CN101788367A - 旋转机械叶片静态平衡装置 - Google Patents

Abstract

一种机械工程技术领域的旋转机械叶片静态平衡装置，包括：底座、支撑柱、固定托板、止推轴承、转动心轴、夹体和应变片，支撑柱固定设置于底座上，固定托板固定设置于支撑柱的上端，应变片设置在支撑柱的下端侧面上，止推轴承设置在固定托板内，转动心轴分别连接夹体和止推轴承。本发明采用相对测量法，可以精确测量大型旋转机械两个大体积大质量被测叶片对中心的静态力矩差，并能够在测量时进行平衡的装置，克服了传统被测叶片力矩仪器在测量质量较大物体时绝对精度较低，且只能测量绝对值，无法在测量的同时进行平衡的缺点，性能可靠，极大的提高了测量精度。

Description

旋转机械叶片静态平衡装置

技术领域

本发明涉及的是一种机械工程技术领域的装置，尤其涉及的是一种用于尺寸范围在3m以上的旋转机械叶片静态平衡装置。

背景技术

旋转机械上的叶片往往是在高转速下工作，其平衡质量直接影响设备的正常运转。叶片对转子的力矩不相同，造成旋转机械不能平衡，在径向方向产生较大跳动，加快了轴颈和轴承的磨损，严重降低了设备寿命，增大企业成本，所以在设备工作之前必须对叶片进行平衡。平衡质量决定于叶片静态力矩的测量的精度。造成转子不能达到动平衡是由于叶片力矩不相同，所以测量叶片力矩只需要获得叶片之间力矩差，通过增加或者减少叶片质量抵消力矩差即可达到叶片的相对平衡，不需要获得每个叶片力矩绝对值，同时由于大型旋转机械的叶片的质量和体积都比较大，绝对力矩值的测量很困难而且精度难以保证。

经对现有技术的文献检索发现，中国专利申请号：200810061547.7，该技术公开了一种汽轮叶片静力矩测量方法及测量装置，使用了电子秤数显表、球栅数显表和叶顶电子秤数显表等装置，设计较为复杂。中国专利申请号：200720116719.7，该技术公开了一种汽轮机叶片电子力矩秤，将扭叶片的叶根和叶顶作为两个支撑点，用高精度的电子秤称出两支撑点所承受的重量，再结合两支撑点间的距离，利用公式计算出该叶片的力矩。该技术虽然精度可以由电子秤来保证，而测量长度最大只有1.4米，测重范围最大为50千克。两者测量的对象都是质量和体积较小汽轮机叶片，而无法测量长度可达一二十米，重量几百千克的大型叶片。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种旋转机械叶片静态平衡装置，能够精确测量大型旋转机械两个大体积大质量叶片对中心的静态力矩差，并能够在测量时进行平衡。

本发明是通过以下技术方案实现的：本发明包括：底座、支撑柱、固定托板、止推轴承、转动心轴、夹体和应变片，其中：支撑柱固定设置于底座上，固定托板固定设置于支撑柱的上端，应变片粘贴在支撑柱的下端侧面上，止推轴承设置在固定托板内，转动心轴分别连接夹体和止推轴承。

所述的应变片是电阻应变片。

本发明采用应变片粘贴在支撑柱，由于静态平衡装置上两片叶片质量不相等产生的弯矩差，造成应变片变形而引起应变片外接电路信号值发生变化，通过测量外接电路电信号，可转换获得力矩差，并确定被叶片的质量差，通过增加或去除材料消除两者质量差达到平衡，测量结果取叶片在初始状态和叶片旋转180°状态测量值的平均值，这一测量方法为相对测量法。

本发明相比现有技术具有以下优点：本发明采用相对测量法，可以精确测量旋转机械两个大体积大质量叶片对中心的静态力矩差，并能够在测量时进行平衡的装置，克服了传统叶片力矩仪器在测量质量较大物体时绝对精度较低，且只能测量绝对值，无法在测量的同时进行平衡的缺点。性能可靠，极大的提高了测量精度。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在本发明技术方案为前提下进行实施。给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，本实施例包括：底座1、支撑柱2、固定托板3、止推轴承4、转动心轴5、被测叶片6、夹体7和应变片8，其中：底座1上焊接支撑柱2，固定托板3固定在支撑柱2的上端，止推轴承4同心设置在固定托板3内，转动心轴5分别连接夹体7和止推轴承4，夹体7上夹持被测叶片6，夹体7可以旋转，应变片8是电阻应变片。

本实施例中有四个应变片8，粘贴在支撑柱2的下端两个相对的侧面上，分别为第一应变片R1、第二应变片R2、第三应变片R3和第四应变片R4，每侧设有两个，其中：第一应变片R1与第四应变片R4同侧，第二应变片R2与第三应变片R3同侧，四个应变片8与外部电路相接。

在本实施例中，被测叶片6的两个叶片分别为第一被测叶片A和第二被测叶片B。初始状态时，即第一被测叶片A、第一应变片R1和第四应变片R4同侧，第二被测叶片B、第二应变片R2和第三应变片R3同侧，第一被测叶片A和第二被测叶片B的力矩差引起的弯矩对支撑柱2产生的变形最大，应变片8变形也最大，数据最为精确。读取数据后，使夹体7转动180°，再次读取数据，两次测量数据取平均值，克服测量仪器的装配和被测叶片6安装等引起的误差。

支撑柱2上的第一应变片R1、第二应变片R2、第三应变片R3和第四应变片R4，除了产生由承受压应力引起的压缩变形，而且产生由于弯矩的作用，在质量较大一侧引起的压缩变形，相对方向引起的拉伸变形。应变片8的最终变形实际是由重力引起的压缩变形和弯矩引起的一侧压缩另一侧拉伸变形的叠加。两侧应变片8的变形中，由被测叶片6的重力引起的压缩变形相等，因而相互抵消，变形差主要由被测叶片质量差产生的弯矩引起。

在本实施例中：支撑柱2的长为b，宽为h，高为L，材料弹性模量为E。应变片8长为L1，第一被测叶片A和第二被测叶片B质量分别为P1和P1+ΔP1，第一被测叶片A和第二被测叶片B的质量差为ΔP1，作用力臂长Q。固定托板3、止推轴承4和转动心轴5总质量为P2。

支撑柱2承受不仅承受总量为P＝P1+2P2+ΔP1压力，而且承受M＝ΔP1·Q的弯矩。

下压载荷P对支撑柱22产生的压应力σ_p和压应变e_p为：

压应力σ_p： ${\mathrm{\σ}}_p=\frac{P2+2P1+\mathrm{\ΔP}1}{\mathrm{bh}}$

压应变e_p： ${\mathrm{\ϵ}}_p=\frac{P2+2P1+\mathrm{\ΔP}1}{\mathrm{bh}\·E}$

应变片8变化长度ΔL1_p： ${\mathrm{\ΔL}1}_p=\mathrm{\ϵ}\×L1=\frac{P2+2P1+\mathrm{\ΔP}1}{\mathrm{bh}\·E}\×L1$

两片被测叶片6的引起的弯矩使支撑柱2两侧面一上侧应变片8由于拉伸作用长度增大，另一侧则由于压缩作用长度减小。

弯矩在支撑柱2表层产生的应力应变为：

拉应力σ₊： ${\mathrm{\σ}}_{+}=\frac{6M}{{\mathrm{bh}}^2}=\frac{6\mathrm{\ΔP}1\·Q}{{\mathrm{bh}}^2}$

压应力σ_-： ${\mathrm{\σ}}_{-}=-\frac{6M}{{\mathrm{bh}}^2}=-\frac{6\mathrm{\ΔP}1\·Q}{{\mathrm{bh}}^2}$

拉应变e₊： ${\mathrm{\ϵ}}_{+}=\frac{6\mathrm{\ΔP}1\·Q}{{\mathrm{bh}}^2\·E}$

受拉侧应变片8伸长量ΔL1₊： ${\mathrm{\ΔL}1}_{+}=\frac{6\mathrm{\ΔP}1\·Q}{{\mathrm{bh}}^2\·E}\×L1$

压应变e_-： ${\mathrm{\ϵ}}_{-}=-\frac{6\mathrm{\ΔP}1\·Q}{{\mathrm{bh}}^2\·E}$

受拉一侧应变片8压缩量ΔL1_-为： ${\mathrm{\ΔL}1}_{-}=-\frac{6\mathrm{\ΔP}1\·Q}{{\mathrm{bh}}^2\·E}\×L1$

两侧应变片8长度差l为：l＝ΔL1₊-ΔL1_-

本实施例采用惠斯登电桥为外接电路，测量应变信号。应变片8在非工作状态下的电阻值为R，灵敏系数为K，应变片8发生形变阻值变化为ΔR时，有如下关系：ΔR/R＝ke，其中e是应变片8的应变量。应变片8的应变量由两部分组成，一是由压缩载荷引起的压应变，一是由弯矩载荷引起的拉压应变，前者对电路的影响相互抵消，后者的差异对电路有影响。

根据惠斯登电桥测量原理，支撑立柱2两侧电桥之间电压差ΔU为：

$\mathrm{\ΔU}=V\frac{R_1{R}_2}{{(R_1+R_1)}^2}(\frac{{\mathrm{\ΔR}}_1}{R_1}-\frac{{\mathrm{\ΔR}}_2}{R_2}+\frac{{\mathrm{\ΔR}}_4}{R_4}-\frac{{\mathrm{\ΔR}}_3}{R_3})$

其中ΔR₁，ΔR₂，ΔR₃，ΔR₄是由弯矩载荷引起的电阻变化，绝对值大小相同，但由于形变趋势相反，两侧符号相反，有ΔR₁＝ΔR₂＝ΔR₃＝ΔR₄＝ΔR，再由R₁＝R₂＝R₃＝R₄＝R，

上式可简化为：ΔU＝ΔR/R，代入ΔR/R＝ke，

得到ΔU＝keV

应变片8应变e₊： ${\mathrm{\ϵ}}_{+}=\frac{6\mathrm{\ΔP}1\·Q}{{\mathrm{bh}}^2\·E},$ 且e＝-e_-＝e₊

可得： $\mathrm{\ΔU}=\mathrm{k\ϵV}=k\·\frac{6\mathrm{\ΔP}1\·Q}{{\mathrm{bh}}^2\·E}\·V=\frac{6\·k\·V}{{\mathrm{bh}}^2\·E}\·\mathrm{\ΔP}1\·Q\£\¬$

是常量。

本实施例在测量时，在被测叶片6初始状态测的获得测量值ΔU₀，被测叶片6旋转180°，获得测量值ΔU₁₈₀，取两次测量结果绝对值的平均值ΔU：

$\stackrel{\‾}{\mathrm{\ΔU}}=\frac{\left|{\mathrm{\ΔU}}_0\right|+\left|{\mathrm{\ΔU}}_{180}\right|}{2}$

$\stackrel{\‾}{\mathrm{\ΔU}}=\frac{\left|{\mathrm{\ΔU}}_0\right|+\left|{\mathrm{\ΔU}}_{180}\right|}{2}=\frac{6\·k\·V}{{\mathrm{bh}}^2\·E}\·\mathrm{\ΔP}1\·Q$

所以两片被测叶片6的静力矩差ΔP1·Q为：

$\mathrm{\ΔP}1\·Q=\frac{\left|{\mathrm{\ΔU}}_0\right|+\left|{\mathrm{\ΔU}}_{180}\right|}{2}\·\frac{{\mathrm{bh}}^2\·E}{6\·k\·V}$

被测叶片6在质量差ΔP1为：

$\mathrm{\ΔP}1=\frac{\left|{\mathrm{\ΔU}}_0\right|+\left|{\mathrm{\ΔU}}_{180}\right|}{2\·Q}\·\frac{{\mathrm{bh}}^2\·E}{6\·k\·V}$

在测得被测叶片6质量差后，通过在被测叶片6上添加或者减少质量为ΔP1的材料，即可平衡两片被测叶片6之间的力矩差，达到平衡被测叶片6的目的。

下面以用同样的传感器直接测量两片风机叶片重量为例，说明本装置相比于传统直接测量方法对系统精度的提高。

两片风机叶片重量直接测量值P1、P2及误差E1、E2如下表：

	P1(kg)	E1	P2(kg)	E2
					1	0.867	0.069％	0.869	0.092％
2	0.863	0.530％	0.87	0.207％
					3	0.865	0.300％	0.862	0.714％
4	0.871	0.392％	0.869	0.092％
					5	0.87	0.277％	0.864	0.484％
6	0.867	0.069％	0.873	0.553％
					7	0.872	0.507％	0.869	0.092％
8	0.867	0.069％	0.868	0.023％
					9	0.868	0.046％	0.867	0.138％
10	0.866	0.184％	0.871	0.323％
					均值	0.8676		0.8682

由上表可见，在直接进行测量时，所用传感器误差最大为0.714％。而如果采用测量质量差的方法，由于质量差相对于质量本身要低两个数量级，相应地，其误差也要比直接测量时低两个数量级，从而大大提高了精度。在测量质量大和力矩大的被测叶片6时，本装置对系统精度的提高更为明显。

Claims (4)

1.一种旋转机械叶片静态平衡装置包括：底座、支撑柱、固定托板、止推轴承、转动心轴和夹体，其特征在于，还包括：应变片，应变片粘贴设于支撑柱的下端侧面，支撑柱固定设置于底座上，固定托板固定设置于支撑柱的上端，止推轴承设置在固定托板内，转动心轴分别连接夹体和止推轴承。

2.根据权利要求1所述的旋转机械叶片静态平衡装置，其特征是，所述的应变片是电阻应变片。

3.根据权利要求1或者2所述的旋转机械叶片静态平衡装置，其特征是，所述的应变片，有四片，粘贴在支撑柱的下端两个相对的侧面上。

4.根据权利要求3所述的旋转机械叶片静态平衡装置，其特征是，所述的四片应变片，分别为第一应变片R1、第二应变片R2、第三应变片R3和第四应变片R4，支撑柱的下端两个相对侧面上每侧设有两个，其中：第一应变片R1与第四应变片R4同侧，第二应变片R2与第三应变片R3同侧，四片应变片与外部电路相接。

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