CN104101464A

CN104101464A - 一种基于旋转坐标系的多轮盘转子动平衡检测方法

Info

Publication number: CN104101464A
Application number: CN201410361836.4A
Authority: CN
Inventors: 杨建刚; 房久正
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2014-07-25
Filing date: 2014-07-25
Publication date: 2014-10-15
Anticipated expiration: 2034-07-25
Also published as: CN104101464B

Abstract

本发明公开了一种基于旋转坐标系的多轮盘转子动平衡检测方法，轮盘上标定角度坐标，在转子的轮盘两侧轴的截面布置应变传感器；分别记录轮盘在两个互相垂直方向上不同受力情况下对应方向上的应变值，分别标定出在这两个方向的应变和力之间的关系的方向系数；启动电机，给定平衡转速n，在旋转坐标系下测量截面两个垂直方向上的应变平均值；通过所得应变平均值、两个互相垂直方向上的方向系数可计算轮盘上的不平衡力的大小和相位，其中相位可由旋转坐标系直接读出；由所求不平衡力、给定的平衡转速n，再由给定的加重半径r，求得轮盘上加重的重量m和相位θ。本发明测试时无需键相传感器，无需各测点数据采集同步，对数据采集系统采样率要求大大较低。

Description

一种基于旋转坐标系的多轮盘转子动平衡检测方法

技术领域

[0001] 本发明涉及旋转机械零部件的检测，具体涉及一种旋转坐标系下多轮盘转子动平衡检测方法。

背景技术

[0002] 旋转机械，如汽轮机、发电机、燃气轮机、压缩机、风机、泵等，是航空、电力、石化、冶金等行业的关键设备。受转子加工精度、装配误差以及热变形等因素的影响，旋转机械零部件处质心与其旋转中心不重合，在旋转状态下会产生不平衡激励力，导致机组产生振动，缩短机组使用寿命。不平衡故障时各类旋转机械最常见的振动故障，约占各类故障的80% 以上。提高旋转机械动平衡效率和精度，具有重要的工程意义。

[0003] 目前的动平衡检测方法都是在静止坐标系下进行的。测振平衡法和测力平衡法是目前最常用的两类动平衡方法。测振平衡法假设所测振动与不平衡力之间呈线性关系。不平衡力越大，振动越大，反之亦然。动平衡检测时需要首先求出力和振动之间的影响系数，然后由实测振动来反推不平衡力。这种方法在工程上得到广泛应用，但是存在以下缺点： (1)影响系数需要通过试验求出，需要机组反复多次启停，效率较低。对于大型汽轮发电机组而言，机组启停所需代价较大；（2)动平衡加重大多只能在转子两侧和中部进行，动平衡面有限，导致加重面和实际不平衡面不在同一个平面。转轴刚度不够时，转轴会产生变形和新的不平衡量；（3)为了减少开机次数，要求试验人员熟练掌握转子动力学理论，对技术人员的要求较高。测力平衡法主要是在动平衡机上进行。这种方法将转子视为刚性转子，通过测量转子两侧支撑所承受的动态力来识别不平衡力。这种方法存在以下缺点：（1)将转子视为刚性转子，不考虑转轴弹性变形；（2)将不平衡力等效到两个平面上，加重面和不平衡面往往不在同一个平面；(3)需要配备专门的动平衡机，对检测设备的要求较高。

[0004] 基于应变的动平衡检测方法是另外一种动平衡检测方法。这种方法认为转轴截面应变值与不平衡力之间存在确定性关系。试验前标定好应变和力之间的关系后，根据试验中所测应变值即可反推不平衡力。这种方法可以实现多平面不平衡量的同时检测。静止坐标系下，不平衡力和应变值是一个动态变化的量，为了能够识别不平衡力大小和角度，需要提供一个键相传感器，为确定不平衡角度提供基准，并且要求各通道数据采集时必须严格同步。否则，不平衡力角度会产生较大误差。为了保证测试精度，对数据采集系统的采样频率也有较高要求。这种方法对各通道采集信号时的同步性要求很高。旋转机械转轴动态应变的测量需要采用无线发射和接受方式。受技术条件限制，现阶段无线数据传输还只能采取串行通讯方式，无法实现多通道信号的同步并行采样，这会给不平衡角度的确定带来很大误差。这种方法需要配备专用键相传感器和处理电路来确定不平衡零位。键相传感器需要固定在台架上，而应变传感器固定在转轴上，随轴旋转，这就需要两套测试系统来同时完成两类不同信号的采集，而且要求这两类信号的采集必须严格同步。这给动平衡试验带来了很大困难。为了保证动态应变信号的测试精度，对无线测试系统数据采样频率也有较高要求。现阶段无线测试仪的采样频率有限，最高仅为ΙΚΗζ。基于应变的动平衡检测法出现上述缺陷的关键在于：这种方法是在固定坐标系下开展动平衡检测试验研究的。固定坐标系下，不平衡力及其引起的动态应变是一个动态变化的量，对无线数据采集装置采样频率、多通道之间同步性等的要求较高。

发明内容

[0005] 发明目的：为了简化动平衡检测试验，提高动平衡工作的效率，本发明提供了一种基于旋转坐标系的多轮盘转子动平衡检测方法。

[0006] 技术方案：为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

[0007] 本方法认为，静止状态下，轮盘上的质量偏心不会产生激励力。旋转状态下，轮盘上的质量偏心会形成不平衡力，该力作用到转轴上后，会改变转轴截面应变值。根据转动状态下应变值的变化情况可以反推轮盘上的不平衡量。

[0008] 旋转坐标系下，不平衡力的大小和角度是一个常量，由该力所引起的轮盘两侧应变值的变化也是一个常量，可以通过求取所测应变信号的平均值来得到。这种方法对测量通道之间数据采集时同步性没有要求，并降低了对数据采样率的要求。本发明认为不平衡力作用在轮盘平面上，如果在正交的两个方向上各布置一组应变传感器，由这两个方向上的应变值可以识别出相应方向上的力，合成后就可以得到不平衡力的大小和角度，因而，无需配备键相传感器来确定不平衡角度起点。

[0009] 根据上述原理得出旋转坐标系下多轮盘转子不平衡检测方法，将不平衡力的检测放在与轮盘同步旋转的坐标系下进行，包括如下步骤：包括转轴、电机以及设在转轴上的轮盘，在轮盘或转轴上标定角度坐标，建立旋转坐标系，在轮盘两侧转轴的截面布置互相正交的应变传感器；分别记录轮盘在两个互相垂直方向上不同受力情况下对应方向上的应变值，分别标定出在这两个方向的应变和力之间的关系的方向系数；启动电机，给定平衡转速 n，在旋转坐标系下测量截面两个垂直方向上的应变平均值；通过所得应变平均值、两个互相垂直方向上的方向系数可计算轮盘上的不平衡力的大小和相位，其中相位可由旋转坐标系直接读出；由所求不平衡力、给定的平衡转速n，再由给定的加重半径r，求得轮盘上加重的重量m和相位Θ。

[0010] 具体而言包括以下步骤：

[0011] A、将待测转轴安装在检测台架上；

[0012] B、在转轴上的待识别轮盘两侧布置应变传感器。以图示两轮盘模型为例，需要在轮盘两端选取三个截面，在0° -180°和90° -270°方向各布置1组应变传感器，每组3 个截面，合计6组应变传感器；

[0013] C、应变传感器标定。

[0014] ①0° -180°方向应变传感器标定

[0015] 将轮盘0° -180°标记转动到水平位置，记录三个截面0° -180°方向应变值、4°、4。，由#1、#2轮盘受力分析可知：

[0016]

[0017] 式中，％为〇° -180°方向系数，反映了轮盘在0° -180°方向所受力与该方向应变之间的关系。

[0018] 在#1轮盘上沿0°方向施加拉力F，记录三个截面0° -180°方向应变值 44、0,由#1、#2轮盘受力分析可知：

[0019]

[0020] 在#2轮盘上沿0°方向施加拉力F，记录三个截面0° -180°方向应变值、&:，由#1、#2轮盘受力分析可知：

[0021] «I <：+«: ^ = ° (3) «4^1? +«5^2v +«6^#v = F

[0022] 由上述⑴〜⑶式可列矩阵方程式如下：

[0024] 由此方程可求出0° -180°方向系数a i〜a 6。

[0025] ②90° -270°方向应变传感器标定

[0026] 将轮盘90° -270°标记转动到水平位置，记录三个截面90° -270°方向应变值，由#1、#2轮盘受力分析可知：

[0027]

[0028] 式中，β i〜β6为90° -270°方向系数，反映了轮盘在90° -270°方向所受力与该方向应变之间的关系。

[0029] 在#1轮盘上沿90°方向施加拉力F，记录三个截面90° -270°方向应变值 4、41、Ο，由#1、#2轮盘受力分析可知：

[0030]

[0031] 在#2轮盘上沿90°方向施加拉力F，记录三个截面90° -270°方向应变值 Ο 4?、，由#1、#2轮盘受力分析可知：

[0035] 由此方程可求出90° -270°方向系数^〜β6。

[0036] D、由应变值和所求系数求作用在轮盘上的力

[0037] 由上述实验所得的0° -180°方向系数％和90° -270°方向系数 β6，设任意状态下两互相正交方向的6组应变值分别为ε1χ、ε2χ、ε 3χ、ely、e2y、e3y，则有

[0038] 作用在#1盘的力在两方向的分力分别为：

[0040] 作用在#2盘的力在两方向的分力分别为：

[0042] E、开始测试

[0043] 启动电机到指定平衡转速n，给定加重半径r，测量各截面水平和垂直方向应变值，得到转速η下若干周期内应变值的平均值

[0044] F、计算测量截面上不平衡力的大小和相位

[0045] 将测出的应变平均值ί1χ、έ·2ί、b、^、&、&，代入式(9)和(10)，得到#1盘不平衡力两方向分力Flx和Fly，#2盘不平衡力两方向分力F2x和F 2y ;

[0046] 将#1盘上0° -180°和90° -270°方向上的不平衡量合成，得到#1轮盘上不平衡量大小Fi和角度约：

[0048] 将#2盘上0° -180°和90° -270°方向上的不平衡量合成，得到#2轮盘上不平衡量大小匕和角度《%:

[0050] G、计算测量截面上加重重量的大小和相位

[0051] 由上述计算得到的不平衡量大小和相位，由给定的平衡转速η和加重半径r，对于加重半径，在具体的实验设备中或是转动机械中都有固定的位置，比如可以加入平衡质量的凹槽或是可以电焊或是可以在螺栓上套牢等等，已经知道的加重角度，而加重半径需要依据具体情况定夺，可求得两轮盘上加重的重量m和相位Θ为

[0053] 至此完成以两轮盘为例的旋转坐标系下的不平衡量校正。

[0054] 本发明以双轮盘为例研究，但本发明的保护范围不仅限于双轮盘。

[0055] 本发明未特别限定的技术均为现有技术。

[0056] 本发明将不平衡力的检测改在旋转坐标系下进行，测试时无需键相传感器，无需各测点数据采集同步通过测试转轴旋转若干周期过程中多截面处应变值，由其平均值即可求出各轮盘处的不平衡力。

[0057] 有益效果：与现有技术相比，具有如下优点：

[0058] (1)本发明解决了应变检测法、测振平衡法、测力平衡法对键相传感器的需求，不平衡力角度可以直接由〇° -180°和90° -270°方向上识别出的不平衡力来求得。

[0059] (2)本发明解决了现有方法中对键相传感器的需求，以及应变检测法对无线采集和传输时对同步性的要求及对采样率的需求，无需各应变测点之间、应变测点与键相信号之间在信号采集时同步，避免了应变检测法无线采集和传输时对同步性的要求容易造成较大误差，使得应变检测法更实用。

[0060] (3)本发明测试时无需键相传感器，无需各测点数据采集同步，对数据采集系统采样率要求大大较低，方便了动平衡检测试验，可以提高动平衡工作的效率。

附图说明

[0061] 图1是试验轴系简图；

[0062] 图中，1为#1轮盘，2为轮盘上标定0°刻度，3为"2截面"的标定0°处应变测点。

[0063] 图2为旋转状态下，3个截面的各自0° -180°和90° -270°方向上6组所测应变信号随时间的变化曲线，图中直线为应变的平均值。

[0064] 图3是轮盘转动状态下，由两方向分力合成后的不平衡力F及其相位^的示意图。

[0065] 图4是本发明的流程图。

具体实施方式

[0066] 下面结合附图进一步解释本发明。

[0067] 本实施例是对图1所示的轴系进行实验，以双圆盘为例，提供一种基于旋转坐标系的多轮盘转子动平衡检测方法。参照图2〜4。

[0068] 如图4所示的流程图，本实施例涉及的旋转坐标系下多轮盘转子动平衡检测方法包括如下步骤：

[0069] A、将待测转轴安装在检测台架上；

[0070] B、在转轴的待识别轮盘两侧布置应变传感器。以图示两轮盘模型为例，需要在轮盘两端选取三个截面，在0° -180°和90° -270°方向各布置1组应变传感器，每组3个截面，合计6组应变传感器；

[0071] C、应变传感器标定。

[0072] ①0° -180°方向应变传感器标定

[0073] 将轮盘0° -180°标记转动到水平位置，记录三个截面0° -180°方向应变值 <〇、<r0、，分别为：-644. 0 -193. 3 -379. 0。

[0074] 由#1、#2轮盘受力分析可知：

[0076] 式中，％为〇° -180°方向系数，反映了轮盘在0° -180°方向所受力与该方向应变之间的关系。

[0077] 在#1轮盘上沿0°方向施加拉力？ = 501^*9.8 = 49(^，记录三个截面0°-180° 方向应变值41、、〇，分别：-635. 9 -164. 1 -375. 2,由#1、#2轮盘受力分析可知：

[0079] 在#2轮盘上沿0°方向施加拉力？ = 501^*9.8 = 49(^，记录三个截面0°-180° 方向应变值、<丨、，分别：-639. 5 -172. 6 -360. 0,由#1、#2轮盘受力分析可知：

[0081] 由上述⑴〜⑶式可列矩阵方程式如下：

[0083] 代入方程⑷得出：

[0085] 解得：

[0086] α 丨〜α 6 分别为 6· 9558 17. 5546 -20. 7727 -17. 2241 1· 0381 28. 7379。

[0087] ②90° -270°方向应变传感器标定

[0088] 将轮盘90° -270°标记转动到水平位置，记录三个截面90° -270°方向应变值，-443. 9 -125. 5 -1654. 8,由 #1、#2 轮盘受力分析可知：

[0090] 式中，@6为90° -270°方向系数，反映了轮盘在90° -270°方向所受力与该方向应变之间的关系。

[0091] 在#1轮盘上沿90°方向施加拉力F，记录三个截面90° -270°方向应变值 C、<、Ο，-452. 2 -161. 8 -1667. 9 ;50Kg 第 1 个轮盘 F = 490N，由 #1、#2 轮盘受力分析可知：

[0093] 在#2轮盘上沿90°方向施加拉力F，记录三个截面90° -270°方向应变值 42、4,2、，-448. 6 -152. 5 -1683. 2 ;50Kg 第 2 个轮盘 F = 490N，由 #1、#2 轮盘受力分析可知：

[0095] 由上述(5)〜(7)式可列矩阵方程式如下：

[0097] 代入得，

[00"] 解得：

[0100] β i 〜β 6 :-54. 8538 -6. 4428 15. 2031 77. 9475 -10. 5661 -20. 1081。

[0101] D、由应变值和所求系数求作用在轮盘上的力

[0102] 由上述实验所得的0° -180°方向系数〇6和90° -270°方向系数 β6，设任意状态下两互相正交方向的6组应变值分别为ε1χ、ε2χ、ε 3χ、ely、e2y、e3y，则有

[0103] 作用在#1盘的力在两方向的分力分别为：

[0105] 作用在#2盘的力在两方向的分力分别为：

[0107] E、开始测试

[0108] 启动电机到指定平衡转速n，测量各截面0° -180°和90° -270°方向应变值，得到转速η下若干周期内应变值的平均值化、、£2i.、;如图2所示。

[0109] F、计算测量截面上不平衡力的大小和相位

[0110] 将测出的应变平均值£·1γ、&、&、，代入式⑶和_，得到#1盘不平衡力两方向分力Flx和Fly，#2盘不平衡力两方向分力F2x和F 2y ;在轮盘转动状态下，由两方向分力合成后的不平衡力及其相位如图3所示。

[0111] 将#1盘上0° -180°和90° -270°方向上的不平衡量合成，得到#1轮盘上不平衡量大和角度奶：

[0112]

[0113] 将#2盘上0° -180°和90° -270°方向上的不平衡量合成，得到#2轮盘上不平衡量大小匕和角度％:

[0114]

[0115] G、计算测量截面上加重重量的大小和相位

[0116] 由上述计算得到的不平衡量大小和相位，由给定的平衡转速η和加重半径r，可求得两轮盘上加重的重量m和相位Θ为

[0117]

[0118] 至此完成以两轮盘为例的旋转坐标系下的不平衡量校正。

[0119] 根据本实施例得出，上述步骤相同，分别测得一组的加重重量和相位数据如下：

[0120] 验证结果：

[0121] --验证1

[0122] 实际：

[0123] #1 盘：90gZ0° #2 盘：93gZ180°

[0124] 实验验证所得：

[0125] #1 盘：74gZ 352° #2 盘：86g Z 169°

[0126] --验证2

[0127] 实际：

[0128] #1 盘：90gZ60° #2 盘：93gZ 240°

[0129] 实验验证所得：

[0130] #1 盘：104g Z 352。 #2 盘：118g Z 250。

[0131] --验证3

[0132] 实际：

[0133] #1 盘：90gZ 270° #2 盘：93gZ90°

[0134] 实验验证所得：

[0135] #1 盘：88gZ 280° #2 盘：99gZ95°

[0136] 注：所得系数也与当时情况下所贴应变片的所测应变值有关。

[0137] 本发明以双轮盘为例研究，仅是本发明的优选实施方式，但本发明的保护范围不仅限于双轮盘。应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims

1. 一种基于旋转坐标系的多轮盘转子动平衡检测方法，其特征在于：包括转轴及设在转轴上的轮盘，在轮盘或转轴上标定角度坐标，建立旋转坐标系，在轮盘两侧转轴的截面布置互相正交的应变传感器；分别记录轮盘在两个互相垂直方向上不同受力情况下对应方向上的应变值，分别标定出在这两个方向的应变和力之间的关系的方向系数；启动电机，给定平衡转速n，在旋转坐标系下测量截面两个垂直方向上的应变平均值；通过所得应变平均值、两个互相垂直方向上的方向系数可计算轮盘上的不平衡力的大小和相位，其中相位可由旋转坐标系直接读出；由所求不平衡力、给定的平衡转速n，再由给定的加重半径r，求得轮盘上加重的重量m和相位Θ。

2. 如权利要求1所述的基于旋转坐标系的多轮盘转子动平衡检测方法，其特征在于：所述转子的轮盘数量为大于等于1个。

3. 如权利要求1所述的基于旋转坐标系的多轮盘转子动平衡检测方法，其特征在于，具体包括如下步骤： A、在转轴上的待识别轮盘两侧布置应变传感器； B、应变传感器标定：将轮盘不同方向标记到水平位置，记录不同受力情况下的应变值，标定应变值和力之间的关系的方向系数； C、由应变值和方向系数求作用在轮盘上的力； D、启动电机，给定平衡转速n，测量若干周期内轮盘的应变平均值； E、由所得应变平均值、方向系数计算测量截面上不平衡力的大小和相位； F、由所求不平衡力、给定的平衡转速n，在给定加重半径r后，计算测量截面上所需加重重量的大小和相位。

4. 如权利要求3所述的基于旋转坐标系的多轮盘转子动平衡检测方法，其特征在于，所述步骤B具体过程包括： ①0° -180°方向应变传感器标定将轮盘0° -180°标记转动到水平位置，记录三个截面0° -180°方向应变值，由#1、#2轮盘受力分析可知：

式中，αι〜％为〇° -180°方向系数，反映了轮盘在0° -180°方向所受力与该方向应变之间的关系；在#1轮盘上沿0°方向施加拉力F，记录三个截面0° -180°方向应变值 44、0,由#1、#2轮盘受力分析可知：

在#2轮盘上沿0°方向施加拉力F，记录三个截面0° -180 °方向应变值、£2#丨、£=，由#1、#2轮盘受力分析可知：

由此方程可求出0° -180°方向系数 ②90° -270°方向应变传感器标定将轮盘90° -270°标记转动到水平位置，记录三个截面90° -270°方向应变值 ^°、4：、<，由#1、#2轮盘受力分析可知： ' ' ' (5) 式中，-270°方向系数，反映了轮盘在90° -270°方向所受力与该方向应变之间的关系；在#1轮盘上沿90°方向施加拉力F，记录三个截面90° -270°方向应变值.<!、〇，由#1、#2轮盘受力分析可知： β,ε^β2 ε；：.+β}ε,：.=Ρ {b) β4^+β5ε2：.+β,ε：：.=0 在#2轮盘上沿90°方向施加拉力F，记录三个截面90° -270°方向应变值ef、fg、，由#1、#2轮盘受力分析可知： β\ ε\ν +Ρΐ ε2 ν +β} ε?,ν ,, (7) βΑ +β, ε,： +β, =F 由上述(5)〜(7)式可列矩阵方程式如下：

由此方程可求出90° -270°方向系数h〜36。

5. 如权利要求3或4所述的基于旋转坐标系的多轮盘转子动平衡检测方法，其特征在于，所述步骤C具体过程包括：作用在#1盘的力在两方向的分力分别为：

作用在#2盘的力在两方向的分力分别为：

αι〜α6为步骤C所得的0° -180°方向系数，为步骤C所得90° -270° 方向系数，ε1χ、ε2χ、ε3χ、ely、e 2y、e3y为任意状态下两互相正交方向的6组应变值。

6. 如权利要求5所述的基于旋转坐标系的多轮盘转子动平衡检测方法，其特征在于，所述步骤D具体过程包括：启动电机到指定平衡转速n，测量各截面水平和垂直方向应变值，得到平衡转速η下若干周期内应变值的平均值心、&52y、&y。

7. 如权利要求6所述的基于旋转坐标系的多轮盘转子动平衡检测方法，其特征在于，所述步骤E具体过程包括：将步骤E测出的应变平均值化、s2x、心、f2v、s3>.，代入式(9)和(10)，得到#1 盘不平衡力两方向分力Flx和Fly，#2盘不平衡力两方向分力F2x和F 2y ; 将#1盘上0° -180°和90° -270°方向上的不平衡量合成，得到#1轮盘上不平衡量大小？1和角度奶：

将#2盘上0° -180°和90° -270°方向上的不平衡量合成，得到#2轮盘上不平衡量大小F2和角度％:

由此得出截面上不平衡力的大小和相位。

8. 如权利要求7所述的基于旋转坐标系的多轮盘转子动平衡检测方法，其特征在于，所述步骤G具体包括：由上述计算得到的不平衡量大小和相位，由给定的平衡转速n，在给定的加重半径r 下，可求得两轮盘上所需加重的重量m和相位Θ为