CN101305272B - 用于动态测量转子的不平衡度的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于动态测量一个设置在壳体(1)中并支承在一单独的轴承箱(14)的转子的不平衡度的方法和装置，其中，所述方法包括下述步骤：将轴承箱(1 4)固定在壳体(1)上并在它们之间连接一些弹性挠性元件(6)，使得轴承箱(14)具有至少两个可相对于壳体(1)运动的自由度，转子设置在壳体(1)中的一个适合于驱动的工作位置上，将转子加速到一个基本上标准的工作速度，然后在转子以基本上标准的工作速度旋转时，测量因不平衡度引起的振动，并在测量因不平衡度引起的振动的测量转速下，确定所述振动相对于转子角度位置的相位，采用所测得的因不平衡度引起的振动和相位来确定有待平衡的转子的不平衡度。

Description

用于动态测量转子的不平衡度的方法和装置
技术领域
本发明涉及一种用于动态测量一个设置在一壳体中并支承在一个单独的轴承箱中且以高的角速度转动的转子的不平衡度的方法，以及一种适合于实施该方法的装置。本发明尤其涉及一种测量一个废气涡轮增压器的转子的不平衡度的方法和装置。
背景技术
由废气驱动的涡轮增压器的转子在运行时以每分钟常常超过10万转的极高转速转动，并因此必须为避免噪音和高的轴承负载而特别精确地平衡。所述转子通常由一根支承在一个附属轴承箱中的轴构成。该轴的一端支承涡轮，另一端则支承一个压缩机轮。出于测量精确度方面的原因，一般在一个基本上与标准工作速度相应的角速度时测量转子的不平衡度。在此，所述转子连同轴承箱一起固定装入一个涡轮外壳中，并用压力空气将涡轮驱动到所需的转速。这种方法的缺点在于，比转子质量更大的轴承箱和涡轮壳的质量会强烈减弱因转子不平衡度引起的振动，并因此影响测量的敏感性和精确性。
EP 0426676B1公开了一种用于一个废气涡轮增压器的高速转子的动态平衡方法，其中，支承着转子的涡轮增压器的壳体中段与包绕所述涡轮以及压缩机轮的壳体部段固定连接。如此构成的整体单元借助一些挠性的且作用在这些壳体部段上的波纹软管可沿所有三个空间方向运动地软支承在一个框架中。然而在此，所述安设在涡轮增压器的壳体中段上的壳体部段也会影响振动特性，并进而显著影响对于不平衡度的测量。在所述壳体部段上设有一些加速度传感器，结合一个光学测量的相位角对它们的加速度信号进行处理，可用于确定所述不平衡度的大小和方位。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于动态测量一个设置在一壳体中并支承在一个单独的轴承箱中且以高的角速度转动的转子的不平衡度的方法，该方法可减小所述一同振动的质量的不良影响并获得对于不平衡度测量的高精确度。本发明的另一目的在于提供一种特别适合于实施这种方法的装置。
上述第一目的通过一种用于动态测量一个设置在一壳体中并支承在一个单独的轴承箱中且以高的角速度转动的转子的不平衡度的方法来实现，该方法包括下述步骤：将所述轴承箱固定在所述壳体上并这样在它们之间连接弹性挠性元件，即，使得所述轴承箱具有至少两个可相对于壳体运动的自由度，并将所述转子设置在所述壳体中的一个适合于驱动的工作位置上；然后，将转子加速到一个基本上标准的工作速度，并在该转子以一个基本上标准的工作速度旋转时，测量因不平衡度引起的振动；在测量因不平衡度引起的振动的测量转速下，接着确定所述因不平衡度引起的振动相对于转子角度位置的相位；最后，采用所测得的因不平衡度引起的振动和相位来确定有待平衡的所述转子的不平衡度。
本发明方法的优点在于：仅仅转子、轴承箱还有其内装有的轴承独立于其他质量、诸如壳体质量和其固定装置的质量地产生因不平衡所引起的振动。由此将所述测量结构的一同振动的质量限制到不可避免的、为支承转子所必需部件的最低值，并因此使之相对于现有技术明显减小。这样带来的优点是：显著减小因一同振动的质量造成的不平衡度测量值的误差，并因此可明显更精确地测得不平衡度。
为实现本发明的另一目的，本发明提供了一种用于动态测量一个支承在一轴承箱中并可以高的角速度转动的转子的不平衡度的装置，其具有一壳体，所述转子和轴承箱可安设在该壳体上并处于适合于以一个基本上标准的工作速度驱动转子的工作位置上，其中，所述壳体至少有一个弹性挠性的元件，所述轴承箱可这样固定在该元件上，即，使得所述轴承箱相对于壳体有至少两个运动自由度。本发明的装置可方便和廉价地制造，并可以高精确度测量转子的不平衡度。
优选在所述装置的壳体上设置多个尤其是四个沿轴向和径向弹性挠性的元件，这多个元件还按规律的周向间距同心围绕所述转子的旋转轴线地设置。通过这样一种设置实现了对轴承箱的一种弹性支承。这种弹性支承的刚性沿所有的方向基本相同。
按照本发明的另一建议，所述多个弹性挠性元件在用于所述轴承箱的固定侧通过一轴承环相互连接，而且设有用于将所述轴承箱夹紧在所述轴承环上的夹紧件。通过这样一种设计，简化了对于所述装置的操纵，因为所述轴承箱不必逐个地与各弹性元件连接。此外，所述轴承环可实现对于所述弹性挠性元件的封装设置，从而使它们不会受到损害。此外，通过限制轴承环的运动空间，转子壳体的振幅可被限制到一个最大值。按照本发明，可在所述轴承环上设置振动传感器、尤其是加速度传感器。
按照本发明的另一建议，所述弹性挠性元件优选有一个圆环扇区的形状，它有一个沿径向在内的扇区段、一个沿径向在外的扇区段以及将这两个扇区段相互连接起来的弹性元件。所述弹性挠性元件的这种设计结构可以有利的简便方式将所述壳体与所述轴承环连接起来，并且只需要很少的轴向安装空间。
业已证明比较适宜的是，所述弹性挠性元件以其径向在内的扇区段固定在壳体上，以其径向在外的扇区段固定在轴承环上。这样，它们沿径向不会超出所述轴承环。所述将两个扇区段相互连接起来的弹性元件可呈S形或Z形弯曲状。由此带来的优点在于，为实现所需的弹簧柔性只需比较小的径向安装空间。所述两个扇区段以及所述将它们相互连接起来的弹性元件可简单地为一体构造，例如由一块弹簧片制成。这样可实现廉价的制造。
按照本发明装置的另一有利的扩展设计，所述壳体有两个弹簧杆，所述轴承箱或所述轴承环可固定在这两个弹簧杆上，其中，这两个弹簧杆设置在同一个平行于所述转子的旋转轴线的平面内并沿转子的旋转轴线延伸。在此，所述轴承箱可相对于壳体沿所有径向方向运动并可围绕一根在该平面内的径向轴线转动。所述两个弹簧杆优选设置在一个垂直的平面内并分别在相同的部位具有至少一个刚性较弱的挠性段，该挠性段水平方向的刚性弱于其垂直方向的刚性。所述弹簧杆沿水平方向的刚性大约为弹簧杆沿垂直方向的刚性的10％。所述弹簧杆沿垂直方向的较高刚性用于支撑转子和轴承箱的重量。
附图说明
下面借助附图所示实施例对本发明予以详细说明，附图中：
图1表示按照本发明的带有设置在内的涡轮增压器躯干组的不平衡度测量装置的横剖面；
图2是图1所示装置的包括所述弹性挠性元件和轴承环在内的结构单元的视图；
图3是按照本发明的带有设置在内的涡轮增压器躯干组的不平衡度测量装置另一实施形式的横剖面。
具体实施方式
图1所示不平衡度测量装置包括一个壳体1，该壳体1借助螺钉2可固定在一个基座或基架上。所述壳体1包含一个流动通道3和一个环状的螺旋形外壳4，后者的中央孔5与所述流动通道3相连通。所述螺旋形外壳4在其与流动通道3相反的端侧具有一个螺旋形通道4a和一个与其纵向中心轴线同心的环面4b。在该环面上借助螺钉固定有四个分别距所述纵向中心轴线有相同间距并相互等距布置的、具有相同结构的弹性挠性元件6。
如从图2中可看到的那样，所述弹性挠性元件6为基本上圆环扇区形的板状。通过在该板上挖孔，所述弹性挠性元件6被划分成一个沿径向在内的扇区段7、一个沿径向在外的扇区段8以及将这两个扇区段相互连接起来的Z形弹性元件9。所述元件6分别由一体构成并可通过冲裁一块由弹簧材料尤其是弹簧钢所制板材简单而廉价地制成。
所述元件6以其内扇区段7固定在所述螺旋形外壳4上并沿径向向外延伸。一轴承环10在所述元件6的背向所述螺旋外壳4的一侧固定在该元件6的外扇区段8上。所述轴承环10在此以一凸出的环面抵靠在所述外扇区段8上，它的其余部分则距所述弹性元件9、扇区段7以及螺旋形外壳4有一轴向间距。所述螺旋形外壳4的端面在所述弹性元件9和扇区段8的区域内沿轴向向回错移，从而距所述弹性元件9和扇区段8有一轴向间距。此外，在所述扇区段8的径向外边缘和所述壳体1之间有一间隙。所述扇区段8和与之固定连接的轴承环10可因此被所述弹性元件9支承地实施沿径向和轴向的相对于所述壳体1和所述螺旋形外壳4的振动运动。
所述轴承环10具有一个带有一凸肩12的中心孔11。该中心孔11用于承接一个环形法兰13，后者位于一个被测量的涡轮增压器的躯干组15的轴承箱14上。在将所述涡轮增压器的躯干组15插入中心孔11中后，所述法兰13借助设置在所述轴承环10上的夹紧板16被夹紧抵靠在所述凸肩12上。
所述涡轮增压器的躯干组15除了所述轴承箱14外还包括一根支承在该轴承箱14中的轴以及一个涡轮17和一个压缩机轮18。该涡轮17和压缩机轮18分别固定在所述轴的相互反向的两端。在夹紧的位置状态下时，所述涡轮17处于所述螺旋形通道4a内和所述螺旋形外壳4的孔5内。通过所述螺旋形通道4a可使空气流以恰当的方式偏转到所述涡轮17上，以驱动它。排出的空气则通过孔5和流动通道3排出。所述螺旋形通道4a和所述孔5的内轮廓则构造成与所述涡轮17之间保留有足够大的间隙，以免它们当所述涡轮增压器躯干组15振动时发生相互碰撞。所述压缩机轮18设置在所述壳体1的外面。为导引空气流动和为了保护起见，该压缩机轮18被一个压缩机外壳或一个保护罩遮盖。
为了测量由涡轮17、轴和压缩机轮18组成的转子的不平衡度，用空气驱动所述涡轮17并将其加速到一个基本上与标准工作速度相当的转速。由于转子所具有的不平衡度，在由涡轮增压机躯干组15和轴承环10组成的振动质量中会感应激发振动。借助设置在轴承环10上的振动传感器或加速度传感器在不同的转速下测量振动。同时通过一个转角传感器确定所测得的感应振动当时相对于转子的相位。然后借助一个电子计算机从所测得的值中确定所述有待平衡的不平衡量的大小和角度位置。
图3示出按照本发明的另一设计结构的不平衡度测量装置。该装置如前述实施例那样包括一个壳体1、一个设置在该壳体中的螺旋形外壳4和一个轴承环10。一个有待测量的涡轮增压器躯干组15的轴承箱14借助夹紧板16可被夹紧在该轴承环10的孔11中。在图3所示实施例中有两个弹簧杆20作为弹性元件。这两个弹簧杆20的一端借助螺钉21固定在所述壳体1上，其另一端则借助螺钉22固定在轴承环10上。这两个弹簧杆20处于所述壳体1的自由空腔内，它们的纵向轴线处于同一个包含所述涡轮增压器躯干组15的转子的旋转轴线的垂直平面内，并平行于转子的旋转轴线和处于该旋转轴线的两侧。所述弹簧杆20在离它们两端不远处有刚性较弱的挠性段23，后者通过对所述弹簧杆20局部相互反向的削平来构成。所述挠性段23设计成这样，即，它的沿着所述两根弹簧杆20同处在内的垂直的中间平面的刚性，比其沿着垂直于上述中间平面的方向的刚性大约10倍。通过上述对于弹簧杆20的设计和布置，所述轴承环10和其中设置有的涡轮增压器躯干组15这样弹性挠性地支撑在所述壳体1上，即，使得它们可沿任意的径向方向运动，其中，该支撑沿水平方向的刚性比其沿垂直方向的刚性小大约10倍。此外，所述轴承环10和固定在其中的涡轮增压器躯干组15可围绕一个落在所述两根弹簧杆20同处在内的中间平面内的垂直轴线旋转。由此实现一种具有至少两个自由度的支撑，这样的自由度对于精确测量转子的不平衡度是必需的。
上述装置的优点在于，可将进行所述不平衡度测量时一同振动的质量保持在最佳的小值，因为，所述一同振动的质量物仅仅包括所述涡轮增压器躯干组的轴承箱和用于夹紧它的装置亦即包括夹紧件的轴承环10。利用上述装置因此可获得一个比现有技术明显更高的测量精确度。所述装置另外具有的优点是易于操作并且可廉价地生产。

Claims (10)

1.一种用于动态测量一个设置在一壳体(1)中并以高的角速度转动的转子的不平衡度的方法，其中，该转子支承在一个单独的轴承箱(14)中，在该轴承箱(14)的相互反向的两端分别具有一个涡轮(17)和一个压缩机轮(18) ，该方法包括下述步骤：
-将所述轴承箱(14)固定在所述壳体(1)上并这样在它们之间连接弹性挠性元件(6)，即，使得所述轴承箱(14)具有至少两个相对于壳体(1)的运动自由度，所述转子设置在所述壳体(1)中的一个适合于驱动的工作位置上，
-将转子加速到一个基本上标准的工作速度，
-在转子以一个基本上标准的工作速度旋转时，测量因不平衡度引起的振动，
-在测量因不平衡度引起的振动的测量转速下，确定所述因不平衡度引起的振动相对于转子角度位置的相位，
-采用所测得的因不平衡度引起的振动和相位来确定有待平衡的所述转子的不平衡度，
其特征在于采用一壳体(1)，该壳体(1)具有一个中央孔(5)和一个与该中央孔(5)连接的螺旋形通道(4a)，所述中央孔(5)构造为用于承接所述涡轮(17)，以及采用一轴承环(10)，该轴承环(10)通过弹性挠性的元件(6)与所述壳体(1)连接，该轴承环(10)具有一个用于承接所述轴承箱(14)的一个环形法兰(13)的中心孔(11)以及将所述轴承箱(14)夹紧的夹紧件，其中，在所述轴承箱(14)被夹紧在所述支承环(10)上的位置状态下，所述涡轮(17)处于所述螺旋形通道(4a)内和所述孔(5)内 。
2.一种用于动态测量涡轮增压机 的可以高的角速度转动的转子的不平衡度的装置，其中，该转子支承在一个轴承箱(14)中，在该轴承箱(14)的相互反向的两端分别具有一个涡轮(17)和一个压缩机轮(18)， 该装置具有一壳体(1)，所述转子和轴承箱(14)安设在该壳体(1)上并处于适合于以一个基本上标准的工作速度驱动转子的工作位置上，其中，所述壳体(1)有至少一个弹性挠性的元件(6)，所述轴承箱(14)这样安设在该元件(6)上，即，使得所述轴承箱(14)相对于壳体(1)有至少两个运动自由度，其特征在于，所述壳体(1)具有一个中央孔(5)和一个与该中央孔(5)连接的螺旋形通道(4a)，所述中央孔(5)构造为用于承接所述涡轮(17)，所述多个弹性挠性元件(6)在用于所述轴承箱(14)的固定侧通过一轴承环(10)相互连接，该轴承环(10)具有一个用于承接所述轴承箱(14)的一个环形法兰(13)的中心孔(11)，在所述轴承环(10)上设有用于将所述轴承箱(14)夹紧的夹紧件 。
3.如权利要求2所述的装置，其特征在于，在所述壳体(1)上设置多个相同的、沿轴向和径向弹性挠性的元件(6)，这多个元件还按规律的周向间距同心围绕所述转子的旋转轴线地设置。
4.如权利要求1至3中任一项所述的装置，其特征在于，在所述轴承环(10)上设有振动传感器。
5.如权利要求3所述的装置，其特征在于，所述弹性挠性元件(6)有圆环扇区的形状，它有一个沿径向在内的扇区段(7)、一个沿径向在外的扇区段(8)以及将这两个扇区段(7，8)相互连接起来的弹性元件(9)。
6.如权利要求5所述的装置，其特征在于，所述弹性挠性元件(6)以其径向在内的扇区段(7)固定在壳体上，以其径向在外的扇区段(8)固定在轴承环(10)上。
7.如权利要求5所述的装置，其特征在于，所述将两个扇区段(7，8)相互连接起来的弹性元件(9)呈S形或Z形弯曲。
8.如权利要求5所述的装置，其特征在于，所述两个扇区段(7，8)以及所述将它们相互连接起来的弹性元件(9)为一体构造。
9.如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述壳体有两个弹簧杆(20)，所述轴承箱(14)或所述轴承环(10)固定在这两个弹簧杆上，其中，这两个弹簧杆(20)设置在同一个平行于所述转子的旋转轴线的平面内并沿转子的旋转轴线延伸。
10.如权利要求9所述的装置，其特征在于，所述两个弹簧杆(20)设置在一个垂直的平面内并分别在相同的部位具有至少一个刚性较弱的挠性段(23)，该挠性段(23)水平方向的刚性弱于其垂直方向的刚性。
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