CN1445521A - 测量转子不平衡度的方法 - Google Patents

Abstract

描述了一种测量转子(A)不平衡度的方法，这种方法基于：a)使转子绕其机械轴(M)转动，b)用传动装置(C，F)来动态平衡由于不平衡度引起的惯性力，直到至少沿着与转轴(M)垂直的轴(Y)上实现转子(A)的零振动，以及，c)分析得出相对于用户预选的一个或多个基准面(Q₁，Q₂)不平衡度的幅值和位置角度，假设转子(A)的重心位置(K)是已知的。

Description

测量转子不平衡度的方法

技术领域

本发明涉及一种转子不平衡度测量方法，尤其涉及汽车涡轮增压器的涡轮的转子不平衡度测量方法。

背景技术

目前用所谓的平衡机来测量转子不平衡度的方法实质上基于如下原理：使转子围绕其机械轴作旋转运动，并测量不平衡的转子传递给在基准面或沿基准轴自由运动的两个支座的振幅和振动相位。

振幅和振动相位取决于转子不平衡度的幅值、它的旋转速度(已知)和包括转子的质量、惯性矩、重心位置在内的转子的某些几何和机械参数。

因此，那时所做的不平衡度测量是一种通过振动测量进行的间接测量。

测定上述参数需要从振动测量中获得转子不平衡度的辐值和不平衡度位置；由于事先无法足够精确地获得某些参数，这种测定方法要求采取多种策略。

此外，测量仪器的一些固有参数，尤其是弹性常数和转子支座的摩擦力，对测量准确度的影响也不可忽视。

常规的商业仪器用两种主要的方法来找出转子的特性和/或测量仪器的固有参数：

1)采用三次连续测量，这就是：第一次只测量转子，第二次在基准面中测量外加的材料，例如，已知质量的自行附着的胶状物质，第三次在第二基准面中测量进一步附加的材料；不用知道转子的几何和机械参数和/或仪器的固有参数，从所作的三次测量之间的差值就能发现转子不平衡度的幅值和位置；

2)当转子的形状和质量分布已知并且测量仪器的特征非常准确时，转子重量和尺寸的某些测量值就足以获得足够精确的参数值。

上述第一种方法就操作员而言要求具有合适的能力和熟练的手工操作，以及由此要求良好的操作员的培训和更繁复的测量；其结果就是测量成本肯定较高。

上述第二种方法不易通用，仅适用于转子和某些易于确定类型的测量仪器。

尤其是在用于汽车用途的涡轮增压器的涡轮机不平衡度测量领域中，几乎普遍应用上述第一种方法。

发明内容

本发明的目的是提出一种测量转子不平衡度尤其是汽车涡轮增压器的涡轮的不平衡度的方法，这种方法能够克服上述缺陷，并易于操作、低廉且精度高。

本发明通过具有在附加权利要求中详细说明的特征的测量转子不平衡度(尤其是汽车涡轮增压器的涡轮的不平衡度)的方法实现上述目的。

在论述发明的优点以前，有必要给出初步陈述。

本发明方法是基于与根据现有技术的描述完全不同的原理，也就是说，通过外部施加与转子旋转同步的、并具有尽可能地抵消转子振动的幅值和相位的交变力，对由于不平衡和转子的旋转引起的惯性力完全补偿。

当外加力完全平衡由于不平衡度引起的惯性力时，转子停止旋转；外加力的测量是一种转子不平衡度的幅值和角位置的直接测量(与外力作用点有关)，因此并不要求准确知道转子的几何和机械参数或测量仪器的固有参数。

可是为了将不平衡度与除了力的作用点以外的点相联系-正如一般用户在两个基准面中进行平衡通常所要求的那样-还需要知道转子的重心位置，象下面将要描述的一样可以通过与不平衡测量类似的方法测出重心位置。

因此有可能用一种简单的操作代替三步法来测量不平衡度，不用事先已知转子的质量分布，在易操作性和测量速度和通用性方面具有明显的优点。

本发明的进一步的技术特征和优点将在下列参照附图的非限制性实施例的详细描述中变得清楚。

附图说明

本说明书的唯一附图简略地表示了实施本发明的测量转子不平衡度的方法时转子的安装情况。

具体实施方式

附图中转子A设置于具有平衡滚珠轴承或适合于使转子围绕其机械轴M自由旋转的其它装置的两个支座B和E上，机械轴M与笛卡尔轴X重合。

支座B和E至少与X轴垂直(由此也与旋转轴M垂直)的Y轴平行地自由运动。

运动的自由度可以是完全的，或者受使支座B和E沿回复到已知的基准位置的弹性力系的约束。

滑轮、皮带或其它装置系统H使转子以已知的(优选固定的)速度ω(表示为弧度/秒)旋转。

两个标记为D和G的仪器可以是加速表、速率传感器或者位置传感器，它们例如通过速率或移位的测量直接或间接地测量在转轴M支承在支座B和E的点上支座和转子A的绝对加速度a₁，a₂平行于Y轴的分量。

传动装置C，F给支座B和E一对作用力F₁，F₂-由此在转子支承在支座的点上施加给转子。

每个传动装置可以是例如在螺线管内布置的永磁体。

假设：

K是可能未知的转子的重心位置，

M是可能未知的转子A和支座B、E的总质量，

J是转子A结合支座B、E绕穿过重心K的Y轴旋转的惯性矩(可能未知)，

ω表示转子A绕轴M转动的角速率，

如标记所示，P₁(或P₂，分别地)表示与旋转轴M平行的从重心K到支座E(或支座B，分别地)的距离，

P表示两个支座的间距，P＝P₁-P₂，

L₁(或L₂，分别地)表示与旋转轴M平行的从重心K到与量值和角位置相关的平面Q₁(或平面Q₂，分别地)，

F₁(或F₂，分别地)表示由传动装置F(或C，分别地)外加的力，

a₁(或a₂，分别地)表示支座E(或支座B，分别地)的加速度，

此外，还有：

S₁(或S₂，分别地)表示与平面Q₁(或平面Q₂，分别地)有关的不平衡度幅值，

φ₁(或φ₂，分别地)表示与平面Q₁(或平面Q₂，分别地)有关的不平衡度角位置，

测量通过以下几个连续的步骤进行：

a)(可选)转子静止(ω＝0)，施加第一组力(F₀是任意的参考力，例如1N，α是任意的振动，优选与执行步骤c)中的角速率ω相接近)：

F₁(t)＝F₀·cos(αt)

F₂(t)＝F₀·cos(αt)；

在预定的时间周期T(优选在力F₁和F₂的整数周期数中)中采样所得到的加速度a₁(t)和a₂(t)；计算下列系数： $A_{1^{\′}}=\frac{1}{T}\underset{0}{\overset{T}{\∫}}{\mathrm{\α}}_1\left(t\right)\·\cos \left(\mathrm{\αt}\right)\mathrm{dt}$ $A_{2^{\′}}=\frac{1}{T}\underset{0}{\overset{T}{\∫}}{\mathrm{\α}}_2\left(t\right)\·\cos \left(\mathrm{\αt}\right)\mathrm{dt}$

b)(可选)转子静止(ω＝0)，施加第二组力(F₀和α与步骤a)相同)：

F₁(t)＝F₀·cos(αt)

F₂(t)＝F₀·cos(αt)；

在预定的时间周期T(优选在力F₁和F₂的整数周期数中)中采样所得到的加速度a₁(t)和a₂(t)；计算下列系数： $A_{1^{\′\′}}=\frac{1}{T}\underset{0}{\overset{T}{\∫}}{\mathrm{\α}}_1\left(t\right)\·\cos \left(\mathrm{\αt}\right)\mathrm{dt}$ $A_{2^{\′\′}}=\frac{1}{T}\underset{0}{\overset{T}{\∫}}{\mathrm{\α}}_2\left(t\right)\·\cos \left(\mathrm{\αt}\right)\mathrm{dt}$

计算下列数值： $P_1=P\·\frac{A_{2^{\′\′}}}{A_{2^{\′\′}}-A_{1^{\′\′}}}$ $P_2=P\·\frac{A_{1^{\′\′}}}{A_{2^{\′\′}}-A_{1^{\′\′}}}$ $M=F_0\·\frac{A_{2^{\′\′}}-A_{1^{\′\′}}}{A_{1^{\′}}\·A_{2^{\′\′}}-A_{2^{\′}}\·A_{1^{\′\′}}}$ $J=D^2\·F_0\·\frac{A_{2^{\′\′}}+A_{1^{\′\′}}}{2\·(A_{2^{\′\′}}-A_{1^{\′\′}})\·(A_{2^{\′}}-A_{1^{\′}})}$

如果这些参数已知，开始的两步可以省略；

c)以下设置初始值：

G₁＝0

G₂＝0

n＝0

d)然后，转子以角速率ω转动，施加第三组力：

F₁(t)＝re(G₁·exp(jωt))

F₂(t)＝re(g₂·ep(jωt))

re(x)表示x的实数部分，exp(jx)＝cos(x)+jsin(x)表示复数自变量的指数。该复指数必需与转子的转动同步，也就是说，当转子在已知的角度(例如，当光学定位器是由合适的传感器检测时)t＝0；一个电子电路(“锁相环路”PIL)检测转子的绝对转动并产生振幅|G₁|(或|G₂|，分别地)和相位∠G₁(或∠G₂，分别地)的两个正弦信号；

e)在预定的时间周期T(优选在整数转子转动周期中)中采样加速度a₁(t)和a₂(t)；计算下列系数： $A_1=\frac{1}{T}\underset{0}{\overset{T}{\∫}}{\mathrm{\α}}_1\left(t\right)\·\exp \left(\mathrm{j\αt}\right)\mathrm{dt}$ $A_2=\frac{1}{T}\underset{0}{\overset{T}{\∫}}{\mathrm{\α}}_2\left(t\right)\·\exp \left(\mathrm{j\αt}\right)\mathrm{dt}$

必须注意A₁和A₂是复数；从这里和前面的方程，得到下列矢量和矩阵：

Z＝[(G₁+G₂)，(P₁·G₁+P₂·G₂)]

A＝[A₁，A₂] $L=\left[\begin{array}{cc}1& L_1\\ 1& L_2\end{array}\right]$ $M=\left[\begin{array}{cc}\frac{M}{2},& \frac{-J}{P_2-P_1}\\ \frac{M}{2},& \frac{+J}{P_2-P_1}\end{array}\right]$

f)计算出新的数值：

Z(n+1)＝Z(n)-A·M

n＝n+1

从上述公式通过置换得到G₁和G₂的新数值；

g)从d)项重复做本方法(转子保持转动)，直到联立地条件成立：

|A₁|＜A_min

|A₂|＜A_min

这里A_min表示决定测量精度的适当的临界值，或者：

n＞N_max

这里N_max表示决定测量最大持续时间的适当的最大值；

h)最后，不平衡度与基准面Q₁和Q₂相关，定义为： $W=\frac{Z\·L^{-1}}{{\mathrm{\ω}}^2}$

从中得出：

S₁＝|W(1)|，S₂＝|W(2)|，φ₁＝∠(W(1))，φ₂＝∠(W(2))，

这里 $\∠\left(x\right)={\mathrm{tg}}^{-1}\frac{\mathrm{Im}\left(x\right)}{\mathrm{re}\left(x\right)}$

要注意的是上面所描述的整个过程可以用连续的单个步骤来完成，并且是自动地，不用任何手动介入。

用户可以用基于测量步骤1的自动程序(如上述的)随时调整(例如，仪器接通时)。通过本方法，如果测量值(参见前文给出的公式)与所知的质量值不同，则可以单独测量支座的质量一假定它是已知的(在转子从支座上移走后)，并且可以校准传动装置(可选)。

如果支座的质量值是未知的，用两个连续的测量步骤可以完成，第一步如上面所描述的，第二步给每个支座增加采样质量并取得不同的测量。

自然地，只要与本发明的原理一致，从实施例描述和插图得出的进一步改进也符合本发明的范围。

Claims (12)

1.一种测量转子(A)不平衡度的方法，其特征在于包括步骤：

a)转子(A)绕其机械轴(M)转动，

b)用传动装置(C，F)来动态平衡由于不平衡度引起的惯性力，直到至少在与转轴M垂直的轴(Y)上实现转子(A)的零振动，以及，

c)分析得出相对于用户预选的一个或多个基准面(Q₁，Q₂)的不平衡度的幅值和角位置，假设转子(A)的重心位置(K)是已知的。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于转子(A)的重心位置在转子静止时测得：

d)用传动装置(C，F)施加一组力F₁，F₂，

e)测量转子(A)相应的振动。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于通过如下步骤在转子旋转时测量转子(A)的重心位置：

f)通过传动装置(C，F)施加一组与转子(A)的旋转同步的交变力F₁，F₂，和

g)测量转子(A)的振动的相应变量。

4.如权利要求1至3所述的方法，其特征在于通过如下步骤在转子静止时估计转子(A)的质量和惯性矩：

h)用传动装置(C，F)施加第一组力，

i)测量转子(A)相应的振动，

1)用传动装置(C，F)施加第二组力(模数或相位与第一组不同)，和

m)测量转子(A)相应的振动。

5.如权利要求1至3所述的方法，其特征在于通过如下步骤在转子旋转时估计转子(A)的质量和惯性矩：

n)通过传动装置(C，F)施加与转子(A)的旋转同步的第一组交变力，

o)测量转子(A)相应的振动，

p)用传动装置(C，F)施加第二组力(模数或相位与第一组不同)，

q)测量转子(A)相应的振动。

6.如前面任一项权利要求所述的方法，其特征在于振动抵消是用一个或多个加速度、速率或位置传感器测量的。

7.如前面任一项权利要求所述的方法，其特征在于每个传动装置(C，F)用永磁体或设置在与转子(A)旋转同步的任选的电流驱动的螺线管的磁回路内的电磁体制成，或者用压电加速度计传动装置形成。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于该电流是利用电子发生电路产生的，可选择地与转子(A)旋转同步。

9.如权利要求7和8所述的方法，其特征在于与转子(A)旋转的同步是利用光学传感器或者磁性传感器达到的。

10.如前面任一项权利要求所述的方法，其特征在于惯性力的补偿是用一种逐次逼近法进行的。

11.如前面任一项权利要求所述的方法，其特征在于传动装置(C，F)的特征包括：

用传动装置(C，F)只给转子(A)的可动支座(转子移走后)施加一组交变力，

测量支座的相应振动，假定支座的质量是已知的。

12.如权利要求11所述的方法，其特征在于通过如下的方式测出支座的质量：

转子移走后，用传动装置(C，F)只给转子(A)的可动支座施加一组交变力，

测量支座的相应振动，

给每个支座固定一个采样质量，

用传动装置(C，F)给转子(A)的支座和采样质量施加一组交变力，和

测量支座的相应振动。

其实质与所描述或图解或发明目的是一致的。

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