高速转子整机动平衡仪的开发与研究

　　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。