CN101949753B - 一种高速柔性转子动平衡方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高速柔性转子动平衡方法。首先建立转子的有限元模型，从数值仿真结果中得到转子的1阶至n阶模态值和r阶临界转速，以r阶的最大模态值对应的转子轴向位置作为转子的参考位置；其次在参考位置布置两个相互垂直的振动传感器，采集转子从0rpm匀加速拉升到转子允许范围内的最大转速的瞬态响应，得出转子的模态阻尼，将转子稳定在平衡转速上，采集转子在平衡转速的稳态响应，通过公式计算转子n个平衡平面需要添加校正量的大小和方位；最后在转子上添加校正量，并采集转子匀加速过程的瞬态响应，检验转子是否已达到所要求的平衡精度。本发明没有了添加试重的风险，省去了添加试重的平衡工序，简化了平衡步骤，提高了平衡效率和平衡精度。

Description

一种高速柔性转子动平衡方法

技术领域

本发明属于旋转机械振动与控制领域的动平衡技术，具体为一种高速柔性转子动平衡方法。 

背景技术

目前，旋转机械大量应用于工业的各个方面。由于转子不平衡原因而导致旋转机械产生剧烈振动，损坏机械的事情经常发生，造成了工程上很多不必要的损失。为了减少这些不必要的损失，降低转子的振动，必须对转子进行平衡。目前刚性转子的平衡已经基本解决，但柔性转子的高速动平衡仍是一难题。柔性转子的不平衡振动响应不仅与其不平衡量的大小和相位有关，还与转子本身的特性(弹性、阻尼、形状等)、支承条件和转速等有密切关系，加之校正面设置的可能性与理论分析有出入等因素，使柔性转子的动平衡成了一项既费时又不容易得到满意效果的工序。而且工业应用中转子往往是跨两阶以上的柔性转子，有些甚至跨三阶，转子长径比越来越大、转子越来越“柔”的方向发展，柔性转子的平衡问题越来越多。 

目前，柔性转子的高速动平衡普遍采用影响系数法和模态平衡法。传统影响系数法是一种添加试重的方法，在高转速下平衡启动的次数多，在高阶振型时敏感性降低，有时使用非独立平衡平面可能得到不正确的校正量。此外，在使用多平面影响系数法时，求解影响系数的方程组有时可能出现病态方程组的情况，使求解的影响系数很不可靠。更为可怕的是，添加试重的方位具有不确定性，很可能将试重加在与转子偏心方位相同的地方，势必大大增加转子的不平衡量，导致平衡时因振动过大破坏转子的严重后果。传统模态平衡法也存在添加试重多次开车的问题，且当系统阻尼影响较大时不够有效，振型不易测准；用于轴系平衡时，在临界转速附近不易获得单一振型。 

发明内容

要解决的技术问题 

为了解决传统动平衡方法需要添加试重并多次开车，可能得到不正确的校正量的缺陷和不足，本发明提出一种高速柔性转子动平衡方法，省去添加试重的平衡工序， 避免多平面平衡时影响系数矩阵的发散性问题，减少转子的开车次数，简化转子的动平衡步骤。 

技术方案 

本发明的技术方案为： 

一种高速柔性转子动平衡方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤： 

步骤1：确定转子的参考位置： 

利用有限元软件建立转子的有限元模型，从转子有限元模型的数值仿真结果中得到转子的1阶至n阶模态值和r阶临界转速，n为转子动平衡时选择的转子平衡平面个数，r为转子所需动平衡的阶数；如果得到的r阶临界转速在转子r阶实测临界转速的85％-125％范围内，则在得到的每一阶模态值中以各阶最大模态值作为基数对该阶的所有模态值进行归一化处理，并以r阶的最大模态值对应的转子轴向位置作为转子的参考位置，否则重新建立转子的有限元模型，并重复步骤1； 

步骤2：确定校正量： 

步骤a、在步骤1得到的参考位置所在的转子径向平面内布置两个振动传感器，且两个振动传感器与该径向平面内转子轴心的连线相互垂直； 

步骤b、将转子从0rpm匀加速拉升到转子允许范围内的最大转速，两个振动传感器采集转子匀加速过程的瞬态响应，得出转子的模态阻尼； 

步骤c、将转子稳定在平衡转速上，其中平衡转速为实测临界转速的85％-100％，两个振动传感器采集转子在平衡转速的稳态响应； 

步骤d、将步骤c得到的转子在平衡转速的稳态响应代入以下公式，得到转子n 

个平衡平面需要添加校正量的大小和方位： 

$\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\stackrel{\→}{U}}_r\left(z_j\right)R_j{\left({\stackrel{\→}{\mathrm{\Φ}}}_s\right)}_j=\left\{\begin{array}{cc}-2{\mathrm{\ζ}}_r{\stackrel{\→}{m}}_r{\stackrel{\→}{\mathrm{\υ}}}_r,& r=s\\ 0,& r\≠s\end{array}\right.$

其中，j表示第j个平衡平面， 

表示为平衡转子第r阶不平衡量所需在zj处添 加的校正量，z_j表示平衡平面的轴向位置，R_j表示z_j处的转子平衡半径， 

表示步骤1中得到的归一化后转子第s阶模态值，s取值为1，2…n，ζ_r为步骤b中得到的转子第r阶模态阻尼， 

为转子的模态质量， 

为步骤c得到的转子在平衡转 

速的稳态响应，包括振幅和相位； 

步骤3：测试校正结果： 

根据步骤2的结果在转子上添加校正量后，将转子从0rpm匀加速拉升到步骤b中采用的转子最大转速，两个振动传感器采集转子匀加速过程的瞬态响应，检验转子是否已达到所要求的平衡精度，如果没有达到要求，则同步改变步骤a中两个振动传感器在径向平面内的安装位置，并重复步骤2、3，直至满足平衡要求。 

本发明所述的一种高速柔性转子动平衡方法，其特征在于：当所需动平衡的阶数为大于1的阶数时，从1阶开始逐次进行转子动平衡。 

本发明所述的一种高速柔性转子动平衡方法，其特征在于：当转子可选择的平衡平面多于n时，选择所需添加校正量最小的n个平衡平面组合。 

有益效果 

本发明与传统的动平衡方法相比，没有了添加试重的风险，省去了添加试重的平衡工序，大大减少了转子的开车次数，省去了影响系数法中影响系数矩阵的求解，利用现有的有限元软件分析出了转子的各阶模态，解决了模态平衡法中转子各阶模态很难获取的问题，简化了平衡步骤，提高了平衡效率和平衡精度。 

附图说明

图1：四盘转子结构简图； 

图2：四盘转子一阶模态图； 

图3：四盘转子二阶模态图； 

图4：四盘转子三阶模态图； 

图5：四盘转子临界转速COMBELL图； 

图6：转子平衡前后瞬态响应对比图； 

图7：参考位置处传感器安装示意图； 

其中：1、电机；2、联轴器；3、1盘；4、2盘；5、3盘；6、4盘；7、轴；9、底座支架；10、滑动轴承2；11、光电传感器；12、光标；13、位移传感器。 

具体实施方式

下面采用本发明提出的高速柔性转子动平衡方法对一个四盘转子进行三平面动平衡，说明本发明方法对平衡高速柔性转子的有效性和适用性。 

参照附图1，四盘转子结构简图如图1所示，转子由电机经联轴器后直接带动，电机带动的最大转速为10000rpm。 

首先，确定转子的参考位置。 

采用ANSYS有限元数值仿真软件建立图1所示四盘转子的有限元模型，并转子有限元模型的数值仿真结果中得到转子的1阶至n阶模态值和r阶临界转速，由于本实施例中对转子进行三平面动平衡，即n＝3，所以在转子有限元模型的数值仿真结果中提取了转子的1阶至3阶模态值，如附图2至附图4所示，转子的一阶固有频率为41.876HZ，对应转速为2513rpm，二阶固有频率为153.443HZ，对应转速为9207rpm，三阶固有频率为323.167HZ，对应转速为19390rpm；在本实施例中，对四盘转子进行1阶动平衡，即r＝1，从转子有限元模型的数值仿真结果中提取了转子的临界转速COMBELL图，如图5所示，从图中可以得到转子的一阶临界转速为2520rpm。 

将转子从0rpm匀加速开起到3000rpm，采集转子在匀加速过程的瞬态响应，得到附图6中平衡前的转子瞬态响应曲线，从图中可以得到转子的一阶实际临界转速为2510rpm，说明从数值仿真结果中得到的转子临界转速在转子实测临界转速的85％-125％范围内，所建的转子有限元模型能够满足本方法要求。 

在得到的1阶、2阶和3阶模态值中以各阶最大模态值作为基数对该阶的所有模态值进行归一化处理，并以1阶的最大模态值对应的转子轴向位置作为转子的参考位置，从附图2所示的四盘转子一阶模态图中得到本实施例的参考位置在2盘处。 

其次，确定校正量。 

在2盘所在的转子径向平面内布置两个振动传感器，且两个振动传感器与该径向平面内转子轴心的连线相互垂直，如附图7所示。图中的位移传感器13和光标12用来测量转子的转速。 

根据附图6中平衡前的转子瞬态响应曲线，采用半功率法计算得到转子的1阶模态阻尼。 

将转子稳定在平衡转速上，用两个振动传感器采集转子在平衡转速的稳态响应，包括振幅和相位。本实施例中选择的平衡转速为2480rpm。 

将得到的转子在平衡转速的稳态响应代入以下公式，得到转子3个平衡平面需要添加校正量的大小和方位： 

$\underset{j=1}{\overset{3}{\mathrm{\Σ}}}{\stackrel{\→}{U}}_1\left(z_j\right)R_j{\left({\stackrel{\→}{\mathrm{\Φ}}}_s\right)}_j=\left\{\begin{array}{cc}-2{\mathrm{\ζ}}_1{\stackrel{\→}{m}}_1{\stackrel{\→}{\mathrm{\υ}}}_1,& s=1\\ 0,& s\≠1\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中，j表示第j个平衡平面， 表示为平衡转子第1阶不平衡量所需在z_j处添加的校正量，z_j表示平衡平面的轴向位置，R_j表示z_j处的转子平衡半径， 

表示归一化后转子第s阶模态值，s取值为1，2，3，ζ₁为转子第1阶模态阻尼， 

为转子的模态质量， 

为转子在平衡转速的稳态响应，包括振幅和相位。 

本实施例中共有1盘、2盘、3盘、4盘4个平衡平面，由于进行的是一阶动平衡，按照n+2平衡理论，所以选择三个平衡平面，此时，我们选择所需添加校正量最小的3个平衡平面组合。下面对平衡转子4种可能的平衡平面组合都进行了计算，各平衡平面平衡半径为30mm，参考位置处水平位移传感器测得的振动幅值为0.17mm，相位为89°，垂直位移传感器测得的振动幅值为0.18mm，相位为178°，根据公式(1)的计算得到计算结果表1所示： 

	1盘	2盘	3盘	4盘
					1、2、3盘	0.43g  175°	0.58g  175°	0.11g  175°	--
1、2、4盘	0.38g  175°	0.72g  175°	--	0.49g  175°
					2、3、4盘	--	0.58g  175°	0.08g  175°	0.42g  175°
1、3、4盘	0.50g  175°	--	0.69g  175°	0.43g  175°

[0049] 表1各平衡平面组合所需添加校正量的计算结果 

从表1可以看出，以2、3、4盘作为平衡平面所需添加的校正量最小。 

最后，测试校正结果。 

按照表1计算的结果，分别在2盘、3盘、4盘30mm175°处添加0.58g、0.08g、0.42g校正量后，再次以匀加速度开起转子到3000rpm，，两个振动传感器采集转子匀加速过程的瞬态响应，即图6中平衡后瞬态响应曲线，对比平衡前后转子的瞬态响应曲线，可以看出转子在临界转速2510rpm时振幅降低了88.23％，平衡后振幅只有0.02mm，经计算平衡精度达到0.3，说明一次平衡后效果很显著，达到平衡要求，平衡结束。如果平衡精度没有达到要求，则同步改变两个振动传感器在径向平面内的安装位置，尽量使传感器能获取参考位置处的最大振动信息，重新确定校正量，直到满足平衡精度要求。 

此外当所需动平衡的阶数为大于1的阶数时，从1阶开始逐次通过本方法进行转子各阶动平衡。 

Claims (3)

1.一种高速柔性转子动平衡方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：

步骤1：确定转子的参考位置：

利用有限元软件建立转子的有限元模型，从转子有限元模型的数值仿真结果中得到转子的1阶至n阶模态值和r阶临界转速，n为转子动平衡时选择的转子平衡平面个数，r为转子所需动平衡的阶数；如果得到的r阶临界转速在转子r阶实测临界转速的85％-125％范围内，则在得到的每一阶模态值中以各阶最大模态值作为基数对该阶的所有模态值进行归一化处理，并以r阶的最大模态值对应的转子轴向位置作为转子的参考位置，否则重新建立转子的有限元模型，并重复步骤1；

步骤2：确定校正量：

步骤a、在步骤1得到的参考位置所在的转子径向平面内布置两个振动传感器，且两个振动传感器与该径向平面内转子轴心的连线相互垂直；

步骤b、将转子从0rpm匀加速拉升到转子允许范围内的最大转速，两个振动传感器采集转子匀加速过程的瞬态响应，得出转子的模态阻尼；

步骤c、将转子稳定在平衡转速上，其中平衡转速为实测临界转速的85％-100％，两个振动传感器采集转子在平衡转速的稳态响应；

步骤d、将步骤c得到的转子在平衡转速的稳态响应代入以下公式，得到转子n个平衡平面需要添加校正量的大小和方位：

其中，j表示第j个平衡平面， 

表示为平衡转子第r阶不平衡量所需在z_j处添加的校正量，z_j表示平衡平面的轴向位置，R_j表示z_j处的转子平衡半径， 表示步骤1中得到的归一化后转子第s阶模态值，s取值为1，2…n，ζ_r为步骤b中得 到的转子第r阶模态阻尼， 

为转子的模态质量， 

为步骤c得到的转子在平衡转速的稳态响应，包括振幅和相位；

步骤3：测试校正结果：

根据步骤2的结果在转子上添加校正量后，将转子从0rpm匀加速拉升到步骤b中采用的转子最大转速，两个振动传感器采集转子匀加速过程的瞬态响应，检验转子是否已达到所要求的平衡精度，如果没有达到要求，则同步改变步骤a中两个振动传感器在径向平面内的安装位置，并重复步骤2、3，直至满足平衡要求。

2.根据权利要求1所述的一种高速柔性转子动平衡方法，其特征在于：当所需动平衡的阶数为大于1的阶数时，从1阶开始逐次进行转子动平衡。

3.根据权利要求1所述的一种高速柔性转子动平衡方法，其特征在于：当转子可选择的平衡平面多于n时，选择所需添加校正量最小的n个平衡平面组合。 

Images