基于LabVIEW的轉(zhuǎn)子現(xiàn)場動平衡測試系統(tǒng)的設(shè)計

李 涉，鄭 文，胡鑒源，曾 凡

（廣州大學機械與電氣工程學院，廣東廣州 510006）

0 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)計時就具有非對稱的幾何形狀等多種因素，使得回轉(zhuǎn)體在旋轉(zhuǎn)時，其上每個微小質(zhì)點產(chǎn)生的離心慣性力不能相互抵消，離心慣性力通過軸承作用到機械及其底座上，引起振動，產(chǎn)生了噪音，加速軸承磨損，縮短了機械壽命，嚴重時能造成破壞性事故。

據(jù)統(tǒng)計，轉(zhuǎn)子不平衡引起的故障約占機械全部故障的60%以上。隨著當前精密數(shù)控加工技術(shù)的發(fā)展，高速轉(zhuǎn)子在加工生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的嚴重影響其加工精度的動平衡問題顯得尤為重要。為此，必須對轉(zhuǎn)子進行平衡，使其達到允許的平衡精度等級，或使因此產(chǎn)生的機械振動幅度下降至允許的范圍內(nèi)[1]。

1 設(shè)備不平衡的振動特征

（1）振動的周期性與工作轉(zhuǎn)速同頻，主要振動能量集中于設(shè)備的一倍旋轉(zhuǎn)速度；

（2）振動強度程度相對工作轉(zhuǎn)速的變化很敏感；

（3）徑向振動幅度最高；

（4）振動的振幅和相位角具有穩(wěn)定性和可重復性；

（5）振動的相位角在水平和垂直方向相差約90°[1-3]。

2 影響系數(shù)法

動平衡基本思路是：在選定的平衡轉(zhuǎn)速下，通過加重試驗求出加重對振動的影響系數(shù)，根據(jù)影響系數(shù)求出應該加的平衡重量。在動平衡過程中，平衡轉(zhuǎn)速必須恒定[4-6]。具體步驟如下：

（3）計算加重對振動的影響

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計

LabVIEW是一種程序開發(fā)環(huán)境，由美國國家儀器（NI）公司研制開發(fā)，類似于C和BASIC開發(fā)環(huán)境，但是LabVIEW與其他計算機語言的顯著區(qū)別是：其他計算機語言都是采用基于文本的語言產(chǎn)生代碼，而LabVIEW使用的是圖形化編輯語言G編寫程序，產(chǎn)生的程序是框圖的形式[6]。

3.1 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、計算配重模塊和數(shù)據(jù)保存模塊。圖2為軟件軟件系統(tǒng)運行的流程圖。

3.2 各模塊介紹

（1）設(shè)置參數(shù)模塊

圖1 軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

此模塊可對數(shù)據(jù)采集的一些定義參數(shù)(如通道選擇、采樣率、采樣點數(shù)等)進行設(shè)置，并且可以設(shè)置保存路徑。

圖2 軟件系統(tǒng)運行流程圖

（2）數(shù)據(jù)采集及處理模塊

圖3 數(shù)據(jù)采集及處理模塊程序框圖（局部）

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原始數(shù)據(jù)進行處理，從而得到幅值和相位。

圖4 計算配重模塊程序框圖

階次分析方法源于角域采樣理論。采樣包含兩個采樣過程：第一個過程是等時間間隔采樣過程，在這個過程中，對原始的噪聲信號和轉(zhuǎn)速脈沖信號分兩路以恒定的采樣率進行等時間間隔采樣，得到同步采樣信號；第二個過程是插值重采樣過程，其過程是根據(jù)轉(zhuǎn)速脈沖序列進行轉(zhuǎn)速估計，然后利用此估計轉(zhuǎn)速計算等角度采樣發(fā)生的時刻序列，在等角度采樣時刻附近的時間區(qū)間內(nèi)對同步采樣的原始噪聲信號進行插值重采樣，從而得到階次分析所需的角度域穩(wěn)態(tài)信號。

（3）計算配重模塊

圖4為計算配重模塊的程序。采用影響系數(shù)法的原理進行編寫，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。

（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，可對采集的振動的數(shù)據(jù)、轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)、時間數(shù)據(jù)、及計算的配重數(shù)據(jù)進行保存，并能夠讀取歷史數(shù)據(jù)，進行進一步的動平衡測試。

3.3 測試系統(tǒng)前面板操作說明

圖6為測試系統(tǒng)的前面板。前面板頂部是信息顯示欄，顯示前一次的測量信息、時間及轉(zhuǎn)速。左側(cè)為用戶操作按鈕：設(shè)置即開始、記錄數(shù)據(jù)、刪除數(shù)據(jù)、停止。中部為極坐標圖，用來顯示當前振動的大小與位置，可同時顯示最近五次的測量值，并以不同顏色顯示。極坐標下面為振動幅值、相位的數(shù)值實時顯示框。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。

圖5 數(shù)據(jù)保存模塊程序框圖（局部）

圖6 測試系統(tǒng)前面板

另外還有鍵盤操作熱鍵，F(xiàn)6/F7/F8，用來彈出設(shè)置彈窗和數(shù)據(jù)彈窗，可以實時查看設(shè)置及保存的數(shù)據(jù)。

4 硬件系統(tǒng)設(shè)計

硬件系統(tǒng)（如圖7所示）主要包括MDT-3A振動模擬實驗臺、Entek9300加速度傳感器、EN?TEK Entach轉(zhuǎn)速計、NI9234數(shù)據(jù)采集模塊和計算機等。

（1）轉(zhuǎn)子試驗臺

MDT-3A實驗臺主要由動力部分、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。通過皮帶輪傳動和彈性柱銷聯(lián)軸器將其接合在一起，完成振動模擬功能。

（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、頻響范圍寬和線性度好的特點。

（3）轉(zhuǎn)速計

采用ENTEK Entach轉(zhuǎn)速計，這是一種帶有TTL輸出的十分便攜的光電轉(zhuǎn)速計，轉(zhuǎn)速范圍為3～99 999 r/min。

（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，每個通道均帶有一個可連接信號源的BNC連接器，可啟用通道激勵電流，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，可以達到的最大采樣率為51.2 kS/s。

5 實驗驗證及數(shù)據(jù)分析

實驗實際加重步驟如圖8所示，共經(jīng)過了5次加重。表1列出了每次加重的情況和加重后的振動值。

經(jīng)過四次加配重后不平衡幅值由48.9μm下降到14.1μm，已達到實驗的目的。由于第五次配重質(zhì)量過小，因此第四次配重后，并沒有進行進一步的加重。

6 結(jié)論

圖7 硬件系統(tǒng)實物圖

圖8 實驗加重情況

表1 實驗結(jié)果

本文介紹的基于LabVIEW的轉(zhuǎn)子動平衡測試系統(tǒng)，整個系統(tǒng)集成了傳感器技術(shù)、數(shù)據(jù)采集技術(shù)、信號處理和分析技術(shù)等多種前沿技術(shù)，相對于傳統(tǒng)的測量儀器，測量精度高，可靠方便，對促進機器轉(zhuǎn)子故障診斷的自動化、智能化具有推進作用。通過實驗驗證，此系統(tǒng)可應用于現(xiàn)場動平衡的檢測。

［1］沈慶根，鄭水英.設(shè)備故障診斷［M］.北京：化學工業(yè)出版社，2005.

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［3］楊建剛.旋轉(zhuǎn)機械振動分析與工程應用［M］.北京：中國電力出版社，2007.

［4］孫麗萍.基于LabVIEW的現(xiàn)場動平衡測試系統(tǒng)研究［D］.重慶：重慶大學，2011.

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