基于LabVIEW虚拟仪器平台的动平衡系统开发
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I
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中文摘要
ABSTRACT
第一章 绪论 ................................................................................................................. 1
§1.1 动平衡技术的发展 .............................................................................................2
§1.2 动平衡测试仪器 .................................................................................................3
§1.3 本课题来源、研究意义和目标 .........................................................................4
§1.3.1 课题来源及意义 ..........................................................................................4
§1.3.2 课题目标和主要的研究工作 ......................................................................6
第二章 动平衡系统概述 ............................................................................................. 7
§2.1 转子的分类 .........................................................................................................7
§2.2 转子的平衡方法 .................................................................................................7
§2.2.1 刚性转子动平衡方法 ..................................................................................7
§2.2.2 挠性转子动平衡方法 ..................................................................................9
§2.3 动平衡测试技术 ...............................................................................................15
§2.3.1 基准信号捕捉 ............................................................................................15
§2.3.2 振动信号测量 ............................................................................................16
§2.3.3 信号调理 ....................................................................................................16
§2.3.4 信号分析 ....................................................................................................17
§2.3.5 信号显示 ....................................................................................................17
第三章 虚拟仪器系统概述 ....................................................................................... 18
§3.1 “虚拟仪器”系统组成和特点 .......................................................................18
§3.1.1 “虚拟仪器”系统组成 ............................................................................18
§3.1.2 “虚拟仪器”的特点 ................................................................................19
§3.2 “虚拟仪器”测试总线介绍 ...........................................................................20
§3.3 “虚拟仪器”开发平台 ...................................................................................20
§3.3.1 LabVIEW 的发展历史 ..............................................................................21
§3.3.2 LabVIEW 的业界优势 ..............................................................................21
§3.3.3 LabVIEW 开发环境 ..................................................................................22
第四章 系统总体设计及程序创建 ........................................................................... 25
§4.1 硬件系统的配置设计 .......................................................................................25
§4.1.1 传感器的选择及安装 ................................................................................25
§4.1.2 数据采集分析和应用 ................................................................................26
II
§4.2 应用程序的创建 ...............................................................................................28
§4.2.1 建立应用系统结构 ....................................................................................28
§4.2.2 层次化结构分析 ........................................................................................29
§4.2.3 模块化 ........................................................................................................29
§4.3 LabVIEW 的程序实现 .....................................................................................30
§4.3.1 用户界面设计 ............................................................................................30
§4.3.2 LabVIEW 的程序实现 ..............................................................................32
第五章 信号处理和数学分析的实现 ....................................................................... 39
§5.1 基准信号的分析与处理 ...................................................................................39
§5.2 振动信号的分析与处理 ...................................................................................41
§5.2.1 互相关分析 ................................................................................................42
§5.2.2 互相关分析在动平衡中的应用 ................................................................43
§5.2.3 频谱分析 ....................................................................................................45
§5.2.4 数字滤波分析 ............................................................................................47
§5.3 数学分析 ...........................................................................................................49
第六章 实验及现场测试 ........................................................................................... 51
§6.1 测试准备工作 ...................................................................................................51
§6.2 碟式分离机现场测试 .......................................................................................51
§6.2.1 测试装置 ....................................................................................................51
§6.2.2 测试数据及分析 ........................................................................................53
§6.3 系统分析 ...........................................................................................................56
§6.3.1 A/D 转换过程中量化误差对幅值相位的影响 ........................................57
§6.3.2 动平衡解的稳定性分析 ............................................................................59
§6.3.3 其它影响因素 ............................................................................................61
第七章 全文总结 ....................................................................................................... 62
§7.1 工作总结与结论 ...............................................................................................62
§7.2 问题与展望 .......................................................................................................64
参考文献 .........................................................................................................................65
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 .............................................67
致 谢 ...............................................................................................................................68
第一章 绪论
1
第一章 绪论
旋转机械是工业生产中不可缺少的设备，其历史可以追溯到古希腊以前的埃
及前王朝时陶工用的辘轳及双轮战车。但是直到19世纪中叶蒸汽机时代以前，旋
转机械的旋转速度都很低，传递能量小，所谓的机械只要能动起来就足够了。第
一次工业革命以后，旋转机械逐步向精密化、大型化、高速化方向发展，在这个
过程中遇到的最大问题就是机械振动问题。它使机器的零部件承受附加动载荷，
明显加速机器的磨损、缩短机器的使用寿命、影响生产、产生噪音、恶化工作环
境。相对于过去低速、小输出的机械相比，现在高速、高精密度的机械来自振动
的危害比例更要大很多。如何克服这一障碍，是人们一直关注的问题[1]。
旋转机械产生振动的原因有很多，有来自设计和结构方面的因素，有材质以
及制造安装的原因，也有来自使用过程中设备磨损、腐蚀、变形的原因。多年的
研究表明：“转子的不平衡”是旋转机械产生振动的主要振源，在高速旋转机械
中尤为明显。
为了消除该振动激振源，首先考虑的是对转子进行平衡以消除或减少不平衡
惯性力，将由于转子不平衡引起的振动限制在允许的范围之内。
旋转机械中需要平衡的部件种类繁多，大小各异。有几毫克的手表摆轮，也
有超过300吨的核电站透平转子。平衡的方法针对不同的机械而不同。任何一种平
衡方法的具体目标都是降低转子的挠曲、减小机器的振动以及减小轴承的动反力。
这三个目标对于旋转机械的安全运行来说，有时是一致的，有时是矛盾的，但它
们必须统一于平衡这个最终目标：保证机器平稳、安全、可靠的运行[2]。
本课题研究的对象是碟式分离机，分离机是利用转鼓旋转所产生的离心力来
实现悬浊液、乳浊液及其它物料的分离或浓缩的机械。分离机和其它分离机械相
比，不仅能得到含湿量低的固相和高纯度的液相，而且具有节省劳力、降低劳动
强度、改善劳动条件，具有连续运转、自动控制、操作安全可靠和占地面积小等
优点。因此现在分离机已广泛应用于化工、轻工、医药、食品、纺织、冶金、煤
炭、船舶、军工等各个领域。分离机已成为国民经济各个部门广泛应用的一种通
用机械。然而这种机器在加工完成后必须对其在工作转速下产生的不平衡进行消
除，这些操作都属于动平衡技术范畴。至于如何进行动平衡，将结合本课题关于
虚拟仪器技术在高速旋转机械动平衡测试中的应用研究分析中予以介绍。
基于 LabVIEW 虚拟仪器平台的碟式分离机动平衡系统开发
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§1.1 动平衡技术的发展
现代的动平衡技术是上个世纪随着蒸汽透平的出现而发展起来的。加拿大人
Henry Martinson于1870年申请了最早的动平衡技术专利。1907年德国人Dr.Franz
Lawaczek的动平衡技术专利授权Carl Schenck公司制造出了世界上第一台双面动平
衡机(图1-1)，1915年该公司购买了世界上所有动平衡机的版权。20世纪30年代，
由于Reutlinger的可动线圈振动传感器的发明，以及Schenck公司和Gisholt的瓦特计
式为基础的电气测量机构的发展，现代动平衡机正式问世。其后，随着测量控制
技术的飞跃发展，动平衡技术更是与时俱进，飞速发展[3]。
图1-1 第一台双面动平衡机
到目前为止，动平衡技术大致分为三类：工艺平衡法、现场整机动平衡法及
自动在线平衡法。前两种方法均局限于旋转机械转子不平衡量不经常变化的的情
况，后一种方法则针对运转时随时可能发生不平衡状况的转子[4]。
工艺平衡法是指在机器转子安装前先在专用平衡机上进行平衡，再安装到整
机上，如果在使用过程中出现转子由于不平衡产生的振动情况，再把转子拆下来
在动平衡机上进行平衡。该方法特别适于对生产过程中的旋转机械做单体平衡。
随着现代科学技术的飞速发展，动平衡机的种类日益多样，结构更加完善，功能
更加强大，在动平衡领域发挥着重要作用。现在动平衡机的制造加工以德国Schenck
公司为代表，其动平衡机领域囊括航空航天、汽车制造、计算机、电动机、造纸、
化纤、流体机械等各行各业。在国内大多数工业领域，对机器动平衡要求较高的
行业企业多无力承担进口动平衡整机昂贵的价格，以淀粉工业领域从玉米种提取
淀粉专用DPF850碟式分离机专用的动平衡机为例(图1-2)购买一台Schenck公司的
HB/S系列动平衡机，大约需要150万RMB。而且在国内制造加工业水平相对不是
很高的情况下，工艺平衡法不能解决装配过程中出现的新的在线不平衡，为了解
决这些问题，必须借助于整机动平衡技术。
第一章 绪论
3
图1-2 HB/S 动平衡机
现场整机动平衡法就是在工作转速下直接对装在整机上的转子进行平衡。由
于不需要动平衡机，只需要一套价格低廉的测试系统，因而较为经济。最早于20
世纪50年代，有人对挠性转子的整机动平衡做过尝试，因为限于电测技术的水平，
平衡效果不尽如人意。到了80年代，由于电测技术的成熟，在此基础上，日本人
明日和彦提出了现场动平衡理论，在实践中达到了较高的平衡精度，引起了业界
的高度重视。在80年代末期，浙江大学化工机械研究所对碟式分离机整机动平衡
技术的研究取得了重大突破，并在工业生产中进行了广泛的推广。90年代，又对
卧式螺旋卸料沉降离心机为代表的微速差双转子的现场动平衡技术进行了具有极
大实用价值的研究，提出了全新的方法。基于上述高速转子动平衡理论的工业产
品开发一直在进行着有益的开展，但郁于测试测量技术的一些瓶颈，一直没有产
品化的结果，本课题就是在吸取前人多年来开发经验的基础上，结合日益成熟的
基于计算机测试测量技术和数字信号处理技术，开发出一整套可用于现场推广的
动平衡系统。
自动在线平衡是指在旋转机械运转过程中，在不影响机器正常工作的情况下
进行的平衡技术。
1964年，
J.Vande.Vagte首次提出在线自动平衡的概念，由于这种
方法不需要停车就能在线实时自动平衡，所以到目前为止人们已经提出了多种不
同结构的动平衡调节器和相应的控制方法等组成的在线平衡系统，但是在线自动
平衡装置结构复杂、成本高，使用推广也有其自身的局限性[5-9]。
§1.2 动平衡测试仪器
仪器测量技术发展至今，经历了指针式仪表、模拟器件仪器、数字器件仪器、
智能仪器 (Smart Instrument)、个人仪器(Personal Instrument)、虚拟仪器(Virtual
Instrument)的发展阶段。其中的虚拟仪器是20世纪80年代在个人仪器发展的基础
上，计算机软件在仪器控制、数据分析与处理、图形显示等方面的功能越来越为
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各行各业的人士所关注的情况下，由美国国家仪器公司(National Instrument，NI)
率先实现的创造性构想——将软件开发平台和各种不同的测量仪器硬件及计算机
集成在一起，建立“虚拟仪器”系统，进而形成用户自定义的解决方案。这一概
念的核心就是以计算机作为仪器的运行平台，充分利用计算机的数据运算、存储、
回放、调用、显示、文件管理以及网络功能，把传统仪器的专业功能软件化，使
之与计算机更加紧密的融为一体，构成一种从操作面板到功能都足以取代传统仪
器，但在实现时，却主要依赖计算机软硬件资源的全部仪器系统。到了20世纪90
年代，PC机的发展更加迅速，面向对象和可视化编程技术在软件领域为更多易于
使用、功能强大的软件开发提供了可能，图形化操作系统Windows成为PC机的通
用配置。虚拟现实、虚拟制造等概念也纷纷出现，以美国为代表的科学技术领先
的国家更是在虚拟技术领域的研究上投入巨大的资本，希望引领该领域的信息时
代潮流。这样，虚拟仪器的概念在世界范围内得到了广泛的认同和应用。美国NI
公司、HP公司、Textronix公司、Racal公司等相继推出了基于GPIB总线、PC-DAQ、
VXI总线及PXI总线等多种仪器系统[10]。
正是基于以上的现实，为了紧跟仪器技术发展潮流，本实验室把“虚拟仪器”
技术引入动平衡测试仪器的开发。
§1.3 本课题来源、研究意义和目标
§1.3.1 课题来源及意义
本课题以上海航发机械有限公司生产的DPF550碟式分离机为研究对象，对其
重要部件——转鼓进行了动平衡，改善了振动情况，增加了了使用寿命、提高了
生产效率。
DPF550碟式分离机主要用于以玉米、木薯、小麦、土豆等作物为原料的淀粉
生产中对粗制淀粉乳和蛋白的分离、浓缩和洗涤；以高岭土矿浆为原料的高岭土
生产中对粗制高岭土矿浆进行高岭土分离、浓缩；亦可用于医药、化工、食品加
工行业对物料的处理。
此分离机的分离和提纯均是在较高转速下进行，转速高达每分钟五千转，在
这样的转速下运转时分离机的转鼓实际上是一台高速旋转的压力容器，比通常静
止的压力容器安全性要求更高。另外，分离机械分离的产品大多数是有腐蚀性的
介质(酸、碱、盐)或是有毒、易燃、易爆的介质，容易产生应力腐蚀。因此，出
厂时必须进行动平衡以确保分离机的安全，尤其是近几年来碟式分离机向大直径、
高转速方向发展，就更要求对转鼓进行动平衡，进行符合实际情况的精确计算。
摘要：
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作者：陈辉
分类：高等教育资料
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时间：2024-11-19
