CN101158614B

CN101158614B - 高速主轴在线动平衡装置

Info

Publication number: CN101158614B
Application number: CN2007101852545A
Authority: CN
Inventors: 杜文华; 马维金; 曾志强; 齐明思; 蒋红琰; 王俊元; 郭雁文
Original assignee: North University of China
Current assignee: North University of China
Priority date: 2007-11-15
Filing date: 2007-11-15
Publication date: 2010-04-07
Anticipated expiration: 2027-11-15
Also published as: CN101158614A

Abstract

本发明涉及高速主轴平衡装置，具体为高速主轴在线动平衡装置。解决现有在线动平衡装置，特别是间接在线动平衡装置和混合型在线动平衡装置存在的缺陷和不足。包括含有其中部圆周表面设有铁磁材料层的滑盘座、定子的间接在线动平衡机构，还包括含有定子及固定于该定子上的传感器、套于滑盘座两端部的滑盘、固定于滑盘上的平衡质量块、套固于主轴上且与滑盘座、滑盘端面接触的压板的混合型在线动平衡机构；在压板的一侧设有电磁线圈，压板的一侧端面上附着有铁磁材料层，压板一侧设有固定于主轴上的轴套，轴套与压板之间设有套于主轴上的弹性元件。该平衡装置具有响应时间短、节能的特点，实现实时、节能的高速主轴在线动平衡补偿效果。

Description

高速主轴在线动平衡装置

技术领域

本发明涉及高速主轴平衡装置，具体为高速主轴在线动平衡装置。

背景技术

旋转机械例如压缩机、汽轮发电机、锅炉引风机、大型电机等正在走向高速化。这此旋转机械的高速主轴重点考虑的是基于不平衡量产生的振动。振动量与回转速度的二次方成正比例，并且在经过高转速时会对回转系统或整个系统产生破坏。因此，必须对高速主轴进行动平衡。目前，主要的平衡措施都为离线动平衡，即通过试验测出不平衡量大小，停机增加或去除配重。因为离线动平衡为停机作业，在时间和金钱上会造成大量的损失。为了减少损失并且提高效率和加工精度，出现了许多有关平衡主轴回转系统在线动平衡的研究。图1给出了一种高速主轴在线动平衡系统的工作原理示意图；在图1中，31-电涡流传感器，用于接收振动信号，32-主轴，33-动平衡装置(动平衡头)，34、38-陶瓷轴承，用于支撑主轴系统，35-电机定子，36-电机外壳，37-电机转子，39、40-光纤传感器，用于测量主轴转速和振动相位。按照图1所示的工作原理，要求传感器实时监测不平衡量、主轴转速、不平衡量相位(或者滑盘上平衡块相位)。当出现超标不平衡振动时，由非接触式电涡流传感器接收振动信号并进行滤波；由光纤传感器39、40分别测量主轴转速和振动相位。这三路电信号经A/D转换后进入单片微机控制系统，数据处理后计算出精确的不平衡量大小及相位，并输出相应的的控制信号，该控制信号经D/A转换和PWM(脉冲宽度调制)后控制驱动电路驱动平衡头工作，从而实现高速主轴的在线动平衡。

在线自动平衡系统的关键技术是动平衡装置(也称动平衡头)的设计。归纳起来，目前广泛应用的动平衡头可分为以下三类：第一类称为直接在线动平衡头，是从质量方面着手，通过加重去重的方法，直接将平衡圆盘的几何中心移到旋转中心，包括喷涂法、喷液法及激光去重法等。这种平衡方法存在的很多实际问题，应用范围狭窄。第二类称为间接在线动平衡头，即给圆盘长期提供与不平衡力方向相反、大小相等的力，当圆盘旋转时，将其重心强行拉到旋转中心。目前，这种平衡头主要包括电磁轴承型在线动平衡头及电磁圆盘型在线动平衡头。它有一个严重不足就是转子在运行过程中一直受平衡电磁力的作用，对于长期运行的旋转机械来说，能耗大，机械结构内应力大。第三类称为混合型在线动平衡头，工作时，由检测系统测量转子系统的振动信号，并通过控制系统，以某种方式改变平衡头内部质量分布(不加重也不去重)，使其几何中心与旋转中心重合，质量的重新分布可通过机械方法或电磁方法进行。根据驱动平衡质量块移动的控制方式的不同，混合在线动平衡头可分为电动机型、遥控型及电磁型在线动平衡头。混合型在线动平衡装置在转子产生不平衡振动时，调整平衡质量块的位置，对转子系统进行在线动平衡，转子系统平衡后，不再对平衡头输入能量，即可切断电动机电源或撤消拖动平衡质量块移动的电磁力，节约了能源，但是，平衡过程需要一定的响应时间。

上述的三种在线动平衡装置无论是形状构造还是控制方法(如间接在线动平衡装置中定子电流大小及通电时间的控制；混合型在线动平衡装置内部质量重新分布的控制策略——主要采用影响系数的通解算法等)都是现有成熟技术并在多篇相关文献中有较详尽的介绍。但每种在线动平衡装置都存在一些缺陷和不足。

发明内容

本发明为了解决现有在线动平衡装置(动平衡头)，特别是间接在线动平衡装置和混合型在线动平衡装置存在的缺陷和不足，提供一种高速主轴在线动平衡装置。该在线动平衡装置将间接在线动平衡装置和混合型在线动平衡装置创新性地结合在一起，综合了两者的优点，克服了两者的缺陷。

本发明是采用如下技术方案实现的：高速主轴在线动平衡装置，包括含有与主轴固定且其中部圆周表面设有铁磁材料层的滑盘座、沿圆周开槽且槽内嵌有控制绕组的定子的间接在线动平衡机构，还包括位于间接在线动平衡机构两侧含有沿圆周开槽且槽内嵌有控制绕组的定子及固定于该定子上的传感器、套于滑盘座两端部的滑盘、固定于滑盘上的平衡质量块、套固于主轴上且与滑盘座、滑盘端面接触的压板的混合型在线动平衡机构；在压板的一侧设有电磁线圈，压板的一侧端面上附着有铁磁材料层，压板一侧设有固定于主轴上的轴套，轴套与压板之间设有套于主轴上的弹性元件。正常状态下，压板在弹性元件的作用下与滑盘座、滑盘端面保持紧密接触，该在线动平衡装置中的滑盘座、滑盘、压板、弹性元件随主轴一同旋转；当主轴在线动平衡系统检测到主轴不平衡时，首先向间接在线动平衡机构的定子通入控制电流，无接触地在加重平面处形成一个具有相同幅值和相位的径向电磁力，使该电磁力与所需的离心力等效，以较短的响应时间实现在线实时精密补偿；考虑到此时空旋转电磁力能耗大、机械结构内应力大的缺点，接着，电磁线圈通电，电磁线圈产生的磁力施加于压板上(通过压板上的铁磁材料层)，抵消弹性元件作用于压板上的力，使混合型在线动平衡机构中的滑盘可以相对滑盘座转动，此时向混合型在线动平衡机构中的定子通以控制电流，运用影响系数法控制策略，应用电机的工作原理，使滑盘产生相对于滑盘座的相对转动(即重新分布平衡质量块的位置)，使主轴质心回到旋转中心上；然后，切断间接在线动平衡机构的定子控制电流和电磁线圈的供电，压板在弹性元件作用下，重新压向滑盘座和滑盘端面，使重新调节位置的滑盘联接于主轴。此时，间接在线动平衡机构中的时空旋转电磁力消失，由混合型在线动平衡机构使高速主轴达到动平衡精度标准。

本发明所述的高速主轴在线动平衡装置创新性地将间接在线动平衡头与混合在线动平衡头结合起来并进行了结构上的优化设计，使该平衡装置具有响应时间短、节能的特点，实现实时、节能的高速主轴在线动平衡补偿效果，具有一定的实际应用价值。

附图说明

图1为高速主轴在线动平衡系统的工作原理示意图；

图2为本发明所述的高速主轴在线动平衡装置的一种结构示意图；

图3为本发明所述的高速主轴在线动平衡装置的另一种结构示意图；

图4为图2、图3的c-c剖面图；

图5为图2、图3的a-a剖面图；

图中：1-主轴，2-铁磁材料层，3-滑盘座，4-定子，5、6-定子，7、8-传感器，9、10-滑盘，11、12-平衡质量块，13、14-压板，15、16-电磁线圈，17-铁磁材料层，18、19-弹性元件，20、21-轴套，22-线圈支架。31-电涡流传感器，用于接收振动信号，32-主轴，33-动平衡装置(动平衡头)，34、38-陶瓷轴承，用于支撑悬臂平衡头系统，35-电机定子，36-电机外壳，37-电机转子，39、40-光纤传感器

具体实施方式

高速主轴在线动平衡装置，包括含有与主轴1固定且其中部圆周表面设有铁磁材料层2的滑盘座3、沿圆周开槽且槽内嵌有控制绕组的定子4的间接在线动平衡机构，还包括位于间接在线动平衡机构两侧含有沿圆周开槽且槽内嵌有控制绕组的定子5、6及固定于该定子上的传感器7、8、套于滑盘座3两端部的滑盘9、10、固定于滑盘9、10上的平衡质量块11、12、套固于主轴1上且与滑盘座3、滑盘9、10端面接触的压板13、14的混合型在线动平衡机构；在压板13、14的一侧设有电磁线圈15、16，压板13、14的一侧端面上附着有铁磁材料层17，压板13、14一侧设有固定于主轴1上的轴套20、21，轴套20、21与压板13、14之间设有套于主轴上的弹性元件18、19。电磁线圈15、16可套固于主轴1上，或更进一步地电磁线圈15、16套固于轴套20、21上；这种固定方式需采用滑环、电刷结构向电磁线圈15、16供电。电磁线圈15、16也可套于主轴上并固定于线圈支架22上，这样电磁线圈15、16成为非旋转部件，可避免滑环、电刷供电方式的不便。当主轴在线动平衡系统检测到主轴不平衡时，通过控制间接在线动平衡机构的定子4的励磁电流i、相位导通时间t、初始导通相r产生时空旋转电磁力F1，F1与不平衡力F大小相等、相位相差180°，实时的补偿不平衡力；接着，混合型在线动平衡机构处，电磁线圈15、16导通，按照如下两步骤依次进行：第一步，控制程序调节电磁线圈的电流逐渐增加电磁力，当增加至与弹性元件弹性力相等时，保持电流恒定，此时滑盘9、10处于受力平衡状态，可以自由转动；第二步，混合型在线动平衡机构的定子5、6导通励磁电流i，由数据运算处理器驱动电路，通过所设的影响系数法原则控制平衡块的移动过程，使滑盘9、10旋转到需要方向，合成与不平衡力F大小相等方向相反的力F2，并且由于运用了影响系数法控制策略，在平衡质量块11、12转移动到所需位置时，滑盘达到与主轴同步旋转的速度。注意，此时F2并未施加于主轴。最后，数据运算处理器驱动电路发出新指令，电磁线圈15、16及间接在线动平衡机构的定子4、混合型在线动平衡机构的定子5、6同时断开，在弹性元件的作用下，压板13、14将滑盘9、10与滑盘座被牢牢压紧，在足够大的摩擦力作用下与主轴同步旋转。此时间接在线动平衡机构的时空旋转电磁力F1消失，平衡质量块合成力F2使主轴或主轴回转系统质量再分布，使整个高速主轴系统达到一定的动平衡精度。之后，保持该平衡状态，结束此次平衡工作。

Claims

1.一种高速主轴在线动平衡装置，包括含有与主轴(1)固定且其中部圆周表面设有铁磁材料层(2)的滑盘座(3)、沿圆周开槽且槽内嵌有控制绕组的定子(4)的间接在线动平衡机构，其特征为：还包括位于间接在线动平衡机构两侧含有沿圆周开槽且槽内嵌有控制绕组的定子(5、6)及固定于该定子上的传感器(7、8)、套于滑盘座(3)两端部的滑盘(9、10)、固定于滑盘(9、10)上的平衡质量块(11、12)、套固于主轴(1)上且与滑盘座(3)、滑盘(9、10)端面接触的压板(13、14)的混合型在线动平衡机构；在压板(13、14)的一侧设有电磁线圈(15、16)，压板(13、14)的一侧端面上附着有铁磁材料层(17)，压板(13、14)一侧设有固定于主轴(1)上的轴套(20、21)，轴套(20、21)与压板(13、14)之间设有套于主轴上的弹性元件(18、19)。

2.如权利要求1所述的高速主轴在线动平衡装置，其特征为：电磁线圈(15、16)套固于主轴(1)上。

3.如权利要求1所述的高速主轴在线动平衡装置，其特征为：电磁线圈(15、16)套固于轴套(20、21)上。

4.如权利要求1所述的高速主轴在线动平衡装置，其特征为：电磁线圈(15、16)套于主轴上并固定于线圈支架(22)上。