旋转机械动态测量实验台的研制

2018-07-20 50

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摘要：研制了一种可同时测量多个动态机械量参数的新型旋转机械动态测量实验台，介绍了实验台的构成、实验内容、测量原理及硬件实现方法。

1 引言

旋转机械运行时发生的过大振动是造成机械破坏的主要原因之一，因此对旋转机械的运转情况进行实时监测、分析系统的动态特性对于保证旋转机械运行的可靠性非常重要。20世纪80年代初期，工业发达国家开始研制旋转机械状态监测与故障诊断系统，并很快投入工业应用。随着信号处理技术的发展及相关计算机软件的开发，目前旋转机械监测与诊断系统正向在线检测与分析专家系统的方向发展。

我们研制了一种新型旋转机械动态测量实验台。该实验台集成了多种现代检测技术，可同时检测传动系统的振动噪声和传动误差，并可进行在线分析，准确确定故障发生位置。此外，该实验台还可用于大专院校“振动理论”、“振动与噪声控制”、“转子动力学”、“测试技术”等专业课程的教学实验以及有关传动误差、振动、噪声、转子等科研课题的试验研究。

2 实验台的构成

实验台由调速电机、机械传动装置、传感器、硬件电路、计算机及配套软件等构成。其中，机械传动装置由齿轮、蜗轮副、转子、联轴器、轴承座等零件构成；传感器由电感式齿栅(2个)、光电式齿栅、电涡流传感器(2个)、加速度传感器、电荷放大器、声级计等构成。为了完成传动误差测量实验、振动测量实验、噪声测量实验、转子测量实验等，采用模块化设计方法设计了实验台的相关硬件电路(包括传动误差测量电路、转子测量电路、振动噪声测量电路等)，每个模块可独立完成一种特定功能。

3 实验台工作原理及硬件实现

(1)传动误差的测量

由本实验室研制开发的FMT(Full Microcomputerized Transmission Error System)系统可实现传动误差和运动特性的精密测量，通过误差曲线真实、直观地反映齿轮副等传动链的传动误差。本实验台的传动误差测量实验就是根据FMT系统工作原理设计的，它可对具有不同传动比的齿轮副进行误差测量。

传动误差的测量是通过在转轴的高速端和低速端分别安装齿栅采集信号、并对信号进行同步位移比较、时钟插补等处理及分析来实现的。传动误差测量采用了空域测量法，即对信号进行空间采样，采用空域分析法进行数据处理。该方法特别适合齿轮传动系统的性能分析，其分析结果与故障模式之间具有清晰和确定的对应关系，有利于故障的精确定位。各空域频率的计算与转速、时间无关，仅由传动系统结构和齿数决定，轴(或轴承、齿轮)的空间位置、动态特征与空域谱的位置序号有确定的对应关系。

图1 传动误差信号处理原理框图

传动误差信号处理原理如图1所示。选用2块AT89C51芯片同时处理低速端和高速端的两路信号，构成双CPU系统协同工作。对两路信号不需作任何倍频和分频处理，直接输入微机进行计数。以第k次采样为例，首先通过计数得出脉冲信号P₁的整数部分ΣP₁，然后设法求出计数器无法读出的小数部分，则该次采样所得离散化的传动误差表达式为 E_k=ΣP₁+小数-P₀N₁式中：E_k——第k次采样的传动误差值

N₁——脉冲信号P₁的脉冲当量

P₀——无传动误差时对应于每一采样信号P₂的P₁脉冲个数公称值

为求出脉冲信号P₁的小数部分，可以一路时间脉冲信号P_t为辅助时间标尺，通过求出采样点前后各点P_1j对应的时间t_j，建立时空连贯的离散函数关系，则采样时刻t₃对应的空间位置可通过内插或外推解析式求出。

通过对采集的空域离散数据进行与时域FFT类似的空域付氏变换(SFFT)，可得到表征被测动态参数随角位移变化情况的空域曲线，其付氏变换结果表征了该参数随空间频率的分布情况。

(2)转子特性测试

由于大部分旋转机械均可简化为转子模型，因此测试分析转子的相关特性具有重要意义。利用本实验台可完成转子主要特性的测试，并在计算机上实时绘制动态曲线。

转速测量
转子转速随电机转速的变化而变化。转子转速越高，振动的振幅越大，但当转速升高至某一值时，振幅则开始下降，此转速值即为“临界转速”。为测量转速，需在转轴上预先开一个深度为几毫米的键槽。采用电磁开关作为转速传感器，当转轴转动时，电磁开关输出脉冲信号。在转子平面上与轴线垂直的方向安装两个相互垂直的电涡流传感器用于测量位移。电涡流传感器测量时不需与被测物体直接接触，具有较宽的频响范围，非常适合转子振动的测量。电涡流传感器将与被测物体间的位移变化转换为电压变化，然后将电压值送入MAX197芯片进行A/D转换，MAX197为12位并行ADC芯片，供电电压+5V，转换时间6µs，采样速率100ksps, 8通道输入模拟量(可通过编程选择全部通道或部分通道)。

图2 转速、位移信号处理原理框图
转速及同步位移信号处理原理如图2所示。转速脉冲信号经放大整形后，经单片机的外部中断口送入AT89C51芯片，打开外部中断INT0，定时器选用方式2，定时时间为65536µs，当脉冲下降沿到来时进入中断，同时打开定时器开始计时并进行A/D转换，转换完毕引起中断，数据放入存储区。共计算8个脉冲，当第8个脉冲下降沿到来时停止计时，并计算转速值；最后在LED上显示转速位移值，同时通过串行口上传给PC机屏幕显示。显示芯片选用Max7219，它是种新型串行输入输出共阴极LED显示驱动器，其三线串行接日可力便地联接到各种通用uP上。显示采用片内动态扫描模式，可通过编程控制亮度，为防止LED显示失控，在Max7219电源端旁并联了个担电容(47µF)。与由CD4094或74LS164构成的显示电路相比，该显示电路结构简单、功率较低、灵活性好。
相位(偏心量)测量
相位是旋转机械特性的重要测量参数之一。对转轴进行动平衡时，可根据相位值确定加重或去重的方位角；在监测系统中，相位值可帮助诊断机器故障。旋转机械的相角值是指转子某一瞬间的振动基频信号与转轴上某一固定标志的相位差，如果将基频信号与基准脉冲信号绘制在同一时间轴上，便可根据基准脉冲信号来确定基频信号的相位。本实验台选取转速信号作为基准脉冲信号，据此测量振动信号P_x的相位。X向振动信号经电压比较器转换为脉冲信号，然后与基准脉冲信号一起送入RS触发器，得到相位差脉冲P_n，用时钟脉冲P_t进行插补后送入16位计数器进行计数，计数完毕引起中断，单片机读入计数值，同时将计数值送入串行移位寄存器中，在LED上显示计数值。设计数值为n，基准信号周期为T_b，时钟频率为f_t，则相位值计算公式为 Ø=n/Pf_t360°=nT_b×360°T_bf_t
轴心轨迹测量
转子的轴心轨迹是指轴心上一点相对于轴承座的运动轨迹，它直接反映了转轴的振动状态。通过监测轴心轨迹，可判断机器运转是否平稳。在转子平面上与轴线垂直方向安装两个相互垂直的电涡流传感器，采集X、Y向振动信号并进行A/D转换，并将转换值送入单片机中进行处理。ADC芯片采用MAX197，它的标准微处理器接口可方便地与单片机联接。采用AT89C51芯片进行数据采集与处理，并上传给PC机绘制轴心轨迹曲线。

(3)振动噪声测量

实验台选用压电加速度传感器获取振动信号。该传感器以压电材料为转换元件，可输出与加速度成正比的电荷或电压量，具有结构简单、工作可靠、量程大、频带宽，抗干扰性好等优点。选用电荷放大器作为加速度传感器的前置放大部分。采用声级计采集噪声信号。采用12位数据采集卡PCI-9118, 它具有32位PCI总线，即插即用，12位分辨率，最高A/D采样频率达333kHz，16个单端或8个差动模拟量输入通道，单极性或双极性输入，突发方式扫描，可编程增益选择，2个12位高速模拟量输出通道，4个数字量I/O通道，并带有与LabVIEW接口的驱动程序。振动噪声信号经信号调理模块直接送入PCI-9118采集卡。利用LabVIEW可进行图形化编程，编制虚拟仪器测量程序(包括时域波形分析、频谱分析、相关分析等)，大大提高了程序开发效率。通过从多个角度对振动噪声信号进行测量与分析，可作为故障诊断的依据。

4 结语

综上所述，研制的旋转机械动态测量实验台综合应用了先进的机械量测试技术，可同时实现多个动态参数的测量与分析，在科研、教学及生产实践中具有广阔的应用前景。

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