CN108375454A - 一种大型刚性转子不平衡故障自动平衡装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大型刚性转子不平衡故障自动平衡装置及方法，属于转子平衡领域。本发明的自动平衡装置包括安装在两个轴承支架之间的转子，以及分别设置在转子两端竖直面的轨道机构，每个轨道机构中设置有两个配重小车，配重小车中电机驱动配重小车沿轨道机构转动；传感器检测的振动信号和转速信号传递给平衡测量仪，处理后信号通过信号发生器传递给配重小车内的控制系统，该控制系统向所述电机发送脉冲信号，控制配重小车在轨道机构中运动。本发明通过一个安装有可移动配重小车的竖直圆形轨道，根据故障情况自动获取平衡块位置，可以在转子运转过程中实现自动平衡，节约了时间，提高了效益。

Description

一种大型刚性转子不平衡故障自动平衡装置及方法

技术领域

本发明涉及转子平衡技术领域，更具体地说，涉及一种大型刚性转子不平衡故障自动平衡装置及方法。

背景技术

在旋转机械系统中，转子是重要的组成部分，转子不平衡引起的振动是导致机械设备振动、噪声以及机构破坏的主要原因。在机械全部故障中，转子不平衡引起的故障约占60％。因此，为减少机械故障，确保其安全稳定运行，对旋转机械转子进行动平衡测试与校正具有重要意义。动平衡方法主要有平衡机法和现场动平衡法。现场动平衡法以其使用方便、价格低廉和高效率等优点得到了较广泛应用。

目前，解决转子动平衡问题的方法主要是：通过平衡测量仪，采用示重法或者影响系数法得出平衡块的位置和大小，然后在转子停转情况下，手动将平衡块焊接在转子指定位置上，该方法不仅精度不高，而且需要转子停转，降低了效益。

中国专利公开了一种动态变载荷动平衡系统的自适应测量与校正方法(申请号：201410285015.7)，其平衡系统包括振动平台、光电传感器、加速度传感器、传感器信号处理电路、微处理器、旋转配重装置。旋转配重装置是由步进电机控制的旋转轴承。加速度传感器测得振动平台的振动信号通过传感器信号处理电路传送给微处理器，光电传感器测得振动平台主轴承的转速信号通过传感器信号处理电路传送给微处理器，微处理器通过振动信号和转速信号计算得到不平衡量的幅值和相位。

又如中国专利公开的一种动平衡机校准系统(申请号：201220660806.X)，所述的动平衡机校准系统包括电机，标准转子，支撑装置，振动传感器，动平衡测量仪；其中：电机的输出轴与标准转子通过减速装置或联轴器连接，标准转子的两端通过支撑装置支撑，两个振动传感器安装在两个支撑装置上，振动传感器与动平衡测量仪连接。所述的标准转子的两端面附近，带有用于安装配重螺钉的螺纹孔。本实用新型的优点：原理结构简单，便于辅助制定动平衡机的检定规程，标准转子的两端面附近带有的用于安装配重螺钉的螺纹孔，加减配重螺钉方便。

上述方案虽然也能够进行动平衡，例如方案1(申请号：201410285015.7)中能够实现自适应调整，但是其在调整配重快的同时，驱动装置的位置也发生改变，同样会影响配重，很难达到一个有效的平衡点，需要进一步改进。

发明内容

1.发明要解决的技术问题

本发明的目的在于克服现有技术中不能实时有效进行转子平衡的不足，提供了一种大型刚性转子不平衡故障自动平衡装置及方法。本发明通过一个安装有可移动配重小车的竖直圆形轨道，根据故障情况自动获取平衡块位置，可以在转子运转过程中实现自动平衡，节约了时间，提高了效益。

2.技术方案

为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：

本发明的一种大型刚性转子不平衡故障自动平衡装置，包括安装在两个轴承支架之间的转子，以及分别设置在转子两端竖直面的轨道机构，每个轨道机构中设置有两个配重小车，配重小车中电机驱动配重小车沿轨道机构转动；

传感器，用于测量转子的振动信号和转速信号；

平衡测量仪，用于接收振动传感器信号并进行处理，处理后信号通过信号发生器传递给配重小车内的控制系统，该控制系统向所述电机发送脉冲信号，控制配重小车在轨道机构中运动。

作为本发明更进一步的改进，所述轨道机构包括轨道齿圈，其设置在转子端面，轨道齿圈内侧有齿牙；所述配重小车中设置有行走齿轮与轨道齿圈配合，行走轮通过电机驱动。

作为本发明更进一步的改进，所述轨道齿圈侧面设置有滑轨，配重小车对应的一侧设有限位轮，该限位轮与滑轨配合。

作为本发明更进一步的改进，所述轨道机构还包括与轨道齿圈同轴的轨道支架，该轨道支架上设置有滑轨，配重小车对应的一侧设有限位轮，该限位轮与滑轨配合。

作为本发明更进一步的改进，所述轨道支架对称分布在轨道齿圈两侧，配重小车两侧均设置限位轮，与轨道支架上滑轨配合。

作为本发明更进一步的改进，所述配重小车包括驱动电源、小车壳体、所述行走齿轮和所述电机，所述行走齿轮通过转轴与小车壳体两端的轴承相连，所述驱动电源为电机供电驱动行走齿轮转动。

作为本发明更进一步的改进，所述电机转轴上连接有传动齿轮，该传动齿轮与行走齿轮啮合。

作为本发明更进一步的改进，所述电机转轴上连接有带轮或链轮，并在转轴上配置对应带轮或链轮，通过传动带或传动链驱动行走齿轮转动。

作为本发明更进一步的改进，所述电机为步进电机，控制系统为PLC控制系统。

本发明的一种大型刚性转子不平衡故障自动平衡方法，其平衡步骤为：

步骤1、将传感器置于转子两端的轴承支架上，启动转子，采集转子的振动信号和转速信号；

步骤2、平衡测量仪根据传感器采集到的信号判断转子是否出现动平衡故障，若是，则控制配重小车移动一个角度，记录相关数据，重复移动小车，记录数据，得出平衡块的相位和质量，并输出结果；

步骤3、通过数据处理，将输出的相位和质量转换成电机所需的脉冲数，通过信号发生器发送给控制系统；

步骤4、控制系统发出脉冲，驱动电机转动，带动配重小车小车移动到指定位置。

3.有益效果

采用本发明提供的技术方案，与现有技术相比，具有如下有益效果：

(1)本发明的一种大型刚性转子不平衡故障自动平衡装置，在大型转子的两个端面分别安装了一个竖直圆形轨道机构，轨道机构上放置了两个配重小车，配重小车可以在竖直轨道上自由运动，当两个小车对称放置时，不平衡量最小为0，当两个小车无限接近时，不平衡量最大。通过调节两个配重小车的相对位置，就可以得到两个极值中间的任意一个不平衡量。而所设置平衡测量仪可接收传感器采集到的信号，通过数据处理并发出对应的信号，可以在转子运转过程中实现自动平衡。

(2)本发明的一种大型刚性转子不平衡故障自动平衡装置，利用轨道齿圈与平衡小车上的行走齿轮配合，并用步进电机控制小车移动，在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机一个脉冲信号，电机则转过一个步距角，因此可以实现精确的位置控制。

(3)本发明的一种大型刚性转子不平衡故障自动平衡装置，在利用轨道齿圈作为行走轨道的同时，通过轨道齿圈侧面的滑轨或者是轨道支架上的滑轨限制平衡小车位置，避免小车掉落，从而保证平衡小车能够正常运动，提供了结构支撑。

(4)本发明的一种大型刚性转子不平衡故障自动平衡方法，在平衡测量仪接收传感器采集到的振动和转速信号并判断出是动平衡故障后，计算机会处理平衡测量仪输出的配重块相位和质量信息，将其转化成四个步进电机所需的脉冲数，通过控制系统发射脉冲，控制电机转动，从而实现自动平衡，具有控制简单、位置精确等优点，深刻体现了信息化、智能化在机械行业内的广泛应用。

附图说明

图1为自动平衡装置的结构示意图；

图2为配重小车的内部结构示意图；

图3为轨道支架与配重小车的结构分布示意图；

图4为轨道机构的侧视结构示意图；

图5为图4中轨道机构的左视结构示意图；

图6为电路控制流程示意图；

图7为刚性转子不平衡故障自动平衡流程示意图。

示意图中的标号说明：1、转子；2、轴承支架；31、振动传感器；32、光电传感器；33、光电标志；4、轨道机构；41、轨道齿圈；42、轨道支架；5、配重小车；51、小车壳体；52、电机；53、联轴器；54、轴承座；55、行走齿轮；56、传动齿轮；57、转轴；58、限位轮。

具体实施方式

为进一步了解本发明的内容，结合附图和实施例对本发明作详细描述。

实施例1

结合图1～图3，本实施例的一种大型刚性转子不平衡故障自动平衡装置，包括安装在两个轴承支架2之间的转子1，以及分别设置在转子1两端竖直面的轨道机构4。

两个轴承支架2对称设置，用于承载转子1，该转子1可以利用电机等结构驱动，具体的驱动形式，根据实际使用选定，本实施例不做具体要求。

本实施例是对转子1双面动平衡，包括设置在转子1两端竖直面的轨道机构4，轨道机构4设置为圆环形，并且必须要与转子1同轴，以保证其后期能够提供准确的位置。

把轨道机构4竖直设置，保证了其中的配重小车始终位于同一竖直面内，能够在同一面内进行调整。在每个轨道机构4中设置有两个配重小车5，配重小车5中电机52驱动配重小车5沿轨道机构4转动。

配重小车5起到配重作用，由于是设置在轨道机构4中，配重小车5只能周向运动，通过其运动调节配重位置，达到动平衡的目的。轨道机构4的主要作用在于提供配重小车5移动的路径，其可以是齿轮结构、圆形滑杆机构等，配重小车5上设置有对应的部件来与之配合，确保配重小车5能够准确的沿轨道机构4中的路径运动。

作为一种优选，轨道机构4包括轨道齿圈41，其设置在转子1端面，轨道齿圈41内侧有齿牙。配重小车5中设置有行走齿轮55与轨道齿圈41配合，行走轮55通过电机52驱动。当电机52驱动行走齿轮55转动时，则配重小车5会相对轨道齿圈41运动。

对应的，可以设置限位部分来防止配重小车掉落，例如把配重小车5引出滑块与轨道齿圈41侧部滑轨配合，从而保证配重小车的运动的稳定性。

作为控制部分，本实施例还设置有传感器、平衡测量仪、信号发生器等，传感器包括振动传感器31和光电传感器32，振动传感器31可设置在轴承支架2上，用于测量转子1的振动信号。

光电传感器32可以与光电标志33配合来检测转子的转动速度，本实例中可把光电标志33贴在转子1的支撑轴上，光电传感器32与所述光电标志33相对应，因此来检测光电标志33的实际转动速度信号。

本实例中的平衡测量仪包含有微处理器部分，其用于接收振动传感器31信号并进行处理，例如通过示重法进行一系列数据处理，得出平衡量的相位和质量。处理后信号通过信号发生器传递给配重小车5内的控制系统，控制系统有对应的信号接收模块，该控制系统接收信号后，向所述电机52发送脉冲信号，控制配重小车5在轨道机构4中运动。

配重小车5内的控制系统可以为PLC控制系统，配重小车5内配置有驱动电源，电机52采用步进电机，步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件，并且在电机停止转动时，实现自锁，位置不会改变。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机一个脉冲信号，电机则转过一个步距角，因此可以实现精确的位置控制。

在大型转子的两个端面分别安装了一个竖直圆形轨道机构，轨道机构上放置了两个配重小车，配重小车可以在竖直轨道上自由运动，当两个小车对称放置时，不平衡量最小为0，当两个小车无限接近时，不平衡量最大。通过调节两个配重小车的相对位置，就可以得到两个极值中间的任意一个不平衡量。而所设置平衡测量仪可接收传感器采集到的信号，通过数据处理并发出对应的信号，可以在转子运转过程中实现自动平衡。

实施例2

结合图2，本实施例的一种大型刚性转子不平衡故障自动平衡装置，作为配重小车5的一种结构形式，其包括驱动电源、小车壳体51、行走齿轮55和电机52，行走齿轮55通过转轴57与小车壳体51两端的轴承相连，能够自由转动。驱动电源为电机52供电，驱动行走齿轮55转动，由于行走齿轮55与轨道齿圈41内齿牙配合，能够保证运动精度。

电机52为步进电机，为了驱动配重小车5运动，其有多种驱动方式。例如在电机52转轴上连接有带轮，转轴57上配置对应带轮，两个带轮间通过传动带连接，能够把电机的驱动力传递到转轴57，驱动转轴57上的行走齿轮55同步运动。

作为替换，可以在电机52转轴上连接有链轮，转轴57上配置对应链轮，两个链轮间通过传动链连接，能够把电机的驱动力传递到转轴57，驱动转轴57上的行走齿轮55同步运动。

电机52的主要目的在于能够驱动行走齿轮55绕轨道齿圈41运动，至于其驱动方式，没有具体的限制。

实施例3

本实施例对于其中的配重小车5驱动的一种结构优选，本实施例中电机52转轴上连接有传动齿轮56，该传动齿轮56与行走齿轮55啮合。

在小车壳体51固定有一对轴承座54，上述传动齿轮56的中心轴安装在轴承座54上。本实施例中在电机52转轴上设置有联轴器53，该联轴器53另一端与传动齿轮56的中心轴连接。

由于行走齿轮55同时与轨道齿圈41和传动齿轮56啮合，当步进电机驱动传动齿轮56转动时，行走齿轮55转动，进而可实现配重小车5在轨道齿圈41内运动。

通过齿轮传动的方式，相对于链轮和带轮传动，由于其紧密性更好，具有更高的传动精度，位置控制也更加准确。值得说明的是，本实施例只是一种齿轮传动实例说明，也可以在转轴57上设置齿轮，并使其与传动齿轮56配合，同样可以实现较好的传动效果。

实施例4

结合图3、图4、图5，本实施例的一种大型刚性转子不平衡故障自动平衡装置，对于配重小车的限位结构，可以是在轨道齿圈41侧面设置有滑轨，配重小车5对应的一侧设有限位轮58，该限位轮58与滑轨配合。

轨道齿圈41为圆环形，其侧面开设同轴的滑槽形成滑轨，滑槽可以是矩形凹槽、T字形凹槽等结构，根据滑轨的结构形式，也可以在轨道齿圈41两侧均开设滑轨。

配重小车5的小车壳体51上延伸出有支架，支架上设置有限位轮58，该限位轮58卡入到滑轨内。限位轮58与滑轨的配合在于使配重小车5能够不从滑轨机构上落下，确保其只能沿着轨道齿圈41转动。

实施例5

结合图3，本实施例的一种大型刚性转子不平衡故障自动平衡装置，与实施例4不同的是，本实施例轨道机构4还包括与轨道齿圈41同轴的轨道支架42，该轨道支架42上设置有滑轨，配重小车5对应的一侧设有限位轮58，该限位轮58与滑轨配合。

为了限制配重小车的运动，可以在轨道齿圈41上设置滑轨，本实施例在轨道支架42上设置滑轨。

作为改进，轨道支架42对称分布在轨道齿圈41两侧，配重小车5两侧均设置限位轮58，与轨道支架42上滑轨配合。

具体地，轨道支架42的半径尺寸可以小于轨道齿圈41的半径尺寸，对称分布的轨道支架42把配重小车5限制在轨道齿圈41上。

实施例6

结合图6、图7，本发明提供的一种大型刚性转子不平衡故障自动平衡方法，其平衡步骤为：

步骤1、将传感器置于转子1两端的轴承支架2上，启动转子1，采集转子1的振动信号和转速信号。

传感器包括振动传感器31和光电传感器32，两者按照上述装置结构安装，振动传感器31采集转子1的振动信号，光电传感器32采集转速信号。

步骤2、平衡测量仪的微处理器根据传感器采集到的信号判断转子1是否出现动平衡故障，若是，则控制配重小车5移动一个角度，可以是预设角度，记录相关数据，重复移动小车，记录数据，得出所需平衡块的相位和质量，并输出结果。

步骤3、通过数据处理，将输出的相位和质量转换成电机52所需的脉冲数，通过信号发生器发送给PLC控制系统。

步骤4、控制系统发出脉冲，驱动电机53转动，带动配重小车5小车移动到指定位置。在该过程之后，重新按照步骤2、步骤3的顺序继续上述过程，保证其处于自平衡状态。

原理说明：一个轴类零件上所有的不平衡力简化为某一平面上的一个合力和一个力偶(当然，他们中间的任何一个都可以是零)。根据理论力学的原理，合力可以简化为校正面上和那么在两个校正面加一对和(负号表示与和的方向相反)，就平衡了合力。

对于不平衡力偶，也可以表示为校正面上一对大小相等方向相反的力，因此可以在校正面1和校正面2上分别加一对应的大小相等方向相反的力。最后校正面1上的两个力合成为一个力，校正面2上的两个力也合成为一个力。这样合力和合力偶都被平衡了。

相对于单平面中的公式，这里有

这里的和分别为轴承1和轴承2上传感器所测得的不平衡振动。

试验质量被加在校正面1上，这时运转机器测得的振动为

同样试验质量被加在校正面2上，同时去掉校正面1上的校正质量这时运转机器测得的振动为

因此，一般的有

参数叫做影响系数。

由式(1)和式(2)，分别消去公式中的和得

或者表示为

由式(8)和式(9)，可以计算出和具体到本发明，各端面分别配置2个配重小车，根据力的合成与分解，通过控制2个小车的不同位置，实现在校正平面1加校正质量和校正平面2加校正质量因此可以达到平衡。

以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种大型刚性转子不平衡故障自动平衡装置，包括安装在两个轴承支架(2)之间的转子(1)，其特征在于，还包括：分别设置在转子(1)两端竖直面的轨道机构(4)，每个轨道机构(4)中设置有两个配重小车(5)，配重小车(5)中电机(52)驱动配重小车(5)沿轨道机构(4)转动；

传感器，用于测量转子(1)的振动信号和转速信号；

平衡测量仪，用于接收振动传感器(31)信号并进行处理，处理后信号通过信号发生器传递给配重小车(5)内的控制系统，该控制系统向所述电机(52)发送脉冲信号，控制配重小车(5)在轨道机构(4)中运动。

2.根据权利要求1所述的一种大型刚性转子不平衡故障自动平衡装置，其特征在于：所述轨道机构(4)包括轨道齿圈(41)，其设置在转子(1)端面，轨道齿圈(41)内侧有齿牙；所述配重小车(5)中设置有行走齿轮(55)与轨道齿圈(41)配合，行走轮(55)通过电机(52)驱动。

3.根据权利要求2所述的一种大型刚性转子不平衡故障自动平衡装置，其特征在于：所述轨道齿圈(41)侧面设置有滑轨，配重小车(5)对应的一侧设有限位轮(58)，该限位轮(58)与滑轨配合。

4.根据权利要求2所述的一种大型刚性转子不平衡故障自动平衡装置，其特征在于：所述轨道机构(4)还包括与轨道齿圈(41)同轴的轨道支架(42)，该轨道支架(42)上设置有滑轨，配重小车(5)对应的一侧设有限位轮(58)，该限位轮(58)与滑轨配合。

5.根据权利要求4所述的一种大型刚性转子不平衡故障自动平衡装置，其特征在于：所述轨道支架(42)对称分布在轨道齿圈(41)两侧，配重小车(5)两侧均设置限位轮(58)，与轨道支架(42)上滑轨配合。

6.根据权利要求2所述的一种大型刚性转子不平衡故障自动平衡装置，其特征在于：所述配重小车(5)包括驱动电源、小车壳体(51)、所述行走齿轮(55)和所述电机(52)，所述行走齿轮(55)通过转轴(57)与小车壳体(51)两端的轴承相连，所述驱动电源为电机(52)供电驱动行走齿轮(55)转动。

7.根据权利要求6所述的一种大型刚性转子不平衡故障自动平衡装置，其特征在于：所述电机(52)转轴上连接有传动齿轮(56)，该传动齿轮(56)与行走齿轮(55)啮合。

8.根据权利要求6所述的一种大型刚性转子不平衡故障自动平衡装置，其特征在于：所述电机(52)转轴上连接有带轮或链轮，并在转轴(57)上配置对应带轮或链轮，通过传动带或传动链驱动行走齿轮(55)转动。

9.根据权利要求1～8任一项所述的一种大型刚性转子不平衡故障自动平衡装置，其特征在于：所述电机(52)为步进电机，控制系统为PLC控制系统。

10.一种大型刚性转子不平衡故障自动平衡方法，其特征在于，其平衡步骤为：

步骤1、将传感器置于转子(1)两端的轴承支架(2)上，启动转子(1)，采集转子(1)的振动信号和转速信号；

步骤2、平衡测量仪根据传感器采集到的信号判断转子(1)是否出现动平衡故障，若是，则控制配重小车(5)移动一个角度，记录相关数据，重复移动小车，记录数据，得出平衡块的相位和质量，并输出结果；

步骤3、通过数据处理，将输出的相位和质量转换成电机(52)所需的脉冲数，通过信号发生器发送给控制系统；

步骤4、控制系统发出脉冲，驱动电机(53)转动，带动配重小车(5)小车移动到指定位置。