CN112307580A - 一种计入动态运行刚度的高精度在线智能动平衡方法 - Google Patents

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Abstract

一种计入动态运行刚度的高精度在线智能动平衡方法，先建立转子轴系的系统模型，获取转子系统的结构参数；再应用预平衡分离动态运行刚度提取方法提取转子系统的动态运行刚度；然后将动态运行刚度输入到到动力学传递系数方程中，求解系统动态动力学影响系数；再利用系统动态动力学影响系数通过分解合成算法求解转子系统的平衡矢量；最后通过在线执行方式执行转子系统的平衡矢量，实现转子系统的在线平衡；本发明将动态运行刚度计入，通过动态动力学影响系数辨识转子系统的不平衡矢量，实现高效高精度矢量在线辨识。

Description

一种计入动态运行刚度的高精度在线智能动平衡方法
技术领域
本发明涉及转子动平衡技术领域，具体涉及一种计入动态运行刚度的高精度在线智能动平衡方法。
背景技术
随着转子系统的不断发展，超高速超精密转子系统成为各种精密设备的关键部分，尤其是在超精密加工领域的精密机床主轴、医学领域的精密转子、航空发动机、精密电机转子等领域，对转子性能和运转平稳性都有极高的要求，微小的不平衡量都会导致转子的精度保持性能下降，导致转子轴系的运转精度无法满足要求，甚至造成转子损伤和加工对象的损伤。
随着智能化的不断发展，对转子的高效平稳运转提出了更高的要求，要求能够在线智能识别出不平衡矢量并且在线进行校正，实时监控转子的运行状态，那么就需要高精度的转子系统不平衡矢量辨识方法来解决转子矢量精确辨识的问题。应用比较广泛的有影响系数法、模态平衡法、无试重平衡技术；影响系数法需要试重，这在微型超精密转子领域的应用受到了限制，更加无法适用于有些场合的在线平衡；模态平衡法需要采集多截面模态信息，平衡效率不高，所需建模技术繁琐复杂，在现场应用中局限性较强；而通用的无试重动平衡技术应用采用的建模技术较为落后，无法准确的实现转子系统不平衡矢量的辨识；因此一种更加有效，更加贴近工况实际的高精度不平衡矢量无试重辨识方法被迫切需要。
目前的在线智能动平衡方法没有将动态运行刚度考虑在内。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供了一种计入动态运行刚度的高精度在线智能动平衡方法，将动态运行刚度计入，通过动态动力学影响系数辨识转子系统的不平衡矢量，实现高效高精度矢量在线辨识。
为了达到上述目的，本发明采取的技术方案如下：
一种计入动态运行刚度的高精度在线智能动平衡方法，包括以下步骤：
步骤1：建立转子轴系的系统模型，获取转子系统的结构参数，结构参数包括质量矩阵参数M，刚度矩阵参数K，阻尼矩阵参数C，陀螺矩阵参数G和角速度参数ω；
步骤2：应用预平衡分离动态运行刚度提取方法提取转子系统的动态运行刚度；
步骤3：将步骤2提取转子系统的动态运行刚度输入到动力学传递系数方程
Figure BDA0002742181970000021
求解系统动态动力学影响系数,式中，α为动态动力学影响系数矩阵，
Figure BDA0002742181970000022
为滞后角；
步骤4：利用步骤3得到的系统动态动力学影响系数通过分解合成算法求解转子系统的平衡矢量；[Q]＝-[α]-1·A，式中，[Q]为转子系统的平衡矢量，A为转子系统的振动矢量；
步骤5：通过在线执行方式执行步骤4获取的转子系统的平衡矢量，实现转子系统的在线平衡。
所述的步骤2中预平衡分离动态运行刚度提取方法，其步骤如下：
1)首先在测试转速下进行预平衡，将振动降至，然后提取平衡后的振动位移
Figure BDA0002742181970000031
作为原始参考信号；
2)通过在配重盘上添加激励质量，由
Figure BDA0002742181970000032
计算得到同步激振力
Figure BDA0002742181970000033
式中，m表示添加的激振质量，r表示激励半径，ω表示转子角速度参数，并且提取此时的振动位移
Figure BDA0002742181970000034
作为比较信号；
3)从振动位移
Figure BDA0002742181970000035
中去除振动位移
Figure BDA0002742181970000036
就是由激励引起的振动响应
Figure BDA0002742181970000037
由于振动位移
Figure BDA0002742181970000038
和振动位移
Figure BDA0002742181970000039
方位不同，因此，由激励引起的振动位移
Figure BDA00027421819700000310
表示为：
Figure BDA00027421819700000311
式中：γ为残余振动和添加的激励质量之间的夹角，表示为：
Figure BDA00027421819700000312
式中：α为残余振动相对于参考零点的夹角；β为添加的激励质量与参考零点的夹角；h1为盘上质量添加孔的数目；h2为相对于参考零点激励质量的添加孔序数，
Figure BDA00027421819700000313
c为
Figure BDA00027421819700000314
的实部；d为
Figure BDA00027421819700000315
的虚部；
4)此时根据轴承刚度计算理论，将轴承的径向动态支承刚度表示为：
Figure BDA00027421819700000316
式中：m为激励质量；e为施加激励质量偏离转子中心的距离；ω为角速度参数。
本发明的有益效果为：
由于本发明方法通过预平衡分离得到动态运行刚度，并将其计入转子轴系模型中进行动平衡，得到的模型相比于传统的模型更加贴近于实际工况，因此系统不平衡矢量辨识更加精确，动平衡的效率也更高。
附图说明
图1为本发明方法的流程图。
图2为本发明方法中动态运行刚度的测试图。
图3为本发明方法实施例1所采用的实验台。
图4(a)为实施例1中转速9,000r/min下平衡结果。
图4(b)为实施例1中转速12,000r/min下平衡结果。
图4(c)为实施例1中转速15,000r/min下平衡结果。
图4(d)为实施例1中转速18,000r/min下平衡结果。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做详细描述。
如图1所示，一种计入动态运行刚度的高精度在线智能动平衡方法，包括以下步骤：
步骤1：建立转子轴系的系统模型，获取转子系统的结构参数，结构参数包括质量矩阵参数M，刚度矩阵参数K，阻尼矩阵参数C，陀螺矩阵参数G和角速度参数ω；
步骤2：应用预平衡分离动态运行刚度提取方法提取转子系统的动态运行刚度；
步骤3：将步骤2提取转子系统的动态运行刚度输入到到动力学传递系数方程
Figure BDA0002742181970000051
求解系统动态动力学影响系数，式中，α为动态动力学影响系数矩阵，
Figure BDA0002742181970000052
为滞后角；
步骤4：利用步骤3得到的系统动态动力学影响系数通过分解合成算法求解转子系统的平衡矢量；
[Q]＝-[α]-1·A
上式中，[Q]为转子系统的平衡矢量，A为转子系统的振动矢量；
步骤5：通过在线执行方式执行步骤4获取的转子系统的平衡矢量，实现转子系统的在线平衡。
如图2所示，所述的步骤2中预平衡分离动态运行刚度提取方法，其步骤如下：
1)首先在测试转速下进行预平衡，将振动速度降至0.4mm/s，然后提取平衡后的振动位移
Figure BDA0002742181970000053
作为原始参考信号；
2)通过在配重盘上添加激励质量，由
Figure BDA0002742181970000054
计算得到同步激振力
Figure BDA0002742181970000055
式中，m表示添加的激振质量，r表示激励半径，ω表示角速度参数，并且提取此时的振动位移
Figure BDA0002742181970000056
作为比较信号；
3)从振动位移
Figure BDA0002742181970000057
中去除振动位移
Figure BDA0002742181970000058
就是由激励引起的振动响应
Figure BDA0002742181970000059
由于振动位移
Figure BDA00027421819700000510
和振动位移
Figure BDA00027421819700000511
方位不同，因此，由激励引起的振动位移
Figure BDA00027421819700000512
表示为：
Figure BDA00027421819700000513
式中：γ为残余振动和添加的激励质量之间的夹角，表示为：
Figure BDA0002742181970000061
式中：α为残余振动相对于参考零点的夹角；β为添加的激励质量与参考零点的夹角；h1为盘上质量添加孔的数目；h2为相对于参考零点激励质量的添加孔序数，
Figure BDA0002742181970000062
c为
Figure BDA0002742181970000063
的实部；d为
Figure BDA0002742181970000064
的虚部；
4)此时根据轴承刚度计算理论，将轴承的径向动态支承刚度表示为：
Figure BDA0002742181970000065
式中：m为激励质量；e为施加激励质量偏离转子中心的距离；ω为角速度参数。
实施例1：本实施例的实验台如图3所示，包括有主轴系统，鉴相传感器、喷头、刀柄接口、液压系统、测控软件、采集控制板卡集成箱、24V直流电源、继电器板卡、传感器调理器等；主轴系统又包含位移传感器、一体化平衡终端、主轴底座、测试支架等；应用本发明方法在该实验台上进行多组转速下实验，以X方向的振动值为监控结果，主轴转速为9,000r/min，12,000r/min，15,000r/min，18,000r/min时得到结果如图4中(a)，(b)，(c)，(d)所示；从图4中结果可以看出，计入动态运行刚度的在线智能动平衡方法平衡精度和平衡效率都非常高，可以进行多次加载平衡。

Claims (2)

1.一种计入动态运行刚度的高精度在线智能动平衡方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：建立转子轴系的系统模型，获取转子系统的结构参数，结构参数包括质量矩阵参数M，刚度矩阵参数K，阻尼矩阵参数C，陀螺矩阵参数G和角速度参数ω；
步骤2：应用预平衡分离动态运行刚度提取方法提取转子系统的动态运行刚度；
步骤3：将步骤2提取转子系统的动态运行刚度输入到到动力学传递系数方程
Figure FDA0002742181960000011
求解系统动态动力学影响系数，式中，α为动态动力学影响系数矩阵，
Figure FDA0002742181960000012
为滞后角；
步骤4：利用步骤3得到的系统动态动力学影响系数通过分解合成算法求解转子系统的平衡矢量；
[Q]＝-[α]-1·A
上式中，[Q]为转子系统的平衡矢量，A为转子系统的振动矢量；
步骤5：通过在线执行方式执行步骤4获取的转子系统的平衡矢量，实现转子系统的在线平衡。
2.根据权利要求1所述的一种计入动态运行刚度的高精度在线智能动平衡方法，其特征在于，所述的步骤2中预平衡分离动态运行刚度提取方法，其步骤如下：
1)首先在测试转速下进行预平衡，将振动速度降至0.4mm/s，然后提取平衡后的振动位移
Figure FDA0002742181960000013
作为原始参考信号；
2)通过在配重盘上添加激励质量，由
Figure FDA0002742181960000021
计算得到同步激振力
Figure FDA0002742181960000022
式中，m表示添加的激振质量，r表示激励半径，ω表示转子旋转角速度，并且提取此时的振动位移
Figure FDA0002742181960000023
作为比较信号；
3)从振动位移
Figure FDA0002742181960000024
中去除振动位移
Figure FDA0002742181960000025
就是由激励引起的振动响应
Figure FDA0002742181960000026
由于振动位移
Figure FDA0002742181960000027
和振动位移
Figure FDA0002742181960000028
方位不同，因此，由激励引起的振动位移
Figure FDA0002742181960000029
表示为：
Figure FDA00027421819600000210
式中：γ为残余振动和添加的激励质量之间的夹角，表示为：
Figure FDA00027421819600000211
式中：α为残余振动相对于参考零点的夹角；β为添加的激励质量与参考零点的夹角；h1为盘上质量添加孔的数目；h2为相对于参考零点激励质量的添加孔序数，
Figure FDA00027421819600000212
c为
Figure FDA00027421819600000213
的实部；d为
Figure FDA00027421819600000214
的虚部；
4)此时根据轴承刚度计算理论，将轴承的径向动态支承刚度表示为：
Figure FDA00027421819600000215
式中：m为激励质量；e为施加激励质量偏离转子中心的距离；ω为角速度参数。
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