彈簧片對轉子動平衡系統精度影響

張佳偉，田國紅

彈簧片對轉子動平衡系統精度影響

張佳偉，田國紅

（遼寧工業大學 汽車與交通工程學院，遼寧 錦州 121000）

在轉子動平衡系統中，彈簧片是轉子振動的傳遞部件和振動傳感器的直接測量部件，其薄厚程度對轉子動平衡系統不平衡量的測試精度起著至關重要的作用。文章依據自行設計的轉子動平衡系統，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，進行轉子動平衡實驗，分析彈簧片薄厚程度對轉子動平衡系統不平衡量測試精度的影響。實驗結果表明，太薄的彈簧片會出現拍振現象，無法應用于動平衡系統轉子不平衡量的檢測中。采用1 mm厚度的彈簧片檢測出的轉子不平衡量最為精準。

彈簧片；動平衡系統；精度影響；不平衡量檢測

隨著工業的不斷發展，旋轉機械尤其是轉子的用途越來越廣泛，在汽車、輪船、航天等領域更為普遍和明顯。如果轉子上存在著不平衡質量，那么當轉子組成的旋轉機械在工作時，轉子在不平衡力或者力矩的作用下將會產生多余的振動，該振動會導致轉子軸承加劇磨損，進而對轉子的壽命產生影響。基于以上因素，越來越多的轉子動平衡儀器相繼被開發。所開發的轉子動平衡儀器能夠對轉子不平衡質量進行檢測，而如何提高動平衡儀器的精度是目前的一大研究熱點[1]。

影響轉子動平衡儀器精度的因素很多。在動平衡技術上，可以研究振動信號幅值相位的提取方式，并將該技術應用在動平衡系統中，提高動平衡系統的檢測精度[2-4]。還可以在動平衡原理上，使用不同的動平衡方法提高動平衡精度[5-6]。

本文根據自主研發的轉子動平衡系統，在硬件方面對轉子動平衡實驗臺進行了機械設計，對傳感器、數據采集卡、伺服驅動裝置進行了選型。在軟件方面開發了轉子動平衡軟件系統，并在此基礎之上，設計了不同薄厚程度的彈簧片對轉子動平衡系統精度影響實驗。

1 轉子動平衡系統硬件設計

轉子動平衡系統大體由轉子動平衡實驗臺、傳感器、數據采集卡、伺服驅動設備、計算機和所開發的轉子動平衡系統軟件組成。除了開發的轉子動平衡軟件系統外，其余均視為硬件部分。選擇合適的硬件是構成轉子動平衡系統的基礎。

1.1 轉子動平衡實驗臺機械設計

圖1為轉子動平衡實驗臺的實物圖，圖2為轉子動平衡實驗臺機械設計三視圖。

圖1 轉子動平衡實驗臺

在圖2的主視圖中，臺架下方安放西門子伺服驅動電機，驅動電機與轉子之間通過傳送帶進行運動的傳遞，傳動方式為帶傳動。當轉子動平衡系統啟動時，用戶通過計算機上的動平衡系統控制電機轉動，電機通過傳送帶進而帶動轉子轉動，轉子在轉動中受到不平衡質量的影響產生相應振動，該振動通過與轉子左右兩端接觸的四個滑輪，傳遞給轉子實驗臺兩側的支架，支架將振動傳遞給安放在其上的彈簧片，從而帶動彈簧片振動，振動傳感器是上有與彈簧片直接接觸的探針，其作用是監測彈簧片的振動并采集彈簧片的振動信號，之后采集的振動信號經數據采集卡傳輸到計算機上的動平衡軟件系統，進行轉子動平衡以及不平衡量的計算。

圖2 轉子實驗臺機械設計圖

1.2 其它硬件儀器的選型

振動傳感器選用蘇州小田園儀器設備有限公司提供的XTY-PU-01型磁電式振動傳感器來測量轉子振動信號。

光電傳感器選用意大利帝思TL50激光傳感器，其作用是采集轉子的轉速信號。

數據采集卡選用研華公司生產的PCI-1706U數據采集卡作為動平衡系統的數據采集設備。

伺服驅動設備選用Siemens公司的SINA- MICS V90伺服驅動器和Siemens 1214C中央控制器。

2 轉子動平衡軟件系統

本文使用LabVIEW2020版本對轉子動平衡軟件系統進行了開發。如圖3、圖4所示，分別為所開發的轉子動平衡系統的主界面和程序框圖。

圖3 轉子動平衡系統程序主界面

圖4 轉子動平衡系統程序主界面程序框圖

所開發的轉子動平衡系統能夠實時采集轉子的振動信號和基頻轉速信號，并對振動信號的基頻幅值相位進行提取，并通過影響系數法的內部程序計算出轉子的不平衡質量。

3 彈簧片厚度對系統的精度影響實驗

3.1 實驗相關要求

實驗所用到的相關參數均按照《平衡機的描述檢驗與評定》（GB/T 4201—2006）的標準進行選取[7]。

（1）轉子的要求為轉子需使用標準中規定的標準轉子，本文所使用的標準轉子參數如表1所示。

表1 標準轉子技術參數

（2）試重的要求，試重質量不能超過標準中規定的質量。

mar=mar（1）

式中，mar為轉子的最小可達剩余不平衡量，g·mm；mar為轉子最小可達剩余不平衡度，也稱動平衡精度等級，g·mm/kg；為轉子的質量，kg。

雙面動平衡轉子每側試重質量計算公式為

式中，為轉子的每側試重，g；為轉子的半徑，mm。

3.2 彈簧片對精度影響實驗

通過轉子動平衡系統，對0.3 mm、0.5 mm、 1 mm、2 mm等四種不同厚度的彈簧片進行了拆卸更換，并采集振動信號數據，進行濾波分析與不平衡量的計算。圖5為不同厚度的彈簧片。

圖5 不同厚度的彈簧片

實驗條件如下：取5 kg標準轉子，設置轉速為1 500 r/min，平衡精度為G2.5，采樣率為1 024 Hz，由于實驗所用標準轉子是已被調平的轉子，所以在轉子A、B兩側90度處加試重0.762 g作為轉子的初始狀態，以便進行動平衡系統不平衡量的檢測。信號采集，觀察不同厚度彈簧片的濾波圖像，并計算轉子的不平衡量。各厚度彈簧片的濾波效果如圖6—圖9所示。計算的不平衡量結果統計如表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，當使用0.3 mm和0.5 mm厚度的彈簧片進行動平衡實驗時，振動信號即便進行了帶通濾波，但是濾波效果并不好，出現了拍振現象，無法達到轉子進行動平衡所需要的正余弦濾波波形的效果，此時的彈簧片無法滿足轉子動平衡實驗的要求，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 不同厚度彈簧片動平衡結果統計

分析圖8和圖9的波形圖可得，當使用1 mm和2 mm厚度的彈簧片進行動平衡實驗時，振動信號經過帶通濾波處理后，所得的濾波后的波形較為理想，該波形滿足動平衡實驗要求，用這兩種厚度的彈簧片進行轉子不平衡量的計算。

表2為使用不同彈簧片計算的不平衡量結果統計分析所得。

（1）兩種厚度的彈簧片分別進行了3次不平衡質量的計算。使用1 mm彈簧片進行不平衡量計算出的3次不平衡質量的波動更小，穩定性更好。

（2）使用1 mm彈簧片進行動平衡計算出的不平衡質量與初始添加的0.762 g不平衡質量更加接近，說明使用1 mm彈簧片進行轉子動平衡系統檢測，其計算精度更高。

4 結論

本文依據自行設計的轉子動平衡系統，在使用標準轉子的條件下，設計不同厚度彈簧片對動平衡測試精度影響的對比實驗。經過實驗驗證的結果表明，使用0.3 mm和0.5 mm的彈簧片會出現拍振現象，無法應用于轉子不平衡量的計算。使用1 mm彈簧片會使得所研發的轉子動平衡系統測量轉子不平衡量的精度最佳。對企業在進行轉子動平衡系統研發時，在彈簧片的硬件選型和動平衡測量精度提高等方面具有一定參考作用和指導意義。

[1] 林水泉.轉子動平衡技術及其發展趨勢[J].廣東化工, 2021,48(4):122-124.

[2] 王相怡,陳桂芬,王義君.基于改進ApFFT的動平衡信號檢測算法[J].長春理工大學學報(自然科學版), 2018,41(5):88-92,104.

[3] 王展,朱峰龍,涂偉.互相關法對主軸振動信號提取的研究[J].組合機床與自動化加工技術,2018(2):87-89, 93.

[4] 李斌,羅敏,王俊英,等.自適應整周期采樣和相關濾波在轉子動平衡中的應用[J].機械設計與制造,2016 (10):74-77,82.

[5] 張雪輝,焦瀚暉,胡東旭,等.旋轉機械現場動平衡方法研究進展[J].機電工程,2021,38(11):1367-1377.

[6] 張俎琛,何立東,萬方騰,等.影響系數法與模態平衡法的轉子過臨界振動研究[J].機械工程師,2019(9): 52-55.

[7] 中國國家標準化管理委員會.平衡機的描述檢驗與評定:GB/T 4201—2006[S].北京:中國標準出版社,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

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10.16638/j.cnki.1671-7988.2022.023.033

張佳偉（1995—），男，碩士，研究方向為車輛CAD/CAE/CAM技術、測試控制與編程，E-mail:1063604547 @qq.com。