TWI812482B - 旋轉機械系統與平衡方法 - Google Patents

Abstract

本發明提出一種旋轉機械系統，包括轉子、感測器以及計算模組。感測器取得關於轉子在運轉時的振動訊號。計算模組根據振動訊號計算出振幅與相角，並將振幅與相角輸入至預測模型以取得影響係數大小、影響係數角度、延遲角與靈敏度，據此計算模組根據幅、相角、影響係數大小與影響係數角度計算出第一修正質量以及第一修正角度，再根據振幅、相角、延遲角與靈敏度計算第二修正質量以及第二修正角度。結合兩個修正質量可得到最終修正質量，結合兩個修正角度可得到最終修正角度。藉此，轉子只需要停機一次。

Description

旋轉機械系統與平衡方法

本揭露是有關於旋轉機械的平衡方法與系統。

理想的旋轉機械轉子應具有對稱的幾何形狀和均勻的質量分佈，如果沒有其他因素影響，這種理想的旋轉機械能平穩的旋轉且沒有過大振動。但實際上，轉子會因加工誤差或者是本身運轉造成質量不均勻，而在旋轉產生不平衡振動，進而影響機械性能或損壞。為了避免這種狀況必須進行動平衡作業，習知的做法是二次(two-run)平衡法，先用轉速計量測轉速，搭配振動感測器計算對應一倍轉速(1X)的振幅與相角。接著將設備停機掛載測試配重，紀錄配重質量與位置，然後再讓機器運轉，計算一倍轉速的振幅、相角、影響係數與修正質量，最後將設備停機掛載修正配重，完成平衡校正程序。此作法需要停機兩次，缺點包括校正時間較久，或者某些情況不允許停機兩次。

本揭露的實施例提出一種旋轉機械系統，包括轉子、感測器以及計算模組。感測器用以取得關於轉子在運轉時的振動訊號。計算模組通訊連接至感測器，用以根據振動訊號計算出振幅與相角，並將振幅與相角輸入至預測模型以取得影響係數大小、影響係數角度、延遲角與靈敏度。計算模組根據幅、相角、影響係數大小與影響係數角度計算出第一修正質量以及第一修正角度。計算模組根據振幅、相角、延遲角與靈敏度計算第二修正質量以及第二修正角度。計算模組根據第一修正質量與第二修正質量計算一最終修正質量，並根據第一修正角度與第二修正角度計算一最終修正角度。

在一些實施例中，計算模組取得轉子在不同配重下所量測到的多個歷史振幅與多個歷史相角，並根據歷史振幅與歷史相角計算出對應的多個歷史影響係數大小、多個歷史影響係數角度、多個歷史延遲角與多個歷史靈敏度。計算模組用以根據歷史振幅、歷史相角以及歷史影響係數大小建立第一預測模型。計算模組用以根據歷史振幅、歷史相角以及歷史影響係數角度建立第二預測模型。計算模組用以根據歷史振幅、歷史相角以及歷史靈敏度建立第三預測模型。計算模組用以根據歷史振幅、歷史相角以及歷史影響延遲角建立第四預測模型。

在一些實施例中，計算模組還用以對歷史影響延遲角中的每一者加減360度以產生多個排列組合，並計算排列組合中每一者的單調性，根據單調性取得排列組合中的多者來建立多個暫時預測模型，從暫時預測模型中挑選出第三預測模型。

在一些實施例中，感測器包含轉速計以取得轉子的旋轉頻率。計算模組將旋轉頻率加上頻率誤差範圍以得到一頻寬，根據此頻寬建立帶通濾波器，並根據帶通濾波器過濾振動訊號。

在一些實施例中，計算模組根據以下數學式1計算最終修正質量，並根據以下數學式2計算最終修正角度。 [數學式1] [數學式2]

其中 為第一修正質量， 為第二修正質量， 為介於0至1的權重， 為最終修正質量， 為第一修正角度， 為第二修正角度， 為最終修正角度。

以另一個角度來說，本揭露的實施例提出一種旋轉機械的平衡方法，由電腦系統執行。此平衡方法包括：透過感測器取得關於轉子在運轉時的振動訊號；根據振動訊號計算出振幅與相角，並將振幅與相角輸入至預測模型以取得影響係數大小、影響係數角度、延遲角與靈敏度；根據振幅、相角、影響係數大小與影響係數角度計算出第一修正質量以及第一修正角度；根據振幅、相角、延遲角與靈敏度計算第二修正質量以及第二修正角度；以及根據第一修正質量與第二修正質量計算最終修正質量，並根據第一修正角度與第二修正角度計算最終修正角度。

在一些實施例中，平衡方法還包括：取得轉子在不同配重下所量測到的多個歷史振幅與多個歷史相角，並根據歷史振幅與歷史相角計算出對應的多個歷史影響係數大小、多個歷史影響係數角度、多個歷史延遲角與多個歷史靈敏度；根據歷史振幅、歷史相角以及歷史影響係數大小建立第一預測模型；根據歷史振幅、歷史相角以及歷史影響係數角度建立第二預測模型；根據歷史振幅、歷史相角以及歷史靈敏度建立第三預測模型；以及根據歷史振幅、歷史相角以及歷史影響延遲角建立第四預測模型。

在一些實施例中，平衡方法還包括：對歷史影響延遲角中的每一者加減360度以產生多個排列組合，並計算排列組合中的每一者的單調性，根據單調性取得排列組合中的多者來建立多個暫時預測模型，從暫時預測模型中挑選出第三預測模型。

在一些實施例中，平衡方法還包括：透過感測器取得轉子的旋轉頻率；將旋轉頻率加上一頻率誤差範圍以得到一頻寬，根據頻寬建立一帶通濾波器，並根據帶通濾波器過濾振動訊號。

在一些實施例中，平衡方法還包括根據上述數學式1計算最終修正質量，並根據上述數學式2計算最終修正角度。

為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

關於本文中所使用之「第一」、「第二」等，並非特別指次序或順位的意思，其僅為了區別以相同技術用語描述的元件或操作。

圖1是根據一實施例繪示旋轉機械系統的示意圖。請參照圖1，旋轉機械系統包括了轉子110、感測器120、計算模組130與終端裝置140。轉子110可以是設置在任意的裝置內，例如風扇、轉軸、滾輪等，本揭露並不限於此。感測器120包括了轉速計以及振動感測器，可以取得關於轉子110的轉速以及振動訊號。計算模組130通訊連接至感測器120，此通訊連接可以用任何有線或無線的通訊手段來達成。計算模組130可以是控制器、處理器、個人電腦、筆記型電腦、伺服器、工業電腦或具有計算能力的各種電子裝置等，本發明並不在此限。計算模組130會計算出修正質量以及修正角度，計算模組130中可包括一個網路服務(Web service)模組來提供一個網頁，終端裝置140可以透過網路登入至此網頁，藉此取得修正質量以及修正角度。例如，終端裝置140為操作人員的智慧型手機，操作人員在手機上便可以得知要平衡轉子110所需要的修正質量以及修正角度。以下將詳細說明如何計算出修正質量以及修正角度。

在此先說明二次平衡法，圖2是根據一實施例繪示單平面的振幅與相位示意圖。圖3是根據一實施例繪示振動訊號的示意圖。請參照圖2與圖3，感測器120所在的位置預設為旋轉角度為0度的地方，透過感測器120可以取得圖3的振動訊號310，圖3的橫軸為時間，縱軸為振幅。轉子每旋轉一圈，振動訊號310中便產生一個波，根據波峰330可以計算出振幅A，相鄰兩波峰之間的距離便是波長。此外參考點320表示觸發轉速計的位置，轉速計可以取得轉子的旋轉頻率，例如20Hz，在此實施例中計算模組會將旋轉頻率加上一頻率誤差範圍(例如 )以得到一頻寬(例如19Hz~21Hz)，根據此頻寬建立一帶通濾波器(band pass filter)，並根據此帶通濾波器過濾振動訊號310，藉此可以刪除振動訊號310中的雜訊。轉子旋轉一周是360度，在此設定振動訊號310中的一個波也是360度，波峰330與參考點320之間的差距角度設定為相角，在此例子中為250度或是250-360=-110度。振幅與相角可以在圖2中表示為一個向量，通常用「振幅@相角」的極座標來表示，以下用絕對值符號| |來表示取得極座標的振幅。在此例子中，向量O表示轉子在沒有修正之前的狀態，假設振幅為80、相角為125度，因此可以表示為O=|O|@θ ₀ =80@125 ，其中|O|表示向量O的振幅，θ ₀ 表示向量O的相角。在測得向量O以後，先停機並在轉子上掛載一個配重 ，這個配重的位置與質量是已知的，假設質量與相角表示為40@135°。在加了配重以後轉子開始旋轉，此時量測到的是向量C，表示為50@155°，因此振動變化為T=C-O=50@155°-80@125 =44.4@270.7°。影響係數(inference factor)的計算如以下數學式1所示。 [數學式1]

其中H為影響係數。為了讓轉子平衡，可以增加一個配重 使得轉子產生的振動抵銷，也就說此配重等於向量-O=80@(125+180) ，加入此配重 可以讓轉子達到平衡，配重 的計算如以下數學式2所示。 [數學式2]

加入了配重 以後量測到的振動表示為向量V=|V|@θ _V ，在此假設|V|=20。由此可以定義靈敏度(Sensitivity)與延遲角(Delay angle)如以下數學式3。 [數學式3]

其中 為靈敏度， 為延遲角， 為配重 的相角。靈敏度的物理意義是為了消弭單位振動量大小所需加的配重質量，而延遲角則是初始振動相角與修正配重位置(再增加180度)的差距。

圖4是根據一實施例繪示旋轉機械的平衡方法的流程圖，圖4可由計算模組130或任意的電腦系統來執行。請參照圖4，在步驟401，取得轉子110在不同配重下所量測到的多個歷史振幅與多個歷史相角以進行多次的二次平衡法，根據這些歷史振幅與歷史相角計算出對應的多個歷史影響係數大小、多個歷史影響係數角度、多個歷史延遲角與多個歷史靈敏度，相關計算方法已詳細說明如上，在此不贅述。以下表一紀錄了五筆資料所計算出的相關參數。

項次	振幅(V1)	相角( )	影響係數大小(Hr)	影響係數角度(Hq)	延遲角( )	靈敏度(v)
1	1.81	90.9	0.43	119	240	2.55
2	5.3	106.02	0.38	124	235	3.86
3	7.94	106.37	0.34	127	232	5.33
4	10.24	95.5	0.36	95	263	3.38
5	11.92	92.79	0.62	76	283	3.14

表一

在步驟402，根據步驟401取得的數據來建立多個預測模型。具體來說，請參照以下數學式4，根據歷史振幅V1、歷史相角 以及歷史影響係數大小Hr可建立第一預測模型 ；根據歷史振幅V1、歷史相角 以及歷史影響係數角度Hq可建立第二預測模型 ；根據歷史振幅V1、歷史相角 以及歷史靈敏度v可建立第三預測模型 ；根據歷史振幅V1、歷史相角 以及歷史影響延遲角 可建立第四預測模型 。 [數學式4]

上述的預測模型 ~ 可以是線性函數、多項式函數、指數函數或其他合適的函數、機器學習模型，本揭露並不在此限。例如，也可以使用單一個類神經網路，其輸入為歷史振幅V1與歷史相角 ，輸出為四個數值，分別是影響係數大小Hr、影響係數角度Hq、靈敏度v與延遲角 。數學式4中將歷史相角 除以360度是要將相角正規化至0~1的數值。此外，w為介於0~1的權重，可依照實驗結果決定。在一些情況下，單純使用歷史振幅V1的預測準確度比使用歷史振幅V1和歷史相角 的預測準確度還要大，在這樣的情況下可減少權重w再次進行回歸，例如每次減少0.2，取最好的結果來決定權重w。

在此實施例中，影響係數角度與延遲角在接近360度的時候會導致數值大幅改變，這是因為一個角度與角度減去360度在轉子上的位置是相同的，這樣的數值改變會讓預測準確度下降。因此在一些實施例中可以將每一個延遲角以及影響係數角度加減360度以產生多個排列組合。舉例來說，假設有五個延遲角，數值分別為“32.62”、“226.24”、 “61.18”、“189.51”、“168.74”，每一個延遲角加減360度以後都形成一個排列組合，因此共有32個排列組合，以下表二列出其中5個排列組合，為了簡化起見並未列出所有的排列組合。

排列組合序號	延遲角1	延遲角2	延遲角3	延遲角4	延遲角5
1	32.62	226.24	61.18	189.51	168.74
2	32.62	226.24	61.18	189.51	-191.26
3	32.62	226.24	61.18	-170.49	168.74
4	32.62	226.24	61.18	-170.49	-191.26
5	32.62	226.24	-298.82	189.51	168.74

表二

接下來計算每一個排列組合的單調性，假設某個排列組合中的有長度為N(在表二的例子中N=5)的序列，元素為x[1],x[2],…,x[N]，則單調性如以下數學式5的計算。 [數學式5]

其中 表示取正負號。在計算每個排列組合的單調性以後，取得單調性最高的M個排列組合來建立預測模型(稱為暫時預測模型)，其中M為任意合適的正整數。在建立M個暫時預測模型以後，可根據方均根誤差(Root mean square error，RMSE)挑選最佳的暫時預測模型來作為延遲角所對應的預測模型。對於影響係數角度也可採用同樣的作法加減360度來建立對應的預測模型，在此不再贅述。

在建立預測模型以後，如果轉子發生不平衡的情況，便可以採用一次平衡法來進行校正，不需要停機兩次。具體來說，在步驟403，可以根據目前的振動訊號計算出對應的振幅與相角，然後將振幅與相角輸入至預測模型 ~ 以取得影響係數大小、影響係數角度、延遲角與靈敏度。

接下來在步驟404，根據振幅、相角、影響係數大小與影響係數角度計算出第一修正質量以及第一修正角度。具體來說，所量測到的振幅與相角可組成向量O=|O|@ °，而影響係數大小與影響係數角度可組成H，代入上述的數學式2可以取得配重m ₂=|m ₂|@ °，其中|m ₂|為第一修正質量， 為第一修正角度。

在步驟405，根據振幅、相角、延遲角與靈敏度計算第二修正質量以及第二修正角度。同樣的，振幅與相角可組成向量O=|O|@ °，接著執行以下數學式6。 [數學式6]

其中 為第二修正質量， 為第二修正角度。

接下來在步驟406，根據第一修正質量與第二修正質量計算最終修正質量，並根據第一修正角度與第二修正角度計算最終修正角度。在一些實施例中，可以用權重和來計算最終修正質量與角度，例如根據以下數學式7計算最終修正質量，根據以下數學式8計算最終修正角度。 [數學式7] [數學式8]

其中 為介於0至1的權重， 為最終修正質量， 為最終修正角度。先計算數值 的原因是避免 與 在360度的交界所造成的數值不穩定，另外“%360”是指除以360的餘數，限制 介於0~360度之間。在計算出最終修正質量與最終修正角度以後，便可以停機掛載配重，因此這樣的作法只需要停機一次。請參照圖1，計算模組130可以將最終修正質量與最終修正角度顯示在網頁上，操作人員可以透過終端裝置140瀏覽網頁以決定如何設定配重。

在上述的旋轉機械系統與平衡方法中，是先進行多次的二次平衡法來建立預測模型，在建立預測模型以後每次的平衡便只需要停機一次，在後續的運作中可以減少停機次數。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。

100:旋轉系統

110:轉子

120:感測器

130:計算模組

140:終端裝置

310:振動訊號

320:參考點

330:波峰

401~406:步驟

圖1是根據一實施例繪示旋轉機械系統的示意圖。 圖2是根據一實施例繪示單平面的振幅與相位示意圖。 圖3是根據一實施例繪示振動訊號的示意圖。 圖4是根據一實施例繪示旋轉機械的平衡方法的流程圖。

401~406:步驟

Claims (8)

1. 一種旋轉機械系統，包括：一轉子；一感測器，用以取得關於該轉子在運轉時的振動訊號；以及一計算模組，通訊連接至該感測器，用以取得該轉子在不同配重下所量測到的多個歷史振幅與多個歷史相角，並根據該些歷史振幅與該些歷史相角計算出對應的多個歷史影響係數大小、多個歷史影響係數角度、多個歷史延遲角與多個歷史靈敏度，其中該計算模組用以根據該些歷史振幅、該些歷史相角以及該些歷史影響係數大小建立第一預測模型，其中該計算模組用以根據該些歷史振幅、該些歷史相角以及該些歷史影響係數角度建立第二預測模型，其中該計算模組用以根據該些歷史振幅、該些歷史相角以及該些歷史靈敏度建立第三預測模型，其中該計算模組用以根據該些歷史振幅、該些歷史相角以及該些歷史影響延遲角建立第四預測模型，其中該計算模組根據該振動訊號計算出一振幅與一相角，並將該振幅與該相角輸入至該第一預測模型、該第二預測模型、該第三預測模型以及該第四預測模型以取得一影響係數大小、一影響係數角度、一延遲角與一靈敏度，其中該計算模組根據該振幅、該相角、該影響係數大小與該影響係數角度計算出一第一修正質量以及一第一修正 角度，其中該計算模組根據該振幅、該相角、該延遲角與該靈敏度計算一第二修正質量以及一第二修正角度，其中該計算模組根據該第一修正質量與該第二修正質量計算一最終修正質量，並根據該第一修正角度與該第二修正角度計算一最終修正角度。
2. 如請求項1所述之旋轉機械系統，其中該計算模組還用以對該些歷史影響延遲角中的每一者加減360度以產生多個排列組合，並計算該些排列組合中的每一者的單調性，根據該些單調性取得該些排列組合中的多者來建立多個暫時預測模型，從該些暫時預測模型中挑選出該第三預測模型。
3. 如請求項1所述之旋轉機械系統，其中該感測器包含轉速計以取得該轉子的旋轉頻率，其中該計算模組將該旋轉頻率加上一頻率誤差範圍以得到一頻寬，根據該頻寬建立一帶通濾波器，並根據該帶通濾波器過濾該振動訊號。
4. 如請求項1所述之旋轉機械系統，其中該計算模組根據以下數學式1計算該最終修正質量，並根據以下數學式2計算該最終修正角度，[數學式1] m _f =k×m ₂+(1-k)×m ₃

   

   其中m ₂為該第一修正質量，m ₃為該第二修正質量，k為介於0至1的權重，m _f 為該最終修正質量，β為該第一修正角度，γ為該第二修正角度，α為該最終修正角度。
5. 一種旋轉機械的平衡方法，由一電腦系統執行，該平衡方法包括：透過一感測器取得關於一轉子在運轉時的振動訊號；取得該轉子在不同配重下所量測到的多個歷史振幅與多個歷史相角，並根據該些歷史振幅與該些歷史相角計算出對應的多個歷史影響係數大小、多個歷史影響係數角度、多個歷史延遲角與多個歷史靈敏度；根據該些歷史振幅、該些歷史相角以及該些歷史影響係數大小建立第一預測模型；根據該些歷史振幅、該些歷史相角以及該些歷史影響係數角度建立第二預測模型；根據該些歷史振幅、該些歷史相角以及該些歷史靈敏度建立第三預測模型；根據該些歷史振幅、該些歷史相角以及該些歷史影響延遲角建立第四預測模型；根據該振動訊號計算出一振幅與一相角，並將該振幅與 該相角輸入至該第一預測模型、該第二預測模型、該第三預測模型以及該第四預測模型以取得一影響係數大小、一影響係數角度、一延遲角與一靈敏度；根據該振幅、該相角、該影響係數大小與該影響係數角度計算出一第一修正質量以及一第一修正角度；根據該振幅、該相角、該延遲角與該靈敏度計算一第二修正質量以及一第二修正角度；以及根據該第一修正質量與該第二修正質量計算一最終修正質量，並根據該第一修正角度與該第二修正角度計算一最終修正角度。
6. 如請求項5所述之平衡方法，還包括：對該些歷史影響延遲角中的每一者加減360度以產生多個排列組合，並計算該些排列組合中的每一者的單調性，根據該些單調性取得該些排列組合中的多者來建立多個暫時預測模型，從該些暫時預測模型中挑選出該第三預測模型。
7. 如請求項5所述之平衡方法，還包括：透過該感測器取得該轉子的旋轉頻率；將該旋轉頻率加上一頻率誤差範圍以得到一頻寬，根據該頻寬建立一帶通濾波器，並根據該帶通濾波器過濾該振動訊號。
8. 如請求項5所述之平衡方法，還包括：根據以下數學式1計算該最終修正質量，並根據以下數學式2計算該最終修正角度，[數學式1]m _f =k×m ₂+(1-k)×m ₃

   

   其中m ₂為該第一修正質量，m ₃為該第二修正質量，k為介於0至1的權重，m _f 為該最終修正質量，β為該第一修正角度，γ為該第二修正角度，α為該最終修正角度。

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