摘 要:动平衡测试技术是随着旋转机械的制造和使用而提出的。随着计算机技术的发展,利用计算机技术及数字信号处理技术进行动平衡测试已成为可能。该系统在基于虚拟仪器技术的基础上,采用USB芯片结合A /D转换器进行数据采集,开发多功能动平衡测试仪。该系统将信号采集、数据处理、结果显示多种功能集于一身,提高了测试精度同时降低了测试成本。
1 引 言
随着科学技术的飞速发展,现代机器向高速、高效率、高精度方向发展,因此限制和减少各种机器的振动日趋重要。据统计,旋转机械的振动问题有30%以上是因转子不平衡引起的。因此,可认为转子不平衡(简称失衡)是引起旋转机械振动的重要原因。不平衡转子在支承上造成的动载荷,不仅引起整个旋转机械的振动,产生噪音,加速轴承磨损,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,甚至使整个机器控制失灵,发生严重事故。目前,虽然有各式各样的动平衡机,但对大部分来说,有的平衡时效率不高,有的操作界面不友好,这就延长了动平衡测试的操作周期,提高了动平衡的费用。另外,这些动平衡机结构复杂,售价较高,影响普及使用。
笔者所描述的多功能动平衡测试仪可克服上述缺点,能在不拆卸转子的情况下,以较少的启动次数,取得较高的动平衡精度。该平衡机测试系统以计算机为主体,利用高精度的压电式振动传感器,采用先进的计算机虚拟技术,将模拟技术与数字技术、硬件技术与软件技术巧妙的结合起来,对转子-支承系统进行实时测量。仪器通过USB接口将数据采集板和PC机相接,这种连接方式大大提高了系统的采集精度和抗干扰性,性能稳定。该动平衡测试系统既可做现场动平衡仪,又可做软支承动平衡机、硬支承动平衡机的电测箱,是一种全新的动平衡测试仪器。
2 动平衡机工作原理及力学模型[1]
本测量仪适用软、硬支承式动平衡机,下面以硬支承动平衡机来说明其工作原理及力学模型:其转子转速高于转子-支承系统的固有频率,通过测量支承点机械振动的位移来计算不平衡量的大小。据校正平面分离原理,被测转子的不平衡量可归化到2个校正平面上,分别为U1和U2, 2个支承处所引起的动载荷分别为X1、X2。如图1所示。
此时,转子-支承系统可近似看成线性系统,那么U1、U2、X1、X2可用下面的方程式来表示:
式中:a11,a12,a21,a22,是1组与转子质量、惯性矩、校正平面位置、支承位置等有关的参数,称为影响系数,由实验测定。
力学解算方法有2种:影响系数法[2]和A-B-C法。影响系数法被广泛应用于扰性转子的平衡和软支承动平衡机的平面分离解算上。笔者将其用于硬支承动平衡机,取得了令人满意的效果。当测得支承点左、右平面的振动后,可按式(2)求出校正平面左、右平面上的不平衡量U1、U2。
由式(2)可知,对于同一转子影响系数a11, a12, a21, a22固定不变,通过加试重的方法测定影响系数。
在实测中,影响系数的求法为:先测得1、2两点的原始动载荷为X1、X2,然后在左校正平面上加试重U3,测得左、右 支承的动载荷分别为X3、X4。则由试重U3引起左、右支承的动载荷分别为:
由于将转子-支承系统看成线性系统,令ΔX2·U2=ΔU2·U1=U3·U2=0代入式(3)得:
由此可求得a11、a21。同理,在右校正平面上添加试重,就可求出影响系数a12、a22。
3 硬件系统组成及工作原理
整个动平衡测试系统由硬支承动平衡机、计算机、振动传感器、光电传感器、数据采集系统等组成。该动平衡测试仪硬件系统总体框图如图2所示。系统工作原理为:经振动传感器测出支承两端的动载荷,送入跟踪滤波器滤除信号中的背景噪声并调整得到与转子同频率的正弦信号和方波信号;再通过程控放大、解算电路等前置处理,最后通过USB控制芯片送入PC机,获得不平衡量的大小和相位。光电传感器测出转子的转速信号,经光电信号处理电路进行整形、放大和倍频等处理后,最后通过USB控制芯片送入PC机,用于控制跟踪滤波及振动信号的转速和幅值、相位测量。
4 多功能动平衡测试仪软件开发与编制
多功能平衡机动平衡测试仪软件采用虚拟智能化测试、仪器界面。仪器的程序设计基于模块化思想。主要程序有设备驱动程序模块、结果显示模块、数字信号处理模块、控制程序模块等。系统对运行状态进行实时提示,具有剩余不平衡量允差设置、自动提示合格等功能。采用VisualC++语言进行编程。VisualC++是微软公司推出的可视化C++编译环境。在软件开发中,采用“虚拟仪器”设计方法。所谓虚拟仪器,其功能都要通过软件来实现,由软件可定义各种仪器,也就是说“软件即仪器”[3]。动平衡测试仪利用VC++6. 0可方便地实现程序界面的可视化,同时也易于实现程序的模块化。软件结构整体图如图3所示。
4.1 设备驱动程序模块
本系统的设备驱动程序,采用微软公司全新的驱动程序模式,它的运行平台是W indows 98/2000/XP操作系统。在驱动程序模型中,每个硬件都有2个驱动程序,即:总线驱动程序和功能驱动程序。其中,总线驱动程序由操作系统提供,功能驱动程序由笔者开发。总线驱动程序的一项任务就是枚举总线上的设备,为每一个硬件对应一个对象。
4.2 结果显示模块
结果显示模块的设计思想是:利用软件实现的控件来模仿传统硬件仪器的各种显示输出。由于在W indows操作系统下PC机具有强大的图形显示功能,各种显示控件的设计具有很大的灵活性,因此虚拟仪器的结果显示功能比传统硬件仪器更加丰富灵活。显示模块提供了数字显示和图形显示2种功能,其中数字显示用于显示频率、不平衡量的相位值和大小等;而图形显示功能则可为时域分析、频域分析提供时域波形、信号频谱等各种图形或曲线。
4.3 数字信号处理模块
数字信号处理模块主要包括频谱分析模块、互功率谱模块等。频谱分析是分析和预测振动故障的重要手段。频谱分析模块中使用最普通的傅立叶变换。周期信号的傅立叶级数有三角形式和复数指数形式[4]。对于给定信号,可方便地得到复数形式的傅立叶级数的系数,它包含各频率正弦分量的幅值和相位,快速傅立叶变换(FFT)不是一种新的变换,它是离散傅立叶变换(DFT)的一种快速算法。
测试软件中对滤波后的波形进行傅立叶变换及频谱分析如图4所示。
通过傅立叶变换及频谱分析可知,在频谱中工频信号是最主要的频率信号。因此,证实滤波后的信号是不平衡量引起的振动信号。通过互功率谱模块可得到信号的功率密度在频域中随频率的变换情况,它对研究信号的能量或功率分布等问题有重要作用。可以根据动平衡机平衡与不平衡时振动加速度信号的功率谱差别,找到不平衡时功率谱中振动信号的谱峰。
4.4 控制程序模块
控制程序模块的设计面向用户,包括仪器操作控件的设计、控制逻辑的设计及仪器面板的整体设计等。传统的硬件仪器通常包括按钮、方向按键等控制部件,用户使用这些部件完成对仪器的操作。而该仪器的控件设计就是利用软件实现一系列的控件类,这些对应的软控件外观上与硬件相似,同时具备硬件的全部功能。控制程序模块主要用到两类按钮:位图按钮和方向按钮,这些按钮具有禁用、正常、焦点和激活4种状态。
5 多功能动平衡测试仪的特点
(1)本测量仪采用VC语言编程。具有显示图形丰富,提示直观清楚、操作简单、方便等优点。且需要输入的参数较少,不用对操作人员进行专门培训。可显示振动波形图形及不平衡量大小、相位的数码显示等,使整个测量过程更加形象、具体,真正实现人机对话。
(2)使用影响系数计算法。使系统具有较高的计算精度,降低对传感器、信号处理电路的要求,提高系统的适用性。
(3)较广的测量范围,较高的测量精度。转速可从30~3000r/min,不平衡量的测量范围可从几克至几百千克。
(4)可存储影响系数,避免重复定标,提高工作效率。
(5)采用虚拟仪器设计方法,降低硬件成本。
6 检测结果
利用多功能动平衡测试仪及硬件数据采集系统在YYW-300动平衡整机上进行配套试验,对转速为1800r/min,并以调试过的2个标准转子进行动平衡测试。实际加载不平衡量为:左面为25g、90°,右面为20g、140°。实验测得为:左面为24. 83g、88. 4°,右面为19. 85、142. 1°。从实验数据来看,系统测得不平衡量大小误差约为: 0. 75%,相位角度误差为2. 1°。测得的最少剩余不平衡度可达§≤0. 2gmm /kg,一次平衡的不平衡量减少率Urr>90%,完全达到预计要求。
7 结束语
该多功能动平衡测量仪已在多家工厂现场使用,用户反映良好。该动平衡测试仪成功地将计算机技术应用到动平衡领域,集成现场平衡、硬支承平衡、软支承平衡功能于一体,形成一种多功能测量仪表,具有精度高、响应迅速、操作方便的特点,是动平衡测量仪的发展方向,具有广阔的应用前景。
参考文献:
[1] 叶能安,余汝生.动平衡原理与动平衡机[M].武汉:华中工学院出版社, 1985.
[2] 胡正荣.平衡机的设计与应用[M].北京:国防工业出版社,1988.
[3] 周 箭.虚拟仪器及其技术研究[J].浙江大学学报(工学版),2000(6): 686-689.
[4] 应怀樵.波形和频谱分析与随机数据处理[M].北京:中国铁道出版社, 1983.
本文作者：宁丽霞
