基于現(xiàn)場(chǎng)平衡技術(shù)的現(xiàn)場(chǎng)巡檢車載背散射查驗(yàn)系統(tǒng)斬波輪振動(dòng)問(wèn)題解決方法

韓秀華， 王 勇， 劉溢溥， 顏巧燕， 劉 斌

（公安部第一研究所 安檢技術(shù)部， 北京 100048）

0 引言

在X 射線安全檢查領(lǐng)域，背散射成像技術(shù)由于具有源探同側(cè)布置，結(jié)構(gòu)緊湊，檢測(cè)靈活，高亮顯示毒品、炸藥高密度低原子序數(shù)有機(jī)物的優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于海關(guān)、檢驗(yàn)檢疫、邊檢緝毒等眾多重要場(chǎng)合的集裝箱、中小型車輛違禁物品的檢查。 背散射成像設(shè)備核心部件是點(diǎn)掃描發(fā)生器，由電機(jī)驅(qū)動(dòng)部件、帶傳動(dòng)、軸承支撐部件及斬波輪組成，其工作原理是斬波輪圍繞X 射線發(fā)生器與出射準(zhǔn)直器產(chǎn)生的扇形X 射線平面進(jìn)行旋轉(zhuǎn)， 從而產(chǎn)生筆束狀X射線掃描被檢測(cè)物體進(jìn)行成像檢查。 為得到高分辨率的清晰圖像，需要斬波輪進(jìn)行高速旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)速度可達(dá)每分鐘2000 多轉(zhuǎn)。 斬波輪由于材質(zhì)不均勻、加工制造誤差等多方面因素會(huì)產(chǎn)生不平衡質(zhì)量，在高速旋轉(zhuǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的離心力會(huì)導(dǎo)致整個(gè)設(shè)備強(qiáng)烈振動(dòng)， 從而降低軸承部件的壽命，影響設(shè)備成像質(zhì)量和安全穩(wěn)定運(yùn)行，因此對(duì)斬波輪的平衡分析校正尤為必要。

1 問(wèn)題提出

現(xiàn)場(chǎng)巡檢車載背散射查驗(yàn)系統(tǒng)點(diǎn)掃描發(fā)生器斬波輪在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中出現(xiàn)異常劇烈振動(dòng)， 根據(jù)斬波輪結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及現(xiàn)場(chǎng)情況， 重點(diǎn)在斬波輪輸入端軸承座垂向位置設(shè)置測(cè)點(diǎn)，采用加速度振動(dòng)傳感器對(duì)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行振動(dòng)測(cè)量，測(cè)點(diǎn)布置，見(jiàn)圖1。

圖1 振動(dòng)測(cè)點(diǎn)位置示意圖

設(shè)定斬波輪工作轉(zhuǎn)速為2250rpm，轉(zhuǎn)頻為37.5Hz，測(cè)點(diǎn)位置測(cè)得垂向振動(dòng)速度有效值Vrms為14.280mm/s，斬波輪運(yùn)行功率為1.5kW， 根據(jù)ISO2372 推薦的各類機(jī)器振動(dòng)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)，斬波輪屬于I 類設(shè)備，設(shè)備長(zhǎng)期正常運(yùn)行需要符合振動(dòng)速度有效值Vrms≤1.8mm/s 的條件， 因此斬波輪無(wú)法滿足設(shè)備正常運(yùn)行的使用要求。

2 現(xiàn)場(chǎng)平衡實(shí)踐

2.1 確定設(shè)備振動(dòng)原因

為了確定設(shè)備具體振動(dòng)原因，對(duì)振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，平衡前斬波輪測(cè)點(diǎn)位置垂向振動(dòng)頻譜圖及時(shí)域波形，見(jiàn)圖2。本數(shù)據(jù)由申克現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡儀SmarterBalancer2 測(cè)得。

圖2 平衡前測(cè)點(diǎn)垂向振動(dòng)頻譜圖及時(shí)域波形圖

從圖2（a）所示的頻譜圖可以看出，轉(zhuǎn)頻37.5Hz 處1 倍頻振動(dòng)值最大，達(dá)到14.259 mm/s，轉(zhuǎn)頻振動(dòng)分量成分占很大比例， 其他頻次的振動(dòng)幅值很??；圖2（b）所示的時(shí)域波形近似為正弦波， 上述圖形中振動(dòng)頻率、 振動(dòng)幅值及波形特征均為轉(zhuǎn)子不平衡的典型特征。此外，對(duì)設(shè)備進(jìn)行Bode 圖測(cè)試，斬波輪轉(zhuǎn)速由0rpm 逐漸升至工作轉(zhuǎn)速2250rpm，對(duì)設(shè)備進(jìn)行振動(dòng)檢測(cè)，測(cè)點(diǎn)布置見(jiàn)圖1，振動(dòng)結(jié)果見(jiàn)圖3。 本數(shù)據(jù)由申克現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡儀SmarterBalancer2 測(cè)得。 測(cè)試結(jié)果顯示，設(shè)備在0 至2250rpm 轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)有4 處共振點(diǎn)， 分別為850rpm、1370rpm、1660rpm、2030rpm，排除了轉(zhuǎn)子在臨界轉(zhuǎn)速下運(yùn)行的可能性。

綜上分析， 斬波輪不平衡問(wèn)題是造成斬波輪振動(dòng)的主要原因。

2.2 動(dòng)平衡測(cè)試方案確定

（1）現(xiàn)場(chǎng)平衡技術(shù)概述。現(xiàn)場(chǎng)平衡方法是旋轉(zhuǎn)機(jī)械常用的平衡方法， 它是指旋轉(zhuǎn)機(jī)械在現(xiàn)場(chǎng)工作狀態(tài)或接近工作狀態(tài)下， 對(duì)轉(zhuǎn)子進(jìn)行振動(dòng)測(cè)量分析和平衡校正的一種平衡試驗(yàn)方法，其平衡方法工作量小，速度快，平衡精度高，對(duì)于改善機(jī)械的運(yùn)轉(zhuǎn)性能，延長(zhǎng)軸承零件的壽命具有重要作用， 尤其是對(duì)于固定場(chǎng)地使用的專用平衡機(jī)上無(wú)法進(jìn)行的平衡振動(dòng)問(wèn)題， 現(xiàn)場(chǎng)平衡技術(shù)將起著不可代替的作用。本文斬波輪現(xiàn)場(chǎng)裝配完成后，由于沒(méi)有合適的專用平衡設(shè)備可供使用， 因此采用現(xiàn)場(chǎng)平衡方法對(duì)旋轉(zhuǎn)部件進(jìn)行平衡試驗(yàn)，以達(dá)到斬波輪快速平衡的目的。

（2）平衡面數(shù)量選擇。根據(jù)剛性轉(zhuǎn)子兩面平衡原理可知，任一不平衡的剛性轉(zhuǎn)子都可在兩個(gè)與轉(zhuǎn)軸垂直的平面上進(jìn)行校正得到平衡[2]。一根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)平衡過(guò)程所需設(shè)置的平衡校正平面的數(shù)目可以分為單面動(dòng)平衡和雙面動(dòng)平衡兩種型式。究竟進(jìn)行何種型式的平衡，要根據(jù)具體情況如轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)、形狀、轉(zhuǎn)速、支撐條件等而定。本文論述的斬波輪是一個(gè)較薄的圓盤(pán)形狀， 轉(zhuǎn)子長(zhǎng)徑比較小（≤1/5），因此可以只考慮轉(zhuǎn)子的合成不平衡量產(chǎn)生的離心力進(jìn)行平衡而不考慮它的合成不平衡力矩， 選擇單面動(dòng)平衡即可達(dá)到滿意效果。

（3）平衡測(cè)試方案制定。本文斬波輪現(xiàn)場(chǎng)平衡測(cè)試方案， 在靠近轉(zhuǎn)子軸承座一側(cè)垂直方向安裝壓電式振動(dòng)加速度傳感器測(cè)量設(shè)備的振動(dòng)值， 在轉(zhuǎn)子軸端附近安裝一光電轉(zhuǎn)速傳感器用作轉(zhuǎn)速測(cè)量，并將此信號(hào)處理為相位參考信號(hào)，同時(shí)在轉(zhuǎn)子軸端適當(dāng)位置粘貼反光標(biāo)簽作為0°相位角參考標(biāo)志，完成現(xiàn)場(chǎng)平衡試驗(yàn)方案的布置及其顯示記錄系統(tǒng)的連接，見(jiàn)圖4。

（4）平衡過(guò)程及分析。 斬波輪主要參數(shù)，見(jiàn)表1。 平衡過(guò)程如下：?jiǎn)?dòng)斬波輪至工作轉(zhuǎn)速，測(cè)量并記錄軸承的不平衡振動(dòng)響應(yīng)（包括幅值及相位角）， 此響應(yīng)即為轉(zhuǎn)子原始不平衡量引起的振動(dòng)響應(yīng)； 然后在轉(zhuǎn)子校正面校正半徑圓周（角度可以任選）加載已知質(zhì)量的試重，再次啟動(dòng)轉(zhuǎn)子至工作轉(zhuǎn)速，測(cè)量并記錄軸承的不平衡振動(dòng)響應(yīng)，此時(shí)響應(yīng)為轉(zhuǎn)子不平衡量與試重共同作用下的振動(dòng)響應(yīng)，通過(guò)兩次振動(dòng)響應(yīng)測(cè)量，確定系統(tǒng)影響系數(shù)，得到轉(zhuǎn)子不平衡量的大小和相位，施加校正質(zhì)量，經(jīng)過(guò)多次校正，直至旋轉(zhuǎn)部件剩余不平衡量滿足斬波輪平衡設(shè)計(jì)要求。

圖4 現(xiàn)場(chǎng)單面動(dòng)平衡測(cè)試框圖

圖3 平衡前測(cè)點(diǎn)位置垂向振動(dòng)Bode 圖

表1 斬波輪主要參數(shù)

動(dòng)平衡校正過(guò)程及效果分析，見(jiàn)表2。 本數(shù)據(jù)由申克現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡儀SmarterBalancer2 測(cè)得。

表2 斬波輪動(dòng)平衡校正過(guò)程

2.3 動(dòng)平衡效果考核

為了使轉(zhuǎn)子平穩(wěn)、安全地運(yùn)轉(zhuǎn)，其剩余不平衡量不得大于規(guī)定的許用剩余不平衡量Uper，即U≤Uper。 許用剩余不平衡量Uper與平衡品質(zhì)等級(jí)G 的換算關(guān)系如下：

式中：Uper—許用剩余不平衡量（g·mm）；eper—許用剩余不平衡度 （g·m/kg）；G—平衡品質(zhì)等級(jí)的標(biāo)記值（mm/s）；M—轉(zhuǎn)子的質(zhì)量（kg）；Ω—轉(zhuǎn)子工作轉(zhuǎn)速的角速度（rad/s），Ω=n·2π/60；n—轉(zhuǎn)子的工作轉(zhuǎn)速單位為（r/min）[1]。

斬波輪旋轉(zhuǎn)部件重量為52.8kg， 工作轉(zhuǎn)速為2250rpm， 斬波輪正常運(yùn)行設(shè)計(jì)平衡品質(zhì)等級(jí)為G2.5，根據(jù)式（1）可以推算，斬波輪在平衡品質(zhì)等級(jí)G2.5、G1.6、G1等級(jí)下的許用剩余不平衡量依次為560g·mm、359g·mm、224g·mm。 斬波輪經(jīng)兩次平衡校正，安裝配重62.1g∠33°及11.7g∠73°后， 測(cè)得剩余不平衡量為234g·mm， 滿足G2.5 設(shè)計(jì)要求，且優(yōu)于G1.6 級(jí)，接近G1 水平；同時(shí)，一倍頻振動(dòng)值由11.177mm/s 降低至0.225mm/s， 振動(dòng)幅值下降了98%，斬波輪運(yùn)行平穩(wěn)。

現(xiàn)場(chǎng)平衡由于不拆卸設(shè)備在原裝配軸承基座上接近工作狀態(tài)下進(jìn)行平衡校正，保持了設(shè)備與軸承的完整性，校正效果非常顯著， 測(cè)點(diǎn)位置垂向振動(dòng)速度有效值Vrms為1.160mm/s，與平衡前相比Vrms降低了91.8%，平衡后測(cè)點(diǎn)位置垂向振動(dòng)的頻域圖和時(shí)域波形如圖5（a）和圖5（b）所示，根據(jù)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO2372（表1）判定，斬波輪運(yùn)行狀態(tài)良好， 可連續(xù)長(zhǎng)期工作。 本數(shù)據(jù)由申克現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡儀SmarterBalancer2 測(cè)得。

圖5 平衡后測(cè)點(diǎn)垂向振動(dòng)頻譜圖及時(shí)域波形圖

3 結(jié)論

針對(duì)斬波輪旋轉(zhuǎn)運(yùn)行過(guò)程存在的振動(dòng)問(wèn)題， 本文作者使用現(xiàn)場(chǎng)平衡儀器，應(yīng)用影響系數(shù)法進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)平衡測(cè)試，通過(guò)增加配重62.1g∠33°及11.7g∠73°， 旋轉(zhuǎn)部件動(dòng)平衡精度等級(jí)滿足G2.5 的設(shè)計(jì)要求，實(shí)際平衡精度等級(jí)優(yōu)于G1.6 級(jí)接近G1 級(jí)，設(shè)備通頻振動(dòng)值由14.280mm/s 降至1.160mm/s，振動(dòng)值下降了91.8%，振動(dòng)水平達(dá)到國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO 2372（表1）I 級(jí)設(shè)備B 級(jí)振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)， 斬波輪可長(zhǎng)期連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行，從而為現(xiàn)場(chǎng)巡檢車載背散射成像設(shè)備的安全運(yùn)行及成像質(zhì)量提供保證。