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        基于LabVIEW的轉(zhuǎn)子現(xiàn)場動平衡測試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

        2015-05-10 05:52:16胡鑒源
        機(jī)電工程技術(shù) 2015年5期
        關(guān)鍵詞:程序框圖動平衡振動

        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。

        [1]沈慶根,鄭水英.設(shè)備故障診斷[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2005.

        [2]王慧,孫秀云,劉偉.不平衡振動信號中幅值和相位求法[J].機(jī)械制造與自動化,2007(04):95-97.

        [3]楊建剛.旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動分析與工程應(yīng)用[M].北京:中國電力出版社,2007.

        [4]孫麗萍.基于LabVIEW的現(xiàn)場動平衡測試系統(tǒng)研究[D].重慶:重慶大學(xué),2011.

        [5]郭亮,王吟.一種結(jié)合LabVIEW的雙層永磁直線電機(jī)測試系統(tǒng)[J].機(jī)電工程,2013(1):1350-1353.

        [6]賈壽峰,張霞,張新廣.基于LabVIEW的曲軸動平衡測試系統(tǒng)研究[J].現(xiàn)代制造技術(shù)與裝備,2009(03):16-18.

        [7]鄔立建.影響系數(shù)法在現(xiàn)場動平衡中的應(yīng)用[J].冶金動力,2005(01):55-60.

        [8]王志強(qiáng).影響系數(shù)法在引風(fēng)機(jī)現(xiàn)場動平衡中的分析與應(yīng)用[J].煤,2011(02):37-41.

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