CN104165729A - 一种高速转子的动平衡方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于旋转设备故障诊断与控制技术领域，具体涉及一种高速转子的动平衡方法，本方法在获取转子振动信息的基础上，通过对高、低速下振动数据的后置处理，进行两者的同尺度消减，剔除了转子测量截面轮廓误差、鉴相标志、电磁干扰、弯曲等非不平衡因素的干扰，实现不平衡振动的提纯。与传统动平衡方法相比，该方法保障了不平衡振动数据的精确获取，对动平衡精度提升效果明显，且该方法无需鉴相传感器，减少了系统对安装空间的依赖性，降低了系统复杂度及开发成本；此外，该方法适用范围广，过程简洁，利于计算机控制实现，具有良好的实际应用价值。

Description

一种高速转子的动平衡方法

技术领域

本发明属于旋转设备故障诊断与控制技术领域，具体涉及一种高速转子的动平衡方法。

背景技术

转子是旋转设备的核心部件，由于制造、安装误差以及材料不均匀等因素，转子质心或多或少都会偏离其几何中心，即存在不平衡。在转子高速旋转时，不平衡会导致振动，若振动超过一定限制，不仅会影响旋转设备性能，还会对转子自身组件造成破坏。因此，如何控制由于转子不平衡导致的振动是旋转设备使用过程中的关键问题。

动平衡立足于精确的转子振动信号，但在工程实际中采集到的振动信号往往会受到非不平衡因素的影响，从而导致动平衡精度的损失。此外，为了能准确地识别不平衡相位，动平衡过程中需引入一个鉴相传感器，在转子旋转过程中，传感器就会输出一个与鉴相标志对应的脉冲信号，该脉冲信号可作为相位识别的参考信号，但这给动平衡带来不便，这主要表现在：一方面，传感器数量的增加，意味着系统复杂度的增加以及系统成本的提升；另一方面，某些转子表面安装空间非常有限，对传感器的数量有严格限制。

一般情况下，转子转频振动分量为振动的主要能量构成，转子转频振动可大致分为两类，一类是以不平衡为主的与转速有非常明显关联性的故障振动，另一种则是与转速相关性不是很明显的非不平衡振动，例如被测截面轮廓误差、电磁干扰、转子弯曲、装配误差等因素引起的振动。不平衡质量所导致的离心力与转速的平方成正比，这表明，在低速下，转子不平衡振动占整体振动的较少比例，振动主要由非不平衡因素导致；而随着转速的增加，不平衡振动急剧上升，但非不平衡振动并不会随着转速增加而有明显变化，此时，转子的振动主要由不平衡因素导致。因此，若将低速下的振动数据从高速下的振动数据中减去，则非不平衡振动将会抵消，剩下的仅为纯不平衡导致的振动。当然，低速下采集的振动信息和高速下采集的振动信息是无法直接相减的，必须通过一定的信号处理手段，将二者校正到同一尺度下才可以相减。此外，转子鉴相标志所导致的脉冲信号具有明显的周期性，其对转子不平衡信号的影响在转频中也是恒定，可视为一种被测截面轮廓误差，若能通过高、低速下振动消减的方式消除被测截面轮廓误差的影响，就无需单独配置鉴相传感器，且可同时实现鉴相标志信号干扰的有效剔除和转子不平衡振动的精确提取。

发明内容

本发明的目的是提供一种高速转子的动平衡方法，克服现有动平衡技术中，动平衡操作成本高，且不平衡振动提取精度低的问题。

为此，本发明采取如下技术方案予以实现：

一种高速转子的动平衡方法，包括下述步骤：

步骤1，在转子测量表面粘贴鉴相标志，并垂直于转子轴向安装非接触式电涡流位移传感器；

步骤2，使转子运行在低转速，即转频为ω_L，测量转子径向振动

${\stackrel{\→}{x}}_L\left(t\right)={\stackrel{\→}{e}}_L\left(t\right)+{\stackrel{\→}{v}}_L\left(t\right)$

其中，为低速下非不平衡故障和鉴相标志误差引起的干扰振动信号；为低速下不平衡振动信号；

步骤3，使转子运行在高转速，测量转子径向振动

${\stackrel{\→}{x}}_{H_0}\left(t\right)={\stackrel{\→}{e}}_{H_0}\left(t\right)+{\stackrel{\→}{v}}_{H_0}\left(t\right)$

其中，为高速下非不平衡故障和鉴相标志误差引起的干扰振动；为高速下不平衡振动信号；

步骤4，停止转子旋转，添加试重使转子运行在高转速，即转频为ω_H，测量添加试重后转子径向振动

${\stackrel{\→}{x}}_{H_1}\left(t\right)={\stackrel{\→}{e}}_{H_1}\left(t\right)+{\stackrel{\→}{v}}_{H_1}\left(t\right)$

其中，为添加试重后高速下干扰振动；为添加试重后高速下不平衡振动信号；

步骤5，将及在频域根据转频振动提纯方法，对转子振动进行提纯，得到高速下纯不平衡振动

步骤6，根据振动矢量反馈原理，推导得出转子不平衡矢量的求解式：

${\stackrel{\→}{U}}_0=\frac{{\stackrel{\→}{V}}_{H_0}\left({\mathrm{\ω}}_H\right)}{({\stackrel{\→}{V}}_{H_1}\left({\mathrm{\ω}}_H\right)-{\stackrel{\→}{V}}_{H_0}\left({\mathrm{\ω}}_H\right))/\stackrel{\→}{W}}$

步骤7，卸载试重添加配重使转子运行在高转速，测量添加配重后转子径向振动根据转频振动提纯方法，得到添加配重后高速下纯不平衡振动

步骤8，若小于预设动平衡理想值，则动平衡操作结束；若大于或等于预设动平衡理想值，则进一步判断导致转子主要故障是否仍为不平衡，如果是，则重复步骤二至步骤八；如果不是，则结束动平衡操作；

上述内容中，转频振动提纯方法包括如下步骤：

第1步，对低、高速下转子振动表达式进行分析，可得：

由于低速下干扰振动远大于不平衡振动，即故有： ${\stackrel{\→}{x}}_L\left(t\right)\≈{\stackrel{\→}{e}}_L\left(t\right)$

而不同转速下的干扰振动信号只有频率上的差异，即 ${\stackrel{\→}{e}}_{H_i}\left(t\right)={\stackrel{\→}{e}}_L\left(\mathrm{ct}\right),$ 故有：

${\stackrel{\→}{x}}_{H_i}\left(t\right)={\stackrel{\→}{e}}_L\left(\mathrm{ct}\right)+{\stackrel{\→}{v}}_{H_i}\left(t\right)$

其中，i＝0,1,2；

第2步，将表达式转换为频域形式，可得：

$\left\{\begin{array}{c}{\stackrel{\→}{X}}_L\left({\mathrm{\ω}}_L\right)={\stackrel{\→}{E}}_L\left({\mathrm{\ω}}_L\right)\\ {\stackrel{\→}{X}}_{H_i}\left({\mathrm{\ω}}_H\right)={\stackrel{\→}{E}}_L({\mathrm{\ω}}_H/c)+{\stackrel{\→}{V}}_{H_i}\left({\mathrm{\ω}}_H\right)\end{array}\right.$

由于高速下，转频ω_H＝cω_L，则有：

${\stackrel{\→}{X}}_{H_i}\left({\mathrm{c\ω}}_L\right)={\stackrel{\→}{E}}_L\left({\mathrm{\ω}}_L\right)+{\stackrel{\→}{V}}_{H_i}\left({\mathrm{c\ω}}_L\right)={\stackrel{\→}{X}}_L\left({\mathrm{\ω}}_L\right)+{\stackrel{\→}{V}}_{H_i}\left({\mathrm{c\ω}}_L\right)$

即高速下转频不平衡提纯振动为：

${\stackrel{\→}{V}}_{H_i}\left({\mathrm{\ω}}_H\right)={\stackrel{\→}{X}}_{H_i}\left({\mathrm{\ω}}_H\right)-{\stackrel{\→}{X}}_L\left({\mathrm{\ω}}_L\right),(i=\mathrm{0,1,2}).$

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

1、该动平衡方法可有效剔除被测截面轮廓误差、电磁干扰、转子弯曲、装配误差等非不平衡因素导致的干扰振动，保障了不平衡振动数据的精确获取，对提升动平衡精度具有较为明显的效果；

2、该动平衡方法无需鉴相传感器即可实现不平衡量相位的精确识别，有效减少了系统对安装空间的依赖性，降低了系统复杂度及开发成本；

3、该动平衡方法适用性广，且过程简洁，利于计算机控制实现，具有良好的实际应用价值和推广性。

以下将结合附图对本发明做进一步详细说明。

附图说明

图1为本发明方法的测量原理图；

图2为本发明的步骤流程图；

图3为本发明方法实施例1的转子动平衡前后效果比较图；

图4为本发明方法实施例2的主轴结构图；

图5为本发明方法实施例2的主轴动平衡前后效果比较图。

图中：1、鉴相标志；2、电涡流位移传感器；3、质量圆盘；4、电机；5、轴承；6、配重盘。

具体实施方式

实施例1：

该实施例主要验证本发明的有效性和准确性。

1、动平衡实验系统组成

如图1所示，通过转子实验系统模拟不平衡故障，研究本发明所述动平衡方法的有效性。该系统硬件部分主要包括Bently RK4转子实验台、电涡流位移传感器2、信号调理模块、NI数据采集模块、工业计算机等几大模块。其中，转子实验台由与电机4连接的转子、轴承5、质量圆盘3三部分组成，电涡流位移传感器2可以实时测试转子径向振动信息，数据采集模块则将代表位移信息的模拟信号转换成数字信号，并将之送入工业计算机进行不平衡振动分析、不平衡量识别处理以及图形显示。

在图1所示转子实验系统中，质量圆盘3安装在两端轴承5中央位置，电涡流位移传感器2紧靠质量圆盘固定在传感器支座上。转轴直径为10mm，长度为550mm。质量圆盘重0.8kg，直径为75mm，沿其圆周方向均布16个距圆盘中心30mm的配重孔，可用于安装配重螺杆，以满足本发明中配重的需要。转轴上设有鉴相标志1，该鉴相标志1可通过在转轴表面粘贴金属薄片实现，其可用于不平衡相位识别，从驱动端往末端看去，转子旋转方向为逆时针方向。

2、不平衡振动测试、分析及动平衡实施

如图2所示，该高速转子的动平衡方法主要包括下述步骤：

步骤1，在转子测量表面粘贴鉴相标志1，并垂直于转子轴向安装非接触式电涡流位移传感器2；

步骤2，使转子运行在低转速，即转频为ω_L，测量转子径向振动

${\stackrel{\→}{x}}_L\left(t\right)={\stackrel{\→}{e}}_L\left(t\right)+{\stackrel{\→}{v}}_L\left(t\right)$

其中，为低速下非不平衡故障和鉴相标志1误差引起的干扰振动信号；为低速下不平衡振动信号；

步骤3，使转子运行在高转速，测量转子径向振动

${\stackrel{\→}{x}}_{H_0}\left(t\right)={\stackrel{\→}{e}}_{H_0}\left(t\right)+{\stackrel{\→}{v}}_{H_0}\left(t\right)$

其中，为高速下非不平衡故障和鉴相标志1误差引起的干扰振动；为高速下不平衡振动信号；

步骤4，停止转子旋转，添加试重使转子运行在高转速，即转频为ω_H，测量添加试重后转子径向振动

${\stackrel{\→}{x}}_{H_1}\left(t\right)={\stackrel{\→}{e}}_{H_1}\left(t\right)+{\stackrel{\→}{v}}_{H_1}\left(t\right)$

其中，为添加试重后高速下干扰振动；为添加试重后高速下不平衡振动信号；

步骤5，将及在频域根据转频振动提纯方法，对转子振动进行提纯，得到高速下纯不平衡振动

步骤6，根据振动矢量反馈原理，推导得出转子不平衡矢量的求解式：

${\stackrel{\→}{U}}_0=\frac{{\stackrel{\→}{V}}_{H_0}\left({\mathrm{\ω}}_H\right)}{({\stackrel{\→}{V}}_{H_1}\left({\mathrm{\ω}}_H\right)-{\stackrel{\→}{V}}_{H_0}\left({\mathrm{\ω}}_H\right))/\stackrel{\→}{W}}$

步骤7，卸载试重添加配重使转子运行在高转速，测量添加配重后转子径向振动根据转频振动提纯方法，得到添加配重后高速下纯不平衡振动

步骤8，若小于预设动平衡理想值，则动平衡操作结束；若大于或等于预设动平衡理想值，则进一步判断导致转子主要故障是否仍为不平衡，如果是，则重复步骤二至步骤八；如果不是，则结束动平衡操作；

上述动平衡理想值，需要根据不同设备特性和工作环境的需求，人为进行设定。

上述内容中，转频振动提纯方法包括如下步骤：

第1步，对低、高速下转子振动表达式进行分析，可得：

由于低速下干扰振动远大于不平衡振动，即故有： ${\stackrel{\→}{x}}_L\left(t\right)\≈{\stackrel{\→}{e}}_L\left(t\right)$

而不同转速下的干扰振动信号只有频率上的差异，即 ${\stackrel{\→}{e}}_{H_i}\left(t\right)={\stackrel{\→}{e}}_L\left(\mathrm{ct}\right),$ 故有：

${\stackrel{\→}{x}}_{H_i}\left(t\right)={\stackrel{\→}{e}}_L\left(\mathrm{ct}\right)+{\stackrel{\→}{v}}_{H_i}\left(t\right)$

其中，i＝0,1,2；

第2步，将表达式转换为频域形式，可得：

$\left\{\begin{array}{c}{\stackrel{\→}{X}}_L\left({\mathrm{\ω}}_L\right)={\stackrel{\→}{E}}_L\left({\mathrm{\ω}}_L\right)\\ {\stackrel{\→}{X}}_{H_i}\left({\mathrm{\ω}}_H\right)={\stackrel{\→}{E}}_L({\mathrm{\ω}}_H/c)+{\stackrel{\→}{V}}_{H_i}\left({\mathrm{\ω}}_H\right)\end{array}\right.$

由于高速下，转频ω_H＝cω_L，则有：

${\stackrel{\→}{X}}_{H_i}\left({\mathrm{c\ω}}_L\right)={\stackrel{\→}{E}}_L\left({\mathrm{\ω}}_L\right)+{\stackrel{\→}{V}}_{H_i}\left({\mathrm{c\ω}}_L\right)={\stackrel{\→}{X}}_L\left({\mathrm{\ω}}_L\right)+{\stackrel{\→}{V}}_{H_i}\left({\mathrm{c\ω}}_L\right)$

即高速下转频不平衡提纯振动为：

${\stackrel{\→}{V}}_{H_i}\left({\mathrm{\ω}}_H\right)={\stackrel{\→}{X}}_{H_i}\left({\mathrm{\ω}}_H\right)-{\stackrel{\→}{X}}_L\left({\mathrm{\ω}}_L\right),(i=\mathrm{0,1,2}).$

上述转子径向振动 ${\stackrel{\→}{x}}_L\left(t\right):{\stackrel{\→}{x}}_L\left(t\right)={\stackrel{\→}{e}}_L\left(t\right)+{\stackrel{\→}{v}}_L\left(t\right),$ 对于其中和不需要直接计算出其对应的值，只需要通过低速下的振动数据从高速下的振动数据中减去，则非不平衡振动将会抵消，剩下的仅为纯不平衡导致的振动。

3、动平衡实施效果

图3中外围线条为代表原始振动的转频圆，内部线条为平衡后的转频圆。从该图中可以看出，3600r/min时不平衡振动从25.49μm降至3.72μm，降幅为85.4%。这验证了本发明所述动平衡方法的有效性。

实施例2：

该实施例给出了本发明在工程实践中的具体实施过程。

如图4所示的高速主轴动平衡平台包括主轴系统、电涡流位移传感器2、信号调理模块、NI数据采集模块、工业计算机等几大模块。其中，主轴系统由电主轴、水冷机、变频器等几部分组成，主轴驱动电机位于主轴中央，两侧分布支承轴承。主轴采用油脂润滑方式，额定功率为3.2KW，最高转速18000r/min，一阶临界转速约为11200r/min。为便于施加、调整配重，主轴设计成两端伸出结构，伸出端安装有配重盘6，每个配重盘6采用两两垂直安装的电涡流位移传感器2监测，电涡流位移传感器2可以实时测试转子径向振动信息。配重盘6上设有鉴相标志1，该鉴相标志1可通过在配重盘6表面粘贴金属薄片或加工细长凹槽实现，用于不平衡相位识别。

在动平衡过程中，被测截面的圆度轮廓误差较大，且鉴相标志1影响真实轴心轨迹的测试。为减少这部分影响，原始振动数据在300r/min和7200r/min时分别采集，其中，300r/min原始振动数据被当作包含圆度轮廓、弯曲、鉴相标志1等非不平衡因素导致的干扰振动，7200r/min时的不平衡振动都是通过减去该部分干扰振动而获取。

图5中外围线条为代表原始振动的三维全息谱，内部线条为平衡后的三维全息谱。从该图中可以看出，平衡方法使主轴两端测量截面的转频椭圆长半轴大幅减小。通过该方法，主轴转子前截面振动由28.03μm降至7.28μm，降幅达74.0%，前截面振动由19.13μm降至7.71μm，降幅达60.0%，这反映了本发明所述动平衡方法的良好效果。以上例举仅仅是对本发明的举例说明，并不构成对本发明的保护范围的限制，凡是与本发明相同或相似的设计均属于本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种高速转子的动平衡方法，其特征在于：包括下述步骤：

步骤1，在转子测量表面粘贴鉴相标志（1），并垂直于转子轴向安装非接触式电涡流位移传感器（2）；

步骤2，使转子运行在低转速，即转频为ω_L，测量转子径向振动

${\stackrel{\→}{x}}_L\left(t\right)={\stackrel{\→}{e}}_L\left(t\right)+{\stackrel{\→}{v}}_L\left(t\right)$

其中，为低速下非不平衡故障和鉴相标志（1）误差引起的干扰振动信号；为低速下不平衡振动信号；

步骤3，使转子运行在高转速，测量转子径向振动

${\stackrel{\→}{x}}_{H_0}\left(t\right)={\stackrel{\→}{e}}_{H_0}\left(t\right)+{\stackrel{\→}{v}}_{H_0}\left(t\right)$

其中，为高速下非不平衡故障和鉴相标志（1）误差引起的干扰振动；为高速下不平衡振动信号；

步骤4，停止转子旋转，添加试重使转子运行在高转速，即转频为ω_H，测量添加试重后转子径向振动

${\stackrel{\→}{x}}_{H_1}\left(t\right)={\stackrel{\→}{e}}_{H_1}\left(t\right)+{\stackrel{\→}{v}}_{H_1}\left(t\right)$

其中，为添加试重后高速下干扰振动；为添加试重后高速下不平衡振动信号；

步骤5，将及在频域根据转频振动提纯方法，对转子振动进行提纯，得到高速下纯不平衡振动

步骤6，根据振动矢量反馈原理，推导得出转子不平衡矢量的求解式：

${\stackrel{\→}{U}}_0=\frac{{\stackrel{\→}{V}}_{H_0}\left({\mathrm{\ω}}_H\right)}{({\stackrel{\→}{V}}_{H_1}\left({\mathrm{\ω}}_H\right)-{\stackrel{\→}{V}}_{H_0}\left({\mathrm{\ω}}_H\right))/\stackrel{\→}{W}}$

步骤7，卸载试重添加配重使转子运行在高转速，测量添加配重后转子径向振动根据转频振动提纯方法，得到添加配重后高速下纯不平衡振动

步骤8，若小于预设动平衡理想值，则动平衡操作结束；若大于或等于预设动平衡理想值，则进一步判断导致转子主要故障是否仍为不平衡，如果是，则重复步骤二至步骤八；如果不是，则结束动平衡操作；

上述内容中，转频振动提纯方法包括如下步骤：

第1步，对低、高速下转子振动表达式进行分析，可得：

由于低速下干扰振动远大于不平衡振动，即故有： ${\stackrel{\→}{x}}_L\left(t\right)\≈{\stackrel{\→}{e}}_L\left(t\right)$

而不同转速下的干扰振动信号只有频率上的差异，即 ${\stackrel{\→}{e}}_{H_i}\left(t\right)={\stackrel{\→}{e}}_L\left(\mathrm{ct}\right),$ 故有：

${\stackrel{\→}{x}}_{H_i}\left(t\right)={\stackrel{\→}{e}}_L\left(\mathrm{ct}\right)+{\stackrel{\→}{v}}_{H_i}\left(t\right)$

其中，i＝0,1,2；

第2步，将表达式转换为频域形式，可得：

$\left\{\begin{array}{c}{\stackrel{\→}{X}}_L\left({\mathrm{\ω}}_L\right)={\stackrel{\→}{E}}_L\left({\mathrm{\ω}}_L\right)\\ {\stackrel{\→}{X}}_{H_i}\left({\mathrm{\ω}}_H\right)={\stackrel{\→}{E}}_L({\mathrm{\ω}}_H/c)+{\stackrel{\→}{V}}_{H_i}\left({\mathrm{\ω}}_H\right)\end{array}\right.$

由于高速下，转频ω_H＝cω_L，则有：

${\stackrel{\→}{X}}_{H_i}\left({\mathrm{c\ω}}_L\right)={\stackrel{\→}{E}}_L\left({\mathrm{\ω}}_L\right)+{\stackrel{\→}{V}}_{H_i}\left({\mathrm{c\ω}}_L\right)={\stackrel{\→}{X}}_L\left({\mathrm{\ω}}_L\right)+{\stackrel{\→}{V}}_{H_i}\left({\mathrm{c\ω}}_L\right)$

即高速下转频不平衡提纯振动为：

${\stackrel{\→}{V}}_{H_i}\left({\mathrm{\ω}}_H\right)={\stackrel{\→}{X}}_{H_i}\left({\mathrm{\ω}}_H\right)-{\stackrel{\→}{X}}_L\left({\mathrm{\ω}}_L\right),(i=\mathrm{0,1,2}).$