李 涉，鄭 文，胡鑒源，曾 凡

（廣州大學(xué)機(jī)械與電氣工程學(xué)院，廣東廣州 510006）

0 引言

工程中的各種回轉(zhuǎn)體，由于材質(zhì)不均勻或毛坯缺陷、加工及裝配中產(chǎn)生的誤差，甚至設(shè)計(jì)時(shí)就具有非對稱的幾何形狀等多種因素，使得回轉(zhuǎn)體在旋轉(zhuǎn)時(shí)，其上每個(gè)微小質(zhì)點(diǎn)產(chǎn)生的離心慣性力不能相互抵消，離心慣性力通過軸承作用到機(jī)械及其底座上，引起振動，產(chǎn)生了噪音，加速軸承磨損，縮短了機(jī)械壽命，嚴(yán)重時(shí)能造成破壞性事故。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，轉(zhuǎn)子不平衡引起的故障約占機(jī)械全部故障的60%以上。隨著當(dāng)前精密數(shù)控加工技術(shù)的發(fā)展，高速轉(zhuǎn)子在加工生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的嚴(yán)重影響其加工精度的動平衡問題顯得尤為重要。為此，必須對轉(zhuǎn)子進(jìn)行平衡，使其達(dá)到允許的平衡精度等級，或使因此產(chǎn)生的機(jī)械振動幅度下降至允許的范圍內(nèi)[1]。

1 設(shè)備不平衡的振動特征

（1）振動的周期性與工作轉(zhuǎn)速同頻，主要振動能量集中于設(shè)備的一倍旋轉(zhuǎn)速度；

（2）振動強(qiáng)度程度相對工作轉(zhuǎn)速的變化很敏感；

（3）徑向振動幅度最高；

（4）振動的振幅和相位角具有穩(wěn)定性和可重復(fù)性；

（5）振動的相位角在水平和垂直方向相差約90°[1-3]。

2 影響系數(shù)法

動平衡基本思路是：在選定的平衡轉(zhuǎn)速下，通過加重試驗(yàn)求出加重對振動的影響系數(shù)，根據(jù)影響系數(shù)求出應(yīng)該加的平衡重量。在動平衡過程中，平衡轉(zhuǎn)速必須恒定[4-6]。具體步驟如下：

（3）計(jì)算加重對振動的影響

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

LabVIEW是一種程序開發(fā)環(huán)境，由美國國家儀器（NI）公司研制開發(fā)，類似于C和BASIC開發(fā)環(huán)境，但是LabVIEW與其他計(jì)算機(jī)語言的顯著區(qū)別是：其他計(jì)算機(jī)語言都是采用基于文本的語言產(chǎn)生代碼，而LabVIEW使用的是圖形化編輯語言G編寫程序，產(chǎn)生的程序是框圖的形式[6]。

3.1 軟件系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

軟件系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括設(shè)置參數(shù)模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、計(jì)算配重模塊和數(shù)據(jù)保存模塊。圖2為軟件軟件系統(tǒng)運(yùn)行的流程圖。

3.2 各模塊介紹

（1）設(shè)置參數(shù)模塊

圖1 軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

此模塊可對數(shù)據(jù)采集的一些定義參數(shù)(如通道選擇、采樣率、采樣點(diǎn)數(shù)等)進(jìn)行設(shè)置，并且可以設(shè)置保存路徑。

圖2 軟件系統(tǒng)運(yùn)行流程圖

（2）數(shù)據(jù)采集及處理模塊

圖3 數(shù)據(jù)采集及處理模塊程序框圖（局部）

圖3 為數(shù)據(jù)采集及處理模塊程序框圖。本模塊采用階次分析方法對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，從而得到幅值和相位。

圖4 計(jì)算配重模塊程序框圖

階次分析方法源于角域采樣理論。采樣包含兩個(gè)采樣過程：第一個(gè)過程是等時(shí)間間隔采樣過程，在這個(gè)過程中，對原始的噪聲信號和轉(zhuǎn)速脈沖信號分兩路以恒定的采樣率進(jìn)行等時(shí)間間隔采樣，得到同步采樣信號；第二個(gè)過程是插值重采樣過程，其過程是根據(jù)轉(zhuǎn)速脈沖序列進(jìn)行轉(zhuǎn)速估計(jì)，然后利用此估計(jì)轉(zhuǎn)速計(jì)算等角度采樣發(fā)生的時(shí)刻序列，在等角度采樣時(shí)刻附近的時(shí)間區(qū)間內(nèi)對同步采樣的原始噪聲信號進(jìn)行插值重采樣，從而得到階次分析所需的角度域穩(wěn)態(tài)信號。

（3）計(jì)算配重模塊

圖4為計(jì)算配重模塊的程序。采用影響系數(shù)法的原理進(jìn)行編寫，輸入相關(guān)參數(shù)后可直接得到影響系數(shù)和配重的大小及位置。

（4）數(shù)據(jù)保存模塊

數(shù)據(jù)保存模塊程序框圖如圖5所示，可對采集的振動的數(shù)據(jù)、轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)、時(shí)間數(shù)據(jù)、及計(jì)算的配重?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行保存，并能夠讀取歷史數(shù)據(jù)，進(jìn)行進(jìn)一步的動平衡測試。

3.3 測試系統(tǒng)前面板操作說明

圖6為測試系統(tǒng)的前面板。前面板頂部是信息顯示欄，顯示前一次的測量信息、時(shí)間及轉(zhuǎn)速。左側(cè)為用戶操作按鈕：設(shè)置即開始、記錄數(shù)據(jù)、刪除數(shù)據(jù)、停止。中部為極坐標(biāo)圖，用來顯示當(dāng)前振動的大小與位置，可同時(shí)顯示最近五次的測量值，并以不同顏色顯示。極坐標(biāo)下面為振動幅值、相位的數(shù)值實(shí)時(shí)顯示框。底部左下角還有單位轉(zhuǎn)換按鈕可在加速度、速度、位移值之間任意切換。

圖5 數(shù)據(jù)保存模塊程序框圖（局部）

圖6 測試系統(tǒng)前面板

另外還有鍵盤操作熱鍵，F(xiàn)6/F7/F8，用來彈出設(shè)置彈窗和數(shù)據(jù)彈窗，可以實(shí)時(shí)查看設(shè)置及保存的數(shù)據(jù)。

4 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

硬件系統(tǒng)（如圖7所示）主要包括MDT-3A振動模擬實(shí)驗(yàn)臺、Entek9300加速度傳感器、EN?TEK Entach轉(zhuǎn)速計(jì)、NI9234數(shù)據(jù)采集模塊和計(jì)算機(jī)等。

（1）轉(zhuǎn)子試驗(yàn)臺

MDT-3A實(shí)驗(yàn)臺主要由動力部分、齒輪箱部分、轉(zhuǎn)子部分、軸承故障模擬部分、調(diào)速控制和顯示部分及加載裝置等組成。通過皮帶輪傳動和彈性柱銷聯(lián)軸器將其接合在一起，完成振動模擬功能。

（2）傳感器

使用Entek9300加速度傳感器。此加速度傳感器為壓電式ICP加速度傳感器，需要供電的電流為2 mA，靈敏度為100 mV/g，輸出電壓的范圍為±5 V。此傳感器具有靈敏度高、頻響范圍寬和線性度好的特點(diǎn)。

（3）轉(zhuǎn)速計(jì)

采用ENTEK Entach轉(zhuǎn)速計(jì)，這是一種帶有TTL輸出的十分便攜的光電轉(zhuǎn)速計(jì)，轉(zhuǎn)速范圍為3～99 999 r/min。

（4）數(shù)據(jù)采集模塊

NI9234數(shù)據(jù)采集模塊可提供四路同步采樣模擬輸入通道的連接，每個(gè)通道均帶有一個(gè)可連接信號源的BNC連接器，可啟用通道激勵電流，以連接ICP傳感器。A/D的分辨率為24位，采集的電壓范圍為±5 V，可以達(dá)到的最大采樣率為51.2 kS/s。

5 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證及數(shù)據(jù)分析

實(shí)驗(yàn)實(shí)際加重步驟如圖8所示，共經(jīng)過了5次加重。表1列出了每次加重的情況和加重后的振動值。

經(jīng)過四次加配重后不平衡幅值由48.9μm下降到14.1μm，已達(dá)到實(shí)驗(yàn)的目的。由于第五次配重質(zhì)量過小，因此第四次配重后，并沒有進(jìn)行進(jìn)一步的加重。

6 結(jié)論

圖7 硬件系統(tǒng)實(shí)物圖

圖8 實(shí)驗(yàn)加重情況

表1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本文介紹的基于LabVIEW的轉(zhuǎn)子動平衡測試系統(tǒng)，整個(gè)系統(tǒng)集成了傳感器技術(shù)、數(shù)據(jù)采集技術(shù)、信號處理和分析技術(shù)等多種前沿技術(shù)，相對于傳統(tǒng)的測量儀器，測量精度高，可靠方便，對促進(jìn)機(jī)器轉(zhuǎn)子故障診斷的自動化、智能化具有推進(jìn)作用。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，此系統(tǒng)可應(yīng)用于現(xiàn)場動平衡的檢測。

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