陳茂雙，叢培田，王浩然，張 靜，田 浩，聶 朋

(1.沈陽理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110159；2.沈陽工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 沈陽 111003;3.長城汽車股份有限公司，河北 保定 071000；4.江蘇省洪澤湖水利工程管理處，江蘇 淮安 223100)

根據(jù)電力產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，要提高發(fā)電設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)效率，就必須保證該設(shè)備的平穩(wěn)可靠運(yùn)行，并滿足機(jī)組生產(chǎn)的動平衡指標(biāo)[1].為了保證發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的平穩(wěn)運(yùn)行，對其進(jìn)行動平衡檢測至關(guān)重要[2-3].在動平衡檢測過程中，傳統(tǒng)的雙通道現(xiàn)場動平衡儀只能對風(fēng)機(jī)、水泵等轉(zhuǎn)子進(jìn)行雙面檢測[4].但是，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，內(nèi)部的勵磁繞組會發(fā)生變形，振動的位置會不斷改變，導(dǎo)致發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子在垂直方向和水平方向產(chǎn)生振動[5].因此，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的動平衡檢測問題非常復(fù)雜[6].動平衡檢測通常采用兩臺雙通道現(xiàn)場動平衡儀.這在低速時(shí)檢測效果比較理想[7]；但在高速時(shí)，根據(jù)所測結(jié)果進(jìn)行平衡的效果并不理想，因此需要對其進(jìn)行反復(fù)檢測和試驗(yàn)[8].本文采用雙單面影響系數(shù)法[9]，擬設(shè)計(jì)一套針對發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的四通道動平衡檢測系統(tǒng)，對轉(zhuǎn)子的水平方向和垂直方向同時(shí)進(jìn)行檢測，以期快速、準(zhǔn)確地檢測發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的不平衡質(zhì)量和位置.

1 檢測系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)的思路為：首先采用4個(gè)振動傳感器對發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子進(jìn)行多點(diǎn)振動信號采集，并將振動信號傳遞到下位機(jī)，通過濾波電路對振動信號進(jìn)行處理，濾除高頻分量和干擾信號；然后采用數(shù)據(jù)采集卡將處理過的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，并對其進(jìn)行相應(yīng)的處理，處理后上傳到上位機(jī)；最后，上位機(jī)通過軟件對上傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行互相關(guān)計(jì)算，比較發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子同一側(cè)水平方向和垂直方向的振動，對振動較大方向的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算處理，算出轉(zhuǎn)子的不平衡質(zhì)量和位置，以便根據(jù)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行平衡.

檢測系統(tǒng)試驗(yàn)臺的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示.電主軸通過聯(lián)軸器帶動發(fā)電機(jī)主軸在平衡機(jī)上高速旋轉(zhuǎn).振動傳感器設(shè)在軸承支座的水平方向和垂直方向，用于測量轉(zhuǎn)子的水平振動和垂直振動.發(fā)電機(jī)主軸兩端及兩側(cè)風(fēng)扇用于配重，使轉(zhuǎn)子達(dá)到平衡.

檢測系統(tǒng)采用4個(gè)振動傳感器采集發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的振動信號，并對轉(zhuǎn)子兩端垂直方向和水平方向的信號進(jìn)行比較，以振動明顯方向的信號作為振動數(shù)據(jù)，通過分析計(jì)算，得到轉(zhuǎn)子的不平衡質(zhì)量與位置.

圖1 檢測系統(tǒng)試驗(yàn)臺的總體結(jié)構(gòu)

發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的振動特性如圖2所示.在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速超過一階臨界轉(zhuǎn)速時(shí)，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子內(nèi)部的勵磁繞組會發(fā)生變形，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子在垂直方向和水平方向發(fā)生振動，因此需要同時(shí)測出兩個(gè)方向的不平衡質(zhì)量.在轉(zhuǎn)速低于800 r/min時(shí)，振動主要來自水平方向，應(yīng)選取水平方向的振動信號作為輸入信號；在轉(zhuǎn)速為1 000 r/min上下時(shí)，振動主要來自垂直方向，應(yīng)選取垂直方向的振動信號作為輸入信號.

圖2 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的振動特性

2 檢測系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

檢測系統(tǒng)的硬件電路主要由濾波電路和A/D數(shù)據(jù)采集卡[10]組成.檢測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示.

圖3 檢測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖

2.1 狀態(tài)變量濾波器

檢測系統(tǒng)的下位機(jī)為狀態(tài)變量濾波器.在動平衡檢測時(shí)，調(diào)節(jié)濾波器的中心頻率，使其與信號的振動頻率一致，以便通過完整的振動信號,濾除高頻分量和干擾信號；動平衡檢測時(shí)，還需要把信號放大一定倍數(shù)，使測量結(jié)果更加精確.圖4所示為狀態(tài)變量濾波器的信號放大與濾波電路.

圖4 狀態(tài)變量濾波器的信號放大與濾波電路

2.2 數(shù)據(jù)采集卡

檢測系統(tǒng)采用USB2811型數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行數(shù)據(jù)采集.該采集卡的測量精度可達(dá)0.1 mV，能夠非常準(zhǔn)確地檢測不平衡質(zhì)量.數(shù)據(jù)采集卡的數(shù)據(jù)采集曲線如圖5所示.

圖5 數(shù)據(jù)采集卡的數(shù)據(jù)采集曲線

3 檢測系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

3.1 上位機(jī)程序

采用Visual Basic 6.0語言對上位機(jī)進(jìn)行程序編寫，使程序在Windows系統(tǒng)平臺上運(yùn)行.上位機(jī)負(fù)責(zé)控制整個(gè)檢測流程，對各模塊進(jìn)行初始化，計(jì)算下位機(jī)上傳的數(shù)據(jù)，并完成上位機(jī)與下位機(jī)的交互.檢測系統(tǒng)具有測量、連續(xù)測量、數(shù)據(jù)處理等功能.在測量時(shí)，實(shí)時(shí)顯示轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，同時(shí)顯示轉(zhuǎn)子不平衡質(zhì)量的檢測結(jié)果；在連續(xù)測量時(shí)，轉(zhuǎn)子的不平衡質(zhì)量和相角可動態(tài)地顯示在主界面上，以便有效地監(jiān)視轉(zhuǎn)子的平衡狀態(tài).

3.2 互相關(guān)算法

互相關(guān)算法的作用是對被測信號及相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)信號進(jìn)行相關(guān)計(jì)算.由于直流分量和高次諧波分量的互相關(guān)函數(shù)值為0，因此，通過互相關(guān)運(yùn)算，即可算出被測對象的振動幅值和相角[11].設(shè)傳感器的輸出信號為：

(1)

式中：A為振動信號的直流分量；Y1cos(ω1t+φ1)為基波分量；t為時(shí)間；Yi為對應(yīng)采樣序列i(i=2,3,4,…,N)的不平衡信號的幅值；φi為對應(yīng)采樣序列i的不平衡信號的相角；ω為相應(yīng)工作轉(zhuǎn)速的角頻率；n(t)為隨機(jī)干擾信號.設(shè)：

(2)

且使a(t)、b(t) 與y(t)互相關(guān)，則有：

(3)

令τ=0，則基波的幅值為：

(4)

基波的相角為：

(5)

4 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

為了驗(yàn)證該動平衡檢測系統(tǒng)的檢測精度，本文選取高精度發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子為實(shí)驗(yàn)對象，在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為800 r/min和2 000 r/min時(shí)，人為在標(biāo)準(zhǔn)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子兩端加上標(biāo)準(zhǔn)試重,模擬不平衡質(zhì)量，并進(jìn)行檢測.動平衡檢測系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與結(jié)果如表1所示.

根據(jù)表1數(shù)據(jù)可算出，該動平衡檢測系統(tǒng)的檢測精度可達(dá)到96.7%以上，符合現(xiàn)場動平衡儀標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的精度(95%).

表1 動平衡檢測系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與結(jié)果

5 結(jié)束語

本文根據(jù)振動信號的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了四通道振動信號采集檢測系統(tǒng)的總體方案，并給出了主要設(shè)計(jì)思路及其實(shí)現(xiàn)電路.檢測實(shí)驗(yàn)的結(jié)果表明，該動平衡檢測系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)準(zhǔn)確地監(jiān)測發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的振動情況、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的不平衡質(zhì)量和位置.其平衡精度高，能夠達(dá)到發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的平衡標(biāo)準(zhǔn)，在解決發(fā)電機(jī)等復(fù)雜轉(zhuǎn)子的平衡問題上具有很大的應(yīng)用價(jià)值.