CN1191307A - 转子全息动平衡方法 - Google Patents
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一种涉及旋转机械振动诊断与控制领域的转子全息动平衡方法,基于全息谱信息集成的原理,在获取转子上全部传感器振动信息的基础上,集成幅、频、相信息,以全面地描述转子的振动行为,作为评定转子失衡状态和试重影响的依据,从而选择转子最佳平衡面和加重质量及方位。
Description
本发明属于转子动平衡技术领域，进一步涉及旋转机械振动诊断与控制领域。
目前，转子动平衡方法，从原理上区分，可以归为两大类，即振型平衡法和影响系数法。振型平衡法需要对转子系统的振型，临界转速等参数有先验的了解，而且这些参数在计算时由于假设太多与近似，影响平衡的精度与效率。影响系数法需要多次加重以测定反映转子不平衡响应全貌的影响系数矩阵，另外，由于平衡面选择不当等原因易造成影响系数矩阵病态化。因而，目前两种平衡方法，都需要大量的人工参与，过多地依赖平衡专家的经验。挠性转子的平衡基本上还是一种(在理论指导下的)手工试凑过程。
另一方面，目前平衡所利用的振动信号，都是用一个传感器从单向采集。这样做是基于转子系统各向刚度相等的假设，在转子各向刚度存在明显差异时，现行的方法必然会带来误差，降低平衡精度，严重影响平衡的效率。
本发明的目的在于提供一种全新、直观、明了的动平衡方法。该方法基于全息谱信息集成的原理，在获取转子上全部传感器振动信息的基础上，集成幅、频、相信息，以全面地描述转子的振动行为，作为评定转子失衡状态和试重影响的依据，从而选择转子最佳平衡面和加重质量及方位。
图1是移相椭圆示意图。
图2是转子试验台示意图。
图3是转子在5600rpm下的三维全息谱图。
图4是两平面加重示意图。
图5是加重两平面的二维全息谱图。
图6是加重前后的信号图。
图7是加重两平面初相点的全息参数示意图。
图8是分解后的静力和力偶三维全息谱。
图9是平衡加重示意图。
图10是加重后的三维全息谱。
图11是加重后的试重轨迹图。
图12是试重轨迹的静力分解图。
图13是试重轨迹的力偶分解图。
图14是动不平衡试重静力，力偶分解图。
图15是最终平衡方案示意图。
下面结合附图对本发明的原理作详细的说明。
本发明的具体实施步骤如下(本发明可用于现场动平衡，也可用于现有平衡机的改造，因为这两种方法的原理是一样的，在这里着重阐述现场平衡时的实施步骤。)：
1.采集故障机组数据，利用全息谱能正确辨别故障的性质，判明机组是否以不平衡为主导故障。若是，则进行下一步。
2.根据现场机组转子的情况，决定加重面个数。
3.将采集的数据进行数据预处理，与键相信号归一化。
4.利用全息谱软件，精确地求出各传感器拾取的信号的幅值、频率和相位。作出各个数据采集面的二维全息谱及转子转频下的三维全息谱。
5.将三维转频全息谱分解，比较力不平衡与力偶不平衡初相点矢量的大小，根据比较的结果决定平衡方案。方案主要包括优先平衡静力不平衡，优先平衡力偶不平衡和力、力偶同时平衡。三种方案分别对应着三种比较结果。
6.根据平衡方案，结合机组的平衡转速，确定试重添加的大小和方位。对于工作在一、二阶临界转速之间的转子，将其静力分量反向后与力偶分量重新合成为一矢量，在此矢量的反方向加重。
用本发明的的添加试重的方法，对于两不平衡面，两配重面的转子，能在第一次添加试重时便可获得较好的效果，从而减少起车次数，提高平衡效率。
7.采集加重后的数据，作出试重轨迹。
8.将试重轨迹分解，检验分解后的静力、力偶分量的初相点是否落在相应的移相椭圆之内，根据其与移相椭圆中心的角度差与大小之比，分别确定静力、力偶分量应该修正的大小和角度。以静力分量为例来说明，参照图1。
图1中，1为移相椭圆，2为试重轨迹的静力分量，3为原始轨迹的静力分量，4为初相点。原始轨迹静力分量初相点为P0，试重轨迹的静力分量初相点为A。有效的平衡试重，其试重轨迹初相点应落在原始轨迹的移相椭圆之内。而且应以移相椭圆的圆心为努力目标。所以，试重的静力分量应使试重椭圆形成的初相点B正处于原始椭圆与移相椭圆的圆心连线OO1上。则此静力分量应沿圆周上移过AOB角，使形成的初相点正对P0。
静力分量的修正比应等于原始椭圆和试重椭圆的初相点矢径之比。也即是
与
OB之比。
9.将两个平面所加的试重分解为力不平衡量和力偶不平衡量。根据第8步确定的静力、力偶分量的修正量，分别修正力不平衡量和力偶不平衡量。
10.将两个平面的修正过的力不平衡量和力偶不平衡量矢量合成。合成后的结果即是两个平面所应加的校正配重。
11.校正配重加上后，测试再次加重后的结果，如果满足平衡要求，则平衡结束。否则，重复第3～10步。
本发明提供的全息动平衡方法，为动平衡领域开辟了新的思路，显示了如下优越性：
1.充分地利用了双向传感器的信息，考虑了转子—轴承系统两个方向刚度不等对数据的影响。用全息谱参数，如半长轴、初相点矢量等来表征振动的强度，更加全面也更加真实。
2.利用图形方式显示平衡过程、结果及效果，平衡方法直观明了。
3.对人员经验的依赖性低。本发明用于现场动平衡时，大量的计算和角度判断均由软件在后台完成。一方面可以减少人为判断出错，另一方面工厂的技术人员通过简单的学习就可掌握，使工厂的设备管理有更大的自主性。
4.本发明利用三维全息谱分解的方法，使平衡问题简化。而且通过分解后的再次合成，使一次加重便能起到较好的效果，大大地提高了平衡的效率。
5.可以实现两个平面同时加重，减少了启车次数。
本发明多次在生产现场机组和本所的转子实验台上进行过验证。实验台布置如图2，图2中1，2，3，4，5分别为五个涡流传感器，6，7分别为平面一和平面二。
转子系统由两个加重盘组成。分别由四个涡流传感器分二组测量两端轴承附近的振动，一个涡流传感器用于相位基准测量。平衡要求是转子在工作转速5600rpm时(在一、二阶临界转速之间)，降低原始振动并在起动时顺利通过一阶临界转速。整个实验过程如下：
1启动转子至实验转速，测量转子在各个转速下的原始振动。图3为转子在5600rpm下的三维全息谱。
为了实验的需要，我们可以加上试重，人为地增大不平衡，并且以加重后的振动作为原始振动。
2停车，在转子左、右盘上分别加重0.75g，加重方位如图4，图4中(a)为平面一，(b)为平面二。
3再次启动转子至实验转速，测量转子在各个转速下的振动。
参照图5，图5中(a)，(b)分别为平面一和平面二的二维全息谱。由图5，我们知道此时转子主要以不平衡故障为主，因而我们可以进行下一步。并以此时的振动作为原始振动。4.数据预处理：
参照图6，图6中(a)为处理前的信号，(b)为处理后的信号。5.作出转子系统的三维转频全息谱：
在转子转速为5600RPM时，测得的实验结果如后面附表。
全息变换后，表征平面振动的全息谱参数—全息谱图初相点分别为：V1＝42.18@-55.54(平面一)，V2＝76.67@12.97(平面二)，参照图7。6.将三维转频全息谱分解：
图8中(a)为分解后的静力分量，(b)为分解后的力偶分量。7.制定平衡方案：
由图8可知，转子上力偶不平衡与静力不平衡都不可忽视。因而，比较安全的做法是同时校正两种不平衡。8.加试重：
平衡转速位于一、二阶临界转速之间，在加试重时应加在静力分量反向后与力偶分量合成的矢量反向。
平面一，我们将静力分量反向与力偶分量合成得到的矢量为
U1′＝76.67mv@-167.03；
平面二，我们将静力分量反向与力偶分量合成得到的矢量为
U2′＝42.18mv@124.46。
我们应该在U1′，U2′的反向加重。也即是平面一在12.97度加重。平面二在-55.54度加重。而且平面一与平面二所加试重的大小之比为1.8。由于转盘圆周上加重螺孔位置的限制，最终所加试重的大小为0.5g，方位分别为22.5度和-37.5度，如图9所示，图9中(a)，(b)分别为平面一、平面二。9.测量加重后的振动：
正如我们所期待的，由于加重方位大方向上的准确性，振动得到了一定程度上的抑制。如图10所示。
作出试重轨迹如图11所示。
试重轨迹表征试重的影响以静力为主，这也是与我们加重的性质相符合的。更进一步地，由于试重主要平衡了转子系统的静力不平衡分量，图11表征转子系统此时以力偶不平衡为主。将试重轨迹分解如图12，13。
图12，图13中，虚线所示为移相椭圆，实线分别为原始轨迹与试重轨迹的分解结果。图12中，试重轨迹静力分量的初相点刚好位于原始轨迹静力分量初相点的反方向位置，也即是原始轨迹静力分量的移相椭圆中心位置，因而转子的大部分的静力不平衡得以抵消。分别比较图12，图13中试重轨迹初相点矢量与移相椭圆中心位置，我们不难得出以下修正量：
静力分量：大小增大1.07倍，角度逆时针旋转2.2度；
力偶分量：大小增大2.57倍，角度顺时针旋转31.4度。10.修正试重：
同时，我们也将添加的动不平衡试重分解为静力不平衡量和力偶不平衡量。如图14所示。
F1为平面一与平面二的静力不平衡分量。C1和C2分别为平面一、二的力偶不平衡分量。基于系统线性相应的假设，试重轨迹的静力、力偶分量可以看作是由F1、F1和C1、C2产生的。由第9步的结论，按照线性影响的原理，F1的修正结果F1′应该等于：
F1′＝F1*1.07@2.2＝0.46g@-5.3
同理，C1、C2的修正结果C1′、C2′应该等于：
C1′＝C1*2.57@-31.4＝0.64g@51.1
C2′＝C2*2，57@-31.4＝0.64g@-128.9
最终平面一的配重应该等于F1′和C1′的合成：
S1＝0.46g@(-5.3)+0.64g@51.1＝0.97g27.9
平面二的配重应该等于F1′和C2′的合成：
S2＝0.46g@(-5.3)+0.64g@(-128.9)＝0.54g-84.07
S1和S2矢量大致位于我们所添加的不平衡量U1和U2的反向，而且其大小与U1、U2相差不大，可想而知，我们在S1和S2矢量位置加重将起到较好的效果。
S1和S2是在没有考虑原来转子系统存在的不平衡量影响的基础上计算出来的。如果我们考虑上原来转子系统的初始不平衡，将它们从试验数据中剔除，计算出来的结果S1′和S2′将会更加接近U1、U2的反向。具体做法是将后面每一次测得的振动矢量减去第1步测得的初始振动矢量。计算过程在这里不再详细叙述，计算出来的结果S1′和S2′为：
S1′＝0.90g@28
S2′＝0.84g@-107
S1，S2以及S1′，S2′的方位如图15：
最后我们将整个试验的数据列表如下：所有振动矢量均为全息变换过的全息谱参数—全息谱初相点矢量。表一 单位mv@度
| 平面一 | 平面二 | |
| 1.没有加重的转子振动 | 32.14@32.73 | 13.51@22.0 |
| 2.加上的不平衡配重 | 0.7g@202.5 | 0.7g@67.5 |
| 3.原始振动 | 42.18@-55.54 | 76.67@12.97 |
| 4.加上的试重矢量 | 0.5g@22.5 | 0.5g@-37.5 |
| 5.加上试重后的振动 | 24.02@-142.55 | 27.22@21.06 |
| 6.试重轨迹 | 47.44@154.84 | 49.87@-171.43 |
| 7.试重分解 (静力)(力偶) | 0.43g@-7.50.25g@82.5 | 0.43g@-7.50.25g@-97.5 |
| 8.原始振动分解(静力)(力偶) | 50.1@-10.136.36@-134.36 | 50.1@-10.136.36@45.64 |
| 9.试重轨迹分解(静力) | 46.56@172.14 | 46.56@172.14 |
| (力偶) | 14.14@77 | 14.14@103 |
| 8.与9.比较后得：试重的静力分量应该增大1.07倍，同时逆时针旋转2.2度。试重的力偶分量应该增大2.57倍，同时顺时针旋转31.4度。 | ||
| 10.试重静力分量修正结果 | 0.46g@-5.3 | 0.46g@-5.3 |
| 11.试重力偶分量修正结果 | 0.64g@51.1 | 0.64g@-128.9 |
| 12.最终配重(修正结果合成) | 0.97g@27.9 | 0.54g@-84.07 |
| 以上结果是在没有考虑1.的影响的情况下得到的，如果我们剔除转子本身的不平衡的影响，所得到的结果是： | ||
| 13.原始振动 | 52.25@-93.48 | 63.36@11.05 |
| 14.加试重后的振动 | 56.11@-145.25 | 13.71@20.13 |
| 15.试重轨迹 | 47.44@154.84 | 49.87@-171.43 |
| 16.试重轨迹分解(静力)(力偶) | 46.56@172.1414.14@77 | 46.56@172.1414.14@103 |
| 17.原始振动分解(静力)(力偶) | 35.65@-34.1345.84@-135.46 | 35.65@-34.1345.84@44.54 |
| 18.修正后的配重结果 | 0.90g@28 | 0.84g@-107 |
| 可以看出计算结果与所加的不平衡量更加接近了。 | ||
| 19.18的结果加上以后的残余不平衡量 | 0.22g@47.75 | 0.21g@-88.73 |
| 残余不平衡量是原始不平衡量的30％。 | ||
为了进行比较，我们也可以单独采用X方向信号或Y方向信号进行计算，其比较见表二。表二 mv@度
| 平衡方法 | 单独使用X方向信号 | 单独使用Y方向信号 | 全息动平衡方法 | |||
| 平面 | 平面一 | 平面二 | 平面一 | 平面二 | 平面一 | 平面二 |
| 原始振动 | 39.93@-5.56 | 52.18@-89.17 | 63.59@101.06 | 55.57@11.63 | 52.25@-93.48 | 63.36@11.05 |
| 加重后的振动 | 52.11@-63.24 | 62.93@-150.45 | 13.06@98.28 | 6.57@44.88 | 56.11@-145.25 | 13.71@20.13 |
| 影响矢量 | 45.66@-110.89 | 50.55@-78.22 | 59.39@159.15 | 50.20@-172.48 | 47.44@154.84 | 49.87@-171.43 |
| 计算结果 | 1.06g(@40.78 | 0.48g@234.32 | 0.87g@14.03 | 0.67g@-127.75 | 0.90g@28 | 0.84g@-107 |
| 角度误差 | 18.28 | -13.18 | -8.47 | -15.25 | 5.5 | 5.5 |
从计算结果可看出，用全息动平衡方法计算出的结果，其精度明显高于用单方向信号的方法。而且，用X方向信号计算时误差相当大，虽然用Y方向信号计算时也可以得到较为满意的结果，但这在平衡以前是无法获知的。因而，现行的大多数做法是借助于专家的现场经验，在选取一个方向以后，人为地加上一个补偿角，以弥补转子各向异性带来的误差。全息动平衡则无须考虑这一点，从而可以提高平衡精度，并逐步摆脱对平衡专家的依赖性。
Claims (3)
1.转子全息动平衡方法，首先采集故障机组数据，判明机组是否以不平衡为主导故障，若是，则根据故障机组转子的情况，决定加重面个数，并将采集的数据进行数据预处理，与键相信号归一化，本发明的特征是，采用全息谱能辨别机组是否以不平衡为主导故障，并：
(1)利用全息谱软件，精确地求出各传感器拾取的信号的幅值、频率和相位，作出各个数据采集面的二维全息谱及转子转频下的三维全息谱；
(2)将三维转频全息谱分解，比较力不平衡与力偶不平衡初相点矢量的大小，根据比较的结果决定平衡方案；
(3)根据平衡方案，结合机组的平衡转速，确定试重添加的大小和方位；
(4)采集加重后的数据，作出试重轨迹；
(5)将试重轨迹分解，检验分解后的静力、力偶分量的初相点是否落在相应的移相椭圆之内，根据其与移相椭圆中心的角度差与大小之比，分别确定静力、力偶分量应该修正的大小和角度；
(6)将两个平面所加的试重分解为力不平衡量和力偶不平衡量，根据第(5)步确定的静力、力偶分量的修正量，分别修正力不平衡量和力偶不平衡量；
(7)将两个平面的修正过的力不平衡量和力偶不平衡量矢量合成，合成后的结果即是两个平面所应加的校正配重；
(8)校正配重加上后，测试再次加重后的结果，如果满足平衡要求，则平衡结束；否则，重复上述步骤。
2.根据权利要求1所述的转子全息动平衡方法，其特征在于，所说的平衡方案包括优先平衡静力不平衡，优先平衡力偶不平衡和力、力偶同时平衡。
3.根据权利要求1所述的转子全息动平衡方法，其特征在于，对于工作在一、二阶临界转速之间的转子，将其静力分量反向与力偶分量重新合成为一矢量，在此矢量的反方向加重。
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| CN1067765C (zh) | 2001-06-27 |
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