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基于全柔性串接式振动系统的高精度动不平衡测量研究

作　者: 秦鹏
导　师: 蔡萍
学　校: 上海交通大学
专　业: 测试计量技术及仪器
关键词: 动平衡振动系统柔性铰链瞬时运动中心平面分离关联效应模态分析经验模态分解自适应陷波相位差校正
分类号: TB533.1
类　型: 博士论文
年　份: 2007年
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内容摘要

旋转机械的动不平衡是引起振动和噪声、降低设备寿命和可靠性、制约产品质量性能的主要原因之一,也是旋转类产品生产、制造以及应用过程中必须解决的共性问题。研究高精度动不平衡测量方法是一项具有巨大效益和重要意义的技术。振动系统和电气测量系统是动平衡设备的核心组成部分,针对提高外悬式转子的动不平衡测量设备的性能,本研究在新型振动系统设计、不平衡信号的提取和参数测量等环节提出新方法,以实现能够降低最小可达剩余不平衡量,提高平面分离性能、重复性和长期稳定性的动不平衡测量。具体研究工作分为以下几个方面:1.对外悬式转子动不平衡测量中的常规振动系统的结构特点、力的关联效应的产生机理及其抑制措施以及平面分离性能进行了深入分析,以提高不平衡测量精度和长期稳定性为目的,指出新型振动系统的设计途径。2.从理论力学中的瞬时运动中心的概念出发,提出了一种全新的全柔性串接式两自由度振动系统,该振动系统结构上可以兼具常规悬臂梁结构平衡效率高和简支梁结构平面分离好的优点为一体,而且拥有稳定的振动中心和较大的测量平面间距。将柔性铰链作为弹性元件引入到该新型振动系统中来,其在传递不平衡力和运动的方向上具有较低的刚度、阻尼和较高的灵敏度,降低了最小可达剩余不平衡量。传感元件安装在同一径向测量平面内,减弱了环境因素造成的传感器性能差异,从而抑制了关联效应对动不平衡测量精度和长期稳定性的影响。3.建立了该振动系统两自由度摆动的动力学模型,得到其运动微分方程,进行了不平衡响应分析,获得求解校正质量的平面分离方程。依据能量法原理,推导了该振动系统的等效刚度、固有频率和灵敏度的理论定量表达式,同时指出了其影响因素。利用ANSYS软件建立了振动系统的有限元理论模型,对其进行了静、模态分析,证明了理论建模的正确性。采用有限元理论深入分析了柔性铰链几何参数、振动系统结构参数和固有频率、灵敏度以及应力分布之间的影响关系,在此分析基础上,得到各个系统参数的优化取值范围。最后,初步结合机械结构优化设计方法,确定了振动系统的有关参数。4.设计实现了高性能的电气测量控制系统以确保实现高精度动不平衡测量。该电气测量控制系统以16位微处理器XC167为核心,主要包括两路压电传感器的电荷放大、选频滤波等信号调理电路;以提高相位分辨率和确定主轴转速、转向为目的的光电传感器选择及其后续电路设计;以及电机驱动控制电路。在此基础上,利用KeilC167实现了整套动不平衡测控程序。5.针对变频结构干扰和强噪声背景,分别采用改进经验模态分解和基于全通滤波器的自适应IIR格型陷波器的方法提取动不平衡信号。经验模态分解将振动信号自适应分解为有限多个由高频到低频排列的、正交的本征模态函数;利用自回归预测模型延拓信号端点,消除边界效应对提取的不平衡信号的影响,根据功率谱密度可以快速,有效的判断出代表基频信号的本征模态函数。对于基于全通滤波器的自适应IIR格型陷波器,提出了一种改进算法,该算法采用瞬时输入和号前一次瞬时输出信号的互相关来调节步长因子,提高了低信噪比条件下算法的收敛速度;引入归一化功率因子控制步长的变化量,使算法具有较好的鲁棒性能。实验结果证明了这两种方法的有效性。5.针对常规方法对不平衡信号参数测量需要整周期采样的限制,提出采用相位差校正技术进行动不平衡信号参数测量。该方法的采样频率不受待测信号频率影响,不需要整周期采样,算法实现方便,实时性好,选择旁瓣衰减较快的窗函数,能够消除能量泄露误差的影响,窗函数的长度选择为待测信号周期的整数倍,以消除谐波干扰的影响。实验表明结果该方法可以获得较高的测量精度。最后从平面分离性能、相位精度、重复性和最小可达剩余不平衡量方面进行了实验验证,结果表明该新型动不平衡测量系统的有效性。本研究取得的诸多成果可以为提高国有动不平衡测量设备性能提供理论指导和实践经验,同时也指出了未来需要进行的改进工作。

全文目录

摘要  3-5
ABSTRACT  5-12
第一章绪论  12-22
  1.1 课题的背景和意义  12-13
  1.2 国内外研究现状分析  13-18
    1.2.1 动不平衡测量设备的振动系统  13-15
    1.2.2 待测工件－振动系统的动力学分析  15-17
    1.2.3 准静态弱动不平衡信号的提取和参数测量  17-18
  1.3 当前主要存在问题  18-19
  1.4 研究方案和主要研究内容  19-21
    1.4.1 基本研究方案  19
    1.4.2 主要研究内容  19-21
  1.5 论文的组织  21-22
第二章双面校正中力的关联效应和平面分离分析  22-33
  2.1 常规振动系统的结构  22-23
    2.1.1 卧式动平衡设备的振动系统结构  22-23
    2.1.2 立式动平衡设备的振动系统结构  23
  2.2 力的关联效应对测量性能的影响分析  23-28
    2.2.1 悬臂梁结构的关联效应  23-27
    2.2.2 简支梁结构的关联效应  27-28
    2.2.3 悬臂梁结构和简支梁结构的关联效应对比  28
  2.3 双面校正的平面分离性能分析  28-31
    2.3.1 振动中心对平面分离性能的影响  28-30
    2.3.2 常规振动系统的平面分离性能  30-31
  2.4 本章小结  31-33
第三章全柔性串接式振动系统设计与动特性分析  33-51
  3.1 新型全柔性串接式振动系统结构  33-35
    3.1.1 基本设计思路  33-34
    3.1.2 全柔性串接式振动系统结构  34-35
  3.2 全柔性串接式振动系统动力学建模  35-40
    3.2.1 两个单自由度子系统动力学模型  35-38
    3.2.2 两自由度振动系统动力学模型  38-39
    3.2.3 实际振动系统和虚拟振动系统之间的关系  39-40
  3.3 柔性铰链的选择及其刚度计算  40-45
  3.4 振动系统的动态特性分析  45-49
    3.4.1 振动系统的固有频率  45-46
    3.4.2 振动系统的等效刚度  46-47
    3.4.3 振动系统的灵敏度  47-49
  3.5 本章小结  49-51
第四章振动系统的有限元模态分析与优化设计  51-66
  4.1 有限元模态分析的基本原理和方法  51
  4.2 振动系统的ANSYS 有限元模态分析  51-54
    4.2.1 振动系统的振形分析  52-53
    4.2.2 振动系统模态的位移云图分析  53-54
    4.2.3 振动系统模态的应力云图分析  54
  4.3 振动系统的固有频率分析  54-56
    4.3.1 振动系统的固有频率  54-56
    4.3.2 振动系统中连板和柔性铰链的材料  56
  4.4 振动系统的性能影响因素分析  56-61
    4.4.1 振动系统固有频率的影响因素分析  57-59
    4.4.2 振动系统的灵敏度影响因素分析  59-60
    4.4.3 振动系统的Von Mises 应力分布影响因素分析  60-61
  4.5 振动系统的优化设计  61-64
  4.6 本章小结  64-66
第五章动不平衡电气测量与控制系统  66-77
  5.1 电气测控系统的基本组成  66-67
  5.2 压电力传感器及其信号调理电路  67-70
    5.2.1 压电力传感器的结构  67-68
    5.2.2 压电力传感器的信号调理电路设计  68-70
  5.3 光电传感器及其后续处理电路  70-72
    5.3.1 光电传感器的选择  71
    5.3.2 光电传感器后续处理电路  71-72
  5.4 电机驱动控制电路  72-74
  5.5 测控系统硬件实物图  74-76
  5.6 本章小结  76-77
第六章动不平衡信号的提取及其特征参数测量  77-104
  6.1 动不平衡信号的特点  77-79
  6.2 改进经验模态分解提取动不平衡信号  79-87
    6.2.1 经验模态分解方法  79-80
    6.2.2 边界效应的影响及其抑制方法  80-82
    6.2.3 动不平衡信号的提取和识别  82-83
    6.2.4 实验分析与验证  83-87
  6.3 基于全通滤波器的自适应IIR 格型陷波器提取动不平衡信号  87-95
    6.3.1 格型陷波器结构及其常规算法  88-89
    6.3.2 改进算法  89-91
    6.3.3 实验分析和验证  91-95
  6.4 相位差校正技术高精度测量动不平衡信号参数  95-103
    6.4.1 常规单点频谱分析法  96
    6.4.2 相位差校正技术原理  96-97
    6.4.3 动不平衡信号参数高精度测量算法  97-100
    6.4.4 动平衡实验验证  100-103
  6.5 本章小结  103-104
第七章动不平衡测量实验及其数据分析  104-112
  7.1 动不平衡测量系统的构建  104
  7.2 动不平衡测量系统的标定  104-107
    7.2.1 测量系统标定参数  104-106
    7.2.2 测量系统标定结果  106-107
  7.3 主轴及夹具的不平衡量补偿  107-108
  7.4 动平衡实验结果及分析  108-111
    7.4.1 幅值和相位测量实验  108-109
    7.4.2 平面分离度评定  109
    7.4.3 相位误差评定  109-110
    7.4.4 最小可达剩余不平衡量评定  110
    7.4.5 重复性实验  110-111
  7.5 本章小结  111-112
第八章总结与展望  112-115
  8.1 论文主要工作及创新点  112-114
  8.2 下一步工作展望  114-115
参考文献  115-123
致谢  123-124
攻读博士学位期间的科研成果和奖励  124-126
附录 1  126-130

基于全柔性串接式振动系统的高精度动不平衡测量研究

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