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1、1绪论常用机械中包含着大量的作旋转运动的零部件，例如各种传动轴、主轴、电动机和汽轮机的转子等，统称为回转体。在理想的情况下回转体旋转时与不旋转时，对轴承产生的压力是一样的，这样的回转体是平衡的回转体。但工程中的各种回转体，由于各种原因，在旋转时，其上每个微小质点产生的离心惯性力不能相互抵消，离心惯性力通过轴承作用到机械及其基础上，引起振动，产生了噪音，加速轴承磨损，缩短了机械寿命，严重时能造成破坏性事故。为此，必须对转子进行平衡，使其达到允许的平衡精度等级，或使因此产生的机械振动幅度降在允许的范围内。1.1转子动平衡概述在科学技术快速发展的现代社会，旋转机械的应用非常广泛。旋转机械的高效、安全
2、和长期运行，不仅创造的巨大的物质财富，也带来了巨大的社会效益。与此同时，机械振动问题也成为制约旋转机械发展的最大障碍5。为了改善机械的旋转性能，就需要人们研究机械的平衡。所谓平衡，是根据转子一支承系统的动力学特性，使转子以一定的转速转动，并通过测量转子一支承系统有关测点的振动幅值大小和相位信息来判断不平衡量大小和方位，以便采取措施进行平衡的一门技术6。转子动平衡是含有转子的机械设备的一项重要指标，对于消除振动、提高设备的工作性能和使用寿命有着重要作用7。1.2动平衡技术的国内外发展状况由于生产需要，转子平衡理论发展迅速。上世纪初，大部分转子系统工作在第一节临界转速以下，转子挠度变形可忽略不计，
3、转子属于刚性的，对这方面的研究相对简单些，故在30年代后期刚性转子平衡理论已近成熟1。但是刚性转子的平衡受某一速度限制，如果转速超过这一限制速度，已经平衡了的转子又不平衡。特别是当转子工作在临界转速以上时，这种平衡方法已失去作用2。随着生产技术的发展以及转子转速的提高，柔性转子的动平衡理论得到了快速发展。其平衡理论归纳起来主要有两类：第一类是以Thearle、Baker、Goodman为代表坚持使用的影响系数法；第二类是Meldal、Bishop、Gladwell、Federn为代表坚持使用的振型平衡法，或称模态平衡法2。现代的动平衡技术是在本世纪初随着蒸汽透平的出现而发展起来的。随着科学技术
4、的发展，动平衡方法从工艺平衡到整机现场平衡再到在线动平衡，它们发展先后次序不同，但是后面的方法并不能完全取代前面的方法。它们各有优缺点，适用场合也各异。如工艺平衡法主要适用于单体零件的平衡，很少用于旋转机械组合件的平衡；整机现场平衡法主要用于平衡组装好的旋转机械，在设备维修中起着重要作用。这两种方法均限于不平衡量不常变化的转子，对于运转时随时可能发生不平衡状况变化的转子则宜采用在线平衡法3。目前，国外对动平衡技术的研究比较完善。国内对动平衡测试技术与系统的研究较晚，最初主要是依靠进口，自1958年华中工学院动平衡科研组成功研制出第一台采用电子测量技术的DS-500型通用动平衡机开始，40多年来
5、，我国在刚性和绕性转子平衡的理论和方法上进行了大量的研究。对于一般场合的使用，国内的产品在技术技术和性能上已经能满足要求，但对一些专用平衡机的研究和整个测试过程自动化方面，国内技术水平和国外差距明显4。1.3本课题的内容和意义本课题是对小型的，简易的刚性转子进行动平衡的测试。使用传感器找出其不平衡量的位置和大小，并通过计算对其进行平衡。在测试中还涉及到A/D卡的使用，以及软件的编写。本课题主要是以计算机为核心，使用Visual Basic语言编写程序对传感器测得的数据进行采集和处理，并且使其形成动态曲线显示出来。目前市场上使用的动平衡测试系统都是大型的，主要用于精密测试。这些系统一般占用空间较
6、大，价格昂贵，对于一些中小型学校的实验室来说是不可实现的。因此，本课题研究的是一个以软件为主的小型测试系统，能达到的精度要求不高。该系统硬件要求低，成本也很低，使用方便，适用于一些小型的学校实验。2刚性转子的动平衡2.1动平衡技术简述转子是弹性体，当其惯性主轴偏离旋转轴线时，运转中转子上的不平衡离心力将或多或少地使转子产生挠曲变形。但当转子的工作转速远低于一阶临界转速时，转子的刚性很强，而不平衡力相对较小，因而不平衡力所产生的挠曲变形可以忽略不计，这样的转子称为刚性转子。相反地，将不平衡力所产生的挠曲变形不可忽略的转子称为柔性转子（或称挠性转子）。在转子设计时，人们尽管可以做到理论上的完全平衡
7、，但由于加工与安装的误差、转子材料不均匀，都会造成转子的不平衡，而且这种不平衡量的大小和方法有着很大的随机性变化，不可能在设计时就予以消除。因此，加工好的转子需要通过一定的测试确定其不平衡量的大小和方位，并加以平衡，以达到一定得精度要求。在机械中，构件的运动形式不同，则产生的惯性力不同，其平衡方法也不同。平衡问题可以分为下列两大类：1. 绕固定轴回转的构件的惯性力的平衡。这类平衡简称转子的平衡，而转子的平衡又分两种不同的情况：（1） 刚性转子的平衡；（2） 绕性转子的平衡。2. 机构在机架上的平衡8。实际转子的不平衡质量的分布是各式各样的，我们可以将转子看成是由多个单圆盘组成的。假设每个圆盘都
8、存在不平衡质量，根据力学原理，刚性转子的任意不平衡可以向两个平面内分解，故刚性转子可以用两个校正质量来达到平衡9。本课题为：简易刚性转子动平衡测试系统设计。可以通过传感器的测量知道转子的不平衡量及其位置，再将不平衡量等效到转子两端面。在两端面上添加质量块来达到转子的等效平衡的效果。2.2转子不平衡分析在机械设备中，旋转是一种很普遍的运动形式。日常见到的大部分机械都以转子的旋转作为工作的动力，大到大型的汽轮发电机组轴系，小到风机、泵、压缩机等都以转子系统作为工作的主体。转子系统运行的平稳性决定机器运转时的可靠性。但是转子运转时完全平衡是不可能的，因此为了更好的利用转子，就需要对转子的不平衡进行分
9、析。2.2.1转子的不平衡转子不平衡时由于转子部件质量偏心或转子部件出现缺损造成的，它是旋转机械最常见的故障。据统计，旋转机械约有一半以上的故障与转子不平衡有关。造成转子不平衡的具体原因很多，在此将与转子关系比较密切的不平衡因素总结如下，仅供参考。由于材质不均，制造精度较差以及结构特点造成的转子不平衡；由于安装不良造成偏心而导致不平衡；由于配合松动而导致不平衡；由于轴弯曲或轴变形（受热不均，水平存放过久）而导致不平衡；由于转子运行过程中旋转零件的磨损、剥落、积垢而导致不平衡；由于旋转零件的断裂而导致的不平衡。当然，除了上述原因，转子不平衡的因素还有很多，在此不能一一列举。2.2.2转子不平衡量
10、的种类根据旋转轴线与主惯性轴之间的角度关系，可以把转子的不平衡分为三类（图1）：引用：周骏，潘晓铭，周哲为.转子动平衡的技术研究J.机械设计与制造.2007.4，（4）：151. 图1 转子不平衡类型(1)静不平衡（图1-a），转子主惯性轴与旋转轴线平行；（2）动不平衡（图1-b），转子主惯性轴与旋转轴线交错于转子的质心上；（3）静动不平衡（图1-c），转子主惯性轴与旋转轴线交错于转子的非质心的任何点上。静不平衡一般出现在长度与直径之比较小（即盘状的）转子上，通常L/D1/5。如：多级离心泵，罗茨风机和电动机的转子等。如果在一个转子上各偏心质量合成出2个大小相等，方向相反但不在同一直径上的不平
11、衡力，转子在静止时虽然获得平衡，但在旋转时就会出现一个不平衡力偶，即M0，该力偶不能在静力状态下确定，而只能在动力状态下确定，故称动不平衡。如果在一个转子上既有静不平衡又有动不平衡，即F0、M0，就称为混合不平衡，混合不平衡是转子失衡的普遍状态，特别是长度与直径之比较大的转子，多产生混合不平衡。2.2.3不平衡量的影响现代的动平衡技术是在本世纪初随着蒸汽透平的出现而发展起来的。随着工业生产的飞速发展，旋转机械逐步向精密化、大型化、高速化方向发展，使机械振动问题越来越突出。机械的剧烈振动对机器本身及其周围环境都会带来一系列危害。虽然产生振动的原因多种多样，但普遍认为“不平衡力”是主要原因。据统计
12、，有50%左右的机械振动是由不平衡力引起的。振动过大危害极多：（1）直接造成机组事故，例如，汽轮机组高压端振动过大，可能引起危急保安器动作而停机；（2）损害机组零件，如造成轴瓦和轴承座的紧固螺钉、联接管道、传动机构部件等的损害。当轴承合金因振动过大造成破裂时，事故将更为扩大；（3）造成机组动静部分磨擦或咬合，导致机组发生严重损坏而被迫停机；（4）过大的振动将使各个部件之间的联接发生松动，削弱轴承座、基础台板和基础之间联接的刚性，甚至使基础松裂、建筑物共振，造成严重事故；（5）过大的危害和噪音会损害运行人员的健康。2.3转子动平衡的方法2.3.1现代平衡方法的发展状态现代，各类机器所使用的平衡方
13、法较多，例如单面平衡(亦称静平衡)常使用平衡架，双面平衡(亦称动平衡)使用各类动平衡试验机。静平衡精度太低，平衡时间长；动平衡试验机虽能较好地对转子本身进行平衡，但是对于转子尺寸相差较大时，往往需要不同规格尺寸的动平衡机，而且试验时仍需将转子从机器上拆下来，这样明显是既不经济，也十分费工(如大修后的汽轮机转子)。特别是动平衡机无法消除由于装配或其它随动元件引发的系统振动。使转子在正常安装与运转条件下进行平衡通常称为“现场平衡”。现场平衡不但可以减少拆装转子的劳动量，不再需要动平衡机；同时由于试验的状态与实际工作状态二致，有利于提高测算不平衡量的精度，降低系统振动。国际标准ISOl940一197
14、3(E)“刚体旋转体的平衡精度”中规定，要求平衡精度为G0.4的精密转子，必须使用现场平衡，否则平衡毫无意义。应用最广的平衡方法是工艺平衡法和整机现场动平衡法。作为整机现场动平衡技术的一个重要分支，在线动平衡技术也正处于蓬勃发展之中，很有前途。由于工艺平衡法是起步最早的一种经典动平衡方法。整机现场动平衡技术是为了解决工艺平衡技术中存在的问题而提出的。工艺平衡法的测试系统所受干扰小，平衡精度高，效率高，特别适于对生产过程中的旋转机械零件作单体平衡，目前在动平衡领域中发挥着相当重要的作用，汽轮机、航空发动机普遍采用这种平衡方法。但是，工艺平衡法仍存在很多问题为了克服工艺平衡法的缺点，人们提出了整机
15、现场动平衡法。将组装完毕的旋转机械在现场安装状态下进行的平衡操作称为整体现场平衡。这种方法是机器作为动平衡机座，通过传感器测的转子有关部位的振动信息，进行数据处理，以确定在转子各平衡校正面上的不平衡及其方位，并通过去重或加重来消除不平衡量，从而达到高精度平衡的目的。有于整机现场动平衡是直接接在整机上进行，不需要动平衡机，只需要一套价格低廉的测试系统，因而较为经济。此外，由于转子在实际工况条件下进行平衡，不需要再装配等工序，整机在工作状态下就可获得较高的平衡精度。2.3.2刚性转子的平衡方法对于刚性转子来说，不平衡离心力所产生的转子挠曲变形可以忽略不计，因此可用刚性力学的方法来处理其平衡问题。由
16、于刚性转子的平衡转速远低于转子的一阶临界转速，故通常称为低速平衡。其平衡方法主要有测振幅平衡法和幅相影响系数平衡法。1 测振幅平衡法它又叫无相位测量平衡法。在平衡实验中仅测取轴承振动的幅值，在平衡转速下，通过在选定的平衡面上不同位置多次试加平衡质量，由轴承振动幅值的变化求取转子上原始不平衡的大小和相位。平衡实验中应在转子上选定平衡面，并在平衡面上选定试加质量的安装半径和相位。测振幅平衡法主要是三点平衡法，即通过在选定平衡面的三个不同位置试加重量，测取试加质量后相同转速下的振动幅值，有作图法或解析法求取校正质量的大小和相位。此法由于平衡中缺乏相位信息，故试加重量次数较多，平衡麻烦。2 幅相影响系
17、数平衡法幅相影响系数平衡法是目前国内外使用较为广泛的一种方法。它不仅可以用于刚性转子的平衡，而且经过改进后可以应用于柔性转子的平衡；它不仅能应用于单个转子的平衡，也能用于轴系的平衡。平衡时,需要同时测量振幅和相位。刚性转子平衡我们常用单平面平衡法和双平面平衡法。单面平衡法主要针对一些短而小的转子（如风机水泵等转子），在实际平衡工作中最常见的就是两平面平衡加重法。3测试技术及数据采集测试技术：完成测试任务首先要搭建测量系统，它是以客观和实验方式对客体或事件的特性或品质加以定量描述。也就是说，其结果必须不依赖于观察者并以实验为依据。数值大小必须与所描述的特性遵循相同的规律。测试的主要目的是过程监测
18、，如环境温度测量，气体和水体积测量以及临床监测。另一个目的是过程控制，例如，研究不规则形状物体内部的温度分布或确定汽车碰撞时仿真模型驾驶员各部位的力分布。用以实现测试目的所运用的方式方法称为测试技术。本课题研究的是刚性转子的动平衡测试。3.1测试系统的组成3.2测试过程转速信号既为不平衡的测量提供角度基准，也为转速测量提供周期脉冲信号。转速信号可以由光电转速传感器产生。光电转速传感器工作原理如图（2）所示。在转子（或者与转子同步旋转的零件）外表面上做上标记，使其部分反光。将光电转速传感器移近标记面，在光源照射下，有反光的部分使光敏晶体管导通，无反光的部分使光敏晶体管截止。这样，转子每旋转一圈，
19、光敏晶体管通断一次，输出一个脉冲信号。 光源 光敏晶体管图2 光电转速传感器原理在线性假设条件下，当不平衡的转子旋转时，不平衡离心力作用到轴和支承轴承上，由该力引起的转轴振动借助振动传感器可转换为电信号输出，通过放大、滤波、校正平面分离等处理，输出的信号振幅对应于不平衡量的大小。另外，将该输出信号的相位与从转子上（或与转子同步旋转的部件上）取出的基准信号的相位进行比较，可找出不平衡的角度位置。这是当前不平衡测量的主要方法。转速信号振动信号信号调整电路A/D转换器数据处理系统输出设备 图3 简易测试流程依据动平衡测量方法，综合运用计算机技术、动平衡测试技术，构建好动平衡测试系统。通过传感器将采集
20、到得各种电量或非电量信号通过放大、整形、滤波等处理后传送到A/D卡上，然后通过程序的调用取出存储的数据并将其转换为十进制数据，再经过软件处理后以图像的方式显示出来。3.3数据采集信息社会的发展，在很大程度上取决于信息与信号处理技术的先进性。数字信号处理技术的出现改变了信息与信号处理技术的整个面貌，而数据采集作为数字信号处理的必不可少的前期工作在整个数字系统中起到关键性、乃至决定性的作用，其应用已经深入到信号处理的各个领域中。3.3.1数据采集系统构成今天,已有大量的科技和工程人员对计算机进行总线扩展以便将其用于实验室研究、工业控制、测试和测量。这些都要用到基于计算机的数据采集技术。基于计算机的
21、数据采集系统结构图如图（4）所示3.3.2数据采集的概念和作用“数据采集”是指将温度、压力、流量、加速度等模拟量采集、转换成数字量后，再由计算机进行存储、处理、显示或打印的过程。相应的系统称为数据采集系统。一个数据采集系统的基本任务就是测量和产生现实世界的物理信号。3.3.3数据采集的实现方法实际上在工业中使用的采集板卡主要有两类：ISA卡和PCI卡。ISA卡以其稳定性备受业界的欢迎因此直到现在仍然在工业控制，数据采集领域占有重要的位置。而PCI技术则因为其良好的兼容性、简便的安装和出色的性能而方兴未艾。PCI系列数据采集卡的安装比较简单，对于PCI系列数据采集卡来讲，只要先在系统中装好驱动程
22、序，然后关机-插卡-开机，系统就可以自动找到新硬件并自动安装相应的驱动程序。其他公司的PCI设备可能会提供相应的.inf文件，用户可以在安装板卡的时候指定相应的inf文件给安装程序。系统自动的为PCI设备分配中断和基地址，用户无须关心。要从一个基于计算机的数据采集系统得到合理的结果,依赖于系统的每一个组成部分,即计算机、传感器、信号调理、数据采集硬件和软件。首先，传感器把物理信号转换成电信号。例如:热电偶、RTDS、热敏电阻、集成电路传感器等,都将温度转变成电压和电阻。又如应变片、流量传感器、压力计等将压力、流速、压力转换成电信号。对于每种传感器,电信号的大小都与被监测的物理参数成正比。从传感
23、器输出的信号必须经过调理才能够连入数据采集板,信号调理包括放大、隔离、滤波、传感器激励、线性化等处理。接着便是数据采集硬件和软件的配合使用采进数据，这里数据采集硬件就是A/D采集卡PCI-9111。数据采集技术是电子测量仪器的基础,当然也是虚拟仪器的基础。只有当数据采集部分正确工作时,整个虚拟仪器系统才可能正确工作。因此,了解、掌握计算机数据采集技术是非常重要的。3.4 PCI-9111简介目前，市场上有各种各样的数据采集板卡。 这类板卡均参照PC机的总线技术标准设计和生产,在一块印刷电路板上集成了模拟多路开关、程控放大器、采样/保持器、A/D和D/A转换器等器件,用户只要把这类板卡插入PC机
24、主板上相应的I/O扩展槽中,就可以迅速地、方便地构成一个数据采集与处理系统，从而大大节省了硬件的研制时间和投资，又可充分利用PC机的软硬件资源,有助于用户将精力放在数据采集与处理理论方法的研究和进行系统软件的设计等方面.其中ADLINK PCI总线型9111DG板卡是功能较为简单的一种数据采集卡，可满足学校科研实验的应用要求。该板卡的特性有：32位PCI总线，即插即用，12位/16位模拟量输入分辨率；6信道单端模拟量输入；带有可存储1024个数据的FIFO；通道自动扫描功能选择；采样频率可达110KHz等。使用时将板卡直接插入计算机的PCI总线插槽中。由于WIN系统具有即插即用的功能，当将AD
25、LINK 9111DG采集卡插入PCI插槽中后启动操作系统时，系统将会发现新硬件并且通知安装驱动程序。在典型安装时，将会安装DLL、设备驱动程序、应用例程等。硬软件安装完成后，即可通过软件编程对该采集卡进行操作，实现被测信号的数据采集功能。利用VB设计数据采集程序时，为了对该采集卡进行操作，必须调用安装的DLL中的函数。为此，在程序中首先要声明函数，然后方可调用。例如在过程参数测量系统中使用了模拟量输入信号的采集过程函数，所以可声明如下：Declare Function AI_VReadChannel Lib“Pci-Dask.dll”(ByVal CardNumber As Integer,
26、 ByVal Channel As Integer, ByVal AdRange As Integer,Voltage As Double)As Integer函数AI_VReadChannel可实现对输入信号的采集，即当前信号的电压值。该函数声明后，程序中才可调用如：result=AI_VReadChannel(card , 0, 1, voltage1)/读取通道信号的电压值result=AI_VReadChannel(card , 1, 1, voltage1)/读取通道信号的电压值其中voltage1和voltage2分别为通道信号信号和通道信号的电压值。card为板卡号,其余两个参数
27、分别为通道号和增益系数。当然在使用过程中，还要用到其它DLL函数,同样需进行声明。引用：黄勋，李建军.利用VB和PCI-9111工控卡实现参数测量和曲线显示J.电脑知识与技术.2005，15：11.4刚性转子动平衡测试系统整体方案设计4.1Visual Basic语言概述4.1.1Visual Basic简介4.1.2面向对象的程序设计4.1.3相关控件介绍4.2传感器的选择转子动平衡是控制其不平衡量的有效手段，进行转子动平衡，首先必须准确地测量转子不平衡的信息，不同类型转子的不平衡信息是不同的，刚性转子的不平衡信息包含两方面，即位于平衡校正平面上的不平衡量的大小和相位位置的信息10。4.2.
28、1传感器分类想要获得转子的不平衡信息，我们需要用到传感器。传感器是用于检测某种变量并把检测结果传送出去的功能器件。它广泛地应用于工业生产和科学研究11。传感器的分类方法有很多种，按照用途可分为：压力传感器、液面传感器、位置传感器、速度传感器、热敏传感器、加速度传感器、射线传感器、真空度传感器、振动传感器、能耗传感器、力敏传感器、湿敏传感器、磁敏传感器、气敏传感器、生物传感器等12。本课题选用了两类传感器：一类是转速传感器，另一类是振动传感器。4.2.2光电转速传感器目前，常规的转载转速的测试方法是通过各种转速传感器，将转速信号转换成相应的电信号，然后，通过各种数字化测量方法进行测量13。这里我
29、选择光电转速传感器。光电转速传感器是根据光敏二极管工作原理制造的一种感应接收光强度变化的电子器件，当它发出的光被目标反射或阻断时，则接收器感应出相应的电信号14。再通过采集系统获得转子的不平衡相位信息。4.2.3压电式加速度传感器当不平衡的转子旋转时，不平衡离心力作用到支承上，由该力引起的支承振动借助传感器转换为电信号输出6。测量转子支承的振动可以选用压电式加速度传感器。压电晶体在机械力的作用下，表面会产生和机械力成正比的电荷。压电加速度传感器正是利用了这一压电效应。压电式加速度传感器的经典结构如图（5）所示，主要由弹簧、质量块、压电晶体、基座等部件组成。压电式加速度传感器体积小、重量轻、灵敏
30、度高、工作频率范围宽。图5 压电加速度传感器1-弹簧、2-质量块、3-压电晶体、4-基座质量块的相对位移与壳体加速度之间的频响函数和幅频特性分别为： 4.1 4.2式中,为的傅里叶变换。设弹簧的弹性系数为K，则压电晶体上承受的动态力（不含静态时弹簧的预紧力）为： 4.3设压电晶体的压点常数为，得压电式加速度传感器的输出电荷： 4.4由式4.14.4可知，当时，压电式加速度传感器的输出电荷与输入加速度呈线性关系，可用于加速度不失真测量。4.3转子系统4.4测试系统的软件设计前边已经讲述了采集卡PCI-9111的工作过程，即数据的采入和调出过程。现在要做的就是利用VB编程以实现接受板卡上采集到得数
31、据，并将数据显示出来的功能。4.4.1界面设计4.4.2滤波处理4.4.3数据的显示5测试系统调试5.1调试的目的5.2调试的相关过程及结果6数据处理和后期工作6.1测试系统的结果显示6.2实验数据的处理6.3对不平衡量进行平衡处理致谢1任海军，贺利乐.机械设备转子不平衡的诊断与平衡J.煤矿机械.2007.7，28（7）：176.2张祖德.旋转机械转子不平衡的故障诊断J.特钢技术.2008,14(4):49.3沈春满.浅谈电机转子的平衡技术J.上海大中型电机.2007，（1）:32.4陶利民.转子高精度动平衡测试与自平衡技术研究D.湖南：国防科学技术大学,2006.5李军.关于数据采集技术的研究J.科技资讯.2006，33:64.6林佳本.数据采集与控制J.专题特写.2003，:11-13.
