基于LabVIEW的轉子現場動平衡測試系統的設計

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）

0 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底座上，引起振動，產生了噪音，加速軸承磨損，縮短了機械壽命，嚴重時能造成破壞性事故。

據統計，轉子不平衡引起的故障約占機械全部故障的60%以上。隨著當前精密數控加工技術的發展，高速轉子在加工生產過程中產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，或使因此產生的機械振動幅度下降至允許的范圍內[1]。

1 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90°[1-3]。

2 影響系數法

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，根據影響系數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[4-6]。具體步驟如下：

（3）計算加重對振動的影響

3 軟件系統設計

LabVIEW是一種程序開發環境，由美國國家儀器（NI）公司研制開發，類似于C和BASIC開發環境，但是LabVIEW與其他計算機語言的顯著區別是：其他計算機語言都是采用基于文本的語言產生代碼，而LabVIEW使用的是圖形化編輯語言G編寫程序，產生的程序是框圖的形式[6]。

3.1 軟件系統總體結構

軟件系統的整體結構如圖1所示，主要包括設置參數模塊、數據采集模塊、數據處理模塊、計算配重模塊和數據保存模塊。圖2為軟件軟件系統運行的流程圖。

3.2 各模塊介紹

（1）設置參數模塊

圖1 軟件系統結構圖

此模塊可對數據采集的一些定義參數(如通道選擇、采樣率、采樣點數等)進行設置，并且可以設置保存路徑。

圖2 軟件系統運行流程圖

（2）數據采集及處理模塊

圖3 數據采集及處理模塊程序框圖（局部）

圖3 為數據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據進行處理，從而得到幅值和相位。

圖4 計算配重模塊程序框圖

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采樣過程，其過程是根據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生的時刻序列，在等角度采樣時刻附近的時間區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態信號。

（3）計算配重模塊

圖4為計算配重模塊的程序。采用影響系數法的原理進行編寫，輸入相關參數后可直接得到影響系數和配重的大小及位置。

（4）數據保存模塊

數據保存模塊程序框圖如圖5所示，可對采集的振動的數據、轉速數據、時間數據、及計算的配重數據進行保存，并能夠讀取歷史數據，進行進一步的動平衡測試。

3.3 測試系統前面板操作說明

圖6為測試系統的前面板。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、記錄數據、刪除數據、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。

圖5 數據保存模塊程序框圖（局部）

圖6 測試系統前面板

另外還有鍵盤操作熱鍵，F6/F7/F8，用來彈出設置彈窗和數據彈窗，可以實時查看設置及保存的數據。

4 硬件系統設計

硬件系統（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?TEK Entach轉速計、NI9234數據采集模塊和計算機等。

（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、頻響范圍寬和線性度好的特點。

（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3～99 999 r/min。

（4）數據采集模塊

NI9234數據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。

5 實驗驗證及數據分析

實驗實際加重步驟如圖8所示，共經過了5次加重。表1列出了每次加重的情況和加重后的振動值。

經過四次加配重后不平衡幅值由48.9μm下降到14.1μm，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。

6 結論

圖7 硬件系統實物圖

圖8 實驗加重情況

表1 實驗結果

本文介紹的基于LabVIEW的轉子動平衡測試系統，整個系統集成了傳感器技術、數據采集技術、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、智能化具有推進作用。通過實驗驗證，此系統可應用于現場動平衡的檢測。

［1］沈慶根，鄭水英.設備故障診斷［M］.北京：化學工業出版社，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的現場動平衡測試系統研究［D］.重慶：重慶大學，2011.

［5］郭亮，王吟.一種結合LabVIEW的雙層永磁直線電機測試系統［J］.機電工程，2013（1）：1350-1353.

［6］賈壽峰，張霞，張新廣.基于LabVIEW的曲軸動平衡測試系統研究［J］.現代制造技術與裝備，2009（03）：16-18.

［7］鄔立建.影響系數法在現場動平衡中的應用［J］.冶金動力，2005（01）：55-60.

［8］王志強.影響系數法在引風機現場動平衡中的分析與應用［J］.煤，2011（02）：37-41.