張佳偉，田國(guó)紅

彈簧片對(duì)轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡系統(tǒng)精度影響

張佳偉，田國(guó)紅

（遼寧工業(yè)大學(xué) 汽車(chē)與交通工程學(xué)院，遼寧 錦州 121000）

在轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡系統(tǒng)中，彈簧片是轉(zhuǎn)子振動(dòng)的傳遞部件和振動(dòng)傳感器的直接測(cè)量部件，其薄厚程度對(duì)轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡系統(tǒng)不平衡量的測(cè)試精度起著至關(guān)重要的作用。文章依據(jù)自行設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡系統(tǒng)，不改變其它條件因素，僅更換0.3 mm、0.5 mm、1 mm和2 mm等不同厚度彈簧片的條件下，進(jìn)行轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡實(shí)驗(yàn)，分析彈簧片薄厚程度對(duì)轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡系統(tǒng)不平衡量測(cè)試精度的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，太薄的彈簧片會(huì)出現(xiàn)拍振現(xiàn)象，無(wú)法應(yīng)用于動(dòng)平衡系統(tǒng)轉(zhuǎn)子不平衡量的檢測(cè)中。采用1 mm厚度的彈簧片檢測(cè)出的轉(zhuǎn)子不平衡量最為精準(zhǔn)。

彈簧片；動(dòng)平衡系統(tǒng)；精度影響；不平衡量檢測(cè)

隨著工業(yè)的不斷發(fā)展，旋轉(zhuǎn)機(jī)械尤其是轉(zhuǎn)子的用途越來(lái)越廣泛，在汽車(chē)、輪船、航天等領(lǐng)域更為普遍和明顯。如果轉(zhuǎn)子上存在著不平衡質(zhì)量，那么當(dāng)轉(zhuǎn)子組成的旋轉(zhuǎn)機(jī)械在工作時(shí)，轉(zhuǎn)子在不平衡力或者力矩的作用下將會(huì)產(chǎn)生多余的振動(dòng)，該振動(dòng)會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)子軸承加劇磨損，進(jìn)而對(duì)轉(zhuǎn)子的壽命產(chǎn)生影響?；谝陨弦蛩?，越來(lái)越多的轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡儀器相繼被開(kāi)發(fā)。所開(kāi)發(fā)的轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡儀器能夠?qū)D(zhuǎn)子不平衡質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)，而如何提高動(dòng)平衡儀器的精度是目前的一大研究熱點(diǎn)[1]。

影響轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡儀器精度的因素很多。在動(dòng)平衡技術(shù)上，可以研究振動(dòng)信號(hào)幅值相位的提取方式，并將該技術(shù)應(yīng)用在動(dòng)平衡系統(tǒng)中，提高動(dòng)平衡系統(tǒng)的檢測(cè)精度[2-4]。還可以在動(dòng)平衡原理上，使用不同的動(dòng)平衡方法提高動(dòng)平衡精度[5-6]。

本文根據(jù)自主研發(fā)的轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡系統(tǒng)，在硬件方面對(duì)轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡實(shí)驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行了機(jī)械設(shè)計(jì)，對(duì)傳感器、數(shù)據(jù)采集卡、伺服驅(qū)動(dòng)裝置進(jìn)行了選型。在軟件方面開(kāi)發(fā)了轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡軟件系統(tǒng)，并在此基礎(chǔ)之上，設(shè)計(jì)了不同薄厚程度的彈簧片對(duì)轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡系統(tǒng)精度影響實(shí)驗(yàn)。

1 轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡系統(tǒng)大體由轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡實(shí)驗(yàn)臺(tái)、傳感器、數(shù)據(jù)采集卡、伺服驅(qū)動(dòng)設(shè)備、計(jì)算機(jī)和所開(kāi)發(fā)的轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡系統(tǒng)軟件組成。除了開(kāi)發(fā)的轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡軟件系統(tǒng)外，其余均視為硬件部分。選擇合適的硬件是構(gòu)成轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡系統(tǒng)的基礎(chǔ)。

1.1 轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡實(shí)驗(yàn)臺(tái)機(jī)械設(shè)計(jì)

圖1為轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡實(shí)驗(yàn)臺(tái)的實(shí)物圖，圖2為轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡實(shí)驗(yàn)臺(tái)機(jī)械設(shè)計(jì)三視圖。

圖1 轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡實(shí)驗(yàn)臺(tái)

在圖2的主視圖中，臺(tái)架下方安放西門(mén)子伺服驅(qū)動(dòng)電機(jī)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)與轉(zhuǎn)子之間通過(guò)傳送帶進(jìn)行運(yùn)動(dòng)的傳遞，傳動(dòng)方式為帶傳動(dòng)。當(dāng)轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，用戶通過(guò)計(jì)算機(jī)上的動(dòng)平衡系統(tǒng)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，電機(jī)通過(guò)傳送帶進(jìn)而帶動(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)子在轉(zhuǎn)動(dòng)中受到不平衡質(zhì)量的影響產(chǎn)生相應(yīng)振動(dòng)，該振動(dòng)通過(guò)與轉(zhuǎn)子左右兩端接觸的四個(gè)滑輪，傳遞給轉(zhuǎn)子實(shí)驗(yàn)臺(tái)兩側(cè)的支架，支架將振動(dòng)傳遞給安放在其上的彈簧片，從而帶動(dòng)彈簧片振動(dòng)，振動(dòng)傳感器是上有與彈簧片直接接觸的探針，其作用是監(jiān)測(cè)彈簧片的振動(dòng)并采集彈簧片的振動(dòng)信號(hào)，之后采集的振動(dòng)信號(hào)經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡傳輸?shù)接?jì)算機(jī)上的動(dòng)平衡軟件系統(tǒng)，進(jìn)行轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡以及不平衡量的計(jì)算。

圖2 轉(zhuǎn)子實(shí)驗(yàn)臺(tái)機(jī)械設(shè)計(jì)圖

1.2 其它硬件儀器的選型

振動(dòng)傳感器選用蘇州小田園儀器設(shè)備有限公司提供的XTY-PU-01型磁電式振動(dòng)傳感器來(lái)測(cè)量轉(zhuǎn)子振動(dòng)信號(hào)。

光電傳感器選用意大利帝思TL50激光傳感器，其作用是采集轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速信號(hào)。

數(shù)據(jù)采集卡選用研華公司生產(chǎn)的PCI-1706U數(shù)據(jù)采集卡作為動(dòng)平衡系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集設(shè)備。

伺服驅(qū)動(dòng)設(shè)備選用Siemens公司的SINA- MICS V90伺服驅(qū)動(dòng)器和Siemens 1214C中央控制器。

2 轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡軟件系統(tǒng)

本文使用LabVIEW2020版本對(duì)轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡軟件系統(tǒng)進(jìn)行了開(kāi)發(fā)。如圖3、圖4所示，分別為所開(kāi)發(fā)的轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡系統(tǒng)的主界面和程序框圖。

圖3 轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡系統(tǒng)程序主界面

圖4 轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡系統(tǒng)程序主界面程序框圖

所開(kāi)發(fā)的轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)采集轉(zhuǎn)子的振動(dòng)信號(hào)和基頻轉(zhuǎn)速信號(hào)，并對(duì)振動(dòng)信號(hào)的基頻幅值相位進(jìn)行提取，并通過(guò)影響系數(shù)法的內(nèi)部程序計(jì)算出轉(zhuǎn)子的不平衡質(zhì)量。

3 彈簧片厚度對(duì)系統(tǒng)的精度影響實(shí)驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)相關(guān)要求

實(shí)驗(yàn)所用到的相關(guān)參數(shù)均按照《平衡機(jī)的描述檢驗(yàn)與評(píng)定》（GB/T 4201—2006）的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行選取[7]。

（1）轉(zhuǎn)子的要求為轉(zhuǎn)子需使用標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)子，本文所使用的標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)子參數(shù)如表1所示。

表1 標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)子技術(shù)參數(shù)

（2）試重的要求，試重質(zhì)量不能超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的質(zhì)量。

mar=mar（1）

式中，mar為轉(zhuǎn)子的最小可達(dá)剩余不平衡量，g·mm；mar為轉(zhuǎn)子最小可達(dá)剩余不平衡度，也稱動(dòng)平衡精度等級(jí)，g·mm/kg；為轉(zhuǎn)子的質(zhì)量，kg。

雙面動(dòng)平衡轉(zhuǎn)子每側(cè)試重質(zhì)量計(jì)算公式為

式中，為轉(zhuǎn)子的每側(cè)試重，g；為轉(zhuǎn)子的半徑，mm。

3.2 彈簧片對(duì)精度影響實(shí)驗(yàn)

通過(guò)轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡系統(tǒng)，對(duì)0.3 mm、0.5 mm、 1 mm、2 mm等四種不同厚度的彈簧片進(jìn)行了拆卸更換，并采集振動(dòng)信號(hào)數(shù)據(jù)，進(jìn)行濾波分析與不平衡量的計(jì)算。圖5為不同厚度的彈簧片。

圖5 不同厚度的彈簧片

實(shí)驗(yàn)條件如下：取5 kg標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)子，設(shè)置轉(zhuǎn)速為1 500 r/min，平衡精度為G2.5，采樣率為1 024 Hz，由于實(shí)驗(yàn)所用標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)子是已被調(diào)平的轉(zhuǎn)子，所以在轉(zhuǎn)子A、B兩側(cè)90度處加試重0.762 g作為轉(zhuǎn)子的初始狀態(tài)，以便進(jìn)行動(dòng)平衡系統(tǒng)不平衡量的檢測(cè)。信號(hào)采集，觀察不同厚度彈簧片的濾波圖像，并計(jì)算轉(zhuǎn)子的不平衡量。各厚度彈簧片的濾波效果如圖6—圖9所示。計(jì)算的不平衡量結(jié)果統(tǒng)計(jì)如表2所示。

圖6 0.3 mm彈簧片濾波效果

分析圖6和圖7的波形圖可得，當(dāng)使用0.3 mm和0.5 mm厚度的彈簧片進(jìn)行動(dòng)平衡實(shí)驗(yàn)時(shí)，振動(dòng)信號(hào)即便進(jìn)行了帶通濾波，但是濾波效果并不好，出現(xiàn)了拍振現(xiàn)象，無(wú)法達(dá)到轉(zhuǎn)子進(jìn)行動(dòng)平衡所需要的正余弦濾波波形的效果，此時(shí)的彈簧片無(wú)法滿足轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡實(shí)驗(yàn)的要求，因此，將該兩種彈簧片舍棄。

圖7 0.5 mm彈簧片濾波效果

圖8 1 mm彈簧片濾波效果

圖9 2 mm彈簧片濾波效果

表2 不同厚度彈簧片動(dòng)平衡結(jié)果統(tǒng)計(jì)

分析圖8和圖9的波形圖可得，當(dāng)使用1 mm和2 mm厚度的彈簧片進(jìn)行動(dòng)平衡實(shí)驗(yàn)時(shí)，振動(dòng)信號(hào)經(jīng)過(guò)帶通濾波處理后，所得的濾波后的波形較為理想，該波形滿足動(dòng)平衡實(shí)驗(yàn)要求，用這兩種厚度的彈簧片進(jìn)行轉(zhuǎn)子不平衡量的計(jì)算。

表2為使用不同彈簧片計(jì)算的不平衡量結(jié)果統(tǒng)計(jì)分析所得。

（1）兩種厚度的彈簧片分別進(jìn)行了3次不平衡質(zhì)量的計(jì)算。使用1 mm彈簧片進(jìn)行不平衡量計(jì)算出的3次不平衡質(zhì)量的波動(dòng)更小，穩(wěn)定性更好。

（2）使用1 mm彈簧片進(jìn)行動(dòng)平衡計(jì)算出的不平衡質(zhì)量與初始添加的0.762 g不平衡質(zhì)量更加接近，說(shuō)明使用1 mm彈簧片進(jìn)行轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡系統(tǒng)檢測(cè)，其計(jì)算精度更高。

4 結(jié)論

本文依據(jù)自行設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡系統(tǒng)，在使用標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)子的條件下，設(shè)計(jì)不同厚度彈簧片對(duì)動(dòng)平衡測(cè)試精度影響的對(duì)比實(shí)驗(yàn)。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的結(jié)果表明，使用0.3 mm和0.5 mm的彈簧片會(huì)出現(xiàn)拍振現(xiàn)象，無(wú)法應(yīng)用于轉(zhuǎn)子不平衡量的計(jì)算。使用1 mm彈簧片會(huì)使得所研發(fā)的轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡系統(tǒng)測(cè)量轉(zhuǎn)子不平衡量的精度最佳。對(duì)企業(yè)在進(jìn)行轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡系統(tǒng)研發(fā)時(shí)，在彈簧片的硬件選型和動(dòng)平衡測(cè)量精度提高等方面具有一定參考作用和指導(dǎo)意義。

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[7] 中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì).平衡機(jī)的描述檢驗(yàn)與評(píng)定:GB/T 4201—2006[S].北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,2006.

The Influence of Spring Plate on the Accuracy of Rotor Dynamic Balance System

ZHANG Jiawei, TIAN Guohong

( School of Automobile and Traffic Engineering, Liaoning University of Technology, Jinzhou 121000, China )

In the rotor dynamic balance system, the spring plate is the transmission component of rotor vibration and the direct measurement component of vibration sensor. Its thickness plays an important role in the measurement accuracy of unbalance in the rotor dynamic balance system. Based on the self-designed rotor dynamic balance system, without changing other conditions and factors, this paper carries out rotor dynamic balance experiment under the condition of replacing spring sheets with different thicknesses such as 0.3 mm, 0.5 mm, 1 mmand 2 mm, and analyzes the influence of the thickness of spring sheets on the unbalance measurement accuracy of rotor dynamic balance system. The experimental results show that too thin spring plate will produce beat vibration, which can not be applied to the detection of rotor imbalance in dynamic balance system; The rotor unbalance detected by 1mm thick spring plate is the most accurate.

Leaf spring;Dynamic balance system;Precision influence;Unbalance detection

U464.332+.1

A

1671-7988(2022)23-181-05

U464.332+.1

A

1671-7988(2022)23-181-05

10.16638/j.cnki.1671-7988.2022.023.033

張佳偉（1995—），男，碩士，研究方向?yàn)檐?chē)輛CAD/CAE/CAM技術(shù)、測(cè)試控制與編程，E-mail:1063604547 @qq.com。