CN108827536B - 一种组合回转系装配在线动平衡检测系统及检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种组合回转系装配在线动平衡检测系统及检测方法，所述检测系统包括平衡分析系统、数据采集系统、检测传感器以及组合回转系，反光标记贴在转子上，转速测试传感器安装在非旋转部件上，并对准转子上的反光标记，振动测试传感器分别安装在各个轴承座上，检测传感器与数据采集系统相连，数据采集系统与动平衡分析系统相连。所述检测方法采用矢量坐标运算法，针对组合回转系进行动平衡检测，并配置配重，消除转子装配后互相响应而带来的振动。本发明本发明可满足在线动平衡操作方便，准确度高，平衡效果好的要求，可用于机械、航空、电力等各个行业中转子的平衡，有助于整个系统的减振减噪、减小磨损、延长机器的使用寿命。
Description
技术领域
本发明属于机械振动与转子技术领域，具体涉及一种组合回转系装配在线动平衡检测系统及检测方法，可广泛应用于机械、航空、电力等行业的转子动平衡检测。
背景技术
近年来，现代工业的发展势头迅猛，为确保机械设备稳定工作，延长寿命，缓解疲劳，设备的振动问题成为大家的关注点。一般来说，振动往往会带来许多危害。例如，机床振动会降低工件加工精度、增大表面粗糙度；电动机转子的过大振动会使运转不正常，船舶振动会影响船上仪器的精确使用；振动引起的交变应力会使零件发生疲劳破坏等。
目前，对于旋转机械的动平衡方式有：机上动平衡和现场(在线)动平衡两种方法。机上动平衡是在固定式或可移动式的各种动平衡机上进行动平衡，主要应用于转子的制造阶段，消除转子在加工和装配过程中造成的原始不平衡。虽然动平衡机平衡精度高、平衡速度快，但由于机器和动平衡机上的支承状态不同，所以这只能保证转子在动平衡机上达到平衡，而不能保证装到工作部位上也是平衡的。
相较于机上动平衡的局限性，现场动平衡有许多优点，包括：不必拆卸机器，降低成本，减少检修时间，可以补偿装配上的误差，检验平衡效果和精度直观准确，甚至能解决动平衡机平衡难于解决甚至不能解决的平衡问题。
到了近几年，电测技术的进一步发展推动了现场动平衡技术的前进，许多国内学者开始自己设计制造测振系统和现场动平衡设备，2005年浙江大学的陈爱萍和张志新开发了一种新的风机整机现场动平衡仪；2007年重庆大学的曹雏清和陈国聪开发了一种用于离心泵转子现场动平衡测试的便携式仪器；2010年重庆科技学院的姜占平和唐一科开发了一种高精度现场动平衡智测试系统；2011年广西大学的陈非凡等人开发了基于虚拟仪器技术的现场动平衡测试系统。
现在市面上已经出现大量采用可编程芯片的新型动平衡测量设备和各类PC辅助的动平衡测试设备，但目前市面上的动平衡仪主要是针对单个转子的动平衡进行分析计算，给出平衡方案。在实际工业生产设备当中，绝大部分都是由多个转子组成的组合回转系，这样由多个转子、多个支承组成的组合回转系，其不平衡的原因及平衡方法都与单个转子不同。
其实对于轴系或是多转子的平衡问题，国内早已有人研究，但他们均以串联系统为研究对象，对于并联多转子的动平衡相关报道甚少。
发明内容
动平衡的工作现场多种多样，机组情况各异，过于庞大、复杂的平衡设备可能无法进入现场，不易于使用。针对这一问题，本发明旨在开发一套针对由多个并联刚性转子组成的组合回转系的检测系统的，组合回转系装配在线动平衡检测系统及检测方法，能够实现组合回转系的不平衡量的测量，并对系统进行校重计算；以解决多个经过机上动平衡的转子装配后产生新的不平衡的问题。
本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。
一种组合回转系装配在线动平衡检测系统，其特征在于，包括动平衡分析系统、数据采集系统、检测传感器、组合回转系；检测传感器包括振动测试传感器、反光标记、转速测试传感器。
组合回转系包括轴承座以及转子；其中，轴承座与转子相连；反光标记贴在转子上；转速测试传感器安装在非旋转部件上，并对准转子上的反光标记，用于获取转子上的振动信号；振动测试传感器分别安装在各个轴承座上；检测传感器与数据采集系统相连、数据采集系统与动平衡分析系统相连，数据采集系统将采集所有检测传感器检测到的数据，同时将数据传输至动平衡分析系统进行分析和校正，得到振动的幅值与相位，并自动计算出配重的质量及位置。
进一步地，所述转速测试传感器与反光标记的距离为30mm。
进一步地，被测对象组合回转系中包含多个并联刚性转子。
进一步地，所述多个并联刚性转子之间传动方式为链传动或带传动；具有直接传动关系的转子是指转子之间通过同一根带或链进行传动的转子。
进一步地，振动测试传感器为加速度传感器，测定范围为0～500m/s2。
进一步地，转速测试传感器的测定范围为0～1200r/min。
进一步地，被测对象组合回转系中并联刚性转子的数量为3～5个。
所述组合回转系装配在线动平衡检测系统,采用如下方法进行检测：
(1)建模
1.1)建立一个组合回转系的有限元模型，将组合回转系的所有转子离散成为轴单元、圆盘单元和轴承单元，并在每个单元上设置节点，进行动力学特性分析，得到各单元的运动微分方程，再通过广义坐标，将每一个转子所有单元的运动微分方程组合到一起，得到每一个转子的运动微分方程；
1.2)假设组合回转系是由多个单转子系统与连接副的组合，单转子系统由一个转子、旋转轴与两个轴承座构成；根据每一个转子的受力点在组合回转系上设置节点，对组合回转系进行动力学特性分析，得到组合回转系的运动微分方程；
1.3)根据所得的每一个转子的运动微分方程及组合回转系的运动微分方程，分别对每一个转子及组合回转系进行模态分析，计算每一个转子的不平衡响应；
1.4)基于检测系统采集每一个转子的振动信号，将有限元建模所得的每一个转子的运动微分方程、组合回转系的运动微分方程与实际模态分析、计算的不平衡响应结果进行对比，确定每一个转子的固有频率，找到每一个转子的振动信号与组合回转系中与其具有直接传动关系的转子的振动信号之间的联系，计算两者之间的激励响应，建立一个数学模型；
(2)测试
2.1)将各个检测传感器安装到位，并与数据采集系统、动平衡分析系统相连；
2.2)开动机器，使各转子以平衡转速运行，通过检测传感器与数据采集系统测得每一个转子的振动信号，该信号会在计算机上进行显示；首先根据振源的振动频率设置滤波范围，滤除部分无效信号；再根据每一个转子的固有频率区分出转子自身的振动信号及激励响应的信号；最后利用数学模型从激励响应的信号中获取具有直接传动关系的转子对该转子的激励响应信号，该信号称之为有效激励响应信号；
2.3)利用动平衡分析系统提取出每一个转子自身振动信号的幅值与相位以及有效激励响应信号的幅值与相位，将多个并联刚性转子的不平衡量，即幅值与相位，通过矢量的坐标运算法则进行合成，得到组合回转系的不平衡量，再将组合回转系不平衡量重新进行分解，使得每一个分量都落在各个转子的校正面上，然后利用动平衡算法计算出所添加的配重块的质量与位置。
进一步地，所述2.3)中矢量的坐标运算法则具体为：将坐标系的原点定为其中某一个转子的中心，将矢量的坐标运算分为两种：一种采用平面矢量即二维坐标运算，适用于多个校正面在同一平面的情况，另一种采用空间矢量即三维坐标运算，适用于多个校正面不在用一平面的情况。
进一步地，所述建模步骤中还包括在数学模型的基础上，以原始振动信号为依据，以矢量坐标运算法为手段，利用Matlab开发用以计算出动平衡的配重及位置动平衡算法的步骤。
本发明提供一种适用于3～5个并联刚性转子的动平衡检测系统及方法，可用于机械、航空、电力等各个行业中转子的平衡，有助于整个系统的减振减噪、减小磨损、延长机器的使用寿命。所述的组合回转系装配在线动平衡检测系统，可有效减少机器启停次数，降低开机成本，提高现场工作效率。本发明中的动平衡方法可以有效减少转子之间互相激励产生的不平衡，相比对系统中单个转子依次进行动平衡，同时对多个并联刚性转子进行动平衡的减振效果更为显著。其检测设备由检测传感器、数据采集系统、动平衡分析系统构成，制造成本低、搭建简单、安装拆卸方便，由于设备轻便易携，适用于在线动平衡，其使用场合也较为广泛。
所述检测方法，利用矢量法坐标运算的原理，可以通过平移坐标的方法，准确定位配重位置，减小安装误差。检测方法及配重计算精确度高，智能化程度高，大大减少了人力物力损失。
附图说明
图1是组合回转系装配在线动平衡检测系统的结构示意图。
图2是组合回转系装配在线动平衡检测方法工作流程图。
图中：
1.动平衡分析系统，2.数据采集系统，301.振动测试传感器，302.反光标记，303.转速测试传感器，401.轴承座，402.转子。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。
如图1所示，本发明所述的组合回转系装配在线动平衡检测系统，包括动平衡分析系统1、数据采集系统2、检测传感器3、组合回转系4。检测传感器包括振动测试传感器301、反光标记302、转速测试传感器303，组合回转系包括轴承座401以及转子402。轴承座401与转子402相连；反光标记302贴在转子402上；转速测试传感器303安装在非旋转部件上，并对准转子上的反光标记，距离一般为30mm。振动测试传感器301分别安装在各个轴承座401上。检测传感器3与数据采集系统2相连；数据采集系统2与动平衡分系统1相连。
当振动测试传感器301测得信号后经由振动信号处理电路传输到AD转换器中，而转速传感器303则先通过基信号处理电路，再通过I/O端口将信号传输到AD转换器中，AD转换器将采集到的信号转为数字信号后送入微处理器中进行滤波、区分有效信号，并根据数学模型提取出有效激励响应信号，得到振动幅值及其相位，即转子402不平衡量及其相位。通过矢量坐标法的运算计算出所需添加配重的质量及位置。
被测对象组合回转系中包含3～5个并联刚性转子；所述多个并联刚性转子402之间传动方式为链传动或带传动；具有直接传动关系的转子402是指转子之间通过同一根带或链进行传动的转子402。振动传感器为加速度传感器，测定范围为0～500m/s2；转速测试传感器的测定范围为0～1200r/min。
本发明所述的组合回转系装配在线动平衡检测方法，在停机状态下将振动测试传感器及转速测量传感器安装到位，并与数据采集系统和动平衡分析系统相连，由各个传感器采集转子的振动信号，经由数据采集系统传输到计算机中，利用动平衡分析系统对振动信号进行分析，提取出转子的不平衡量，并自动进行不平衡量合成与重新分解，计算出配重的质量与位置，现场工作人员即可根据计算结果添加配重块。
具体的：要对组合回转系进行动平衡，首先就需要对单个转子及整个系统的固有特性有所了解，并建立一个数学模型来描述转子振动与系统振动之间的关系。
数学建模的步骤如下：
A)建立一个组合回转系4的有限元模型，建立一个组合回转系4的有限元模型，将组合回转系的所有转子402离散成为轴单元、圆盘单元和轴承单元，并在每个单元上设置节点，进行动力学特性分析，得到各单元的运动微分方程，再通过广义坐标，将每一个转子402所有单元的运动微分方程组合到一起，得到每一个转子402的运动微分方程。
B)假设组合回转系4是由多个单转子系统与连接副的组合，单转子系统由一个转子402、旋转轴与两个轴承座构成；根据每一个转子的受力点在组合回转系4上设置节点，对组合回转系4进行动力学特性分析，得到组合回转系4的运动微分方程。
C)根据所得的每一个转子402的运动微分方程及组合回转系4的运动微分方程，分别对每一个转子402及组合回转系4进行模态分析，计算每一个转子402的不平衡响应。
D)基于测试系统采集每一个转子402的振动信号，将有限元建模所得的每一个转子的运动微分方程、组合回转系4的运动微分方程与实际模态分析、计算的不平衡响应结果进行对比，确定每一个转子的固有频率，找到每一个转子402的振动信号与组合回转系4中与其具有直接传动关系的转子402的振动信号之间的联系，计算两者之间的激励响应，建立一个数学模型。
E)在数学模型的基础上，利用Matlab开发一套算法，以原始振动信号为依据，计算出动平衡的配重及位置。
组合回转系的装配在线动平衡检测系统的矢量法的运用如下：
初始运转时，组合回转系4在平衡转速下运转，可测得测点处振动位移的峰—峰值及其相应的相位，通过振幅计算得到不平衡量U的大小，而相位与振动相位一致。
将单个转子402的不平衡量通过矢量的坐标运算法则进行合成，得到系统的不平衡量，再将系统不平衡量重新进行分解，使得每一个分量都落在转子的校正面上，然后分别在振动的反方向添加配重块。
在进行矢量坐标运算时，出于简化计算过程及便于配重精确定位的目的考虑，可以将坐标系的原点定为其中某一个转子402的中心。由于动平衡现场情况复杂，多个并联刚性转子的校正面可能不在同一平面上，因此可以将矢量的坐标运算分为两种。一种采用平面矢量即二维坐标运算，适用于多个校正面在同一平面的情况，另一种采用空间矢量即三维坐标运算，适用于多个校正面不在用一平面的情况。
如图2所示，组合回转系的装配在线动平衡检测系统的使用步骤如下：
A)将各个检测传感器3安装到位，并与数据采集系统2、动平衡分析系统1相连。
B)开动机器，使各转子402以平衡转速运行，通过检测传感器3与数据采集系统2，测得每一个转子402的振动信号，该信号会在计算机上进行显示；首先根据振源的振动频率设置滤波范围，滤除部分无效信号；再根据每一个转子402的固有频率区分出转子402自身的振动信号及激励响应的信号；最后利用数学模型从激励响应的信号中获取具有直接传动关系的转子402对该转子402的激励响应信号，该信号称之为有效激励响应信号；
C)利用动平衡分析系统提取出每一个转子自身振动信号的幅值与相位以及有效激励响应信号的幅值与相位，将多个并联刚性转子402的不平衡量，即幅值与相位，通过矢量的坐标运算法则进行合成，得到组合回转系4的不平衡量，再将组合回转系4不平衡量重新进行分解，使得每一个分量都落在各个转子402的校正面上，然后利用动平衡算法计算出所添加的配重块的质量与位置。
D)开机，测量转子校正过后的剩余不平衡量是否符合标准。
所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种组合回转系装配在线动平衡检测系统，其特征在于，包括动平衡分析系统(1)、数据采集系统(2)、检测传感器(3)、组合回转系(4)；检测传感器(3)包括振动测试传感器(301)、反光标记(302)、转速测试传感器(303)，
组合回转系(4)包括轴承座(401)以及转子(402)；其中，轴承座(401)与转子(402)相连；反光标记(302)贴在转子(402)上；转速测试传感器(303)安装在非旋转部件上，并对准转子上的反光标记(302)；振动测试传感器(301)分别安装在各个轴承座(401)上，用于获取转子(402)上的振动信号；检测传感器(3)与数据采集系统(2)相连、数据采集系统(2)与动平衡分析系统(1)相连，数据采集系统(2)将采集所有检测传感器(3)检测到的数据，同时将数据传输至动平衡分析系统(1)进行分析和校正，得到振动的幅值与相位，并自动计算出配重的质量及位置；所述组合回转系(4)中包含多个并联刚性转子(402)；所述组合回转系装配在线动平衡检测系统,采用如下方法进行检测：
(1)建模
1.1)建立一个组合回转系(4)的有限元模型，将组合回转系的所有转子(402)离散成为轴单元、圆盘单元和轴承单元，并在每个单元上设置节点，进行动力学特性分析，得到各单元的运动微分方程，再通过广义坐标，将每一个转子(402)所有单元的运动微分方程组合到一起，得到每一个转子(402)的运动微分方程；
1.2)假设组合回转系(4)是由多个单转子系统与连接副的组合，单转子系统由一个转子(402)、旋转轴与两个轴承座构成；根据每一个转子的受力点在组合回转系(4)上设置节点，对组合回转系(4)进行动力学特性分析，得到组合回转系(4)的运动微分方程；
1.3)根据所得的每一个转子(402)的运动微分方程及组合回转系(4)的运动微分方程，分别对每一个转子(402)及组合回转系(4)进行模态分析，计算每一个转子(402)的不平衡响应；
1.4)基于检测系统采集每一个转子(402)的振动信号，将有限元建模所得的每一个转子的运动微分方程、组合回转系(4)的运动微分方程与实际模态分析、计算的不平衡响应结果进行对比，确定每一个转子的固有频率，找到每一个转子(402)的振动信号与组合回转系(4)中与其具有直接传动关系的转子(402)的振动信号之间的联系，计算两者之间的激励响应，建立一个数学模型；
(2)测试
2.1)将各个检测传感器(3)安装到位，并与数据采集系统(2)、动平衡分析系统(1)相连；
2.2)开动机器，使各转子(402)以平衡转速运行，通过检测传感器(3)与数据采集系统(2)测得每一个转子(402)的振动信号，该信号会在计算机上进行显示；首先根据振源的振动频率设置滤波范围，滤除部分无效信号；再根据每一个转子(402)的固有频率区分出转子(402)自身的振动信号及激励响应的信号；最后利用数学模型从激励响应的信号中获取具有直接传动关系的转子(402)对该转子(402)的激励响应信号，该信号称之为有效激励响应信号；
2.3)利用动平衡分析系统提取出每一个转子自身振动信号的幅值与相位以及有效激励响应信号的幅值与相位，将多个并联刚性转子(402)的不平衡量，及幅值与相位，通过矢量的坐标运算法则进行合成，得到组合回转系(4)的不平衡量，再将组合回转系(4)不平衡量重新进行分解，使得每一个分量都落在各个转子(402)的校正面上，然后利用动平衡算法计算出所添加的配重块的质量与位置。
2.根据权利要求1所述组合回转系装配在线动平衡检测系统，其特征在于：所述转速测试传感器(303)与反光标记(302)的距离为30mm。
3.根据权利要求1所述组合回转系装配在线动平衡检测系统，其特征在于：所述多个并联刚性转子(402)之间传动方式为链传动或带传动；具有直接传动关系的转子(402)是指转子之间通过同一根带或链进行传动的转子(402)。
4.根据权利要求1所述组合回转系装配在线动平衡检测系统，其特征在于：振动测试传感器(301)为加速度传感器，测定范围为0～500m/s2。
5.根据权利要求1所述组合回转系装配在线动平衡检测系统，其特征在于：转速测试传感器(303)的测定范围为0～1200r/min。
6.根据权利要求1所述组合回转系装配在线动平衡检测系统，其特征在于：被测对象组合回转系(4)中并联刚性转子(402)的数量为3～5个。
7.根据权利要求1所述组合回转系装配在线动平衡检测系统，其特征在于：所述2.3)中矢量的坐标运算法则具体为：将坐标系的原点定为其中某一个转子(402)的中心，将矢量的坐标运算分为两种：一种采用平面矢量即二维坐标运算，适用于多个校正面在同一平面的情况，另一种采用空间矢量即三维坐标运算，适用于多个校正面不在同一平面的情况。
8.根据权利要求1所述组合回转系装配在线动平衡检测系统，其特征在于，所述建模步骤中还包括在数学模型的基础上，以原始振动信号为依据，以矢量坐标运算法为手段，利用Matlab开发用以计算出动平衡的配重及位置动平衡算法的步骤。
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