張佳偉，田國紅

彈簧片對轉(zhuǎn)子動平衡系統(tǒng)精度影響

張佳偉，田國紅

（遼寧工業(yè)大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院，遼寧 錦州 121000）

在轉(zhuǎn)子動平衡系統(tǒng)中，彈簧片是轉(zhuǎn)子振動的傳遞部件和振動傳感器的直接測量部件，其薄厚程度對轉(zhuǎn)子動平衡系統(tǒng)不平衡量的測試精度起著至關(guān)重要的作用。文章依據(jù)自行設(shè)計的轉(zhuǎn)子動平衡系統(tǒng)，不改變其它條件因素，僅更換0.3 mm、0.5 mm、1 mm和2 mm等不同厚度彈簧片的條件下，進(jìn)行轉(zhuǎn)子動平衡實驗，分析彈簧片薄厚程度對轉(zhuǎn)子動平衡系統(tǒng)不平衡量測試精度的影響。實驗結(jié)果表明，太薄的彈簧片會出現(xiàn)拍振現(xiàn)象，無法應(yīng)用于動平衡系統(tǒng)轉(zhuǎn)子不平衡量的檢測中。采用1 mm厚度的彈簧片檢測出的轉(zhuǎn)子不平衡量最為精準(zhǔn)。

彈簧片；動平衡系統(tǒng)；精度影響；不平衡量檢測

隨著工業(yè)的不斷發(fā)展，旋轉(zhuǎn)機(jī)械尤其是轉(zhuǎn)子的用途越來越廣泛，在汽車、輪船、航天等領(lǐng)域更為普遍和明顯。如果轉(zhuǎn)子上存在著不平衡質(zhì)量，那么當(dāng)轉(zhuǎn)子組成的旋轉(zhuǎn)機(jī)械在工作時，轉(zhuǎn)子在不平衡力或者力矩的作用下將會產(chǎn)生多余的振動，該振動會導(dǎo)致轉(zhuǎn)子軸承加劇磨損，進(jìn)而對轉(zhuǎn)子的壽命產(chǎn)生影響。基于以上因素，越來越多的轉(zhuǎn)子動平衡儀器相繼被開發(fā)。所開發(fā)的轉(zhuǎn)子動平衡儀器能夠?qū)D(zhuǎn)子不平衡質(zhì)量進(jìn)行檢測，而如何提高動平衡儀器的精度是目前的一大研究熱點[1]。

影響轉(zhuǎn)子動平衡儀器精度的因素很多。在動平衡技術(shù)上，可以研究振動信號幅值相位的提取方式，并將該技術(shù)應(yīng)用在動平衡系統(tǒng)中，提高動平衡系統(tǒng)的檢測精度[2-4]。還可以在動平衡原理上，使用不同的動平衡方法提高動平衡精度[5-6]。

本文根據(jù)自主研發(fā)的轉(zhuǎn)子動平衡系統(tǒng)，在硬件方面對轉(zhuǎn)子動平衡實驗臺進(jìn)行了機(jī)械設(shè)計，對傳感器、數(shù)據(jù)采集卡、伺服驅(qū)動裝置進(jìn)行了選型。在軟件方面開發(fā)了轉(zhuǎn)子動平衡軟件系統(tǒng)，并在此基礎(chǔ)之上，設(shè)計了不同薄厚程度的彈簧片對轉(zhuǎn)子動平衡系統(tǒng)精度影響實驗。

1 轉(zhuǎn)子動平衡系統(tǒng)硬件設(shè)計

轉(zhuǎn)子動平衡系統(tǒng)大體由轉(zhuǎn)子動平衡實驗臺、傳感器、數(shù)據(jù)采集卡、伺服驅(qū)動設(shè)備、計算機(jī)和所開發(fā)的轉(zhuǎn)子動平衡系統(tǒng)軟件組成。除了開發(fā)的轉(zhuǎn)子動平衡軟件系統(tǒng)外，其余均視為硬件部分。選擇合適的硬件是構(gòu)成轉(zhuǎn)子動平衡系統(tǒng)的基礎(chǔ)。

1.1 轉(zhuǎn)子動平衡實驗臺機(jī)械設(shè)計

圖1為轉(zhuǎn)子動平衡實驗臺的實物圖，圖2為轉(zhuǎn)子動平衡實驗臺機(jī)械設(shè)計三視圖。

圖1 轉(zhuǎn)子動平衡實驗臺

在圖2的主視圖中，臺架下方安放西門子伺服驅(qū)動電機(jī)，驅(qū)動電機(jī)與轉(zhuǎn)子之間通過傳送帶進(jìn)行運動的傳遞，傳動方式為帶傳動。當(dāng)轉(zhuǎn)子動平衡系統(tǒng)啟動時，用戶通過計算機(jī)上的動平衡系統(tǒng)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動，電機(jī)通過傳送帶進(jìn)而帶動轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)子在轉(zhuǎn)動中受到不平衡質(zhì)量的影響產(chǎn)生相應(yīng)振動，該振動通過與轉(zhuǎn)子左右兩端接觸的四個滑輪，傳遞給轉(zhuǎn)子實驗臺兩側(cè)的支架，支架將振動傳遞給安放在其上的彈簧片，從而帶動彈簧片振動，振動傳感器是上有與彈簧片直接接觸的探針，其作用是監(jiān)測彈簧片的振動并采集彈簧片的振動信號，之后采集的振動信號經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡傳輸?shù)接嬎銠C(jī)上的動平衡軟件系統(tǒng)，進(jìn)行轉(zhuǎn)子動平衡以及不平衡量的計算。

圖2 轉(zhuǎn)子實驗臺機(jī)械設(shè)計圖

1.2 其它硬件儀器的選型

振動傳感器選用蘇州小田園儀器設(shè)備有限公司提供的XTY-PU-01型磁電式振動傳感器來測量轉(zhuǎn)子振動信號。

光電傳感器選用意大利帝思TL50激光傳感器，其作用是采集轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速信號。

數(shù)據(jù)采集卡選用研華公司生產(chǎn)的PCI-1706U數(shù)據(jù)采集卡作為動平衡系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集設(shè)備。

伺服驅(qū)動設(shè)備選用Siemens公司的SINA- MICS V90伺服驅(qū)動器和Siemens 1214C中央控制器。

2 轉(zhuǎn)子動平衡軟件系統(tǒng)

本文使用LabVIEW2020版本對轉(zhuǎn)子動平衡軟件系統(tǒng)進(jìn)行了開發(fā)。如圖3、圖4所示，分別為所開發(fā)的轉(zhuǎn)子動平衡系統(tǒng)的主界面和程序框圖。

圖3 轉(zhuǎn)子動平衡系統(tǒng)程序主界面

圖4 轉(zhuǎn)子動平衡系統(tǒng)程序主界面程序框圖

所開發(fā)的轉(zhuǎn)子動平衡系統(tǒng)能夠?qū)崟r采集轉(zhuǎn)子的振動信號和基頻轉(zhuǎn)速信號，并對振動信號的基頻幅值相位進(jìn)行提取，并通過影響系數(shù)法的內(nèi)部程序計算出轉(zhuǎn)子的不平衡質(zhì)量。

3 彈簧片厚度對系統(tǒng)的精度影響實驗

3.1 實驗相關(guān)要求

實驗所用到的相關(guān)參數(shù)均按照《平衡機(jī)的描述檢驗與評定》（GB/T 4201—2006）的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行選取[7]。

（1）轉(zhuǎn)子的要求為轉(zhuǎn)子需使用標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)子，本文所使用的標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)子參數(shù)如表1所示。

表1 標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)子技術(shù)參數(shù)

（2）試重的要求，試重質(zhì)量不能超過標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的質(zhì)量。

mar=mar（1）

式中，mar為轉(zhuǎn)子的最小可達(dá)剩余不平衡量，g·mm；mar為轉(zhuǎn)子最小可達(dá)剩余不平衡度，也稱動平衡精度等級，g·mm/kg；為轉(zhuǎn)子的質(zhì)量，kg。

雙面動平衡轉(zhuǎn)子每側(cè)試重質(zhì)量計算公式為

式中，為轉(zhuǎn)子的每側(cè)試重，g；為轉(zhuǎn)子的半徑，mm。

3.2 彈簧片對精度影響實驗

通過轉(zhuǎn)子動平衡系統(tǒng)，對0.3 mm、0.5 mm、 1 mm、2 mm等四種不同厚度的彈簧片進(jìn)行了拆卸更換，并采集振動信號數(shù)據(jù)，進(jìn)行濾波分析與不平衡量的計算。圖5為不同厚度的彈簧片。

圖5 不同厚度的彈簧片

實驗條件如下：取5 kg標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)子，設(shè)置轉(zhuǎn)速為1 500 r/min，平衡精度為G2.5，采樣率為1 024 Hz，由于實驗所用標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)子是已被調(diào)平的轉(zhuǎn)子，所以在轉(zhuǎn)子A、B兩側(cè)90度處加試重0.762 g作為轉(zhuǎn)子的初始狀態(tài)，以便進(jìn)行動平衡系統(tǒng)不平衡量的檢測。信號采集，觀察不同厚度彈簧片的濾波圖像，并計算轉(zhuǎn)子的不平衡量。各厚度彈簧片的濾波效果如圖6—圖9所示。計算的不平衡量結(jié)果統(tǒng)計如表2所示。

圖6 0.3 mm彈簧片濾波效果

分析圖6和圖7的波形圖可得，當(dāng)使用0.3 mm和0.5 mm厚度的彈簧片進(jìn)行動平衡實驗時，振動信號即便進(jìn)行了帶通濾波，但是濾波效果并不好，出現(xiàn)了拍振現(xiàn)象，無法達(dá)到轉(zhuǎn)子進(jìn)行動平衡所需要的正余弦濾波波形的效果，此時的彈簧片無法滿足轉(zhuǎn)子動平衡實驗的要求，因此，將該兩種彈簧片舍棄。

圖7 0.5 mm彈簧片濾波效果

圖8 1 mm彈簧片濾波效果

圖9 2 mm彈簧片濾波效果

表2 不同厚度彈簧片動平衡結(jié)果統(tǒng)計

分析圖8和圖9的波形圖可得，當(dāng)使用1 mm和2 mm厚度的彈簧片進(jìn)行動平衡實驗時，振動信號經(jīng)過帶通濾波處理后，所得的濾波后的波形較為理想，該波形滿足動平衡實驗要求，用這兩種厚度的彈簧片進(jìn)行轉(zhuǎn)子不平衡量的計算。

表2為使用不同彈簧片計算的不平衡量結(jié)果統(tǒng)計分析所得。

（1）兩種厚度的彈簧片分別進(jìn)行了3次不平衡質(zhì)量的計算。使用1 mm彈簧片進(jìn)行不平衡量計算出的3次不平衡質(zhì)量的波動更小，穩(wěn)定性更好。

（2）使用1 mm彈簧片進(jìn)行動平衡計算出的不平衡質(zhì)量與初始添加的0.762 g不平衡質(zhì)量更加接近，說明使用1 mm彈簧片進(jìn)行轉(zhuǎn)子動平衡系統(tǒng)檢測，其計算精度更高。

4 結(jié)論

本文依據(jù)自行設(shè)計的轉(zhuǎn)子動平衡系統(tǒng)，在使用標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)子的條件下，設(shè)計不同厚度彈簧片對動平衡測試精度影響的對比實驗。經(jīng)過實驗驗證的結(jié)果表明，使用0.3 mm和0.5 mm的彈簧片會出現(xiàn)拍振現(xiàn)象，無法應(yīng)用于轉(zhuǎn)子不平衡量的計算。使用1 mm彈簧片會使得所研發(fā)的轉(zhuǎn)子動平衡系統(tǒng)測量轉(zhuǎn)子不平衡量的精度最佳。對企業(yè)在進(jìn)行轉(zhuǎn)子動平衡系統(tǒng)研發(fā)時，在彈簧片的硬件選型和動平衡測量精度提高等方面具有一定參考作用和指導(dǎo)意義。

[1] 林水泉.轉(zhuǎn)子動平衡技術(shù)及其發(fā)展趨勢[J].廣東化工, 2021,48(4):122-124.

[2] 王相怡,陳桂芬,王義君.基于改進(jìn)ApFFT的動平衡信號檢測算法[J].長春理工大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版), 2018,41(5):88-92,104.

[3] 王展,朱峰龍,涂偉.互相關(guān)法對主軸振動信號提取的研究[J].組合機(jī)床與自動化加工技術(shù),2018(2):87-89, 93.

[4] 李斌,羅敏,王俊英,等.自適應(yīng)整周期采樣和相關(guān)濾波在轉(zhuǎn)子動平衡中的應(yīng)用[J].機(jī)械設(shè)計與制造,2016 (10):74-77,82.

[5] 張雪輝,焦瀚暉,胡東旭,等.旋轉(zhuǎn)機(jī)械現(xiàn)場動平衡方法研究進(jìn)展[J].機(jī)電工程,2021,38(11):1367-1377.

[6] 張俎琛,何立東,萬方騰,等.影響系數(shù)法與模態(tài)平衡法的轉(zhuǎn)子過臨界振動研究[J].機(jī)械工程師,2019(9): 52-55.

[7] 中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會.平衡機(jī)的描述檢驗與評定:GB/T 4201—2006[S].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2006.

The Influence of Spring Plate on the Accuracy of Rotor Dynamic Balance System

ZHANG Jiawei, TIAN Guohong

( School of Automobile and Traffic Engineering, Liaoning University of Technology, Jinzhou 121000, China )

In the rotor dynamic balance system, the spring plate is the transmission component of rotor vibration and the direct measurement component of vibration sensor. Its thickness plays an important role in the measurement accuracy of unbalance in the rotor dynamic balance system. Based on the self-designed rotor dynamic balance system, without changing other conditions and factors, this paper carries out rotor dynamic balance experiment under the condition of replacing spring sheets with different thicknesses such as 0.3 mm, 0.5 mm, 1 mmand 2 mm, and analyzes the influence of the thickness of spring sheets on the unbalance measurement accuracy of rotor dynamic balance system. The experimental results show that too thin spring plate will produce beat vibration, which can not be applied to the detection of rotor imbalance in dynamic balance system; The rotor unbalance detected by 1mm thick spring plate is the most accurate.

Leaf spring;Dynamic balance system;Precision influence;Unbalance detection

U464.332+.1

A

1671-7988(2022)23-181-05

U464.332+.1

A

1671-7988(2022)23-181-05

10.16638/j.cnki.1671-7988.2022.023.033

張佳偉（1995—），男，碩士，研究方向為車輛CAD/CAE/CAM技術(shù)、測試控制與編程，E-mail:1063604547 @qq.com。