雙轉(zhuǎn)子現(xiàn)場動平衡測試系統(tǒng)

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

1 測試系統(tǒng)總體設(shè)計

在圖1所示高低壓雙轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)中，高壓轉(zhuǎn)子以6 000 r/min的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，低壓轉(zhuǎn)子以3 000 r/min的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)；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(zhuǎn)子去重只能在A、B盤處,對高壓轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子產(chǎn)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(zhì)量變化時，1號傳感器比2號傳感器更加敏感.故對低壓轉(zhuǎn)子定標時，需利用1號傳感器和3號傳感器；對高壓轉(zhuǎn)子定標時，需利用2號傳感器和3號傳感器.

高低壓雙轉(zhuǎn)子現(xiàn)場動平衡測試系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖2所示.當對低壓轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(jīng)光電整形電路和鎖相倍頻電路[4]，產(chǎn)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(shù)據(jù)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(shù)轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)

圖2 高低壓雙轉(zhuǎn)子現(xiàn)場動平衡測試系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

2 信號采集電路設(shè)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(shù)制造的一種低頻多功能數(shù)字集成鎖相環(huán)路.CD4040是12位二進制串行計數(shù)器.根據(jù)鎖相環(huán)及倍頻原理，信號采集電路可實現(xiàn)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(chǎn)生的64倍基頻，觸發(fā)AD7606模塊進行A/D轉(zhuǎn)換，可實現(xiàn)對信號整周期采樣，并且采樣周期數(shù)不會因轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)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(yīng)于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速達187 500 r/min，可滿足絕大多數(shù)旋轉(zhuǎn)機械的現(xiàn)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(nèi)PB3接口的脈沖數(shù)量，用于計算轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速.利用STM32微處理器的浮點運算功能，結(jié)合互相關(guān)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(xiàn)

高低壓雙轉(zhuǎn)子現(xiàn)場動平衡測試系統(tǒng)的下位機采用C語言設(shè)計，燒錄在STM32微處理器內(nèi).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(zhuǎn)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(xiàn)動平衡理論相關(guān)算法、程序主體邏輯和人機交互界面的顯示.

3.1 下位機設(shè)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(shù)據(jù)，只是在上位機發(fā)送采樣命令時才開始接收采樣數(shù)據(jù).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(chǎn)生一次低電平脈沖信號，總線DB[15:0]就更新一路通道數(shù)據(jù).STM32微處理器通過PE[15:0]依次讀取兩路濾波后數(shù)據(jù)和兩路原始振動數(shù)據(jù)，并在采樣點數(shù)達到預設(shè)值時通過RS232串口一次性將數(shù)據(jù)上傳至上位機.

3.2 上位機設(shè)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(shù)法對轉(zhuǎn)子進行標定.采用雙面影響系數(shù)法對轉(zhuǎn)子進行標定時，不用考慮轉(zhuǎn)子的類型和轉(zhuǎn)子的振型特點，只需要相關(guān)校準面振動量即可.將轉(zhuǎn)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(guān)系(或者傳遞函數(shù))定義為影響系數(shù)[9].至此，將求解不平衡問題轉(zhuǎn)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(xiàn).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(shù)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(shù)做互相關(guān)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(jù)這一原理可求出振動信號的幅值與相角.離散化數(shù)字正交公式為：

(1)

(2)

式中：N為采樣總點數(shù)；n為求和運算中當前點序數(shù).

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(chǎn)生50 Hz、100 Hz正弦信號，調(diào)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(jié)果如表1和表2所示.

表1 輸入50 Hz信號時實驗結(jié)果

表2 輸入100 Hz信號時實驗結(jié)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(shè)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(zhuǎn)子現(xiàn)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(jié)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(xiàn)場動平衡標準.

5 結(jié)束語

本文設(shè)計的高低壓雙轉(zhuǎn)子現(xiàn)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(xiàn)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.