王浩然，叢培田，陳茂雙，孫靜雅，田 浩，聶 朋

(1.沈陽理工大學 機械工程學院，遼寧 沈陽 110159；2.長城汽車股份有限公司 工程技術部，河北 保定 071000；3.江蘇省洪澤湖水利工程管理處，江蘇 淮安 223100)

現場動平衡是動平衡檢測技術中應用最廣泛的[1].傳統(tǒng)的現場動平衡測試系統(tǒng)只能對單個轉子進行雙面平衡，但實際工程中常遇到雙轉子嵌套的機械結構.由于內外轉子的振動通過中介軸承傳遞會產生耦合效應，因此雙轉子系統(tǒng)不平衡響應問題更加復雜[2].目前，對于雙轉子系統(tǒng)的平衡并沒有很好的解決方法，只能采用傳統(tǒng)的現場平衡方法，依次對兩個轉子進行平衡.盡管單個轉子可在剛性理論下得到平衡，但是，兩個轉子一起工作時，雙轉子系統(tǒng)的振動值仍然會超標[3].為此，本文針對雙轉子系統(tǒng)不平衡問題，擬設計一種現場動平衡測試系統(tǒng).

1 測試系統(tǒng)總體設計

在圖1所示高低壓雙轉子結構中，高壓轉子以6 000 r/min的轉速旋轉，低壓轉子以3 000 r/min的轉速旋轉；3個振動傳感器分別放置在1號支撐、2號支撐和3號支撐上.對低壓轉子去重只能在A、B盤處,對高壓轉子去重只能在C、D端面進行.雖然在1號支撐、2號支撐的基座上均可測得由低壓轉子產生的振動信號，但1號支撐的基座比2號支撐的基座距離去重盤A更近，當去重盤A有質量變化時，1號傳感器比2號傳感器更加敏感.故對低壓轉子定標時，需利用1號傳感器和3號傳感器；對高壓轉子定標時，需利用2號傳感器和3號傳感器.

高低壓雙轉子現場動平衡測試系統(tǒng)的總體結構如圖2所示.當對低壓轉子進行動平衡測試時，STM32F407(以下簡稱STM32)微處理器發(fā)出控制信號，1號傳感器、3號傳感器檢測的振動信號被輸入測試系統(tǒng)，2號光電傳感器檢測的光電信號也被輸入測試系統(tǒng).當對高壓轉子進行動平衡測試時，STM32微處理器發(fā)出控制信號，2號傳感器、3號傳感器檢測的振動信號被輸入測試系統(tǒng)，1號光電傳感器檢測的光電信號也被輸入測試系統(tǒng).光電信號經光電整形電路和鎖相倍頻電路[4]，產生64倍基頻與256倍基頻的電子信號.64倍基頻的電子信號觸發(fā)AD7606模塊(它是一個16位8通道同步采樣模擬數據采集模塊)，進行采樣；256倍基頻的電子信號為自動跟蹤濾波電路提供時鐘脈沖.傳感器檢測的振動信號通過自動跟蹤濾波電路，由AD7606模塊進行模數轉換后傳輸至STM32微處理器， 用于計算振動信號的幅值與相角.通過RS232串口將轉速、振動信號的幅值與相角上傳到工業(yè)級平板電腦，由平板電腦完成雙轉子系統(tǒng)不平衡量的計算、邏輯控制和人機交互界面顯示.

圖1 高低壓雙轉子結構

圖2 高低壓雙轉子現場動平衡測試系統(tǒng)的總體結構

2 信號采集電路設計

信號采集電路由鎖相倍頻電路、AD7606模塊 和STM32微處理器組成(圖3).其中，鎖相倍頻電路由CD4046和CD4040組成.CD4046是采用互補金屬氧化物半導體制作技術制造的一種低頻多功能數字集成鎖相環(huán)路.CD4040是12位二進制串行計數器.根據鎖相環(huán)及倍頻原理，信號采集電路可實現對基頻脈沖信號的2、4、8、16、32、64、128、256、512、1 024倍放大[5].用鎖相倍頻電路產生的64倍基頻，觸發(fā)AD7606模塊進行A/D轉換，可實現對信號整周期采樣，并且采樣周期數不會因轉子轉速的升高或降低而變化過大(周期過少或者過多).AD7606模塊的最大采樣頻率為200 kHz[6].它以64倍基頻進行采樣時，可采集3 125 Hz的振動信號，對應于轉子轉速達187 500 r/min，可滿足絕大多數旋轉機械的現場平衡要求.

圖3 信號采集電路

STM32微處理器是具有FPU(浮點運算單元)的ARM 32位Cortex-M4CPU，其主頻高達168 MHz[7].STM32微處理器通過PB3接口接收64倍基頻信號，通過定時器定時，可統(tǒng)計單位時間內PB3接口的脈沖數量，用于計算轉子轉速.利用STM32微處理器的浮點運算功能，結合互相關算法，能夠計算振動信號的幅值與相角.

3 測試系統(tǒng)的軟件實現

高低壓雙轉子現場動平衡測試系統(tǒng)的下位機采用C語言設計，燒錄在STM32微處理器內.測試系統(tǒng)的主程序功能是對四路振動信號進行采集，計算信號幅值和相角并上傳轉速.上位機軟件采用Visual Basic 語音編寫，在Windows XP系統(tǒng)下運行，以實現動平衡理論相關算法、程序主體邏輯和人機交互界面的顯示.

3.1 下位機設計

在下位機上電后，AD7606模塊在64倍基頻信號觸發(fā)下，連續(xù)對振動信號進行采樣，但STM32微處理器并未接收采樣數據，只是在上位機發(fā)送采樣命令時才開始接收采樣數據.STM32微處理器收到AD7606模塊中BUSY口發(fā)出的下降沿信號時，通過PB0接口對AD7606模塊的CS/RD進行片選.每當CS/RD產生一次低電平脈沖信號，總線DB[15:0]就更新一路通道數據.STM32微處理器通過PE[15:0]依次讀取兩路濾波后數據和兩路原始振動數據，并在采樣點數達到預設值時通過RS232串口一次性將數據上傳至上位機.

3.2 上位機設計

在下位機計算出振動信號的幅值與相角后，上位機采用雙面影響系數法對轉子進行標定.采用雙面影響系數法對轉子進行標定時，不用考慮轉子的類型和轉子的振型特點，只需要相關校準面振動量即可.將轉子及其支撐系統(tǒng)近似當作一個“黑箱”，在校正面加一定試重(包括大小和相位)，作為這一“封閉”系統(tǒng)的輸入[8].將試重引起的振動變化量作為系統(tǒng)輸出，并把輸出與輸入的傳遞關系(或者傳遞函數)定義為影響系數[9].至此，將求解不平衡問題轉化為求線性方程組，簡化了問題，并且可通過計算機編程來實現.上位機主測量界面如圖4所示.

圖4 上位機主測量界面

3.3 幅值與相角計算

利用三角函數的正交性可計算振動信號的幅值與相角.對振動信號與標準正弦余弦函數做互相關運算時，振動信號中高頻部分、隨機噪聲和直流分量均為零[10].根據這一原理可求出振動信號的幅值與相角.離散化數字正交公式為：

(1)

(2)

式中：N為采樣總點數；n為求和運算中當前點序數.

振動信號的幅值為：

(3)

振動信號的相角為：

(4)

式中：

4 測試系統(tǒng)的實驗驗證

4.1 信號采集電路實驗

分別用50 Hz和100 Hz正弦模擬信號對信號采集電路進行測試.利用信號發(fā)生器分別產生50 Hz、100 Hz正弦信號，調整采集電路的輸入信號幅值與相角，由上位機計算振動信號的幅值與相角.實驗結果如表1和表2所示.

表1 輸入50 Hz信號時實驗結果

表2 輸入100 Hz信號時實驗結果

由表1、表2可以看出，輸入50 Hz、100 Hz信號時，振動信號幅值的最大誤差為0.09 V，振動信號相角的最大誤差為1.8°.分析可知，所設計的信號采集電路具有采集精度高、線性度高的特點，上位機對振動信號幅值與相角的計算較準確.

4.2 砂輪機配平實驗

本文通過砂輪機對高低壓雙轉子現場動平衡測試系統(tǒng)進行實驗.砂輪機配平實驗裝置如圖5所示.砂輪機配平實驗結果如表3所示.

圖5 砂輪機配平實驗裝置

測量時刻第一校準面不平衡量/g相位/(°)第二校準面不平衡量/g相位/(°)初始2.87898.062.1428.209一次加重0.84297.690.43810.045二次加重0.143332.10.126163.200

通過兩次加重后，第一校準面不平衡量降到了0.143 g，第二校準面不平衡量降到了0.126 g，去重率高達94%以上，符合現場動平衡標準.

5 結束語

本文設計的高低壓雙轉子現場動平衡測試系統(tǒng)線性度高，振動信號幅值與相角的誤差小,能夠滿足現場動平衡的實際需要.并且，該系統(tǒng)的開發(fā)成本低，穩(wěn)定性強，具有較大的推廣價值.