基于LabVIEW的轉(zhuǎn)子現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

基于LabVIEW的轉(zhuǎn)子現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)李涉，鄭文，胡鑒源，曾凡（廣州大學(xué)機(jī)械與電氣工程學(xué)院，廣東廣州 510006）摘要：根據(jù)影響系數(shù)法原理，以LabVIEW為平臺(tái)，搭建高速現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡測(cè)試系統(tǒng)，并通過(guò)MDT-3A實(shí)驗(yàn)臺(tái)模擬不平衡故障，驗(yàn)證了系統(tǒng)的可行性。關(guān)鍵詞：LabVIEW；動(dòng)平衡；程序設(shè)計(jì) The Design of rotor dynamic balance test system based on LabVIEW LI She ，ZHENG Wen，HU Jian-yuan，Zeng Fan（Guangzhou University，Mechanical and Electrical Engineering Faculty，Guangzhou Guangdong 51006）Abstract: According to the principle influence coefficient method，using LabVIEW platform to build a high-speed rotor balancing test system，and simulate unbalance fault by using MDT-3A test bench，verified the feasibility of the system.Key Words: LabVIEW；balance；program design1 引言工程中的各種回轉(zhuǎn)體，由于材質(zhì)不均勻或毛坯缺陷、加工及裝配中產(chǎn)生的誤差，甚至設(shè)計(jì)時(shí)就具有非對(duì)稱的幾何形狀等多種因素，使得回轉(zhuǎn)體在旋轉(zhuǎn)時(shí)，其上每個(gè)微小質(zhì)點(diǎn)產(chǎn)生的離心慣性力不能相互抵消，離心慣性力通過(guò)軸承作用到機(jī)械及其基礎(chǔ)上，引起振動(dòng)，產(chǎn)生了噪音，加速軸承磨損，縮短了機(jī)械壽命，嚴(yán)重時(shí)能造成破壞性事故。據(jù)統(tǒng)計(jì)，轉(zhuǎn)子不平衡引起的故障約占機(jī)械全部故障的60%以上。隨著當(dāng)前精密數(shù)控加工技術(shù)的發(fā)展，高速轉(zhuǎn)子在加工生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的嚴(yán)重影響其加工精度的動(dòng)平衡問(wèn)題顯得尤為重要。為此，必須對(duì)轉(zhuǎn)子進(jìn)行平衡，使其達(dá)到允許的平衡精度等級(jí)，或使因此產(chǎn)生的機(jī)械振動(dòng)幅度降在允許的范圍內(nèi)1。2 設(shè)備不平衡的振動(dòng)特征(1) 振動(dòng)的周期性與工作轉(zhuǎn)速同頻，主要振動(dòng)能量集中于設(shè)備的一倍旋轉(zhuǎn)速度；(2) 振動(dòng)強(qiáng)度程度相對(duì)工作轉(zhuǎn)速的變化很敏感；(3) 徑向振動(dòng)幅度最高；(4) 振動(dòng)的振幅和相位角具有穩(wěn)定性和可重復(fù)性；(5) 振動(dòng)的相位角在水平和垂直方向相差約901。3 影響系數(shù)法動(dòng)平衡基本思路是：在選定的平衡轉(zhuǎn)速下，通過(guò)加重試驗(yàn)求出加重對(duì)振動(dòng)的影響系數(shù)，根據(jù)影響系數(shù)求出應(yīng)該加的平衡重量。在動(dòng)平衡過(guò)程中，平衡轉(zhuǎn)速必須恒定。具體步驟如下：(1) 測(cè)取原始狀態(tài)下的振動(dòng)。(2) 在轉(zhuǎn)子上試加重，測(cè)取加重后的振動(dòng)。(3) 計(jì)算加重對(duì)振動(dòng)的影響式中加重前后振動(dòng)變化量；影響系數(shù)，表示在轉(zhuǎn)子零度方向、1m半徑處加單位質(zhì)量所引起的振動(dòng)變化量，如果采用振動(dòng)位移量來(lái)進(jìn)行動(dòng)平衡，其單位為。(4) 計(jì)算轉(zhuǎn)子上應(yīng)加平衡重量上式的物理意義是：應(yīng)加平衡重量所引起的振動(dòng)變化應(yīng)該能夠消除原始振動(dòng)。由此可求出6-7。4 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)LabVIEW是一種程序開(kāi)發(fā)環(huán)境，由美國(guó)國(guó)家儀器（NI）公司研制開(kāi)發(fā)，類似于C和BASIC開(kāi)發(fā)環(huán)境，但是LabVIEW與其他計(jì)算機(jī)語(yǔ)言的顯著區(qū)別是：其他計(jì)算機(jī)語(yǔ)言都是采用基于文本的語(yǔ)言產(chǎn)生代碼，而LabVIEW使用的是圖形化編輯語(yǔ)言G編寫(xiě)程序，產(chǎn)生的程序是框圖的形式5。1.2.3.4.4.1. 軟件系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)軟件系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括設(shè)置參數(shù)模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、計(jì)算配重模塊、數(shù)據(jù)保存模塊。圖2為軟件軟件系統(tǒng)運(yùn)行的流程圖。2.3.4.圖1 軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖圖2 軟件系統(tǒng)運(yùn)行流程圖4.2. 各模塊介紹(1) 設(shè)置參數(shù)模塊此模塊可對(duì)數(shù)據(jù)采集的一些定義參數(shù)(如通道選擇、采樣率、采樣點(diǎn)數(shù)等)進(jìn)行設(shè)置，并且可以設(shè)置保存路徑。(2) 數(shù)據(jù)采集及處理模塊圖3為數(shù)據(jù)采集及處理模塊程序框圖。本模塊采用階次分析方法對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，從而得到幅值和相位。階次分析方法源于角域采樣理論。采樣包含兩個(gè)采樣過(guò)程：第一個(gè)過(guò)程是等時(shí)間間隔采樣過(guò)程，在這個(gè)過(guò)程中，對(duì)原始的噪聲信號(hào)和轉(zhuǎn)速脈沖信號(hào)分兩路以恒定的采樣率進(jìn)行等時(shí)間間隔采樣，得到同步采樣信號(hào)。第二個(gè)過(guò)程是插值重采樣過(guò)程，其過(guò)程是根據(jù)轉(zhuǎn)速脈沖序列進(jìn)行轉(zhuǎn)速估計(jì)，然后利用此估計(jì)轉(zhuǎn)速計(jì)算等角度采樣發(fā)生的時(shí)刻序列，在等角度采樣時(shí)刻附近的時(shí)間區(qū)間內(nèi)對(duì)同步采樣的原始噪聲信號(hào)進(jìn)行插值重采樣，從而得到階次分析所需的角度域穩(wěn)態(tài)信號(hào)。圖3 數(shù)據(jù)采集及處理模塊程序框圖（局部）(3) 計(jì)算配重模塊圖4為計(jì)算配重模塊的程序。采用影響系數(shù)法的原理進(jìn)行編寫(xiě)，輸入相關(guān)參數(shù)后可直接得到影響系數(shù)和配重的大小及位置。圖4 計(jì)算配重模塊程序框圖(4) 數(shù)據(jù)保存模塊數(shù)據(jù)保存模塊程序框圖如圖5所示?？蓪?duì)采集的振動(dòng)的數(shù)據(jù)、轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)、時(shí)間數(shù)據(jù)、及計(jì)算的配重?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行保存，并能夠讀取歷史數(shù)據(jù)，進(jìn)行進(jìn)一步的動(dòng)平衡測(cè)試。圖5 數(shù)據(jù)保存模塊程序框圖（局部）4.3. 測(cè)試系統(tǒng)前面板操作說(shuō)明圖6為測(cè)試系統(tǒng)的前面板。前面板頂部是信息顯示欄，顯示前一次的測(cè)量信息、時(shí)間及轉(zhuǎn)速。左側(cè)為用戶操作按鈕：設(shè)置即開(kāi)始、記錄數(shù)據(jù)、刪除數(shù)據(jù)、停止。中部為極坐標(biāo)圖，用來(lái)顯示當(dāng)前振動(dòng)的大小與位置，可同時(shí)顯示最近五次的測(cè)量值，并以不同顏色顯示。極坐標(biāo)下面為振動(dòng)幅值、相位的數(shù)值實(shí)時(shí)顯示框。底部左下角還有單位轉(zhuǎn)換按鈕可在加速度、速度、位移值之間任意切換。另外還有鍵盤操作熱鍵，F(xiàn)6/F7/F8，用來(lái)彈出設(shè)置彈窗和數(shù)據(jù)彈窗，可以實(shí)時(shí)查看設(shè)置及保存的數(shù)據(jù)。圖6 測(cè)試系統(tǒng)前面板5 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)硬件系統(tǒng)（如圖7所示）主要包括：MDT-3A振動(dòng)模擬實(shí)驗(yàn)臺(tái)、Entek9300加速度傳感器、ENTEK Entach 轉(zhuǎn)速計(jì)、NI9234數(shù)據(jù)采集模塊、計(jì)算機(jī)等。(1) 轉(zhuǎn)子試驗(yàn)臺(tái)MDT-3A實(shí)驗(yàn)臺(tái)主要由動(dòng)力部分、齒輪箱部分、轉(zhuǎn)子部分、軸承故障模擬部分、調(diào)速控制和顯示部分及加載裝置等組成。通過(guò)皮帶輪傳動(dòng)和彈性柱銷聯(lián)軸器將其接合在一起，完成振動(dòng)模擬功能。(2) 傳感器 使用Entek9300加速度傳感器。此加速度傳感器為壓電式ICP 加速度傳感器， 需要供電的電流為2 mA， 靈敏度為100 mV/g，輸出電壓的范圍為5 V。此傳感器具有靈敏度高，頻響范圍寬，線性度好的特點(diǎn)。(3) 轉(zhuǎn)速計(jì) 采用ENTEK Entach 轉(zhuǎn)速計(jì)，這是一種帶有TTL輸出的十分便攜的光電轉(zhuǎn)速計(jì)，轉(zhuǎn)速范圍為399999RPM。(4) 數(shù)據(jù)采集模塊 NI9234數(shù)據(jù)采集模塊可提供四路同步采樣模擬輸入通道的連接，每個(gè)通道均帶有一個(gè)可連接信號(hào)源的BNC連接器，可啟用通道激勵(lì)電流，以連接ICP傳感器。A/D的分辨率為24位，采集的電壓范圍為5 V，可以達(dá)到的最大采樣率為51.2 kS/s。圖7 硬件系統(tǒng)實(shí)物圖6 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證及數(shù)據(jù)分析實(shí)驗(yàn)實(shí)際加重步驟如圖8所示，共經(jīng)過(guò)了5次加重。表1列出了每次加重的情況和加重后的振動(dòng)值。圖8 實(shí)驗(yàn)加重情況振動(dòng)位移值(m)振動(dòng)相位（）加重重量（g）加重角度（）是否保留配重初始振動(dòng)測(cè)量值48.9100動(dòng)平衡試重8270加試重后的振動(dòng)值26.3106第一次動(dòng)平衡配重9.2284第一次加配重后的振動(dòng)值11.3177第二次動(dòng)平衡配重4.219第二次加配重后的振動(dòng)值19.3115第三次動(dòng)平衡配重2.7297第三次加配重后的振動(dòng)值17.8223第四次動(dòng)平衡配重1.680第四次加配重后的振動(dòng)值14.1127第五次動(dòng)平衡配重0.9308表1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果經(jīng)過(guò)四次加配重后不平衡幅值由48.9m下降到14.1m，已達(dá)到實(shí)驗(yàn)的目的。由于第五次配重質(zhì)量過(guò)小，因此第四次配重后，并沒(méi)有進(jìn)行進(jìn)一步的加重。7 結(jié)論本文介紹的基于LabVIEW的轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡測(cè)試系統(tǒng)，整個(gè)系統(tǒng)集成了傳感器技術(shù)、數(shù)據(jù)采集技術(shù)、信號(hào)處理和分析技術(shù)等多種前沿技術(shù)，相對(duì)于傳統(tǒng)的測(cè)量?jī)x器，測(cè)量精度高，可靠方便，對(duì)促進(jìn)機(jī)器轉(zhuǎn)子故障診斷的自動(dòng)化、智能化具有現(xiàn)實(shí)意義的推進(jìn)作用。通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，表明此系統(tǒng)可應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡的檢測(cè)。參考文獻(xiàn)1 沈慶根，鄭水英.設(shè)備故障診斷M .北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005 .2王慧，孫秀云，劉偉. 不平衡振動(dòng)信號(hào)中幅值和相位求法J . 機(jī)械制造與自動(dòng)化，2007，04 ：95-97.3楊建剛. 旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動(dòng)分析與工程應(yīng)用M .北京：中國(guó)電力出版社，2007 .4孫麗萍.基于LabVIEW的現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡測(cè)試系統(tǒng)研究D .重慶大學(xué)，2011 .5賈壽峰，張霞，張新廣. 基于LabVIEW的曲軸動(dòng)平衡測(cè)試系統(tǒng)研究J . 現(xiàn)代制造技術(shù)與裝備，2009，03 ：16-18.6鄔立建.影響系數(shù)法在現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡中的應(yīng)用J .冶金動(dòng)力，2005，01 ：55-60.7王志強(qiáng).影響系數(shù)法在引風(fēng)機(jī)現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡中的分析與應(yīng)