基于LabVIEW的轉子現(xiàn)場動平衡測試系統(tǒng)的設計

1、基于LabVIEW的轉子現(xiàn)場動平衡測試系統(tǒng)的設計李涉，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）摘要：根據(jù)影響系數(shù)法原理，以LabVIEW為平臺，搭建高速現(xiàn)場動平衡測試系統(tǒng)，并通過MDT-3A實驗臺模擬不平衡故障，驗證了系統(tǒng)的可行性。關鍵詞：LabVIEW；動平衡；程序設計 The Design of rotor dynamic balance test system based on LabVIEW LI She ，ZHENG Wen，HU Jian-yuan，Zeng Fan（Guangzhou University，Mechanical and Electr

2、ical 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: LabV

3、IEW；balance；program design1 引言工程中的各種回轉體，由于材質不均勻或毛坯缺陷、加工及裝配中產(chǎn)生的誤差，甚至設計時就具有非對稱的幾何形狀等多種因素，使得回轉體在旋轉時，其上每個微小質點產(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基礎上，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)控加工技術的發(fā)展，高速轉子在加工生產(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

4、降在允許的范圍內1。2 設備不平衡的振動特征(1) 振動的周期性與工作轉速同頻，主要振動能量集中于設備的一倍旋轉速度；(2) 振動強度程度相對工作轉速的變化很敏感；(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901。3 影響系數(shù)法動平衡基本思路是：在選定的平衡轉速下，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，平衡轉速必須恒定。具體步驟如下：(1) 測取原始狀態(tài)下的振動。(2) 在轉子上試加重，測取加重后的振動。(3) 計算加重對振動的影響式中加重前后振動變化量；影響系數(shù)，表示在

5、轉子零度方向、1m半徑處加單位質量所引起的振動變化量，如果采用振動位移量來進行動平衡，其單位為。(4) 計算轉子上應加平衡重量上式的物理意義是：應加平衡重量所引起的振動變化應該能夠消除原始振動。由此可求出6-7。4 軟件系統(tǒng)設計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5。1.2.3.4.4.1. 軟件系統(tǒng)總體結構軟件系統(tǒng)的整體結構如圖1所示，主要包括設置參數(shù)模塊、數(shù)據(jù)采集

6、模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、計算配重模塊、數(shù)據(jù)保存模塊。圖2為軟件軟件系統(tǒng)運行的流程圖。2.3.4.圖1 軟件系統(tǒng)結構圖圖2 軟件系統(tǒng)運行流程圖4.2. 各模塊介紹(1) 設置參數(shù)模塊此模塊可對數(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)進行設置，并且可以設置保存路徑。(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原始數(shù)據(jù)進行處理，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

7、采樣過程，其過程是根據(jù)轉速脈沖序列進行轉速估計，然后利用此估計轉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。圖3 數(shù)據(jù)采集及處理模塊程序框圖（局部）(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Σ杉恼駝拥臄?shù)據(jù)、轉速數(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。圖5 數(shù)據(jù)保存模塊程序框圖（局部）4

8、.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、時間及轉速。左側為用戶操作按鈕：設置即開始、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，用來彈出設置彈窗和數(shù)據(jù)彈窗，可以實時查看設置及保存的數(shù)據(jù)。圖6 測試系統(tǒng)前面板5 硬件系統(tǒng)設計硬件系統(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

9、TEK Entach 轉速計、NI9234數(shù)據(jù)采集模塊、計算機等。(1) 轉子試驗臺MDT-3A實驗臺主要由動力部分、齒輪箱部分、轉子部分、軸承故障模擬部分、調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，線性度好的特點。(3) 轉速計 采用ENTEK Entach 轉速計，這是一種帶有TTL輸出的十分便攜的光電轉速計，轉速范圍為399

10、999RPM。(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。圖7 硬件系統(tǒng)實物圖6 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。圖8 實驗加重情況振動位移值(m)振動相位（）加重重量（g）加重角度（）是否保留配重初始振動測量值48.9100動平衡試重8270加試重后的振動值26.3106第一次動平衡配重9.2284第一次加

11、配重后的振動值11.3177第二次動平衡配重4.219第二次加配重后的振動值19.3115第三次動平衡配重2.7297第三次加配重后的振動值17.8223第四次動平衡配重1.680第四次加配重后的振動值14.1127第五次動平衡配重0.9308表1 實驗結果經(jīng)過四次加配重后不平衡幅值由48.9m下降到14.1m，已達到實驗的目的。由于第五次配重質量過小，因此第四次配重后，并沒有進行進一步的加重。7 結論本文介紹的基于LabVIEW的轉子動平衡測試系統(tǒng)，整個系統(tǒng)集成了傳感器技術、數(shù)據(jù)采集技術、信號處理和分析技術等多種前沿技術，相對于傳統(tǒng)的測量儀器，測量精度高，可靠方便，對促進機器轉子故障診斷的自動化、智能化具有現(xiàn)實意義的推進作用。通過實驗驗證，表明此系統(tǒng)可應用于現(xiàn)場動平衡的檢測。參考文獻1 沈慶根，鄭水英.設備故障診斷M .北京：化學工業(yè)出版社，2005 .2王慧，孫秀云，劉偉. 不平衡振動信號中幅值和相位求法J . 機械制造與自動化，2007，04 ：95-97.3楊建剛. 旋轉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 .重慶大學，2011 .5賈壽峰，張霞，張新廣. 基于LabVIEW的曲軸動平衡測試系統(tǒng)研究J . 現(xiàn)代制造技術與裝備，2009，03 ：16-18.6鄔立建.影