張琦萍，賀小平

（1.上海工程技術(shù)大學(xué) 高職學(xué)院，上海 200437；2.上海宇航系統(tǒng)工程研究所，上海 201109）

0 引言

碟式分離機(jī)具有連續(xù)操作、生產(chǎn)能力大、分離效果好等優(yōu)點(diǎn)，廣泛用于食品、化工等行業(yè)的液－液、液－固以及液－液－固的分離。碟式分離機(jī)的工作轉(zhuǎn)速通常為4 000r/min～10 000r/min，為保證機(jī)器高速運(yùn)轉(zhuǎn)時的穩(wěn)定，除對其設(shè)計(jì)、制造、安裝有較高工藝要求外，制造過程中還需要對旋轉(zhuǎn)零件進(jìn)行動平衡［1］，以保證設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性。由于碟式分離機(jī)的工作轉(zhuǎn)速高、轉(zhuǎn)軸支撐結(jié)構(gòu)復(fù)雜，采用傳統(tǒng)的單件動平衡方法效果不理想?，F(xiàn)場動平衡就是在工作轉(zhuǎn)速下對旋轉(zhuǎn)機(jī)械進(jìn)行整機(jī)平衡。與傳統(tǒng)的零部件動平衡方法相比，現(xiàn)場動平衡能有效地消除分離機(jī)轉(zhuǎn)鼓材質(zhì)不均勻、毛坯缺陷以及零件加工與裝配誤差對分離機(jī)動態(tài)性能的影響，顯著提高整個轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的平衡精度［2－3］。

碟式分離機(jī)現(xiàn)場動平衡系統(tǒng)一般由振動信號測試和分析處理系統(tǒng)組成［4－5］，本文針對碟式分離機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用柔性轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動平衡理論，結(jié)合振型平衡法進(jìn)行系統(tǒng)動平衡分析，構(gòu)建振動信號采集系統(tǒng)，利用LabVIEW軟件功能強(qiáng)大的分析模塊，編制處理程序，設(shè)計(jì)系統(tǒng)界面，開發(fā)了碟式分離機(jī)的現(xiàn)場動平衡測試系統(tǒng)。

1 碟式分離機(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動平衡特性

1.1 轉(zhuǎn)子系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)

圖1為某種型號的碟式分離機(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。分離機(jī)轉(zhuǎn)鼓安裝在主軸1的上方，主軸通過上下兩個支承點(diǎn)2、5安裝在機(jī)身4上，為了提高支承剛度，每個支承結(jié)構(gòu)都由兩個滾動軸承組成。上支承點(diǎn)為兩個單列深溝球軸承，下支承點(diǎn)為兩個單列圓柱滾子軸承，主軸由下部的小皮帶輪驅(qū)動旋轉(zhuǎn)。

為了提高碟式分離機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)下的穩(wěn)定性和減小振動，上部支承通過彈性橡膠墊3與機(jī)身柔性連接。因此，該支承系統(tǒng)是一個撓性系統(tǒng)，其目的是通過降低支承的剛度，使轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的臨界轉(zhuǎn)速低于其工作轉(zhuǎn)速，避免出現(xiàn)共振。

圖1 碟式分離機(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.2 動平衡特性分析

根據(jù)機(jī)械動力學(xué)理論，轉(zhuǎn)子系統(tǒng)可通過任選的兩個校正面加減質(zhì)量進(jìn)行動平衡，根據(jù)支承和構(gòu)件的剛度，轉(zhuǎn)子系統(tǒng)可以分為剛性和柔性兩種類型［6－7］。剛性轉(zhuǎn)子系統(tǒng)一旦在某一轉(zhuǎn)速下達(dá)到平衡以后，在較寬的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)總是保持平衡的，因此可以在任何轉(zhuǎn)速下進(jìn)行動平衡。與剛性轉(zhuǎn)子不同，撓性轉(zhuǎn)子必須考慮在不平衡離心力作用下轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的撓曲變形。由于離心力的變化和支承的非線性，撓性轉(zhuǎn)子系統(tǒng)在不同轉(zhuǎn)速下會產(chǎn)生不同的撓曲變形。因此，撓性轉(zhuǎn)子的不平衡狀態(tài)是隨轉(zhuǎn)速而變化的，某一轉(zhuǎn)速下平衡好的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)在改變轉(zhuǎn)速后，可能又失去平衡?，F(xiàn)場動平衡技術(shù)的目的是保證撓性轉(zhuǎn)子系統(tǒng)在額定工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)達(dá)到預(yù)定的平衡目標(biāo)。

本文開發(fā)的碟式分離機(jī)動平衡系統(tǒng)采用雙面平衡法，將轉(zhuǎn)子系統(tǒng)簡化為如圖2所示的懸臂支承的模型，根據(jù)轉(zhuǎn)鼓的結(jié)構(gòu)，2個校正面分別選擇在轉(zhuǎn)鼓的上、下表面，添加不同質(zhì)量的平衡塊進(jìn)行平衡。

經(jīng)過分析，碟式分離機(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的一、二階振型如圖3所示。在一階臨界轉(zhuǎn)速下，轉(zhuǎn)軸系統(tǒng)的變形主要是由上支承的彈性變形引起，轉(zhuǎn)鼓的上、下平衡校正面偏向在靜止?fàn)顟B(tài)時軸線一側(cè)。在二階臨界轉(zhuǎn)速下，轉(zhuǎn)軸發(fā)生彎曲，轉(zhuǎn)鼓的上、下校正面向靜止時軸心線的兩側(cè)偏移，通過配重使軸承動反力接近于零，轉(zhuǎn)鼓的重心仍可通過靜止時的軸心線。

圖2 碟式分離機(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)簡化模型

圖3 碟式分離機(jī)轉(zhuǎn)子 系統(tǒng)一、二階振型

根據(jù)碟式分離機(jī)的振動特點(diǎn)，采用振型平衡法進(jìn)行系統(tǒng)動平衡計(jì)算。振型平衡法基于各階平衡分布載荷與其他階振型撓度之間的正交性原理和逐階平衡的思想，將沿軸向分布的不平衡量分解為與各階主振型相對應(yīng)的不平衡量，然后逐階進(jìn)行平衡。

碟式分離機(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)在工作轉(zhuǎn)速下的撓度曲線是一階和二階振型分量在空間的向量迭加。因而在具體動平衡計(jì)算上，可以利用各階平衡分布載荷與其他階振型撓度之間的正交性，即不平衡量的n階振型分量只能對撓度的n階振型分量起作用，而不會激發(fā)撓度的其他階振型分量。在平衡一階振型不衡量時，在轉(zhuǎn)子兩校正面同向加重；而在平衡二階振型不衡量時，在轉(zhuǎn)子兩校正面反向加重，從而使轉(zhuǎn)子在給定的工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)都達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行。

2 現(xiàn)場動平衡測試系統(tǒng)的開發(fā)

2.1 系統(tǒng)的組成

碟式分離機(jī)動平衡測試系統(tǒng)包括硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩部分，硬件主要由轉(zhuǎn)速和振動信號測試及采集模塊組成，而軟件部分的功能是對測試信號進(jìn)行動平衡分析計(jì)算。圖4為動平衡測試系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖。

圖4 動平衡測試系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

2.2 硬件系統(tǒng)的配置設(shè)計(jì)

圖5為動平衡測試系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖。動平衡測試系統(tǒng)的信號質(zhì)量很大程度上取決于采集系統(tǒng)硬件的選擇和配置。

碟式分離機(jī)測振傳感器布置如圖6所示。振動信號的測量可以選擇位移傳感器、速度傳感器和加速度傳感器，具體的選擇可根據(jù)機(jī)器的結(jié)構(gòu)和測試可行性確定。

圖5 動平衡測試系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

圖6 碟式分離機(jī)測振傳感器的布置

數(shù)據(jù)采集卡的任務(wù)是完成傳感器輸出的模擬信號的A/D轉(zhuǎn)換。硬件部分由基于PCI總線的內(nèi)置數(shù)據(jù)采集卡（型號為PCI-6251，2路模擬輸出，16路模擬量輸入，24路數(shù)字I/O通道，采樣頻率為250kHz，電壓輸入為V）、SCC-68轉(zhuǎn)接板等組成。

2.3 軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

本動平衡分析測試系統(tǒng)基于LabVIEW開發(fā)。在動平衡測試系統(tǒng)中，主要包括兩類信號的處理：轉(zhuǎn)子基準(zhǔn)信號和測振點(diǎn)的振動信號。對轉(zhuǎn)子基準(zhǔn)信號處理的目的是獲取轉(zhuǎn)子的工作頻率、動平衡所需基準(zhǔn)相位值以及對振動進(jìn)行頻譜分析所需要的數(shù)字信號頻率；對振動信號處理的目的是對測得的振動信號進(jìn)行頻譜分析，確定轉(zhuǎn)子振動是否由轉(zhuǎn)子不平衡量所引起，如果是，則要提取振動信號的幅值和相位。由于實(shí)際測得的振動信號大多包含豐富的頻率成分，因此從振動信號中提取有效成分的幅值和相位是進(jìn)行信號處理的關(guān)鍵。

由于LabVIEW在測試信號的圖標(biāo)顯示方面能提供很便捷的面板控件，因此本文采用LabVIEW軟件對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時顯示。

圖7是碟式分離機(jī)動平衡測試系統(tǒng)前面板的GUI界面。在程序中采用選項(xiàng)卡選擇面板信號分析和動平衡計(jì)算以及波形顯示模塊，用戶通過點(diǎn)擊選項(xiàng)卡，即可看到相應(yīng)的計(jì)算結(jié)果和圖形顯示，參數(shù)設(shè)置區(qū)、控制區(qū)和波形顯示區(qū)放在同一個主界面，達(dá)到直觀簡潔的目的。

3 分離機(jī)現(xiàn)場測試及分析

使用本系統(tǒng)對某型號的碟式分離機(jī)進(jìn)行動平衡測試，測試中采用光電傳感器測轉(zhuǎn)鼓位置基準(zhǔn)信號，用加速度磁電傳感器測上、下點(diǎn)的振動信號，碟式分離機(jī)的旋轉(zhuǎn)特性分析是確定動平衡方案的基礎(chǔ)，通過在該測試系統(tǒng)中獲得的相頻、幅頻曲線，可以判斷該轉(zhuǎn)子是否滿足采用振型分離法進(jìn)行動平衡的特性要求，是否存在異常因素。

圖7 動平衡測試系統(tǒng)前面板GUI界面

通過測試振動波形發(fā)現(xiàn)幅頻曲線有3個峰值突變，對應(yīng)的相頻曲線也有相位的突變。3個峰值分別對應(yīng)一階臨界轉(zhuǎn)速、電機(jī)驅(qū)動軸臨界轉(zhuǎn)速以及機(jī)座系統(tǒng)共振。在轉(zhuǎn)速低于1 500r/min時，上、下測點(diǎn)獲取的相位基本相同，即轉(zhuǎn)子系統(tǒng)一階振型占主導(dǎo)地位；以后隨著速度的增加，相位的差別也逐漸增大，在2 500 r/min以后相位差基本穩(wěn)定在180°，說明此時二階振型已經(jīng)占主導(dǎo)地位。

表1為碟式分離機(jī)現(xiàn)場動平衡測試結(jié)果。從表1中的數(shù)據(jù)可以看出，經(jīng)過動平衡校正后，該碟式分離機(jī)在額定工作轉(zhuǎn)速下，二階振動幅值的降幅達(dá)到82%，改善了分離機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定性，平衡效果良好。

4 結(jié)論

本文運(yùn)用撓性轉(zhuǎn)軸系統(tǒng)的動平衡原理，構(gòu)建振動信號測試系統(tǒng)，在LabVIEW虛擬儀器平臺上開發(fā)了碟式分離機(jī)的現(xiàn)場動平衡測試系統(tǒng)，通過現(xiàn)場測試，表明該系統(tǒng)性能穩(wěn)定、操作便捷，動平衡效果良好，符合企業(yè)生產(chǎn)要求，具有一定的工程實(shí)用價(jià)值。

表1 碟式分離機(jī)動平衡測試數(shù)據(jù)

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