專利名稱：非對稱轉(zhuǎn)子的全息動(dòng)平衡方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡技術(shù)領(lǐng)域，進(jìn)一步涉及旋轉(zhuǎn)機(jī)械的振動(dòng)診斷與控制領(lǐng)域。
由于轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡技術(shù)對于各類工業(yè)的普遍重要意義，歷年來它始終是學(xué)術(shù)界研究關(guān)注的焦點(diǎn)，也是工業(yè)部門投資發(fā)展的重點(diǎn)。其中，如何提高轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡的精度與效率，以便更好地應(yīng)用于工程實(shí)踐，始終是該項(xiàng)技術(shù)發(fā)展的根本動(dòng)力。
目前轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡技術(shù)，在原理上基本可以歸為兩大類模態(tài)平衡法和影響系數(shù)法。模態(tài)平衡法要求對轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的主振型、臨界轉(zhuǎn)速等參數(shù)有先驗(yàn)的了解，以確定合理的轉(zhuǎn)子正交試重組，其過程繁瑣復(fù)雜，增大了平衡難度。模態(tài)平衡法要求轉(zhuǎn)子在臨界轉(zhuǎn)速附近進(jìn)行平衡，增大了機(jī)組運(yùn)行的風(fēng)險(xiǎn)性，并且對于運(yùn)行與第1、2階臨界轉(zhuǎn)速之間的轉(zhuǎn)子來說，它至少需要2次試重起車才能求取轉(zhuǎn)子的平衡配重量，從而影響了平衡效率與精度。影響系數(shù)平衡法是一個(gè)非常耗時(shí)的過程，它需要反復(fù)多次加重試車(對于運(yùn)行于第1、2階臨界轉(zhuǎn)速之間的轉(zhuǎn)子而言，需要2次以上試重起車)，以測定反映轉(zhuǎn)子不平衡響應(yīng)全貌的影響系數(shù)矩陣，同時(shí)如果平衡面選擇不當(dāng)，將會(huì)產(chǎn)生影響系數(shù)矩陣的病態(tài)化，導(dǎo)致平衡失敗。由此可見，以上兩種平衡方法都需要大量的人工參與，過多地依賴平衡專家的經(jīng)驗(yàn)，基本上還是一種在理論指導(dǎo)下的反復(fù)手工試湊過程。其缺點(diǎn)是平衡過程費(fèi)時(shí)、費(fèi)力、費(fèi)錢。
“轉(zhuǎn)子全息動(dòng)平衡方法”(參閱中國發(fā)明專利申請，申請?zhí)?7108694.X)將全息譜技術(shù)與信息論原理應(yīng)用于動(dòng)平衡領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)子振動(dòng)信息的高度集成與融合，并以一次試重起車，在任意平衡轉(zhuǎn)速下實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)子的平衡。該平衡方法在對稱轉(zhuǎn)子的平衡精度與效率兩方面，均實(shí)現(xiàn)了動(dòng)平衡技術(shù)的重大突破。本專利申請旨在將“轉(zhuǎn)子全息動(dòng)平衡方法”的理論與實(shí)踐推廣到更為廣闊的領(lǐng)域，使其適用于結(jié)構(gòu)非對稱轉(zhuǎn)子的平衡。
本發(fā)明的目的是克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)與不足，提供一種非對稱轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡方法，采用全息譜技術(shù)原理，將轉(zhuǎn)子多向振動(dòng)信息加以集成與融合，以全面描述轉(zhuǎn)子的振動(dòng)行為，作為評定非對稱轉(zhuǎn)子失衡狀態(tài)和試重影響的依據(jù)，從而為選擇轉(zhuǎn)子最佳平衡面和加重質(zhì)量及方位提供科學(xué)依據(jù)，同時(shí)，該方法將信息論原理應(yīng)用于模態(tài)分析領(lǐng)域，對轉(zhuǎn)子振動(dòng)的模態(tài)進(jìn)行了集成與融合，并在任意非臨界轉(zhuǎn)速下將轉(zhuǎn)子振動(dòng)的1、2階模態(tài)進(jìn)行了分解，可以一次試重起車，同時(shí)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子兩階模態(tài)的平衡，極大地簡化了平衡操作的過程，降低了平衡難度。
圖1是非對稱轉(zhuǎn)子不平衡響應(yīng)的工頻三維全息譜分解示意圖。
1(a)為轉(zhuǎn)子原始振動(dòng)的三維全息譜，1(b)所示為分解后所得的1階模態(tài)響應(yīng)的三維全息譜，1(c)所示為分解后所得的2階模態(tài)響應(yīng)的三維全息譜。
圖2是非對稱轉(zhuǎn)子不平衡響應(yīng)的模態(tài)分解示意圖。
圖3是非對稱轉(zhuǎn)子添加試重的模態(tài)分解示意圖。
圖4是不平衡量及其響應(yīng)模態(tài)分解方位的相位關(guān)系。
圖5是懸臂轉(zhuǎn)子實(shí)驗(yàn)臺(tái)布置。
圖6是懸臂轉(zhuǎn)子前兩階模態(tài)函數(shù)。
圖7是懸臂轉(zhuǎn)子全息動(dòng)平衡結(jié)果。下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的方法作詳細(xì)的說明。本發(fā)明的具體實(shí)施步驟如下1、采集故障機(jī)組數(shù)據(jù)，利用全息譜技術(shù)能準(zhǔn)確判別故障的性質(zhì)，判明機(jī)組是否以不平衡故障為主導(dǎo)故障。若是，則進(jìn)行下一步。
2、根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際機(jī)組的情況，確定轉(zhuǎn)子的平衡面及測量面。
3、將采集的故障數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理，并與鍵相信號(hào)歸一化。
4、利用信號(hào)處理技術(shù)，精確地求出各個(gè)傳感器拾取信號(hào)的幅值、頻率和相位，作出轉(zhuǎn)子工頻下的三維全息譜圖，如圖1(a)所示。
5、計(jì)算兩測量面處的轉(zhuǎn)子測點(diǎn)模態(tài)比(也可通過實(shí)驗(yàn)來獲取測點(diǎn)模態(tài)比)，并利用它將轉(zhuǎn)子工頻原始振動(dòng)信號(hào)分解為1階、2階模態(tài)響應(yīng)，如圖2所示，其三維全息譜分解結(jié)果分別如圖1(b)和1(c)所示。比較這兩階模態(tài)響應(yīng)的大小，根據(jù)比較的結(jié)果決定平衡方案，方案主要包括優(yōu)先平衡1階不平衡量，優(yōu)先平衡2階不平衡量和1、2階不平衡量同時(shí)平衡。
6、根據(jù)平衡方案，確定機(jī)組的平衡轉(zhuǎn)速(可在非臨界轉(zhuǎn)速下平衡，與模態(tài)平衡法相比，降低了機(jī)組起車的風(fēng)險(xiǎn)性)，確定添加試重的大小和方位(確定試重時(shí)不需要先驗(yàn)的模態(tài)信息，降低了平衡難度)。
7、采集機(jī)組加重后振動(dòng)數(shù)據(jù)，并利用第5步中計(jì)算的測量面處的測點(diǎn)模態(tài)比，將試重所引起的工頻振動(dòng)量分解為1、2階模態(tài)分量。
8、比較第5、7步中，原始不平衡振動(dòng)與試重所引起振動(dòng)的模態(tài)分解結(jié)果，分別修正試重產(chǎn)生的1、2階模態(tài)響應(yīng)，使之與原始不平衡模態(tài)響應(yīng)大小相等，方向相反。
9、計(jì)算兩平衡面處的測點(diǎn)模態(tài)比(也可通過實(shí)驗(yàn)來獲取測點(diǎn)模態(tài)比)，利用它將兩平衡面上所加的試重量分解為1、2階模態(tài)不平衡量，如圖3所示，利用不平衡響應(yīng)與不平衡量模態(tài)分解方位之間的相位關(guān)系(如圖4所示)，并根據(jù)第8步中不平衡響應(yīng)的比較結(jié)果修正所加試重量，結(jié)果即為兩個(gè)平衡面所應(yīng)加的校正配重。
10、平衡配重加上后，測試再次加重后的結(jié)果，如果滿足平衡要求，則平衡結(jié)束。否則，重復(fù)第3～10步。
以上是通過計(jì)算來獲取轉(zhuǎn)子測量面及平衡面處的測點(diǎn)模態(tài)比，我們也可通過實(shí)驗(yàn)來獲取測量面及平衡面處的測點(diǎn)模態(tài)比，但需增加一次試重起車。即在上述第7步一次試重起車的基礎(chǔ)上，再次在平衡面上添加試重(與第一次試重量不同)，二次起車，測量兩個(gè)非臨界轉(zhuǎn)速下轉(zhuǎn)子的振動(dòng)量，然后聯(lián)立兩次試重起車的振動(dòng)數(shù)據(jù)，獲取測點(diǎn)模態(tài)比。


圖1中，1為軸承A端附近測量面，2為軸承B端附近測量面。圖2中，RA、RB是所測轉(zhuǎn)子兩端軸承A與B附近測量面處的不平衡響應(yīng)，γ1A，B、γ2A，B分別是兩測量面處的1階和2階測點(diǎn)模態(tài)比。其中RA-γ2A，BRB是1階不平衡響應(yīng)的分解方位，RA-γ1A，BRB是2階不平衡響應(yīng)的分解方位。RAf、RBf是分解后所得的1階模態(tài)不平衡響應(yīng)，RAC、RBC是分解后所得的2階模態(tài)不平衡響應(yīng)。圖3中，TC、TD是在兩平衡面C與D上添加的試重量，γ1C，D、γ2C，D分別是兩平衡面處的1階和2階測點(diǎn)模態(tài)比。其中TCγ1C，D+TD是1階不平衡量的分解方位，TCγ2C，D+TD是2階不平衡量的分解方位。TCf、TDf、是分解后所得的1階模態(tài)不平衡量，TCc、TDc是分解后所得的2階模態(tài)不平衡量。圖4中，1是1階不平衡響應(yīng)相位滯后角，2是2階不平衡響應(yīng)相位滯后角。圖5中，3～6是測量轉(zhuǎn)子橫向振動(dòng)的位移傳感器，7是測量轉(zhuǎn)子時(shí)標(biāo)的鍵相傳感器，8～9是兩加重平衡面，10是柔性聯(lián)軸節(jié)，11是電機(jī)，A、B是兩端軸承，(1)～(11)是該懸臂轉(zhuǎn)子數(shù)學(xué)模型的節(jié)點(diǎn)，Ω是轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。圖6中，橫坐標(biāo)是轉(zhuǎn)子軸向坐標(biāo)，縱坐標(biāo)是轉(zhuǎn)子模態(tài)函數(shù)，12是轉(zhuǎn)子1階模態(tài)函數(shù)，13是轉(zhuǎn)子2階模態(tài)函數(shù)。圖7中，14～15為測量轉(zhuǎn)子橫向振動(dòng)的位移傳感器，16是測量轉(zhuǎn)子時(shí)標(biāo)的鍵相傳感器，17是轉(zhuǎn)子時(shí)標(biāo)，18～19是轉(zhuǎn)子原始不平衡量，20～21是所求轉(zhuǎn)子平衡配重量。
本發(fā)明提供的非對稱轉(zhuǎn)子全息動(dòng)平衡方法，為非對稱轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡領(lǐng)域開辟了新的思路，顯示了如下的優(yōu)越性1.充分利用了轉(zhuǎn)子多向振動(dòng)信息，提高了平衡精度。該方法考慮了轉(zhuǎn)子—軸承系統(tǒng)各向剛度不等的因素，采用全息譜參數(shù)，如橢圓長短軸、偏心率、初相點(diǎn)矢量等來表征振動(dòng)的強(qiáng)度，更加全面也更加真實(shí)。
2.采用兩平衡面同時(shí)加重，可一次試重起車，在任意一個(gè)非臨界轉(zhuǎn)速下同時(shí)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子兩階模態(tài)的平衡，減少了轉(zhuǎn)子試重起車次數(shù)，提高了平衡效率，并降低了模態(tài)平衡法要求在臨界轉(zhuǎn)速處進(jìn)行平衡所帶來機(jī)組起車的風(fēng)險(xiǎn)。
3.確定所添加的轉(zhuǎn)子試重時(shí)，不需要對轉(zhuǎn)子模態(tài)信息有先驗(yàn)的了解，簡化了平衡操作過程，降低了平衡難度。
4.對平衡人員經(jīng)驗(yàn)的依賴性低。本發(fā)明用于現(xiàn)場動(dòng)平衡時(shí)，大量的計(jì)算和角度判定均由軟件在后臺(tái)實(shí)現(xiàn)。一方面可以減少人為判斷的失誤，另一方面工廠的技術(shù)人員通過簡單的學(xué)習(xí)就可以掌握，使工廠的設(shè)備管理有更大的自主性。
本發(fā)明多次在生產(chǎn)現(xiàn)場和本研究所的轉(zhuǎn)子實(shí)驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)臺(tái)布置如圖5所示，實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)子采用本特利RK4型轉(zhuǎn)子實(shí)驗(yàn)臺(tái)，其構(gòu)造取為單盤懸臂模型。該轉(zhuǎn)子的工作轉(zhuǎn)速為3100r/min，1階臨界轉(zhuǎn)速約為ω1＝2400r/min，其原始不平衡振動(dòng)甚小。
以下根據(jù)轉(zhuǎn)子測點(diǎn)模態(tài)比獲取途徑的不同(通過計(jì)算或?qū)嶒?yàn)求取)，分別采用兩種方案進(jìn)行轉(zhuǎn)子平衡。平衡轉(zhuǎn)速選為Ω2＝3100r/min。采用實(shí)驗(yàn)方法求解測點(diǎn)模態(tài)比時(shí)，所用兩個(gè)非臨界轉(zhuǎn)速為Ω1＝1900r/min及Ω2＝3100r/min。
懸臂轉(zhuǎn)子全息動(dòng)平衡操作步驟如下方案一1.分別在盤8、9(懸臂端)上，添加模擬的原始不平衡質(zhì)量EC＝0.6g@180，ED＝0.6g@45，起車測量轉(zhuǎn)子在轉(zhuǎn)速Ω2下的原始不平衡振動(dòng)量；2.添加試重質(zhì)量TC＝0.3g@225，TD＝0.3g@270，起車測量轉(zhuǎn)子在轉(zhuǎn)速Ω2下的不平衡振動(dòng)量；3.計(jì)算測點(diǎn)模態(tài)比我們建立了該轉(zhuǎn)子相應(yīng)的理論模型來計(jì)算測點(diǎn)模態(tài)比。將該轉(zhuǎn)子劃分為11個(gè)節(jié)點(diǎn)，如圖5中黑點(diǎn)所示，其中節(jié)點(diǎn)(3)、(7)代表兩測量面，(4)、(10)代表兩平衡面。圖6所示為求解所得的該轉(zhuǎn)子前兩階模態(tài)函數(shù)，其中“○”表示1階模態(tài)函數(shù)，“△”表示2階模態(tài)函數(shù)。計(jì)算所得測點(diǎn)模態(tài)比列于表一。
4.配重的求取利用所求測點(diǎn)模態(tài)比在平衡轉(zhuǎn)速Ω2下，將轉(zhuǎn)子原始振動(dòng)量、純試重引起的振動(dòng)量和試重量進(jìn)行1、2階模態(tài)的分解，然后根據(jù)分解結(jié)果修正試重矢量，進(jìn)而求取配重質(zhì)量，所求配重為PC＝0.599g@0，PD＝0.659g@-139。
5.取下試重質(zhì)量，添加配重質(zhì)量PC，PD，平衡操作完畢。
方案二1.同方案一第1步，但測量轉(zhuǎn)速為兩個(gè)，即Ω1及Ω2。
2.同方案一第2步，但測量轉(zhuǎn)速為兩個(gè)，即Ω1及Ω2。
3.取下第一次試重質(zhì)量，添加第二次試重質(zhì)量T’C＝0.4g@90，T’D＝0.4g@337.5，起車測量轉(zhuǎn)子在Ω2下的不平衡振動(dòng)量；4.獲取測點(diǎn)模態(tài)比利用兩次試重量和轉(zhuǎn)子在Ω1、Ω2下的振動(dòng)量(包括原始及添加試重后)聯(lián)立求解測點(diǎn)模態(tài)比，計(jì)算所得測點(diǎn)模態(tài)比列于表一。
5.同方案一第4步，所求配重為PC＝0.599g@0，PD＝0.659g@-139。
6.同方案一第5步。從表一所列的計(jì)算方法和實(shí)驗(yàn)方法獲取的測點(diǎn)模態(tài)比，可以看出，兩者是非常接近的。表一
實(shí)驗(yàn)中傳感器的布置及原始不平衡量與平衡配重的分布如圖7所示，由此可見平衡結(jié)果是準(zhǔn)確、合理的。最后我們將兩種實(shí)驗(yàn)方案的過程及數(shù)據(jù)列入表二和表三。表二測量振動(dòng)量mv∠度加重質(zhì)量g@度
表三測量振動(dòng)量mv∠度加重質(zhì)量g@度
權(quán)利要求
1.非對稱轉(zhuǎn)子全息動(dòng)平衡方法，首先采集故障機(jī)組數(shù)據(jù)，判明機(jī)組是否以不平衡為主導(dǎo)故障，若是，則根據(jù)故障機(jī)組轉(zhuǎn)子的情況，確定轉(zhuǎn)子的加重面及測量面，并將采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理，與鍵相信號(hào)規(guī)一化。利用全息譜軟件，精確地求出各傳感器拾取信號(hào)的幅值、頻率和相位，作出各個(gè)數(shù)據(jù)采集面的二維全息譜及轉(zhuǎn)子工頻下的三維全息譜；其特征在于，采用全息譜能快速辨明非對稱轉(zhuǎn)子是否是以不平衡為主導(dǎo)故障，并(1)通過添加試重(實(shí)驗(yàn)方法)或計(jì)算(計(jì)算方法)，求取轉(zhuǎn)子測量面及平衡面處的測點(diǎn)模態(tài)比；(2)利用測點(diǎn)模態(tài)比，將轉(zhuǎn)子在工作轉(zhuǎn)速下的原始振動(dòng)進(jìn)行1、2階模態(tài)的分解，并根據(jù)分解的結(jié)果，確定相應(yīng)的平衡方案；(3)利用測點(diǎn)模態(tài)比，將試重量及其引起的振動(dòng)進(jìn)行1、2階模態(tài)的分解。比較原始振動(dòng)與試重所引起振動(dòng)的模態(tài)分解結(jié)果，修正試重的大小及方位，進(jìn)而求解轉(zhuǎn)子平衡配重；(4)加上校正配重，再次測試加重的結(jié)果，如滿足要求，則平衡結(jié)束；否則，重復(fù)上述步驟。
2.根據(jù)權(quán)利要求書1所述的非對稱轉(zhuǎn)子全息動(dòng)平衡方法，其特征在于，所說的平衡方案包括優(yōu)先平衡1階模態(tài)不平衡，優(yōu)先平衡2階模態(tài)不平衡和1、2階模態(tài)不平衡同時(shí)平衡。
3.根據(jù)權(quán)利要求書1所述的非對稱轉(zhuǎn)子全息動(dòng)平衡方法，其特征在于，首先獲取轉(zhuǎn)子測點(diǎn)模態(tài)比，然后實(shí)現(xiàn)在任意非臨界轉(zhuǎn)速下，轉(zhuǎn)子振動(dòng)和不平衡量的1、2階模態(tài)分解，進(jìn)而修正試重，求取平衡配重量，以一次試重起車，同時(shí)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子兩階模態(tài)的平衡。
全文摘要
一種涉及旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動(dòng)診斷與控制領(lǐng)域的非對稱轉(zhuǎn)子全息動(dòng)平衡方法,基于全息譜技術(shù)及信息論原理,在獲取轉(zhuǎn)子全部傳感器信息的基礎(chǔ)上,集成幅、頻、相信息,以全面地描述轉(zhuǎn)子的振動(dòng)行為,實(shí)現(xiàn)在任意非臨界轉(zhuǎn)速下,轉(zhuǎn)子振動(dòng)模態(tài)及不平衡量的對應(yīng)分解,進(jìn)而以一次試重起車,同時(shí)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子兩階模態(tài)的平衡。該平衡方法為可靠、高效地實(shí)施轉(zhuǎn)子現(xiàn)場動(dòng)平衡提供了科學(xué)的依據(jù)和手段。
文檔編號(hào)G01M1/16GK1264035SQ0011375
公開日2000年8月23日 申請日期2000年3月9日 優(yōu)先權(quán)日2000年3月9日
發(fā)明者屈梁生, 徐賓剛 申請人:西安交通大學(xué)