CN101587004B - 高速旋转机械转子在线自动平衡执行装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高速旋转机械的转子在线自动平衡执行装置，包括静盘、动盘和动盘安装轴套；静盘安装于转子端盖上，动盘安装在动盘安装轴套上，动盘安装轴套采用过盈配合安装在高速转子上；静盘与动盘上分别设计有两个同心的环状旋转变压器结构，通过电磁感应实现静、动盘间的能量传递。动盘内设计有可旋转调整机构，可旋转调整机构由定环和转环组成。定环产生行波振动通过摩擦力驱动转环旋转。转环上设有配重，当它相对于高速旋转机械的转子发生旋转时，将高速旋转机械的转子重心调整到轴心上，达到减小高速转子振动的目的。采用本发明装置可以减低高速旋转机械工作时由主轴不平衡引起的振动，改善高速旋转机械的运行状态。

Description

高速旋转机械转子在线自动平衡执行装置

技术领域

本发明涉及一种高速旋转机械转子在线自动平衡执行装置。

背景技术

随着科学技术的飞速发展，现代机械向高速、高效率、高精度方向发展，限制和减少各种机械的振动即进行动平衡显得越来越重要。动平衡的关键技术是动平衡执行装置的设计。目前，广泛应用的动平衡执行装置可分为以下三类：

1、直接在线动平衡执行装置：从质量方面着手，通过加重去重，直接将平衡圆盘的几何中心移到旋转中心，有喷涂法、喷液法及激光去重法等。

2、间接在线动平衡执行装置：给圆盘长期提供与不平衡力方向相反、大小相等的力，将其重心强行拉到旋转中心。目前，这种动平衡执行装置主要有电磁轴承型和电磁圆盘型。

3、混合型在线动平衡执行装置：工作时，以某种方式改变动平衡执行装置内部质量分布(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方式到控制方式的不同，可分为电动机型和电磁型。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，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。

上述各种动平衡执行装置用于高速(转速超过10000r/min)转子在线动平衡时都存在先天缺点：

第一类直接在线动平衡执行装置中，激光去重法和喷涂法是无法复原的调整方法，且高速调整精度低、附加设备(热喷涂设备或激光源设备)过于复杂和昂贵，无法真正在工业应用场合推广。喷液法现在在工业场合有一定应用，但当旋转机械的转子高速旋转时，会由于液体汽化、喷射延时而造成调整精度大大降低。而且喷液时的漏液是不可避免的，会造成设备污染，这在大部分工业场合是不能容忍的。所以这几种直接在线动平衡执行装置的平衡方法存在实际问题，应用范围狭窄。

第二类间接在线动平衡执行装置也存在严重不足，即转子在运行过程中一直受平衡电磁力的作用，能耗大，机械结构内应力大。而且当转速过高时，磁场会发生畸变从使平衡电磁力的控制非线性大大增加，无法实现准确控制。

第三类混合型在线动平衡执行装置中电动机式由于本身结构和安装方式原因无法用于高速旋转机械。电磁式虽然可用于高速旋转机械，但也存在两个先天严重不足，其一是电磁式的调整盘轴向调整的最小调整角度过大(＞5°)造成调整精度比较低，无法实现动平衡精确调整。其二是电磁式的调整盘无法自锁定，在非调整状态下需要靠电磁离合盘进行锁定，一旦电磁离合盘高速状态下发生失效将导致调整盘解锁而发生严重安全事故。

总之，目前市售的各种在线动平衡执行装置均存在各种不足而完全适应高速旋转机械的转子在线动平衡工作环境。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高速旋转机械的转子在线自动平衡执行装置，可克服现有的高速旋转机械的转子在线自动平衡执行装置的各种不足，更好的适应高速旋转机械的转子在线自动平衡的需要。

为了达到以上目的，本发明是采取如下技术方案予以实现的：

一种高速旋转机械的转子在线自动平衡执行装置，包括静盘1、动盘2和动盘安装轴套3；所述静盘1安装于转子端盖上，静盘1外端面设置有环状凹槽，环状凹槽内设置有初级感应变压器；所述动盘2外端面设置有环状凹槽，环状凹槽内设置有次级感应变压器；所述动盘2通过螺钉固定安装在动盘安装轴套3外部，动盘安装轴套3通过过盈配合安装在高速转子上；所述动盘2内端面设置有凸台4；所述凸台4顶部与定环5顶紧接触；定环5采用双面固定安装方式，前端面通过紧固螺钉9固定安装在动盘安装轴套3上，后端面由动盘2上的凸台4顶紧固定，定环5外圈定子28与动盘安装轴套3之间设置有外转环11，定环5内圈定子27与动盘安装轴套3之间设置有内转环10；所述动盘安装轴套3对应于外转环11处设置有外聚四氟乙烯滑道12，所述动盘安装轴套3对应于内转环10处设置有内聚四氟乙烯滑道13；所述外转环11一端嵌入安装在外聚四氟乙烯滑道12内，外转环11另一端与定环5的外圈定子28紧密接触；所述内转环10一端嵌入安装在内聚四氟乙烯滑道13内，内转环10另一端与定环5的内圈定子27紧密接触；所述外转环11内侧设置有外配重块15；所述内转环10外侧设置有内配重块16；所述动盘2内端面设置有驱动电路板6，驱动电路板6一端与次级感应变压器通过电线连接；驱动电路板6另一端与定环5通过电线连接；所述初级感应变压器将外部输入的电能转化为磁能发射到次级感应变压器，次级感应变压器将接收到的磁能转换为电能输出，驱动电路板6将次级感应变压器输出的单相高频波转换成两相相位差90度的驱动信号驱动动盘2内调整机构，实现高速旋转机械转子的在线自动平衡。

所述定环5采用双定子结构，定环5由定环安装台26、外圈定子28、内圈定子27和压电陶瓷片14组成，定环安装台为定环5中间凸起部位，内圈定子27和外圈定子28底部皆粘贴有压电陶瓷片14；所述定环安装台通过定环紧固螺钉9与动盘安装轴套3固定连接；内圈定子27与内转环10接触的端面加工成矩形齿状结构，外圈定子28与和外转环11接触的端面加工成矩形齿状结构。

所述初级感应变压器由初级外圈感应变压器和初级内圈感应变压器构成；初级外圈感应变压器和初级内圈感应变压器同心安装；所述初级外圈感应变压器由初级外圈感应变压器磁芯18和初级外圈感应变压器线圈19构成；所述初级内圈感应变压器由初级内圈感应变压器磁芯20和初级内圈感应变压器线圈21构成。

所述次级感应变压器由次级外圈感应变压器和次级内圈感应变压器构成；次级外圈感应变压器和次级内圈感应变压器同心安装；所述次级外圈感应变压器由次级外圈感应变压器磁芯22和次级外圈感应变压器线圈23构成；所述次级内圈感应变压器由次级内圈感应变压器磁芯24和次级内圈感应变压器线圈25构成。

所述动盘2和动盘安装轴套3通过端盖螺钉17固定连接。

所述静盘1和动盘2之间的存在间隙，间隙距离为0.5-4mm。

上述方案中：所述的将内外圈无接触能量传递机构的初级固定在定盘安装盘上，次级固定安装在静盘1次级磁芯安装壳上，可实现双圈的松耦合变压器无接触能量传递结构；感应变压器的初级把电能变为磁能发射，经过气隙后被感应变压器次级感应接收，并转化为电能，实现能量的高频波传递；驱动电路板6将单相高频波变化为两相相位差90度高频波输出，驱动定环5上的压电陶瓷结构利用逆压电效应形成行波振动；两圈定子的行波频率不同；两圈定子通过中间的安装台固定安装在动盘2内，安装台前后端面均被夹紧，减小内外圈定子28的振动干扰，还可以通过定环紧固螺钉9和端盖螺钉17施加定环5安装预紧力；外圈配重块和内圈配重块位于同一调整平面，且重量不同，可形成相等的偏心力矩；通过对定环5内外圈定子28结构的不同设计，使得定环5外圈转动角速度小于内圈转动角速度，实现内圈粗调，外圈精调；转环与定环5利用摩擦力形成自锁定，高速随转时不会打滑。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

1、本发明高速旋转机械的转子在线动平衡执行装置动盘内的转环最小旋转步距角可以达到不大于10，可以在每周上存在不少于2000个调整位置，能够大大提高调整精度；

2、本发明高速旋转机械的转子在线动平衡执行装置动盘2内的转环是靠摩擦力与动盘内定环发生相对运动，所以在非调整状态下动盘2内的转环可以实现和动盘内定环实现可靠锁定，即便撤去所有驱动源也不会出现解锁，从而大大提高运行安全性。

3、本发明高速旋转机械的转子在线动平衡执行装置的旋转机构所需能量由静盘1上的初级线圈通过电磁感应无接触地传递给动盘2上的次级绕组。电磁泄漏小，不会造成电磁污染。

4、本发明高速旋转机械的转子在线动平衡执行装置的配重质量可同步调节，配重能力可调。

附图说明

图1为本发明高速旋转机械转子在线自动平衡执行装置结构图。

图2为图本发明A-A面剖视图。

图3为图本发明高速旋转机械转子在线自动平衡执行装置的动盘安装轴套3的结构图。

图4为图本发明高速旋转机械转子在线自动平衡执行装置的定环5结构示意图。

图5为图本发明高速旋转机械转子在线自动平衡执行装置的定环5俯视图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步的详细说明。

参照图1、2、3、4、5所示，一种高速旋转机械的转子在线自动平衡执行装置，包括静盘1、动盘2和动盘安装轴套3；所述静盘1安装于转子端盖上，静盘1外端面设置有环状凹槽，环状凹槽内设置有初级感应变压器；所述动盘2外端面设置有环状凹槽，环状凹槽内设置有次级感应变压器；所述动盘2通过螺栓固定安装在动盘安装轴套3外部，动盘安装轴套3通过过盈配合安装在高速转子上；所述动盘2内端面设置有凸台4；所述凸台4顶部与定环5紧密接触；定环5采用双面固定安装方式，前端面通过紧固螺钉9固定安装在动盘安装轴套3上，后端面由动盘2上的凸台4顶紧固定，定环5外圈定子28与动盘安装轴套3之间设置有外转环11，定环5内圈定子27与动盘安装轴套3之间设置有内转环10；所述动盘安装轴套3对应于外转环11处设置有外聚四氟乙烯滑道12，所述动盘安装轴套3对应于内转环10处设置有内聚四氟乙烯滑道13；所述外转环11一端嵌入安装在外聚四氟乙烯滑道12内，外转环11另一端与定环5的外圈定子28紧密接触；所述内转环10一端嵌入安装在内聚四氟乙烯滑道13内，内转环10另一端与定环5的内圈定子27紧密接触；所述外转环11内侧设置有外配重块15；所述内转环10外侧设置有内配重块16；所述动盘2内端面设置有驱动电路板6，驱动电路板6一端与次级感应变压器通过电线连接；驱动电路板6另一端与定环5通过电线连接；所述初级感应变压器将外部输入的电能转化为磁能发射到次级感应变压器，次级感应变压器将接收到的磁能转换为电能输出，驱动电路板6将次级感应变压器输出的单相高频波转换成两相相位差90度的驱动信号驱动动盘2内调整机构，实现高速旋转机械转子的在线自动平衡。

所述定环5采用双定子结构，定环5由定环安装台26、外圈定子28、内圈定子27和压电陶瓷片14组成，定环5安装台为定环5中间凸起部位，内圈定子27和外圈定子28底部皆粘贴有压电陶瓷片14；所述定环5安装台通过定环5紧固螺钉9与动盘安装轴套3固定连接；内圈定子27与内转环10接触的端面设置有齿状结构，外圈定子28与和外转环11接触的端面设置有齿状结构。

所述初级感应变压器由初级外圈感应变压器和初级内圈感应变压器构成；初级外圈感应变压器和初级内圈感应变压器同心安装；所述初级外圈感应变压器由初级外圈感应变压器磁芯18和初级外圈感应变压器线圈19构成；所述初级内圈感应变压器由初级内圈感应变压器磁芯20和初级内圈感应变压器线圈21构成。

所述次级感应变压器由次级外圈感应变压器和次级内圈感应变压器构成；次级外圈感应变压器和次级内圈感应变压器同心安装；所述次级外圈感应变压器由次级外圈感应变压器磁芯22和次级外圈感应变压器线圈23构成；所述次级内圈感应变压器由次级内圈感应变压器磁芯24和次级内圈感应变压器线圈25构成。

所述动盘2和动盘安装轴套3通过端盖螺钉17固定连接。

所述静盘1和动盘2之间的存在间隙，间隙距离为0.5-4mm。

该高速旋转机械转子在线自动平衡执行装置结构主要用来减小转子在转动过程中由于偏心而产生的振动，提高转子的回转精度和寿命。该在线自动平衡执行机构分为静盘1和动盘2两部分。静盘1通过螺钉固定安装在高速旋转机械的转子端盖上，动盘2通过过盈配合安装在转子上，并由转子上的定位环对其定位，保证静、动盘2的相对位置关系。

该高速旋转机械的转子在线自动平衡执行装置根据实现自动平衡的过程分为以下三部分：

(1)能量传递部分

该装置采用无接触能量传递方式，如图1中局部放大图I所示，动盘2采用过盈配合方式固定安装在旋转机械的转子上，并通过主轴定位环保证轴向的定位，而静盘1通过螺钉固定安装在转子端盖上，保证静、动盘2之间存在一定的间隙。静、动盘2相对的端面上分别安装变压器的初级和次级，内外圈的初级和次级采用一一对应的安装关系。初级将外界输入的电能转化为磁能发射出去，经过间隙后由相应的次级接收，并且转换为电能。

(2)能量信号处理部分

变压器次级输出的电能信号，包括电压和电流，需要对其进行处理，才能驱动动盘2内的转动机构。动盘2内驱动电路板6的功用就是实行对变压器次级输出的能量信号进行处理，包括相位偏移处理，实现输出相位相差/2的两个正弦电压信号。

(3)实现动平衡机构部分

该部分由定环5和转环组成。定环5具体结构如图2所示，分为定环5安转台、定子弹性金属体和压电陶瓷片。定环5采用双定子单一固定安装台结构，通过中间的定环5安装台固定安装在动盘2内。压电陶瓷片在驱动电路板6输出的电压信号的激励下，由于逆压电效应产生的变形会形成行波振动，定子弹性金属体上的齿状结构会对该行波振动进一步放大。实现电能到机械能的转换。

定环5在动盘2内的安装如图1所示，定环5采用双面固定安装方式，前端面采用定环紧固螺钉9安装在动盘安装轴套3上，后端面与动盘2磁芯安装壳上的凸台4接触，减小内外圈定子28之间的振动干扰，保证平衡机构的实现精度。

动盘2内安装有外圈转环和内圈转环。内外圈转环上分别镶有内配重块16和外配重块15，并且与定环5接触的表面镀有摩擦材料。转环通过动盘安装轴套3上的聚四氟乙烯滑道13进行定位安装。当定环5上有行波振动时，定环5通过摩擦力驱动转环在滑道13内滑动，转环上的配重块会随之产生绕轴转动。通过改变配重块在圆周的位置实现调整主轴的重心位置。并且由于内、外圈转环角速度的不一致，外圈角速度会小于内圈转环角速度，进而实现外圈精调，内圈粗调的在线自动平衡实现方案。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。

Claims (10)

1.高速旋转机械转子在线自动平衡执行装置，其特征在于：包括静盘(1)、动盘(2)和动盘安装轴套(3)；所述静盘(1)安装于高速旋转机械转子端盖上，静盘(1)外端面设置有环状凹槽，环状凹槽内设置有初级感应变压器；所述动盘(2)外端面设置有环状凹槽，环状凹槽内设置有次级感应变压器；所述动盘(2)通过螺钉固定安装在动盘安装轴套(3)外部，动盘安装轴套(3)安装在高速旋转机械转子上；所述动盘(2)内有平衡调整机构，所述平衡调整机构由定环(5)、内转环(10)、外转环(11)、内配重块(16)和外配重块(15)组成；所述动盘(2)内端面设置有凸台(4)；所述凸台(4)顶部与定环(5)顶紧接触；定环(5)采用双面固定安装方式，定环(5)前端面通过紧固螺钉(9)固定安装在动盘安装轴套(3)上，后端面由动盘(2)上的凸台(4)顶紧固定，定环(5)外圈定子(28)与动盘安装轴套(3)之间设置有外转环(11)，定环(5)内圈定子(27)与动盘安装轴套(3)之间设置有内转环(10)；所述动盘安装轴套(3)对应于外转环(11)处设置有外滑道(12)，所述动盘安装轴套(3)对应于内转环(10)处设置有内滑道(13)；所述外转环(11)一端嵌入安装在外滑道(12)内，外转环(11)另一端与定环(5)的外圈定子(28)紧密接触；所述内转环(10)一端嵌入安装在内滑道(13)内，内转环(10)另一端与定环(5)的内圈定子(27)紧密接触；所述外转环(11)内侧设置有外配重块(15)；所述内转环(10)外侧设置有内配重块(16)；所述动盘(2)内端面设置有驱动电路板(6)，驱动电路板(6)一端与次级感应变压器通过电线连接；驱动电路板(6)另一端与定环(5)通过电线连接；所述初级感应变压器将外部输入的电能转化为磁能发射到次级感应变压器，次级感应变压器将接收到的磁能转换为电能输出，驱动电路板(6)将次级感应变压器输出的单相高频波转换成两相相位差90度的驱动信号驱动动盘(2)内平衡调整机构，实现高速旋转机械转子的在线自动平衡。

2.根据权利要求1所述的高速旋转机械转子在线自动平衡执行装置，其特征在于：所述定环(5)采用双定子结构，定环(5)由定环安装台(26)、外圈定子(28)、内圈定子(27)和压电陶瓷片(14)组成，定环安装台(26)为定环(5)中间凸起部位，内圈定子(27)和外圈定子(28)底部皆粘贴有压电陶瓷片(14)；所述定环安装台(26)通过定环紧固螺钉(9)与动盘安装轴套(3)固定连接；内圈定子(27)与内转环(10)接触的端面加工成齿状结构，外圈定子(28)与和外转环(11)接触的端面加工成齿状结构。

3.根据权利要求1所述的高速旋转机械转子在线自动平衡执行装置，其特征在于：所述初级感应变压器由初级外圈感应变压器和初级内圈感应变压器构成；初级外圈感应变压器和初级内圈感应变压器同心安装；所述初级外圈感应变压器由初级外圈感应变压器磁芯(18)和初级外圈感应变压器线圈(19)构成；所述初级内圈感应变压器由初级内圈感应变压器磁芯(20)和初级内圈感应变压器线圈(21)构成。

4.根据权利要求1所述的高速旋转机械转子在线自动平衡执行装置，其特征在于：所述次级感应变压器由次级外圈感应变压器和次级内圈感应变压器构成；次级外圈感应变压器和次级内圈感应变压器同心安装；所述次级外圈感应变压器由次级外圈感应变压器磁芯(22)和次级外圈感应变压器线圈(23)构成；所述次级内圈感应变压器由次级内圈感应变压器磁芯(24)和次级内圈感应变压器线圈(25)构成。

5.根据权利要求1所述的高速旋转机械转子在线自动平衡执行装置，其特征在于：所述动盘(2)和动盘安装轴套(3)通过端盖螺钉(17)固定连接。

6.根据权利要求1所述的高速旋转机械转子在线自动平衡执行装置，其特征在于：所述动盘安装轴套(3)通过过盈配合安装在高速旋转机械转子上。

7.根据权利要求1所述的高速旋转机械转子在线自动平衡执行装置，其特征在于：所述静盘(1)和动盘(2)之间存在间隙，间隙距离为0.5-4mm。

8.根据权利要求1所述的高速旋转机械转子在线自动平衡执行装置，其特征在于：所述外滑道(12)和内滑道(13)的表面涂层是耐磨材料。

9.根据权利要求8所述的高速旋转机械转子在线自动平衡执行装置，其特征在于：所述耐磨材料是聚四氟乙烯。

10.根据权利要求1所述的高速旋转机械转子在线自动平衡执行装置，其特征在于：所述内转环(10)和外转环(11)与定环(5)接触的端面镀有摩擦材料。

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