KR19990039105A - Method for measuring tuning response of rotating body considering initial deformation and balancing method of rotating body - Google Patents

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박종혁
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윤종용
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Abstract

초기변형이 고려된 회전체의 동조응답 측정방법 및 그 회전체의 밸런싱 방법에 관해 개시된다. 개시된 측정방법은: 목적하는 회전체를 임의 개수(n)의 절점(node)으로 구분하고, 모든 절점에 대응하는 M(질량, 관성), G(자이로), K(강성), C(감쇄) 행열을 구하는 단계; 상기 회전체의 초기 변형에 따른 초기변형벡터(δ)를 구하는 단계; 상기 회전체를 임의 속도(Ω1)로 회전시키면서 초기변형벡터(δ)와 불균형 벡터(W1)가 고려된 전방 선회응답벡터(Pf)와 후방선회응답벡터(Pb)를 얻는 단계; 상기 선회응답벡터(Pf)와 후방선회응답벡터(Pb)로부터 임의 속도(Ω1)에 대응하는 불균형 벡터(W1)를 계산하는 단계; 상기 회전체를 밸런싱하고자 하는 속도(Ω2)에서 주어진 사양의 전방 선회응답벡터(Pf')와 후방선회응답벡터(Pb')를 만족하는 상기 불균형 벡터(W1)가 고려된 불균형 분포 벡터(W2)를 계산하는 단계; 불균형 벡터(W2)로부터 회전체에 대한 보상질량의 위치, 크기, 방향을 결정하는 단계; 결정된 보상질량의 위치, 크기, 방향에 따라 상기 회전체을 밸런싱하는 단계를; 포함함으로써 회전체에 대한 밸런스를 신속, 정확하고 효율적으로 행할 수 있게 된다.Disclosed are a method of measuring a tuning response of a rotating body in which initial deformation is considered and a method of balancing the rotating body. The disclosed measurement methods are: dividing the desired rotor into any number of nodes, and corresponding to all nodes, M (mass, inertia), G (gyro), K (rigid), C (attenuation) Obtaining a matrix; Obtaining an initial deformation vector δ according to the initial deformation of the rotating body; Obtaining a forward turning response vector (P f ) and a rear turning response vector (P b ) in which an initial deformation vector (δ) and an imbalance vector (W1) are considered while rotating the rotating body at an arbitrary speed (Ω1); Calculating an imbalance vector W1 corresponding to an arbitrary speed? 1 from the swing response vector P f and the rear swing response vector P b ; Unbalance distribution vector (1) considering the unbalance vector (W1) satisfying the forward swing response vector (P f ') and the rear swing response vector (P b ') of the given specification at the speed (Ω2) to balance the rotating body ( Calculating W2); Determining the position, magnitude, and direction of the compensation mass with respect to the rotating body from the imbalance vector W2; Balancing the rotating body according to the determined position, size, and direction of the compensation mass; By including it, the balance with respect to a rotating body can be performed quickly, correctly, and efficiently.

Description

초기변형이 고려된 회전체의 동조응답 측정방법 및 그 회전체의 밸런싱 방법Method of measuring tuning response of rotating body considering initial deformation and balancing method of rotating body

본 발명은 회전체의 초기변형이 고려된 회전체의 동조응답 측정방법 및 그 회전체의 밸런싱 방법에 관한 것으로 회전체의 초기변형 및 불균형에 따른 보정질량의 크기, 위치, 방향을 효과적으로 계산할 수 있는 방법 및 그 회전체의 밸런싱 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for measuring the tuning response of a rotating body in consideration of the initial deformation of the rotating body and a balancing method of the rotating body. The size, position, and direction of the corrected mass according to the initial deformation and imbalance of the rotating body can be effectively calculated. It relates to a method and a balancing method of the rotating body.

회전체 특히 고속으로 회전하는 회전체의 부드럽게 동작을 위하여 회전체 밸런싱은 기본적으로 필요하다. 이상적인 상태의 회전체의 경우, 모든 동작에서 회전체의 관성 축은 회전체의 회전축과 일치한다. 실제적인 상태에서는 이렇지 않기 때문에 원심력과 모멘트가 생겨서 회전체를 지지하는 베어링이나 지지 구조물에 큰 힘이 전달된다. 회전체가 불균형이 크면 움직임이 불균형의 정도에 상응하여 커지고, 이에 따라서 회전체를 지지하는 베어링 및 지지 구조물이 파괴되기도 한다. 불균형과 축 부 정열은 기계 오동작과 재앙적 고장에 이르는 주 요인 중 두개로 알려졌다. 기계에서 회전체의 불균형은 초기 제작 공정의 공차와 재질 불균일로 인해 발생될 수 있고, 또는 사용중 부식, 열효과(변형), 그 표면에 누적되는 물질에 의해 발생될 수 있다. 컴프레샤, 펌프, 터빈 등 다단회전체는 많은 회전체가 복합된 구조를 가지므로 회전체에 불균형이 크게 나타날 수 있다. 단순한 구조의 모타에서 복잡한 펌프, 컴프레샤, 항공기 엔진까지 대부분의 회전체의 초기제작에서 제작자는 일반적으로 기계의 초기 밸런싱을 확실히 하기 위하여 복잡한 절차를 적용한다.Rotor balancing is basically necessary for smooth operation of the rotating body, in particular the rotating body rotating at high speed. In the case of a rotor in an ideal state, the axis of inertia of the rotor coincides with the axis of rotation of the rotor in all motions. This is not the case in the real world, which creates centrifugal forces and moments, which transmit large forces to the bearings or support structures that support the rotor. If the rotor is largely unbalanced, the movement becomes large in correspondence with the degree of imbalance, thereby destroying the bearings and the supporting structure supporting the rotor. Unbalance and shaft alignment are known to be two of the main factors leading to machine malfunctions and catastrophic failures. Unbalance of the rotor in the machine can be caused by tolerances and material unevenness in the initial fabrication process, or it can be caused by corrosion in use, thermal effects (deformation), and accumulation of material on its surface. Multistage rotors such as compressors, pumps, turbines, etc. have a structure in which many rotors are complex, so that imbalances may appear in the rotors. In the initial fabrication of most rotors, from simple motors to complex pumps, compressors and aircraft engines, manufacturers typically apply complex procedures to ensure the initial balancing of machines.

회전체에 대한 밸런싱은 모든 구성품의 초기 밸런싱과 조립체의 최종 밸런싱을 포함한다. 이 밸런싱 절차는 유연 베어링 또는 강성 베어링 지지 개념을 토대로 한 상용 밸런싱 장치를 포함한다. 따라서, 회전체들은 그 면에서 극히 고정도로 밸런싱 된다. 매우 유연한 회전체에 대해 제작자는 최종 트림(trim) 밸런싱을 위해 고속 회전 피트(pit)설비를 사용할 수 있다. 회전체가 운용되는 중 어떤 상황으로 인하여 시스템에 불균형이 발생할 수 있다. 이처럼 회전체의 밸런싱은 초기 설치 이후 변할 수 있는데, 이때의 밸런스 절차는 처음에 제작자에 의해 적용된 것과는 상당히 다를 수 있다. 이러한 불균형 상태를 바로 잡기 위해 회전체를 제거하여 설비를 제작자로 반송하려면 큰 비용과 시간이 소요된다. 따라서, 대부분의 경우 설비가 설치된 상태에서 현장에서 밸런싱하게 된다. 현장 밸런싱의 목적은 허용 수준의 진동을 유지하기 위하여 회전체의 한개 내지 여러 개의 축 면에 보정 질량을 추가하는 것이다. 현장 밸런싱은 상당히 오랜 동안 연구되었다.Balancing on the rotor includes the initial balancing of all components and the final balancing of the assembly. This balancing procedure includes a commercial balancing device based on the concept of flexible bearings or rigid bearing support. Thus, the rotors are balanced with extremely high precision in that respect. For highly flexible rotors, the manufacturer can use a high-speed rotary pit facility for final trim balancing. Any situation during which the rotor is operating can cause an imbalance in the system. As such, the balancing of the rotor can vary after initial installation, where the balancing procedure can be quite different from that initially applied by the manufacturer. In order to correct this imbalance, it is costly and time consuming to remove the rotor and return the equipment to the manufacturer. Therefore, in most cases, balancing is performed on-site with the facility installed. The purpose of in-situ balancing is to add correction mass to one or several axial planes of the rotor in order to maintain an acceptable level of vibration. Field balancing has been studied for quite some time.

ISO(International Standard Organization)는 1973에 회전하는 강체의 밸런스 품질과 회전체 분류에 관한 문서를 출판하였다. 회전체는 운용속도에서 동적 거동에 따라 강성 또는 연성 시스템으로 분류할 수 있다. 회전체의 분류는 시스템에서 임계속도 분석을 함으로서 결정된다. 베어링의 변형 또는 포텐셜 에너지가 계(system)의 총 변형 에너지의 80%가 넘으면 일반적으로 회전체를 강성으로 분류한다. 강성 회전체는 두 개 임의평면에서 밸런스될 수 있다. 회전체는 운용속도 구간을 통해 밸런스를 유지할 수 있다. 한편 축의 변형에너지가 계의 변형에너지의 20%를 넘고 회전체가 한개 내지 그 이상의 임계속도를 지나며 운용될 때는 연성 또는 준-연성 회전체로 고려될 수 있다. 이 환경에서는 두 개 평면 강성체 밸런싱은 적절하지 않으며, 어떤 속도에서 진동 진폭을 최소화하기 위해 축을 따라 추가적인 트림(trim)질량을 두어야할지 모른다. ISO에서는 각각의 특정 경우에 필요한 밸런스 유형과 품질을 기술하였다.The International Standards Organization (ISO) published a document on the quality of rotating bodies and the classification of rotors in 1973. Rotors can be classified as either rigid or ductile, depending on their dynamic behavior at operating speed. The classification of the rotor is determined by performing critical velocity analysis in the system. If the deformation or potential energy of the bearing exceeds 80% of the total strain energy of the system, the rotor is generally classified as rigid. The rigid rotor can be balanced in two arbitrary planes. The rotor can be balanced through the operating speed section. On the other hand, when the strain energy of the shaft exceeds 20% of the strain energy of the system and the rotor is operated at one or more critical speeds, it may be considered a soft or semi-ductile rotor. In this environment, two-plane rigid body balancing is not appropriate, and at what speed it may be necessary to place additional trim mass along the axis to minimize vibration amplitude. The ISO describes the type and quality of balance required for each specific case.

ISO에 의해 5개 기본 분류가 소개되었다. 첫째, 클래스 1의 강성 회전체는 두개의 임의 축 평면에서 밸런스 될 수 있고 운용속도 구간에서 밸런스를 유지한다. 둘째, 클래스 2의 준-연성 회전체는 완전히 단단(rigid)하지는 않지만 저속 밸런싱 기계에서 적절히 밸런싱 될 수 있고 속도구간에서 부드러운 운용이 유지된다. 셋째, 클래스 3의 연성회전체는 저속 밸런스 기계에서 밸런스 될 수 없고, 1개 이상의 고속 트림평면 보정이 필요하다. 넷째, 클래스 4의 연성 부가 회전체는 클래스 1,2 또는 3으로 분류 될 수 있지만 그들 또는 유연하게 결합된 구성품을 가진다. 다섯째, 클래스 5의 단일속도 연성회전체는 클래스 3 유연 로터로 분류될 수 있지만 1속도에서만 동작하도록 밸런스 된다. 그리고, 단일면 또는 두면 정속 밸런싱은 보통 클래스 1과 2에 적합하다. 클래스 3과 클래스 4는 유연로터에 대해서는 최소자승 에러 영향계수 또는 결합된 모달(MODAL)기법이 자주 사용된다.Five basic classifications were introduced by the ISO. First, a rigid rotor of class 1 can be balanced in two arbitrary axial planes and balanced in the operating speed range. Secondly, class 2 quasi-soft rotors are not completely rigid but can be properly balanced in low speed balancing machines and maintain smooth operation in the speed range. Third, a class 3 flexible rotor cannot be balanced in a low speed balance machine and requires one or more high speed trim plane corrections. Fourth, the flexible addition rotors of class 4 can be classified as classes 1,2 or 3, but they have components or flexible couplings. Fifth, a class 5 single-speed flexible rotor can be classified as a class 3 flexible rotor, but balanced to operate at only one speed. And single-sided or two-sided constant balancing is usually suitable for Class 1 and 2. Classes 3 and 4 often use least square error coefficients or combined modal (MODAL) techniques for flexible rotors.

밸런싱 타입에 있어서, 회전기계의 밸런싱은 일반적으로 두개 일반 영역으로 분류될 수 있다. 처음 일반영역은 강성 또는 연성 베어링 밸런싱 기계 상에서 실시된 공장에서의 밸런싱이다. 이 방법은 생산자가 실시하고 구성품등이 개개로 밸런싱될 뿐 아니라 최종 조립체도 강성회전체로서 밸런스된다. 구성품이 최종조립 전에 최종조립에서와 같이 각각 밸런싱되면 매우 긴 유연회전체도 현장에서의 추가적인 조정없이 매우 성공적으로 운용될 수 있다. 특히 발전기 같은 종류의 회전체는 회전 피트 설비에서 회전체를 추가적으로 밸런싱해야 할 필요가 있을 수도 있다. 이것은 보통 여러 개의 임계속도를 지나며 운용되어야하는 클래스 3 회전체에 대해 행해진다. 이러한 밸런싱 절차는 매우 비싸고 오랜 시간이 소요된다. 이 밸런싱을 하기위해 가용한 설비는 많지 않다. 두 번째 넓은 밸런싱 영역은 회전체가 사용 현장에서 밸런싱되는 현장 밸런싱이다. 현장 밸런싱에서 터보 회전체는 자체 베어링을 사용하여 밸런싱되고 모션을 모니터하기위해 적절한 장치가 축과 베어링 하우징 또는 기초에 설치된다.In the balancing type, balancing of rotary machines can be generally classified into two general areas. The first general area is factory balancing performed on rigid or soft bearing balancing machines. This method is carried out by the producer and the components are individually balanced as well as the final assembly is balanced as a rigid rotor. If components are balanced before final assembly, as in final assembly, even very long flexible rotors can be operated very successfully without additional adjustments in the field. In particular, a rotating body, such as a generator, may need to be further balanced in the rotating pit installation. This is usually done for class 3 rotors that must be operated over several critical speeds. This balancing procedure is very expensive and time consuming. There are not many facilities available for this balancing. The second wider balancing area is field balancing where the rotor is balanced at the site of use. In field balancing, the turbo rotor is balanced using its own bearings and suitable devices are installed on the shaft and bearing housing or foundation to monitor motion.

이하 종래의 현장 밸런싱 종류와 그 절차를 간단히 요약한다.The following briefly summarizes the conventional field balancing types and their procedures.

- 영향계수법에 의한 단일면 밸런싱-Single face balancing by influence coefficient method

밸런싱에서 단일면 단일 속도 영향계수법은 모든 절차 중 가장 간단하다. 위상각은 변위 프루브의 측정 값마다 다르고 스트로브 광으로 부터 직접 얻을 수있다. 또한 어떤 밸런싱 장치는 초기 위상 측정에 따라 다른 컨벤션을 가진다. 이 방법에서 시도 질량(교정 질량)은 축에 설치된다. 교정질량이 부착된 회전체의 새로운 진동 응답은 시도 질량을 장착 후 기록된다. 진동에서의 변화는 시도질량으로 나누어 영향계수가 된다. 여기에서, 영향계수는 특정속도에서 단위시도 질량을 장착함으로서 발생하는 회전체 응답을 나타낸다. 이 영향계수는 진폭과 위상각을 나타내는 벡터 량이라는 것을 인식해야한다. 위상각은 가진 함수와 진동측정간의 상대위상을 나타낸다. 영향계수에 의한 현장 밸런싱은 위상측정을 완전히 이해해야한다. 위상측정은 비접촉 또는 변위프루브, 속도 픽업, 또는 가속도계로 이루어질 수 있다. 위상은 전자 키 페이저 또는 스트로브광으로 축의 위상각을 측정할 수 있다. 단일 평면 또는 다평면 밸런싱을 시도하기 전에 적용할 위상측정절차를 충분히 숙지해야한다. 영향계수법에 의한 단일평명 밸런싱에서 시스템은 선형으로 간주되고 계산한 영향계수를 토대로 하나의 보정질량이 축에 설치된다. 이 절차는 트림 밸런싱이라고 부르고 현장에서 직면하는 밸런싱의 90%에서 일반적으로 사용되는 방법이다. 단일 평면 밸런스 보정의 적용으로 그 특정속도에서 회전체의 진동을 영(zero)으로 만들 수 있다. 단일면 단일 속도 영향계수 밸런싱 법의 주 문제는 그 특정위치와 속도에서 진동 진폭이 줄더라도 다른 곳에서는 큰 진동을 보일 수 있다는 것이다. 다른 속도에서는 로터는 밸런스되지 않은 것처럼 보일 수 있다. 이러한 방법의 장점은 현장에서 신속히 실행될 수 있고 영향계수는 일반적 절차로 계산될 수 있다는 것이다. 특정 회전체에서 영향계수가 한번 계산되면 그 기계는 추가 시도 질량을 더하지 않고 밸런스 될 수 있다. 이 밸런싱 방법은 원-샷(one-shot) 밸런싱 법으로 부르고 미리 결정된 영향계수 값을 토대로 한다.In balancing, the single-sided single velocity coefficient of influence is the simplest of all procedures. The phase angle depends on the measured value of the displacement probe and can be obtained directly from the strobe light. Some balancing devices also have different conventions for initial phase measurements. In this method the trial mass (calibration mass) is installed on the shaft. The new vibration response of the rotating body with the corrected mass is recorded after mounting the trial mass. The change in vibration is divided by the trial mass and becomes the coefficient of influence. Here, the coefficient of influence represents the rotational response generated by mounting the unit trial mass at the specified velocity. It should be recognized that this coefficient of influence is a vector quantity representing amplitude and phase angle. The phase angle represents the relative phase between the excitation function and the vibration measurement. Field balancing by coefficient of influence requires a full understanding of the phase measurement. Phase measurements can be made with contactless or displacement probes, speed pickups, or accelerometers. The phase can measure the phase angle of the axis with an electronic key pager or strobe light. Familiarize yourself with the phase measurement procedures you will apply before attempting single-plane or multi-plane balancing. In single level balancing by the coefficient of influence method, the system is considered to be linear and based on the calculated coefficient of impact, a correction mass is placed on the axis. This procedure is called trim balancing and is a commonly used method in 90% of the field facing balancing. By applying a single plane balance correction, the vibration of the rotor can be made zero at that specific speed. The main problem with the single-sided single velocity coefficient of influence balancing method is that even if the amplitude of vibration decreases at that particular position and speed, it can show large vibration elsewhere. At other speeds, the rotor may appear to be unbalanced. The advantage of this method is that it can be implemented quickly in the field and the coefficient of influence can be calculated as a general procedure. Once the coefficient of influence has been calculated for a particular rotor, the machine can be balanced without adding additional trial mass. This balancing method is called a one-shot balancing method and is based on a predetermined coefficient of influence value.

- 영향계수법에 의한 두면 밸런싱Two-sided Balancing by Influence Coefficient Method

하나의 불균형 위상으로 불 충분한 회전체가 많다. 한 면에서 밸런스 보정은 다른 곳에서 과도한 양의 진동을 야기할 수 있다. 이런 환경 하에서 동시에 두면 영향계수 밸런싱 절차가 적용되어야한다. 이러한 방법은 축 영향계수와 두면 밸런스 보정을 결정하기 위한 반 도식적 방법이다. 이 방법은 매우 널리 사용되었고 지금도 산업 현장에서 사용되고 있다. 이 방법은 손 계산기로 간단하게 프로그램 될 수 있다. 두면 밸런싱 절차에서 시도 질량은 처음 또는 가까운 평면에 장착되고 응답은 두 면에서 측정된다. 다음 그 질량은 제거하고 두번째 또는 먼 평면에 설치하고 다시 두면에서 측정한다. 두개의 영향계수가 더 얻어진다. 이것으로 밸런싱하기 위해 역이되어야하는 2x2복소 영향계수 행열이 구성된다. 2x2복소 영향계수 행열은 4x4실수행열과 같다. 그러므로 두면 밸런싱은 해당 로터 밸런싱 크기와 상대위상각 위치를 표현하는 4개량을 결정하기 위하여 4x4행열의 역을 취하는 것과 동일하다. 이 방법은 수 계산으로 지루하며 계산기와 컴퓨터에서는 아주 간단하다.Many unstable rotors in one unbalanced phase. Balance correction on one side can cause excessive amounts of vibration elsewhere. At the same time under these circumstances, the coefficient of impact balancing procedure should be applied. This method is a schematic method for determining the axial influence coefficient and the two-sided balance correction. This method has been very widely used and is still used in industry. This method can be simply programmed with a hand calculator. In a two-sided balancing procedure, the trial mass is mounted on the first or near plane and the response is measured on both sides. The mass is then removed and placed in the second or distant plane and again measured on two sides. Two more coefficients of influence are obtained. This constitutes a 2x2 complex coefficient of influence matrix that must be inversed to balance. The 2x2 complex coefficient matrix is the same as the 4x4 real matrix. Therefore, balancing is equivalent to taking the inverse of the 4x4 matrix to determine the four quantities representing the corresponding rotor balancing magnitude and relative phase angle position. This method is boring with counting and is very simple for calculators and computers.

-정적 및 동적 성분을 사용한 단일면 밸런싱-Single face balancing with static and dynamic components

이 방법은 축의 양쪽 끝에서 진동이 측정되는 것을 제외하고 단일면 영향계수 절차의 변형이다. 두 진동 기록을 벡터적으로 가감하여 정적 및 동적 성분을 결정한다. 평균 정적 성분이 높다고 보이면 한개 내지 두개의 질량이 동상으로 설치된다. 이 방법은 영향계수법을 사용한 간단화된 모드절차이다.This method is a variation of the single-faced influence factor procedure except that vibrations are measured at both ends of the axis. The two vibration records are vectored to subtract and determine the static and dynamic components. If the average static component appears to be high, then one or two masses are installed in phase. This method is a simplified mode procedure using the influence coefficient method.

-선형회귀를 사용한 영향계수법에 의한 단일면 밸런싱Single-face Balancing by Influence Coefficient Method Using Linear Regression

단일면 밸런싱법에서 한 속도에서 회전체를 과 밸런싱하여 다른 속도에서는 극히 높은 진동을 가질 수 있다. 선형회귀 밸런싱 법은 회전체 밸런싱의 최소자승에러법이다. 한 속도에서 회전체 응답을 측정하는 대신 한속도 구간에서 진동특성이 측정된다. 선형회귀에 의한 밸런싱은 다른 속도에서 큰 여기를 일으키지 않는다. 이 방법에 의해 계산된 밸런싱의 크기는 단일면 영향계수법으로부터 계산된 크기보다 항상 작다. 이 방법은 너무 큰 밸런스 질량을 적용하여 과 보정하지 않을 것을 보증한다. 이 방법은 축 휨과 큰 초기 런아웃(runout)을 가진 회전체의 밸런싱에 유용하다.In single-sided balancing, the rotor can be over-balanced at one speed, resulting in extremely high vibrations at other speeds. Linear regression balancing is a least-squares error method for rotor balancing. Instead of measuring the rotor response at one speed, vibration characteristics are measured in one speed section. Balancing by linear regression does not cause large excitation at other speeds. The magnitude of the balancing calculated by this method is always smaller than the magnitude calculated from the single-faced influence coefficient method. This method ensures that too large a balance mass is applied and not overcorrected. This method is useful for balancing rotors with axial deflection and large initial runout.

- 준 역(PSEUDO-INVERSION)을 사용한 일반화된 영향계수법-Generalized impact coefficients using PSEUDO-INVERSION

이 방법은 두 개 이상의 평면과 다 속도 측정을 사용한 일반화된것으로 '일반화된 영향계수법'라 부른다. 또한 이 방법은 준역법, 또는 최소자승에러 법이라고도 불리는 것으로 정 속도 점 밸런싱 법(EXACT SPEED POINT METHOD OF BALANCING)으로 부르는 두면 밸런싱 방법과는 달리 밸런싱 면보다 여러 개의 속도에서 측정한다.이 방법은 밸런싱 데이타가 최상으로 피트(fit)되고 큰 터빈 발전기에서 선호되는 방법이다. 일반화된 최소자승에러 밸런싱법은 시스템의 회전체에 대한 동역학적 사전 지식이 불필요하다. 5개 임계속도에 걸쳐 터빈-발전기의 다평면 밸런싱에서 성공적으로 사용되었다. 최소화 또는 무시하기 위한 특정진동의 가중점수를 강조하는 가중 최소자승에러법과 같이 이 절차의 몇 가지 변형방법이 개발되어 왔다. 밸런스 평면이 적절하지 않게 선택되면, 180도 이상(OUT OF PHASE)인 인접평면에서 최소자승에러법은 회전체에 적용하기 어려운 극히 큰 밸런스 질량을 만든다. 최소자승에러 법은 특정평면에 대해 예측된 밸런스질량의 크기를 제한해줄 수 없다.This method is generalized by using two or more planes and multi-speed measurements and is called 'generalized influence coefficient'. This method, also called the quasi-orthogonal or least-squares error method, is called EXACT SPEED POINT METHOD OF BALANCING. Is the best fit and is the preferred method for large turbine generators. Generalized least-squares error balancing requires no dynamic prior knowledge of the rotating body of the system. It has been successfully used in multi-plane balancing of turbine-generators over five critical speeds. Several variations of this procedure have been developed, such as the weighted least-squares error method, which emphasizes the weighted score of a particular vibration to minimize or ignore it. If the balance plane is inappropriately selected, the least square error method in the adjacent plane that is 180 degrees or more (OUT OF PHASE) creates an extremely large balance mass that is difficult to apply to the rotor. The least-squares error method cannot limit the magnitude of the predicted balance mass for a particular plane.

-선형 프로그래밍 기법을 사용한 다 평면 밸런싱Multi-plane balancing using linear programming

이 방법은 영향계수를 얻는데 최소자승에러 밸런싱 법과 유사한 방식으로 진행한다. 그러나 선형 프로그래밍에서는 특정 스테이션에서 계산된 밸런싱 질량의 크기에 제한 또는 상향 바운드(bound)를 줄 수 있다. 그러나 가장 잘 동작하는 시스템에서 선형프로그래밍의 결과와 일반화된 최소자승에러밸런스 이론은 매우 유사하다.This method proceeds in a manner similar to the least-squares error balancing method to obtain the coefficient of influence. However, linear programming can impose a limit or upward bound on the magnitude of the balancing mass calculated at a particular station. However, the result of linear programming and generalized least squares error balancing theory are very similar in the best working system.

-모드 밸런싱Mode balancing

발전기와 같이 여러 개 임계속도에 걸쳐 동작하는 유연회전체는 이 방법에 의해 가장 잘 밸런스된다. 이 방법에서는 회전체의 임계속도 모드형태를 이론적 또는 실험적 측정을 통하여 알아야한다. 회전체에 설치하는 질량은 회전체 모드형태에 비례한다. 각 모드 분포는 한번에 한 모드를 각각 밸런스하기 위하여 사용된다. 이 방법의 목표는 다른 모드에서 밸런스는 흐트리지 않고 큰 확대계수로 회전체를 밸런스 하는 것이다. 한 회전체에 적용된 모드 밸런스 보정 량은 모드 영향 밸런싱 계수를 예측하고 회전체응답을 측정하는 영향계수법을 사용하여 가장 잘 계산된다. 달로우(M. Darlow)는 1989년에 '회전체 밸런싱의 일체화된 방법으로 불리는 결합된 모드 및 영향계수법에 관한 많은 문서를 소개하였다. 이 방법의 정확도는 2차 임계속도 이상에서는 매우 복잡하게될 수 있는 회전체 모드형태의 지식에 의존한다.이 방법은 발전기와 긴 유연 원심분리기에 성공적으로 적용되어 왔다.Flexible rotors that operate over several critical speeds, such as generators, are best balanced by this method. In this method, the critical velocity mode form of the rotor should be known through theoretical or experimental measurements. The mass installed on the rotor is proportional to the rotor mode. Each mode distribution is used to balance one mode at a time. The goal of this method is to balance the rotor with a large magnification factor without compromising the balance in other modes. The amount of mode balance correction applied to a rotor is best calculated using an influence coefficient method that predicts the mode effect balancing coefficients and measures the rotor response. M. Darlow introduced many documents in 1989 about combined modes and coefficients of influence, called 'unified methods of rotor balancing'. The accuracy of this method relies on knowledge of the rotor mode form, which can be very complex above the second critical speed. This method has been successfully applied to generators and long flexible centrifuges.

-3개 시도 질량 밸런싱법-3 trial mass balancing

일반적으로 정확한 위상특성을 얻는 것이 가능하지 않은 경우가 많으므로, 3개 다른 장소에 시도 질량을 적용함으로서 불균형의 크기와 밸런스 장소를 결정하기 위해 밸런스 점의 궤적을 생성할 수 있다. 이 방법은 회전속도가 일정하지 않고 비팅(beating)이 일어나는 팬(FAN)들에 매우 성공적으로 적용되어 왔다. 계산 방법은 도식적이고 컴퓨터를 쓸 필요없다.In general, it is often not possible to obtain an accurate phase characteristic, so by applying the trial mass to three different locations, it is possible to generate a trajectory of the balance point to determine the magnitude of the imbalance and the location of the balance. This method has been applied very successfully to fans that have a constant rotation speed and beats. The calculation method is schematic and requires no computer.

-위상없는 다 평면 밸런싱-Phase free of the flat balancing

상기 3 시도 질량 밸런싱법은 여러 임계속도에 걸쳐 유연 회전체를 밸런스하기 위해 확장되어 왔다. 이 확장에서 모달 분포로 질량이 회전체에 설치된다. 회전체의 진폭은 FFT 아날라이저를 사용하거나 특정임계속도에서 최대진폭을 기록하는 피크홀드 데이타 획득시스템을 사용하여 임계속도에서 측정된다. 그런 후 각 모드는 앞 임계속도 모드를 가진하지 않고 각각 밸런스 될 수 있다. 이 방법은 매우 큰 확대계수를 갖고 최소자승에러나 선형프로그래밍 방법으로 밸런스하기 어렵거나, 불가능한 유연회전체를 밸런싱하는데 유리하다. 이것은 상당한 축 굽힘이 있는 축을 정확히 밸런스하는데 유리하다. 이 방법의 불리한 점은 회전체 모드형태를 알아야하고 밸런스되어야 할 각속도에 대해 3번의 운전이 행해져야 한다는 것이다. 이 방법이 행해진 후에 초기 연습에서 유도된 회전체 모드 민감성을 이용하여 두번 운전법을 시작할 수도 있다.The three attempted mass balancing method has been extended to balance the flexible rotor over several critical speeds. In this expansion, the mass is installed on the rotor with a modal distribution. The amplitude of the rotor is measured at the critical velocity using an FFT analyzer or using a peak hold data acquisition system that records the maximum amplitude at a specific duration. Each mode can then be balanced individually without having the previous critical speed mode. This method is advantageous for balancing flexible rotors that have very large magnification factors and are difficult or impossible to balance with least-squares errors or linear programming methods. This is advantageous for precisely balancing an axis with significant axial bending. The disadvantage of this method is that the rotor mode type must be known and three runs must be made for the angular velocity to be balanced. After this method is done, it may be possible to start the operation twice using the rotor mode sensitivity derived from the initial practice.

-시도 질량없이 회전체 밸런싱Rotor balancing without trial mass

이 방법은 1회 밸런싱 법으로 부른다. 특정 회전체에 대해 영향계수가 한번 결정되면 현 영향계수와 측정한 진동으로 불균형을 예측할 수 있다. 이 방법에서 특정모드에서 회전체 확대계수를 결정하는데 회전체 진폭의 나이퀴스트(Nyquist) 선도가 사용된다. 회전체 확대계수를 계산함으로서 특정 임계속도에서 모드불균형 편심이 결정될 수 있다. 극 선도 또는 나이퀴스트 선도로부터 모드 질량 분포의 위상 위치가 특정 임계속도를 밸런스하기 위해 결정 될 수 있다. 이 방법의 불리한 점은 회전체 모드 질량과 임계속도 모드를 알아야 한다는 것이다. 이 방법의 유리한 점은 밸런스 예측량은 영향계수 밸런싱 법에 의해 더 개선하기 위한 초기시도 운전시 사용될 수 있다는 것이다.This method is called a one-time balancing method. Once the coefficient of influence is determined for a particular rotor, the imbalance can be predicted by the current coefficient of influence and the measured vibration. In this method, the Nyquist plot of the rotor amplitude is used to determine the rotor expansion coefficient in a particular mode. By calculating the rotor expansion coefficient, the mode imbalance eccentricity can be determined at a particular critical speed. From the pole plot or the Nyquist plot, the phase position of the mode mass distribution can be determined to balance a specific critical velocity. The disadvantage of this method is that you need to know the rotor mode mass and the critical velocity mode. The advantage of this method is that the balance predictor can be used during initial trial operation to further improve by the coefficient of influence balancing method.

-커풀링 트림 밸런싱-Coupling Trim Balancing

두 기계가 완전히 밸런스되지 않는 경우도 있지만 커플링으로 연결될 때 큰 진동을 가질 수 있다. 두 회전체가 밸런스 되었기 때문에 유닛을 다시 밸런싱 하려고 하는 것은 바람직하지 않다. 1983년 윙클러(Winkler)에 의해 개발된 커플링 밸런싱 법에서 커플링은 180도 회전된다. 새로운 진동측정으로부터 커플링의 최적위치는 트림 밸런싱을 위해 계산될 수 있다.In some cases, the two machines are not completely balanced, but they can have a large vibration when connected by coupling. It is not advisable to attempt to rebalance the unit since the two rotors are balanced. In the coupling balancing method developed by Winkler in 1983, the coupling is rotated 180 degrees. From the new vibration measurement, the optimum position of the coupling can be calculated for trim balancing.

이상에서 설명된 종래 방법들은 불균형의 크기,위치,방향을 알기 위한 것으로 시도질량의 부착으로 인한 영향계수를 알아냄으로서 불균형의 크기,위치,방향을 알수 있고 이를 통해 밸런싱 질량을 보정해줌으로서 밸런싱가능하다. 시도 질량을 붙여 보는 것은 밸런싱 대상의 현 상황을 모르기 때문에 이를 추정하기 위한 것이다. 단일면 보다 여러면에서 시도 질량을 더하면 보다 정확히 할수 있고 또는 여러 곳에서 측정하면 최소자승적으로 측정한 여러 곳에서의 응답의 RSS(root sum square)가 가장 최소가 되도록 밸런싱할 수 있다. 그러나, 실제 환경은 불균형 외에 축의 휨이 있기 때문에 이 과정은 더욱 어렵고 오랜 시간이 소요된다.The conventional methods described above are for determining the size, position, and direction of the imbalance, and by determining the influence coefficient due to the attachment of the trial mass, the size, position, and direction of the imbalance can be known and can be balanced by correcting the balancing mass. Do. The trial mass is intended to estimate this because we do not know the current state of the balancing object. You can add more trial masses on more than one face to make it more accurate, or measure multiple places to balance the root sum square (RSS) of the least squares of the responses from the least squares. However, this process is more difficult and time consuming because the actual environment has a deflection of the shaft in addition to the imbalance.

이론적으로 완벽한 모델이 있을 때 1번의 시도질량으로 불균형의 크기, 위치, 방향을 알수 있고 모드 밸런싱과 같이 여러 속도에서 동작하는 시스템의 밸런싱도할 수 있다. 회전체의 속도에 따라 불균형의 영향이 달라지고 시스템의 고유한 응답 경향(모드라고 함)도 달라지기 때문에 밸런싱은 실험이든 시뮬레이션이든 시스템의 모드를 알아야 하며, 그 후 각 모드마다 밸런싱해야 한다.Theoretically, when there is a perfect model, one attempted mass gives the magnitude, position, and direction of the imbalance, as well as the balancing of systems operating at different speeds, such as mode balancing. Since the speed of the rotor changes the effects of the imbalance and the inherent response tendency (called the mode) of the system, balancing must know the mode of the system, whether experimental or simulation, and then balance for each mode.

일반적으로 회전체에 있어서의 축 휨은 어느 정도이든 반드시 발생하고 보정하기 어렵다. 축을 다시 제작하더라도 필요한 정도가 될지는 알수 없다. 즉, 실제 회전체에서는 많은 경우 회전체의 초기변형에 의해 불균형에 의한 진동 특성과 다른 동조 진동 현상이 나타나고 실제 측정에서 혼동을 일으키도록 한다. 예를 들어 회전체의 밸런싱에서는 회전속도에 동조되는 진동특성을 모두 불균형에 의한 것으로 가정하기 때문에 이로 인한 오차가 밸런싱 효율을 떨어뜨리게 된다.In general, axial deflection in the rotating body is necessarily generated to some extent and difficult to correct. Even if we rebuild the axis, we don't know if it will be necessary. In other words, in the actual rotating body in many cases due to the initial deformation of the rotating body, the vibration characteristics due to the imbalance and other synchronous vibration phenomenon occurs, causing confusion in the actual measurement. For example, in the balancing of the rotating body, it is assumed that all of the vibration characteristics synchronized with the rotational speed are due to the imbalance, thereby causing an error in the balancing efficiency.

본 발명은 회전체의 초기 변형에 의해 불균형에 의한 진동 특성과 다른 동조 진동을 분명히 규명하여 회전체의 초기변형이 고려된 회전체의 동조응답 측정방법 및 그 회전체의 밸런싱 방법을 제공함에 그 목적이 있다.The present invention clearly identifies the vibration characteristics due to imbalance and other tuning vibrations by the initial deformation of the rotating body, and provides a method of measuring the tuning response of the rotating body in consideration of the initial deformation of the rotating body and a balancing method of the rotating body. There is this.

또한 본 발명의 회전체를 효과적으로 밸런싱할 수 있도록 하는 회전체의 초기변형이 고려된 회전체의 변형량 측정방법 및 그 회전체의 밸런싱 방법을 제공함에 그 다른 목적이 있다.In addition, another object of the present invention is to provide a method for measuring the amount of deformation of a rotating body in consideration of the initial deformation of the rotating body to enable effective balancing of the rotating body and a balancing method of the rotating body.

도 1은 초기변형이 있는 일반적인 모터 베어링 시스템의 기하학적 구조도이다.1 is a structural diagram of a general motor bearing system with an initial deformation.

도 2의 (A)는 본 발명의 방법을 실험적으로 실시하기 위한 회전체 장치의 개략적 구성도이다.Fig. 2A is a schematic configuration diagram of a rotating device for experimentally carrying out the method of the present invention.

도 2의 (B)는 도 2의 (A)에 도시된 장치의 회전체의 오비탈 프롯(Orbital Plot)이다.FIG. 2B is an orbital plot of the rotating body of the apparatus shown in FIG. 2A.

도 3의 (A)는 도 2에 도시된 회전체의 모우드 시험에 의한 모우드 형상을 나타내 보인 선도이다.FIG. 3A is a diagram showing a mode shape by a mode test of the rotating body illustrated in FIG. 2.

도 3의 (B)는 도 2에 도시된 회전체의 절점(위치, node)별 초기변형량을 보인 선도이다.FIG. 3B is a diagram showing an initial deformation amount for each node (position, node) of the rotating body shown in FIG. 2.

도 4는 도 3에 도시된 회전체의 실험에 의한 동조 진동 응답을 도시한 선도이다.4 is a diagram showing a tuning vibration response by experiment of the rotating body shown in FIG. 3.

도 5는 도 3에 도시된 회전체에 있어서, 초기변형만 고려된 절점별 이론적인 동조응답을 도시한 선도이다.FIG. 5 is a diagram illustrating a theoretical tuning response for each node in which only the initial deformation is considered in the rotating body illustrated in FIG. 3.

도 6은 도 3에 도시된 회전체에 있어서, 질량 불균형만 고려된 절점별 이론적인 동조응답을 도시한 선도이다.FIG. 6 is a diagram showing a theoretical tuning response for each node considering only mass imbalance in the rotor shown in FIG. 3.

도 7은 도 3에 도시된 회전체에 있어서, 초기변형과 질량 불균형이 같이 고려된 절점별 이론적 동조응답을 도시한 선도이다.FIG. 7 is a diagram illustrating a theoretical tuning response for each node in which the initial deformation and the mass imbalance are considered together in the rotor shown in FIG. 3.

도 8은 초기변형이 있는 일반 회전체의 진동특성을 수치적으로 해석하기 위한 회전체를 예시한다.8 illustrates a rotor for numerically analyzing vibration characteristics of a general rotor having an initial deformation.

도 9는 도 8에 도시된 회전체의 노드별 초기변형량을 보인 선도이다.FIG. 9 is a diagram illustrating an initial strain amount of each node of the rotating body illustrated in FIG. 8.

도 10의 (A)와 (B)는 등방성 베어링을 갖는 도8과 도9에 도시된 회전체의 절점 #3에서의 초기변형(a), 불균형(b) 및 초기변형 및 불균형(c)이 고려된 동조진동의 실수부(real)와 허수부(imag)를 보인 선도이다.10A and 10B show initial deformation (a), imbalance (b), and initial deformation and imbalance (c) at node # 3 of the rotor shown in FIGS. 8 and 9 with an isotropic bearing. This is a diagram showing the real and imaginary parts of the considered tuning vibration.

도 11은 도10에 도시된 회전체에 있어서, 소정 회전속도에 따른 회전체의 절점별 오비탈 플롯을 도시한다.FIG. 11 illustrates an orbital plot for each node of a rotor according to a predetermined rotation speed in the rotor illustrated in FIG. 10.

도 12의 (A)와 (B)는 도 8에 도시된 회전체의 불균형 응답 함수(Hff, Fbf, Ffb, Fbb)를 각각 보이는 회전속도-진폭(허수부, 실수부)크기 선도이다.12A and 12B are rotation speed-amplitude (imaginary part and real part) sizes respectively showing the unbalance response functions H ff , F bf , F fb , and F bb of the rotating body shown in FIG. 8. Is leading.

도 13의 (A)와 (B)는 도 8과 9에 도시된 회전체에 있어서, 베어링이 비등방성 베어링으로 대체된 경우, 초기변형에 따른 동조진동(a), 불균형 응답(b), 초기변형과 불균형에 의한 동조 응답(c)을 각각 보이는 회전속도-진폭(허수부,실수부)크기 선도이다.Figures 13 (A) and 13 (B) show the tuning vibration (a), unbalance response (b), and initial stage according to the initial deformation when the bearings are replaced by anisotropic bearings in the rotating bodies shown in Figs. Rotational speed-amplitude (imaginary part, real part) magnitude diagram showing the tuning response (c) due to deformation and imbalance, respectively.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 의하면, 목적하는 회전체를 임의 개수(n)의 절점(node)으로 구분하고, 모든 절점에 대응하는 M(질량, 관성), G(자이로), K(강성), C(감쇄) 행열을 구하는 단계; 상기 회전체의 초기 변형에 따른 초기변형벡터(δ)를 구하는 단계; 상기 회전체를 임의 속도(Ω1)로 회전시키면서 초기변형벡터((δ)와 불균형 벡터(W1)가 고려된 전방 선회응답벡터(Pf)와 후방선회응답벡터(Pb)를 얻는 단계; 상기 선회응답벡터(Pf)와 후방선회응답벡터(Pb)로부터 임의 속도(Ω1)에 대응하는 불균형 벡터(W1)를 구하는 단계; 상기 회전체를 밸런싱 하고자 한는 속도(Ω2)에서, 주어진 사양의 전방 선회응답벡터(Pf')와 후방선회응답벡터(Pb')로부터 전방 선회응답벡터(Pf')와 후방선회응답벡터(Pb')를 만족하는 상기 불균형 벡터(W1)가 고려된 불균형 분포 벡터(W2)을 구하는 단계; 불균형 벡터(W2)로부터 회전체에 대한 보상질량의 위치, 크기, 방향을 결정하는 단계; 결정된 보상질량의 위치, 크기, 방향에 따라 상기 회전체을 밸런싱하는 단계를; 포함하는 초기 변형이 고려된 회전체의 변형량 측정방법이 제공된다.In order to achieve the above object, according to the present invention, the desired rotating body is divided into any number of nodes, and M (mass, inertia), G (gyro), and K (corresponding to all nodes) Stiffness), C (attenuation) matrix; Obtaining an initial deformation vector δ according to the initial deformation of the rotating body; Obtaining a forward turning response vector (P f ) and a rear turning response vector (P b ) in consideration of an initial deformation vector (δ) and an unbalance vector W1 while rotating the rotating body at an arbitrary speed Ω 1; Obtaining an imbalance vector (W1) corresponding to an arbitrary speed (Ω1) from the turning response vector (P f ) and the rear turning response vector (P b ), at a speed (Ω2) to balance the rotor, The imbalance vector W1 that satisfies the forward turning response vector P f ′ and the rear turning response vector P b ′ from the forward turning response vector P f ′ and the rear turning response vector P b ′ is taken into account. Determining an unbalanced distribution vector (W2), comprising: determining the position, magnitude, and direction of the compensation mass with respect to the rotor from the imbalance vector (W2); balancing the rotor according to the position, magnitude, and direction of the determined compensation mass; Provided is a method for measuring the amount of deformation of a rotating body considering the initial deformation comprising a step; The.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 다른 유형에 의하면, 목적하는 회전체를 임의 개수(n)의 절점(node)으로 구분하고, 모든 절점에 대응하는 M(질량, 관성), G(자이로), K(강성), C(감쇄) 행열을 구하는 단계; 상기 회전체의 초기 변형에 따른 초기변형벡터(δ)를 구하는 단계; 상기 회전체를 임의 속도(Ω1)로 회전시키면서 초기변형벡터((δ)와 불균형 벡터(W1)가 고려된 전방 선회응답벡터(Pf)와 후방선회응답벡터(Pb)를 얻는 단계; 상기 선회응답벡터(Pf)와 후방선회응답벡터(Pb)로부터 임의 속도(Ω1)에 대응하는 불균형 벡터(W1)를 구하는 단계; 상기 회전체를 밸런싱 하고자 한는 속도(Ω2)에서, 주어진 사양의 전방 선회응답벡터(Pf')와 후방선회응답벡터(Pb')로부터 전방 선회응답벡터(Pf')와 후방선회응답벡터(Pb')를 만족하는 상기 불균형 벡터(W1)가 고려된 불균형 분포 벡터(W2)을 구하는 단계; 불균형 벡터(W2)로부터 회전체에 대한 보상질량의 위치, 크기, 방향을 결정하는 단계; 결정된 보상질량의 위치, 크기, 방향에 따라 상기 회전체을 밸런싱하는 단계를; 포함하는 회전체의 밸런싱 방법이 제공된다.In order to achieve the above object, according to another type of the present invention, the desired rotating body is divided into any number of nodes, and M (mass, inertia) and G (gyro) corresponding to all nodes. Obtaining a K (rigid), C (decay) matrix; Obtaining an initial deformation vector δ according to the initial deformation of the rotating body; Obtaining a forward turning response vector (P f ) and a rear turning response vector (P b ) in consideration of an initial deformation vector (δ) and an unbalance vector W1 while rotating the rotating body at an arbitrary speed Ω 1; Obtaining an imbalance vector (W1) corresponding to an arbitrary speed (Ω1) from the turning response vector (P f ) and the rear turning response vector (P b ), at a speed (Ω2) to balance the rotor, The imbalance vector W1 that satisfies the forward turning response vector P f ′ and the rear turning response vector P b ′ from the forward turning response vector P f ′ and the rear turning response vector P b ′ is taken into account. Determining an unbalanced distribution vector (W2), comprising: determining the position, magnitude, and direction of the compensation mass with respect to the rotor from the imbalance vector (W2); balancing the rotor according to the position, magnitude, and direction of the determined compensation mass; There is provided a method of balancing a rotating body comprising a step.

본 발명은 이론적인 모델을 얻는 것으로 유한요소로 모델링된 시스템에 불균형과 축 휨의 영향을 모델링한다. 본 발명에 따르면, 축휨의 측정과 임의의 한개 속도에서 응답을 측정하면 제안된 식을 통해 임의 속도에서 불균형과 휨의 두가지에 의한 응답을 추정할 수 있다. 마찬가지로 보정질량의 영향도 알 수있다. 따라서 시간과 노력을 절감할수 있다. 이 방법은 유연회전체(모든 물체는 유연하지만 편의와 경제적인 이유로 강성으로 분류하여 강성 시스템의 접근법을 적용해도 크게 잘못되지 않는것은 강성으로 분류하기도 한다)에 대한 것이며 시스템의 모드들이 포함되어 여러 속도에서 다각적으로 평가할 수있다.The present invention obtains a theoretical model to model the effects of imbalance and axial deflection on a system modeled with finite elements. According to the present invention, by measuring the axial deflection and measuring the response at any one speed, the proposed equation can be used to estimate the response due to both unbalance and warp at any speed. Similarly, the influence of the corrected mass can be seen. This saves time and effort. This method is for flexible rotors (all objects are flexible but classified for rigidity for convenience and economic reasons and are not classified as stiffness even if the approach of the rigid system is not very wrong). Can be evaluated in multiple ways.

본 발명에 따른 회전체의 변형량 측정방법은 다음과 같은 순서를 포함한다.Method for measuring the deformation amount of the rotating body according to the present invention includes the following sequence.

1. 목적하는 회전체를 임의 개수(n)의 절점(node)으로 구분하고, 모든 절점에 대응하는 M(질량, 관성), G(자이로), K(강성), C(감쇄) 행열을 구한다.1. The desired rotor is divided into any number of nodes, and M (mass, inertia), G (gyro), K (stiffness), and C (attenuation) matrix corresponding to all nodes are obtained. .

2. 상기 회전체의 초기 변형에 따른 초기변형벡터(δ)를 구한다.2. Find the initial strain vector δ according to the initial deformation of the rotor.

3. 상기 회전체를 임의 속도(Ω1)로 회전시키면서 초기변형벡터((δ)와 불균형 벡터(W1)가 고려된 전방 선회응답벡터(Pf)와 후방선회응답벡터(Pb)를 영향계수법에 의해 얻는다.3. Influence coefficient method for the forward turning response vector (P f ) and the rear turning response vector (P b ) considering the initial deformation vector (δ) and the imbalance vector W1 while rotating the rotor at an arbitrary speed (Ω1). Get by

4. 상기 선회응답벡터(Pf)와 후방선회응답벡터(Pb)로부터 임의 속도(Ω1)에 대응하는 불균형 벡터(W1)를 구한다.4. The imbalance vector W1 corresponding to the arbitrary speed? 1 is obtained from the swing response vector P f and the rear swing response vector P b .

5. 상기 회전체를 밸런싱하고자 하는 속도(Ω2)에서, 주어진 사양의 전방 선회응답벡터(Pf')와 후방선회응답벡터(Pb')로 부터 전방 선회응답벡터(Pf')와 후방선회응답벡터(Pb')를 만족하는 상기 불균형 벡터(W1)가 고려된 불균형 분포 벡터(W2)을 구한다.5. The time at speed (Ω2) to balance the whole, the front turning response of a given specification vector (P f ') and the rear turning response vector (P b' forward turning response from) vector (P f ') and the rear An imbalance distribution vector W2 considering the imbalance vector W1 satisfying the turning response vector P b ′ is obtained.

6. 불균형 벡터(W2)로부터 회전체에 대한 보상질량의 위치, 크기, 방향을 결정한다.6. Determine the position, magnitude, and direction of the compensation mass relative to the rotor from the unbalance vector (W2).

7. 최종적으로, 결정된 보상질량의 위치, 크기, 방향에 따라 상기 회전체을 밸런싱한다.7. Finally, balance the rotor according to the position, size, and direction of the determined compensation mass.

이하 본 발명을 보다 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail.

모든 회전축은 제작 공정에서 일정량 이상의 변형이 불가피하게 발생하게 되고, 회전체의 운전 조건에 따라서는 불균일한 온도 분포 등 변형 요인에 의해 운전 중 변형이 발생하기도 한다. 초기변형 상태는 도 1에 도시된 바와 같이 회전체의 기하학적 중심이 구동축 선상에서 벗아난 정도로 표현될 수 있다. 구동축 선상 또는 회전 중심축으로부터 회전축의 변위를 좌표로 택하면, 초기 변형이 있는 탄성 회전체 베어링계의 유한요소 운동 방정식은 다음의 식 1 또는 식 2로 정의된다.All rotation shafts inevitably generate more than a certain amount of deformation in the manufacturing process, and deformation may occur during operation due to deformation factors such as uneven temperature distribution depending on the operating conditions of the rotating body. As shown in FIG. 1, the initial deformation state may be expressed such that the geometric center of the rotating body deviates from the drive shaft line. If the displacement of the rotational axis from the linear axis of the drive shaft or the rotational axis is taken as the coordinate, the finite element equation of motion of the elastic rotor bearing system with initial deformation is defined by the following equation (1) or (2).

위의 수학식 1, 2에서 M은 관성(질량) 행렬, G는 자이로 행렬(gyroscopic matrix), K는 강성 행렬, C는 감쇄행열이며, 위첨자 r, c 는 각각 회전체 및 연결 지지부(베어링 등)을 의미하며, q는 유한요소 좌표벡터, f 는 외력 벡터이며, Ω는 속도이다. 여기에서 유한요소 좌표벡터(q)와 외력벡터(f)는 다음과 같은 수학식 3과 같이 표현된다.In Equations 1 and 2, M is an inertia (mass) matrix, G is a gyroscopic matrix, K is a stiffness matrix, C is an attenuation matrix, and superscripts r and c are rotating bodies and connecting supports (bearings, etc.), respectively. Q is the finite element coordinate vector, f is the external force vector, and Ω is the velocity. Herein, the finite element coordinate vector q and the external force vector f are expressed by Equation 3 below.

수학식 3에서 y와 z는 각각 절점에서의 y방향과 z방향 좌표 벡터, 그리고 fy와 fz는 대응되는 힘 벡터이다. 외력벡터(fw)가 불균형에 의해 발생된다면, 아래의 수학식 4와 같이 표현된다.In Equation 3, y and z are the y- and z-direction coordinate vectors at the nodes, respectively, and f y and f z are corresponding force vectors. If the external force vector f w is caused by an imbalance, it is expressed as Equation 4 below.

여기에서 W는 복소 불균형 벡터이고, n은 유한요소 모델의 절점수이다. 또한 Δ는 초기변형 벡터로서 수학식 5와 같이 표현된다. 불균형 벡터(W)는 일반적인 영향계수법에 의해 얻어질수 있으며, 역으로 후술하는 전방 선회응답(Pf)와 후방 선회응답(Pb)으로부터 회전체의 절점별 초기변형 및 불균형에 따른 불균형 분포를 얻을 수 있게 되고, 따라서 이에 따라 회전체에 대한 보정질량의 위치 및 크기가 결정될 수 있게 된다.Where W is a complex imbalance vector and n is the number of nodes in the finite element model. In addition, Δ is an initial deformation vector and is expressed by Equation 5 below. The unbalance vector (W) can be obtained by a general influence coefficient method, and inversely obtains the unbalance distribution according to the initial strain and the unbalance by the nodes of the rotor from the forward swing response (P f ) and the rear swing response (P b ) described later. Thus, the position and size of the correction mass relative to the rotating body can thus be determined.

여기에서 δ는 복소수로 표현된 축 휨에 의한 초기 변형 벡터이고, δiθi(i=1, 2, n)은 각각 해당 절점(샘플링 위치)에서 축의 직선 변위와 각(角)변위를 나타낸다. 상기 δ는 본 발명의 과정 중, 정지상태 또는 불균형에 의한 응답이 없는 정도로 저속 회전하는 회전체의 각 절점으로부터 얻어지는 것이다.Where δ is the initial deformation vector due to the axial deflection expressed in complex numbers, and δ i , δ θ i (i = 1, 2, n) represent the linear and angular displacements of the axis at the corresponding nodes (sampling positions), respectively. Indicates. The above δ is obtained from each node of the rotating body rotating at a low speed such that there is no response due to a stationary state or an imbalance during the process of the present invention.

위 수학식 4의 불균형에 의한 외력항은 직선 변위 좌표에 대한 가진력만을 주고 회전속도의 제곱에 비례하는 특성을 보이는 반면 수학식 5에 표현된 초기 변형 효과는 각 변위 좌표에 대한 가진력도 동시에 제공하며, 회전속도에 무관하게 되는 특성이 있다. 그러나, 초기 변형에 의한 가진력은 강성 행렬의 곱에 의해 실제 가진력을 주게 되므로 베어링의 회전속도 종속성에 의해 회전속도에 영향을 받는 가진력을 가질 수도 있다. 연결부의 강성 및 감쇄 행렬 Kc(Ω)와 Cc(Ω)는 모두 일반적으로 비대칭이며, 베어링에 의해 회전속도(Ω) 종속이 행렬이다. 관성 행렬 Mr과 강성행렬 Kr은 대칭이고, 자이로 행렬 Gr은 반대칭(skew symmetric)이다. 시스템 전체 행렬은 모두 2N×2N이며, N은 y 또는 z좌표벡터의 차원이다( N=2 × 유한요소 모델절점수). 앞에서 식들의 행렬들을 부분 행렬로 표현하면 아래의 식 6과 같이 표현된다.The external force term due to the imbalance of Equation 4 gives only the excitation force for the linear displacement coordinates and is proportional to the square of the rotational speed, while the initial deformation effect expressed in Equation 5 also provides the excitation force for each displacement coordinate. However, there is a characteristic that is independent of the rotational speed. However, since the excitation force due to the initial deformation gives the actual excitation force by the product of the stiffness matrix, the excitation force may be affected by the rotation speed by the rotation speed dependency of the bearing. The stiffness and attenuation matrices K c (Ω) and C c (Ω) of the connection are both asymmetric in general and are dependent on the rotational speed (Ω) by the bearing. The inertia matrix M r and the rigid matrix K r are symmetrical, and the gyro matrix G r is skew symmetric. The system-wide matrices are all 2N × 2N, where N is the dimension of the y or z coordinate vector (N = 2 × finite element model nodes). If the matrix of equations is expressed as partial matrix, it is expressed as Equation 6 below.

수학식 6에서 부분 행렬 M, G 및 K는 대칭이다. 수학식 2에 의하면, 초기변형이 회전체에 미치는 영향은 이상적인 직선축에, 주어진 초기변형이 발생하도록 하는 분포하중이 외력을 인가되는 것으로 나타나게 된다. 따라서 일반 회전체에서의 초기 변형은 회전축을 따라 분포된 외력의 특성을 보이게 되며, 결국 회전속도 범위에서 영향을 미치는 주요 모우드에 따라 그 효과도 달라지게 된다.In Equation 6, the partial matrices M, G, and K are symmetrical. According to Equation 2, the influence of the initial strain on the rotating body is shown to be an external force applied to the ideal linear axis, the distribution load for the given initial strain occurs. Therefore, the initial deformation in the general rotating body shows the characteristics of the external force distributed along the rotation axis, and eventually the effect depends on the main mode affecting the rotation speed range.

초기 변형을 파악하기 위해서는 회전체를 저속 회전시키면서 회전축을 따라 회전속도에 동조되는 성분을 측정한다. 초기변형을 측정할 때에는 회전축의 재질 특성에 영향을 받는 와전류나 용량형 변위센서를 이용하면 전기적인 런아웃이 발생하거나 엄밀한 의미에서의 초기 변형량이 측정되지 않으므로 레이저 스캔 마이크로 메터(Laser Scan Micrometer)와 같이 기하학적 중심 위치를 추적할 수 있는 장비를 사용하는 것이 바람직하다. 초기변형은 회전축을 따라 비교적 단순한 형상을 가질 것으로 기대되므로 미리 선택한 수 개의 위치에서 측정한 데이터만으로 보간하여 사용할 수 있다. 자중에 의한 변형이 있는 경우의 초기 변형은 구동중심 축을 자중에 의한 변형에 따라 설정하여 정의함으로서 모델에서 배제할 수 있다.In order to identify the initial deformation, the components tuned to the rotational speed along the axis of rotation are measured while rotating the rotor at low speed. When measuring the initial strain, eddy currents or capacitive displacement sensors, which are affected by the material properties of the rotating shaft, do not cause electrical runout or precisely determine the initial strain in the exact sense, such as laser scan micrometers. It is desirable to use equipment that can track the geometric center position. The initial deformation is expected to have a relatively simple shape along the axis of rotation, so it can be used by interpolation only with data measured at several preselected positions. Initial deformation in the case of deformation due to its own weight can be excluded from the model by defining the driving center axis according to deformation due to its own weight.

종래에는 단순 회전체를 중심으로 자이로 효과를 무시하거나 베어링의 비등방성과 회전속도 종속성을 무시한 상태에서 분석하였기 때문에 모우드 해석에 의해 가진력에 대한 모달 성분 분석이 가능하였다. 그러나, 일반 회전체 베어링계에서는 특정 회전속도에서 계산된 고유치 및 고유벡터로 확장정리를 적용하기 곤란한 문제점이 있다. 따라서, 직접 계산법에 근거하여 동조 진동 응답식을 기술한다. 축대칭 회전체의 진동 해석에는 복소 좌표계를 이용하는 것이 여러 가지 이점이 있으므로 여기에서는 복소 좌표계의 운동방정식을 이용하도록 한다. 먼저 복소 좌표계를 아래 수학식 7과같이 정의하고 수학식 2는 수학식 8과 같이 표현할 수 있다.Conventionally, the modal component analysis of the excitation force was possible by the mode analysis because the analysis was performed in the state of ignoring the gyro effect or ignoring the bearing anisotropy and rotational speed dependence on the simple rotor. However, in the general rotor bearing system, there is a problem that it is difficult to apply the expansion theorem with eigenvalues and eigenvectors calculated at a specific rotational speed. Therefore, the tuning vibration response equation is described based on the direct calculation method. Since the use of a complex coordinate system has many advantages in the vibration analysis of the axisymmetric rotating body, the motion equation of the complex coordinate system is used here. First, the complex coordinate system may be defined as in Equation 7 below, and Equation 2 may be expressed as in Equation 8.

p = y + jz, f=fy + jfzp = y + jz, f = fy + jfz

수학식 8에서 아래첨자 f와 b는 각각 전방(forward) 및 후방(backward)을, 그리고 "-" 는 공액 복소수를 의미한다. 대각인 복소 베어링 감쇠 및 강성 행렬은 다음식 9과 같다.Subscripts f and b in Equation 8 are forward and backward, respectively, and "-" means a conjugate complex number. The diagonal complex bearing damping and stiffness matrix is

위의 수학식 8에서 외력 벡터(f)는 다음 수학식 10과 같이 표현할 수 있다.In Equation 8 above, the external force vector f may be expressed as Equation 10 below.

수학식 10에서 주어진 회전속도 동조 가진력에 대한 동조 진동응답을 전방과 후방 성분으로 아래 수학식 11과 같이 표현하기로 한다.The tuning vibration response for the rotation speed tuning excitation given in Equation 10 is expressed as Equation 11 below with the front and rear components.

수학식 11에서 Pf와 Pb는 각각 불균형 응답의 전방과 후방 선회응답(whirl response) 벡터를 의미한다. 이때 동조진동 응답은 위의 수학식 10과 11을 수학식 8에 대입하면 아래의 수학식 12와 같이 된다.In Equation 11, P f and P b mean the forward and backward whirl response vectors of the unbalanced response, respectively. In this case, the tuning vibration response is represented by Equation 12 below by substituting Equation 10 and 11 into Equation 8.

위의 수학식 12를 통해 얻어지는 전방선회응답(Pf)과 후방선회응답(Pb)로부터 전술한 불균형 벡터(W)의 불균형 분포를 알수 있게 되고, 따라서, 회전체에 대한 보정질량의 크기, 위치, 방향을 결정할 수 있게 된다.From the forward swing response P f and the rear swing response P b obtained through Equation 12 above, the above-described unbalance distribution of the unbalance vector W can be known. Therefore, the magnitude of the correction mass for the rotating body, Position and direction can be determined.

그리고 동강성 행렬은 다음 식 13과 같이 표현된다.And the dynamic stiffness matrix is expressed as Equation 13.

수학식 12에서 Hff, Hbf, Hfb, Hbb가 불균형 응답함수(unbalance response function)이며 불균형 응답함수를 구하면 불균형 응답이나 영향계수 등을 손 쉽게 구할 수 있다. 수학식 12에서 알수 있는 바와 같이 초기 변형은 전방 가진력과 후방가진력을 동시에 갖게 되며, 특히 후방 가진력은 베어링 위치에서의 초기 변형량에 의존하게 된다. 일반적으로 불균형에 의한 가진력은 Hfb, Hbb가 영향을 미치지 않지만 초기 변형은 후방 가진력을 제공하므로 이것에 의한 특성이 관측될 수 있다. 그러나 많은 회전체에서 베어링 위치에서의 초기 변형이 미미하다고 해도 초기 변형이 인가하는 가진력은 해당 위치의 강성 계수가 곱해진 상태로 가해지므로 베어링 강성 계수에 영향을 받아 커질 수 있다.In Equation 12, H ff , H bf , H fb , and H bb are unbalance response functions, and when the unbalance response function is obtained, an unbalanced response or influence coefficient can be easily obtained. As can be seen in Equation 12, the initial deformation will have both the forward and rear vibration forces at the same time, in particular the rear excitation force is dependent on the initial deformation amount in the bearing position. In general, the unbalanced excitation force is not affected by H fb and H bb , but the initial deformation provides the rear excitation force, so the characteristics due to this can be observed. However, even in the case of many rotors, even if the initial deformation at the bearing position is small, the excitation force applied by the initial deformation can be increased by the bearing stiffness coefficient because the stiffness coefficient of the position is multiplied.

등방성 회전체의 경우, 수학식 12로부터 동조 진동응답을 아래의 수학식 14와 같이 얻을 수 있다.In the case of the isotropic rotating body, the tuning vibration response can be obtained from Equation 12 as shown in Equation 14 below.

따라서, 등방성 회전체의 경우 후방 선회응답은 관측되지 않으며 초기 변형도 전방 선회 응답에 대해서만 그 영향을 미치게 된다.Therefore, in the case of isotropic rotors, no backward swing response is observed, and the initial deformation also affects only the forward swing response.

한편 베어링 위치에서의 초기변형(δ)이 없다고 가정하면, 식 12로부터 다음의 수학식 15와 같은 관계를 얻을 수 있다.On the other hand, assuming that there is no initial strain δ at the bearing position, the following relation can be obtained from Equation 12.

따라서 불균형 응답에 직접적인 영향을 미치고 있는 두 가지 불균형 응답함수, 즉 Hff, Hbf의 특성만이 나타나게 된다.Therefore, only two unbalanced response functions, H ff and H bf , which have a direct influence on the unbalanced response appear.

실험예Experimental Example

위에서 수식을 통해 제시된 이론의 실제적인 검증과 초기 변형에 의한 동조 진동 응답을 측정하기 위하여 도 2의 (A)와 같이 공기 마운트에 장착된 베드 위에 겹판 스프링형 진동 절연장치를 연결한 초기 변형이 있는 시험회전체를 구성하였다. 사용된 회전축은 0.025m의 직경을 가지며 전장은 1.2m이고 디스크는 총 3개를 결합하였으며, 두 개의 베어링으로 지지하였다. 한 쪽은 볼 베어링을 지지시켰고, 다른 한 쪽은 진동 절연장치를 사용하였다. 볼 베어링은 절점 #3(0.1m)에, 진동 절연장치는 절점 #19(0.9m)에 위치시켰다. 두 개의 변위 센서를 회전축의 수평 방향과 수직 방향에 각각 위치시키고 회전축의 동조 진동 신호를 측정하도록 하였다. 샘플링 속도를 바꿈으로서 회전속도에 무관하게 트리거 신호를 기준으로 한 회전 당 샘플 개수를 256개로 일정하게 유지하도록 하고 5번의 평균을 취하도록 하였다. 초기변형량은 도 2B와 같이 100RPM으로 회전 중 동조응답을 측정함으로서 얻어졌다. 얻어진 데이터를 FFT(Fast Fourier Transform) 분석하였으며, 진동 특성이 잘 나타나는 1X 성분 만을 분석하여 주파수 응답함수를 얻어내었다. 시험 회전체의 특성을 파악하기 위하여 모우드 시험을 하였다. 이론적인 분석을 위하여 유한 요소법을 이용하였으며 절점을 13개로 나누어 모델링하였다. 유한 요소 모델에 의한 고유진동수와 실험에 의한 고유진동수를 아래의 표 1에 나타내었다.In order to measure the tuning vibration response due to the initial deformation and the practical verification of the theory presented through the above equation, there is an initial deformation in which a leaf spring type vibration isolator is connected on the bed mounted in the air mount as shown in FIG. The test rotating body was constructed. The rotating shaft used had a diameter of 0.025m, a total length of 1.2m, and a total of three disks were combined and supported by two bearings. One supported the ball bearings and the other used vibration isolation. The ball bearings were located at node # 3 (0.1 m) and the vibration isolation device was located at node # 19 (0.9 m). Two displacement sensors were placed in the horizontal and vertical directions of the rotating shaft, respectively, and the synchronized vibration signals of the rotating shaft were measured. By changing the sampling rate, the number of samples per revolution based on the trigger signal was kept constant at 256, regardless of the rotational speed, and averaged five times. Initial strain was obtained by measuring the tuning response during rotation at 100 RPM as shown in FIG. 2B. The obtained data was analyzed by FFT (Fast Fourier Transform), and the frequency response function was obtained by analyzing only 1X component that exhibits vibration characteristics. The mode test was carried out to understand the characteristics of the test rotor. For theoretical analysis, the finite element method is used and the nodes are divided into 13 models. The natural frequencies by the finite element model and the natural frequencies by experiment are shown in Table 1 below.

제1모드First mode 제2모드2nd mode 제3모드3rd mode 위치location 수직Perpendicular 수평level 수직Perpendicular 수평level 수직Perpendicular 수평level 이론치(Hz)Theoretical (Hz) 24.324.3 24.324.3 53.153.1 53.153.1 151.7151.7 151.7151.7 실험치(Hz)Experimental value (Hz) 24.324.3 24.324.3 53.153.1 53.153.1 160.8160.8 158.8158.8

위의 표 1에 나타난 바와 같이 유한 요소 모델에 의한 고유진동수와 실험에 의한 고유진동수가 서로 잘 일치하고 등방성으로 고려할 수 있음을 알수 있다.As shown in Table 1 above, it can be seen that the natural frequency by the finite element model and the natural frequency by the experiment coincide well and can be considered as isotropic.

도 3의 (A)는 모우드 시험에 의한 주파수 응답 함수에 의해서 얻어진 모우드 형상과 유한 요소 모델에 의해 얻어진 이론적인 모우드 형상을 비교도시한다. 도 3B는 초기변형량을 나타내는데, 이를 통해 진동 절연 장치가 연결되어 있는 절점 부근의 초기 변형이 유난히 크며 진동 절연 장치의 우측 절점의 동조 신호의 위상도 변하지 않았음을 알 수 있다.3 (A) shows a comparison between the mode shape obtained by the frequency response function by the mode test and the theoretical mode shape obtained by the finite element model. 3B shows an initial deformation amount, which shows that the initial deformation near the node to which the vibration isolation device is connected is exceptionally large and the phase of the tuning signal of the right node of the vibration isolation device has not changed.

도 4는 축을 따라 측정된 동조 진동 응답을 도시한다. 약간의 후방 성분이 관측되었지만 도 4에는 전방 성분 만을 나타내었다. 도 5, 6 그리고 7 각각은 초기변형만 있는 경우, 질량 불균형만 있는 경우, 그리고 초기변형과 질량불균형이 모두 있는 경우의 선택된 각 절점에서의 동조 응답을 도시한다. 불균형의 분포를 알수 없으므로 불균형이 디스크에만 있는 것으로 가정하여 응답이 상응하도록 크기와 위상이 조정되었다. 도 4와 도 7을 비교해보면, 제안된 모델이 실험결과를 잘 예측한다는 것을 알수 있다. 한편, 초기 변형 만의 응답으로부터 한 회전 속도에서 응답이 작게 나타나는 특성이 관측된다. 이 특성은 도 6에 보여진 불균형만에 의한 효과와 분명히 다르고 초기 변형의 형상과 밀접하게 관련된다.4 shows the tuning vibration response measured along the axis. Although some posterior components were observed, only the front components are shown in FIG. 4. 5, 6 and 7 respectively show the tuning response at each selected node when there is only initial strain, only mass imbalance, and both initial strain and mass imbalance. Since the distribution of the imbalance is unknown, the magnitude and phase are adjusted to correspond to the response, assuming that the imbalance is only in the disc. Comparing FIG. 4 with FIG. 7, it can be seen that the proposed model predicts the experimental results well. On the other hand, the characteristic that a response appears small at one rotational speed from the response only of initial deformation is observed. This property is clearly different from the effect due to the imbalance only shown in FIG. 6 and is closely related to the shape of the initial deformation.

수치에 의한 분석예Example of analysis by numerical value

도 8과 9는 수치분석에 의한 일반 회전체의 진동 특성을 보인다. 초기 변형은 간단한 3차 함수로 표현하여 초기 변형 벡터를 결정하였다. 또한 고려된 시스템에 대한 자세한 제원은 아래의 표 2와 같다.8 and 9 show the vibration characteristics of the general rotor by numerical analysis. The initial deformation was expressed as a simple cubic function to determine the initial deformation vector. In addition, detailed specifications of the considered system are shown in Table 2 below.

회전축Axis of rotation 길이Length 1.2m1.2m 직경diameter 8.0cm8.0cm 영률Young's modulus 2.0×1011N/m2 2.0 × 10 11 N / m 2 밀도density 8000 Kg/m3 8000 Kg / m 3 디스크disk 질량mass 20Kg20kg 극 관성 모멘트Polar moment of inertia 0.63 Kg-m2 0.63 Kg-m 2 반경 관성 모멘트Radial moment of inertia 0.085 Kg-m2 0.085 Kg-m 2 위치location 절점 #5, 6, 13Node # 5, 6, 13 베어링bearing 부하Load 29.42, 78.84 Kg29.42, 78.84 Kg 위치location 절점 # 1, 10Node # 1, 10 폭/직경, 갭/반경Width / diameter, gap / radius 0.5, 2/10000.5, 2/1000 점성viscosity 9.37 mPa.s9.37 mPa.s

상기 시스템의 회전축에 대한 유한 요소 모델은 동일 크기의 12개 보요소이며, 3개의 강성 디스크, 2개의 유막 필름 타입의 베어링이 적용된다. 여기에서, 베어링은 두 가지의 유막베어링으로 가정하였고, 회전 속도 종속성을 가진 것으로 두었으며, 고려한 회전속도 범위에서 이차함수로 근사화하여 사용하였다.The finite element model for the axis of rotation of the system is twelve beam elements of the same size, three rigid disks and two oil film type bearings. Here, the bearings are assumed to be two types of film bearings, and they are assumed to have a rotational speed dependency. The bearings are approximated by a second function in the rotational speed range.

분석예 1Analysis example 1

본 분석예에서는 등방성 베어링(4 tilting pad bearing)을 갖는 회전체에서 초기 변형과 불균형에 의한 효과의 차이를 검토하기 위해 동일한 회전체에서 불균형만 있는 경우와 초기 변형만 있는 경우를 비교 분석하였다. 두 개의 베어링은 모두 LBP 타입의 예압각이 80, 예압계수가 0이다. 도 10은 초기 변형에 의한 동조 진동의 한 예를 보인 것이다. 도 11은 이 동조 진동을 몇 개의 회전속도에서 오비탈 프롯(Orbital Plot)으로 그린 것이다.In this analytical example, in order to examine the difference between the initial deformation and the imbalance effect in the rotating body having 4 tilting pad bearings, only the unbalanced and the initial deformation of the same rotating body were compared. Both bearings have an LBP type preload angle of 80 and a preload coefficient of zero. Figure 10 shows an example of the tuning vibration by the initial deformation. FIG. 11 depicts this tuning vibration as an Orbital Plot at several rotational speeds.

도 10은 초기변형(a)만 있는 경우, 불균형(b)만 있는 경우 그리고 불균형 및 초기 변형(c)이 동시에 있는 경우에 있어서 동일한 위치에서 측정한 동조 진동 응답을 보여준다. 예측했던 바와 같이, 후방 응답은 관측되지 않는다. 저속에서는 응답이 서로 많이 다르다. 저속에서는 응답이 초기 변형 형상이 그대로 응답으로 관측되고 있으나 고속이 될 수록 불균형의 영향이 커진다. 초기 변형의 효과가 낮은 속도 범위에서 불균형 효과보다 두드러지게 나타나지 않는다면 고속에서는 초기 변형에 의한 효과를 무시할 수 있음을 알수 있다.FIG. 10 shows the tuning vibration response measured at the same position when there is only an initial strain (a), only an imbalance (b) and both an imbalance and an initial strain (c). As expected, no backward response is observed. At low speeds, the responses are very different. At low speed, the initial deformation shape is observed as a response, but the higher the speed, the greater the influence of the imbalance. It can be seen that the effect of the initial deformation can be neglected at high speed unless the effect of the initial deformation is more pronounced than the imbalance effect in the low speed range.

분석예 2Analysis Example 2

본 분석예에서는 비등방성 특성을 보이는 베어링을 고려하여 초기 변형이 동조 진동에 미치는 영향에 대해 살펴보았다. 여기에서는 앞의 분석예와 동일한 회전체에 대해 베어링만을 비등방성인 5 틸팅 패드(5 tilting pad) 베어링으로 LBP 타입의 예압각이 80, 예압계수가 0 인 경우를 분석하였다. 도 12는 불균형 응답함수를 보여주며, 도 13은 초기변형(a)만 있는 경우, 질량 불균형(b)이 있는 경우, 초기변형과 질량 불균형(c)이 있는 경우 등에 있어서의 실험적, 이론적의 동조 응답을 각각 보여준다. 도 12와 도 13을 비교해 보면, 초기 변형이 인가된 경우 전방 가진 뿐아니라 과 후방가진도 보여 진다. 달리 말하면, 초기 변형이 있는 경우에는 모든 불균형 응답함수를 반영하고 있다. 그러나, 질량불균형이 있는 경우 도 13의 (b)에 도시된 바와 같이, 두 개의 불균형 응답함수 Hff, Hbf만을 반영한다.In this analytical example, the effect of initial deformation on the tuning vibration was examined by considering bearings with anisotropic characteristics. Here, we analyzed the case where the LBP type preload angle was 80 and the preload coefficient was 0 with 5 tilting pad bearings only anisotropic for the same rotating body as the previous analysis example. FIG. 12 shows an unbalance response function, and FIG. 13 shows experimental and theoretical tuning in the case of initial strain (a) alone, mass imbalance (b), initial strain and mass imbalance (c), etc. Show each response. 12 and 13, when the initial deformation is applied, not only the front excitation but also the rear excitation is shown. In other words, if there is an initial variation, it reflects all unbalanced response functions. However, when there is a mass imbalance, as shown in FIG. 13 (b), only two unbalance response functions H ff and H bf are reflected.

본 발명에 따르면, 초기변형이 일반적인 회전체의 동조 진동응답에 미치는 영향이 분석된다. 초기변형이 있는 회전체의 해석에서는 초기변형이 고려된 회전체 베어링 시스템의 강성 행열에 관계되기 때문에 횡(lateral) 및 각(angular) 방향의 변형이 고려되어 한다. 전술한 실시예와 분석예에서 알수 있듯이, 어떤 속도에서 동조 진동은 영(ZERO)가 될 수 있지만 측정위치나 초기 변형의 형상에 의존한다. 불균형에 의한 응답이 고속에서 우세한 반면 초기 변형에 의한 응답은 저속구간에서 우세하다. 동조 응답으로부터 초기변형 응답과 불균형응답을 구분하는 것은 실제적으로 불가능하다. 그러한 본 발명에 의하면 초기변형에 의한 동조 응답의 특성을 규명할 수 있다. 따라서, 회전체에 대한 보정 질량의 크기 및 회전체에 대한 보정 질량의 위치를 정확히 얻을 수 있으므로 회전체에 대한 밸런싱의 효과가 높아진다.According to the present invention, the effect of the initial deformation on the tuning vibration response of a general rotating body is analyzed. In the analysis of a rotor with an initial deformation, deformation in the lateral and angular directions should be taken into account because the initial deformation is related to the stiffness matrix of the rotor bearing system. As can be seen from the foregoing examples and analytical examples, the tuning vibration at any speed can be zero but depends on the position of measurement or the shape of the initial deformation. The response due to imbalance dominates at high speed, while the response due to early deformation dominates at low speed. It is practically impossible to distinguish the initial and unbalanced responses from tuning responses. According to the present invention, it is possible to characterize the tuning response caused by the initial deformation. Therefore, since the magnitude of the correction mass with respect to the rotating body and the position of the correction mass with respect to the rotating body can be obtained accurately, the effect of balancing with respect to the rotating body becomes high.

Claims (2)

목적하는 회전체를 임의 개수(n)의 절점(node)으로 구분하고, 모든 절점에 대응하는 M(질량, 관성), G(자이로), K(강성), C(감쇄) 행열을 구하는 단계;Dividing the desired rotating body into any number of nodes, and obtaining M (mass, inertia), G (gyro), K (rigid), and C (attenuation) matrices corresponding to all nodes; 상기 회전체의 초기 변형에 따른 초기변형벡터(δ)를 구하는 단계;Obtaining an initial deformation vector δ according to the initial deformation of the rotating body; 상기 회전체를 임의 속도(Ω1)로 회전시키면서 초기변형벡터((δ)와 불균형 벡터(W1)가 고려된 전방 선회응답벡터(Pf)와 후방선회응답벡터(Pb)를 얻는 단계;Obtaining a forward turning response vector (P f ) and a rear turning response vector (P b ) in which an initial deformation vector (δ) and an imbalance vector W1 are considered while rotating the rotating body at an arbitrary speed Ω 1; 상기 선회응답벡터(Pf)와 후방선회응답벡터(Pb)로부터 임의 속도(Ω1)에 대응하는 불균형 벡터(W1)를 구하는 단계;Obtaining an imbalance vector W1 corresponding to an arbitrary speed? 1 from the swing response vector P f and the rear swing response vector P b ; 상기 회전체를 밸런싱하고자 하는 속도(Ω2)에서, 주어진 사양의 전방 선회응답벡터(Pf')와 후방선회응답벡터(Pb')로부터 전방 선회응답벡터(Pf')와 후방선회응답벡터(Pb')를 만족하는 상기 불균형 벡터(W1)을 포함하는 불균형 분포 벡터(W2)을 구하는 단계;The time at speed (Ω2) to balance the whole, the front turning response of a given specification vector (P f ') and the rear turning response vector (P b') from the forward pivot response vector (P f ') and the rear turning response vector Obtaining an imbalance distribution vector W2 including the imbalance vector W1 satisfying (P b '); 불균형 벡터(W2)로부터 회전체에 대한 보상질량의 위치, 크기, 방향을 결정하는 단계를; 포함하는 것을 특징으로 하는 초기 변형이 고려된 회전체의 변형량 측정방법.Determining the position, magnitude, and direction of the compensation mass with respect to the rotating body from the imbalance vector W2; Method for measuring the amount of deformation of the rotating body is considered to include the initial deformation. 목적하는 회전체를 임의 개수(n)의 절점(node)으로 구분하고, 모든 절점에 대응하는 M(질량, 관성), G(자이로), K(강성), C(감쇄) 행열을 구하는 단계;Dividing the desired rotating body into any number of nodes, and obtaining M (mass, inertia), G (gyro), K (rigid), and C (attenuation) matrices corresponding to all nodes; 상기 회전체의 초기 변형에 따른 초기변형벡터(δ)를 구하는 단계;Obtaining an initial deformation vector δ according to the initial deformation of the rotating body; 상기 회전체를 임의 속도(Ω1)로 회전시키면서 초기변형벡터((δ)와 불균형 벡터(W1)가 고려된 전방 선회응답벡터(Pf)와 후방선회응답벡터(Pb)를 얻는 단계;Obtaining a forward turning response vector (P f ) and a rear turning response vector (P b ) in which an initial deformation vector (δ) and an imbalance vector W1 are considered while rotating the rotating body at an arbitrary speed Ω 1; 상기 선회응답벡터(Pf)와 후방선회응답벡터(Pb)로부터 임의 속도(Ω1)에 대응하는 불균형 벡터(W1)를 구하는 단계;Obtaining an imbalance vector W1 corresponding to an arbitrary speed? 1 from the swing response vector P f and the rear swing response vector P b ; 상기 회전체를 밸런싱하고자 하는 속도(Ω2)에서, 주어진 사양의 전방 선회응답벡터(Pf')와 후방선회응답벡터(Pb')로부터 전방 선회응답벡터(Pf')와 후방선회응답벡터(Pb')를 만족하는 상기 불균형 벡터(W1)을 포함하는 불균형 분포 벡터(W2)을 구하는 단계;The time at speed (Ω2) to balance the whole, the front turning response of a given specification vector (P f ') and the rear turning response vector (P b') from the forward pivot response vector (P f ') and the rear turning response vector Obtaining an imbalance distribution vector W2 including the imbalance vector W1 satisfying (P b '); 불균형 벡터(W2)로부터 회전체에 대한 보상질량의 위치, 크기, 방향을 결정하는 단계;Determining the position, magnitude, and direction of the compensation mass with respect to the rotating body from the imbalance vector W2; 결정된 보상질량의 위치, 크기, 방향에 따라 상기 회전체을 밸런싱하는 단계를; 포함하는 것을 특징으로 하는 회전체의 밸런싱 방법Balancing the rotating body according to the determined position, size, and direction of the compensation mass; Balancing method of the rotating body comprising a
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100824007B1 (en) * 2007-06-11 2008-04-24 자동차부품연구원 Apparatus of moment of inertia of turbocharger using photo sensor
CN117570909A (en) * 2024-01-16 2024-02-20 北京航空航天大学 Rotor deformation identification method with connecting structure

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