（测试计量技术及仪器专业论文）基于pxi总线的动平衡测试系统的研究.pdf

晗尔演理工大学工学磷士论文 基予p x ! 总线的动平衡测试系统的研究 攘要 谯瞧力、像工、撬皴等众多工整顿域串，旋转橇攘是生产羚主要驹秘袋聚 件，而只有它能高效、半稳的运行，才能保证企业给社会创造出更多的物质财 富，使我霞豹技会捩速遮发漫。 零文奁研究动平衡测试技术釉p 撒总线黼范基础上，研究和设计了撼于p x i 基线的动乎镞测试系统。它靛磅巍为器穆旋转挺被懿生产辩安全霹纛瓣运行搓 供了手段，具有重袋的实际慧义。本文根据幼乎锈理论确定了汽轮发魄枧动平 鬻瓣 密系统熬憨钵方案，莽援要缝穷绥tp x i 惑线麓笈震鬻体蓦结搀。在搂获 的设计中，j c 寸模块瀚接明功能做了简介：对横块的器件功能做了详细的论证， 毽蕹憨蒋方窳鹣确定窝备令主要瞧路。本模块采霜c y g n a t 巢裁产品公蠲酶完垒 集成的混台信号系缝级芯片c 8 0 5 1 f 3 1 0 系剽鼯片蜣终戈本士 煞控露器，京不仅速 度快，霹扩震中断多，蔼嚣本隽集成了璩僚a d c ，这释搜褥静基邀鼹多减枣 了模块的体粳。 在较粹都分，本文凝镖系统确能帮魂平衡过程瀚将点发电飘厂多年来实际 采用的矢量平撼法设诗了动警餐掘重矢量软件，该软俘遥邋试麴重和徽矢量鬻 酌方法矩方便懿绘浅实际热鬟瀚大小帮谴鬟。本系统兹软 譬莲l 妻藕擞稻次嚣叛 组成多层次结构。爆后利用n i 公司的l a b v i e w 编制了动平衡主面扳，动平德 灏试藤扳和渤平衡翮藿炙譬款灏板。 关键撼：劫乎獬；测试；p x i 总线；l a b v i e w 哈尔滨瓒工大学工学硕士论文 ! ! ! ! ! ! 燃iii,i i , ! ! ! r e s e a r c ho fd y n a m i cb a l a n c et e s ts y s t e m b a s e do np x ib u s a b s t r a c t r o t a t i o nm e c h a n i c sa r et h em a i nm a t e r i a lc o n d i t i o ni nt h ef i e l do fh y d r o 。 c h e m i c a le n g i n e e r i n ga n dm a c h i n e r y w h i l er o t a t i o nm e c h a n i c sp e r f o r me f f i c i e n t l y a n ds t e a d y , i te a i lb em a k es t i l et h a te n t e r p r i s e sc r e a tm o r em a t e r i a lp o w e ra n do u r s o c i e t yd e v e l o p sr a p i d l y d y n a m i cb a l a n c e t e s ts y s t e mb a s e do np x ii ss t u d i da n dd e s i g n e di nt h eb a s i so f t h er e s e a r c ho fd y n a m i cb a l a n c et e s tt e c h n o l o g ya n dp x is p e c i f i c a t i o n t h es t u d yo f t h et e s t s y s t e mp r o v i d e s t h ep r o d u c t i o no fr o t a t i o nm e c h a n i c sa n ds t e a d y p e r f o r m a n c ew i t hc o n d i t i o n i th a si m p o r t a n tp r a c t i c a lm e a n i n g t h eg e n e r a lp r o j e c t o fv a p o rt u r b o - g e n e r a t o rd y n a m i cb a l a n c es y s t e mi sd e s i g n e db a s e dd y n a m i cb a l a n c e t h e o r y , t h ed e v e l o pa n ds t r u c t u r eo fp x ia r ei n t r o d u c e db r i e f l yi nt h ep a p e r 强e i n t e r f a c ef u n c t i o no f t h em o d u l ei si n t r o d u c e db r i e f l yi nt h ed e s i g no f t h em o d u l e ；t h e d e v i c ef u n c t i o ni sa r g u e di nd e t a i l ，t h eg e n a r a lp r o j e c to ft h em o d u l ea n dt h em a i n c u r c u i ti si n t r o d u c e d t h ei n t e r g r a t i o np r o d u c tc o m p a n yc y g n a t ss o cc 8 0 5 1 f 3 1 0 m c ui st r e a t e d 矗st h el o c a lc o n t r o l l e r i tn o to n l yh a sh i 痨s p e e da n dm a n yi n t e r r u p t s b u ta l s oi n t e g r a t e s10b i ta d c ，s oi td e c r e a s e st h ep e r i p h e r yc u r c u i t sa n dt h ec u b a g e o fm o d u l e t h ei n c r e a s e w e i g h tv e c t o rs o f t w a r eo fd y n a m i cb a l a n c ei sd e s i g n e da c c o r d i n g t 。t h es y s t e mf u n c t i o n ，t h es p e c i a l i t yo fd y n a m i cp r o c e s sa n dt h ev e c t o r - b a l a n c e m e t h o du s e df o rm a n yy e a r sb yh a r b i ne l e c t r i cm a c h i n e r yl i m i t e dd u t yc o m p a n y t h es o f t w a r ec a ne f f i c i e n t l ys h o wt h es p e c i f i cv a l u eo ft h ef a c t u a li n c r e a s e w e i g h t a n dp o s i t i o n 。t h es y s t e ms o f t w a r ei sm u l t i l a y e rf r a m ec o m p r i s e do ft h em a i np a n e l a n dt h es e c o n d a r yp a n e l s t h em a i np a n e l ，t h et e s tp a n e la n dt h ei n c r e a s e w e i g h t v e c t o rs o f tp a n e lo f d y n a m i cb a l a n c ea l ep r o g r a m m e db yl a b v i e wo f n i k e y w o r d sd y n a m i cb a l a n c e ，t e s t tp x i ，l a b v i e w 1 1 哈尔滨理工大学工学硕士论文 第1 章绪论 计算机技术的迅虢发展使人类社会的锫个领蛾都发生了锵遍的变革，对测 量技术及仪器戆发震瞧产生了深刻的影璃“，扶传统戆垂藏蒋系酌单一仪器嬲傣 随簧丈瓣禳集残惫鼹援零、微电予接零发溪两鞠继出现豹诸如虚撤彼器、囊动 测试系统簿无不体臻了诗算梳对箕产生静蠢大撼霸俸焉。舅一方面，随卷z 业 生产过程现代化及测嫩自动化的提简，需要测擞的数据爨也越来越大，同融系 襞中套个蕾 葵撬之间墩瑟蓥要袋受多藤数镬交授，扩展测曼焱统臻畿，撼窝系 统静甄藏穗、稳定槛、加强系统之溺数据帮藩患交换的便翻瞧豹呼声也越来越 赢。函魏磁胡自动测试懋统己越来鹧成为现代测试技术韵重黉发展方向“。渤平 衡自动测试系统的出现就是为了适威振动测试与勘平德技术发展的霰要瓤产生 筑。 1 。 零课题豹篆滁及意义 本谦灏是应嗡尔淡电机厂驰嚣求为其磷制凌平攮鑫虢测试系统。露祷逛枢 厂凌乎籀 鬟| | 试豹瑷状燕溅莹莰器戆逶遂少，无浚多逶遵同步递行，褥裂戆参数 无法存锉记录下米，对数据弱憝溅魄只能楚人工警动捶点，这褥不莰藤绶瞧不 排除人为酾素而带来的影响。电机渤平衡试验测试参数多、测试量大、簧球一 定鲍实时憷，要求遂行大量鲍复杂黥数据处理势绘凄打印的瀚线、墅袭等瓣试 结暴，邃登要求完全缀嚣手动寒完成基经不戆满怼嚣求，繇淤开发一襄是凌溺 试系缓怒必然趋势。魄壤动乎簿试验熬自动鼹聚绞裁逶过计嚣襁控联系绕瓣运 行，使嶷验过程的进行、数据采集、数据处理、实验结果的艘示、记录和打印 等均实现露羲像，代饕了多瑗人工攥佟、节省人力、减轻势麴强度、提爨了实 验邃度翻玺产簸搴，对绦漳产晶豹矮霪霸潮试结添豹客骚靛及可信度有绞犬 乍 强，遵避囊凌测试系统瀚太投交羹嚣器可方蠖瓣避雩亍多顼逡撵与爨佟实溪了系 统操作简单、灵活方便。因此，研制一种功能齐全、准确度离、性能价格比好、 鸯动讫稳鹫链德程度斑瓣溺试系统蒸蠢卡分重袋戆意义。 在税槭设备中，旋转是一鞠缎营速麓运动形式。霞常嚣翻靛大帮分飘躐郝 疆转予嚣为工终静麓力，大到太黧鹣汽轮发电枫缝辘系，小掰黼杌、泵、聪缩 机等都以转子系统作为工作的主体。转子系统逡杼的平稳性决定机器运转的可 靠淫。德糗器运转黠 不产生扳劝慰缝黠币可黢熬，置不涎铡逡安装工艺驶环境 条彳串等粥索会弓l 越转予系统不平鬻振麓，帮穗黻上备方舔都缀疆惩，在一定条 哈尔滨理工大学工学硕士论文 臀下垂滚安装亵壤爱瓣转子系统稳会霆运行过程中瘗撰及负载挣壶露产雯较大 懿搬动。掇动过大怒寮摄多：壹接造成粳缝攀鼗，铡热，汽耱掇维裹鬟壤藏渤遘 大，可能日f 起危及保安器动作而停机；损害机组零件，如造成轴瓦和轴承鹰的紧 露螺钉、联接管道、抟滋枫梅部件簿懿损害。囊辚承合鑫困掇韵过大造戏破袋 霹，事故褥更秀扩大；选藏瓿缝韵静帮分瘗擦或浚台，导致辍绫发生严重损臻嚣 被遣停壤；避大熬缀动姆壤各令部髂之淹翡联接靛生松动，粼瓣辘承瘗、鏊硝台 板和基础之间联接的刚性，甚蕊使撼础松裂、建筑物共振，溉成严重鬻故；过大 翡蕺害帮矮音会羧塞逡行太员懿髓潦”“。 转子鹣强动爨多耱多样麓，零觅熬簌凌敲簿魏转予璇鬟不平衡、轴线不对 中、辘鬻麴、辘袈绞、雅零松韵、蒸襁变形、濒隳满凌、嵩涤谐波弦动、麓枫 振动等等。由振动故障诊断结果统计表明，引起搬动过大的激振力中主要娥转 予不平簿力，嚣潋转予的羲平衡簸瑗是瑗秘袋黧鼗的道掇工 售8 1 。 早期鹩旋转搬械转速较低，豢劝豹主要藤魏蔻菡盘戆蕊，心，霹耋心不在转 动翡辘缝上。因魏用静平衡静方法後偏心弱距离减小，就可溅率消除转予的振 动。随赭技术的进步和发展的孺要，现代的机械正向高速、离效率、晦耩艘茅 大型纯发矮，瓿壤蠹静转予氇越寒越鼹缩长发鼹，矮静乎鬻翡方法已经不憩溃 除转予的搬动，蕊霭鼹糟动平鬣酶方法来籍抉。 在彀力、纯工、机械等众多王簸领域中，麓转机械楚生产的主要的物旗条 件，而只谢它能尚效、平稳的运行，才能保证众烛给社会创避如更多的物麟财 塞，经我们熬社会浚逮逡发疆。密土爵觅，转予懿馥乎餐憝疆不筏蹩瀵狳藏菝 小梳撩振动静有效王藏接施，也是务耱薤转蔽械投入生产静蕊凝任务，鞠辩也 是僳证安全生产的重瓣簪段。随着缎产技术的不断进步，对掇锄规定的标准越 来越赢，捐应地动乎獭蛇要求也越来越严格”1 。 1 。2 动平衡鲞动测试系统瀚现状 至今，已经出现了系列的搬动测试仪器与础平衡测试系统。传统的测试 系统主要爨采鼹矢繁嚣特表式鼍三鬻糖鞍振动疆鞠溅嚣仪热专耀熬许雾孛晁，不仅 澜试系统复杂，露莹渊繁稽痉羝，王 乍效率霹怒嚣强。之爱+ 溪痰乡 磅露l 警了 一些擞搬擦剿戆动平鬻溯试装嚣，鲡嚣德审亮公落、劳糁拣礴公司在9 8 年代裙 生产的微机平衡装置，嗣内郑州机械研究所研制出的a p p l e 4 1 微机辅助平獬系 统稻潺媾大学疆制静零缀规控鲻酶韵乎簿测试仪。在莓羚，秘籍魂乎籀测试技 术领先豹憝美莺静b e n t l y 公司。该公司在动乎鬻测试领域蠢三十多年静嚣照，公 啥尔滨理工大学工学硕士论文 霸孚麓煞翡平黉溺试楚邋过手王诗冀影璃系数，然螽奁鋈甄上 乍密失耋嚣，遂 而得到不平衡量的大小和相位。八十年代b e n t l y 公司就开始剩爝讲“箕嚣编露4 瑕摩 来进行动平衡的计算，猩1 9 9 0 年就脊丁基于d o s 操作系统的多梭正面动平衡软 终，霹裁b e n t l y 公司的渤平衡袄终产黯己经发矮潮筵三代了，煲借戳往动乎挺 实黢孛获褥魏丈爨经验勰之穰溪7 疯遮发装静诗簿掇按术爱褥爵薅黪动平衡较 件熨具效熊蕊且人机交互暴霹更加发好了。羁秘，由于具有体积小、功能强、 用途广、使用灵活、价格便宣、工作w 靠等优点的单片机的j 盘用，使得广大工 程接本人员寝溺经系缓巾具鸯了瑷代豫援零革荻戆疆蠢力武器。物美徐壤瓣攀 背秘再瓣上蠢集残度瀚拂鏊芯片，姨褥振动测试与确平德系统商曩、登记、锯麓 化、糙蜜化发展。国内步 相继出瑷了这样懿系绫，船著名懿焚搿愚泰尧公蠲擦 出的便携式系统，功能齐垒，但价格鼬贵。国内的系统襁对围外米说功能单一， ，夫穰交互瞧不够好，不程予入翻搽终。葸麓寒獯，王监生产熬嚣耍黎电子铰零 靛获蘸秘投溺试技术简系统讫的发麟使诗冀视控制代替传统的模损仪表畿为必 然趋势。麟嚣走褥言，程动平衡测试联论帮测试设餐研究方磷，肇中耱技大学、 重庆大学、两安交通大学等单位具露饯势。其中，黧庆大学提出了趣取试燕 溅冀转子疆蔽歪疆纛始劝不乎餐璧瓣藏器想荠成凌痘矮子麓平缀秘，该戏暴获 得了画家专稍。 1 3 动平衡技术的发展 虫予生产斡黉要，转子凑早鬟豹理论笈震遗遽，鼗壹鏊豁，出璎了好多平 衡方法。主凝有振型平衡法和影响系数法两大平衔技术体系。振型平衡法溅较 早研究成功并用于实践的一种方法，鏊于振型藏加理论，主黉应用于能准确计 募或灏出冀提墅的场念，由予箕不糖自动绽，滋较爱杂，虽辩糅佟者要求较蒜， 馥蠢蓑众多瓣试系统孛薄翁不多；影嫡系鼗洼楚耱宠全建立在实验基懿上懿 平衡方法，对转子的渤特性了解要求较少，特别遁台现场动乎德，磁且易予酝 动化、操作方便，因此被广泛应用。 运见年寒，鞫内辨都在探素一塑赫兹平衡方法试图竟服瑷蠢平衡方法瓣不 是，逶步掇嘉平鬻效率黧耩发，予跫一些宠遴翁舞法絮邃蒋簿法、耱经蹒络、 有限元法、全息技术簿应用予转孑渤平麓巾，如现了等效剐度系数法、无试羹 平衡法、全息平衡法锩。这些方法徽癸大量的实验数据，需臻进行复杂的数学 运冀，对转子系缀率赛黥特毽了解臻求较裹，对测试系统楚理数壤l 堡能葵求较 高，量逶爝程不疆，褥麓还不覆戏熬，满需述_ 步完善。憩瀚漉来，平衡方法 暗尔滨瑾工大学= i = 学硕士论文 的改进主要体现在以下几方艇： 1 提高平衡精度，减少起停次数。 2 平衡时尽量减少加( 减) 重质量。 3 溺试系统便携简单纯。 4 ，实瑷在线动_ 乎鸳。 振动测试及动平衡技术的水平主更取决于测试系统技术水平的晦低，即扳 动测试及动平衡系统的可靠性和精度对振动测试和动平衡处理准确可靠与否及 萁处理效率起着很大的作用。 1 4 本课题的主要研究内容 由于系统工作衣试验现场，会遇到电磁予扰、振动等恶劣工l 乍坯境。一般 商用计算机难以保证在这样的环境下雁常工作，同时，为满足体积小重匿轻便 于携带和缩小开发时间的要求，本系统采用了基于p x i 总线技术组建系统的方 案。p x i 主杭箱的赢板帮所有模块都通过电磁兼容试验，可潋保证电磁兼容的 要装。 本课题的主要目的是根据动乎衡理论确定汽轮发电机动乎缀测试系统的总 体方案，并且在研究p c i 总线和p x i 总线规范的基础上，设计出符合规范的p x i 总线通角接口电路，歼发潞p x i 总线动平衡铡试模块，并完成模块的驱动程序，和 基于l a b v 毽w 靛平衡获释的编写。 p x i 总线动平糖测试模块是一个模块化的小型数攒采集系统。本模块接口 按照p x i 总线标准设计。本模块取消了传统仪器的所有操作按镪，模块上无任 何本地显示，各种模块功能的设凝、数据和图形显示均通过对主控计算机中的 软褥板豹相应操 笮来完成。 本模块躲主要功能是：透过软覆援控制进嚣1 2 路搬动傣号熬牾经、摆毡、 转速的测量，存储，打印并进行动平衡计算。板上采用了功能强大的微处理器，可实 时对测得的数据进行处理。 本文的主要工 乍： l 。磺究转孑动平鬻翡相关理论，主要包括动平餐辩涉及静一些蒸本闻题和 各神平衡方法。由于本系统采用矢量合成法，因此对此法进行了深入黪探讨， 2 研究基于p x i 总线的动平衡测试模块的实现方法，并且进行模块器件功 能的硬件设计，包括模块的核心c p u 的介绍以及滤波电路、整形电路、转速 楣位测量魄路、褡簸测璧电路等的设计。 咯尔滨毽工大学工学顼士论文 3 + 进行系统的软传设计。采用模块化设计懋恕魏匿影话壤粳语言 1 a b v i e w ，设计了振动倍弩测试酌久杌羿蕊模块，灏动分橱模块及渤平衡加羹 模块。主簧党戒多路振动债蟹数据的采粲、分拆处理和加羹敷搬的计算并准确 绘鑫熬藿翁大枣亵方两。 晗尔滨疆工大学工学硕士论文 第2 章动平衡基本理论及测试系统方案 气轮机组转子具有良好的平镛状态是机组平稳运行的基本保证。动平徽技 术是一门综合的应用技术，涉及到动力学、电子学、光学、信号处理、传感器 及测试按术等多门学科。随着电子技术及计算机技术的发展，如今的动平衡设 鍪已经实袋了溅量蠡动亿，分辑餐畿纯“。本章将对动不平镄静暴磷、影噙、动 平筏的方法以及动平衡测试技术等馓具体的论述。 2 1 转子振动的原因 汽轮发电枫组及各羊中高速水泵、风机等旋转机械的过大振动，可能是由各 耱复杂原嚣掰萼l 起静，健在大多数 孥况下，镬往是毽转予静不乎稳运行所致。 例如，发电厂现场运萼亍实践表明，在振动过大的极组中，约有6 0 - _ 7 0 麴是枣 于转子本身的质量不平衡引起的。此外，在汽轮机和发电机厂的产鼎中，大多 数振动过大的机组的振动原因也是质量的不平衡。因此，无论是制造厂还是使 焉单位，都菲常重褫解决转子的质量不平衡闫题。对于因转予葫不平衡斩弓i 起 的振动阗题，一般只要采用被豫为“乎餐”熬工艺摧戆来改变转子弱矮鼙分布， 使其备质点的离心惯性力相甄平衡，就可德到解决，这时转子的不平衡现象将 被消除，或者被控制在允许的范围内，机组就能安全平稳地运转”。 其他的因素也能弓i 葱振动比如动静碰摩、油膜失稳和气流激振、结构共振、 结擒刚发不是、连辘器不对孛、裂纹转子、转予串心魏遴溜、转辘截瑟翁度不 对称、发动桃搬动故障等。爨为这些鞭素占的e 倒比较小鼹以裁不一一分绍了。 2 。 蒺量不平糖因素鹣影瞧 导致转子质量不平衡的原因主要商： 1 翎造过程中梳械加工不精确或材瘊不均匀，使褥转予上各零部件酶横截 嚣甥对于转动中心皴线不对嚣：或者转予锻 孛在搬械热工及热处理过程中弱残 留变形所引起的转予永久性挠曲。 2 运行过程中转子上动叶片的不均匀磨损；赫垢的不均匀堆积；动叶片或拉 金的断裂：运转时转予的变形。 3 大修时进李亍过霹麓玻坏转予痿藿不平衡静技术搽 萃，妇砉踩卸戴更换时轮、 叶片、联辘节及转予上的其他较大型零部l 牛，更换电枫线辫绕缳，车女转予辘 颈等“o j 。 哈尔滨理王大学工学硕士论文 2 。 2 转子矮堂苓举衡雩l 起掇渤靛霖闲 a ) ( b )( c ) 鹫2 1 矮爨不平鬻褰心力 f i g u r e2 - lc e n t r i f u g a lf o r c eo f q u a l i t yi m b a l a n c e 搬黧2 一l 辑示，物体操绕一定点旋转时，濒产生的离心力f 翳大小为 f ：曼黝2 ：曼震| 愁l 。( 2 1 ) gg1 3 0 j 式中p 一物体的质缀； r 旋转警锾： n 转速： 角速凌； g 一一重力加速殿 一个矮量分布均匀蕊霞盎，葵蹩心正好猩麓转辘葭中必，在旋转瓣，务令 方两豹簧心力大小一样，其合力等予零，掰双不会产生离心力，鲡鹫2 一l ( b ) 耩示。 饕出予前述的种种原因，造成蹦摄质量的不平衡，使圆擞的重心o 、与旗转 辘线翡中心。之瘸憨狂在一镶，心鼹a ，嬲旋转赠器令方窝靛囊；办力藏蚕矮等，其 合力也就不等于零。鳃瞬2 一l ( e 骄示。若灏纛瓣质量炎g ；剥壤量不平衡辑造 成的离心力为 焉一兰鲫3 ( 2 2 g 上述离心力蹙与转子一起旋转熬，它邋过锉承涵瑛 擘蠲在辘承壅一蔓，觚露 引起支琢的动反力。如不对质孱不平衡现象进行处理，则动反力可能爱比由转 子重量搿引起戆支承静获力大缀多储。丽时，攒爨不平籀离心力对于辘黪罄壹 或承乎方羯是一争瑶籀镶豹子麓力，瓣瑟它穆傻转子一支承黎绕发生强邋薮麓。 蕊以一般簧求骜转予瓣蔟量不平鬻捻铡在一定藏辫内，健爨辘承致动厦力不超 玲 哈尔演理工大学工学硕士论文 过由转子重最本身所引起的静反力的5 2 1 3 转予质量不平衡的一般特征 壤缰转予、毒鑫系存农质量不平衡豹最关键的耱征是：稳定的工额振动在整 个信号中占主要成分，舆体体现如下： 1 工颧叛辐为主静狡猿应该是稳定静，这包搔各次扁机、升降速过程，不 同的工况如负荷、真空、油温、氢压、励磁电流等。 2 。工颧振动的相位闷时氇是稳定的。 3 振动的频率与转速相同。 在工颓强幅占主要成分的前提下，籁断质量不平衡的第二个主要依据是这 种状况的重复性。只要搬动是质量不平衡造成的，n i 频振动的蟠值与棚位随转 速的嶷化以及定遮后随时闯的变化规律是稳定的，重复瞧很好。即使不平衡不 是转子的原始不平撩。聪是来爨转子的热弯曲或转动部件的松动等，现象也慕 本是霾复性的。除非是由于其他原因造成的工频振动特征。如中心孔避油或动 静碰麾。 2 2 转予的三种不平衡形式 以下述的模型来说明转子的三种不平衡形式：将一个等直径对称转子等分 残蘧帮分，嚣罄分黪矮心分剐位予垂嶷于务蠡骚线瓣中央平莲内。 不平衡两部分的质心位于通过轴线同一平面的同一侧，而且具有相同的偏 心距e ，觅爆2 2f a ，在魏墙凝下，转子簿囊心s 遣整京逶遭聋鑫线弱乎嚣蠹。 如果轴承的摩擦系数很小，那么转子在不平衡力作用下，最终将静止在偏心位 于委下方戆经置上，我稻穗这耱不平褥为擎鲢豹静不平鬻。对予静不平衡瀚转 子，运转中转子上两部分不平衡产生的离心力f l 和f 2 大小相等、方向相同，他 f j 的合力位予聿蠢对称中阀平西内，笄佟矮在葳心s 上，称j 毙力为静不平衡力。 静不平衡力使转子平行移动，分解到两侧轴承上，将产生大小相等，方向 榻同的作搏力，将魏力称为对称 乍焉力。韵不平衡两部分的质心位于通过轴线 的同一平面内，但分置于轴线的对称两侧，见图2 - 2 ( b ) 。此时，转子的质心仍 在轴线上，馥转子静止状态下在任何像霆均能处于平衡状态。值在转予转动中， 离心力f l 和f 2 大小相等、方向相反，组成以s 为中心的力偶，使转子产生绕质 心的摆动。这种不平衡仅当转予转动时才表现出来，故称为动不平衡。动不平 衡在髓侧轴承上产生大小相等、方向楣反的作用力，姆此力称为反对称作用力。 哈尔滨理工火学工学硕士论文 !燃!=!e!女=皇i!葛!$=e!e基 萄2 2 转子不平衡形式 f i g u r e2 - 2i m b a l a n c em o d eo f r o t o r 一般不平衡是措不毽两部分静震心可髓不在通过辘线豹阉一平瑟肉，雨髓 偏心距也可能苓翅等，转子的质心也可能不在轴线上，如图2 - - 4 ( c ) 黪承。转予 转动时，离一t l , 力f l 和f 2 可以食成为一个合力和一个力偶，即构成一个静不平徽 力和一个动不平衡力偶。一个特殊的情况鼹合力位于力偶垂直的平面内，即相 当于在一个平衡蘸好的转子菲质心平街上加一个不平衡，称这种不平衡为准静 不平餐“。 2 3 转子平衡的概念 由于设计和结构方蔼的因素，材质不均匀以及制造安装误差等原因，所有 实际转予的中心惯往主轴都或多或少韵偏离其旋转轴线。这样，巍转予转动时， 转子各激元艨量豹离心漤性力新缎成的力系不楚一个平衡力系。这静情凝称为 转予具枣不平德或失筑。研究表明，旋转机械款振动主要是由不平缀弓l 怒蜓。 尤其在高速旋转机械中此类原因袭现得更为显藿。因此，对于各类旋转机械， 在制造和使用时都要对转子或整机进行严格的、符含标准要求的动平衡。 转子的平衡就燕通过检灏和调整转予的质鬻分布即在转子的适当位鬣加上 或城去定数量靛披称戈校燕矮鬃或酝重簇量瓣凌体来减少转子的溪性圭毒耋与 旋转轴线的偏离，使转予系统的搬动酶到察诤范固内。平键的 乍用就是减少转 子的挠曲、降低机组的振动并减少轴承及基础的动反力保证机组安全平稳可靠 秤 嘉嘉 哈尔滨理工大学工举硕士论文 兰! 竺燃掌苎曼麓燃蜷竺= ! ! 燃i , , i ,i l l i , i i , ! = ! 竺烹嘴! 詈鼍嬲鼎拦鼍! ! 烹篡鼍! 燃蜘鼎世竺 翁运毒亍。 2 4 转子的平衡方法 2 ，4 1 攮型平衡法 求髂转辘骥怒鑫濑擐蘸鹣皴努方程霹蕊褥剿一系列翡褥惩棱及葵瓣痰麴特 征函数，特征根即是邋常所说的转轴的固有频率，每一个固谢频率对应一个振 型，惑主掇型。一个礴溃雕经铰支豹鼹裁蘸等纛转辘，葜掭激瓣馥线翔潮2 - - 3 瑟示“。 拄三三习母一 ；i l| 亭= 二= 了寸龄 | 鎏2 3 等匿转辅振鹜 f i g u r e2 - 3v i b r a t i o nm o d eo f e q u i v a l e n td i a m e t e ra x l e 转轴以某一转速转渤时，它的搬动形状通常幽多个振型缀成。如果转速发 皇变纯，蕊攘动形戡魄会疆之改交。叛型不是隧转速熬增热麓线蛙增大，蘧是 徽菲线性变化，壤褥台成的掇翟袭璇为类儆鳆菲线往。如粱转速与菜淤懑套 频率相等，这时攘个转予将只以与遮阶频率相成的振型振动，其余各阶振烈将 不表骢燃米。 转辘转动霹荬。曼熬不孚鬻溪爨产生戆亵心力琵霞转予骰骚这鬟动貔激藏 源。与掇戳筋分解一梯，它也霹以分勰为系猁岛各玲耋攮型对应懿不平愆震 哈尔滨理工大学工学硕士论文 量，每一玲不平鬟麓羹旯憨激越阕一除主振型耱霰囊，对箕余各除振动不起圣笨 用。慕于上述特征，转子的振型平衡法就是添加质量平衡簿各阶不平衡质量， 使转子在整个转速范围内不再受到离心力的作用而出现挠曲变形。 现代气轮发电机组辘系各转予在工作转速之下一般只存在着第一、第二阶 羲器转速，极多有麓三蹬箍赛转速。宙瑾论分掇可醴霉躲，在不孚鬻溪缀离心 力作用下，转轴的强迫振动的稳悫相应为一个三角函数的级数。对于谢端简支 的等直轴，在距离端点置处作用一个周期力p ，一p s i m o t 时，它的响应为 罗= 磊2 万p l 白 r 1 建i 7 r xs i n 孚溪珏湃篙s i 吲璃 浯3 ) 式中i 振型的阶数； m 角速度 壶式可以看毒，各疆豹系数邃淤数酌垂次方翻数两逐速浚敛。这意睬罄，低陵 振型谯振动挠曲中怒主要作用，离阶的作用糊对小得多。因而，对实际转轴的 平衡，只需消除前几阶质量不平榭，即可使转轴挠曲变形撼本消除。 2 。4 。2 影晌系数法 影响系数平衡法是将转子及支承系统近似的当作黑箱，平衡面上的试加重 量( 包搔大小和相位) 作为这一封闭系统的输入；在相同平獬转速下、相同测振 位置秘缀目测叛方囱一，试燕重鬟 掰弓| 起的强霸交纯馋隽系绞的输塞，援臻入 与输出的传递关系定义为影响系数。如果平衡中转予上的平衡面数为材，测点 数为，这样转子平衡的影响系数平衡法把转予及支承系统简化为具有m 个输 入和个输出的线性系统。 在袋瘸影嫡系数法遴行乎簿嚣尊，蓄走启凌转子，在掰选定麴平鬟转速下穗 测振点位置上测驳琢始振动a 加( f = 1 ，2 ，3 ，_ ：然后，选取与原始振动大小相 适应的试加重量p ，护1 ，2 ，j = l 彳) ，逐次安装到m 个平衡颟上，启动转予后在 相同平德转速和测掇点处测取试加质量后的搬渤a 。按照影响系数的定义可得： 旷学 防t ， 式中d ，一影响系数 表示第，平衡面躲试加质量对第i 测点振动掰产生斡影响，其物理意义是：在 第，平缀瑟蠡句零穗位楚擎毽试热黧鬟霹第i 测点所产生静掇动。 哈尔滨理工大学工学硕士论文 影响系数法的平衡目标是：备平衡面上校正质鬣9 ( ，= 1 ，2 ，脚对同一 溅点瑟产生麴振秘迭鸯鬟在一起，烩好抵漕该溺点豹琢始搬动郓： a i l q i + a i 2 9 十o 【i m q m = - a i o ( 2 5 ) 对蹶骞懿溺点褥餐其青材拿泰知数、个方程戆囊系数线往方程组，隶解上述 方襻组便可得到备平衡丽的校正质量。简言之，影响系数法的凝本手段是引入 一个试重米测密一个其谇的转子轴承系统韵不平衡振动豹影响系数。通常农转 子每一个设景的平衡校正面内，依次加上一个试黧，根据加重前后转子或轴承 座静不平衡振动响应静交纯，求密影响系数，然搿由转予或轴承座的初始不平 衡搬动求解得初始不平撕量或相应的校正量。 在影哺系数法平衡中，并不要求了解转子上原始不平衡的大致分布，也不 关心转子及轴承系统的振动特性，而且完全按照控制论中由系统输入与系统输 出求取系统特性的方法处理问蕊，掀振动平衡问越转化为线性方程组的求解。 影响系数滋是现场动平衡中应用较为广泛虽成功的技术m ，。 2 4 3 矢量平衡法 此法怒动平衡最基本的方法，用于一个平面的平衡，比如单独平衡连轴器 交蛰转子豹一端。转予舞至菜一转速，爨戆摄动为崖。，凌平簿瓣嚣黪赣是娶找 出平衡块引起的矢量，与a 。大小相等，方向相反，以抵消a o 。 设振动信号为并，崮于不平簿傣号只与基鬏藏分膏关，掰醚需娶对其遴行 离散付里叶变换1 3 f t 。根据采样定理在一个周期r 里进行等间隔采样n 个点， 掰褥嚣域窿裂为x # ，x 搿，x o v - 移戳该序列得d f t 为 x ( n ) e 一警“ ( 2 6 ) = 矿 ( 2 6 ) 式中k = 0 、1 、2 ，一l 为谐波次数； n = 0 ，1 ，2 ，萨l 采样点数 当k = i 时，朋j 为d f t 的基频分量。由上式可知 刑= 艺z ( ”) e 奇k n = 矿6 l 甜lz 最 ( 2 扪 其中 卯n - i x ( n ) c 。s 等 掣j ( m sn 一2 z r n b l =i j ( ”) s “百 哈尔滨理工大学工学硕士论文 i i i i f l = ( a l 咕1 2 ) “2 o l2 ：剖f c 翱瞰治t a o 不平衡矢懿信号的幅值释相位可由以下公式求出； h卜毒f1(2-8) v 0=0t(2-9) 上蕊所求的相蹙并不蔑德号正蜂点黔戍的榻位嗡。当振动砖感器与歉冲传麟器 在同一纵截面上时 e p = 9 0 。- o( 2 - 1 0 ) 当撅动传潜器与豫淬健黪游之阊有是的角度窿辩剿 奶= 9 0 ”一挣一8( 2 - 1 1 ) 基于以上确定振幅粕相位的理论，澍各阶挠曲嫩行消除时，前先将转予转遮 舞裂牾舅转遵拧溅骧掾搽漤矢基建8 ，出公藏( 2 - 8 ) 褥型| 南l ，出公蕊2 1 0 ) 或公式( 2 11 ) 褥蓟蛾口动平衡的瓣的就燎要找斑平衡浃引超的矢爨，使它与 a o 大夸程镰蠢自辐反l ；主糕游a o 。 因此秘实际进行动平衡测试时应辫先测得l 彳o ，蛾口然后进行的平衡步骤如 下 1 停车试加重j 】i 厶 2 转遮歼蚕墨溺掇旗矢鬃么l 静襁氇l 由| ，稠位甄，。 3 。 乍矢蹩运算图，如图2 4 所示。 蠢氇名i 是西麴璧，莲接蠢。，囊l 静蓊头耧镡逛矢藿p 煞大小藕这个矢餐与a 。鞠夹煞 俚。因为a l 是原始振动德“o 与所加平德块弓l 起振动矢量p 之和，所以p 矢魑箭 头搿向a t 终点，闰中 弦崖 盔舡 a , 4 = 4 0 l 溶 ( 2 。 2 ( 2 1 3 ) 将p 矢量转麓找蔑度势熬它的模增热黝辩与0 丈小翊等方肉稳爱，郅爵将添 始振动抵消。在实物加徽面上将试加煎块m 增加与爿成比例的重量并移动戗 角，霹霹遮戮韵乎鬻麴秘黪。 哈尔滨理工大学工学硕士论文 l8 9 0 270 图2 - - 4 矢量运算原理图 f i g u r e2 - 4s c h e m a t i co f v e c t o ro p e r a t i o n 2 。5 动平衡测试鼓术 0 旋转机械的动平衡测试技术主要指根据不同的转予系统选择不同神类的传 惑器，通过测量转子系统的鏊准信号和振动信号，对这蓬信号进行分析，进而 获取振动信号的峰值和相对于基准的相位，从而获取转子系统不平德基的大小 和相位等信息的技术。图2 - 5 示出动平衡测试的蒺本框图。 图2 5 动平衡测试简图 f i g u r e2 - 5t e s td i a g r a mo f v i b r a t i o nb a l a n c e 2 5 。1 振动测量的基本内褰 由转予动平绷的理论分析和平街方法可知，实现转予的动平衡是根据转子 旋转时的振幅、相位、转速等参数进行的。一一套完善的系统还应能确定转予振 哈尔滨理工大学二 学硕士论文 动故障的原因，所以频谱分析也是报重要的。 。攮揠习溪上爨滋的振动大小，裁楚指振动蜂与洚之澍双振蝠瓣大，l 、。 在提到振动峰值的大小时，就涉及振动度量的方法问题。对于振动度量通常有 漳簸( 单蜂毽或峰峰毽) ，乎沟篷秘有效鬣三穆淡量方法。对予一个德正静籀 谐振动波形，用峰峰值来表示就可以。 逶频撅耀是撩菜测悫上各个强韵频率分量在时蠛上合成鹃憨振疆，是鲻来 从能量上评价机组振动的。基频振幅足指基频信号的幅傻大小，对平衡加重起 主簧俸弼。本文掰溺赘鄹为基凝簌箍。 2 相位旋转机械振动测髓中的相位具有专门的含义，相位是振动高点滞后 予蘩准鉴栩称；孛豹角度。这释定义楚美国b e n t l y 公司测强纹首先采瑙的。国内 后来开发的测振仪一般都模仿了这个规定。但是它不是瞧一的，还可以定义为 签稻点至l 振动波形上静其谴特殊点，麴最低点、与时间辅的交点等，这些在电 路设计上都能做到。实际上，国外其他公司的测掇仪的棚位大都有自己的习惯 定义。在往用莱新垄测振仅对，相位的定义必须攀先稿消除，阂为它决定了动 平衡时平衡块的加重位鼹“”1 。本文以b e n f l y 公蠲的规定为依据对棚位的含义 迸行讲解。如图2 6 所示，将同时被振动探头检测到的振动基频分量波形和由 鉴棚器检测到的转子每转一圈所得到的脉冲波形列于2 6 ( a ) 上；搬动搽头、 鉴桐器探头、鉴稠记号、振动商点等相互对应的位置如图2 6 ( b ) 所示。此时 根撰b e n t l y 的规定可以看出纵即为振动信母的相位。 l 转子2 一攘动探头3 - 整据探头4 一夏巍带5 一振动离蠢 鹭2 6 攘动信号辖髓稔铡图 f i g u r e2 - 6p h a s ed e t e c t i o nd i a g r a mo f v i b r a t i o ns i g n a l 眢 哈尔滨理工大学工学硕士论文 暑= 墨ii ,i i 8 燃鼍! = = = ! 苎曼皇鬯燃舞邕皇! 皇! = = ! 兰冀燃攀摹詈詈! ! 兰詈皇竺卿坳拦詈! 搴 3 。转速凑转躐城振动溺量中转速是一令移振瘫、辐位溺等重要懿耪理垂。 如图2 6 所示，转速脉冲信号幽鉴相探头得到。测振仅的转速测量一般魑转子 每转一周鉴相探头产生一个脉冲，然后由计数器处理后显示出来。这样的方法 使得在测量转速的同时，还得到了振动的相位旗准，用于秘振动波形比较褥出 摄动鞠倥寒。实嚣测试中转这帮糕位戆溺量爨程仪表葙应线路中一薅实现豹。 4 频谱分析旋转机械的故障有很多种，并不是所有的振动都是由不平衡 引起的，如果不是e b 于不平衡量引起的振动，是无法通过做动平衡来消除振动 的。因此，在做动平衡之前，逶避一定静故障诊断方法，确定故障豹原剿所在， 楚菲鬻螫要靛。鬃港分拆臻魏跫溯乎餐系统努备的基本功熊之一。 长期以来，频谱分析就是一种分析和预测振动故障的黧照手段。这是因为， 机器出现不同类型的故障时，其搬动频率的组成足不相同的。根据频率成分的 幅值大小和分布情溅，可鞋判叛救簿的类型。从动平衡蛉热度来看，如聚频谱 中基颓酌成分耪对较大，静可说籀振动故障一般( 两不是绝对) 是出不平衡量弓l 起的，可通过动平衡的方法予以排除。否则，幼平衡方法则不适用。分析表明， 一般工频谱线或一次谐波表示转予不平衡。由于现场设备质最失衡故障占的比 倒较大，上述结论爨蠢一定静可傣性。据有关文献提出，旋转秘槭同颓搬动大 伟上霄l o 类2 6 静之多。荸凭径肉工频成份遂一特征是无法做出转子不平衡这 个结论的，需综台考虑振动的方向性、与转速的关系、相位蕉系等因素。在全 息谱未出现以前，这种甄别工作相当繁杂，且须有较丰富的经验。鉴于此，一 般开发羝统不饺提供了频谱强，褥盈遣提供了瓣察系统疆频黟穗频整线绫及转 心孰逡的功麓。这些功能都大大娩提高了对转予故障甄剐的能力“”3 。 2 5 2 动平衡参数的采集和处理 2 5 ，2 1 萋灌猿号戆获取疆转瓤撼懿振动溺鬟中，为了瀵豢转速臣及求取振动 信号的相位，需要设鬻一个基准，使得转轴在旋转一周中能得到一个基准脉冲 信号。常用的基准捕获方法有两种：其一，在转轴上贴一片游铁片，利用电涡流 传感嚣感应出电脉冲：其二，在转辘上贴反光材料，剥鼹光混传感器感应出电脒 挣，鳃黼2 7 辑示。零课题中掰寄试验秘萋礁信号都是适遭这静光毫健戆器获 取的。 哈尔滨理工大学工学硕士论文 反兔冀 发射管 涟接线 攘竣餐 黼2 7 爱黯斌毙电转惑器测试鬻 f i g u r e2 - 7t e s td i a g r a mo f p h o t o e l e c t r i cs e n s o r 2 5 ，2 。 传感器刹熙搬瀚传感器霹以把被测信姆蛉机械振魂爨( 位移，遮壤， 燕这震) 游换羹喜乏瓣巍懿毫豢( 滚滚，遣凝，曦薅 。羧瑟逡垡栝系熬不鬻， 振动测豢技感器霹分必榴对式巍绝对戎痨大炭。鞭露式黉惑器测爨敢楚被测瓣 象相对于巢参考系的聪动。绝对式测振传感器本身紧固于被测对象上，并与 之一起擞麓，扶露测褥的是缝砖援磷。嚣蘸，盛碟子捉魂溅慧黔绩感器眷光寇 终懑器，磁邀莪遥瘦传麟器，激灞溅裁谴移砖黪嚣等蔻蘩。 逸趟黪潜爨器霉，簧考虑灵敏瘦、经霸频率熬潮、囊惑葱溪莘藉质量太，l 、黪憾 能参数是磷符合测试的戮求，通常谯满足频率范嗣和质量大小的前提下，选用 灵敏度甍姻搀感嚣。零累统瓣麓掇躺霹，可穗敷涡流位移传惑嚣、磁滚式遮度 铸惑嚣或嚣瞧热速震豫感器。蘸满流传惑器是零l 弼滚涡流感痰琢瑗来溺藿髹凌 位移憝魄参数交 乞燮嚣接疆式传惑嚣，其最犬谯焱辘是线性畿瓣，在薮线襁范 围内，灵敏度不随初始蜜装间隙而潋变，并且测燃范围宽、抗干扰能力强、不 受奔蕨影蟪、结捣篱攀，广泛建溺纛汽轮壤、嚣缭疆、离心机簿楚转辍城躺镧 振动、辘谯移铡璧及麓心辘迹静测蹩中 压邀式潮速度计是耧蔗某些爨有蘸瞧 效瘦豹晶俸作为飘电转健元件褥梅躐瀚传惑器。窀属于嵩内黼弱信号僚感器， 引线、辫蔽等周围环境影响大，比如电磁场、辐射等对其灵敏艘会产生影响； 速度撩感瓣蕊额蛹藏鬻瀵攀为1 0 h z 裂i k h z ，瑶测褥翡最低转速为8 0 0r m i n 襄 右，低频特性更好熬速壤筵感嚣频率下限可以到4 5 h z ，对应静转速为2 7 0 r m i n 。 速度传感器安装使用禳方便，瘸子冤源器释，使用对不用外援：馥流电源，只需 将信号泡缆赢接引至波计即可。本系统根据需要选用的是 鸯华大学的c s c d 一4 磁毫式遮壤簧感嚣。 c s 。c d ，4 磁奄式掇鹚速度健憋器怒清华大学磷发鲍专利产熬，无谂在穗艇 哈尔滨理工大学工学硕士论文 m ! 詈i i i i i i i i i i ! i ! ! ! = ! ! ! # ! ! ! ! = ! ! ! ! ! ! 1 0 2 葛 和技术搬掭上邦瘸蓬凑先进东平。该健感器具寄灵敏度蕊、稳定经及抗干扰性 强等突出的优点，是进行振动测量及设备故障诊叛的菲常理想的设备。其德技 术性能指标如下： 1 速度灵敏度： 2 0 0 m v l ( c m s ”) 士3 f 1 6 0 h z ) 2 。频率响庭：1 0 h z 1 0 0 0 h z ( 1 0 h z 下降不大子i 5 ，1 0 0 0 h z 下降不大 于l o ，共振峰小于l o ) 3 动态范围：最大位移：2 0 0 0 “m ( 峰一峰) ，最大速度：3 0 c m s “( 峰值) 最大加 速度：1 0 9 4 幅德线往度：士3 对予熬挣鉴褶售号的获取，常用耄涡浚簧感器帮光壤转感器。毯涡流传惑 器测量棚位时，需要在转予上设置一个凸键或凹植，每当转予转过撂记时麟产 生一个脉冲：使用时，需对转予进行加工，对转子本身的刚度、结构会产生些 影响；光电脉冲测相辩，只需在转予的涂黑表面上粘贴反光带，由光电传感器 产生踩冲信号，健蠲筠荸。本系统采用本特利公司静光电传戆器。 2 5 。2 。3 信号颈处理从传感器褥到我信号，有些鸯魄蕊爨，森些为频率变化量， 因此必须经过转换电路将它们转变为电压信号，这主要由传感器本