CN115493747A - 一种基于应变技术的旋转机械轴系动平衡检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于应变技术的旋转机械轴系动平衡检测方法，在旋转设备上安装多组应变片，通过测量低速旋转时转轴多个截面的应变来检测轴系的不平衡力分布情况。该方法不需要通过建立转子动力学模型求取影响系数，动平衡试验准确度较高；同时开展动平衡检测时也无需试加重，能够有效减少动平衡试验次数，提高旋转机械动平衡试验效率，降低动平衡试验风险，尤其适用于旋转机械在整机真实状态下的轴系动平衡故障检测。

Description

一种基于应变技术的旋转机械轴系动平衡检测方法

技术领域

本发明涉及一种旋转机械多轴系动平衡检测试验方法，具体地，涉及一种基于应变技术的旋转机械轴系动平衡检测方法。

背景技术

目前汽轮机、发电机、泵、风机、压缩机、电动机等各类旋转机械生产加工过程中普遍存在转动部件不平衡问题，即轮盘所在截面重心和几何中心不重合，旋转过程中产生离心力，这将会导致振动，从而影响设备安全运行。旋转机械加工制造出来后，都必须进行动平衡试验。目前所采用的动平衡故障检测方法主要有4种：(1)影响系数法，(2)无试重动平衡试验方法，(3)平衡机上平衡法，(4)经验加推法。随着机组向大型化方向发展，对设备可靠性要求越来越高。出现振动问题后，希望一次性解决振动问题，不希望反复、多次试验。动平衡是解决各类旋转机械振动问题的有效手段。因此，研究一种新的动平衡故障检测方法就显得很重要。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中存在的上述不足，而提供一种基于应变技术的旋转机械轴系动平衡检测方法，该方法可以减少动平衡试验次数，提高旋转机械动平衡试验效率，降低动平衡试验风险，尤其适用于旋转机械在整机真实状态下的轴系动平衡故障检测。

本发明解决上述问题所采用的技术方案是：一种基于应变技术的旋转机械轴系动平衡检测方法，其特征是，该检测方法具体步骤如下：

步骤1，对于单轴系旋转机械，分别在转轴前中后三个截面上布置3组应变片，并测量平面应变ε_i，其中i＝1、2、3，则截面弯矩M_i为M_i＝EWε_i；式中：E为转子弹性模量，GPa；W为转子截面模量，mm³；

步骤2，由转轴受力分析列出静态力F的求解方程：

式中：L_i为应变片与轮盘之间的距离，mm；Q_i为应变片截面的剪力，N；q为均布载荷，N/mm；

步骤3，对于含有n个未知外力的多轴系旋转机械，检测外力布置n+2组应变片；

步骤4，由多轴系受力分析列出静态力F_n的求解方程：

A_{2(n+1)×2(n+1)}·X_2(n+1)×1＝B_2(n+1)×1

其中，

X_2(n+1)×1＝[Q₀ Q₁ F₁ … F_n Q_n+1]

步骤5，构建检测模型：与常规外力不同，不平衡力只存在于旋转状态下；在固定坐标系xoy中，不平衡力是随时间周期性变化的动态量；而在与转轴同步旋转的ξoη动态坐标系中，不平衡力是常量，由此引起的转轴应变也是常量；在固定坐标系中的轮盘外力检测模型用于旋转坐标系下不平衡力的检测；

步骤6，不平衡力是矢量，因此需同时测量不平衡力F′的大小和角度；为此，在转轴ξ、η方向上各布置1组应变片，测出正交2个方向上的分力F_ξ和Fη，通过公式计算合成得到轮盘上不平衡力的大小和角度；

F′＝mrw²

其中，r为加重半径，mm；w为旋转角速度，rad/s；

步骤7，检测不平衡力，包括以下步骤：

1)选定应变测量截面，如有n个待检测轮盘，则选择n+2组应变测量截面；

2)选择2个正交方向，标记为ξ、η方向，在2个方向上各布置1组应变片并采集其应变；

3)在低速盘车状态下，采集各截面在ξ、η方向上的应变信号，求平均值；

4)转子达到平衡转速后，采集各截面在ξ、η方向上的应变信号，求平均值，并计算其与低速盘车状态下应变平均值的差值；

5)求解各轮盘在ξ、η方向上的不平衡力，将分力合成得到各轮盘上不平衡力的大小和角度，得到相应的不平衡量。

作为优选，为避免过高转速下应变信号漂移，应保证应变片的粘贴质量，尽量增大2个相邻应变测试截面间的距离。

作为优选，试验前应先测量并记录转轴低速旋转下的应变平均值，在高速试验结束后应再次测量低速旋转下的应变平均值，要求与之前相同状态下的应变平均值相近。

作为优选，转速达到轴系所需的平衡转速时，测试初始状态下2个轮盘上的不平衡量m₁₀和m₂₀；在2个轮盘上加任意形式的1组配重，记为M₁和M₂；测试加配重后2个轮盘上的不平衡量m₁₁和m₂₁；计算加配重前、后不平衡量的差值m₁＝m₁₁-m₁₀和m₂＝m₂₁-m₂₀；其检测误差

作为优选，与轮盘上不平衡力相比，转轴上不平衡力较小，主要承受均布载荷；由于均布载荷不随转轴旋转，在旋转坐标系下检测不平衡力时，设q＝0N/m。

作为优选，通过旋转坐标系下分力的合成来确定不平衡力的大小和方向，不需要配置键相传感器。

作为优选，采集系统包括无线应变节点和无线网关，无线应变节点应具备电磁干扰能力，无线网关与计算机相连，通过计算机软件对无线应变节点进行控制；选用能够进行连续采集和触发采集的抗混叠滤波器。

作为优选，测量方法采用电压激励，接线方式采用惠斯通全桥电路。在ξ和η方向分别布置1组应变片，规定ξ方向为0°；为防止实时无线传输中出现丢点现象，将采集数据保存在节点自带的存储器内。

作为优选，应变片为箔片式电阻应变片，其基底材料为改性酚醛。

本发明与现有技术相比，具有以下优点和效果：该方法不需要通过建立转子动力学模型求取影响系数，动平衡试验准确度较高；同时开展动平衡检测时也无需试加重，能够有效减少动平衡试验次数，提高旋转机械动平衡试验效率，降低动平衡试验风险，尤其适用于旋转机械在整机真实状态下的轴系动平衡故障检测。

附图说明

图1和图2是本发明实施例中单轴系旋转机械外力检测求解模型。

图3是本发明实施例中多轴系旋转机械外力检测求解模型。

图4是本发明实施例中旋转坐标系下的不平衡力示意图。其中

为不平衡力与ξ轴的夹角，t为时间。

图5是本发明实施例中多轴系轮盘两侧粘贴应变片布置示意图。

具体实施方式

下面结合附图并通过实施例对本发明作进一步的详细说明，以下实施例是对本发明的解释而本发明并不局限于以下实施例。

实施例

参见图1至图5，本实施例中，转子试验台由滑动轴承支撑，轴径为100mm，轴长为1200mm，转轴上包含2个可以配重的轮盘。转轴经变速箱和联轴器与20kW的电机相连。

本实施例中，采集系统包括无线应变节点和无线网关，该无线应变节点具备电磁干扰能力，最高采样率为1000次/s，网关与计算机相连，通过计算机软件对无线应变节点进行控制。选用SG403/404无线应变节点设备测量应变信号，并上传至计算机，该节点的A/D分辨率为24bit，选用BYTTERWO-RTH抗混叠滤波器，其同步精度为1ms，可以进行连续采集和触发采集。

本实施例中，试验测量方法为电压激励，接线方式选用惠斯通全桥电路，供桥电压为2.0V，传感器的量程为±1500×10^-6ε，其中ε为单位应变，分辨率为±0.5×10^-6ε，测量精度为0.1级。在ξ和η方向分别布置1组应变片，规定ξ方向为0°。为防止实时无线传输中出现丢点现象，将采集数据保存在节点自带的存储器内。

本实施例中，应变片为箔片式电阻应变片，其基底材料为改性酚醛，应变片电阻为120Ω，灵敏系数为2.08，工作温度为-10～70℃。

轮盘不平衡检测：设定试验转速为1500r/min，在轮盘A不同角度安装130g的质量，下表给出了不同角度下ξ和η方向上不平衡量的检测结果。在不同配重角度下，不平衡量最大相对误差为5.8％＜10％，最大角度偏差为11.4°。

双轮盘不平衡检测：设定试验转速为1500r/min，同时在轮盘A和轮盘B上加配重。下表给出了2组配重状态下的不平衡量检测结果。其中，不平衡量幅值最大相对误差为5.1％＜10％，最大角度偏差为8°。结果表明，本方法可以准确检测出多个轮盘的不平衡量。

本说明书中未作详细描述的内容均属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

虽然本发明已以实施例公开如上，但其并非用以限定本发明的保护范围，任何熟悉该项技术的技术人员，在不脱离本发明的构思和范围内所作的更动与润饰，均应属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于应变技术的旋转机械轴系动平衡检测方法，其特征是，该检测方法具体步骤如下：

步骤1，对于单轴系旋转机械，分别在转轴前中后三个截面上布置3组应变片，并测量平面应变ε_i，其中i＝1、2、3，则截面弯矩M_i为M_i＝EWε_i；式中：E为转子弹性模量，GPa；W为转子截面模量，mm³；

步骤2，由转轴受力分析列出静态力F的求解方程：

式中：L_i为应变片与轮盘之间的距离，mm；Q_i为应变片截面的剪力，N；q为均布载荷，N/mm；

步骤3，对于含有n个未知外力的多轴系旋转机械，检测外力布置n+2组应变片；

步骤4，由多轴系受力分析列出静态力F_n的求解方程：

A_{2(n+1)×2(n+1)}·X_2(n+1)×1＝B_2(n+1)×1

其中，

X_2(n+1)×1＝[Q₀ Q₁ F₁ … F_n Q_n+1]

步骤5，构建检测模型：与常规外力不同，不平衡力只存在于旋转状态下；在固定坐标系x o y中，不平衡力是随时间周期性变化的动态量；而在与转轴同步旋转的ξoη动态坐标系中，不平衡力是常量，由此引起的转轴应变也是常量；在固定坐标系中的轮盘外力检测模型用于旋转坐标系下不平衡力的检测；

步骤6，不平衡力是矢量，因此需同时测量不平衡力F′的大小和角度；为此，在转轴ξ、η方向上各布置1组应变片，测出正交2个方向上的分力F_ξ和Fη，通过公式计算合成得到轮盘上不平衡力的大小和角度；

F′＝mrw²

其中，r为加重半径，mm；w为旋转角速度，rad/s；

步骤7，检测不平衡力，包括以下步骤：

1)选定应变测量截面，如有n个待检测轮盘，则选择n+2组应变测量截面；

2)选择2个正交方向，标记为ξ、η方向，在2个方向上各布置1组应变片并采集其应变；

3)在低速盘车状态下，采集各截面在ξ、η方向上的应变信号，求平均值；

4)转子达到平衡转速后，采集各截面在ξ、η方向上的应变信号，求平均值，并计算其与低速盘车状态下应变平均值的差值；

5)求解各轮盘在ξ、η方向上的不平衡力，将分力合成得到各轮盘上不平衡力的大小和角度，得到相应的不平衡量。

2.根据权利要求1所述的基于应变技术的旋转机械轴系动平衡检测方法，其特征是，为避免过高转速下应变信号漂移，保证应变片的粘贴质量，尽量增大2个相邻应变测试截面间的距离。

3.根据权利要求1所述的基于应变技术的旋转机械轴系动平衡检测方法，其特征是，试验前先测量并记录转轴低速旋转下的应变平均值，在高速试验结束后再次测量低速旋转下的应变平均值，要求与之前相同状态下的应变平均值相近。

4.根据权利要求1所述的基于应变技术的旋转机械轴系动平衡检测方法，其特征是，转速达到轴系所需的平衡转速时，测试初始状态下2个轮盘上的不平衡量m₁₀和m₂₀；在2个轮盘上加任意形式的1组配重，记为M₁和M₂；测试加配重后2个轮盘上的不平衡量m₁₁和m₂₁；计算加配重前、后不平衡量的差值m₁＝m₁₁-m₁₀和m₂＝m₂₁-m₂₀；其检测误差

5.根据权利要求1或4所述的基于应变技术的旋转机械轴系动平衡检测方法，其特征是，与轮盘上不平衡力相比，转轴上不平衡力较小，主要承受均布载荷；由于均布载荷不随转轴旋转，在旋转坐标系下检测不平衡力时，设q＝0N/m。

6.根据权利要求1所述的基于应变技术的旋转机械轴系动平衡检测方法，其特征是，通过旋转坐标系下分力的合成来确定不平衡力的大小和方向，不配置键相传感器。

7.根据权利要求1所述的基于应变技术的旋转机械轴系动平衡检测方法，其特征是，采集系统包括无线应变节点和无线网关，无线应变节点具备电磁干扰能力，无线网关与计算机相连，通过计算机软件对无线应变节点进行控制；选用能够进行连续采集和触发采集的抗混叠滤波器。

8.根据权利要求1或7所述的基于应变技术的旋转机械轴系动平衡检测方法，其特征是，测量方法采用电压激励，接线方式采用惠斯通全桥电路；在ξ和η方向分别布置1组应变片，规定ξ方向为0°；为防止实时无线传输中出现丢点现象，将采集数据保存在节点自带的存储器内。

9.根据权利要求1所述的基于应变技术的旋转机械轴系动平衡检测方法，其特征是，应变片为箔片式电阻应变片，其基底材料为改性酚醛。

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