JP2005308537A - Balance analyzer and balance analysis method by the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、回転するロータが不釣合いによって生ずる振動をロータのすべての回転数域の範囲に亘って低減させる釣合い解析器及びこの釣合い解析器による釣合い解析方法に関するものである。 The present invention relates to a balance analyzer for reducing vibrations caused by unbalance in a rotating rotor over a range of all rotation speeds of the rotor, and a balance analysis method using the balance analyzer.
回転体（ロータ）には不釣合いはつきものであるから、これを静粛で高精度に回転させるためには、釣合い（バランス）をとらなければならない。ロータを設計する際には、ロータの固有振動数をロータが実働する際の回転数を避けて共振を回避するようにしているが、ロータによっては種々の回転数で用いられるものがあるから、特定の回転数における不釣合いを修正したものでは不十分である。また、ロータには様々な部材が組付けられるから、その固有振動数も計算どおりには行かない。このため、実際に組み込まれた状態で不釣合いを計測してみる必要がある。 Since the rotor (rotor) is unbalanced, in order to rotate it quietly and with high precision, it is necessary to balance it. When designing the rotor, the resonance frequency is avoided by avoiding the natural frequency of the rotor when the rotor is actually operated, but some rotors are used at various rotational speeds. It is not sufficient to correct the imbalance at a specific rotational speed. Further, since various members are assembled to the rotor, the natural frequency does not go as calculated. For this reason, it is necessary to measure the unbalance in the state where it is actually incorporated.
これを計測して解析するのが釣合い解析器であるが、従来の解析器は、ロータの特定の回転数（多くは実働のときの回転数）のみの不釣合いを検出し、これに基づいて修正重りを計算するものであった。これでは、当該回転数の不釣合いは修正できても、他の回転数の不釣合いが修正できたかどうかはわからない。振動数は１次から高次まであり、高次は必ずしも低次の整数倍にはなっていないこともあるから、ある回転数のときの不釣合いを修正したとしても、他の回転数のときの不釣合い（修正した不釣合い量よりも大きいこともある）を見逃しているようなこともある。したがって、想定される回転数付近の計測を何回も行なう等、煩雑な操作を強いられていた。 The balance analyzer is to measure and analyze this, but the conventional analyzer detects the unbalance of only a specific number of rotations of the rotor (mostly the number of rotations in actual operation) and based on this, The correction weight was calculated. In this case, even if the unbalance of the number of rotations can be corrected, it is not known whether the unbalance of the other number of rotations has been corrected. The frequency ranges from the first order to the higher order, and the higher order may not necessarily be an integer multiple of the lower order, so even if you correct the imbalance at a certain number of revolutions, You may have missed the unbalance (which may be larger than the corrected unbalance). Therefore, complicated operations such as performing measurement around the assumed number of revolutions many times have been forced.
加えて、従来の釣合い解析器は、ロータを剛体として捉えていた。ところが、最近のロータは、たとえば、繊維機械におけるワインダー、工作機械におけるスピンドルや工具、自動車におけるクランクシャフト、プロペラシャフト、車軸やタイヤホイル、ターボチャージャにみられるように、高速化、大型化が進み、回転時に発生する曲げモーメントを無視することができない。図６は、ロータを二点支持したときの曲げモードを示す説明図であるが、低速回転域ではロータが剛体であっても、高速回転させると、このように、剛体を維持できず、１次から高次の曲げモーメントが発生する。ロータが弾性体であれば、回転時に発生する曲げモーメントによって不釣合いの状況が変化することがあるから、効果的な回転数を探し出すために種々の回転数で試行錯誤的にテストを繰り返さなければならず、これ又、煩雑な操作を強いられることになる。 In addition, the conventional balance analyzer has regarded the rotor as a rigid body. However, recent rotors, for example, winders in textile machines, spindles and tools in machine tools, crankshafts, propeller shafts in automobiles, axles and tire wheels, turbochargers, are becoming faster and larger. The bending moment that occurs during rotation cannot be ignored. FIG. 6 is an explanatory view showing a bending mode when the rotor is supported at two points. However, even if the rotor is a rigid body in the low speed rotation region, if the rotor is rotated at a high speed, the rigid body cannot be maintained in this way. Next to higher bending moments are generated. If the rotor is an elastic body, the unbalanced situation may change depending on the bending moment generated during rotation. Therefore, in order to find an effective number of rotations, the test must be repeated trial and error at various numbers of rotations. In addition, a complicated operation is forced.
本発明が解決しようとする課題は、想定される弾性ロータの最低回転数から最高回転数までの間の任意の間隔ごとの不釣合い振動を計測して、これを基にロータの特定の修正面に付加又は削除する（以下、単に取り付けるという）不釣合い量を計算するとともに、この修正重りをロータの修正面に取り付けたと仮定したときの各回転数ごとの残留振動を予測して表示できるようにしたものである。そして、これにおいて、修正面を変更できるようにして、すなわち、多速度多面の修正を可能にして効率と精度の向上を図ったものである。 The problem to be solved by the present invention is to measure the unbalanced vibration at every interval between the assumed minimum rotation speed and the maximum rotation speed of the elastic rotor, and based on this, the specific correction surface of the rotor It is possible to calculate the unbalance amount added or deleted (hereinafter simply referred to as “attached”) and to predict and display the residual vibration at each rotation speed when it is assumed that this correction weight is attached to the correction surface of the rotor. It is what. In this, the correction surface can be changed, that is, the multi-speed and multi-surface correction can be performed to improve the efficiency and accuracy.
以上の課題の下、本発明は、請求項１に記載した、最低回転数から最高回転数までの範囲で回転するロータの不釣合いを修正する釣合い解析器であり、この解析器が、ロータの回転数を検出する回転数検出器と、ロータの軸方向位置の一又は複数の個所で当該位置におけるロータの不釣合い振動を検出する振動検出器と、回転数検出器と振動検出器とで最低回転数から最高回転数までの間の予め設定した任意の回転数ごとのロータの不釣合い振動を計測し、この計測結果を基に予め設定したロータの軸方向特定位置（修正面）に付加する又は削除する修正重りを計算するとともに、この修正重りを修正面に付加又は削除したと仮定したときの各回転数ごとの残留振動を予測して表示する制御装置とを有することを特徴とする釣合い解析器を提供したものである。 Under the above-mentioned problems, the present invention is a balance analyzer for correcting an unbalance of a rotor rotating in a range from a minimum rotation speed to a maximum rotation speed according to claim 1, and the analyzer The rotation speed detector that detects the rotation speed, the vibration detector that detects the unbalanced vibration of the rotor at one or more positions in the axial direction of the rotor, the rotation speed detector, and the vibration detector Measure the unbalanced vibration of the rotor at any preset number of revolutions between the number of revolutions and the maximum number of revolutions, and add it to the preset position in the axial direction (corrected surface) of the rotor based on this measurement result Or a control unit that calculates a correction weight to be deleted and predicts and displays a residual vibration at each rotation speed when it is assumed that the correction weight is added to or deleted from the correction surface. Providing an analyzer One in which the.
併せて、本発明は、請求項２に記載した、以上の釣合い解析器による釣合い解析方法であり、この解析方法が、最低回転数から最高回転数までの間の予め設定した任意の回転数ごとのロータの不釣合い振動を計測し、この計測結果を基に予め設定したロータの軸方向特定位置（修正面）に付加する又は削除する修正重りを計算するとともに、この修正重りを修正面に付加又は削除したと仮定したときの各回転数ごとの残留振動を予測して表示することを特徴とする釣合い解析器による釣合い解析方法を提供する。 In addition, the present invention is a balance analysis method using the balance analyzer described in claim 2, and this analysis method is used for each predetermined number of rotations between the minimum number of rotations and the maximum number of rotations. The unbalanced vibration of the rotor is measured, and based on this measurement result, a correction weight to be added to or deleted from the specified axial position (correction surface) of the rotor is calculated, and this correction weight is added to the correction surface. Alternatively, the present invention provides a balance analysis method using a balance analyzer that predicts and displays a residual vibration at each rotation speed when it is assumed that the rotation is deleted.
本発明に係る釣合い解析器及びこれによる解析方法の特徴は、ロータを最低回転数から最高回転数までの範囲で回転させる間に予め設定した任意の回転数ごとの不釣合い振動を計測するものであるから、すべての回転数域における不釣合い状況が把握できる。これには、ロータに曲げモーメントが発生したときも含まれていてロータを弾性体として捉えており、実情に即したものになっている。そして、この計測の結果を基に修正面に取り付ける修正重りを計算するとともに、この修正重りを修正面に付加又は削除したと仮定したときの各回転数ごとの残留振動を予測して表示するものであるから、すべての回転数域に亘って不釣合い振動を低減できる。 The balance analyzer and the analysis method using the balance analyzer according to the present invention measure unbalance vibration at every preset rotation speed while rotating the rotor in the range from the minimum rotation speed to the maximum rotation speed. Because there is, it is possible to grasp the unbalanced situation in all rotation speed ranges. This includes when a bending moment is generated in the rotor, and the rotor is regarded as an elastic body, which is in line with the actual situation. Based on the result of this measurement, the correction weight to be attached to the correction surface is calculated, and the residual vibration at each rotational speed when this correction weight is assumed to be added to or deleted from the correction surface is displayed. Therefore, unbalanced vibration can be reduced over the entire rotational speed range.
以下、本発明の実施の最良の形態について図面を参照して説明する。図３は弾性ロータの回転数ごとのある修正面における不釣合いを示すベクトル図であるが、各回転数Ｎn に基づく不釣合いのベクトルＶn は、回転数Ｎn の変化とともにその大きさ及び位相を変えて表われる。ある回転数Ｎn における不釣合いは、このベクトルＶn における不釣合い量をこれと反対方向に取り付ければ修正されるのであるが、あるベクトルＶn の不釣合いを修正したとしても、他のベクトルＶn は変わらないこともあるから、すべての回転数Ｎn でこの措置をする必要がある。 The best mode for carrying out the present invention will be described below with reference to the drawings. Although FIG. 3 is a vector diagram illustrating the unbalance in the modified surface with each rotation speed of the elastic rotor, a vector V n of the imbalance based on the rotational speed N n is its size with changes in the rotational speed N n and Appears in different phases. The unbalance at a certain rotation speed N n can be corrected if the unbalance amount at this vector V n is attached in the opposite direction. However, even if the unbalance at a certain vector V n is corrected, another vector V n is corrected. Since n may not change, it is necessary to take this measure at all rotation speeds N n .
図１は本発明の一例を示す釣合い解析器の説明図であるが、この解析器は、ワーク（回転時に弾性体挙動をするロータ）単体或いは実際に組み込まれたロータを直接測定してその不釣合いを修正できるのであるが、ここでは、理解を容易にするためにロータを組み込んだものにしている（実際の製品では必要ない）。すなわち、ロータ１は、ベースプレート２の上に対向して設けられた軸受部３で両端を支持され、回転数を無段階に設定できるモータ４でベルト５を介して駆動されるようにしておく。また、修正面を顕出するために四枚のディスク１ａ〜１ｄを適当間隔で取り付けている。 FIG. 1 is an explanatory diagram of a balance analyzer showing an example of the present invention. This analyzer directly measures a work piece (a rotor that behaves as an elastic body during rotation) or a rotor that is actually incorporated, and does not measure it. The balance can be modified, but here it incorporates a rotor for ease of understanding (not necessary for actual products). That is, both ends of the rotor 1 are supported by bearings 3 provided on the base plate 2 so as to face each other, and the rotor 1 is driven via the belt 5 by the motor 4 whose rotation speed can be set steplessly. Further, four disks 1a to 1d are attached at appropriate intervals in order to reveal the correction surface.
これにおいて、ロータ１又はこれと一体とされるもの（本例ではロータ１に嵌合されたベルト５を掛けるプーリ６）にマーカー７を取り付け、この回転数を回転数検出器８で非接触式に検出している。なお、回転数検出器８は、現場で容易にセットできるようにスタンド９によって保持している。 In this case, a marker 7 is attached to the rotor 1 or one integrated with the rotor 1 (in this example, a pulley 6 on which the belt 5 fitted to the rotor 1 is hung), and the rotation speed is detected by a rotation speed detector 8 in a non-contact manner. Is detected. The rotation speed detector 8 is held by a stand 9 so that it can be easily set on site.
さらに、ロータ１の軸方向位置の一又は複数の個所（本例では両端の軸受部３）に当該位置（検出面）におけるロータ１の不釣合いに基づく振動を検出する振動検出器１０を取り付けている。なお、振動の検出には、変位を検出してもよいし、加速度を検出してもよいが、本例では、振動検出器１０を軸受部３に取り付けている関係で加速度を検出するものにしている。ただし、これを非接触式で変位を検出するものにすれば、実機のロータに直接セットすることができる。 Furthermore, a vibration detector 10 for detecting vibration based on the unbalance of the rotor 1 at the position (detection surface) is attached to one or a plurality of positions (in this example, bearing portions 3 at both ends) of the rotor 1 in the axial direction. Yes. The vibration may be detected by detecting a displacement or an acceleration. In this example, the acceleration is detected because the vibration detector 10 is attached to the bearing portion 3. ing. However, if this is a non-contact type that detects displacement, it can be set directly on the actual rotor.
以上の解析器を制御して動作させるのが制御装置１１であるが、回転数検出器９と振動検出器１０で検出されたデータは導線１２で制御装置１１に送られるようになっている。制御装置１１は、これらのデータを取り込んで計算する演算機能を有しており、その結果は、表示部１３に表示されるようになっている。 The control device 11 controls and operates the above analyzer, but the data detected by the rotational speed detector 9 and the vibration detector 10 are sent to the control device 11 through a conducting wire 12. The control device 11 has an arithmetic function for taking in and calculating these data, and the result is displayed on the display unit 13.
このように、本発明に係る釣合い解析器は、回転数検出器９と振動検出器１０及び制御装置１１とからなる簡単な構造であるから、これを箱等に入れて携帯できる。したがって、回転数検出器９と振動検出器１０を取付式にしておくことで、ロータ１が組み込まれた現場まで行って不釣合いを修正できる。 As described above, the balance analyzer according to the present invention has a simple structure including the rotation speed detector 9, the vibration detector 10, and the control device 11, and thus can be carried in a box or the like. Therefore, by setting the rotation speed detector 9 and the vibration detector 10 to be mounted, it is possible to correct the unbalance by going to the site where the rotor 1 is incorporated.
図２はこのロータの振動（不釣合い）を解析して制御装置に表示された回転数と不釣合振動量の関係（以下、回転数−振動量特性、単に特性という）を示すものであるが、このように、修正前における特性（−◆−）と本発明で処理した場合の特性（−■−）が波形で示される。もちろん、これにはロータの曲げモーメントも含まれており、ロータの総合的な振動形態が反映されている。なお、参考までに従来の解析器で修正した波形（−▲−）も示している。 FIG. 2 shows the relationship between the rotational speed and the unbalanced vibration amount displayed on the control device by analyzing the vibration (unbalance) of the rotor (hereinafter referred to as the rotational speed-vibration amount characteristic, simply referred to as the characteristic). In this way, the characteristic (− ♦ −) before correction and the characteristic (− ■ −) when processed according to the present invention are shown in the waveform. Of course, this includes the bending moment of the rotor and reflects the overall vibration form of the rotor. For reference, the waveform (-▲-) corrected by a conventional analyzer is also shown.
これを見ると、４４００ｒｐｍ付近に大きな曲げ１次モードが発生し、以下、６６００ｒｐｍで２次モード、１０８００ｒｐｍで３次モードが発生している。従来の釣合い解析器では、８２００ｒｐｍに的を絞って不釣合いを修正しているのであるが、この回転数では不釣合いは修正されているが、１次モード〜３次モードではせいぜい半分程度しか修正されていないことがわかる。 As can be seen, a large bending primary mode is generated around 4400 rpm, and a secondary mode is generated at 6600 rpm and a tertiary mode is generated at 10800 rpm. In the conventional balance analyzer, the unbalance is corrected by focusing on 8200 rpm, but the unbalance is corrected at this rotational speed, but only half of the correction is made in the primary mode to the tertiary mode. You can see that it was not done.
図４は、本発明に係る釣合い解析器による解析方法を示すフローチャートであるが、まず、ロータの最低回転数（Ｎmin)と最高回転数（Ｎmax)と計測する測定間隔（Ｎpitch)を制御装置に入力し、ロータの設定した修正面（ディスク）に試し重りを付加し、最低回転数（Ｎmin)から最高回転数（Ｎmax)まで回転させてその不釣合い振動量を計測する。この結果は制御装置に記憶される。また、位相角零の位置（作業者が認識できるようにしておく）も決定され、制御装置に記憶される。 FIG. 4 is a flowchart showing an analysis method using the balance analyzer according to the present invention. First, the control device determines the minimum rotation speed (Nmin) and the maximum rotation speed (Nmax) of the rotor and the measurement interval (Npitch) for measurement. Then, a trial weight is added to the correction surface (disk) set by the rotor, and the unbalanced vibration amount is measured by rotating from the minimum rotational speed (Nmin) to the maximum rotational speed (Nmax). This result is stored in the control device. In addition, the position at which the phase angle is zero (which can be recognized by the operator) is also determined and stored in the control device.
以上が初期設定であるが、これが終了すると、ロータを再度最低回転数（Ｎmin)から最高回転数（Ｎmax)まで回転させ、この間、制御装置は、測定間隔（Ｎpitch)ごとの振動データを取り込み、これを基に不釣合い振動を求める。図５はこのときの特性であるが、この特性がすべての回転数域で管理値（許容値のこと）内に収まっておれば、とりたてて不釣合いを修正する必要はない。この場合、測定間隔（Ｎpitch)が小さいほど、数多くの回転数による特性が求まる。しかし、多くの場合は管理値内に収まっていないから、制御装置は修正重りを計算する。ここでの修正重りとは、修正面に取り付ける重り量とその位相角をいうのであり、これらは制御装置に表示される。 The above is the initial setting, but when this is completed, the rotor is rotated again from the minimum number of rotations (Nmin) to the maximum number of rotations (Nmax). During this time, the control device captures vibration data at every measurement interval (Npitch), Based on this, unbalanced vibration is obtained. FIG. 5 shows the characteristic at this time. If this characteristic is within the control value (allowable value) in all the rotation speed ranges, it is not necessary to correct the unbalance. In this case, the smaller the measurement interval (Npitch), the more the characteristics due to the number of rotations. However, in many cases, the control device calculates the correction weight because it is not within the control value. The correction weight here means a weight amount attached to the correction surface and its phase angle, and these are displayed on the control device.
また、制御装置は、この修正重りを修正面に取り付けたと仮定したときの各回転数における残留振動を予測（計算）して表示する（図５）。修正重りの計算は、後述する修正重りと振動を定義づける影響係数を各回転数ごとに計算して残留振動を最小にする計算原理を用いて行うが、実際には、修正重りを修正面に取り付ける際に、その重り量や位相角に誤差は避けられない。そこで、修正重りを実際に修正面に取り付けて残留振動を実測してみる。 Further, the control device predicts (calculates) and displays the residual vibration at each rotation speed when it is assumed that the correction weight is attached to the correction surface (FIG. 5). The correction weight is calculated using a calculation principle that minimizes the residual vibration by calculating the influence coefficient that defines the correction weight and vibration described later for each rotation speed. When mounting, errors in the weight and phase angle are inevitable. Therefore, the residual vibration is actually measured by actually attaching the correction weight to the correction surface.
この残留振動が管理値を超えている場合は、上記した操作を繰り返す。この場合において、不釣合い量が小さくなると、各振動検出器で得られたデータ量が小さくなるため、適宜ゲイン調整をして適正なゲインが得られるようにする。この再操作のときには、修正面を変更（増加）したり、影響係数を変更する方が効果的なこともある。そこで、これらを適宜変更して修正重りを再び計算するとともに、残留振動を予測し、かつ、実測する。このようにして不釣合い振動が管理値内に収まるようにする。 If this residual vibration exceeds the control value, the above operation is repeated. In this case, if the unbalance amount is small, the data amount obtained by each vibration detector is small, so that an appropriate gain is obtained by appropriately adjusting the gain. In this re-operation, it may be more effective to change (increase) the correction surface or change the influence coefficient. Therefore, these are changed as appropriate, the correction weight is calculated again, and the residual vibration is predicted and measured. In this way, the unbalanced vibration is set within the control value.
一方、実際の現場では、釣合い修正は数多くのロータに施される。そこで、先の釣合い修正で採取した影響係数については、これを番号を付けて保存しておき、同一寸法諸元で製造されたロータについては不釣合い振動の計測から、これにもっとも近い影響係数を採用することも可能である。このようにしたとしても、残留振動についてはほとんど差異が見られないから、各回転数ごとの影響係数の採取を省略することができ、作業の効率化が図られる。 On the other hand, in the actual site, the balance correction is applied to many rotors. Therefore, the influence coefficient collected in the previous balance correction is numbered and stored, and for rotors manufactured with the same dimensions, the closest influence coefficient is obtained from the measurement of unbalance vibration. It is also possible to adopt. Even if it does in this way, since a difference is hardly seen about a residual vibration, extraction of the influence coefficient for every rotation speed can be abbreviate | omitted, and work efficiency improvement is achieved.
ところで、以上における修正重りの計算は以下の原理によって求める。この計算は、修正重りと振動との関係を定義づける影響係数を根底においた最小二乗法に依っている。今、測定回数をＬ（１〜Ｌ）、振動検出器数をＫ（１〜Ｋ）、修正面数をＪ（１〜Ｊ）、影響係数をαij（ｉ＝１〜Ｉ：Ｉ＝Ｋ×Ｌ）、初期不釣合いをＡi とすると、修正重りＵj を付加した後の残留振動εi は数式１で表される。 By the way, the calculation of the correction weight described above is obtained by the following principle. This calculation is based on the least square method based on the influence coefficient that defines the relationship between the correction weight and the vibration. Now, the number of measurements is L (1 to L), the number of vibration detectors is K (1 to K), the number of correction surfaces is J (1 to J), and the influence coefficient is α ij (i = 1 to I: I = K). × L) When the initial imbalance is A i , the residual vibration ε i after adding the correction weight U j is expressed by Equation 1.
数式１でＩ＝Ｊの場合には、εi ＝０として修正重りＵj を連立方程式から直接求めることができる。しかし、Ｉ≠Ｊの場合、特にＩ＞Ｊの場合には数式１から直接求めることができないから、最小二乗法を導入する。そこで、影響係数αijの精度を評価する評価関数Ｓを用いるが、この評価関数Ｓは数式２で表すことができる。 In the case of I = J in Equation 1, the corrected weight U j can be obtained directly from the simultaneous equations with ε i = 0. However, when I ≠ J, especially when I> J, the least square method is introduced because it cannot be obtained directly from Equation 1. Therefore, an evaluation function S for evaluating the accuracy of the influence coefficient α ij is used, and this evaluation function S can be expressed by Equation 2.
この評価関数Ｓを最小にするのが修正重りＵj であるが、修正重りＵj の算出条件として数式３が導かれる。 The correction weight U j minimizes the evaluation function S, and Equation 3 is derived as a condition for calculating the correction weight U j .
すなわち、数式３を解くことで、適切な修正重りを得ることができる。 That is, an appropriate correction weight can be obtained by solving Equation 3.
１ ロータ（試験体）
２ ベースプレート
３ 軸受部
４ モータ
５ ベルト
６ プーリ
７ マーカー
８ 回転数検出器
９ スタンド
１０ 振動検出器
１１ 制御装置
１２ 導線
１３ 表示部
1 Rotor (test specimen)
2 Base plate 3 Bearing section 4 Motor 5 Belt 6 Pulley 7 Marker 8 Rotation speed detector 9 Stand 10 Vibration detector 11 Controller 12 Conductor 13 Display section
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