动平衡测量中微弱振动信号采集的实现

0　引言

机械的旋转部件在制造、装配过程中,客观存在的材质不均匀、形状不对称、加工装配误差等因素使质心偏离旋转中心,从而在旋转过程中产生离心力,如果这种力在运动部分内部没有得到很好的平衡,就会作为动载荷作用于机械的静止部分,从而引起振动、噪声或产品性能的下降。动不平衡是旋转机械的主要激振源[1],动平衡测量为全面了解产品的质量特性、改进装配和加工工艺等提供科学依据。因此,对振动量进行精确测量并进行适当的动平衡处理,能有效减小噪声,提高机械部件寿命和工作性能。

振动检测和动平衡的理论和方法已被很多人研究过[2-8],各式的动平衡机也被研制出来。但目前的平衡机主要针对转速高于300 r/min的转子;而在国防与航天等领域存在着某些旋转类部件,要求考虑被测物体的测量安全以及准确反映其不平衡的实际情况,需要在被测件的实际工作转速(1Hz左右)下进行动不平衡的测量,精度要求高。目前的测量系统不能够完全满足实际需要。

针对硬支承立式平衡机,从转速测量、相关滤波及同步整周期采样等方面讨论了低频转子动不平衡测量中微弱振动信号采集的实现,实验验证了这种方法在工程中的可行性。

1　测量分析

1.1　关键点分析

处于不平衡状态的转子,可以被理解为具有“完全平衡状态+质量偏差”质量分布的转子,在转子转动时,其惯性力为

在双面校正的硬支承立式平衡机测量中,如图1所示,两组压电测力传感器分别呈水平和垂直正交布局,水平布局的传感器主要受静不平衡的影响,垂直布局的传感器主要受偶不平衡的影响。在传感器布局方向上,静不平衡和偶不平衡引起的振动力和力矩分别为

    因此,不平衡引起的振动是与转子转速同频率的余弦信号,且正比于ω的2次方,当转子不平衡量U非常小且测量转速很低(1 Hz左右)时,不平衡引起的振动量十分微弱,并且要保证精确的相位关系,因此,振动信号的采集与处理是低频转子动平衡测量的关键,直接决定动平衡测量的精度。

1.2　采集系统对振动信号处理的要求

现代机械零部件的组成复杂,产生机械噪声的环节较多,在信号的测量电路中还会引入各种电磁干扰,尤其是低频振动信号往往被淹没在噪声中[8]。分析动平衡测量中的振动信号,它具有以下特点:

(1)信号杂散大,所包含的频谱信息过多;

　　(2)信噪比非常差,由于振动正比于ω的二次方,有用的低频信号极其微弱,外部的噪声信号远大于有用的振动信号;

(3)信号具有周期性,其同步性强,且信号中含有相位信息。