基于现场平衡技术的现场巡检车载背散射查验系统斩波轮振动问题解决方法

韩秀华， 王 勇， 刘溢溥， 颜巧燕， 刘 斌

（公安部第一研究所 安检技术部， 北京 100048）

0 引言

在X 射线安全检查领域，背散射成像技术由于具有源探同侧布置，结构紧凑，检测灵活，高亮显示毒品、炸药高密度低原子序数有机物的优点，广泛应用于海关、检验检疫、边检缉毒等众多重要场合的集装箱、中小型车辆违禁物品的检查。 背散射成像设备核心部件是点扫描发生器，由电机驱动部件、带传动、轴承支撑部件及斩波轮组成，其工作原理是斩波轮围绕X 射线发生器与出射准直器产生的扇形X 射线平面进行旋转， 从而产生笔束状X射线扫描被检测物体进行成像检查。 为得到高分辨率的清晰图像，需要斩波轮进行高速旋转，旋转速度可达每分钟2000 多转。 斩波轮由于材质不均匀、加工制造误差等多方面因素会产生不平衡质量，在高速旋转过程中产生的离心力会导致整个设备强烈振动， 从而降低轴承部件的寿命，影响设备成像质量和安全稳定运行，因此对斩波轮的平衡分析校正尤为必要。

1 问题提出

现场巡检车载背散射查验系统点扫描发生器斩波轮在旋转过程中出现异常剧烈振动， 根据斩波轮结构特点及现场情况， 重点在斩波轮输入端轴承座垂向位置设置测点，采用加速度振动传感器对测点进行振动测量，测点布置，见图1。

图1 振动测点位置示意图

设定斩波轮工作转速为2250rpm，转频为37.5Hz，测点位置测得垂向振动速度有效值Vrms为14.280mm/s，斩波轮运行功率为1.5kW， 根据ISO2372 推荐的各类机器振动评定标准，斩波轮属于I 类设备，设备长期正常运行需要符合振动速度有效值Vrms≤1.8mm/s 的条件， 因此斩波轮无法满足设备正常运行的使用要求。

2 现场平衡实践

2.1 确定设备振动原因

为了确定设备具体振动原因，对振动数据进行分析，平衡前斩波轮测点位置垂向振动频谱图及时域波形，见图2。本数据由申克现场动平衡仪SmarterBalancer2 测得。

图2 平衡前测点垂向振动频谱图及时域波形图

从图2（a）所示的频谱图可以看出，转频37.5Hz 处1 倍频振动值最大，达到14.259 mm/s，转频振动分量成分占很大比例， 其他频次的振动幅值很小；图2（b）所示的时域波形近似为正弦波， 上述图形中振动频率、 振动幅值及波形特征均为转子不平衡的典型特征。此外，对设备进行Bode 图测试，斩波轮转速由0rpm 逐渐升至工作转速2250rpm，对设备进行振动检测，测点布置见图1，振动结果见图3。 本数据由申克现场动平衡仪SmarterBalancer2 测得。 测试结果显示，设备在0 至2250rpm 转速范围内有4 处共振点， 分别为850rpm、1370rpm、1660rpm、2030rpm，排除了转子在临界转速下运行的可能性。

综上分析， 斩波轮不平衡问题是造成斩波轮振动的主要原因。

2.2 动平衡测试方案确定

（1）现场平衡技术概述。现场平衡方法是旋转机械常用的平衡方法， 它是指旋转机械在现场工作状态或接近工作状态下， 对转子进行振动测量分析和平衡校正的一种平衡试验方法，其平衡方法工作量小，速度快，平衡精度高，对于改善机械的运转性能，延长轴承零件的寿命具有重要作用， 尤其是对于固定场地使用的专用平衡机上无法进行的平衡振动问题， 现场平衡技术将起着不可代替的作用。本文斩波轮现场装配完成后，由于没有合适的专用平衡设备可供使用， 因此采用现场平衡方法对旋转部件进行平衡试验，以达到斩波轮快速平衡的目的。

（2）平衡面数量选择。根据刚性转子两面平衡原理可知，任一不平衡的刚性转子都可在两个与转轴垂直的平面上进行校正得到平衡[2]。一根据现场平衡过程所需设置的平衡校正平面的数目可以分为单面动平衡和双面动平衡两种型式。究竟进行何种型式的平衡，要根据具体情况如转子的结构、形状、转速、支撑条件等而定。本文论述的斩波轮是一个较薄的圆盘形状， 转子长径比较小（≤1/5），因此可以只考虑转子的合成不平衡量产生的离心力进行平衡而不考虑它的合成不平衡力矩， 选择单面动平衡即可达到满意效果。

（3）平衡测试方案制定。本文斩波轮现场平衡测试方案， 在靠近转子轴承座一侧垂直方向安装压电式振动加速度传感器测量设备的振动值， 在转子轴端附近安装一光电转速传感器用作转速测量，并将此信号处理为相位参考信号，同时在转子轴端适当位置粘贴反光标签作为0°相位角参考标志，完成现场平衡试验方案的布置及其显示记录系统的连接，见图4。

（4）平衡过程及分析。 斩波轮主要参数，见表1。 平衡过程如下：启动斩波轮至工作转速，测量并记录轴承的不平衡振动响应（包括幅值及相位角）， 此响应即为转子原始不平衡量引起的振动响应； 然后在转子校正面校正半径圆周（角度可以任选）加载已知质量的试重，再次启动转子至工作转速，测量并记录轴承的不平衡振动响应，此时响应为转子不平衡量与试重共同作用下的振动响应，通过两次振动响应测量，确定系统影响系数，得到转子不平衡量的大小和相位，施加校正质量，经过多次校正，直至旋转部件剩余不平衡量满足斩波轮平衡设计要求。

图4 现场单面动平衡测试框图

图3 平衡前测点位置垂向振动Bode 图

表1 斩波轮主要参数

动平衡校正过程及效果分析，见表2。 本数据由申克现场动平衡仪SmarterBalancer2 测得。

表2 斩波轮动平衡校正过程

2.3 动平衡效果考核

为了使转子平稳、安全地运转，其剩余不平衡量不得大于规定的许用剩余不平衡量Uper，即U≤Uper。 许用剩余不平衡量Uper与平衡品质等级G 的换算关系如下：

式中：Uper—许用剩余不平衡量（g·mm）；eper—许用剩余不平衡度 （g·m/kg）；G—平衡品质等级的标记值（mm/s）；M—转子的质量（kg）；Ω—转子工作转速的角速度（rad/s），Ω=n·2π/60；n—转子的工作转速单位为（r/min）[1]。

斩波轮旋转部件重量为52.8kg， 工作转速为2250rpm， 斩波轮正常运行设计平衡品质等级为G2.5，根据式（1）可以推算，斩波轮在平衡品质等级G2.5、G1.6、G1等级下的许用剩余不平衡量依次为560g·mm、359g·mm、224g·mm。 斩波轮经两次平衡校正，安装配重62.1g∠33°及11.7g∠73°后， 测得剩余不平衡量为234g·mm， 满足G2.5 设计要求，且优于G1.6 级，接近G1 水平；同时，一倍频振动值由11.177mm/s 降低至0.225mm/s， 振动幅值下降了98%，斩波轮运行平稳。

现场平衡由于不拆卸设备在原装配轴承基座上接近工作状态下进行平衡校正，保持了设备与轴承的完整性，校正效果非常显著， 测点位置垂向振动速度有效值Vrms为1.160mm/s，与平衡前相比Vrms降低了91.8%，平衡后测点位置垂向振动的频域图和时域波形如图5（a）和图5（b）所示，根据国际标准ISO2372（表1）判定，斩波轮运行状态良好， 可连续长期工作。 本数据由申克现场动平衡仪SmarterBalancer2 测得。

图5 平衡后测点垂向振动频谱图及时域波形图

3 结论

针对斩波轮旋转运行过程存在的振动问题， 本文作者使用现场平衡仪器，应用影响系数法进行现场平衡测试，通过增加配重62.1g∠33°及11.7g∠73°， 旋转部件动平衡精度等级满足G2.5 的设计要求，实际平衡精度等级优于G1.6 级接近G1 级，设备通频振动值由14.280mm/s 降至1.160mm/s，振动值下降了91.8%，振动水平达到国际标准ISO 2372（表1）I 级设备B 级振动标准， 斩波轮可长期连续稳定运行，从而为现场巡检车载背散射成像设备的安全运行及成像质量提供保证。