张志新 贺世正(浙江大学化学工程与机械系 杭州,310027)
摘 要 转子动平衡的关键是提取转子不平衡振动的振幅与相位。A/D在转子不平衡振动的一个周期内,采到的点数越多,求得的振幅与相位越准,动平衡效果也就越好。本文围绕提高相位和振幅测量精度,详细论述高速转子整机动平衡仪的软、硬件设计,并通过实例介绍其在生产实际中的应用。
关键词:转子;动平衡;仪表装置;信号处理
中图分类号:TQ051.8; O323
引 言
转子的不平衡是旋转机械的主要激振源,也是许多种自激振动的触发因素。不平衡会引起转子挠曲和内应力,使机器产生振动和噪声,加速轴承、轴封等零件的磨损,降低机器的工作效率,有时甚至会引起各种严重的事故。据统计,由于不平衡原因而引起的振动故障约占机器总故障的24%,对于高速旋转的机械,由于不平衡原因引起的振动十分显著。消除或减小机器振动首先考虑是对转子进行平衡,消除或减小机器旋转零部件因失衡而引起的不平衡惯性力,使机器的振动限制在容许的范围内。整机动平衡方法很多,但主要有以下三种:测幅整机平衡法、测相整机平衡法、测相测幅整机平衡法。整机动平衡通常使用的是测相测幅法,也即需要在动平衡过程中同时测量转子的振幅与相位,最后通过加重或去重,使转子恢复平衡。由于这种平衡方法兼有测相和测幅的功能,因而平衡速度快、精度高,在使用中效果也好。由上面的分析可知,转子动平衡的关键是提取转子不平衡振动的振幅与相位。不平衡振动信号的测相、测幅原理如图1所示,图中不平衡相位角
为不平衡振动信号最大值(振幅)同基准信号上升沿之间的夹角[1]。所以要对一转子实施动平衡的首要条件是提取一组稳定的不平衡振动信号和基准信号,然后按图1的方法求得不平衡信号的振幅和相位。近年来不少国内外研究人员根据动平衡原理,结合电子技术、单片机技术及计算机技术,研制出适合不同转子类型的高速转子动平衡仪。著名的有西德辛克公司的25吨硬支承卧式高速动平衡装置,它利用先进的计算机处理系统,能完成复杂的平衡任务。
但该装置价格昂贵,体积大,不能在现场对机组实施整机动平衡[2]。国内郑州纺织工学院开发的电主轴高速整机数显式动平衡仪,能对电主轴进行高速整机动平衡,但适用范围较窄[3]。研制出一种价格低廉、性能优良,且具有一定通用性的高速动平衡仪是不少科研人员的追求目标。本文针对高速转子动平衡的特点,围绕提高相位和振幅测量精度,详细论述高速转子整机动平衡仪的软、硬件设计以及不平衡振动信号与基准信号的提取,并通过实例介绍仪器在生产实际中的应用。
1 系统的硬件设计
高速转子动平衡仪的硬件结构框图如图2所示,这是一个以8031为核心的单片机系统。除单片机外,系统还包括传感器模块、信号预处理模块、显示模块等[4]。
1.1 基准信号的提取与处理
由测相、测幅动平衡原理知,要进行动平衡必须准确地测得不平衡振动信号幅值和相位,其中相位为峰值与基准信号的相位差。因此基准信号的提取与处理至关重要,处理不好会使相位测试产生严重偏差,致使整个动平衡过程失败。
1.1.1 基准信号的获得
电涡流传感器利用复变磁场通过邻近的金属板在金属板表层内产生电涡流效应把距离的变化转换成电量的变化。图3所示,在转子的表面贴一片同转子材料相同的金属薄片,这样当转子转动时就会产生如图4所示的Vint基准信号,动平衡仪是通过8031单片机的P1.0口来监测基准信号的,为保证可靠测量,通过如图5所示电路对其进行处理,处理前后的基准信号如图4所示。
1.1.2 基准信号处理电路的设计
基准信号处理电路如图5所示,它是一个低速比较器,涡流传感器测得的信号经它处理后变成一个上升沿和下降沿都很陡的基准信号。电路中LM741开环使用,电阻R1、R2组成的分压电路在反相端进行负反馈,使LM741放大器输出接近±Vcc,所以可以获得正负对称的滞后。当Vint>VR时,Q1截止,Vout为高电平,当VintVint<VR时,Q1饱和,Vout为低电平。本电路采用通用LM741放大器作比较器,虽然有一定的滞后,但工作稳定。若采用比较器专用IC,如LM311,其响应时间通常在数百毫微秒以内,但有时会出现振荡、突跳现象,这样将造成基准信号的不稳定。由于本仪器采用带通滤波器从复杂的振动信号中提取有用的不平衡振动信号,而带通滤波器的中心频率受基准信号控制,因此获得稳定的基准信号至关重要[4]。
1.1.3 如何防止漏测基准信号
如图6(a)所示,T为转子转一周所需的时间;ΔT为基准脉冲的宽度;Δτ为基准脉冲采样间隔,约等于AD采样的间隔。(为准确地求得不平衡振动信号的相位角,希望系统能对不平衡振动信号和基准信号进行同步采样。由于P1.0对基准信号进行一次采样时间等于单片机一个指令周期,对12 MHz的晶振,约为1μs,而A/D进行一次转换所需的时间约为100μs多,因此可以通过A/D进行一次采样后,P1.0口立即对基准信号进行采样的方法,近似地实现系统对振动信号和基准信号进行同步采样。
所以Δτ约等于AD的采样间隔)。基准信号为一占空比为:的矩形波。由不平衡振动信号的测相原理知,当发生漏测基准脉冲时,将导致测相错误,防止漏测基准脉冲的条件为:ΔT=αT>Δτ。对于30000r/min以下的高速转子,当a≥0.1能保证不漏测基准脉冲。为使基准信号达到一定的占空比,同时又能使贴片质量尽可能的小,应将金属薄片贴在转子回转半径r比较小的位置,这样还能使薄金属片贴片可靠,防止因离心力太大而飞掉。
1.1.4 基准信号上升沿的捕捉及其引起的相位误差
由测相、测幅动平衡原理知,相位为峰值与基准信号上升沿的相位差。如何有效地捕捉基准信号的上升沿,是减小相位误差的关键所在。若采用图6(a)所示的方法,在捕捉振动信号峰值的同时,检测基准信号的上升沿(即以Δτ对基准信号进行采样),引起的最大相位误差为:。对转速为7200 r/min的转子,
随着转子转速的进一步提高,由此引起的相位误差将进一步增加,因此这种方法不可取。考虑到P1.0对基准信号进行一次采样时间极短,对12 MHz的晶振,约为1μs Δτ=100 ms。所以程序设计时,先让P1.0对基准信号进行不停采样,等捕捉到基准信号的上升沿后,再以Δτ的采样间隔对振动峰值和基准信号进行同时采样。对转速同样为7200 r/min的转子,这种捕捉基准信号上升沿的方法引起的最大相位误差为:因此这种方法比较合理。
1.2 不平衡振动信号的提取与处理
由于涡流传感器测得的振动信号,是转子不平衡故障及其它故障引起的各种振动和环境噪声的总和。为了有效地对机器实施动平衡,就必须将振动信号进行选频滤波,把有用的不平衡振动信号从混杂的振动信号中提取出来。实现选频滤波方法很多,在本系统采用中心频率可控的跟踪滤波器5G6515,它是由双二次型电路构成的二阶开关电容滤波器和中心频率输入的检波电路组成的带通滤波器。该电路具有较高的Q值(Q=74.5),因此具有良好的选频特性。跟踪滤波器的中心频率可由转子的基准信号加以控制,这样使系统具有自动跟踪的能力,为高速转子在不同转速下进行动平衡创造了有利条件。
1.3 在高速条件下用普通A/D有效捕捉振动峰值的方法
如图7所示,假定A/D的采样间隔为Δτ,那么一周内采到的振动信号的点数为,其因不能采到振动信号的峰值引起的最大相位误差为:Δθ=普通ADC0809在500 kHz的时钟作用下转换一次所需的时间Δτ=0.146 ms,用它对120 Hz的不平衡振动信号进行采样,其因不能采到振动信号的峰值引起的最大相位误差为Δθ≈6°。随着转子转速的进一步提高,相位误差将进一步增大,为了使Δθ尽可能的小,应选用转换速度快的A/D,但A/D的价格成倍增长。为降低成本,高速动平衡仪仍使用廉价的普ADC0809,采取软件方法使普通A/D在高速条件下能有效捕捉振动峰值。其原理简述如下:设A/D的采样间隔为Δτ,如图7(a)表示分三步对不平衡振动信号进行采样。第一步:当8031的P1.0口采到基准信号的上升沿时,A/D立即对不平衡振动信号进行采样;第二步:当8031的P1.0口采到基准信号的上升沿时,由单片机的定时器延时一段时间后A/D开始对不平衡振动信号进行采样;第三步:当8031的P1.0口采到基准信号的上升沿时,由单片机的定时器延时比第二步长一倍的时间后开始对不平衡振动信号进行采样。由于不平衡引起的振动信号具有周期性,采用该法使普通A/D具有同采样间隔为(如图7(b)所示)相同的峰值捕捉能力。同理若8031的P1.0口采到基准信号的上升沿后,分别延时,对不平衡振动信号进行采样,则A/D对不平衡振动信号峰值的捕捉能力将提高n倍,大大减小了高速条件下普通A/D因不能采到振动信号的峰值引起的相位误差。
1.4 自动量程设计
相位是振动峰值同基准信号上升沿之间的夹角,因此能否准确地捕捉振动峰值对相位的测量影响很大。受量化误差的影响,A/D采到的峰值同实际峰值之间会存在一定的误差,由此将引起相位测量误差。振动信号在峰值附近的变化最为缓慢,图8表示在振动信号满量程和欠量程二种情况下因A/D量化误差引起的相位误差。系统采用ADC0809变换器,其能分辨的最小电压为ΔA=5V/28=5V/256≈20 mV。当被测量振动信号为满量程时,即峰值A1=5 V,设此时因A/D量化误差引起的最大相位误差为,参考图8。由A1-A1cos=20 mV得:=5.1°;当被测量振动信号为欠量程时,如峰值A2=0.5 V,设此时因A/D量化误差引起的最大相位误差为,参考图8。由A2-A2cos2=20 mV得:=16.2°;但从上面的分析可知,由于A/D变换器的8位精度,导致至少有5°的误差,且振动信号越小引起的相位误差越大。为增强A/D变换器在信号变化最缓慢时,仍有较高的分辨率,则应尽量将信号放大到A/D满量程附近,以便更准确地确定信号的峰值位置,为此需在硬件电路上设置多档量程切换开关。
本仪器具有量程多而小的特点,对于需要在升、降速过程中进行动平衡测量的情况,由于信号采集时间短,不允许人工进行量程切换,为避免人工换档及提高测量精度,故设计了自动换档电路,原理如图9所示。Vin为振动信号,用电阻进行分档,A为电压跟随器,起缓冲隔离作用,以避免量程切换时对后继放大产生影响。分档控制由8031的P1.3、P1.4、P1.5控制8路模拟开关4051来实现。当检测到A/D过量程信号有效时,自动升高一档(假定由小到大量程为升档)。而A/D欠量程时采用采样进行判别,即当测量值小于低一档的80%时,自动降低到下一档。
2 应用实例
如图10所示利用此高速动平衡仪对一台浙江轻机厂生产的DRJ-395胶乳分离机进行整机动平衡,其平衡结果如表1所示。由表1可看出,平衡效果是十分满意的,表中高速时振动下降率比低速时高,是因为低速平衡是在降速(转速不稳定)过程中进行的,测得的误差相对较大引起的!而高速平衡是在稳定的工作转速下进行的,测得的振幅值及相位比较稳定,因此平衡精度也就越高!我国分离机械行业标准规定,碟片分离机最终不平衡状态的评定是机壳处测得的振动烈度小于等于7.1 mm/s为合格,小于等于4.5 mm/s为良好,小于等于2.5 mm/s为优等。DRJ-395胶乳分离机经上述平衡后,用测振仪测得其机壳上的振动烈度为2.1 mm/s,达到优等要求,实践证明本文提出的设计方案是可行的!该高速整机动平衡仪适用于转速在300～30000 r/min范围内的刚性转子、柔性转子进行单校正面或双校正面整机动平衡。
参 考 文 献
1 周保堂.振动测试分析与动平衡.杭州:浙江大学出版社,1991
2 邓 勇.柔性转子的高速动平衡.燃气轮机技术,1994;9(4):36—46
3 俞 梅.电主轴高速整体数显动平衡仪.轴承,1996;(8):20—23
4 何立民.MCS-51系列单片机应用系统设计配置与接口技术.北京:北京航空航天大学出版社,1994
5 常玉燕.日本电子电路精选.北京:电子工业出版社,1989
第一作者 张志新 男,博士研究生,1974年1月生。电话:(0571)7952113;E-mail:zhangzzx@netease.com
