（电子科学与技术专业论文）现场整机动平衡仪的设计与实现.pdf

t h ed e s i g na n dr e a l i z a t i o no ff i e l dd y n a m i cb a l a n c i n gm a c h i n e b y q i nl i b e ( h u n a nu n i v e r s i t y ) 2 0 0 8 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g e l e c t r o n i cs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y i n t h e g r a d u a t es c h o o l o f h u n a nu n i v e r s i t y s u p e r v i s o r a s s o c i a t ep r o f e s s o rw ug u i q i n g a p r i l ，2 0 1 1 栅5 45川6 忡0川引 jijil胛y 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研 究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：秀蝴 日期：扣f 1 年r 月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文 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和汇编本学位论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密囱。 ( 请在以上相应方框内打“、”) 作者签名：拳酾 刷醛辄暑捌 日期：c 晰j 年厂月e t e l 期：c 嘲年，月彤日 现场整机动平衡仪的设计与实现 摘要 转子作为机械系统的重要组成部分，它的不平衡量常引起的振动，将导致设备振动、 噪声及机构破坏，尤其是对于高速旋转的柔性转子，产生的机械事故将更明显，转子不 平衡引起的故障约占机械全部故障的6 0 以上。随着当前精密数控加工技术的发展， 高速转子在加工生产过程中产生的严重影响其加工精度的动平衡问题显得尤为重要，动 平衡仪可以有效地保障设备运行的可靠性与安全性，能取得良好的经济效益和社会效 益，具有重大的实际意义。目前动平衡方法有在平衡机上进行动平衡即工艺平衡法和现 场动平衡两类。 本文深入研究了转子不平衡产生的原因、分类及不平衡量的校正，在此基础上，设 计了一种数据采集箱与上位机分离结构的现场整机动平衡仪。数据采集箱以f p g a 为核 心，完成信号调理，实现多通道数据高速高精度的采集和信号传输；上位机利用图形化 编程软件l a b v i e w ，利用l a b v i e w 强大的数据处理能力，实现对基准信号和振动信 号的频谱分析、振幅相位的获取以及影响系数法的动平衡计算，文章提出了系统的总体 设计方案、完成了系统硬件电路和软件设计，并实现了整个系统。本文将虚拟仪器技术 ( v i ) ，数字信号处理技术与现场动平衡技术结合起来，将动平衡测试技术开发重点由过 去的硬件设计转向数字化测量的软件设计，系统界面友好，使用方便。 最后对所开发的现场动平衡仪进行现场试验研究，分别对系统单较正面面动平衡模 块、双较正面动平衡模块进行试验。本文最后对所做的研究工作进行总结，同时指出了 进一步研究和改进的方向。 关键词：现场动平衡；f p g a ；影响系数法；虚拟仪器；l a b v i e w a b s t r a c t t h er o t o r 嬲a l li m p o r t a n tp a r t , i nt h em e c h a n i c a ls y s t e m ，i t su n b a l a n c ei st h er e s u l to f e q u i p m e n tn o i s e s ，v i b r a t i o n , e s p e c i a l l y i nah i g h s p e e dr o t a t i n gm a c h i n e r y t h ea c c i d e n t c a u s e db yr o t o ru n b a l a n c et a k eu pa b o u t6 0 o fm e c h a n i c a la c c i d e n t w i t ht h ed e v e l o p m e n t o fc u r r e n tp r e c i s i o nn u m e r i c a lc o n t r o lm a c h i n i n gt e c h n o l o g y , i ti se v e nm o r en e c e s s a r yt o a c h i e v eh i g h e rv i b r a t i n gb a l a n c e ，w h i c hi sc l o s e l yr e l a t e dw i t hm a c h i n i n gp r e c i s i o n t h e r ea r e t w oa b n o r m a lb a l a n c i n gm e t h o d s ：b a l a n c i n go nt h eb a l a n c i n gm a c h i n ea n d f i e l db a l a n c i n g t h i sp a p e rd e s c r i b e si nd e t a i lt h eo r i g i na n dc l a s s i f i c a t i o n so fu n b a l a n c e ，u n b a l a n c e c o r r e c t i o na n df i e l dd y n a m i cb a l a n c i n gt e c h n o l o g y b yr e s e a r c h i n gd y n a m i c b a l a n c e t e c h n o l o g y , d e s i g n e da f i e l dd y n a m i cb a l a n c i n gi n s t r u m e n ti n c l u d i n ga d a t aa c q u i s i t i o nb o xa n dm a s t e r w h i c hs e p a r a t ef i - o me a c ho t h e r f p g aa st h ec o r eo fd a t ac o l l e c t i o nc o n t r o l sd a t aa c q u i s i t i o na n d s i g n a lt r a n s m i s s i o n ；m a s t e ru s i n gg r a p h i c a lp r o g r a m m i n gs o f t w a r el a b v i e w , t o a c h i e v et h e s i g n a ls p e c t r u ma n a l y s i s ，p h a s ea n da m p l i t u d e sa c q u i s i t i o na n db a l a n c i n gc a l c u l a t i o n s d i f f e r e n tf r o mt h et r a d i t i o n a ld y n a m i cb a l a n c i n gi n s t r u m e n t s ，t h i sp a p e rc o m b i n e dt h e t e e h n i q u eo fv i r t u a li n s t r u m e n t sw i t ht h a to ff i e l dw h o l em a c h i n ed y n a m i cb a l a n c i n g ，a n da s e to fd y n a m i c b a l a n c i n gm e a s u r i n ga n dt e s ti n s t r u m e n t so nt e c h n i q u eo fv iw a sd e v e l o p e d b yl a b v i e w c o m p a r e dt ot h et r a d i t i o n a ld y n a m i cb a l a n c i n gi n s t r u m e n t s ，t h i si n s t r u m e n t sh a s t h em o r ef r i e n d l ys o f tp a n e l ，a n dc a nb eu s e dm o r ec o n v e n i e n t l y a tl a s t ，s u m m a r i z et h ep a p e rw o r ka n ds o m es u g g e s t i o n sa r ep o s e df o rf u t u r er e s e a r c h k e yw o r d s ：f i e l dd y n a m i cb a l a n c i n g ；f p g a ；i n f l u e n c e c o e f f i c i e n tm e t h o d ；v t r t u a l i n s t r u m e n t s ；l a b v i e w i 现场整机动甲衡仪的设计与实现 目录 学位论文原创性声明和学位论文版权使用授权书i 摘要i i a b s t r a c t i i i 第l 章绪论1 1 1 论文的研究背景及意义1 1 2 转子动平衡技术研究现状及趋势2 1 2 1 动平衡方法的研究现状。2 1 2 2 现场动平衡仪的发展现状4 1 3 项目开发简介及作者承担的研究工作一5 1 3 1 项目开发简介5 1 3 2 作者主要研究工作5 第2 章动平衡理论及系统总体方案设计_ 7 2 1 转子平衡理论7 2 1 1 转子不平衡量的来源7 2 1 2 不平衡量的分类8 2 1 3 不平衡量的校正9 2 1 4 现场整机动平衡技术l o 2 2 系统总体方案设计1 0 2 2 1 系统功能要求。l0 2 2 2 系统整体概述1 l 2 2 3l a b v i e w 开发平台简介1 2 2 3 本章小结15 第3 章现场整机动平衡仪的设计1 6 3 1 现场整机动平衡仪设计方案1 6 3 1 1 动平衡仪结构分析1 6 3 1 2 电涡流位移传感器17 3 2 电涡流位移传感器信号调理板的设计与实现1 8 3 2 1 信号调理电路设计1 9 3 2 2 信号调理p c b 板设计。2 0 3 3 数采装置主控板改进设计21 3 4 数据采集c p l d 软件2 8 3 5 本章小结3l i v ， 硕士学位论文 第4 章动平衡算法分析与软件实现3 2 4 1 现场整机动平衡仪系统软件总体设计3 2 4 2 信号分析层软件设计3 3 4 2 1 转速计算3 4 4 2 2 频谱分析3 5 4 2 3 基频检测3 5 4 3 动平衡算法实现3 7 4 3 1 单校正面动平衡3 9 4 3 2 双校正面动平衡4 2 4 4 本章小结4 6 第5 章动平衡仪实验室测试4 7 5 1 实验平台搭建j 。：4 7 5 2 基准信号转速测试4 8 5 3 振动信号测试4 9 5 4 本章小结_ 5 0 总结与展望5 1 1 总1 2 ；5l 2 展望51 参考文献5 3 附录a ( 攻读学位期间发表的学术论文) 。5 6 附录b 系统原理图5 7 附录c 采样程序。5 9 致谢。6 2 v 硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 论文的研究背景及意义 近年来，现代化生持续发展，科学技术不断进步，作为生产工具的各种机械设备不 断朝着大型化、高速化、精密化以及自动化的方向发展。其自动化程度也越来越高，结 构越来越复杂，功能越来越完善，在现代工业生活和生产过程中的作用和影响也越来越 大，与此同时，对保证各种设备的正常运行的要求也在相应增加，机械设备在运行过程 中出现故障不仅会引起严重后果，造成重大经济损失，甚至还可能导致灾难性的人员伤 亡和恶劣的社会影响。因此，人们也愈发期望设备能安全、稳定、长周期、满负荷的运 行，希望能实时了解设备的运行状态，预防故障、杜绝事故，延长设备运行周期、缩短 维修时间，使设备的生产潜力发挥到最大，这就对在役设备状态监测与故障诊断技术提 出了更高的要求。在这些设备中，运行中的转子出现不平衡是必然的，特别是高速回转 设备，转子不平衡是主要激振力，如风机、水泵电机、汽轮发电机组等，不平衡给设备 其他部件，如轴承、电机、齿轮等带来损坏；因此转子动平衡是消除旋转设备振动的一 项重要措施。动平衡仪可以有效地保障设备运行的可靠性与安全性，能取得良好的经济 效益和社会效益，具有重大的实际意义i lj 。 现场动平衡已经是平衡技术中一个重要的分支，它对于完善机器的运转性能，监测 机器的运行状态，延长轴承等零件的寿命具有重要的作用【2 】。机器在运行过程中，由不 平衡量引起的振动来自多方面，除了转子材质和制造造成的原始不平衡量外，在整机以 后运行过程中，由于蒸气或热造成的变形和电磁力的影响等原因还会重新产生新的不平 衡量，磨损、积垢、变形等都易产生新的不平衡量。在某些大型设备中，在使用一段时 间后需要对转子进行现场动平衡，转子更换后通常也要进行现场动平衡p j 。平衡技术不 仅成为机器制造过程中的一种工艺措施，而且对于生产运行中的机器，作为一种实时监 测手段也具有十分明显的意义【4 】。如果对关键性设备进行定期的振动分析和现场动平衡 测试，将会产生以下经济效果。 1 改善和提高机器的运转性能，大大延长高速旋转零件的使用寿命； 2 保证机器时刻运转于良好的平衡状态，将全机噪声控制在允许范围内； 3 根据例行测试和记录的数据，经统计分析能科学可靠地提供旋转零部件现场平 衡调换周期和各类机器的检修周期； 4 定期的机械振动分析，能及时地发现和消除机器的不平衡状态； 5 对在线设备进行快速的动平衡校正，尽量缩小机器检修时间、减少机器的启动 次数5 1 。 现场动平衡测试具有广泛的适用性，通过对设备振动分析和现场动平衡测试，可 现场整机动平衡仪的设计与实现 以为企业生产部门提供设备运行的基本状态和性能情况，据此了解机器存在的问题，从 而对机器的性能作出正确和全面的评估。对于提高企业生产安全、生产效率是必须的， 因此，对设备振动的测量势在必行。本文所研究的现场动平衡测试仪，比以往动平衡方 便、快捷，而且易于携带、操作，并且可以对不同转速的转子进行动平衡测试。 1 2 转子动平衡技术研究现状及趋势 转子不平衡的主要原因是由于转子在设计、生产、加工、运行等过程出现质量分布 不均匀导致的。由牛顿惯性定律，物体在匀速旋转时，旋转体内的各质点都会产生惯性 离心力。当某旋转转子以角速度q 旋转时，转子上的每一个质点( 设质量为m ) 将产 f = 肌m 2 的离心力。所有的这些离心力将组成一个惯性力系作用在轴承上，如若转子 的质量分布均匀，那么这些作用在轴承的力将互相平衡，合力为零。但如果某一处或者 某几处存在质量不平衡，离心力合力不为零，则会造成主惯性轴偏离旋转轴线，导致振 动、噪声等各种机械事故的产生。尤其是对于高速旋转的柔性转子，产生的机械事故将 更明显，进行动平衡也就更有必要1 6 j 。 1 2 1 动平衡方法的研究现状 鉴于转子动平衡校正的重要性，许多科研人员对于转子动平衡理论和方法进行了大 量研究，而且已经出现了许多有效并实用的动平衡方法。归纳起来，主要有模态平衡法 ( 也叫做振型平衡法) 和影响系数法两大平衡技术体系。 模态平衡法的研究始于上世纪5 0 年代初。当时由于测量仪器和计算工具的水平还 比较低，对振动数据精度要求不高，该平衡方法主要依赖于操作者的技术水平，模态平 衡法是应当时生产需要产生的。1 9 5 4 年，m e l t a l 首先论证了在一定的条件下各临界转 速相对应的主振型互相正交的性质，这就奠定了模态平衡法的理论基础 5 。模态平衡法 利用了转子不平衡响应的这一模态特性，每一阶模态用一组特定的质量去平衡而不影响 前面已经平衡好的低阶模态。这里有两个重要的假设：( 1 ) 转子系统阻尼足够小，以至可 以忽略；( 2 ) 各模态是平面正交的。后来， f e d e m 、k e l l e n b e r g e 、b i s h o p 、g l a d w e l l 、 p a r k i n s o n 、s a i t o 、a z u m f l 等学者对该方法从理论和实践两方面进行了深入细致的研究 1 6 - 8 1 。近年来，西安交通大学徐宾刚、屈梁生等人在模态平衡法的基础上，引入全息谱 技术，实现了非对称转子在任一非临界转速下两阶模态的同时平衡。在实际应用模态平 衡法时，基本上都是通过解析的方法选择校正质量，因此，很难将模态平衡法应用到现 场动平衡领域。 与模态平衡法不同，影响系数法是一种实验方法。影响系数法思想由美国学者 t h e a r l e 于1 9 3 4 年首先提出，当初是用来平衡刚性转子的。t h e a r l e 提出的影响系数法仅 局限于两个校正平面、两个测点、定转速的平衡。后来，b a k e r 发展了t h e a r l e 的方法， 使其仅限于定转速。1 9 6 4 年，g o o d m a n 首次给出了影响系数法的通用表达式，并将误 2 硕士学位论文 差理论中的最d x - - 乘法引入到校正质量的计算，提出了最小二乘法的影响系数法和加权 最小二乘法的影响系数法，这标志着实用化的影响系数法的诞生。1 9 6 7 年至1 9 7 2 年由 l u r i d 和t o n n e s o n 等人对这一方法进行了完善以及实验验证。很多最小二乘估计技术( 如 加权最小二乘估计) 也可用于这里。近年来，一些研究人员已经将最小二乘估计方法推 广应用于约束优化平衡，以便将残余振动和校正质量控制在允许范围。 我国研究人员也针对影响系数法在实际应用中存在的问题进行了大量的研究。为避 免利用影响系数法计算出的校正重量太大，哈尔滨工业大学刘荣强、夏松波于1 9 9 2 年 提出了“剩余影响系数方法 。1 9 9 8 年，西安交通大学王晓升针对平衡质量受限时最小 二乘影响系数法的不足，结合估计的思想，提出了最d - 乘方法的改进算法。同年，西 南交通大学康凯宁、王培俊等人为有效地抑制影响系数法平衡挠性转子及其轴系时出现 的最大残余振动，给出了一种能够使最大残余振动极小化的平衡量计算法- - m i n m a x 法。1 9 9 9 年，东南大学朱向阳、钟秉林提出了转子最大残余振动极小化的迭代重加权 阻尼最小二乘影响系数平衡算法。2 0 0 2 年，天津大学勾新刚、张大卫等人将遗传算法用 于求解平衡质量受限时的平衡问题。2 0 0 5 年，南京航空航天大学章璨璇、唐云冰等人提 出了基于遗传算法的最小二乘法，使平衡配重量和残余振动值均得到了优化。随着计算 机技术的发展，影响系数平衡方法现已成为现场动平衡中应用最广泛的平衡方法。 影响系数法完全是一种实验过程，容易实现自动化，方便操作并对操作者的技术水 平要求不高，因而该方法在现场动平衡领域内应用广泛。影响系数法的缺点是需要多次 起动转子到同一转速，若转子转速改变，则平衡必须重新来过。因此，如何在满足平衡 精度的前提下进一步提高平衡效率是动平衡技术研究的一个热门方向。 为了在保证现场动平衡效率的同时提高动平衡精度，诸多国内外的专家、学者进一 步探索，提出了一些改进方法。对于影响系数法，鉴于精确测定影响系数幅值和相位的 困难， e v e r e t tl j 提出了不需要相位测量的两平面转子的平衡方法( 这种方法尚未推广 至多面) ，该方法虽然实现了对影响系数法的改进，但与之相比，增加了转子的运转次 数，步骤较复杂。天津大学的曹树谦博士应用传递函数的概念证明影响系数法与振型平 衡法在本质上的统一性，并建立起影响系数矩阵与传递函数矩阵的解析关系，提出了称 之为“传递函数法 的柔性转子高速动平衡的新方法，克服了影响系数法需要多次起机 的缺点，又避免了振型法在临界转速测量时振动过大和相位不稳定的问题。随着探索的 加深，出现了一些新的平衡方法。如将人工智能算法、有限元法、全息技术等应用于转 子动平衡中，出现了等效刚度系数法、无试重平衡法、全息平衡法等t 引。 这些方法需要大量的实验数据，且数学运算过程较为复杂，对测试系统的数据处理 性能要求较高，通用性不强，不便用于便携通用性的现场动平衡仪器的开发。综上所 述，可以看出，动平衡方法主要向着高精度、高效率和有利于测试系统的便携和通用化 的方向发展。影响系数法是目前为止，比较成熟的并且较为普遍地应用于转子现场动平 衡校正的较为精确、简单、快捷的解算方法。 现场整机动甲衡仪的设计与实现 1 2 2 现场动平衡仪的发展现状 现代的动平衡测试，是在上世纪初随着蒸汽透平机的出现而发展起来的。最初的动 平衡机是拉瓦切克一黑曼式平衡机【l 叭，待测的转子所产生的离心力使轴承产生振动，其 振动的波形由地震仪一类的装置记录下来。平衡操作所需的校正块的位置和大小就根据 记录手工算出。拉瓦切克一黑曼式平衡机的结构是原始的，操作也比较麻烦。此后，在 拉瓦切克黑曼式平衡机的基础上，世界各国出现了各种新的平衡机，如阿基莫大 ( a k i m o f 0 式( 1 9 1 6 年) 、索德伯格( s o d e r b e r g ) 式( 1 9 2 3 年) 和崔伯勒( t r e b e l ) 式平衡机等 1 l l 。 该类平衡机最大的共同点就是平衡转速低于转子一支承系统的共振频率。 1 9 2 5 年日本的末广式平衡机是最早的平衡转速高于转子一支承系统共振频率的平 衡机。因此，使支承振动的测量精度和平衡精度大大提高了一步。1 9 3 5 年久野式平衡机 将同步发电机与光学放大装置结合起来应用于测量机构，通过在屏幕上显示振动图像来 获取支承振动的相位和大小，其测量方法更加简单，精度也更高。随着采用交流发电机 的瓦特计式测量装置的应用和洛伊特林的可动线圈式振动传感器的发明，以电气测量机 构为发展的现代动平衡机问世了，其代表如德国申克公司( s c h e n c k ) 和美国吉肖特公司 ( g i s h o l t ) 的瓦特计式测量装置产品。 我国的动平衡测试是在二十世纪五十年代中期开始发展的。如1 9 5 6 年开始生产应用 于航空领域的陀螺平衡机：六十年代中期，我国生产出了闪光动平衡机；七十年代木研 制成功的q d x 型曲轴平衡自动线。到现在已出现了大量采用可编程芯片的新型动平衡测 量设备和各类p c 辅助的动平衡测试设备。如江苏宝应科发公司的p h y 便携式动平衡测量 仪、北京测振仪器厂的v t 系列动平衡测量仪、北京盛迪振通公司的9 0 0 系列动平衡测量 仪等。 动平衡测试技术的发展是随着机械、电子工业以及计算机技术的发展而发 展的。可分为三个阶段： 一、机械式测试阶段 从二十世纪初至五十年代这一时期的动平衡机是采用机械测量方法测量振动振幅， 因此一般都设计成机械谐振式，以求得到较大较明显的读数值，如高位法和观察记录法。 但是，在谐振状态时，微小的转速变化会使不平衡离心力与系统振动位移方向之间的相 差变化很大，因此不易得到准确的不平衡相位。往往需要多次试凑确定。后来通过附加 机械测相位机构外加振动方式的改进，可测得相对更准确的不平衡量大小和相位。但是， 这种平衡机机械结构复杂，平衡精度和效率都不高，不适合要求平衡精度高的场合。如 德国申克公司在二十世纪初生产的动平衡机都是这种类型。 二、电测式测试阶段 从二十世纪五十年代开始，随着电子工业和电子测量技术的迅速发展，不平衡量的 电测系统迅速地取代了机械测量系统，平衡机的机械结构也更简单了。电测式测试技术 4 硕士学位论文 是建立在一系列模拟电路基础之上的，如闪光法、光点矢量瓦特计测量系统等。这一阶 段的代表性产品是用又r c 带通滤波器配合的闪光测相装置，可得到比机械式动平衡机 更好的幅值和相位精度。随着滤波技术的发展，闪光测振技术得到了更广泛的应用，如 我国产的z x p 1 型测振仪。电测式测试技术将测量与平衡两个过程分开来，从而也使动 平衡测量仪器脱离开支承系统单独应用于现场动平衡成为可能。但是，因为依赖的是分 立电子元件和模拟电子技术，使测量装置的成本较高。即使到后来有了计算机的辅助， 测量和计算也是完全分开的，操作复杂，对操作者的要求也较高。 三、智能化测试阶段 从二十世纪八十年代中期开始，随着电子技术的飞速发展，特别是大规模集成电路 的产生，动平衡测试技术也转向了智能化方向。依靠数字电子技术，采用大规模集成电 路和单片机技术。这类测试系统可实时测量振动，能对振动分析，判断设备振动的原因， 避免盲目做动平衡，做到“先诊断，后治病”，还可数据存储、数据通讯、软件管理等。 采用了可编程芯片，能得到更加精确的振幅和相位值，还可将信号的处理从硬件转向软 件，降低了成木。测量系统通常选用数字显示方式，人机界面友好，操作简单，可直接 读出不平衡量的大小和相位，可很方便地用于旋转机械的现场动平衡测试。 智能化的动平衡仪可对各种旋转机械进行整机现场动平衡，相当于一台可 移动的动平衡机，除了动平衡功能外，往往还具有多功能，如北京测振仪器厂生产的 v t 8 0 0 动平衡仪还可以作傅立叶( f f t ) 频谱图、扫频分析、奈奎斯特( n y q u i s t ) 图等，也可 单作为测转速或是测振动引。 此外，还有一种基于p c 的计算机辅助平衡c a b ( c o m p u t e r a i d e db a l a n c e ) 。 是利用微机及相应的软硬件通过人机对话或自动地完成整个平衡工艺的一项实 用技术。它具有测量速度快、计算精度高、可对信号进行复杂的分析处理，数 据易存储和回放等优点。 1 3 项目开发简介及作者承担的研究工作 ： 1 3 1 项目开发简介 本文选题来源于湖南中德抗磨损技术有限公司项目“对大型风机的修复 需使用现场动平衡仪，由公司委托湖南大学进行研发，对该风机进行现场动平衡处理及 振动监测与故障诊断。 1 3 2 作者主要研究工作 本课题在原有多通道数据采集装置上进行升级实现。原有数据采集仪不能实现多通 道同步采样，本设计要求多路信号同时采样，完成现场动平衡测试，实时给出不平衡量 的大小和相位。要求这套测试系统界面友好，操作方便。 根据课题的主要目标，本课题的主要研究和工作内容包括： 现场整机动平衡仪的设计与实现 ( 1 ) 确定动平衡仪的总体设计方案，包括整套系统的结构、功能和实现途径。 ( 2 ) 电涡流位移传感器信号调理板的设计与实现。主要包括信号放大、滤波、缓冲等 模块硬件设计、调试，确保硬件合格并制作电路板。 ( 3 ) 在原有数据采集装置上对主控板进行改进设计与实现。 ( 4 ) 动平衡仪数据采集程序设计。 ( 5 ) 动平衡算法研究及软件实现。对转子动平衡算法进行研究，并在软件上实现动平 衡频谱分析、基频检测以及单双较正面动平衡。 6 硕士学位论文 第2 章动平衡理论及系统总体方案设计 2 1 转子平衡理论 2 1 1 转子不平衡量的来源 一个转子在结构上都是相对于旋转轴线是轴对称的。但是由于工艺上的一系列因 素，最后装配完毕的转子总是不能做到动力上的完全轴对称，也就是存在一定的不平衡 量，这种不平衡量就是原始不平衡量。造成转子不平衡量的因素主要有以下几个原副1 3 j ： ( 1 ) 转子材质的不均匀引起的不平衡； ( 2 ) 联轴器的不平衡； ( 3 ) 键槽的不对称引起的不平衡； ( 4 ) 转子工件在加工与装配中产生的圆度偏差和偏心等； ( 5 ) 转子运转过程中的变形及磨损； ( 6 ) 转子本体附着异物等。 对于汽轮机转子，各个叶片之间的差别，叶片锁口及叶片的不对称；压缩机转子中 叶轮的不平衡均会造成转子不平衡，所有这些因素造成的不平衡量都是属于随机性质 的，无法用计算得到，因此要通过静平衡( 重力实验) 和动平衡( 旋转实验) 来测定和 校正，使转子的不平衡量降到最低。 j 厂瓣g | | ， j 7 么 图2 1 一个圆片的不衡量 物体在匀速旋转时，旋转体内的各质点都会产生惯性离心力。当旋转转子以角速度 q 旋转时，转子上的每一个质点将产生离心力，离心力计算公式如下： f = 历，q 2 ( 2 1 ) 如若转子的质量分布均匀，那么作用力将互相平衡，合力为零。如果某一处或者某几处 存在质量不平衡，离心力合力不为零，导致转子振动。假定质量大小为g 的不平衡质量 存在于半径为r ，圆周角为仅的地方，则转子不平衡量u 可表示为： u = g ， ( 2 2 ) 7 现场整机动平衡仪的设计与实现 不平衡量是矢量，单位通常为g 1 1 1 1 1 。 2 1 2 不平衡量的分类 不平衡量的分布都是随机的，从效果上看可以分为以下四类【l4 1 。 ( 1 ) 静不平衡量 静不平衡是中心主惯性轴仅平行偏离轴线的不平衡状态。静不平衡通过转子额重心 g ，可由一个矢量表示，见图。对于静不平衡量的校正，只需在不平衡量的对称位置加 上一相等质量或将原来的m 去除即可。 i l 一一一一i 、_ 一一l u i l 图2 2 静不衡量 i i 一卜l v i i 图2 3 力偶不衡量 ( 2 ) 力偶不平衡量 力偶不平衡量是中心主惯性轴与轴线在重心g 相交的不平衡状态。力偶不平衡量需 由一对大小相同、方向相反的矢量来表示，见图。力偶不平衡量必须用两个较正面上大 小相等、方向相反的校正量来校正。 ( 3 ) 准静不平衡量 准静不平衡是中心主惯性轴与轴线在重心g 以外的某一点相交的不平衡状态。准静 不平衡在效果上可由处于轴向平面上的一个静不平衡量和一个力偶不平衡量所合成。见 图。静不平衡量的也可通过在一个较正面上加重或去种来校正。 ( 4 ) 动不平衡量 动不平衡是中心主惯性轴与轴线既不平行又不相交的不平衡状态。动不平衡量也可 由一个静不平衡量和一个力偶不平衡量合成，但两量不处于同一轴向平面，不能合成一 个矢量。见图。动不平衡必须在两个或多个平面上加重或去重来校正。 l l _ 一一一。i - - g 一一一 i u 图2 4 准静不衡量 g i l 一卜 i 。 i 侈乏 8 i i 图2 5 动不衡量 硕士学位论文 2 1 3 不平衡量的校正 1 校正方法 从上文可知转子不平衡主要原因是在旋转中的转子由于质量分布不均产生的，因此 平衡一个转子可以用在一个或两个校正平面上适当位置加重或去重来实现【1 5 】。 ( 1 ) 7 2 h 重：在不平衡量的反方向加以质量，使增加的质量产生的不平衡量与原始不平 衡量相互抵消。可以采用烧焊、喷镀、旋上螺钉、嵌入铆钉或者加环氧树脂等方法。 ( 2 ) 去重：在不平衡量的位置上去除材料，使去掉了的质量产生的不平衡量就算原始 不平衡量。可以采用铣、挫、钻孔、磨削、偏心车削或激光打孔等方法。 与去重法相比，加重法工艺更简单，平衡合格后，把校正量紧固住就可以了，在运 转后修正也方便，而去重由于去下的质量很难确定，只能逐步逼近，工作量大，也不方 便修正【1 6 1 。本文采用的就是加重法校正不平衡量。 2 校正步骤 测试是系统设计过程中最主要的验证手段，在做动平衡仪测试前，需要确定以下数 据量。 ( 1 ) 判断平衡方法：根据转子直径与其长度的比值确定其需做单面或双面平衡，并决 定使用试加重法对其进行动平衡。 ( 2 ) 选择合适的测量平面测试点：根据转子平衡类型在该转子设备上选择相应的测量 平面和测点位置。测量平面应选在转子的轴承座或附近刚性较高、较为平坦的金属平面 上。测点应布置在测量平面内径向最大振动读数位置或规定位置上，一般选择转子两边 轴承座作为测量平面，测点以平面方向为好，单面平衡只需安置一个测点，双面平衡需 安置两个测点，测点位置需做上标记。 ( 3 ) 选择合适的校正平面：若使用试重法，考虑到转子的结构特点，选择转子上方便 安装试探质量和校正质量的平面作为校正面。以同样的原则在校正面上选择以转轴为圆 心、以为半径的校正圆，在校正圆上做好试重位置标记。校正半径应尽量大，以提高 角度定位精度，减少试加重质量。 ( 4 ) 估算试加重质量：试加重质量用来改变转子的质量分布，以便找出试加重量与转 子振动之间的关系。若试加重太大，机器到设定转速时振动可能太大；试加重太小，则 振动变化不明显，使测量结果不准确。单较正面平衡一次试加重即可，双面平衡可使用 两个不同质量的试加重，也可使用同一个试加重，本文实验选择同一个试加重。试加重 可按公式估算： m = 等 ( 2 3 ) 如孟 其中眠为转子质量，砟为试加重半径，n 为转速。 9 现场整机动平衡仪的设计与实现 ( 5 ) 计算剩余振动量。 2 1 4 现场整机动平衡技术 随着旋转机械的发展，动平衡方法也取得长足发展，并且随着机器精度要求的提高， 对平衡的要求也日益严格。迄今为止，动平衡的技术发展大致分为三个阶段：工艺平衡 法，整机动平衡及自动在线平衡法【1 7 1 。 工艺平衡法【l8 1 ，是指在安装转子之前，用动平衡机对转子进行平衡。工艺平衡法的 测试系统所受干扰小，平衡精度高，效率高，特别适于对生产过程中的旋转机械零件作 单体平衡，目前在动平衡领域中发挥着相当重要的作用，汽轮机、航空发动机普遍采用 这种平衡方法。尽管随着动平衡机的发展，精度已经得到了很大的提高，但是由于转子 要拆下来才能进行动现场动平衡仪，停机时间长、平衡速度慢、经济损失大，而且不能 够补偿在安装、装配过程中产生的新的不平衡量，因此其有很大的局限性。 现场整机动平衡是指在旋转机械实际工作中，将组装完毕的旋转机械在现场安装状 态下进行的平衡操作。此方法不需要使用动平衡机，只需要一套价格低廉的测试系统， 因而较为经济；直接将机器作为动平衡机座，通过传感器测的转子有关部位的振动信息， 进行数据处理，以确定在转子各平衡校正面上的不平衡及其方位，并通过去重或加重来 消除不平衡量；此外，由于转子在实际工况条件下进行平衡，不需要拆卸，安装等工序， 不存在安装误差的问题，在工作状态下就可获得较高的平衡精度，因此得到了广泛的应 用1 1 9 1 。本文研究的就是现场整机动平衡仪。 自动在线平衡法是在转子运行过程中，不影响转子正常工作的平衡技术，由平衡头 ( 动平衡调节器) 和相应的控制方法组成。自动在线平衡法的自动平衡装置结构复杂且成 本高，因此只适用于大型机组以及精度要求特别高的旋转机械设备。 2 2 系统总体方案设计 本课题以实现高速旋转的风机转子的高精确度动平衡效果为目的。下面详细介绍具 体设计目标及总体设计方案。 2 2 1 系统功能要求 在绪论中，本文已经详细阐述了机械振动的危害性和对转子进行动平衡的重 要性。实践证明，开发具有整机动平衡校核功能的高级测试仪器系统，是十分必 要的。本论文以风机转子为研究对象。针对其在高速旋转下实现具备精度高、效率高、 可靠性高、实时性好、操作性好、扩展性强等特点的动平衡测试系统。 1 设计目标： ( 1 ) 采样要求：现代的旋转机械，其转速越来越高。根据奈奎斯特采样定理，为不至 于产生波形失真，采样频率应该至少是信号的最高频率的两倍。而在动平衡测试中，为 1 0 硕士学位论文 了保证基准信号的完整性和相位的准确性，两倍是远远不够的。一般情况下，本文要求 每周期采集点数不少于1 5 0 点，因此，对于转速在3 0 3 0 0 0 0 转分的转子及回转机械， 即采样频率在0 2 5 k h z 以上。 ( 2 ) 精度要求：测试仪器精度的高低，直接标志了仪器质量的高低。在做动平衡时， 为了便于数值的选取，不但要求测试精度高，而且还要稳定性好。要做到这一点，不但 与测试的硬件有关，所选取的软件方法同样很重要。 ( 3 ) 故障诊断：故障诊断功能应该是智能化仪器必要的基本功能之一。对于动平衡校 核来说，首先应确定引起振动故障的原因。有些振动故障并不是不平衡引起的，那么做 动平衡也无效的。所以，应具有一定的故障诊断性能，例如目前常用的频谱分析。 ( 4 ) 界面友好，操作简便：为适应新的要求，本文开发的基于虚拟仪器的动平衡仪器， 力求做到精度更高、操作更容易、界面更友好、携带更方便、外性更美观。 2 技术指标： ( 1 ) 转速测量范围：3 0 3 0 0 0 0 转分； ( 2 ) 振动测量范围：1 - 2 0 0 0 u m ( 峰峰值) ； ( 3 ) 振动分析：f f t 频谱分析； ( 4 ) 转子转速振动的无触点测量； ( 5 ) 相位范围：0 3 6 0 ； ( 6 ) 单双较正面一次去除不平衡9 0 以上。 本测试系统的软件功能模块主要由如下三大部分组成： 平衡校核，包括针对各类转子，如刚性转子、挠性转子、单转子、双转 子和不同校正方法如单校正面，双校正面，多校正面的动平衡的测试和计算功能，实现 全部测试，计算的自动化操作。 振动的检测与分析，包括各种时域、频域、功率谱、倍频等分析，具有机械故障 诊断分析等功能。 数据管理，对测试得到的振动波形数据，计算的中间数据，结果数据进行规范的 数据库管理和包存，便于以后的数据检索，回放和调用。 2 2 2 系统整体概述 为了达到风机转子的高精确度动平衡效果，首先对转子实现转速测量，振动特征 量提取，通过动平衡数据采集箱进行采集，通过t c p i p 上传给上位机，实现下位机与 上位机的数据通讯，以及上位机的数据处理等功能。下图为系统设计的总体结构框图。 从图中可以看出，本设计采用灵活的采集箱与上位机分离的结构，方便系统今后升级维 护。 现场整机动平衡仪的设计与实现 上t 、上扫l 图2 6 转子现场动平衡简图 本文采用单双较正面校正，转子通过振动传感器获得x ，y 两路振动信号以及基准 参考传感器获得基准信号，基准信号主要对振动信号起鉴相的作用，作为振动信号的相 位标准。 数据采集箱采用信号调理