基于跟隨濾波和相敏檢波的轉(zhuǎn)軸動(dòng)平衡檢測(cè)系統(tǒng)

劉振,張仁杰,陳雷亮,劉虎

(上海理工大學(xué) 光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院,上海200093)

摘要針對(duì)傳統(tǒng)平衡裝置需要將回轉(zhuǎn)體拆出檢測(cè)的不便性,嘗試根據(jù)跟蹤濾波和相敏檢測(cè)技術(shù)研究出可用于典型旋轉(zhuǎn)體設(shè)備的現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡測(cè)試裝置,此裝置主要包括信號(hào)處理模塊、下位機(jī)、上位機(jī)模塊。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)模擬實(shí)驗(yàn),證明該裝置在600～1 800 r·min-1范圍內(nèi),能直接對(duì)整機(jī)和機(jī)組進(jìn)行動(dòng)平衡檢測(cè),數(shù)據(jù)的誤差均在允許的范圍內(nèi),其不平衡量最大誤差為0.347 g,相位最大誤差不超過(guò)5°,并具有良好的測(cè)量精度和重復(fù)性。

關(guān)鍵詞現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡;振動(dòng)加速度;互相關(guān)原理;轉(zhuǎn)子;跟蹤濾波器

收稿日期:2015-02-02

作者簡(jiǎn)介:劉振(1990—),男,碩士研究生。研究方向:電力電子。E-mail:1056859198@qq.com

doi:10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2015.09.029

中圖分類號(hào)TP274+.5

Design of the Dynamic Balance Detection System of Rotating Shaft Based on theFollowing Filtering and the Phase Sensitive Detection Technology

LIU Zhen,ZHANG Renjie,CHEN Leiliang,LIU Hu

(School of Photoelectric Information and Computer Engineering,University of Shanghai for

Science and Technology,Shanghai 200093,China)

AbstractThis paper studies the test experimental device of the field balance of typical rotating equipment,introduces the use of filtering and phase sensitive detection technique.Compared with the traditional dynamic balancing device,this device can take dynamic balance detection on the machine and unit motivated directly without disassembling rotary body.To make a correct and comprehensive assessment of the performance of the machine quickly,we improve the production efficiency through the field simulation experiment,which proves that the device has high accuracy and good repeatability in the range of 600～1 800 r·min-1 and can be a good field balance testing experimental device.

Keywordsfield dynamic balance;vibration acceleration;principle of the cross correlation;rotor;tracking filter

在工業(yè)生產(chǎn)中,旋轉(zhuǎn)體設(shè)備廣泛用于船舶汽車、電力、冶金、機(jī)械制造等領(lǐng)域。在實(shí)際的運(yùn)行過(guò)程中,旋轉(zhuǎn)體設(shè)備中的轉(zhuǎn)子多數(shù)是不平衡的,使得機(jī)器的零部件承受附加的動(dòng)載荷力,產(chǎn)生了振動(dòng),影響了設(shè)備性能[1]。為此,必須對(duì)轉(zhuǎn)子進(jìn)行動(dòng)平衡檢測(cè),目前,對(duì)于常見(jiàn)典型旋轉(zhuǎn)設(shè)備的動(dòng)平衡檢測(cè)一般需要將設(shè)備的回轉(zhuǎn)體拆下后,固定在工藝軸或?qū)ｉT(mén)支承上進(jìn)行測(cè)量和處理,耽誤時(shí)間,降低了生產(chǎn)效率。因此,一個(gè)便攜、功能靈活的測(cè)試系統(tǒng)是設(shè)備工程師的首選。

1轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡原理

如圖1所示為剛性轉(zhuǎn)子簡(jiǎn)圖,剛性轉(zhuǎn)子理解為由若干個(gè)圓盤(pán)所組成的,設(shè)在其中一個(gè)圓盤(pán)作用在O點(diǎn)的慣性力為F,可將力F分解為作用于a、b兩點(diǎn)同向平行力Fa和Fb,a、b兩點(diǎn)的位置任意指定,則各力之間的關(guān)系可表示如式(1)所示。

圖1　轉(zhuǎn)子簡(jiǎn)圖

(1)

若將轉(zhuǎn)子分解成n個(gè)薄心圓盤(pán),各圓盤(pán)產(chǎn)生的慣性力都分解為兩個(gè)平行力,分別通過(guò)圖1所示的A、B兩個(gè)平面。若將圖中第i個(gè)圓盤(pán)產(chǎn)生的慣性力Fi分解成FiA和FiB,則有

(2)

式(2)中,l為轉(zhuǎn)子兩個(gè)端面A、B之間的距離;li為第i個(gè)慣性力至圖中A端面的距離。

根據(jù)由轉(zhuǎn)子不平衡量引起的振動(dòng)幅度與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速是同頻信號(hào),提出了一種基于互相關(guān)原理的超窄帶跟蹤濾波電路的設(shè)計(jì)。假定加速度傳感器獲得的振動(dòng)加速度信號(hào)如式(3),光電傳感器獲得的轉(zhuǎn)速信號(hào)如式(4)所示。

x(t)=s(t)+υ(t)

(3)

y(t)=A0ejω0t

(4)

令式(3)中的s(t)=Asin(ω0t+φ),其中A為振動(dòng)加速度信號(hào)的幅值、ω0為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的角頻率、φ為與轉(zhuǎn)速信號(hào)之間的相位差。式(3)可改寫(xiě)為

x(t)=Asin(ω0t+φ)+∑A′sin(wt+φ′)+A″

(5)

式(5)中∑A′sin(wt+φ′)為非同頻干擾噪聲v(t)的求和形式,A″為振動(dòng)加速度采集到的信號(hào)中可能含有的直流分量,參考信號(hào)y(t)可寫(xiě)成y1(t)=A0sinω0t和y2(t)=A0cosω0t,相位相差90°。將y1(t)和y2(t)分別與式(5)做互相關(guān)處理,為了分析方便,將y1(t)和y2(t)分別與x(t)相乘,可得

z1(t)=x(t)y1(t)=1/2A0[Acosφ-Acos(2ω0t+φ)]+1/2{∑Acos[(ω-ω0)t+φ′]-∑Acos[(ω+ω0)t+φ′]}+A″A0sinω0t

(6)

z2(t)=x(t)y2(t)=1/2A0[Asin(2ω0t+φ)+Asinφ]+1/2A0{∑A′sin[(ω+ω0)t+φ′]+∑Asin[(ω-ω0)t+φ′]}+A″A0cosω0t

(6)

由式(6)和式(7)可知,等式右邊分別含有直流分流1/2A0cosφ和1/2A0sinφ,其中包含振幅A和相位φ信息。根據(jù)相關(guān)性原理可知,將z1(t)和z2(t)分別積分,即可得出直流分流A1和A2。結(jié)果如式(8)和式(9)所示

(8)

φ=arctanA2/A1

(9)

2硬件電路

2.1　互相關(guān)電路設(shè)計(jì)

在微弱信號(hào)檢測(cè)中,采用互相關(guān)法是一種有效的方法,本文采用相敏檢測(cè)器技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)加速度信號(hào)和轉(zhuǎn)速信號(hào)的互相關(guān)性[3-4];相敏檢測(cè)器就是把兩路信號(hào)相乘,再經(jīng)過(guò)低通濾波器濾除交流信號(hào),提取出直流分量[5-6]。

在Ⅲ度及以上乏力方面，有 3 篇研究[5，6，8]進(jìn)行了報(bào)道，樣本量共223例：替吉奧組113例，卡培他濱組110例。各研究間具有同質(zhì)性（P=0.32，I2=11%），采用固定效應(yīng)模型。結(jié)果顯示，替吉奧組與卡培他濱組在乏力方面無(wú)明顯差異，無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義[RR=0.63，95%CI：（0.26，1.54），P=0.31]。

圖2為數(shù)模乘法器的具體硬件實(shí)現(xiàn)電路原理圖,采用8位乘法數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片TLC7524和儀用放大器TL082組成。

圖2　數(shù)模乘法器硬件電路圖

2.2　跟蹤濾波電路設(shè)計(jì)

采用鎖相環(huán)集成電路芯片CD4046和同步加法計(jì)數(shù)器器CD4518構(gòu)成100倍頻電路,為MAX291提供時(shí)鐘信號(hào),如圖3所示,將CD4046的輸出信號(hào)作為CD4518十進(jìn)制計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘信號(hào),就可在CD4046的輸出端得到轉(zhuǎn)速信號(hào)100倍頻的信號(hào)[7-9]。

3軟件設(shè)計(jì)

程序設(shè)計(jì)主要包括:兩個(gè)外部中斷模塊分別用于采集ADC的數(shù)據(jù)和轉(zhuǎn)速脈沖信號(hào)計(jì)數(shù);串口中斷模塊用于和上位機(jī)建立通信;定時(shí)中斷模塊用于內(nèi)部集成ADC的數(shù)據(jù)采集[10],控制增益放大器的倍數(shù),調(diào)節(jié)增益的大小;控制模塊對(duì)測(cè)試系統(tǒng)的測(cè)量模式進(jìn)行切換,如圖4所示。

圖3　跟蹤濾波電路

圖4　程序系統(tǒng)框圖

4實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在現(xiàn)實(shí)環(huán)境下,在固定的平衡機(jī)上進(jìn)行電路測(cè)試,其中圖5是原始信號(hào)和跟蹤濾波后的信號(hào),圖6是相敏檢波相乘后的信號(hào)和光電信號(hào),可以看出不平衡量的頻率是光電信號(hào)的2倍。

圖5　原始信號(hào)(上)和跟蹤濾波信號(hào)(下)

圖6　相敏檢波相乘后的信號(hào)(下)和光電信號(hào)(上)

再提取出上圖中的直流分量,通過(guò)前面的公式即可計(jì)算出不平衡量和相位值。對(duì)轉(zhuǎn)子在不同轉(zhuǎn)速下,在相同的相位上加上不同的試重塊對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證,標(biāo)準(zhǔn)校驗(yàn)轉(zhuǎn)子1平面的120°處,在15種情況下進(jìn)行了測(cè)量,其測(cè)量結(jié)果如表1所示。

表1　實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

5結(jié)束語(yǔ)

本文分析了國(guó)內(nèi)外現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡的研究現(xiàn)狀以及動(dòng)平衡技術(shù)的總體發(fā)展趨勢(shì),通過(guò)對(duì)轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡的理論分析,設(shè)計(jì)一套現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡測(cè)試裝置。該裝置的設(shè)計(jì)基本思想是基于轉(zhuǎn)子在動(dòng)平衡實(shí)驗(yàn)時(shí)轉(zhuǎn)子不平衡量的振動(dòng)加速度信號(hào)和轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速是同頻信號(hào),根據(jù)互相關(guān)原理來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)典型旋轉(zhuǎn)體的轉(zhuǎn)子不平衡量提取,設(shè)計(jì)了測(cè)量系統(tǒng)的硬件電路以及軟件。最后將該測(cè)試裝置在YYQ-50型平衡機(jī)上模擬現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明,該測(cè)試裝置有較高的精度和較好的重復(fù)性,能作為一臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡測(cè)試實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)一步開(kāi)發(fā)。

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