CN1566914A - 动平衡测量方法及高频比硬支承动平衡装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种动平衡测量方法及高频比硬支承动平衡装置，本发明的技术方案是基于计算机技术已普遍应用于动平衡测量技术领域，任何复杂的运算都可轻易实现这一客观条件，提出了以二自由度振动系统的机械振动理论为基础的新的测量原理，从而推导出了新的理论公式和实用计算公式，给出了高频比硬支承动平衡装置的实施方案。本发明高频比硬支承动平衡装置可工作在频比0.2－0.5范围，它完全克服了原理误差，并且灵敏度大大提高。

Description

动平衡测量方法及高频比硬支承动平衡装置

技术领域

本发明涉及的是有关测量与测试技术领域，尤其是对硬支承动平衡装置工作原理进行改进的一种动平衡测量方法及高频比硬支承动平衡装置。

背景技术

用于转子不平衡量测量的动平衡装置根据其工作原理可分为硬支承动平衡装置和软支承动平衡装置两大类。软支承动平衡装置工作在高于转子-摆架系统固有频率以上的频率范围。它具有灵敏度高，抗干扰能力强和适用转速范围宽等优点，但它不具备永久性标定的特性，每次平衡新的转子都需首先进行标定测量运转，因此一般应用于专用平衡装置和特殊用途平衡装置。硬支承动平衡装置工作在转子-摆架系统固有频率范围以下，并且远离共振区域，如附图1中的H区。它具有永久性标定的优点，平衡新的转子时只需输入转子几何参数一次运转就可测得两个平面上不平衡量的大小和相位，因此广泛应用于通用型平衡装置，但它的机械灵敏度低，不太适合于轻小转子的动平衡测量。此外由于它直接将摆架振动量近似为不平衡量，忽略了两者之间的误差，在工作原理上就存在误差。同一转子在不同转速下测量，所得结果之间也有差别。

在当前的硬支承平衡装置中，用试验转子加已知不平衡量标定出两摆架的灵敏度系数存储于测量系统的内存，今后的测量中反复调用此灵敏度系数以将摆架振动量线性地换算为不平衡量，再将支承面上的不平衡量根据静力平衡关系换算为指定平面上的不平衡修正量。

由于上述测量原理中直接将摆架振动量当做不平衡量的处理是一种近似。为了保证测量误差较小，使其在可接受的程度内，平衡测量转速必须远低于转子-摆架系统的共振转速，频率比一般以0.2倍为上限，在平衡装置的技术规格及说明书中给出一个平衡转速上限值。

由于上述工作原理非常简单，在模拟式测量仪表上可直接通过旋钮设定灵敏度和转子几何尺寸参数，自上世纪六十年代以来一直应用着，数字式测量系统以及计算机的应用也仅提高了操作的方便性和增加了一些辅助功能，平衡装置的工作原理一直未发生根本性变革。

发明内容

本发明的目的是针对上述现有硬支承平衡测量技术的缺陷，提供一种动平衡测量方法及高频比硬支承动平衡装置，本发明的技术方案是基于计算机技术已普遍应用于动平衡测量技术领域，任何复杂的运算都可轻易实现这一客观条件，提出了以二自由度振动系统的机械振动理论为基础的新的测量原理，从而推导出了新的理论公式和实用计算公式，给出了高频比硬支承动平衡装置的实施方案。本发明高频比硬支承动平衡装置可工作在频比0.2-0.5范围，它完全克服了原理误差，并且灵敏度大大提高。

本发明的动平衡测量方法主要包括确定平衡装置的两摆架的刚度(K₁，K₂)和标定系统阻尼系数(C)，并将其存入计算机的内存以供计算时使用；按常规操作过程输入转子参数建立转子文件，在平衡测量开始之前由计算机提示，要求平衡装置操作者不仅要按常规选择转子支承方式，输入几何参数，还要输入转子质量m和转子质心位置L1，L2可由计算机计算出来L2＝L-L1，(其中L为两摆架之间的距离，L₁为转子质心至摆架1的距离，L₂为转子质心至摆架2的距离)，由计算机给出建议平衡转速，取频率比λ＝0.2-0.5左右，根据计算机所建议的平衡转速范围，再考虑驱动能力和安全因素由操作者设定一个平衡转速；在平衡转速下测量两摆架的振动位移信号中的基频成分；然后按照本发明的方法进行动平衡解算，动平衡解算包括如下步骤：

第一步：从两支承平面上测得的位移向量X₁和X₂求得静不平衡量成分在两摆架上引起的振幅A_1S和A_2S，对于重心外悬的转子需将远离重心的摆架上的振动信号向量反向180度；

第二步：用下式推算出转子的转动惯量(也包含有摆架上部结构参与振动的质量的成分)

$J=\frac{l}{p^2(1-A_{1s}/A_{2s})}(k_2{l}_2-\frac{A_{\mathrm{ls}}}{A_{2s}}{k}_1{l}_1)$

第三步：根据下面公式

$M_{k1}=k_1-m\frac{l_2}{l}{p}^2$

$M_{k2}=k_2-m\frac{l_1}{l}{p}^2$

J_k2＝k₂l₂l-Jp²

J_k1＝k₁l₁l-Jp²

依次计算M_K1，M_K2，J_K1，J_K2，再利用下面的公式解算出支静不平衡量和相位差角：

$U=\frac{A_{1s}\sqrt{{(M_{k1}{J}_{k2}+M_{k2}{J}_{k1})}^2+c^2{p}^2{(J_{k1}+J_{k2})}^2}}{p^2{J}_{k2}}$

或

$U=\frac{A_{2s}\sqrt{{(M_{k1}{J}_{k2}+M_{k2}{J}_{k1})}^2+c^2{p}^2{(J_{k1}+J_{k2})}^2}}{p^2{J}_{k1}}$

及偶不平衡量和相位差角：

$U_c=\frac{A_{1c}\sqrt{{(M_{k1}{J}_{k2}+M_{k2}{J}_{k1})}^2+c^2{p}^2{l}^2{(l_1{M}_{k2}-l_2{M}_{k1})}^2}}{p^2{\mathrm{lM}}_{k2}}$

或

$U_c=\frac{A_{2c}\sqrt{{(M_{k1}{J}_{k2}+M_{k2}{J}_{k1})}^2+c^2{p}^2{l}^2{(l_1{M}_{k2}-l_2{M}_{k1})}^2}}{p^2{\mathrm{lM}}_{k1}}$

第四步：用常规的静力平衡的方法将静不平衡量和偶不平衡量换算为指定修正平面上的动不平衡量；

至此，整个不平衡测量过程完成。

用于实施上述测量方法的高频比硬支承动平衡装置包括用于放置转子的两个摆架，这两个摆架的刚度远低于现有硬支承平衡机的摆架刚度以实现高测量频比，其量值按K＝(5-50)*10³m来设计，大规格装置取较小值，小规格装置取较大值，其中m为该平衡装置的承载能力，即转子质量，单位为千克，K的单位则为牛顿/米，其精确值通过标定得到，所述的两只摆架具有固有的阻尼系数，其精确值通过标定得到；在所述的两个摆架上分别设有一个振动传感器，所述的振动传感器测量的振动信号输入给一个振动信号处理器进行信号的预处理，包括放大、滤波和模数转换，该装置还设有一个相位传感器，所述的相位传感器也连到振动信号处理器上，振动信号处理器将预处理后的数字量信号输入给一计算机，由计算机按照本发明上述的方法将振动量解算为不平衡量。

下面结合附图描述本发明的技术方案形成的原理和计算公式以及结构。

附图说明

图1是用以说明平衡装置工作频率比区间的示意图；

图2是研究由转子和平衡装置摆架组成的振动系统的力学模型；

图3是将在两摆架上测得的振动幅值向量分解为静不平衡响应分量和偶不平衡响应分量的向量关系示意图，其中图3a为摆架1振动向量分解图；图3c为摆架2振动向量分解图；图3b为二向量合成；

图4是本发明的高频比硬支承动平衡装置的示意图。

具体实施方式

在图1中，横坐标为工作频率P与系统固有频率P_C之比P/P_C；纵坐标为不平衡离心力F＝Up²和摆架振动X。图中的两条曲线分别为X和F，X和F在频比0.2以下近似重合是现有硬支承平衡装置工作原理的基础，而两者不同则是原理误差存在的原因。

当前的硬支承动平衡装置工作频比在0.2以下H区，这个区间内振幅很小，因此测量灵敏度较低。

本发明高频比硬支承动平衡装置工作频比在0.2-0.5的M区，振动幅值显著增大，通过前面推导的公式将振动信号解算为不平衡量，无需现场标定。

在图2中，各参数的含义为：

m：转子的质量

J：转子绕质心的转动惯量

L：两摆架之间的距离

L₁：转子质心至摆架1的距离

L₂：转子质心至摆架2的距离，L₂＝L-L₁

K₁；摆架1的刚度

K₂：摆架2的刚度

X₁：摆架1振动位移

X₂：摆架2振动位移

C：摆架阻尼系数，设两摆架阻尼系数相等

在图3中，各参数的含义为：

X₁：摆架1上测得的振动幅值向量

X₂：摆架2上测得的振动幅值向量

X_S：合成向量，用于确定静不平衡响应成分的相位

X_1S：摆架1上振动幅值向量的静不平衡响应成分

X_2S：摆架2上振动幅值向量的静不平衡响应成分

X_1C：摆架1上振动幅值向量的偶不平衡响应成分

X_2C：摆架2上振动幅值向量的偶不平衡响应成分

φ₁：向量X₁的相位

φ₂：向量X₂的相位

φ_S：向量X_S的相位

首先可参见图2，以力学模型来研究卧式硬支承动平衡装置，以两摆架的振动位移为动力学坐标，以质心平动和绕质心转动的动力学方程建立数学模型，分别研究当转子只有静不平衡和只有偶不平衡时的两种情况，根据线性系统的可叠加性得到摆架的总振动响应。根据不平衡量与摆架振动量之间的理论关系由测量得到的振动量求解出不平衡量。

$m(\frac{l_2}{l}{\stackrel{\·\·}{x}}_1+\frac{l_1}{l}{\stackrel{\·\·}{x}}_2)+c{\stackrel{\·}{x}}_1+c{\stackrel{\·}{x}}_2+k_1{x}_1+k_2{x}_2={\mathrm{Up}}^2\sin \mathrm{pt}$

$\frac{J}{l}({\stackrel{\·\·}{x}}_1-{\stackrel{\·\·}{x}}_2)-{\mathrm{cl}}_1{\stackrel{\·}{x}}_1+{\mathrm{cl}}_2{\stackrel{\·}{x}}_2-k_1{l}_1{x}_1+k_2{l}_2{x}_2=0$

转子只有静不平衡时系统运动微分方程为：

为方便表达，令：

$M_{k1}=k_1-m\frac{l_2}{l}{p}^2$

$M_{k2}=k_2-m\frac{l_1}{l}{p}^2$

J_k2＝k₂l₂l-Jp²

求解该微分方程组的解得到静不平衡作用下两摆架的振动响应：

J_k1＝k₁l₁l-Jp²

其中相位差为：

同理当转子只有偶不平衡时质心平动和绕质心转动的动力学方程组为：

$m(\frac{l_2}{l}{\stackrel{\·\·}{x}}_1+\frac{l_1}{l}{\stackrel{\·\·}{x}}_2)+c{\stackrel{\·}{x}}_1+c{\stackrel{\·}{x}}_2+k_1{x}_1+k_2{x}_2=0$

$\frac{J}{l}({\stackrel{\·\·}{x}}_1-{\stackrel{\·\·}{x}}_2)-{\mathrm{cl}}_1{\stackrel{\·}{x}}_2+c{l}_2{\stackrel{\·}{x}}_2-k_1{l}_1{x}_1+k_2{l}_2{x}_2=U_c{p}^2\sin \mathrm{pt}$

求解该微分方程组的解得到偶不平衡作用下两摆架的振动响应：

其中相位差角为：

以上六个公式是描述动平衡装置振动规律的一般公式，它们适用于任意测量频段上。现有的硬支承动平衡装置工作在很低的频比区间，是本公式的特例和近似。有了这些通用公式就可以提高平衡装置的频比，以获得较高的测量灵敏度并以精确计算代替近似计算消除原有的原理误差。它们是本发明的理论部分。

在上述这些公式中，正弦波的系数就是摆架振动的振幅分量，它们是很复杂的表达式。式中包括有平衡装置的参数，它们都可通过标定得到，还有一些是转子参数，他们大部分都是已知的，平衡测量之前输入给平衡装置测量系统，但转子的转动惯量是未知的，根据振幅比关系本发明推出了下面的公式用于求得转动惯量：

$J=\frac{l}{p^2(1-A_{1s}/A_{2s})}(k_2{l}_2-\frac{A_{1s}}{A_{2s}}{k}_1{l}_1)$

式中的A_1S、A_2S即为所测得的静不平衡引起的两摆架振幅，由下面所讨论的公式求得。

为了按照上述理论提供的方法进行动不平衡量的解算，本发明还提出了将摆架上测得的总振动分解为静不平衡成分和偶不平衡成分的思路和方法，即：

${\stackrel{\→}{X}}_s={\stackrel{\→}{X}}_1+{\stackrel{\→}{X}}_2$

式中φ₁、φ₂、φ_s分别为向量X₁、X₂、X_s的相位角。这些向量的合成与分解的关系见附图3的说明。

以上就是本发明的主要内容。

根据上述动平衡测量原理设计出新型的高频比硬支承动平衡装置，其主要包括机械设计、出厂前系统标定、操作者参数输入、摆架振动测量和按新方法进行不平衡量解算五大部分，其技术方案为：

1、平衡装置摆架刚度设计和确定

摆架的刚度按K＝(5-50)*10³m来设计，大规格装置取较小值，小规格装置取较大值，其中m为该平衡装置的承载能力，即转子质量，单位为千克，K的单位则为牛顿/米。

2、将平衡装置的两摆架确定出刚度和确定系统阻尼系数

摆架刚度K的实际精确值可用试验转子加已知试重的方法标定，转速不应超过一阶共振转速的10％，如果激励幅值较小则可加大不平衡试重的质量。

用冲击法激振测量自由振动衰减率的方法将系统阻尼系数确定出来。

将确定的刚度和阻尼系数存入计算机内存供计算时使用。

3、按常规操作过程输入转子参数建立转子文件

在平衡测量开始之前由计算机提示，要求平衡装置操作者不仅要按常规选择转子支承方式，输入几何参数，还要输入转子质量m和转子质心位置L1。L2可由计算机计算出来L2＝L-L1。

由计算机进行一阶固有频率估算，用现在普遍使用的非对称转子质量修正公式计算转子当量质量，并进而计算出一阶固有频率的近似值。由计算机给出建议平衡转速，取频率比λ＝0.2-0.5左右。

由操作者参考给出的建议平衡转速范围，再考虑驱动能力和安全因素等设定一个平衡转速。此阶段操作者还可按常规继续输入平衡允差或ISO1940平衡精度等级这些常规数据。

4、进行摆架振动测量

在平衡转速下按常规的方法测量两摆架的振动位移信号中的基频成分。

5、用本发明提出的测量原理进行动平衡解算

其包括如下步骤：

第一步：按照前面及附图3给出的向量合成和分解公式从两支承平面上测得的位移向量X₁和X₂求得静不平衡量成分在两摆架上引起的响应A_1S和A_2S。对于重心外悬的转子需将远离重心的摆架上的振动信号向量反向180度。

第二步：用下式推算出转子的转动惯量(也包含有摆架上部结构参与振动的质量的成分)

$J=\frac{l}{p^2(1-A_{1s}/A_{2s})}(k_2{l}_2-\frac{A_{1s}}{A_{2s}}{k}_1{l}_1)$

第三步：根据前面推导的公式依次计算M_K1，M_K2，J_K1，J_K2。再利用下面的公式解算出静不平衡量和相位差角：

$U=\frac{A_{1s}\sqrt{{(M_{k1}{J}_{k2}+M_{k2}{J}_{k1})}^2+c^2{p}^2{(J_{k1}+J_{k2})}^2}}{p^2{J}_{k2}}$

或

$U=\frac{A_{2s}\sqrt{{(M_{k1}{J}_{k2}+M_{k2}{J}_{k1})}^2+c^2{p}^2{(J_{k1}+J_{k2})}^2}}{p^2{J}_{k1}}$

及偶不平衡量和相位差角：

$U_c=\frac{A_{1c}\sqrt{{(M_{k1}{J}_{k2}+M_{k2}{J}_{k1})}^2+c^2{p}^2{l}^2{(l_1{M}_{k2}-l_2{M}_{k1})}^2}}{p^2{\mathrm{lM}}_{k2}}$

或

$U_c=\frac{A_{2c}\sqrt{{(M_{k1}{J}_{k2}+M_{k2}{J}_{k1})}^2+c^2{p}^2{l}^2{(l_1{M}_{k2}-l_2{M}_{k1})}^2}}{p^2{\mathrm{lM}}_{k1}}$

第四步：用常规的静力平衡的方法将静不平衡量和偶不平衡量换算为指定修正平衡上的动不平衡。

至此，整个不平衡测量过程完成。

参见附图4，用于实施上述高频比硬支承动平衡的测量方法的装置包括：

用于放置转子6的两个摆架1，这两个摆架的刚度按K＝(5-50)*10³m来设计，大规格装置取较小值，小规格装置取较大值，其中m为该平衡装置的承载能力，即转子质量，单位为千克，K的单位则为牛顿/米，两摆架的刚度(K₁，K₂)和阻尼系数通过标定得到；用于放置转子的两个摆架，这两个摆架的刚度远低于现有硬支承平衡机的摆架刚度以实现高测量频比，其量值按K＝(5-50)*10³m来设计，大规格装置取较小值，小规格装置取较大值，其中m为该平衡装置的承载能力，即转子质量，单位为千克，K的单位则为牛顿/米，其精确值通过标定得到，所述摆架具有固有的阻尼系数，其精确值通过标定得到；

一对振动传感器2，分别设置在所述的两个摆架上，用于检测振动，并将检测的振动信号分别输出到振动信号处理器3；

一个相位传感器5，检测转速脉冲信号，并将检测的转速脉冲信号作为相位测量的参考信号输出到振动信号处理器；

一个振动信号处理器3，分别对所输入的两个检测的振动信号进行放大、滤波处理，再以相位传感器输入的脉冲信号作为采样触发对滤波后的振动信号基频成分进行采样，采得振动波形的单峰值和它对参考脉冲的相位差，即为振幅向量X₁和X₂，然后分别输入到计算机中4；

一个计算机4，根据所述振幅向量X₁和X₂，按照上述方法计算出不平衡量的大小和相位。

Claims (2)

1、一种动平衡测量方法，其特征在于该方法主要包括按K＝(5-50)*10³m来设计摆架刚度，大规格装置取较小值，小规格装置取较大值，其中m为该平衡装置的承载能力，即转子质量，单位为千克，K的单位则为牛顿/米，平衡装置的两摆架的刚度(K₁，K₂)和系统阻尼系数(C)的实际精确值通过标定来确定，并将其存入计算机的内存以供计算时使用；按常规操作过程输入转子参数建立转子文件，在平衡测量开始之前由计算机提示，要求平衡装置操作者不仅要按常规选择转子支承方式，输入几何参数，还要输入转子质量m和转子质心位置L1，L2可由计算机计算出来L2＝L-L1，(其中L为两摆架之间的距离，L₁为转子质心至摆架1的距离，L₂为转子质心至摆架2的距离)，由计算机给出建议平衡转速，取频率比λ＝0.2-0.5左右，根据其计算机所建议的平衡转速范围，在其范围内再考虑驱动能力和安全因素设定一个平衡转速；在平衡转速下测量两摆架的振动位移信号中的基频成分；然后进行动平衡解算，其中在该动平衡解算步骤中包括如下步骤：

第一步：从两支承平面上测得的位移向量X₁和X₂求得静不平衡量成分在两摆架上引起的振幅A_1s和A_2s，对于重心外悬的转子需将远离重心的摆架上的振动信号向量反向180度；

第二步：用下式推算出转子的转动惯量(也包含有摆架上部结构参与振动的质量的成分)

$J=\frac{l}{p^2(1-A_{1s}/A_{2s})}(k_2{l}_2-\frac{A_{1s}}{A_{2s}}{k}_1{l}_1)$

第三步：根据下面公式

$M_{k1}=k_1-m\frac{l_2}{l}{p}^2$

$M_{k2}=k_2-m\frac{l_1}{l}{p}^2$

J_k2＝k₂l₂l-Jp²

J_k1＝k₁l₁l-Jp²

依次计算M_K1，M_K2，J_K1，J_K2，再利用下面的公式解算出静不平衡量和相位差角：

$U=\frac{A_{1s}\sqrt{{(M_{k1}{J}_{k2}+M_{k2}{J}_{k1})}^2+c^2{p}^2{(J_{k1}+J_{k2})}^2}}{p^2{J}_{k2}}$

$U=\frac{A_{2s}\sqrt{{(M_{k1}{J}_{k2}+M_{k2}{J}_{k1})}^2+c^2{p}^2{(J_{k1}+J_{k2})}^2}}{p^2{J}_{k1}}$

或

及偶不平衡量和相位差角：

$U_c=\frac{A_{1c}\sqrt{{(M_{k1}{J}_{k2}+M_{k2}{J}_{k1})}^2+c^2{p}^2{l}^2{(l_1{M}_{k2}-{l_{2}M}_{k1})}^2}}{p^2{\mathrm{lM}}_{k2}}$

或

$U_c=\frac{A_{2c}\sqrt{{(M_{k1}{J}_{k2}+M_{k2}{J}_{k1})}^2+c^2{p}^2{l}^2{(l_1{M}_{k2}-{l_{2}M}_{k1})}^2}}{p^2{\mathrm{lM}}_{k1}}$

第四步：用常规的静力平衡的方法将静不平衡量和偶不平衡量换算为指定修正平衡上的动不平衡；

至此，整个不平衡测量过程完成。

2、一种高频比硬支承动平衡装置，其特征在于包括；

用于放置转子的两个摆架，这两个摆架的刚度远低于现有硬支承平衡机的摆架刚度以实现高测量频比，其量值按K＝(5-50)*10³m来设计，大规格装置取较小值，小规格装置取较大值，其中m为该平衡装置的承载能力，即转子质量，单位为千克，K的单位则为牛顿/米，其精确值通过标定得到，所述摆架具有固有的阻尼系数，其精确值通过标定得到；

一对振动传感器，分别设置在所述的两个摆架上，用于检测振动，并将检测的振动信号分别输出到振动信号处理器；

一个相位传感器，检测转速脉冲信号，并将检测的转速脉冲信号作为相位测量的参考信号输出到振动信号处理器；

一个振动信号处理器，分别对所输入的两个检测的振动信号进行放大、滤波处理，再以相位传感器输入的脉冲信号作为采样触发对滤波后的振动信号基频成分进行采样，采得振动波形的单峰值和它对参考脉冲的相位差，即为振幅向量X₁和X₂，然后分别输入到计算机中；

一个计算机，根据所述振幅向量X₁和X₂并按照权利要求1所述方法计算出不平衡量的大小和相位。

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