CN102175394A - 刚性转子软支承动不平衡测试中的永久标定方法 - Google Patents

Abstract

一种机械测量技术领域的刚性转子软支承动不平衡测试中的永久标定方法，能够在软支承动不平衡机上实现永久***标定，通过采集转子加速过程中历经的转频以及对应时刻的支承***振幅，计算出支承***和被测转子组成的振动***的固有频率，进而映射表征出转子的质量对转子振动振幅的影响。消除转子质量及转速(转子惯性力)对标定的影响。实现软支承动平衡机的永久***标定。

Description

刚性转子软支承动不平衡测试中的永久标定方法

技术领域

本发明为一种机械测量技术领域的方法，具体涉及一种刚性转子软支承动不平衡测试中的永久标定方法。

背景技术

现有对软支承动不平衡测试***的标定主要使用影响系数法进行，标定的结果仅限适用于与当前转子结构参数和工作转速相同的动平衡试验中。若动不平衡试验时的转子类型或转子结构与标定时的转子类型或转子结构不一致，***的标定结果是不适用的，即不具备永久标定特性。

北京航空航天大学周仕炎教授在论文“解决刚性转子左右校正面影响问题的一个新途径”中明确指出了转子动不平衡的测量受到测量转速，转子结构参数等有关量的影响。转子质量在软支承动平衡测量***中的影响不可忽略，硬支承动平衡机中使用的永久***标定方法不能适用于软支承动平衡机。

申克公司的盛德恩在“硬支承平衡机原理误差的消除及新型平衡机的构想”中也明确指出随着测量转速与固有频率比值的增大，转子本身的质量和***阻尼带对测量带来的影响越来越不可忽略，按照常规的思路软支承***中只能够采用状态标定的方法来完成软支承***的动不平衡测量。而状态标定的系数具有与转子类型及工作转速密切相关的特性。

同时盛德恩先生在其专利“动平衡测量方法及高频比硬支承动平衡装置”(公开号：CN1566914A，公开日期：2005年1月19日)中采用了表征转子转动惯量的方法，进而部分考虑了转子本身质量和转动惯量对动平衡测量的影响，扩大了经典硬支承平衡的频率测量范围。不过其针对的是硬支承平衡机的测量过程。

浙江大学潘双夏、杨克己教授在“动平衡机***误差分析及标定方法研究”对动不平衡测量的平面分离和***标进行过详细的阐述，对于软支承***采用的影响系数法，矢量影响系数法和线性回归最小二乘影响系数法进行***标定，这些都是建立在状态标定的基础之上的改进方法，无法实现类似硬支承***中永久标定的标定效果。

发明内容

本发明针对上述现有技术存在的不足，提供一种刚性转子软支承动不平衡测试中的永久标定方法，能够在软支承动不平衡机上实现永久***标定，通过采集转子加速过程中历经的转频以及对应时刻的支承***振幅，计算出支承***和被测转子组成的振动***的固有频率，进而映射表征出转子的质量对转子振动振幅的影响。消除转子质量及转速(转子惯性力)对标定的影响。实现软支承动平衡机的永久***标定。

本发明通过以下技术方案实现，本发明包括以下步骤：

第一步：对被检测转子进行逐步的加速驱动，直至最高工作转速，利用速度传感器连续获取转子加速过程中各个旋转频率，同时利用测振传感器获取对应旋转频率下的支承摆架的振幅，当转子到达稳定转速后得到转子全速过程中的旋转频率与支承摆架振动一一对应的频率振幅数据。

第二步：根据第一步得到的频率振幅数据获取转子在达到共振状态前的最大振幅时的转速ω_n-1以及转子在加速过程中脱离限幅机构限制时的转速ω_n+1，并以作为动不平衡测量***的固有频率。

第三步：将转子质量表示为

其中：K为***常数，ω_n为固有频率；K可以在***标定过程中进行确定，ω_n为上一步骤的执行后获得结果。

第四步：进行***标定，并得到***标定系数

具体为：

$\left[\begin{array}{cc}x1\·\mathrm{ro}\stackrel{\→}{u}11& x2\·\mathrm{ro}\stackrel{\→}{u}21\\ x3\·\mathrm{ro}\stackrel{\→}{u}12& x4\·\mathrm{ro}\stackrel{\→}{u}22\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}\stackrel{\→}{m}1\\ \stackrel{\→}{m}2\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}\stackrel{\→}{U}1\\ \stackrel{\→}{U}2\end{array}\right],$ 其中：

$x_1=\frac{{\mathrm{\ω}}^2{r}_1(b+c)}{(a+b+c)(\frac{{\mathrm{\ω}}^2}{2{\mathrm{\ω}}_n^2}+1)},$ $x_2=\frac{{\mathrm{\ω}}^2{r}_{2}c}{(a+b+c)(\frac{{\mathrm{\ω}}^2}{2{\mathrm{\ω}}_n^2}+1)}.$

$x_3=\frac{{\mathrm{\ω}}^2{r}_{1}a}{(a+b+c)(\frac{{\mathrm{\ω}}^2}{2{\mathrm{\ω}}_n^2}+1)},$ $x_2=\frac{{\mathrm{\ω}}^2{r}_2(a+b)}{(a+b+c)(\frac{{\mathrm{\ω}}^2}{2{\mathrm{\ω}}_n^2}+1)},$

第五步：转子在振动平面内做振动，根据拾振传感器检测到的

和，按照平面分离方程获得对应校正面上的不平衡质量

具体为：

其中：

为对应校正面上的等效不平衡质量，

和

为传感器检测的支承摆架的振动量，K为支承摆架单个支承的刚度，ω_n为支承摆架和转子组成振动***的固有频率，ω为稳态测量过程中的转子转动角速度，a为左支承距左校正面距离，b为左校正面距右校正面距离，c为右校正面距右支承距离，r₁为左校正面不平衡量所在位置，r₂为右校正面不平衡量所在位置。

与现有技术相比，本发明的有益效果是实现了软支承动平衡机的永久标定。经过上述对支承***和转子组成***的固有频率的求取，以及重新列写动平衡测量的平面分离方程，可以实现软支承***下的动平衡测量***的永久标定，使得***的标定结果独立于转子本身的结构参数，从而实现***的永久标定，提高***的标定精度和动平衡测量的效率，降低对现场操作人员的技术要求。实现软支承动平衡机像硬支承平衡机一样的简便标定。

附图说明

图1为实施例中转子转动频率与振动振幅之间的对应变化曲线图。

图2为实施例中转子旋转频率与振动振幅的频率范围段。

图3为实施例布置示意图；

图4为实施例测量结构示意图；

图中：1支承摆架、2支承摆架、3限幅机构、4拾振传感器、5转速传感器。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图3所示，本实施例包括以下步骤：

第一步，为了能够更加细腻地获取转子加速过程的参数，平衡机采用具有预设速度和加速度功能的伺服电机对转子进行驱动，并且最大程度接近转子达到共振状态(最大振幅)时才启动支承摆架***的锁紧装置，经过共振频率点之后，立刻释放支承摆架的锁紧装置。

第二步，在转子的加速过程中通过测振传感器等间隔采集振动信号，同时记录下对应时刻的转子旋转频率。描绘出转子的频率-振幅曲线，寻求在锁紧装置锁紧前后振幅相等的两时刻点，获取支承与转子组合***的固有频率

同时按照表达式表征出转子的质量。

第三步，采用校验转子对其进行精确的***标定，根据以下方式对测量***进行标定，可以获取***的标定系数

并记录到平衡机的永久记忆体中：

$\left[\begin{array}{cc}x1\·\mathrm{ro}\stackrel{\→}{u}11& x2\·\mathrm{ro}\stackrel{\→}{u}21\\ x3\·\mathrm{ro}\stackrel{\→}{u}12& x4\·\mathrm{ro}\stackrel{\→}{u}22\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}\stackrel{\→}{m}1\\ \stackrel{\→}{m}2\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}\stackrel{\→}{U}1\\ \stackrel{\→}{U}2\end{array}\right],$ 其中：

$x_1=\frac{{\mathrm{\ω}}^2{r}_1(b+c)}{(a+b+c)(\frac{{\mathrm{\ω}}^2}{2{\mathrm{\ω}}_n^2}+1)},$ $x_2=\frac{{\mathrm{\ω}}^2{r}_{2}c}{(a+b+c)(\frac{{\mathrm{\ω}}^2}{2{\mathrm{\ω}}_n^2}+1)}.$

$x_3=\frac{{\mathrm{\ω}}^2{r}_{1}a}{(a+b+c)(\frac{{\mathrm{\ω}}^2}{2{\mathrm{\ω}}_n^2}+1)},$ $x_2=\frac{{\mathrm{\ω}}^2{r}_2(a+b)}{(a+b+c)(\frac{{\mathrm{\ω}}^2}{2{\mathrm{\ω}}_n^2}+1)},$

第四步，在进行动不平衡量的测试过程中，仍然需要求得对应转子与支承***的固有频率，然后借助于下述和***中已经保存的标定系数

按照以下方式计算

获取对应校正平面内的不平衡质量：

其中：为对应校正面上的等效不平衡质量，

和

为传感器检测的支承摆架的振动量，K为支承摆架单个支承的刚度，ω_n为支承摆架和转子组成振动***的固有频率，ω为稳态测量过程中的转子转动角速度，a为左支承距左校正面距离，b为左校正面距右校正面距离，c为右校正面距右支承距离，r₁为左校正面不平衡量所在位置，r₂为右校正面不平衡量所在位置。

如图1所示，被测量转子在加速的全过程中，支承摆架的振动量和振动信号的相移量随测量转速的变化趋势。其振动量为先增大达到共振，再逐渐减小至mρ/M。同时振动的初相位从零增加至π。并且当转子达到共振时，也即是转子振动量达到最大时，转子振动的初相位为π/2。

如图2所示，转子在加速过程中沿图中粗实线进行加速，直至达到测量转速。在接近共振状态的两侧分别为ω_n-1，ω_n+1。

如图3所示，转子在加速旋转振动的过程中，受到限幅机构的限制。无法精确检测出转子的共振频率，故采用限幅机构起作用的时刻和经过共振后失效的时刻的频率的均值来等效共振频率。

如图4所示，转子的动平衡测量依靠一个速度传感器和两个拾振传感器来进行转子振动量的检测。

本方法所涉及软支承动平衡机中的永久标定方法，包括对转子加速过程中的旋转频率和振动振幅进行等间隔采样，采样以后根据传感器特性获取转子与支承摆架组成***的固有频率，根据固有频率实现对转子质量的函数映射，并最终实现软支承平衡测试***中的永久***标定原理与方法。同时包括对转子驱动方式上的扩展与应用，振幅锁紧方式或者不锁紧情况的扩展。

本方法特别适用于高精度软支承动平衡测试***的标定过程、可以改善各种软支承***的平衡机的标定过程，实现永久标定，避免转子类型和结构改变时需要反复标定的复杂和繁琐性，实现一次永久标定。

Claims (1)

1.一种刚性转子软支承动不平衡测试中的永久标定方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步：对被检测转子进行逐步的加速驱动，直至最高工作转速，利用速度传感器连续获取转子加速过程中各个旋转频率，同时利用测振传感器获取对应旋转频率下的支承摆架的振幅，当转子到达稳定转速后得到转子全速过程中的旋转频率与支承摆架振动一一对应的频率振幅数据；

第二步：根据第一步得到的频率振幅数据获取转子在达到共振状态前的最大振幅时的转速ω_n-1以及转子在加速过程中脱离限幅机构限制时的转速ω_n+1，并以作为动不平衡测量***的固有频率；

第三步：将转子质量表示为

其中：K为***常数，ω_n为固有频率；K可以在***标定过程中进行确定，ω_n为上一步骤的执行后获得结果；

第四步：进行***标定，并得到***标定系数具体为：

$\left[\begin{array}{cc}x1\·\mathrm{ro}\stackrel{\→}{u}11& x2\·\mathrm{ro}\stackrel{\→}{u}21\\ x3\·\mathrm{ro}\stackrel{\→}{u}12& x4\·\mathrm{ro}\stackrel{\→}{u}22\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}\stackrel{\→}{m}1\\ \stackrel{\→}{m}2\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}\stackrel{\→}{U}1\\ \stackrel{\→}{U}2\end{array}\right],$ 其中：

$x_1=\frac{{\mathrm{\ω}}^2{r}_1(b+c)}{(a+b+c)(\frac{{\mathrm{\ω}}^2}{2{\mathrm{\ω}}_n^2}+1)},$ $x_2=\frac{{\mathrm{\ω}}^2{r}_{2}c}{(a+b+c)(\frac{{\mathrm{\ω}}^2}{2{\mathrm{\ω}}_n^2}+1)};$

$x_3=\frac{{\mathrm{\ω}}^2{r}_{1}a}{(a+b+c)(\frac{{\mathrm{\ω}}^2}{2{\mathrm{\ω}}_n^2}+1)},$ $x_2=\frac{{\mathrm{\ω}}^2{r}_2(a+b)}{(a+b+c)(\frac{{\mathrm{\ω}}^2}{2{\mathrm{\ω}}_n^2}+1)},$

第五步：转子在振动平面内做振动，根据拾振传感器检测到的和，按照平面分离方程获得对应校正面上的不平衡质量

具体为：

其中：

为对应校正面上的等效不平衡质量，和

为传感器检测的支承摆架的振动量，K为支承摆架单个支承的刚度，ω_n为支承摆架和转子组成振动***的固有频率，ω为稳态测量过程中的转子转动角速度，a为左支承距左校正面距离，b为左校正面距右校正面距离，c为右校正面距右支承距离，r₁为左校正面不平衡量所在位置，r₂为右校正面不平衡量所在位置。

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