CN111998998A - 一种智能型高速转子动平衡检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于高速转子动平衡技术领域，公开了一种智能型高速转子动平衡检测装置及方法，主轴变频驱动电机与弾性轴变频驱动电机之间的串级安装是指前一个电机的转子通过轴连接后一个电机的定子，后一个电机的转子输出机械转矩，使得后一个电机的轴转速是两个电机转子转速之和，以此获得较高的转轴转速。主轴变频驱动电机和主轴随动伺服电机之间采用力矩放大式自整角机电气连接，是指在微机信号控制下使随动伺服电机的转速和转角与主驱动电机保持严格一致，实现在非钢性连接条件下的转速与转角同步。弾性轴变频驱动电机与随动检测桶伺服电机之间也采用力矩放大式自整角机电气连接的作用，为在微机控制下保持两者之间转速和转角同步。

Description

一种智能型高速转子动平衡检测装置及方法

技术领域

本发明属于高速转子动平衡技术领域，尤其涉及一种智能型高速转子动平衡检测装置及方法。

背景技术

目前，随着科学技术的发展，制造业领域对高速电机的需求越来越多，如生物工程用的高速离心分离机，医疗器械用的高速电动牙钻，机床工业用的主轴电机、高速钻床，航空、航天用的高速离心泵、高速摄像枪、高速红外扫描仪，“飞轮电池”及激光技术用的高速电动机等。高速电机通常是指转速超过10000r/min的电机，其制造精度要求非常高，但是，由于制造用材料组织的不均匀性及尺寸误差的存在，使高速运转的转子动平衡不足，往往会导致电机剧烈抖动、强烈噪声甚至剧烈摩擦而烧坏轴承，所以需要对转子进行动平衡配平处理。

传统的交流异步电机转子转速低于3000r/min，其解决动平衡的办法相对简单，可以采用如下方法解决：1、尽量采用轴对称设计；2、对动平衡要求较高的电机，可在与转子刚性连接的风扇轮盘上，采用钳工方式进行动平衡检测，使用加减质量载荷的方法来实现转子的动平衡；3、对动平衡要求更高的高速电动机或高速旋转体，则需要对电机转子或旋转体做专门的动平衡配平处理。

现有技术方案：

1、重力式转子动平衡的检测，例如在钳工平台上进行的发动机曲轴动平衡检测与配平；高速电动机转子的动平衡检测与配平。其动平衡检测与配平过程全靠钳工手工操作完成。

2、离心式转子动平衡的检测，例如手摇离心式转子配平装置，虽然不需要钳工平台，但要求铅垂固定，靠离心力标记加减质量载荷的位置，检测与配平过程依然是靠钳工手工操作完成。

3、目前高速电机转子动平衡配平技术多数采用平衡机的方式配平。

现有技术存在的缺点：

对于现有技术方案1、现有技术方案2来说，都是采用传统的低速电机转子配平方式来对高速电机转子进行配平，其缺点显而易见：一是配平时间长，需要十几天甚至几个月；二是配平精度低，难以达到所需的配平要求；三是配平后，高速转子往往还需要反复装机测试动平衡效果，不达标则返工，直到在某个特定的转速下达到动平衡的要求，其动平衡的配平效率很低。

对于现有技术方案3来说，有如下一些缺点：

在平衡要求精度很高的条件下，平衡机系统的某些部件对平衡效果的影响很大。又由于实际情况的复杂，现有平衡机系统的平衡方法的适应性仍然不够广泛，对特殊形状或特殊要求的转子系统，平衡工作更加依赖于经验而非技术。其平衡时间长，平衡转速范围往往无法达到客户要求，无法从根本上解决不平衡问题。

现代变频高速交流异步电动机，由于交流电源频率可达10kHz，其旋转磁场转速最高可达600000r/min；若采用高速双转子交流异步电动机，在电源频率为10kHz且采用3对磁极结构的情况下，高速转子的转速理论上可达40万r/min。此高转速的转子对动平衡提出了更高的要求，无论是采用传统方式平衡还是采用平衡机，都无法满足其平衡要求。理论方面，很多学者将多种有效方法应用与转子动平衡中，如在对柔性转子进行平衡时可以不需要对转子施加试重就可以得到转子的影响系数矩阵的方法即无试重模态平衡法。此方法可以利用已知转子的模态形状及质量确定出转子的模态振型函数，并利用该原理开发出了一套无需试重估算转子平衡所需校正量的测试系统。而邓旺群等利用平衡卡箍成功实现了对最高转速在120000r/min微型涡轮发动机转子的动平衡，并将该项技术推广到所有细长轴柔性转子动平衡中。目前，有关学者将多种方法归为一体，充分对平衡方法进行完善和创新，发挥多种算法的优点。在现在信息化时代，将转子动平衡算法数字化、智能化并利用软件编程实现，提高了转子的自动化水平。需要指出的是，上述研究取得的成果虽然较大，但其研究的本质仍然局限于转子本身，在转子上进行质量载荷的加减配比，平衡精度最后受制于平衡机，更多的研究则侧重于各种配比算法。综合各种文献资料，研究转子动平衡使用的电机最高转速为120000r/min，对于百万转高速转子的动平衡研究尚未发现，而使用配平盘进行高速转子动平衡配平技术，各种文献资料也未提及。

综上所述，现有技术存在的问题是：

(1)配平时间长，需要十几天甚至几个月；配平精度低，难以达到所需的配平要求；三是配平后，高速转子往往还需要反复装机测试动平衡效果，不达标则返工，直到在某个特定的转速下达到动平衡的要求，其动平衡的配平效率很低。

(2)在平衡要求精度很高的条件下，平衡机系统的某些部件对平衡效果的影响很大。又由于实际情况的复杂，现有平衡机系统的平衡方法的适应性仍然不够广泛，对特殊形状或特殊要求的转子系统，平衡工作更加依赖于经验而非技术。其平衡时间长，平衡转速范围往往无法达到客户要求，无法从根本上解决不平衡问题。

(3)现代变频高速交流异步电动机，由于交流电源频率可达10kHz，其旋转磁场转速最高可达600000r/min；若采用高速双转子交流异步电动机，在电源频率为10kHz且采用3对磁极结构的情况下，高速转子的转速理论上可达40万r/min。此高转速的转子对动平衡提出了更高的要求，无论是采用传统方式平衡还是采用平衡机，都无法满足其平衡要求。

解决以上问题及缺陷的难度为：本发明是国家自然科学基金会正式立项的科研课题。任务要求在转子40万r/min的前提条件下，使配平盘与待平衡转子同轴刚性连接，实现动平衡的自动配平。综合应用微型计算机、传感器、电力电子、高压脉冲喷涂等技术，改进传统钳工的动态配平工艺，要求配平性能远远超越现有的平衡机，由此开发出一整套配平过程自动化、配平周期短、高效高精度的高速转子配平控制系统。

解决以上问题及缺陷的意义为：①突破了传统的研究方向，课题的研究成果可以从根本上解决不平衡问题；②促进了学科的综合发展。在机械动平衡校正的工艺中，引入了微型计算机、传感器、电力电子、高压脉冲喷涂等技术，配平精度高；③配平过程连续，且从低速到高速实现在线观察配平效果；④配平工期短且效率高，配平时间平均为2～3小时即可。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种智能型高速转子动平衡检测装置及方法。

本发明是这样实现的，一种智能型高速转子动平衡检测装置，所述智能型高速转子动平衡检测装置设置有：

主轴变频驱动电机、基座检测桶；

主轴变频驱动电机与弾性轴变频驱动电机之间采用轴串级安装；

基座检测桶外安装有微型计算机及液晶触摸屏操作与显示界面，桶内圆安装有信号传输电容的电极；

基座检测桶上端内缘与随动检测桶上端外缘之间安装有柱形高速轴承；基座检测桶底部通过螺栓固定有主轴随动伺服电机，主轴随动伺服电机与弾性轴随动伺服电机之间也采用轴串级连接；

随动检测桶底部上方与同心顶锥之间是轴同心非钢性连接，同心顶锥上端与待配平电机转子轴端中心孔之间为滑动硬接触；

待配平转子轴上端与配平盘下端之间采用同心钢性连接，配平盘上端与弹性轴下端采用同心钢性连接，弹性轴上端通过三爪紧固器与弹性驱动电机轴实现同心钢性连接。

进一步，随动检测桶上部內缘粘接固定有多个辩向电容的极板，配平盘盘圆柱外柱面作为辩向电容的公共电极与检测桶內缘上固定的多个辩向电容极板之间存在检测间隙。

进一步，所述基座检测桶内部侧壁与随动检测桶外侧壁之间粘接固定有环形电容极板构成旋转体与静止体之间的信号传输电容。

进一步，所述随动检测桶上端內缘固定粘贴有多个辩向电容极板与配平盘外圆柱面构成辩向电容；弹性轴上端卡接在中心爪上，中心爪设置在弾性轴变频驱动电机的转轴上；弾性轴变频驱动电机与更上端的主轴变频驱动电机采用轴串级安装。

本发明的另一目的在于提供一种运行所述智能型高速转子动平衡检测装置的智能型高速转子动平衡检测方法，所述智能型高速转子动平衡检测方法包括：检测电路是将辩向电容、环形电容、基础电容串联构成的，容量的变化导致电容对直流或交流电压的分压值随之变化，放大电路将检测到的这种径向位移信息放大到数字电路处理所需要的伏特级，进行数模转换后送给微型计算机；计算机应用软件对各个方向的数据进行分析比对，确定径向位移的实际方向和位移量，为后继的质量配平提供精准配平数据。

进一步，所述智能型高速转子动平衡检测方法包括：配平盘盘圆柱外柱面作为辩向电容的公共电极与检测桶內缘上固定的多个辩向电容极板之间存在检测间隙，间隙随配平盘旋转离心力产生变化，电容极板间隙的变化通过检测电桥转变为电信号，检测信号通过随动检测桶柱面传输电容把信号传输给微型计算机控制识别旋转离心力的作用方向。

综上所述，本发明的优点及积极效果为：智能型高速转子动平衡检测与配平技术是综合应用微型计算机和高速动平衡检测设备、传感器、电力电子、高压脉冲喷涂等技术，改进传统钳工动态配平工艺，开发出一整套使配平过程自动化、周期短、高效高精度的高速转子配平控制系统。智能型高速转子动平衡检测就是其中的一个检测环节。智能型高速转子动平衡检测在使用过程中能够充分发挥现代高技术的优良性能，使得检测与配平过程与操作界面人性化，使用简洁易行便于操作，并可在线观察配平效果，无需反复装机来检验动平衡效果。

本发明可以普及所有的动平衡配平领域，只要是轴旋转体均可配平，配平时间缩减至2-3个小时或一个班次。该套系统一旦研制成功，其售价可在30万以上，智能型旋转体动平衡检测与配平系统解决了动平衡配平的漫长周期与不确定性，在国内外拥有巨大的市场。关于动平衡的理论及实现技术的研究，国内外一直在持续研究。第一台平衡机的出现距今已有100多年的历史，随着科技的进步，其平衡方法也很多，从原理上主要分为软支承平衡机和硬支承平衡机。由于硬支承平衡机具有很多优点，如测量的是转子的不平衡离心力，可以实现“永久标定”，操作简单等，从而得到了越来越广泛的应用。从发展趋势上看，除高速、小型转子的平衡以外，硬支承平衡机将取代软支承平衡机。本发明提出的在转子40万r/min的前提条件下，使用配平盘综合应用微型计算机、传感器、电力电子、高压脉冲喷涂等技术开发出的高速转子连续配平控制系统，其精度高、配平周期短，在国内外尚属首例。本发明在使用过程中能够充分发挥现代高技术的优良性能，使得检测与配平过程与操作界面人性化，使用简洁易行便于操作，并可在线观察配平效果，无需反复装机来检验动平衡效果。

附图说明

图1是本发明实施例提供的智能型高速转子动平衡检测装置结构示意图；

图2是本发明实施例提供的中心紧固爪、弹性轴结构示意图；

图3是本发明实施例提供的配平盘、随动检测通、基座检测桶和辩向电容极板结构示意图；

图中：1、主轴变频驱动电机；2、主动轴；3、弾性轴变频驱动电机；4、中心紧固爪；5、弹性轴；6、质量配平盘；7、随动检测桶；8、基座检测桶；9、柱形高速轴承；10、环形传输电容极板；11、辩向电容极板；12、待配平电机转子；13、同心顶锥；14、弾性轴随动伺服电机；15、主轴随动伺服电机；16、单片微型计算机；17、模数转换；18、程控放大器。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下。

下面结合附图对本发明的结构作详细的描述。

如图1-图2所示，本发明提供的智能型高速转子动平衡检测装置包括：主轴变频驱动电机1、主动轴2、弾性轴变频驱动电机3、中心紧固爪4、弹性轴5、质量配平盘6、随动检测桶7、基座检测桶8、柱形高速轴承9、环形传输电容极板10、辩向电容极板11、待配平电机转子12、同心顶锥13、弾性轴随动伺服电机14、主轴随动伺服电机15、单片微型计算机16、模数转换17、程控放大器18。

主轴变频驱动电机1与弾性轴变频驱动电机3之间采用轴串级安装；基座检测桶8桶外安装有微型计算机及液晶触摸屏操作与显示界面，基座检测桶8桶内圆安装有信号传输电容的电极；

基座检测桶8上端内缘与随动检测桶7上端外缘之间安装有柱形高速轴承9；基座检测桶8底部通过螺栓固定有主轴随动伺服电机15，主轴随动伺服电机15与弾性轴随动伺服电机14之间也采用轴串级连接。

随动检测桶7底部上方与同心顶锥13之间是轴同心非钢性连接，同心顶锥13上端与待配平电机转子12轴端中心孔之间为滑动硬接触；

待配平转子12轴上端与配平盘下端之间采用同心钢性连接(例如花键轴)，配平盘上端与弹性轴5下端采用同心钢性连接，弹性轴5上端通过三爪紧固器与弹性驱动电机轴实现同心钢性连接。

随动检测桶7上部內缘粘接固定有多个辩向电容极板11，配平盘盘圆柱外柱面作为辩向电容的公共电极与随动检测桶7內缘上固定的多个辩向电容极板11之间存在检测间隙，此间隙随配平盘旋转离心力产生变化，辩向电容极板11间隙的变化通过检测电桥转变为电信号，由于配平盘和随动检测桶7是同步转动的，所以检测信号是相对稳定的，检测信号通过随动检测桶7柱面传输电容把信号传输给微型计算机控制识别旋转离心力的作用方向，为后续的质量配平提供精准的依据。

基座检测桶8内部侧壁与随动检测桶7外侧壁上粘接固定有环形传输电容极板10。

随动检测桶7上端內缘粘贴固定有多个辩向电容极板11，与配平盘外圆柱面存在检测间隙，此间隙会随配平盘旋转离心力偏移发生变化，弹性轴5上端卡接在中心紧固爪4上，中心紧固爪4设置有在弾性轴变频驱动电机轴上，弾性轴变频驱动电机3与主轴变频驱动电机轴串级安装。

主轴随动伺服电机与15弾性轴随动伺服电机14也是轴串级安装。

主轴变频驱动电机1与下部的主轴随动伺服电机15采用力矩放大式自整角机电气连接；上部的弾性轴变频驱动电机3与下部的弾性轴随动伺服电机14也采用力矩放大式自整角机电气连接。

下面结合具体实施例对本发明的结构作进一步的描述。

实施例1

本发明将机械弹性轴技术、电容传感技术、微机控制技术综合应用在旋转体动平衡检测技术中，其中电容传感技术中应用了辩向电容(位变电容)、环形电容(滑差电容)、基础电容等概念，完美的将同心顶锥11高速运动中的径向弹性位移变化，转变为基础电容端电压高低变化，并引出传输到到静止的工作台位上，为后继信号处理提供了可行性。

实施例2

随高速旋转体同步转动的随动检测通5，他是承载辩向电容、环形电容的载体，也是将高速运动中的径向位移量转变为电信号传输到静止的台位上的中间载体，为辩向电容在相对静止的环境下检测径向位移变化的方向和尺度提供了基础。

实施例3

辩向精度与辩向电容极板7的数量呈正比，辩向电容极板7的数量越多则辩向精度越高。为简化检测电路结构，本发明中辩向电容极板7的数量采用8片，采用软件细分技术使辩向精度翻倍。若要求辩向精度更高，则可增加辩向电容极板7的数量，如16片、32片、64片等。

本发明实施例提供的智能型动平衡检测方法，具体过程如下：

如图3所示，单片微型计算机16具体型号可依据对产品性能指标的要求灵活选择，本实施例单片机为89S51，模数转换17为ADC0809，程控放大器18AD526；来自辩向信息采集电容桥的多路信号，每一路都对应一个程控放大器18，多个程控放大器18的放大量由微机程序设定，每个程控放大器18的输出都连接模数转换17芯片的一个模拟量输入端，0809芯片有八个模拟量输入端，通过三位二进制数字控制端选择某一个模拟输入端作模数转换17，控制端轮流选通各个模拟输入端，辩向信号经程控放大后送模数转换17芯片数字化，单片机对来自辩向采集后的数字化量进行大小对比，选择其中最小量、最大量、相邻量，依据控制算法确定当前转子实际偏移方向，并点亮相应的发光二极管指示当前转子实际偏移方向。

高速旋转体由于转子质量分布的非均匀性和制造公差，必然在旋转过程中形成径向离心力导致弹性轴形变，进而使得与之同步转动的某一方向上的辩向电容的容量发生变化。检测电路是将辩向电容、环形电容、基础电容串联构成的，容量的变化导致电容对直流或交流电压的分压值随之变化，放大电路将检测到的这种径向位移信息放大到数字电路处理所需要的伏特级，进行数模转换后送给微型计算机；计算机应用软件对各个方向的数据进行分析比对，确定径向位移的实际方向和位移量，为后继的质量配平提供配平数据。

本发明的工作原理为：

为了将高速转动中的径向位移能够客观准确的检测，使用了与旋转体同步转动的随动检测桶7，随动检测桶7与同心顶锥13之间是非钢性连接，由弾性轴随动伺服电机14实现与同心顶锥13同步转动的。使用中可以根据应用需要，灵活采用同步或非同步转动。随动检测桶7又是辩向电容极板11和环形电容极板10的承载体，通过容量不变的环形电容将转动着的径向位移电压信息传递给固定的基础电容，以便放大电路对信息接收处理。

以上所述仅是对本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改，等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。

Claims (6)

1.一种智能型高速转子动平衡检测装置，其特征在于，所述智能型高速转子动平衡检测装置设置有：

主轴变频驱动电机、基座检测桶；

主轴变频驱动电机与弾性轴变频驱动电机之间采用轴串级安装；

基座检测桶外安装有微型计算机及液晶触摸屏操作与显示界面，桶内圆安装有信号传输电容的电极；

基座检测桶上端内缘与随动检测桶上端外缘之间安装有柱形高速轴承；基座检测桶底部通过螺栓固定有主轴随动伺服电机，主轴随动伺服电机与弾性轴随动伺服电机之间也采用轴串级连接；

随动检测桶底部上方与同心顶锥之间是轴同心非钢性连接，同心顶锥上端与待配平电机转子轴端中心孔之间为滑动硬接触；

待配平转子轴上端与配平盘下端之间采用同心钢性连接，配平盘上端与弹性轴下端采用同心钢性连接，弹性轴上端通过三爪紧固器与弹性驱动电机轴实现同心钢性连接。

2.如权利要求1所述的智能型高速转子动平衡检测装置，其特征在于，随动检测桶上部內缘粘接固定有多个辩向电容的极板，配平盘盘圆柱外柱面作为辩向电容的公共电极与检测桶內缘上固定的多个辩向电容极板之间存在检测间隙。

3.如权利要求1所述的智能型高速转子动平衡检测装置，其特征在于，所述基座检测桶内部侧壁与随动检测桶外侧壁之间粘接固定有环形电容极板构成旋转体与静止体之间的信号传输电容。

4.如权利要求1所述的智能型高速转子动平衡检测装置，其特征在于，所述随动检测桶上端內缘固定粘贴有多个辩向电容极板与配平盘外圆柱面构成辩向电容；弹性轴上端卡接在中心爪上，中心爪设置在弾性轴变频驱动电机的转轴上；弾性轴变频驱动电机与更上端的主轴变频驱动电机采用轴串级安装。

5.一种运行权利要求1～4任意一项所述智能型高速转子动平衡检测装置的智能型高速转子动平衡检测方法，其特征在于，所述智能型高速转子动平衡检测方法包括：检测电路是将辩向电容、环形电容、基础电容串联构成的，容量的变化导致电容对直流或交流电压的分压值随之变化，放大电路将检测到的这种径向位移信息放大到数字电路处理所需要的伏特级，进行数模转换后送给微型计算机；计算机应用软件对各个方向的数据进行分析比对，确定径向位移的实际方向和位移量，为后继的质量配平提供精准配平数据。

6.如权利要求5所述的智能型高速转子动平衡检测方法，其特征在于，所述智能型高速转子动平衡检测方法包括：配平盘盘圆柱外柱面作为辩向电容的公共电极与检测桶內缘上固定的多个辩向电容极板之间存在检测间隙，间隙随配平盘旋转离心力产生变化，电容极板间隙的变化通过检测电桥转变为电信号，检测信号通过随动检测桶柱面传输电容把信号传输给微型计算机控制识别旋转离心力的作用方向。

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