理解振动信号动平衡原理与测试流程：旋转校正的核心机制

最编程 2024-01-23 21:51:26

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动不平衡是旋转机械产生振动的主要因素，因此对于旋转部件的设计及开发，转子部件的动平衡研究是非常有必要的。动平衡的原理就是在转子旋转状态下，检测出转子的不平衡量的相位和大小，并通过在相应位置进行加重或去重，从而改善转子相对于轴线的质量分布，达到实现转子动平衡的目的。

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基本理论

若某一转子的不平衡力向转子的质心简化为合力F和合力偶M，如图1所示，

图1 转子平衡示意图

任选两个平面I和II作为校正平面，其与质心平面相距l1和l2。可将合力F向I，II面进行分解，得到与F同相的F_s’和F_s’’，且

将合力偶在I，II两平面成F_d’和F_d’’的组合，得

最后将F_s’，F_d’以及F_s’’和F_d’’分别合成为I，II平面的合力F’和F’’。在I平面F的对侧，半径r处增加校正质量m。使得

同理，在平面II进行同样处理，至此，即可抵消该轴的原始不平衡因素。

然而，上述方程是在已知原始不平衡力及力偶的情况下进行的。但实际测试过程中，被测部件是任意可能出现问题的旋转机械，测试人员无法将不平衡的原始输入条件带入上述方程。因而，需要从算法上从侧面进行近似推演研究，经过多年的发展，目前比较成熟的方法包括测振幅的三点平衡法、高速测相平衡法、影响系数平衡法等。其中，影响系数平衡法由于在算法上相对容易实现，求解相对简单而得到广泛应用。

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基本理论框架

首先启动转子，测试原始带幅值和相位的振动V_i0；然后再逐次在平衡面上试加适量的质量P_j，启动转子再测试加质量后的振动V_ij，则影响系数由下定义可得：

式中a_ij为影响系数，表示在第j平衡面的试加质量对第i测点振动所产生的影响。

基于上述表达，得到影响系数后，为使某一平面平衡，则各平衡面上的校正质量Q对该平衡面产生振动的叠加恰好能够抵消该测点的原始振动，即

若有M个平衡面，可得对应的线性方程组，如下

写成矩阵形式，

求解上述方程便可得到各平衡面的校正质量的相关信息。

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动平衡测试流程

A、动平衡测试系统搭建

整个测试系统包含内容：

动平衡测试部件
转速传感器：对于动平衡来说，其振动的表现形式为1阶振动信号，转速的提取一方面用于阶次信号的计算；另一方面还可作为参考信号进行相位参考；
振动加速度传感器：用于提取动平衡带来的振动信号。一般为了有更好的信噪比，要求测点接近于平衡面的轴承或者支架上。

图2 测试系统搭建

B、测试转速选择

使用被测部件常用转速；
若是变化工况，建议首先做一次Run-up工况。对于动平衡而言，由于离心力会导致被测系统弹性部件产生局部变形，进而可能会在某一转速区间，其1阶信号存在峰值(需确定该现象为非共振引起的)。基于该次Run-up工况的1阶信号峰值信息，提取需要平衡的转速区间，如下图选择测试转速为2900rpm。