（化工过程机械专业论文）测幅整机动平衡方法及仪器研究.pdf

浙i l 人学颂i j 学f r - 论文摘婴 摘要 不平衡振动是困扰旋转机械正常工作的主要因素，在工业上常常采用测相测幅 的整机动平衡方法，通过测得转子键相信号及振动信号来计算不平衡量的大小与相 位，该法开机次数少，平衡精度高。而以大型轴流风机为代表的旋转机械，由于转 子结构上的限制，在现场测试时往往难以获取测相测幅整机动平衡方法所需的键相 信号。本文深入研究整机动平衡原理，提出了一种仅需测得振动幅值来提取不平衡 量大小与相位的整机动平衡方法，研制出一套基于此法可应用于现场测试的整机动平 衡仪器，并在4 7 2 型离心式风机及转子动平衡试验台上进行动平衡实验，取得了良好的 平衡效果。通过本课题的研究，取得了以下阶段性的成果： 1 提出了一种不平衡振幅有效识别方法，该法首先对原始振动信号进行二重自相关 运算，准确获取转子的工作转速，并以得到的工作转速构造正弦与余弦信号，分别与原始 振动信号及试加重后的振动信号互相关，根据傅立叶级数的正交性，抑制了异频及噪音分 量，从复杂的振动信号中提取出不平衡振动幅值。 2 测幅整机动平衡方法的研究，该法首先有效识别出原始不平衡振幅及三次试加重 不平衡振幅，通过识别得到的幅值利用三点法算式求得不平衡量的大小与相位。 3 研制开发了一套基于s t c l 2 c 5 4 l0 a d 单片机的测幅整机动平衡仪器。重点阐述了 振动信号低通滤波、差分放大、自动量程、信号偏置等信号预处理电路设计，键盘与液晶 等人机交互模块的实现，以及测幅整机动平衡方法及仪器所需实现功能的软件编制。 4 在4 7 2 型离心式风机和转子动平衡试验台上对研制的仪器进行动平衡实验，取得 了良好的效果。并与基于有效值算法的c u t - 6 2 测振仪和基于测相测幅整机动平衡原理的 p c d b 1 型笔记本动平衡仪作对比实验，实验结果表明，本仪器在复杂振动信号中提取不 平衡量的能力高于c u t - 6 2 测振仪，基本达到了p c d b 1 型笔记本动平衡仪的平衡效果。 关键字：整机动平衡单片机二重自相关l a b v i e w a b s t r a c t u n b a l a n c ev i b r a t i o ni st h em a i nf a c t o ro fd i s t u r b i n gt h er o t a t i n gm a c h i n e r y sn o r m a l w o r k ，t h em e t h o do fw h o l e - m a c h i n ed y n a m i cb a l a n c i n gb a s e do na m p l i t u d e p h a s ew i t h l e s ss t a r ta n dh i g hp r e c i s e ，i nw h i c ht h er o t o r sk e yp h a s ea n dt h ev i b r a t i o ns i g n a li st e s t t oc a l c u l a t et h em a g n i t u d ea n dp h a s eo fu n b a l a n c e ，i so f t e nu s e di n i n d u s t r y b u tt h el a r g e s c a l eo fa x i a l f l o wf a n sa st h er e p r e s e n t a t i v e ，t h es t r u c t u r a lc h a r a c t e r i s t i c so ft h i sk i n d r o t a t i n gm a c h i n e r yc a nn o tb ee x t r a c t e dt h er o t o r sk e yp h a s ei n f o r m a t i o nb yp h a s e s e n s i t i v e s e n s o r , s ot h ew h o l e m a c h i n em e a s u r e m e n tp r i n c i p l eh a sb e e nd e e p l ys t u d i e di nt h i sp a p e r , as e t o fd y n a m i cb a l a n c es y s t e mh a sb e e ns u c c e s s f u l l yd e v e l o p e d ，w h i c hc a nb ew e l la p p l i e di nt h e f i e l d ，a n dt h eb a l a n c i n ge x p e r i m e n th a sb e e nd o n ei nt h e4 7 2 p l a s t i cc e n t r i f u g a lf a na n d e x p e r i m e n tb a l a n c i n gr o t o r a c c o r d i n gt h es t u d yo ft h i ss u b j e c t ，s o m er e c e n tc o n c l u s i o n sa r e a c h i e v e da sf o l i o w e d ： 1 a ne f f e c t i v ei d e n t i f i c a t i o nm e t h o do fu n b a l a n c ea m p l i t u d eh a sb e e np r o p o s e d f i r s t l yt h e o r i g i n a lv i b r a t i o ns i g n a lh a sb e e nc a l c u l a t e dw i t hs e c o n d a r yc i r c l ea u t o c o r r e l a t i o ni no r d e rt o c a t c ht h ei n f o r m a t i o no ft h er o t o rs p e e d ，t h e nt h es i n ea n dc o s i n es i g n a li nw o r k i n gf r e q u e n c y h a sb e e nc o n s t r u c t e dt od ot h ec r o s s c o r r e l a t i o nw i t ht h eo r i g i n a lv i b r a t i o na n dt h ev i b r a t i o n a f t e rt e s tw e i g hh a sb e e np u to n ，a c c o r d i n gt h ef e a t u r eo ft h ef o u r i e rs e r i e s ，t h en o i s ea n d d i f f e r e n tf r e q u e n c yc o m p o n e n t sh a sb e e nr e s t r a i n e d ，a n dt h ev i b r a t i o nc a u s e db yu n b a l a n c eh a s b e e nd e t e c t e df r o mt h ec o m p l e xv i b r a t i o ns i g n a l s 2 t h em e t h o do ft h ew h o l e - m a c h i n eb a l a n c i n gb a s e do na m p li t u d em e a s u r e m e n th a sb e e n s t u d i e d ，f i r s t l yt h eo r i g i n a li m b a l a n c ea m p l i t u d ea n dt h r e ei m b a l a n c ea m p l i t u d e sw h i c hh a s b e e np u to nt h et 叫w e i g h th a sb e e ne f f e c t i v e l yi d e n t i f y i e d ，a n dt h em a g n i t u r ea n dp h a s eo ft h e u n b a l a n c eh a sb e e nc a l c a u l a t e db yt h r e eb a l lm e t h o d 3 as e to fa m p l i t u d ew h o l e m a c h i n eb a l a n c i n gi n s t r u m e n tb a s e do ns t c 12 c 5 410 a d s i n g l e - c h i ph a sb e e nd e v e l o p e d t h ed e s i g no ft h ev i b r a t i o ns i g n a lp r e p r o c e s s i n gs u c ha s l o w - p a s sf i l t e r 、d i f f e r e n t i a la m p l i f i c a t i o n 、a u t o - r a n g e 、s i g n a lb i a se t c ，r e a l i z eo f h u m a nc o m p u t e r i n t e r a c t i o nm o d u l el i k e k e y b o a r da n dl c d ，a n ds o f t w a r ep r o g r a m m i n go ft h ea m p l i t u d e w h o l e m a c h i n eb a l a n c i n gm e t h o da n dt h ef u n c t i o ni n s t r u m e n tn e e dr e a l i z eh a v eb e e nm a i n l y d i s c u s s e di nt h i sp a p e r 4 t h ew h o l em a c h i n eb a l a n c i n ge x p e r i m e n th a sb e e nr e s p e c t i v e l yd o n ei nt h e4 - 7 2p l a s t i c c e n t r i f u g a lf a na n dl a b o r a t o r yf a n ，a n dc o m p a r a t i v ee x p e r i m e n th a sb e e nd o n eu s i n gc u t - 6 2 浙；r 人学硕l j 何论文a b s t r a c l v i b r a t i o nm e a s u r e m e n ti n s t r u m e n ta n dp c d b in o t e b o o kb a l a n c i n gt e s ts y s t e m s ，t h er e s u l t i n d i c a t et h a td e v e l o p e di n s t r u m e n th a sab e t t e rp e r f o r m a n c eo nc a t c h i n gt h eu n b a l a n c et h a n c u t - 6 2v i b r a t i o nm e a s u r e m e n ti n s t r u m e n t a n dr e a c ht h ef u n c t i o no fp c d b ln o t e b o o kt e s t in s t r u m e n t k e yw o r d s ：w h o l em a c h i n eb a l a n c i n gs i n g l ec h i ps e c o n d a r yc i r c l ea u t oc o r r e l a t i o n l a b v l e w l v 浙江大学研究生学位论文独创性声明 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。 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，也不包含为获得逝塑太堂或其他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。 学位论文作者鲐兮誓蕊陂签字魄2 d l o 年；月j 。日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解浙婆太堂有权保留并向国家有关部门或机构送交本 论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权澎塑太堂可以将学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，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适用本授权书) 1n 学位论文作者挠令搬液导师鲐z 够移 签字日期：z d b 年弓月1 0 日 签字日期：w 卜年弓月rd 日 浙n 人学颂f 学化论文敛谢 致谢 时光飞逝，日月如梭，转眼两年半的研究生学习生涯即将过去。在浙江大学的学习生 活注定将成为我人生中的一段重要旅程。论文脱稿之际，倍感求学的艰辛，深感老师、同 学和亲人的关怀，谨向各位老师、同学、朋友和亲人致以最诚挚的谢意! 首先，我要衷心感谢我的指导老师张志新副教授。从课题的选题，研究方法以至完成 论文，每一个阶段无不凝聚着张老师的心血。张老师渊博的学识、严谨的治学态度、勤奋 的工作态度和高度的责任心让我永远铭记难忘。 我要感谢同一个实验室的李锡林同学、魏小锋师弟和张倩师妹，感谢同寝室的张乾坤、 苏亮和缪存坚同学，感谢化机0 7 级的兄弟姐妹们，特别要感谢方舟同学在生活上及学 - j 上的帮助。很幸运也很高兴能够与你们在浙大化机所这个大家庭中相知相识。预祝你们在 今后的人生中一帆风顺，取得成功! 我还要感谢我的父母! 他们不但给了我天下父母所能给与子女的所有关心和爱护，更 给了我理解和支持，正是这种无私而深沉的爱，才使我今天拥有了独立生活的能力，面对 挑战的勇气，迎接未来的信心! 最后，衷心感谢在百忙之中参与论文评阅、评议和答辨的各位专家、教授! 浙；1 人学颂l 学f 寸论文绪论 1 绪论 1 , 1 动平衡概述 旋转机械是工业生产中不可缺少的一类设备，它广泛存在于航空航天，船舶汽车，石 油化工，水工电力等领域。但这些设备在运行或调试过程中常常出现振动故障。这直接使 机器零部件承受附加的动载荷，加速轴承处的磨损，影响机器正常的工作性能，降低机器 的精度，甚至导致设备停机，生产中断，带来严重的损失与危害。 为了保证这些旋转机械的正常运行，解决遇到的故障，人们对引起它们振动的原因进 行了深入的研究。发现由于转子不平衡而造成机器振动的占了很大的比重f 卜引。转子不平 衡是指由于转子质量不平衡而在旋转过程中引起的力的不平衡。这个不平衡力产生了轴承 上的动反力，它是一个时间的周期性函数，并引起轴承座等机件的振动，从而使机器发生 振动。 动平衡技术【4 6 1 就是能够克服转子的质量不平衡，使之在旋转中产生的周期性不平衡 离心力在要求范围之内，从而控制旋转机械的振动，使设备能够正常运行。研究发现造成 旋转机械转子质量不平衡的原因是多方面的，有设计上的缺陷，比如结构的不对称像曲轴 一类；有材质上的问题，如原材料密度不一致，有间隙；还有可能是制造或安装的误差， 运转中的磨损等使得转子质量分布不均匀等。动平衡就是要在制造，调试和维修过程中， 对质量分布不均的转子通过改变它们的质量分布，即采用在转子的某一个特定位置加上或 减去一个校正配重的方法，使得转子在旋转中产生的离心力尽量相互平衡，达到控制振动 的目的。 1 i 1 转子的分类 从转子动力学的观点出发，依据转子系统的工作状态和力学特性，常把转子分为两类， 即刚性转子和挠性转予【7 习】。一般来说，凡是工作转速低于其一阶临界转速的转子称为刚 性转子，而工作转速高于其一阶临界转速的转子称为挠性转子。但从平衡的角度来说，则 更为确切地定义是：“如果转子可以在一个或任意选定的两个校正平面上，以低于转子工 作转速的任意转速进行校正，并且经此次校正后，在非常接近于最终支承系统的条件下， 转子在任意转速直至最大工作转速范围内，其剩余不平衡量均不会明显超过平衡允许值 浙汀人产颂卜：o 何论文绍论 ( 相对于轴线) ，则此转子称为刚性转子。凡是不满足刚性转子定义的转子称为挠性转子。” 转子系统从严格意义上来说都是挠性转子，绝对的刚性是不存在的，将转子系统分为刚性 和挠性转子仅仅是为了在不影响平衡效果的前提下，为方便动平衡而定义的。 1 1 2 转子动平衡方法 刚性转子因其动刚度非常大，转子在不平衡力的作用下所产生的动挠度( 弹性变形) 很小，以致在转子工作和平衡过程中可忽略不计，因此平衡刚性转子的不平衡与不平衡力 矩仅需一个或两个校正面即可。刚性转子的动平衡技术已经发展到了非常成熟的阶段，动 平衡方法主要有四种ij o - 1 2 1 ：试加质量周移法、三点法幅值相位法、影响系数法等。在这 些方法中，影响系数法是应用最为广泛的一种，因为它使用简单，平衡效率高。 挠性转子的情况则要复杂很多，由于其动刚度较小，在平衡时对转子所产生的弹性变 形必须加以考虑。平衡挠性转子时，在某一转速下平衡，仅消除了轴承动反力，转子上的 弯矩仍然存在，从而又在两端轴承处产生新的动反力。因此挠性转子的平衡应满足下列两 个要求： 1 ) 施加的平衡质量，应能消除其在工作转速下的轴承动反力。 2 ) 施加的平衡质量，应使沿着转子轴向长度的弯矩值为最小。 但是，由于转子沿轴向分布的不平衡质量很难找到，所以一般只能做到使轴承反力接 近于零的同时使弯矩值尽可能小，而不能使弯矩完全消除。在具体的实现上，利用各阶平 衡分布载荷与其它阶振型挠度之间的正交性，使各阶平衡分布载荷的作用只是消除该阶振 型挠度，而不产生其它阶振型的新的不平衡量，从而使转子在任何转速下都能达到基本平 衡。挠性转子的动平衡方法总体上有三种：振型平衡法，影响系数平衡法，振型加影响系 数平衡法。 动平衡方法是随着旋转机械发展的而发展起来的，并且随着机器精度要求的不断提 高，对平衡的要求也日益严格。到目前为止，动平衡的技术发展大致分为三个阶段f 1 3 1 4 1 ： 工艺平衡法，整机动平衡及自动在线平衡法。 所谓工艺平衡法，就是在安装转子之前，用动平衡机对转子进行平衡。尽管随着动平 衡机的发展，精度已经得到了很大的提高，但是由于它不能够补偿在安装，装配过程中产 生的新的不平衡量，因此其有很大的局限性。 整机动平衡是指在旋转机械实际工作中，对安装在整机上的转子进行平衡。此方法不 需要使用动平衡机，只需要一套非常简单的测试系统，由于它不需要拆卸、安装转子，不 ， 浙j 。1 人学帧r 化论文绪论 存在安装误差的问题，大大提高了动平衡的效率及精度，因此得到了广泛的应用。二十世 纪五十年代，由于当时电测水平的低下，对挠性转子的动平衡效果很差；而到了二十世纪 八十年代，电测技术迅猛发展，给整机现场动平衡技术的应用提供了有力的条件，并广泛 应用于风机以及各种离心机等旋转机械中，取得了明显的经济与社会效益。 自动在线平衡法1 1 5 4 7 是在转子运行过程中，不影响转子正常工作的平衡技术，但是由 于它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。 当采用工艺平衡法进行平衡时，由于动平衡机转速的限制，往往不能达到在工作转速 下的平衡，故转子在工作转速下发生的变形，在平衡转速下还未能显示出来。此外，大多 数转子在动平衡机上进行平衡时，往往要先套装在心轴上，再放到平衡机上去平衡，由于 转子装在心轴上同转子装在整机上时的装配和支承条件不一致，在平衡机上已经达到平衡 精度的转子在整机运行时仍会产生新的不平衡量。而且转子在搬运、应力徐变或有载荷 的情况下，也会使原来的平衡受到一定程度的破坏，导致平衡精度的降低。采用整机动平 衡技术，使转子处于实际工作条件下进行平衡，则可以获得较高的平衡精度。 1 2 整机动平衡技术 现场整机动平衡以机器本身机座作为动平衡机座，通过传感器测得转子有关部位的振 动信号，进行必要的数据处理后，就能确定在转子各平衡校正面上的不平衡量的大小及其 相位，从而通过加重( 去重) 使转子达到平衡。 整机动平衡的一个很重要的问题就是测点的选择，测点应该选择在能准确和灵敏地反 映转子不平衡量引起振动的那些位置，一般可选择轴承位置，也有选择机壳的适当部位作 为测点的。由于在测点测得的振动与转速有关，转速的波动不但会明显地影响所测振动大 小，而且会影响测得的相位角，故希望转速要稳定。因此，在整机平衡时必须保证多次测 试均应在同一个转速下进行。 当转子处于平衡转速下运行时，可找到测点振幅值最大时所对应的转子部位，不过此 部位并非不平衡量的真正位置。这是因为存在阻尼等的影响造成一定的相位差，但对某一 确定的机器来说，在某一确定的转速下运转时，此相位角是一定的。由此可利用在测点处 测得的振幅和相位，运用试加重的原理，最终求出转子上的不平衡量大小及位置。 到目前为止，按照测点位置和个数的选择与在测点处是否测量振幅或相位，把转子系 统的动平衡方法分为以下几种：测幅测相法，测相法和测幅法。 气 浙；j 人学顺l 学化论文 绪论 1 2 1 测幅测相法 整机平衡通常使用的是测相测幅法【1 8 】，也即在动平衡过程中同时测量转子的振幅和相 位，并通过数据处理，来确定不平衡量大小和位置，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幅和测相的功能，因而平衡精度高，速度快，在使用过程中 效果也好。测相测幅整机平衡按其原理的不同，分为影响系数法和振型法。 影响系数法也称幅相影响系数法，是目前应用得最普遍的动平衡方法，它是基于转子 响应正比于不平衡量的基本假设，其实质是认为转子系统是一个线性系统，其原理和方法 简述如下： 针对一个线性系统，所测得第n 个测点的振动矢量以x 、v 川表示，加在m 个独立面上 的质量以w 。表示，则 x 。叫2 a w m 。i ( 1 1 ) 式中： a 。= ) ，称为影响系数矩阵，由已知质量的试加重法测得； = 孚( 劝姗重，i = 1 2 n ，j = 1 ，2 - ，m ) ； x f o 一在第i 个测点测得的原始振动值； 嘞一在第j 个平衡面上加试重7 ：时，在第i 个测点上测得的值，一旦a 得到确定， 即可计算校正质量w 。设加校正质量后，测得振动为x ，则： x = x o + a w ( 1 2 ) 平衡目的是为了使x 达到最小。令目标函数s ：窆l l ：i 7 x ，根据数学知识， 当s 达到最小时，x 达到最小，故得到： 式( 卜4 ) 代入( 1 3 ) 得： 毒2 窆l = l 唔5 和一o ，川2 ，m m 3 ， x l = + a ，) w y ，= i 7 彳+ 7 托= 0 4 ( 1 - 4 ) ( 1 - 5 ) 浙 r 人学帧i j 学伸论文绪论 故可得最佳加重为： ”7 w = - ( a a ) 一ax o( i - 6 ) 所谓振型法，则是利用不平衡量在各阶振型上的分量只对该阶振型的挠度分量起作 用，而不激发其它阶振型的挠度分量，按第某一阶振型分布的不平衡产生的惯性力在不是 该阶主振型位移中所做的功等于零，因而可将沿轴向分布的不平衡量分解为与各阶主振型 相对应的不平衡量，然后逐阶进行平衡。 1 2 2 测相法 这里介绍一种只需测量相位的整机动平衡方法，它只需将转子启动三次，按照每次测 得的相位，就能完全地确定不平衡量的大小和位置。 设转子存在不平衡量时在工作转速下测得的原始振动为v o ，测得其相位角为6 0 。然后 在转子的任意角度的圆周上面试加重g ，在工作转速下测得振动为v l ，其相位角为6 1 + 6 0 ， 可见v o 与v i 之间的相位差为6 l 。然后，取下试重，并将其加在对面，也即加在l8 0 0 的 同一半径的圆周上，在工作转速下测得振动为v 2 ，它的相位角为6 0 6 2 ，利用三次测得相 位值，通过矢量运算，就可以得到不平衡量的大小及相位。 其表达式如下所示： w ：g 塑笙盟( i - 7 ) s i l l 0 2 岛- a t a n ( 坐掣) ( 1 - 8 ) 二 式中： w 一原始不平衡量； g 一试加重质量； 6 一第一次试加重向量与原始振动向量的相位差； 6 2 一第二次试加重向量与原始振动向量的相位差。 由1 7 式及1 8 式就可以求得原始不平衡量的大小了，同时，只要将求得的w 加在沿 第一次试加重转过6 3 的角度处，就可以消除振动的不平衡量。 1 2 3 测幅法 当只有测振仪而不具备测相仪时，可使用测幅整机平衡法。通常的测幅整机法有四种： 浙汀人学硕i ：学似论文 绪论 试加重量周移法、i8 0 0 二次试加重法，9 0 0 二次试加重法和三次试加重量法1 1 9 2 0 。 由于大型轴流风机电机被封闭在机壳内，轴流风机工作时，很难正确获得键相信号， 故本课题采用三次试加重量法来解算动平衡大小与位置，故对其作简述。 将叶轮分为3 等份，p l ( 0 = 0 。) 点，p 2 ( 0 = 1 2 0 。) 点和p 3 ( 0 = 2 4 0 。) 点，将试加重m 依次 加于p l ( 秒= o 。) 点、p 2 ( 0 = 1 2 0 。) 点和p 3 ( 0 = 2 4 0 。) 点，由矢量分解可知p i ( m ，0 ) 、p 2 ( 0 5m ， 、厂活m ) 和p 3 ( 0 5 m ，污m ) ，然后依次启动风机到工作转速之后测得同一轴承处的振动 振幅，即a1 a2 与a 3 。依据上述分析，计算不平衡质量m 的大小及其所处的角度位置0 。 初始振动振幅a 。存在如下关系： k 2 + 2 = a 。 ( 1 9 ) 式中： 朋，一不平衡量在x 轴的分量； 研。一不平衡量在y 轴的分量； k 一不平衡量与振动幅值解析系数。 据此关系，在p ( 0 = 0 。) 加试验质量m ，启动风机到工作转速，测得振动振幅a l ，有 如下关系： k ( m x + m ) 2 + 2 = a 。 ( 卜1 0 ) 用同样的方式分别在p 2 ( 0 = 1 2 0 。) 点和p 3 ( o = 2 4 0 。) 加试验质量m ，测得相应振动振幅 a 2 与a 3 ，有以下关系： k ( 一o 5 彬+ h 助卜： ( 1 1 1 ) k ( 一o 5 州+ 卜伽) 2 a 3 ( 1 - 1 2 ) 由( 1 10 ) ，( 1 11 ) ，( 卜1 2 ) 计算得： k z ：垒垒2 ：全2 ：二! 垒! ： 3 m 2 豫= 簪一了m ( 1 1 3 ) ( 1 1 4 ) 浙汀人学颂卜学伊论文 绪论 - a 2 一a ，2 z- * 一，5 习荡万 m = 而 峨一( ) ( 1 一l5 ) ( 1 - 1 6 ) ( i - 1 7 ) 通过以上计算，理论上准确得出了风机叶轮的不平衡质量m 及其所处的角度位置0 。 1 3 动平衡测试仪器发展 从测量仪器技术的发展阶段来看，现场动平衡测试仪器发展至今，大致可分为以下四 个阶段【2 1 ：模拟类仪器、数字类仪器、智能化仪器和虚拟仪器。 1 3 1 国外研究现状 世界上最初的动平衡机是拉瓦切克一黑曼式动平衡机f 2 2 1 ，这是最原始的动平衡机，操 作比较麻烦，精度也相对较低，它主要是依靠机械测量的方法测量振动。随着采用交流发 电机的瓦特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 构测量振动的动平衡机就产生了。随着电子技术的快速发展，特别是大规模集成电路的出 现，依靠数字电子技术，采用单片机技术，开发处一系列的智能化现场动平衡仪器，比较 著名的是以申克公司生产的智能化整机动平衡仪。近三十年以来，高速发展的计算机技术 和仪器仪表技术已紧密的结合在一起，产生了虚拟仪器，基于虚拟仪器的动平衡测试仪器 也得到了飞速的发展。 1 3 2 国内研究现状 我国的第一代模拟类仪器f 2 3 1 ，主要由光电矢量瓦特计和测振仪组成，其基本特点是磁 电机械式，要借助光电或指针来显示测试结果。 第二代数字化仪器以闪频武动平衡仪为代表，可以将模拟信号测量转化为数字信号 量，并以数字方式输出测试结果。 第三代智能化仪器，以液晶显示现场动平衡仪为代表，内置m c s 5 1 系列单片机，集 信号采集、信号处理、不平衡量计算、字符图形显示等功能于一体，具有智能化仪器的基 本特点，其功能实现主要以硬件和固化软件为基础，具有成本低、体积小、速度快、可靠 浙汀人0 i 硕i j 学1 ：、_ ，论文绪论 性高等优点，在测试分析的各个领域，单片机测试系统已得到越来越广泛的应用。 第四代虚拟仪器f 2 4 2 5 ，最具代表性的是现场动平衡虚拟仪器，由于其是用g 语言等开 发的高性能软件仪器，在工程实际中操作不便，现场使用性价比不太高，携带不方便，并 没有得到很好的应用。 现在智能动平衡仪的发展趋势还是以智能化仪器为主要方向，而且随着单片机技术和 嵌入式技术的广泛应用，现场动平衡智能仪器有了更先进，更智能的开发平台，更能适应 各种工况条件转子平衡的需要。 1 4 课题背景及内容 1 4 1 课题背景及意义 大型轴流式风机由于它的电机和风叶都在一个圆筒里，外形就是一个筒形，用 于局部通风，可以接风筒把风送到指定的区域，安装方便，通风换气效果明显。近 年来，在冶金、化工、轻工、食品、医药及民用建筑等场所广泛的用于通风换气或加 强散热。但大型轴流风机的振动现象问题一直是一个令人头痛的问题，它不但会降低机 械效率，增加动负荷，使机器的零部件过早磨损、疲劳，缩短零部件的使用寿命，还会造 成噪声的增大，从而恶化劳动条件，甚至会引起机毁人亡的严重事故。 归根揭底，其原因主要有大型轴流风机叶轮的不平衡引起，尽管大型轴流风机在生产 过程中，在动平衡机上对叶轮进行了动平衡，但往往因为装配误差，和叶片安装运输过程 中产生碰撞或变形导致新的不平衡振动。另外由于风机叶轮的绝大多数是焊接结构，新的 风机叶轮均存在较大的焊接应力，经长时间运转后，此焊接应力将逐渐消失，使得风机叶 轮发生变形，产生新的不平衡量，从而使运转中的风机振动加剧。当然，还有引起振动的 其他原因，最终导致轴流风机趋于不稳定。 考虑到大型轴流风机电机被封闭在机壳内，测相测幅动平衡所需的键相信号只能通过 在叶轮上贴反光片用光电头来获得，但是轴流风机工作时，轴向风力很大，实际上很难正 确获得键相信号，且十分危险。从而很难采用常规的测相测幅法进行现场动平衡测试，如 何解决该类旋转机械的不平衡振动问题具有十分重要的现实意义。 1 4 2 研究目标与内容 本文深入研究整机动平衡原理，提出了一种仅需测得振动幅值来提取不平衡量 浙i 1 人颂i 学f 0 论文 绍论 的整机动平衡方法，研制出一套基于此法可应用于现场测试的整机动平衡仪器，并在 4 7 2 型离心式风机及转子动平衡试验台上进行动平衡实验，取得了良好的平衡效果。通过 本课题的研究，具体内容如下所述： 1 ) 不平衡振幅有效识别方法的研究。 提出了一种仅需测幅来识别不平衡量振动响应的整机动平衡方法，该法首先对原始 振动信号进行二重自相关运算，准确获取转子的工作转速，并以得到的工作转速构造正弦 与余弦信号，分别与原始振动信号及试加重后的振动信号互相关，根据傅立叶级数的正交 性，抑制了异频及噪音分量，从复杂的振动信号中提取出由不平衡量引起的振动信号幅值。 2 ) 测幅整机动平衡方法的研究。 深入研究测幅整机动平衡方法的原理，提出了三次试加重的方法来求解不平衡量的方 法。通过在叶轮上三次试加重，测得有原始不平衡量及试加重共同引起的振动，利用三点 法算式求得不平衡量的大小与相位。 3 ) 测幅整机动平衡仪器的设计与开发。 研制开发了一套基于s t c1 2 c 5 4 1 0 a d 单片机的测幅整机动平衡仪器。重点阐述了振 动信号低通滤波、差分放大、自动量程、信号偏置等信号预处理电路设计，键盘与液晶等 人机交互模块的实现，以及测幅整机动平衡方法及仪器所需实现功能的软件编制。 浙江人学颁 学位论文 测幅移 n 功、i j 撕力法 2 测幅整机动平衡方法 2 1 概述 大型轴流风机等旋转机械在工作中受到不平衡振动的困扰，由于此类旋转机械结构 上的特点，现场难以通过相敏传感器提取基准信息，因而不能采用常规的测相测幅整机动 平衡原理来推导出不平衡量的大小及相位。 本课题深入研究测幅整机动平衡原理，提出了一种测幅整机动平衡方法。该法首先对 原始振动信号进行二重自相关运算 2 6 - 2 8 】，准确获取转子的工作转速，并以得到的工作转速 构造正弦与余弦信号，分别与原始振动信号及试加重后的振动信号互相关，根据傅立叶级 数的正交性，抑制了异频及噪音分量，从复杂的振动信号中提取出由不平衡量引起的振动 信号幅值，通过三点法提取出由不平衡量的大小及相位。为了验证提出的测幅整机动平 衡方法的可行性，通过虚拟仪器l a b v i e w 对二重自相关及互相关进行仿真实验。 2 2 二重自相关原理 引起振动的因素很多，除有不平衡量引起的工频分量外，还有可能存在平行不对中引 起的二倍频分量、油膜振动引起的半倍频分量、其他故障引起的异频分量及随机噪声信号。 一般情况下，由于不平衡量引起的工频分量占主要成分，本课题研究的测幅整机动平衡方 法也是基于不平衡振动为旋转机械的主要故障这种情况下进行的。因此从速度传感器拾取 得到的振动信号，其数学式可表示为： x p = 彳s i n ( 2 万夕+ ) + es i n ( 2 ，r v , t + r ，) + a ( f ) ( 2 - 1 ) 式中： ，一工频； v i 一异频； a 一工频振动信号的振幅； t 3 一工频振动信号的相位； b i 一异频振动信号的振幅； r l i 一异频振动信号的相位； a ( t ) 一随机噪声信号； 浙；1 人学帧p 化论文 预0 f 峨帮帆列j 、l ，i 甄，j 上 t _ 一采样长度； t _ 采样时间。 二重自相关的目的就是抑制并衰减除不平衡引起的工频分量外的其他频率分量及随 机噪声信号，通过二重自相关运算后，得到了比较理想的工频正弦信号，从而确定转速信 息。振动信号的自相关函数为： r 如，锢柳加州，= 击7 了川加州折 陋2 ， 式中： x ( t 卜振动信号； x ( t + o - - - 延时t 时间后的振动信号； 卜廷时时间。 假设 x ( t ) = s ( t ) + a ( f )( 2 - 3 ) 式中： s ( t ) = a s i n ( 2 刀 f i + 3 ) + es i n ( 2 x v , + 仍) ； ，= l 此时振动信号的自相关函数变为： r ，= e 【x ( f ) x ( t + z - ) 】= r ( z - ) + e 【s ( f ) a ( f + f ) + e 【s ( f + f ) a ( f ) 】+ r 。( f )( 2 4 ) 式中： ， 月，( f ) 言号的自相关函数； 研s ( f ) a ( t + z ) 】一信号和噪声的互相关函数； e s ( t + z _ ) a ( ，) 】信号和噪声的互相关函数； 心( f ) 一噪声的自相关函数。 利用信号和噪声、噪声和噪声的不相关特性，当采样长度远大于周期信号的周期时， e 【s ( f ) a ( t + f ) 】和e s ( t + f ) a ( f ) 】都是非常小的值，可以近似的看做新的噪声。至于也( f ) ， 其值除在零点较大外，其余点的值都近似为零。 根据不同频不相关的原理可知，信号的自相关函数尺。( z - ) 相当于各自频率的自相关函 数的相加，工频信号的自相关函数可以表示为： 浙 1 人“贞卜学化沦文测l w i 擎机功、| ，撕力 ： 尺州扣，5 专n t 肛专t - r 卜呲2 咖胂啦帆咖融陋5 ， = 再1 厂等s i n 陬饱) 】+ 等s i n ( 2 斫) 由于采样长度远大于周期信号的周期，式( 2 - 5 ) 中的第一项亍r t m 2s i n 2 万厂( 2 ，+ f ) 】 是非常小的值，可以近似的看做新的噪声，故可以得出 民1 额( f ) = _ z s i n ( 2 n f r ) ( 2 - 6 ) 同理可以得到其他频率的自相关函数： 足小：芝孚s n ( 2 那) ( 2 - 7 ) 一次自相关后，工频信号的幅值与其他频率信号幅值之比增大到原来的2 次方，式( 2 2 ) 可以写成： r 如) - y l ( ) = 等s i n ( 2 咖) 嘻譬s i n ( 2 邓) + a 如) ( 2 - 8 ) 这样，可以进一步把y l ( t ) 当做输入信号，再做自相关运算，由于工频信号的幅值与 其他频率信g - 的幅值之比为a b i ，当经过二次自相关运算后，工频信号的幅值与其他频率 信号的幅值之比为a 4 b 4 i ，当工频分量幅值相对其他频率较大时， 其他频率信号衰减的 很快，近似可以认为信号的主要成分为工频信号，这时就可以有效提取出x - 频信号。 由于实际测试中，单片机只能处理离散振动信号，即只能得到信号x t 】的n 个采样值 x n 】，所以必须通过这n 个采样值来估计信号的白相关函数r i m 】。计算r i m 】的直接估计 算法为 忡吉挚n ) x ( n + m ) ( 2 9 ) 2 3 互相关原理 通过对信号工频的提取后， 值，构造互相关函数 系统就得到了工频频率，。 n 1 y 【n 】= c o s ( 2 ；, r f n ) n = o 为了有效提取出工频成分的幅 ( 2 - 1 0 ) 浙汀1 人学帧f 学位论文测 0 1 鼯 【功、i7 钠力江 式中： n 一采样点； n 一总采样点数； 卜工作频率。 n - l z 【n 】= s i n ( 2 刀f n ) ( 2 11 ) 利用2 1 0 及2 1 l 构造的互相关函数，与式2 1 式进行互相关运算，可得互相关函数 表达式为： 式中： 卜采样点； 1 n l 。f m i r x y ( m ) 2 亩萎x ( n ) y ( n + m ) ( 2 - 1 2 ) 1 n i 。i n l r x z ( m ) 2 雨蚤x ( n ) z ( n + m ) ( 2 - 1 3 ) n 一总采样点数。 m 为延时序列； 根据武2 - 1 2 及2 1 3 分别让y 【n 】和z n 】与x 【n 】做互相关。根据傅立叶级数的正交性， 相关函数具有抑制噪音、异频分量的作用，即y n 】、z n 】与振动信号直流分量和倍频分量 的互相关函数理论值为0 ，而噪音分量a 【n 与y 【n 】、z 【n 】的互相关函数也趋于0 。 取延时m = 0 ，当呆样点数相对较大时，其中工频分量可以近似表示为： r x y ( 。) 雨1 萎n - i a c 。s ( 2 万办+ ) 儿n 】- 导c 。s ( 2 - 1 4 ) r x z ( 。) 雨l 萎1 4 - ia c 。s ( 2 万力+ ) z 力】= 导s i n ( 2 1 5 ) 式中： p 一工频振动信号的相位。 近而可以得到不平衡量引起的振动信号的幅值： 塑翌厶主塑! 兰i ! ! 鲨塞 一j 型堕墼里竖生- 塾丛坠 a ：2 厄万而( 2 - 1 6 ) 原始振动信号与试加重振动信号分别与构造的y h i 、z n 】函数进行互相关运算后，就 可以得到由不平衡量引起的振动幅值。 2 4 三点法 互相关运算后，分别得到了原始振动的幅值与试加重振动的幅值，此时就可以利用三 点法【2 9 1 求的不平衡量的大小与相位。 首先设转子的原始不平衡量为m 。，不平衡相位为0 。，为了确定m 。和0 。的值，需使 用一个已知试重m ，将它安装在转子校正面的某个角度0 ，( 一1 ，2 ，3 ) 上，开动风机，测得相应 的振动幅值为a ( _ 1 ，2 ，3 ) 。一般来说o i 可取任意值，但若取2 7 c 圆周上的等分点，可大大 简化计算，这里取o i = ( i 1 ) 2 r d 3 。针对图2 1 ，使用余弦定理得： a 2 f = a 0 2 + a 2 + 2 a a oc o s ( o , 一鼠) ( 2 - 1 7 ) 并根据线性系统假设可得： 警：l + 善+ 尝c 础_ 1 ) 车一o o ) ( 2 - 1 8 ) 寿“+ 砰+ 面s 【( 1 。1 了一 根据( 2 1 8 ) ，推导出原始不平衡量m o 及相位o o 的表达式： m o2 m ( 2 一1 9 ) 0 0 = t g - t 砰x 3 ( i a 2 2 - 可a 3 2 ) ( 2 - 2 0 ) 通过以上计算，理论上准确得出了风机叶轮的不平衡质量m 。及其所处的角度位置e 0 。 9 0 0 g oj jl 之一，一，。?9彳 ei 。7 q忒1 ) i ：； 图2 1 三点法示意图 2 5 仿真实验 为7 验证提出的测幅整机动平衡方法的可行性，通过虚拟仪器l a b v i e