基于LabVIEW的现场动平衡测试系统的开发

摘 要： 为了适应转子现场动平衡的需要，提高测试精度，开发了基于虚拟仪器技术的现场动平衡测试系统，它利用相关法准确提取出振动信号的幅值和相位，采用基于影响系数法的单面动平衡和双面动平衡的方法进行动平衡实验。通过在多功能转子试验台上做了多次转子动平衡试验，实验结果表明：转子在加适当的试重后不平衡振动得到了有效的抑制，振动幅度明显减小。这对于减小机器噪声和轴承磨损，提高机器的性能和寿命有着重要意义，同时也有助于提高机器的工作效率和保障机械加工操作者的安全。

关键词： 现场动平衡测试系统； 虚拟仪器技术； 相关法； 影响系数法

中图分类号： TN964⁃34 文献标识码： A 文章编号： 1004⁃373X（2014）06⁃0110⁃04

0 引 言

旋转机械在日常的机械中非常的常见，随着人们要求和技术的不断提升，人们对旋转的速度也有了较高要求，但是，由于高速运转所产生的机械故障也越来越多，这引起了人们的密切注意，这其中由于转子转动不平衡引起的机械故障占到所有故障总数的70%以上[1]。

虚拟仪器技术是一种程序开发环境，它可以充分发挥计算机的能力，创造出功能更强的仪器，用户可以根据自己的需要定义和制造各种仪器。自问世以来， 虚拟仪器大大的降低人工操作带来的不确定性，在全自动化的测试和分析中提高了实验的准确性[2]。该系统将虚拟仪器技术、数字信号处理技术与现场动平衡技术结合起来，实现测试、分析、现场动平衡一体化。主要采用影响系数法，构建了该动平衡测试系统。

1 现场动平衡方法

1.1 动平衡原理

转子的质量分布不均是造成不平衡的主要原因。转子的质心不在回转轴线上，在转动时其偏心质量就会产生离心惯性力，该离心惯性力会在运动副中产生附加动压力。当前在平衡转动中平衡不平衡转子的最主要方法是在转子上增加或除去一部分质量，使转子的质心与回转轴心重合，尽量避免在转动过程中产生离心惯性力。现场动平衡的分析过程分为：

（1） 首先测量出不加试重之前的不平衡振动量，并分析出该振动量的幅值以及相位；

（2） 加载能够使转子产生明显振动的试重，得到不平衡和振动之间的关系；

（3） 测量此时该转子转动的不平衡振动量的参数；

（4） 对比分析加载试重前后转子的振动量，通过分析和计算来确定消除该不平衡量所需的校正质量以及校正的角度；

（5） 在转子上加载计算所得出的校正量，并测得此时转子的不平衡量的大小，重复操作直到测量结果符合要求则本次实验结束 [3]。

1.2 影响系数法

基于影响系数法的单面动平衡：设在某一校正平面上未加试重时测得的的原始振动为[A0]（是矢量，包括幅值和相位），且在该校正平面上某一测点上测得的振动响应为[B0]；然后在该校正平面上加一试重[Q0]（也是矢量，包括幅值和相位），并测得其不平衡量为[At]，在同一转速下且在同一测点测得的振动响应为[B1]，则由试重[Q0]引起的振动响应为[Bt=B1-B0]，于是计算得到影响系数为[α=BtAt]，然后列出方程解出校正幅值和相位。基于影响系数法的双面动平衡：

（1） 在实验仪器上选定两个测点分别为A和B。用合适的振动测量仪测得这两点的平衡前的振动值分别为[A0，B0]（是矢量，它包括幅值A0，B0和相位角[γA0，γB0]）。

（2） 根据转子结构选取适当的两个校正平面分别为Ⅰ，Ⅱ，加重半径分别为r1，r2。先在平面I上加试重[Q1]（也是矢量，其质量为[Q1]，相位角为[γB0]）。并在同一平衡转速下测得A，B两点的振动值分别为[A1，B1]。

影响系数分别为：

（3） 取走[Q1]，并在平面Ⅱ上加试重[Q2]。用同样的方法测得A，B点的振动值分别为[A2，B2]。

影响系数分别为：

（4） 列方程，校正平面Ⅰ，Ⅱ上所需的校正质量[P1，P2]可由下式求得：

用解析法或几何法解此矢量方程组得到平衡量[P1，P2]。得到校正质量后，在转子上加上计算出的校正质量，重新启动转子并测量振动量；如果振动量已达到了所需要求，则平衡结束；否则可再进行一次修正平衡。

1.3 基于相关法的振动幅值和相位的计算

运用相关法可准确地提取出振动信号中基频的幅值以及相位。在x（t），y（t）都为实能量信号的前提下互相关函数可定义为：

互相关函数可以描述出两个信号所存在的相似度，能够有效地在有多个频率成分的信号中分离出有用信号。在测试时，提取到的振动信号有多个频率成分，主要包括：转速基频，倍频，亚倍频，随机振动成分，见式（3）：

式中：a0为直流分量；ωi为各信号的频率；[αi]为各频率信号的相位值；s（t）为干扰信号参数；设频率为ω、相位为0时的标准正弦信号和余弦信号分别为：

分别与式（3）所示的输入信号进行互相关

于是可以得到振动基频信号的幅值及相位，分别为：

2 基于LabVIEW 的动平衡测试系统设计

2.1 测试系统的总体设计框架

本系统的研究对象是多功能转子试验台，本文选用北京京仪北方仪器仪表有限公司的ZHS⁃2型多功能转子试验台，其实物图见图1。

动平衡测试系统的总体框架如图2所示，设备运转时，在线采集信号。通过电涡流传感器采集转子的振动位移信号，电磁式速度传感器采集轴承座的振动速度信号，压电式加速度传感器采集轴承座的振动加速度信号，通过光电式传感器采集转子的转速。

通过前置器、变送器等信号调理模块及数据采集卡，将位移、速度、加速度等振动信号及转速信号转换为数字量并传递到计算机中，然后通过计算机的虚拟仪器平台对采集到的信号进行分析和处理，并显示和保存不平衡量的幅值和相位。

2.2 测试系统的硬件组成

硬件部分由前置器、变送器、模拟滤波器等调理电路、数据采集卡和计算机组成，前置器主要是将涡流传感器的信号进行放大，变送器是将传感器获得的非标准电信号转换成标准电信号，模拟滤波器能有效滤除高频干扰信号。数据采集卡选用美国NI公司的PCI⁃6251 型号产品（如图3），数据采集卡的主要作用是将传感器采集到的信号经过A/D转换后给计算机软件以供分析。

该数据采集卡的主要性能参数及特点如下：

（1） 最高采样率为1.25 MS/s；

（2） A/D转换芯片的分辨率为16 b；

（3） 16路模拟输入通道，可任意设定通道采样数，通道自动扫描采集；

（4） 最小模拟输入电压范围为-5～5 V，最大模拟输入电压范围为-10～10 V；

（5） 2路模拟输出通道，更新速率2.8 MS/s；

（6） 满量程精度为0.003%；

（7） 2个32位80 MHz定时器和计数器。

2.3 测试系统的软件设计

本次实验选用的是美国NI公司的LabVIEW软件平台，LabVIEW的全称是（Laboratory Virtual Instrument Engineering bench），这是一种同时具有数据的采集、仪器控制、测量分析和数据显示功能于一体的图形化开发环境，该软件能够很好地为用户提供简明、直观、易用的图形化编程方式[4]。LabVIEW 是目前发展速度最快、功能最强大、应用最广泛的图形化软件开发集成环境，是一种标准的数据采集及仪器控制软件[5]。测试软件模块的组成如图4所示，本文主要从数据采集和信号的分析处理这2个主要的模块来完成实验并进行分析说明[6]。

（1） 数据采集。NI⁃DAQmax数据采集系统可以对采集到的有关参数和操作进行准确封装。本系统在NI⁃DAQmax数据采集系统的基础上，同时实现对5个通道的数据进行采集与管理，程序框图如图5所示。

（2） 数据的分析和处理。能否准确完成动平衡测试的关键因素是数据的分析和处理这两个过程，主要可分为：

① 测量转速；

② 准确计算基频幅值和相位；

③ 正确运用影响系数法计算动平衡的校正质量和相位。

测量基准信号，本文利用的是LabVIEW中单频测量VI来得到所需要的转速以及基频相位这2个参数，所需程序的框图如图6所示。基频转速产生标准的正弦及余弦信号。之后将之前测到的信号与标准的正弦及余弦信号做互相关，通过这种方法就可以得到振动信号的基频幅值及相位，该程序框图如图7所示。

计算影响系数，从而确定出不平衡量的幅值以及相位。本文在试验和分析中运用影响系数法来对单面动平衡得到的幅值和相位进行校正计算，程序框图见图8。

通过在多功能转子试验台上进行多次试验，实验结果表明：转子在加适当的试重后不平衡振动得到了有效的抑制，振动幅度明显减小。因此本测试系统性能指标达到了设计的要求。该测试系统不仅在单面动平衡过程中效果比较理想，同时亦可推广到双面动平衡测试中去。

3 该测试系统和传统的仪器之间的对比分析

虚拟仪器对比传统仪器来说有以下几个方面的优点：性能高；扩展性强；开发时间少；无缝集成[7⁃8]。目前利用虚拟仪器来完成测试、工业I/O控制以及产品设计已成为主流，伴随着虚拟仪器技术正在不断的完善和提高，虚拟仪器已经在许多的应用中代替了传统的仪器。伴随着相关软件的不断革新，虚拟仪器的使用前景也将更加的广阔，能够使使用者在使用起来有更多的灵活性和更加强大的功能[9⁃10]。

4 结 语

该系统将虚拟仪器技术、数字信号处理技术与现场动平衡技术结合起来，实现测试、分析、现场动平衡一体化。虚拟仪器能够大大降低人工操作带来的不确定性，在全自动化的测试和分析中提高了实验的准确性，比传统的动平衡测量仪器有更好的发展前景，性价比也更高。

参考文献

[1] 杨建刚.旋转机械振动分析与工程应用[M].北京：中国电力出版社，2007.

[2] 岂兴明，周建兴，矫津毅.LabVIEW8.2 中文版入门与典型实例（修订版）[M].北京：人民邮电出版社，2010.

[3] 安胜利，杨黎明.转子现场动平衡技术[M].北京：国防工业出版社，2007.

[4] 刘松强.数据流编程的图形软件LabVIEW及其应用[J].小微型计算机系统，1994，15（10）：30⁃34.

[5] 王磊，陶梅.精通LabVIEW8.x[M].北京：电子工业出版社，2008.

[6] 贺世正，余鹏飞，蔡伯春.虚拟仪器技术在碟式分离机动平衡测试中的应用[J].流体机械，2003，31（6）：23⁃26.

[7] YU Y Q，JIANG B. Analytical and experimental study on the dynamic balancing offlexible mechanisms [J]. Mechanism and Machine Theory， 2007 （42）： 626⁃635.

[8] ALICI G，SHIRINZADEH B. Oprimum dynamic balancing of planar parallel manipulators based on sensitivity analysis [J]. Mechanism and Machine Theory， 2006 （41）： 1520⁃1532.

[9] 赵科.基于虚拟仪器的现场动平衡测试仪的开发[D].杭州：浙江大学，2002.

[10] 金彦，郑建荣，吴清.基于虚拟仪器技术的信号处理实现方法比较[J].机械与电子，2003（2）：55⁃58.