基于LabVIEW的碟式分離機現場動平衡測試系統

張琦萍，賀小平

（1.上海工程技術大學 高職學院，上海 200437；2.上海宇航系統工程研究所，上海 201109）

0 引言

碟式分離機具有連續操作、生產能力大、分離效果好等優點，廣泛用于食品、化工等行業的液－液、液－固以及液－液－固的分離。碟式分離機的工作轉速通常為4 000r/min～10 000r/min，為保證機器高速運轉時的穩定，除對其設計、制造、安裝有較高工藝要求外，制造過程中還需要對旋轉零件進行動平衡［1］，以保證設備運轉的穩定性。由于碟式分離機的工作轉速高、轉軸支撐結構復雜，采用傳統的單件動平衡方法效果不理想。現場動平衡就是在工作轉速下對旋轉機械進行整機平衡。與傳統的零部件動平衡方法相比，現場動平衡能有效地消除分離機轉鼓材質不均勻、毛坯缺陷以及零件加工與裝配誤差對分離機動態性能的影響，顯著提高整個轉子系統的平衡精度［2－3］。

碟式分離機現場動平衡系統一般由振動信號測試和分析處理系統組成［4－5］，本文針對碟式分離機的結構特點，采用柔性轉子系統動平衡理論，結合振型平衡法進行系統動平衡分析，構建振動信號采集系統，利用LabVIEW軟件功能強大的分析模塊，編制處理程序，設計系統界面，開發了碟式分離機的現場動平衡測試系統。

1 碟式分離機轉子系統動平衡特性

1.1 轉子系統機械結構

圖1為某種型號的碟式分離機轉子系統結構。分離機轉鼓安裝在主軸1的上方，主軸通過上下兩個支承點2、5安裝在機身4上，為了提高支承剛度，每個支承結構都由兩個滾動軸承組成。上支承點為兩個單列深溝球軸承，下支承點為兩個單列圓柱滾子軸承，主軸由下部的小皮帶輪驅動旋轉。

為了提高碟式分離機高速運轉下的穩定性和減小振動，上部支承通過彈性橡膠墊3與機身柔性連接。因此，該支承系統是一個撓性系統，其目的是通過降低支承的剛度，使轉子系統的臨界轉速低于其工作轉速，避免出現共振。

圖1 碟式分離機轉子系統結構

1.2 動平衡特性分析

根據機械動力學理論，轉子系統可通過任選的兩個校正面加減質量進行動平衡，根據支承和構件的剛度，轉子系統可以分為剛性和柔性兩種類型［6－7］。剛性轉子系統一旦在某一轉速下達到平衡以后，在較寬的轉速范圍內總是保持平衡的，因此可以在任何轉速下進行動平衡。與剛性轉子不同，撓性轉子必須考慮在不平衡離心力作用下轉子產生的撓曲變形。由于離心力的變化和支承的非線性，撓性轉子系統在不同轉速下會產生不同的撓曲變形。因此，撓性轉子的不平衡狀態是隨轉速而變化的，某一轉速下平衡好的轉子系統在改變轉速后，可能又失去平衡。現場動平衡技術的目的是保證撓性轉子系統在額定工作轉速范圍內達到預定的平衡目標。

本文開發的碟式分離機動平衡系統采用雙面平衡法，將轉子系統簡化為如圖2所示的懸臂支承的模型，根據轉鼓的結構，2個校正面分別選擇在轉鼓的上、下表面，添加不同質量的平衡塊進行平衡。

經過分析，碟式分離機轉子系統的一、二階振型如圖3所示。在一階臨界轉速下，轉軸系統的變形主要是由上支承的彈性變形引起，轉鼓的上、下平衡校正面偏向在靜止狀態時軸線一側。在二階臨界轉速下，轉軸發生彎曲，轉鼓的上、下校正面向靜止時軸心線的兩側偏移，通過配重使軸承動反力接近于零，轉鼓的重心仍可通過靜止時的軸心線。

圖2 碟式分離機轉子系統簡化模型

圖3 碟式分離機轉子 系統一、二階振型

根據碟式分離機的振動特點，采用振型平衡法進行系統動平衡計算。振型平衡法基于各階平衡分布載荷與其他階振型撓度之間的正交性原理和逐階平衡的思想，將沿軸向分布的不平衡量分解為與各階主振型相對應的不平衡量，然后逐階進行平衡。

碟式分離機轉子系統在工作轉速下的撓度曲線是一階和二階振型分量在空間的向量迭加。因而在具體動平衡計算上，可以利用各階平衡分布載荷與其他階振型撓度之間的正交性，即不平衡量的n階振型分量只能對撓度的n階振型分量起作用，而不會激發撓度的其他階振型分量。在平衡一階振型不衡量時，在轉子兩校正面同向加重；而在平衡二階振型不衡量時，在轉子兩校正面反向加重，從而使轉子在給定的工作轉速范圍內都達到穩定運行。

2 現場動平衡測試系統的開發

2.1 系統的組成

碟式分離機動平衡測試系統包括硬件系統和軟件系統兩部分，硬件主要由轉速和振動信號測試及采集模塊組成，而軟件部分的功能是對測試信號進行動平衡分析計算。圖4為動平衡測試系統總體結構框圖。

圖4 動平衡測試系統總體結構框圖

2.2 硬件系統的配置設計

圖5為動平衡測試系統硬件結構框圖。動平衡測試系統的信號質量很大程度上取決于采集系統硬件的選擇和配置。

碟式分離機測振傳感器布置如圖6所示。振動信號的測量可以選擇位移傳感器、速度傳感器和加速度傳感器，具體的選擇可根據機器的結構和測試可行性確定。

圖5 動平衡測試系統硬件結構框圖

圖6 碟式分離機測振傳感器的布置

數據采集卡的任務是完成傳感器輸出的模擬信號的A/D轉換。硬件部分由基于PCI總線的內置數據采集卡（型號為PCI-6251，2路模擬輸出，16路模擬量輸入，24路數字I/O通道，采樣頻率為250kHz，電壓輸入為V）、SCC-68轉接板等組成。

2.3 軟件系統的設計

本動平衡分析測試系統基于LabVIEW開發。在動平衡測試系統中，主要包括兩類信號的處理：轉子基準信號和測振點的振動信號。對轉子基準信號處理的目的是獲取轉子的工作頻率、動平衡所需基準相位值以及對振動進行頻譜分析所需要的數字信號頻率；對振動信號處理的目的是對測得的振動信號進行頻譜分析，確定轉子振動是否由轉子不平衡量所引起，如果是，則要提取振動信號的幅值和相位。由于實際測得的振動信號大多包含豐富的頻率成分，因此從振動信號中提取有效成分的幅值和相位是進行信號處理的關鍵。

由于LabVIEW在測試信號的圖標顯示方面能提供很便捷的面板控件，因此本文采用LabVIEW軟件對采集到的數據進行實時顯示。

圖7是碟式分離機動平衡測試系統前面板的GUI界面。在程序中采用選項卡選擇面板信號分析和動平衡計算以及波形顯示模塊，用戶通過點擊選項卡，即可看到相應的計算結果和圖形顯示，參數設置區、控制區和波形顯示區放在同一個主界面，達到直觀簡潔的目的。

3 分離機現場測試及分析

使用本系統對某型號的碟式分離機進行動平衡測試，測試中采用光電傳感器測轉鼓位置基準信號，用加速度磁電傳感器測上、下點的振動信號，碟式分離機的旋轉特性分析是確定動平衡方案的基礎，通過在該測試系統中獲得的相頻、幅頻曲線，可以判斷該轉子是否滿足采用振型分離法進行動平衡的特性要求，是否存在異常因素。

圖7 動平衡測試系統前面板GUI界面

通過測試振動波形發現幅頻曲線有3個峰值突變，對應的相頻曲線也有相位的突變。3個峰值分別對應一階臨界轉速、電機驅動軸臨界轉速以及機座系統共振。在轉速低于1 500r/min時，上、下測點獲取的相位基本相同，即轉子系統一階振型占主導地位；以后隨著速度的增加，相位的差別也逐漸增大，在2 500 r/min以后相位差基本穩定在180°，說明此時二階振型已經占主導地位。

表1為碟式分離機現場動平衡測試結果。從表1中的數據可以看出，經過動平衡校正后，該碟式分離機在額定工作轉速下，二階振動幅值的降幅達到82%，改善了分離機的運轉穩定性，平衡效果良好。

4 結論

本文運用撓性轉軸系統的動平衡原理，構建振動信號測試系統，在LabVIEW虛擬儀器平臺上開發了碟式分離機的現場動平衡測試系統，通過現場測試，表明該系統性能穩定、操作便捷，動平衡效果良好，符合企業生產要求，具有一定的工程實用價值。

表1 碟式分離機動平衡測試數據

［1］周保堂.旋轉機械的動平衡原理和方法［M］.杭州：浙江大學出版社，1991.

［2］安勝利，楊黎明.轉子現場動平衡技術［M］.北京：國防工業出版社，2007.

［3］龔俊，孫步功，辛舟，等.碟式分離機整機動平衡的方法［J］.蘭州理工大學學報，2004，30（6）：46-48.

［4］賀小平，崔建昆，司志凡.基于LabVIEW虛擬儀器的碟式分離機的現場動平衡［J］.機械工程與自動化，2011（1）：105-107.

［5］賀世正，余鵬飛.虛擬儀器技術在碟式分離機動平衡測試中的應用［J］.流體機械，2003，31（6）：23-26.

［6］汪海良，劉思漢.柔性轉子無試重動平衡法的實驗研究［J］.振動與沖擊，1992，15（3）：58-65.

［7］劉正士，陳心昭.轉子動平衡的相對系數法及其在動態信號分析儀上的實現［J］.機械強度，1994，16（4）：53-57.