术的研究现状 舣转予系统的典型例子是螺旋卸料沉降离心机。它由速差很小的转鼓和 螺旋组合而成的同轴双转子系统。关于微速差的同轴式双转予系统，人们在 它的动力特性、力学模型简化和临界转速的计算方面过去和现在都作了l ：多 浙江人学博士学何论文 的研究工作，对它的力学特性有了基本的认识口9 州1 ：但作为实用的双转子动 平衡技术的研究，却相对的很少。下面以卧螺卸料沉降离心机为例，介绍 卜【：1 4 内外微速差双转予系统整机动平衡技术的研究现状。 1 2 1 国外研究现状 到目前为止，在国外有关文献资料上，尚未见在解决微速差转予系统因 失，衡而引起的振动问题上有什么新的方法和见解。以螺旋卸料沉降离心机为 例，国外生产厂家很少对该类双转子离心机进行整机平衡，而大多数是以在 生产过程中提高制造精度和装配工艺等方法米保证憋机动平撕精度的。掘我 因机电部组团赴幽外对l | ； 旋卸料沉降离心机的考察以及刈此类进i 二l 机的分 析。发现f 1 奉和德国生产：的卧螺离心机。同国产：同类机艟i 比，其最火的特j _ 是具有相当高的加工精度和装配精度，例如转r 同带有支承轴的法兰之问， 通常采用高精度的微过盈配合，从而使在平衡机上平衡时达到的平衡精度州 实际运行状态下的平衡精度比较接近。而相比之下，由于国产卧螺离心机，1 i 可能达到如此高的加工和装配精度，以致会造成在动平衡机上已达的高的平 衡精度，在实际装配、支承和运行条件“卜，发生i 刿显的下降。这赴心产：t l i k 螺 离心机同国际上工业发达国家生j 2 的同类机的主要差距之一【4 5 】，是旧广：i 卧螺 离心机升：平衡振动故障远远高j 二进机的根源所在，也魁删外对此炎微迷弦 的双转予整机动平衡技术研究棚刈较少的主要原凶。 1 2 2 国内研究现状 随着我国微速差双转子系统应用领域的不断扩大，特别是螺旋卸料沉降 离心机国产化进程的加快，此类舣转予系统4 i ，f 衡振动问题也h 鼯突f ：【 。为 了减小卧螺离心机因刁i 1 f 衡引起的振动，近j l f l - 来国内一些学者在微迷差舣 转予的动平衡方面作了一些研究t 作，并提出了多种动平衡方法。比较典掣 的有以下几种。 ( 一) 简易测试法 文献【2 9 】中提到，安庆船j j 柴汕一进行的l w b 4 0 0 型卧虫累离心机的整机动 3 f 衡实验中，认为其振动足山两个频率不同的简谐振动合成的拍振。他们抛 出用相关滤波原理提取并分离拍振中的单一转子的振动向应，但山于不具备 第一章绪论 先进的频谱分析仪、可调频滤波器以及积分振动仪等测试仪器，故只能用简 单的试验仪器提取拍振中单转子的振动响应来进行试验工作。其实验1 ：作 是任卧螺离心机试车台上进行的，试验采用了动平钢测量箱、位移振i 幅测量 仪、闪光测相仪、光电头和数字测振仪等，振动传感器佰置在左、右轴承座 及謦速器处，并以此部位测得的扳动信息作为，f 衢的主要依据。光电头置放 j 二转鼓大端外径， ：与相位测量装背和测振仪相联接。从上述过程知，应用 简单仪器测试法无法有效地从拍振信号中分离m 单一转f 的振动响应来，闪 此这种双转予动平衡方法十分粗糙，彼难满足实际动s f 衡的需要。其测量刁 意图如图1 1 所示。 图卜1 简单仪器组成的测量示意图 ( - - ) 矢量瓦特机光点轨迹识别法 文献【3 矧中说，上海第二工业大学机械工程系的郑康元等人用动平衡试 验机对卧螺离心机进行了多次动平衡实验，通过观察、分析、总结矢最6 特 机l 二不3 卜撕光点轨迹l 矧，提：了种以，匕点轨迹术u , j ) j i j 转鼓利螺旋符i ，1 4 j 、l ， 衡酸的方法。具体原理蛐】h 如图1 2 所示，向量历，表示转鼓不平衡引起的振动分量，向量晓表示 螺旋不平衡引起的振动分量，向最而则表示合振动。当离心机只存在因转鼓 ，1 i 平衡引起的振动时，在矢量瓦特机上呈现一确定的光点魄；当离心机同啊 彳f 在转鼓、螺旋不平衡引起的刁i 、f 衡振动时候，合振动向量历的端点o 在矢 址6 c 特机上呈现一个以吼为剐心，o , o ：为半径彳i 断转动的蚓他们将这种 情形称之为理想的光点轨迹。而考虑其它因索的影响，实际的光点轨迹为如 i 剞】一3 所示的个不规则的封闭f h l 线。 4 浙江人学博士学位论文 光点轨迹识别法，就是通过计算机设法从复杂的不规则曲线中找出如吲 卜：j 虚线所示的圆米，并确定它的圆心和二卜径，具体计算过程参见文献i j o “1 。 这种方法足在不考虑差速器运动件不平衡影响的条件下进行的，儿篮求的光 点轨迹不是太复杂，当碰到狭长的光点轨迹时，这种方法无能为力。并h 该 法给出的实用算法t i j 没有考虑当碰到物理非线性又是几何非线性问题时，解 的存在性、收敛性和唯一一性。在文献【3 3 】中，上海工程技术大学机械工程系的 孙余文老师还对这利，方法的可行性进行了质疑。微显然这种方法存在很火的 局限性，求得的结果误差很大，因此很难应用到工程实际中去。 o 图l - 2 理想光点轨迹幽 酗1 3 实际光点轨迹圈 ( 三) 外接信号补偿法 在文献1 3 4 j 中，提出了j 利一用外加补偿信号分离转鼓、螺旋振动分最的力 法。该法如i 刘卜4 所示( 剧r ，x 为拍振信号：x 为转鼓彳i ，f 衡振动信号；x 为螺旋的不平衡振动信号：。为信号发生器产生的补偿信号) 。其过程如卜： 为消除拍振，_ = j 信号发q - l , 产， i 对与转鼓转速同频的、幅值可调的正弦信 号合成相位与x ( t ) 相反，幅值相等的电信号x 。( t ) ，再将x ，( t ) 同x ( t ) 相加， 即可分离出转鼓和螺旋各自的不、f 衡振动信号x ( t ) 、x ：( l ) 米。很棍然这利一 靠人在现场调节补偿信号的方法，具有较大的主脱性，实施起来很闭难，h 误差很大，因此很难在生产实际中推广。 第一章绪论 误差很大，因此很难在生产实际中推广。 1 光电脉冲转换2 正交正弦信号发生器3 ，转子 4 光电传感器5 加速度传感器 6 示波器 图1 - 4 外接信号补偿法分离转鼓、螺旋不平衡信号 ( 四) 傅氏分析仪相关滤波法 c o s c o l t x ( f ) x y 记录仪 图l - 5 傅氏分析仪相关滤波法 在文献【3 5 讲1 中，提出了以相关原理为基础，通过分解拍振信号实现双转 子整机动平衡的方法。该方法采用傅氏分析仪相关滤波法从拍振信号中提取 单一转子的振动信号，从而得到整机动平衡所需的有关参数，进而实现整机 浙江大学博士学位论文 动平衡。其原理如图l 一5 所示( 图中x ( t ) 为传感器测得的复合振动信号) 。 这种利用傅氏分析仪进行相关分析的平衡方法，其原理简述如下 相关理论中，互相关函数定义为： r 。( r ) = 手r z ( ，) y ( ，+ r ) 曲 若x ( t ) = x i ( t ) = a c o s t + b s i n ( ) 。t ，y ( t ) = c o s ( i ) ，t 为参考信号，t = 0 ，则 蹦o ) - 季r 州，) c 础 = 亍2 。( 2 ，c 。s 2q 础+ _ 2r b , s i n q ，c 。s q 砌 2 a l 式中a 一为x - ( t ) 中所包含的c o s - t 分量的大小。同理可得： j r ，( o ) = 吾r x 。( f ) s i n 国础= 6 式中b 。为x 。( t ) 中所包含的s i n ( ) ，t 分量的大小。 则可得到x 。( t ) 信号的振幅a 及相位角巾。 爿：厢，：t a n 一且 对于卧螺离心机的振动信号： x ( t ) = x l ( ，) + x2 ( ，) = a lc o s l ha 2c o s 脚2 t 进行相关分析，以c o s u t 为参考信号。则 蹦0 ) - 吾r 硼) c o s o ) i 肋 = ；l x 文t ) c o so j , t d t + 专毫x2 q ) c o s6 0 1 t d t 式中第一项前面已经讨论过，第二项即为内转子不平衡量引起的振动对 外转子的干扰，在测试过程中应予以排除。现将它进行分解： 第一章绪论 亍2mx ：c 。s q 砌= 等r c 。s 慨一q ) t + c o s 慨+ q 弘协 = 等f c 。s 慨一c o t ) t d t + 争r c 。s 慨+ c o , ) t d t 式中：第一：项为频率较高的交流分星，利用积分器即町被低通滤波器滤 除；第一项为频率较低的交流分最i 1 一l b 分析器设柯个积分寸f n j 长达9 秒的平均积分器，根据低通滤波器的充电特性： “= u u m a x ( 1 一e 一“7 、 若取l = o 4 s ，则： “= “。( 1 一p _ 0 们) = 0 0 4 缸。 若取t = 2 s 。则： 材= “n m a x ( 1 一p 刮9 ) = 0 1 9 9 4 。 这说明对于卧螺的振动信号来说当内、外转予的转速羞较大时，扪振 j 嗣划t 较小则此第二项经积分器后。其对外转予的振动信号影响较小。而 当内、外转子转速差较小时，拍振周期长，则此第二项对外转子的振动信号 影响较大，测量变得困难。上述相关原理的双转子动平衡方法对于微小速差 的双转f 系统，由于拍振的两个频率非常接近，要很好地实现解拍，即消除 | l i 个转子频率中的一个，则要求有商性能的相关分析仪，否则达4 i 到理想的 效果。这种双转子动平衡法成本高，使用仪器复杂，对操作人员的技术要求 高，因此很难在生产实际中推广应用。 ( h ) 计算机软件相关分析法 针对傅氏分析仪相关滤波法仪器复杂、操作不方便的特点文献【3 8 】提出 了基于计算机的软件相关滤波分析对卧螺进行整机动平衡的方法，其测试原 雕如图1 - 6 所示。在浚文i i i c 巾作辑时论了棚关积分时| l j 墩有限值，呵能，；f 起 的 壹人误麓，1 ：通过理论拥；学分析，认为将蜮小扪哭1 i ! 分寸m l 改为扪的”j 划 t ，就能有效地谚 别出小速羞烈转r 的内、外转予各自的4 i j 卜衡矢量水。“1 f 感器测得的振动信号j l 有内、外转f 4 i 、1 i - 衡量引起的振动分撼时，将杉 分 堑望厶堂竖堂垡迨塞 时间取成抱的周期是可行的。但实际测得的振动信号，还包括其它原因引起 的振动分量和各种随机干扰信号的影响。如果不事先对传感器测得的信号加 以处理，就对它相关分析的话，并把积分时间取成拍的周期，则将会因频率 泄漏而无法有效地识别螺旋和转鼓各自的4 i 平衡分量。这利，方法在原理卜i j | = 是可行的，但真证要实现起米并小容易，这也是剑1 0 前为止，市场i ：没有这 利完全采用软件相关分析实现小速差双转予整机动3 f 衡装置的原所在。 1 小头加速度传感器：2 外转子相位标记：3 电涡流传感器；4 电涡流传感器： 5 内转子相位标记；6 人头加述度传感器：7 d z 一8 0 测振仪：8 电涡流前置放火器 9 磁带记录仪1 0 计算机 图1 - - 6 计算机相关分析法测试系统示意图 ( 六) 不解拍整机动平衡法 针对上述方法的利啼f i 小足，浙大化机研究所剧保常教授等提出一种无需 解拍而可以实现微小速差双转子系统整机平衡的新颖有效的方法，并获得了 号利号为z l 9 1 1 0 9 3 1 5 的发明专利1 4 “。该方法抓住拍振的基本特点：在个 拍振周期q ，! 与扪振l f i 的两个振动分量柏位十口i 司时拍振的振幅达到最大值， 当拍振中的两个拍振分量相位反十h 时，拍振的振l 达到最小值。根壬l | ：这特 点，仪j 佑测得拍振的振l 崎砬人值利最小值，就i ，j 得到内外转f 上的各自的振 动r 晒值。刷时测得各自的相位就一可实现内、外转予的动平衡【4 7 圳j 。同l 述并 9 第一章绪论 种方法相比，该法具有原理币确、方法简单、实施起来方便等优点，因此易 于推广应用，具有良好的工程应用前景。 1 3 本文的研究目标和研究内容 1 3 1 研究目标 以周保章教授等人的发明专利技术为基础，应用拍振理论、波形分析理 沦、信号处理技术以及单片机技术，丌发并研制 = “利t 性能稳定、操作简师、 成本低廉且平衡速度快，平衡精度高的便携式微速差双转子现场整机智能动 、卜衡仪，以满足工业生产中此类双转子系统整机动平衡的实际需要。 1 3 2 研究内容 1 ) 第- 章：双转予系统的动力学特性及不平衡拍振信号分析以及不解拍糌机 动平衡理论的建立。 2 ) 第三章：智能动平衡仪的硬件资源扩展与接口设计；摹准信号的提取和处 理方法研究；不平衡拍振信号的提墩和处圳力法研究；i i 动抟j | i d 的意义分 析及实现方法研究。 3 ) 第四章：硬件频谱分析的意义分析和实现方法研究；拍振波形的动念砬示 的意义分析和实现方法研究。 4 ) 第五章：转速测量方法的研究：拍峰、拍谷有效捕捉方法的研究：不平衡 相位角的求法及特殊相位角处理方法研究；内、外转子不平衡振幅、相位 匹配办法的研究；测量数据的处理及羊h 大误差消除方法的研究；“强拍”、 “弱拍”的动p 衡分析及动、 t 衡计算方法研究 5 ) 第六章：仪器可靠性稳定性验证：卧螺离心机整机动平衡实验以及实现整 机平衡究党应使用8 个影响系数还足1 6 个影响系数的研究：通过仪； 刈 单转，r 双校证【f 【i 町行性实验，研究通过外转予配重实现内转予平衡的办 法；分析仪器的振幅、相位测量误差。 1 4 小结 奉章提h j 了本论文的研究意义：综述了微逃麓双转了整机动平衡的现状 提出了本课题的研究目标：给出了本文主要内容。 堑坚盔堂盟堂笪l j 垒塞一 第二章微速差双转子系统不解拍整机动平衡原理 2 1 概述 螺旋卸料沉降离心机是由转鼓和螺旋组合而成的典型的微速差双转子系 统。本章以它的简化力学模型来讨论双转子系统的动力学特性，并通过分析 拍振波形的特点，导出微速差双转子系统不解拍整机动平衡的原理和方法。 2 2 螺旋卸料沉降离心机的结构及其工作原理 图2 i 螺旋卸料沉降离心机结构简图 螺旋卸料沉降离心机是利用离心沉降法来分离悬浮液的机器，其结构如 图2 1 所示，主要由转鼓、螺旋、摆线齿轮差速器三部分组成1 4 j 。螺旋卸料 沉降离心机的工作原理如下：待分离的悬浮液从中心加料管连续进入螺旋推 料器的空心轴，再流入转鼓内，在离心力的作用下，转鼓内形成j _ 一环形液 池。离心力场中的浮液受到相当于重力数百至几千倍的强大离心力作用。由 笙三童丝垄茎丛壁王墨丝至堡塑墼垫塾! 煎堕堡一 于固、液比重不同，悬浮液很快分成两相，较重的固相粒子沿离心力作用方 向离心沉降到转鼓内表面上形成沉渣层，因螺旋叶片与转鼓的相对运动，沉 渣被螺旋叶片推送到转鼓锥段，脱离液层后，再从排渣孔甩出，而澄清的液 体从转鼓大端溢流孔排出。 2 3 双转子系统的振动分析 1 转鼓( 外转子)2 螺旋( 内转千)3 差速器 图2 - 2 螺旋卸料离心机力学模型示意图 用于转子系统振动分析的方法很多，主要有传递矩阵法【4 ”j ( p r o h l 法、 r i c c a t i 法) 、有限元法、模态分析法( 5 2 1 等。对于比较简单的问题也可直接 利用牛顿力学原理建立微分方程并求解的方法，下面就用该法对螺旋卸料离 心机的振动特性进行分析m 4 4 ，5 。 为了便于分析，对2 1 图进行适当的简化，可以抽象出如图2 2 所示的 离心机的力学模型。在力学模型中我们作了以下假设： 1 ) 内、外转予的轴承位置重叠，并且左右轴承的刚度系数相等，转子 系统在水平方向和转轴方向的支承刚度都相当大，只讨论转子在垂直 方向的振动情况。 2 ) 外转子和内转子的平面运动分解成各自质心c - 和c z 的平动x 和x 2 及 绕过质心水平轴的转动0 和0 。 浙江大学博士学位论文 3 ) m ，m ：分别为外转子，内转子的总质量；，正分别为外转子，内转子绕 过质心水平轴的转动惯量：丘，彪分别为外转子，内转子相应轴承的刚 度系数。 由图2 2 知，双转子系统共计有四个自由度，x ，x 2 ，0 ，0 。，系统 所受的外力有： 1 ) 外转子相应的轴承弹性恢复力。 2 ) 外转子、内转子各自不平衡量引起的离心惯性力 和厉。假设其初始位 置都在水平方向，于是外转子受其垂直分量为一s i n u 。t ，内转子受其垂 直分量为f z s i n u ：t 。设 ，尼所在截面离c 。，c ：的距离分别为厶，厶，则 外转子受到的离心惯性力矩为厶f , s i nc o t ，内转子受到的离心惯性力矩为 厶丘s i n ( i ) 2 t 。 3 ) 内、外转子的轴线由于装配误差存在夹角0 ，( 0 为微小常量) 。于是外转 子受陀螺力矩m 作用。 4 ) 外转子轴承外侧的差速器可能会因其和外转子的连接刚性不足等原因而 引起外伸端轴线局部变形而存在偏转角07 ( 0 为微小常量) 。外转子受 悬臂差速器的同步正进动而产生回转力矩。 经过以上分析，可用牛顿质心运动定理，建立如式2 1 所示的系统振动 微分方程，为了问题的简化，式中假定质心离各支承的距离均相等，即： 。= = ，：= = ：= = ：= ：吾= = 。 j 棚i 皇i + 2 ( k l + 局) 一2 k 2 屯= es i n 0 9 , t m2西2。2+-2k。2x+,+：2)kl：2qx2一=f2：sfin：岛a)j 2 ( x k2 k 2 1 ( 三，e m + m ) s i n c o t ( 2 - 1 )i l 西l +l + 2 ) l ：q 一 2 f ：岛= ( 三1 e 一 + l 、7 【j 2 0 2 2 k 2 l ；q + 2 k 2 f ：口2 = m s i n c o l r + 上2 f 2s i n c 0 2 t 第二章微速差双转子系统不解拍接机动平衡原理 设 f z l = a ls i n c o l ，+ b 1s i n o j 2 ， j x 2 = 爿2 s i n l f + b 2s i n 2 7 ( 2 2 ) 1 0 t = c ls i n c 0 1 t + d ls i n c 0 2 t 1 0 2 = c 2s i n a ；l t + d 2s i n c 0 2 ， 并令忙历+ 厄，胆厶e 一1 l 7 代入微分方程组( 2 一1 ) ，得： 一= 五1 。( 2 k 2 一朋2 ? ) 只s l n c o j t + 1 22 k 2 f 2 s i n 2 ， x ：= 去，2 足：e m n o ) l + 1 ： 2 k m ，国；】e s i n ：， ”击【( 2 ：) n + 2 k 2 9 猢s i n o ) ，t + 1 。2 k 2 9 埚s i ：f ( 2 - 3 ) 铲毒2 掣2 + ( 2 魁衍m s i 蚴一， + 去( 2 尉；- j , o j ；) ：删n 叫 式( 2 - 3 ) 中 f ，= ( 2 k m 。o g ) ( 2 x ：一m ：? ) 一4 k ； j 2 2 ( 2 k m t r o ；) ( 2 k 2 一朋2 ；) 一4 k ； ( 2 - 4 ) i ，；( 2 x e ；一j 。o g ) ( 2 k ：z ：一以c d ? ) 一4 k ；p ： 、。 l 。= ( 2 k e ：- j 。缈：) ( 2 k ：孽：一，2 ；) 一4 k ；f ： 现场整机动平衡一般在转子两端选择两个校正面和测试面，若选择轴承 所在平面为测试面，则测试面上的垂直方向的振动为： x l l = x i g o 幺 l x l 2 = 一+ 。0 1 ( 2 - 5 ) 由式( 2 3 ) 、( 2 5 ) 知，一1 ，2 是两个简谐振动的合成，即轴承座上 的振动是由外转子不平衡量激励产生频率为u ，的振动与内转子不平衡量激 励产生频率为。z 的振动的叠加，因此整机动平衡时，可用测振传感器拾取轴 承座上的振动信号，然后通过适当的处理即可分别提取出内、外转子的振动 堑些盔堂竖 主堂丝迨塞一 信号；另外考虑到内、外转子的振动分量只与各自的不平衡量有关，于是整 机动平衡时，可以将双转子系统的动平衡问题转化为两个单转子来处理。这 说明内外转子可以分别平衡，不会互相影响，也就是说采用影响系数法对系 统进行平衡时，只要考虑内、外转子各自左右的影响系数，即只需用8 个影响 系数就能解决问题。 2 4 拍振信号分析及微速差双转子系统不解拍整机动平衡原理 建立 2 4 1 拍振信号分析 爪獗除 夕n 心。n 二2 ( a l + a ：) 图2 - 3拍振的波形及包络线 由上一节分析知，微速差双转子系统的不平衡振动信号是一个拍振【5 4 制】 ( 由两个频率相差不大的简谐振动叠加而成) 。为了更好地说明微速差双转子 系统不解拍整机动平衡的原理，让我们先对拍振信号进行简单的分析。设内、 外转子在轴承座垂直方向的不平衡振动分别为： = a lc o s ( o ) l f + 办) = 4c o s ( c 0 2 t + 欢) 第二章微速差双转子系统不解拍整机动平衡原理 具甲a l ，a 2 为冈、外转于小十衡碾明明搌i 咐，开砹a l a 2 ；“l 、6 3 2 刀 内、外转子不平衡振动的频率，并设6 9j “2 ：妒，庐。为内、外转子不平 衡振动的初相。则叠加而成的拍振信号为： x = x l + x 2 = a 1c o s ( o ) i f + 识) + a 2c o s ( o ) 2 f + 欢) = ( a 1 + a 2 ) c o s ( ( 半”( 华) ) c o s ( ( 竺尹 ( 立手) ) ， 一( a 。- a z ) s i n ( ( 半”( 华) ) s i n ( ( 堕手”( 生) ) x = 厅面瓦丽石面而丽s i n ( 半”( 华圳) ) 热妒口吲( 导若) t a n ( ( 堕尹”华) 由拍振信号的表达式画出拍振的波形及包络线如图2 - 3 所示，对拍振信 号的表达式、波形及包络线分析可得以下结论： 1 ) 拍振信号可以认为是以q 一：为频率的调幅项与e 华为频率的 振动项相乘所组成。 2 ) 当“l 。u 2 且组成拍振的两个简谐振动分量都接近正峰值或