基于全柔性串接式振動(dòng)系統(tǒng)的高精度動(dòng)不平衡測(cè)量研究.pdf

1、旋轉(zhuǎn)機(jī)械的動(dòng)不平衡是引起振動(dòng)和噪聲、降低設(shè)備壽命和可靠性、制約產(chǎn)品質(zhì)量性能的主要原因之一，也是旋轉(zhuǎn)類產(chǎn)品生產(chǎn)、制造以及應(yīng)用過程中必須解決的共性問題。研究高精度動(dòng)不平衡測(cè)量方法是一項(xiàng)具有巨大效益和重要意義的技術(shù)。振動(dòng)系統(tǒng)和電氣測(cè)量系統(tǒng)是動(dòng)平衡設(shè)備的核心組成部分，針對(duì)提高外懸式轉(zhuǎn)子的動(dòng)不平衡測(cè)量設(shè)備的性能，本研究在新型振動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、不平衡信號(hào)的提取和參數(shù)測(cè)量等環(huán)節(jié)提出新方法，以實(shí)現(xiàn)能夠降低最小可達(dá)剩余不平衡量，提高平面分離性能、重復(fù)性和長(zhǎng)期

2、穩(wěn)定性的動(dòng)不平衡測(cè)量。具體研究工作分為以下幾個(gè)方面： 1.對(duì)外懸式轉(zhuǎn)子動(dòng)不平衡測(cè)量中的常規(guī)振動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、力的關(guān)聯(lián)效應(yīng)的產(chǎn)生機(jī)理及其抑制措施以及平面分離性能進(jìn)行了深入分析，以提高不平衡測(cè)量精度和長(zhǎng)期穩(wěn)定性為目的，指出新型振動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)途徑。 2.從理論力學(xué)中的瞬時(shí)運(yùn)動(dòng)中心的概念出發(fā)，提出了一種全新的全柔性串接式兩自由度振動(dòng)系統(tǒng)，該振動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上可以兼具常規(guī)懸臂梁結(jié)構(gòu)平衡效率高和簡(jiǎn)支梁結(jié)構(gòu)平面分離好的優(yōu)點(diǎn)為一體，而且擁

3、有穩(wěn)定的振動(dòng)中心和較大的測(cè)量平面間距。將柔性鉸鏈作為彈性元件引入到該新型振動(dòng)系統(tǒng)中來，其在傳遞不平衡力和運(yùn)動(dòng)的方向上具有較低的剛度、阻尼和較高的靈敏度，降低了最小可達(dá)剩余不平衡量。傳感元件安裝在同一徑向測(cè)量平面內(nèi)，減弱了環(huán)境因素造成的傳感器性能差異，從而抑制了關(guān)聯(lián)效應(yīng)對(duì)動(dòng)不平衡測(cè)量精度和長(zhǎng)期穩(wěn)定性的影響。 3.建立了該振動(dòng)系統(tǒng)兩自由度擺動(dòng)的動(dòng)力學(xué)模型，得到其運(yùn)動(dòng)微分方程，進(jìn)行了不平衡響應(yīng)分析，獲得求解校正質(zhì)量的平面分離方程。依據(jù)

4、能量法原理，推導(dǎo)了該振動(dòng)系統(tǒng)的等效剛度、固有頻率和靈敏度的理論定量表達(dá)式，同時(shí)指出了其影響因素。利用ANSYS軟件建立了振動(dòng)系統(tǒng)的有限元理論模型，對(duì)其進(jìn)行了靜、模態(tài)分析，證明了理論建模的正確性。采用有限元理論深入分析了柔性鉸鏈幾何參數(shù)、振動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)和固有頻率、靈敏度以及應(yīng)力分布之間的影響關(guān)系，在此分析基礎(chǔ)上，得到各個(gè)系統(tǒng)參數(shù)的優(yōu)化取值范圍。最后，初步結(jié)合機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，確定了振動(dòng)系統(tǒng)的有關(guān)參數(shù)。 4.設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了高性能的

5、電氣測(cè)量控制系統(tǒng)以確保實(shí)現(xiàn)高精度動(dòng)不平衡測(cè)量。該電氣測(cè)量控制系統(tǒng)以16位微處理器XC167為核心，主要包括兩路壓電傳感器的電荷放大、選頻濾波等信號(hào)調(diào)理電路；以提高相位分辨率和確定主軸轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向?yàn)槟康牡墓怆妭鞲衅鬟x擇及其后續(xù)電路設(shè)計(jì)；以及電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制電路。在此基礎(chǔ)上，利用KeilC167實(shí)現(xiàn)了整套動(dòng)不平衡測(cè)控程序。 5.針對(duì)變頻結(jié)構(gòu)干擾和強(qiáng)噪聲背景，分別采用改進(jìn)經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解和基于全通濾波器的自適應(yīng)IIR格型陷波器的方法提取動(dòng)不平衡

6、信號(hào)。經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解將振動(dòng)信號(hào)自適應(yīng)分解為有限多個(gè)由高頻到低頻排列的、正交的本征模態(tài)函數(shù)；利用自回歸預(yù)測(cè)模型延拓信號(hào)端點(diǎn)，消除邊界效應(yīng)對(duì)提取的不平衡信號(hào)的影響，根據(jù)功率譜密度可以快速，有效的判斷出代表基頻信號(hào)的本征模態(tài)函數(shù)。對(duì)于基于全通濾波器的自適應(yīng)IIR格型陷波器，提出了一種改進(jìn)算法。該算法采用瞬時(shí)輸入和號(hào)前一次瞬時(shí)輸出信號(hào)的互相關(guān)來調(diào)節(jié)步長(zhǎng)因子，提高了低信噪比條件下算法的收斂速度；引入歸一化功率因子控制步長(zhǎng)的變化量，使算法具有較好的魯