1、高速转子现场动平衡测试系统 李蔚然 青岛理工大学 摘 要： 现场动平衡的电机转子一般在复杂的操作环境下, 直接通过不平衡量引起的电机轴承振动来进行幅度与相位的解算, 振动方向单一且未考虑振动响应问题对于不平衡量精度的影响。针对电机各方向振动响应不同的问题, 设计电子系统, 将多传感器信息进行融合, 采用信号的幅度相位解算方法进行动平衡的改良。理论分析和实验结果表明, 通过设计的硬件系统进行数据采集和处理, 对电机转子进行双向振动响应分析, 并进行改进算法可以有效地提高动平衡精度。关键词： 现场动平衡; 各向支撑异性; 幅度相位补偿; 数据采集和处理; 动平衡精度; 作者简介：李蔚然 (1993
2、-) , 男, 河北人, 在读研究生, 研究方向:电子系统设计与电磁兼容。收稿日期：2017-09-15High-speed Rotor System Field Dynamic Balance SystemLi Weiran Qingdao University of Technology; Abstract： The field dynamic balancing machine is generally in a complex operating environment, directly through the unbalanced motor bearing vibration c
3、aused by the amplitude and phase of the solution, the vibration direction of a single and does not take into account the vibration response problem for the accuracy of the impact of unbalance. According to the different vibration response of each direction of the motor, a dynamic model of disc rotor
4、 is established, and a hardware system is designed. The multi-sensor information is fused and the amplitude phase resolution method is used to improve the dynamic balance. The theoretical analysis and experimental results show that the design of the hardware system for data acquisition and processin
5、g, the motor rotor two-way vibration response analysis, and improved algorithm can effectively improve the dynamic balance accuracy.Keyword： field dynamic balance; support difference in different direction; amplitude and phase compensation; data collection and processing; dynamic balance accuracy; R
6、eceived： 2017-09-150 引言旋转机械的干扰主要是由振动引起, 除了安装、调试不良引起的机械振动和电磁振动之外, 转子质量不平衡产生离心力而引起的机械振动是影响旋转机械正常工作的最大因素。离心力作用会产生额外噪声以及轴承磨擦, 降低生产质量, 缩减机械寿命。动平衡机由此产生用于测量并校正转子的不平衡量。动平衡分为机上动平衡和现场动平衡。现场动平衡直接将转子装配在机器设备上, 在转子系统工作状态下进行平衡, 确保平衡环境与系统运作环境相同, 避免了运输、安装、调试过程中产生的影响。文献1论证了简单圆盘转子模型的动力学特性, 为旋转机械动平衡的深入研究奠定了基础。到目前为止, 相关
7、技术人员的研究中心围绕在基频信号的提取以及包括影响系数法2、快速傅里叶变换法3、互相关法4等不平衡量振幅与相位的解算方法。但测得的信号往往是轴承上的单一振动信号, 默认为电机各个方向支撑特性相同, 即不存在结构或其他因素产生的不同振动响应, 无法有效利用传感器全面地提取不平衡量的特征信息, 在高频、高速情况下更为明显。本文通过设置变频器调整电机转子的转速, 利用两个 ICP 压电加速度传感器将水平与竖直方向不同频率的振动信号进行处理与采集, 提取有效基频信号并进行振动响应分析, 采用信号合成方法, 快速有效地减小或消除不同方向上的振动响应带来的影响, 从而可以最大化提取电机不平衡量引起的振动信
8、号的特征, 提高动平衡精度。1 实验方案及装置本文选取一个最高转速可达 12000rad/min 的交流电动机转子, 采用变频器对转子的转速进行调节。变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置, 能实现对交流异步电机的软起动、变频调速、提高运转精度、改变功率因数、过流、过压、过载保护等功能。集成多个电路模块, 简化了电流转换的过程, 缩小了设备的体积。变频器主要包括主回路和控制回路, 主回路用来实现电压转换并将所需的交流电输出到电机, 分别将工频电源变换为直流电源的变流器, 遏止电压波动的平波回路和将直流功率转换为所需交流功率的逆变器;控制回路用来设置转子运转方
9、向、多段速度指令等功能。如图 1 所示。通过配线完成变频器主要参数的设置:1) 主频率输入和运转信号来源由数字操作器控制;2) 电机停车方式以减速刹车方式停止;3) 最高操作频率选择 200Hz, 输入电压选择 220V, 最大输入电流为11.5A, 最大输出电流为 5A。将变频器与电机连接后, 采用两个 ICP 压电加速度传感器相互垂直安置在转子支承上, ICP 传感器是内装微型 IC 放大器的压电加速度传感器, 将传统的压电加速度传感器与电荷放大器集于一体, 简化了测试系统。但 ICP 压电加速度传感器需要恒流源供电, 而不是电子仪器通常具备的恒压源供电。ICP 传感器输出的与振动加速度成
10、正比的交流信号是叠加在一输出偏压上 (8V12V) 。由于上述两大特点, ICP 压电加速度传感器不能直接使用, 需要通过信号调理器进行信号处理才能将传感器信号有效输入到数据采集卡中。信号调理器主要包括以下特点:图 1 变频器线路图 Fig.1 Inverter circuit diagram 下载原图a) 向 ICP 加速度传感器提供 24VDC 4m A 恒流供电;b) 将 ICP 加速度传感器输出的与振动加速度成正比的叠加在输出偏压上交流信号, 通过隔直流电路隔掉输出偏压, 变成通常意义上的以地为参考点的交流信号;c) 输出信号电压可设定为数据采集卡所需的电压值, 且输出信号的增益和上限
11、频率可调。ICP 传感器和信号调理器如图 2 所示。图 2 压电加速度传感器和信号调理器 Fig.2 Piezoelectric acceleration sensor and signal conditioner 下载原图最后将信号调理器的输出信号传输到数据采集卡中, 进行数据采集与存储。数据采集板卡建立在 32 位 PCI 总线架构之上, 采样频率最高可达 30MS/s, 将连续的高速数据流导入主存储口, 具有 4 组同样的电路和 AD 芯片实现各通道的同步数据采集。三相电机在电源电压一定时, 输出的机械功率即被转化成机械转矩的大小由负载决定, 当电机处于空载或轻载时, 输出的转矩很小,
12、此时电机输出的功率很小, 导致定子绕组中流过的电流也就很小, 形成的旋转磁场场强相对较弱, 对转子系统造成的影响不大;当电机负载加大, 需要电机输出的机械转矩也就随之加大, 此时转子的额定转速会发生变化。所以对电机转子试加重1.8g 时, 需要测定在不同转速下系统的稳定性, 防止出现因加重而造成的额外误差。分别调整电机转子的转速到 6000rad/min, 7200rad/min, 8400rad/min, 9600rad/min。根据信号的幅频谱分析, 当转速为 8400rad/min, 即信号频率为140Hz 的时候, 信号能量主要处在转速频率, 证明产生的振动基频信号与转子转动速度同步。
13、因此, 选取转速 8400rad/min 时的数据样本进行不平衡量的测量。硬件系统设计结构图如图 3 所示。2 算法设计传感器采集到的信号中包括:直流信号、基频信号、信号的各次谐波和随机噪声信号。信号中包括除不平衡量引起的机械振动以外其他的机械振动信号, 高斯白噪声以及一部分电磁振动产生的干扰信号。采用加窗函数法设计有限脉冲响应 (FIR) 数字带通滤波器对信号进行滤波处理。FIR 滤波器在使幅度特性满足技术要求的同时, 还可以保证具有严格的线性相位特性, 减小因滤波而产生的信号相位偏移。图 3 硬件系统结构图 Fig.3 Hardware system structure 下载原图本文选取切
14、比雪夫窗设计 FIR 滤波器, 设理想的滤波器幅度特性为 Hd () , 实际滤波器幅度特性为 Hg () , 切比雪夫窗只对奇数长度的窗有定义, 若长度 n 为偶数, 则先加 1, 然后设计长为 n+1 的切比雪夫窗。设 h (n) =h (n-N-1) , N 为奇数。加权误差 E () 表示为采用切比雪夫窗设计的 FIR 滤波器滤除其他频率成分干扰, 减小带内波动同时增大阻带衰减。设置采样率为 1Kbps, 截止频率 135Hz 和 145Hz, 切比雪夫波纹设置为 32db, 滤波器阶数设置为 65。提高滤波器阶数可以有效地使信号能量集中在通带内, 切比雪夫窗对同样的技术指标, 需要的
15、滤波器阶数最小、计算速度快、成本低。在采用 FIR 带通滤波器将其他频率成分的信号滤除后, 其中部分信号由于与转子转速频率相同, 对基频信号造成的同频或近频干扰, 导致两路振动信号的振幅产生一定程度的增大或减小, 同时也可能使相位滞后或提前。由于传感器位置的关系, 信号理论上相位特征明显, 所以相位是否出现偏移可以通过两路信号的相位差来检验。若存在相位偏移, 设 y 轴正半轴为起始相位方向, 通过 FFT 法可以分别求出两路信号的相位和它们之间的相位差, 根据所求相位对信号进行补偿。FFT 法求相位差, 即对信号进行频谱分析, 获得信号的相频特性, 两信号的相差即主频率处相位的差值。幅度方面设
16、 x、y 方向最大振动幅度为 X、Y, k=Y/X。k 值用来表示两个方向的振动响应差异大小。另外, 在实际工程中可能会产生大幅度冲激信号, 影响测量系统的稳定性。所以可以采取均方根与峰值相结合的算法, 对信号的幅度进行确定。在存储的数据样本中, 找出每个周期中绝对值最大的数, 对这些数值求取平均值作为阙值, 将高于阙值的数滤除。然后根据多向均方根解算出基频信号幅值, 完成幅度补偿。图 4 软件主流程图 Fig.4 Software main flow chart 下载原图最后, 采取互相关法对合成的基频信号进行不平衡量幅度和相位的测量。互相关法选取与转子转速同频的正余弦参考信号, 可以有效地
17、剔除上文中所述的近频噪声信号和其他频率成分的干扰, 从而精确地提取出基频信号的特征信息。将补偿后信号测量出的不平衡量结果分别与两路信号直接求得的结果进行对比, 观察测量精度是否提高。软件流程图如图 4 所示。3 实验结果及分析根据测试系统测得的数据如表 1 所示。表 1 x、y 信号参数 Table 1 x, y signal parameters 下载原表 对于补偿之后的信号进行不平衡量的测量, 通过相关法进行测量, 可以有效地筛选出基频信号成分, 滤除近频信号干扰。加重后根据 y 方向基频信号测得结果标明不平衡振动表示为 8.648, 校正后不平衡振动为 1.8336;根据 x 方向测得的
18、结果标明不平衡振动表示为 6.2135, 校正后不平衡振动为 3.4224;通过补偿之后的信号进行测量的不平衡振动表示为 7.585, 校正后不平衡量为 0.5296。可见通过信号幅度补偿和相位解算后测量误差减小, 实现了不平衡量的测量精度的提高。4 结论实际工程中, 高速电机转子往往由于结构等原因出现各向振动响应不同的情况, 降低了电机转子不平衡量的测量精度。本文采用的数据采集与测试系统, 与其他测试系统相比, 该系统集成程度较高, 可以获取转速、方向等多方面的数据进行分析处理, 具有多功能、应用范围广泛、测量精度高等优点, 根据该系统获取的数据进行计算得出结论:单一方向的振动响应对振动转子
19、不平衡量进行解算会造成一定误差, 无法全面提取振动信号特征。通过相互垂直的两个压电传感器测得信号分别提取基频信号进行信息融合, 可以在一定程度上减小不同振动效应造成的误差, 提高测量精度。参考文献1Moon J D, Kim B S, Lee S H.Development of the active balancing device for high-speed spindle system using influence coefficientsJ.International Journal of Machine Tools and Manufacture, 2006, 46 (9) :978-987. 2Nailen RL.Checking and Correcting rotor unbalanceJ.Electrical Apparatus, 2001, 54 (1) :31-36. 3P.Duhamael, M.Vetterli.Fast fourier transform:a tutorial review and a state of the artJ.Signal Processing, 1990, 19 (4) :259-299. 4商一奇, 曹亦庆, 柴艳丽, 等.振动信号的幅值和相位计算方法分析J.计测技术, 2010 (4) :30-32.
