CN103105266A - 一种旋转机械转子双平面弯矩动平衡方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种旋转机械转子双平面弯矩动平衡方法，通过测试转子旋转过程中的弯矩来完成转子双平面的不平衡校正。本方法无需试重，可由所测弯矩直接计算出转子双平面上的不平衡力大小和相应角度；本方法是一种在线动平衡法，具有快捷、方便等特点，可实现旋转机械转子双平面动平衡工艺批量化操作；本方法所要求掌握的转子动平衡理论水平较低，适用于大部分技术人员。

Description

一种旋转机械转子双平面弯矩动平衡方法

技术领域

本发明涉及一种旋转机械转子双平面弯矩动平衡方法。

背景技术

旋转机械，如汽轮机、发电机、压气机、风机、泵等，是电力、石化、航空、冶金等行业的关键设备。振动是这些旋转机械的“体温计”，直接反映这些设备安全稳定运行状况，而不平衡又是引起绝大多数振动的主要因素。因此，如何快速准确的校正旋转机械转子的动不平衡量，是人们一直关注的问题。根据转子动力学理论，不管转子上不平衡分布多么复杂，对于每一个不平衡力，都可以将其分解到两个端面上，得到两个端面上的不平衡力。在这两个端面上分别加上大小相等、方向相反的平衡重量，即可消除该不平衡力。因此转子动平衡只要在任选两个平面上进行即可。

总的来说，目前用于旋转机械双平面动平衡的方法主要有两种。（1）测力平衡法。通过在转子与支承轴承之间安装测力传感器，测量转子旋转过程中轴承的受力情况测量不平衡力的大小和方向。目前这种方法主要应用于各种动平衡机上，这种方法需要一套比较精密且灵敏的摆架***，用于支撑被平衡转子使之在不平衡力下发生振动。这套摆架***包括支撑轴承、摆架和摆架座等部件。摆架***的结构既要摆架能保证有足够的刚度，也要保证有足够的灵敏度。摆架***的动力特性直接影响动平衡机的性能，因此其测量精度受到了一定的限制。（2）测振平衡法。该方法主要包括影响系数法和谐分量法。影响系数法是在支承转子的轴承座水平和垂直方向均布置传感器，测出轴承座处原始不平衡量的振动值。然后选择一个加重面进行试加重并测量试加重后轴承座的振动位移，计算该平面加重的影响系数。接着通过相同方法计算另一个加重面的影响系数。根据所计算的影响系数矩阵来完成不平衡量的校正。而谐分量法的出发点是：对称振动分量是由于一阶形式的不平衡引起的，反对称振动分量是由于二阶形式的不平衡分布引起的，相互之间没有干扰。如果在转子上施加对称形式配重，就可以消除一阶形式的振动。如果施加反对称形式配重，就可以消除二阶形式的振动。转子两端支撑动力特性差异、对称和反对称分量的相互干扰等因素对谐分量法的准确性影响较大。测振平衡法需要至少需要一次试加重和一次精调才能完成动平衡的校正，且该方法对技术人员要求较高，需要较透彻的理解动平衡的相关概念和处理方法。

发明内容

本发明提供一种旋转机械转子双平面弯矩动平衡方法。

为了解决上述技术问题，采用如下技术方案：

一种旋转机械转子双平面弯矩动平衡方法，通过测试转子旋转过程中的弯矩来完成转子双平面的不平衡校正。

上述的旋转机械转子双平面弯矩动平衡方法，包括如下步骤：

A、将待测转子通过万向节安装在动平衡检测台架上；

B、在动平衡检测台架的轴段上安装涡流传感器，将涡流传感器对准键槽，测量转速脉冲信号，以此作为多测点同步整周期采样分析的基准；

C、在动平衡检测台架的转轴表面选择两个测量截面安装弯矩测点，这两个测量截面分别位于连接待测转子的两个万向节与动平衡检测台架的两个支承轴承之间，每个截面布置两组弯矩测点，其中一组测点应和键槽处于同一条母线上，另一组测点位于顺转速方向和键槽成90°的位置；

D、用电机带动动平衡检测台架的转轴在转速n下旋转，记录旋转过程中各组弯矩测点的弯矩值，分别记为：M_1x(t),M_1y(t),M_2x(t),M_2y(t)，其中，下标1、2代表测量截面编号，x,y代表两组不同方向的弯矩；

E、建立固定直角坐标系，该固定坐标系的y轴为涡流传感器的布置方向，x轴为顺转速与键槽成90°的方向，将测量的旋转过程中的弯矩转换为固定坐标系下的弯矩值，记为M_1-(t),M_1⊥(t),M_2-(t),M_2⊥(t)，其中，M_1-代表第一个测量截面的弯矩在x轴方向的分量，M_1⊥代表第一个测量截面的弯矩在y轴方向的分量，M_2-代表第二个测量截面的弯矩在x轴方向的分量，M_2⊥代表第二个测量截面的弯矩在y轴方向的分量；

M_1-(t)=M_1x·cosωt+M_1y·sinωt

M_1⊥(t)=-M_1x·sinωt+M_1y·cosωt      （1）

M_2-(t)=M_2x·cosωt+M_2y·sinωt

M_2⊥(t)=-M_2x·sinωt+M_2y·cost

式中，ω为转子旋转角速度，t为时间。

F、计算两个测量截面水平方向和垂直方向上的弯矩差ΔM_-(t),ΔM_⊥(t)；

ΔM_-(t)=M_1-(t)-M_2-(t)  ΔM_⊥(t)=M_1⊥(t)-M_2⊥(t)      （2）

G、根据两个测量截面弯矩计算两个测量截面水平方向和垂直方向的剪力Q_1-(t),Q_2-(t),Q_1⊥(t),Q_2⊥(t)；

Q_1-(t)=M_1-(t)/l₁Q_1⊥(t)=M_1⊥(t)/l₁      （3）

Q_2-(t)＝M_2-(t)/l₂Q_2⊥(t)＝M_2⊥(t)/l₂

式中，l₁,l₂为轴承支承力到测量截面的距离；

H、计算两个测量截面水平方向和垂直方向上的剪力差ΔQ_-(t),ΔQ_⊥(t)。

ΔQ_-(t)=Q_1-(t)-Q_2-(t)  ΔQ_⊥(t)=Q_1⊥(t)-Q_2⊥(t)      （4）

I、根据两个测量截面的弯矩曲线和剪力曲线计算矢量待测转子的两个平面，与编号为1的测量截面相应的为平面I，与编号为2的测量截面相应的为平面

假设在平面I和平面

上，分别存在不平衡量

和

其相位分别为θ₁和θ₂，在旋转过程中，两个测量截面的弯矩和剪力是由于不平衡量

和

引起的，两个测量截面的剪力差和弯矩差最大值分别记为将这些矢量表示为极坐标形式为：

$\left(5\right)$

根据水平方向的剪力曲线和弯矩曲线的幅值，即可求出ΔQ_-,ΔM_-，其相位可由脉冲信号和剪力、弯矩曲线确定，其中最大剪力值的相位

为脉冲起始点到水平向剪力曲线的第一个波峰间角度，最大弯矩值的相位

为脉冲起始点到水平向弯矩曲线的第一个波峰间角度；

J、计算两个测量截面上不平衡力的大小和相位：

不平衡力的大小为G=mrω²，其中，r为待测转子半径，相位θ定义为：脉冲前沿导前振动信号正峰值的角度，即以键槽位置起始，逆转速方向与键槽成θ大小的角度即为不平衡力的相位；

根据其水平方向的力学平衡方程，矢量关系式为：

${\stackrel{\→}{\mathrm{\ΔQ}}}_{\max -}=\stackrel{\→}{G_1}+\stackrel{\→}{G_2}$ $\left(6\right)$

${\stackrel{\→}{\mathrm{\ΔM}}}_{\max -}=a_1\stackrel{\→}{G_1}+(a_1+l)\stackrel{\→}{G_2}$

将其表示为极坐标下的关系：

$\left(7\right)$

式中，a₁为平面I到编号为1的测量截面的距离，l为转子长度，为x轴导前于不平衡力

的角度，即以x轴起始，逆转速方向与x轴成

的角度即为不平衡力

为x轴导前于不平衡力

的角度；

根据式（7）即可求出不平衡力

和

的大小和相位，其中相位为：

K、加重重量的大小和相位：

根据上述计算可知，只需在平面Ι上相位为α₁=θ₁+180°处加重

在平面Π上相位为α₂=θ₂+180°处加重

即可校正该转子双平面的不平衡量。上述，步骤G中，在实际应用时，弯矩剪力换算系数可根据结构特性和其他因素进行标定；步骤I中，水平方向和垂直方向上的剪力、弯矩曲线，理论区别仅是相差90°，因此本发明中以水平方向为例研究，但本发明的保护范围不仅限于水平方向。

上述转子的两个平面指转子两端的两个面。

本发明未特别限定的技术均为现有技术。

在不同的载荷分布状态下，转子转轴弹性变形不同，各点弯矩分布情况不同，因此，通过测量转轴截面弯矩，可以了解和计算转子旋转过程中转轴的弯矩和剪力分布情况，根据弯矩曲线和剪力曲线以及脉冲信号曲线即可以完成旋转机械转子双平面的不平衡校正过程。与现有技术相比，本发明具有如下优点：

（1）本方法无需试重，可由所测弯矩直接计算出转子双平面上的不平衡力大小和相应角度；

（2）本方法是一种在线动平衡法，具有快捷、方便等特点，可实现旋转机械转子双平面动平衡工艺批量化操作；

（3）本方法所要求掌握的转子动平衡理论水平较低，适用于大部分技术人员。

附图说明

图1是检测台架简图，

图中，1为支承轴承，2为弯矩测点，3为万向节联轴器，4为待测转子，5为涡流传感器，6为键槽，7为挠性万向节联轴器，8为电动机；

图2是弯矩测点所处角度、固定坐标系及不平衡力相位角度示意图；

图3是转子双平面平衡***的基本***示意图，图中1为代号为1的测量截面，2为代号为2的测量截面；

图4是转轴某截面旋转过程中的原始弯矩信号；

图5是转轴某截面在固定坐标系下的弯矩信号；

图6是为根据脉冲信号和剪力、弯矩曲线计算矢量

示意图；

图7是旋转机械双平面弯矩平衡法流程图。

具体实施方式

本实施例是以图1所示的转子试验台架为例，基于测量弯矩进行转子双平面不平衡校正方法分析。参照图2～7。

本实施例涉及的通过测量弯矩完成转子双平面不平衡校正的方法是：

A、将待测转子通过万向节安装在动平衡检测台架上；

B、在动平衡检测台架的轴段上安装涡流传感器，将涡流传感器对准键槽，测量转速脉冲信号，以此作为多测点同步整周期采样分析的基准；

C、在动平衡检测台架的转轴表面选择两个测量截面安装弯矩测点，这两个测量截面分别位于连接待测转子的两个万向节与动平衡检测台架的两个支承轴承之间，每个截面布置两组弯矩测点，其中一组测点应和键槽处于同一条母线上，另一组测点位于顺转速方向和键槽成90°的位置，如图2所示；

D、用电机带动动平衡检测台架的转轴在转速n下旋转，记录旋转过程中各组弯矩测点的弯矩值，分别记为：M_1x(t),M_1y(t),M_2x(t),M_2y(t)，其中，下标1、2代表测量截面编号，x,y代表两组不同方向的弯矩；

E、建立固定直角坐标系，该固定坐标系的y轴为涡流传感器的布置方向，x轴为顺转速与键槽成90°的方向，将测量的旋转过程中的弯矩转换为固定坐标系下的弯矩值，记为M_1-(t),M_1⊥(t),M_2-(t),M_2⊥(t)，其中，M_1-代表第一个测量截面的弯矩在x轴方向的分量，M_1⊥代表第一个测量截面的弯矩在y轴方向的分量，M_2-代表第二个测量截面的弯矩在x轴方向的分量，M_2⊥代表第二个测量截面的弯矩在y轴方向的分量；

M_1-(t)=M_1x·cosωt+M_1y·sinωt

M_1⊥(t)=-M_1x·sinωt+M_1y·cosωt      （1）

M_2-(t)=M_2x·cosωt+M_2y·sinωt

M_2⊥(t)=-M_2x·sinωt+M_2y·cost

式中，ω为转子旋转角速度，t为时间。

F、计算两个测量截面水平方向和垂直方向上的弯矩差ΔM_-（t),ΔM_⊥(t)；

ΔM_-(t)=M_1-(t)-M_2-(t)   ΔM_⊥(t)=M_1⊥(t)-M_2⊥(t)      （2）

G、根据两个测量截面弯矩计算两个测量截面水平方向和垂直方向的剪力Q_1-(t),Q_2-(t),Q_1⊥(t),Q_2⊥(t)；

Q_1-(t)=M_1-(t)/l₁   Q_1⊥(t)=M_1⊥(t)/l₁      （3）

Q_2-(t)＝M_2-(t)/l₂   Q_2⊥(t)＝M_2⊥(t)/l₂

式中，l₁,l₂为轴承支承力到测量截面的距离，在实际应用时，弯矩剪力换算系数可根据结构特性和其他因素进行标定；

H、计算两个测量截面水平方向和垂直方向上的剪力差ΔQ_-(t),ΔQ_⊥(t)。

ΔQ_-(t)=Q_1-(t)-Q_2-(t)  ΔQ_⊥(t)=Q_1⊥(t)-Q_2⊥(t)      （4）

I、根据两个测量截面的弯矩曲线和剪力曲线计算矢量

待测转子的两个平面，与编号为1的测量截面相应的为平面|，与编号为2的测量截面相应的为平面

假设在平面|和平面

上，分别存在不平衡量

和

其相位分别为θ₁和θ₂，在旋转过程中，两个测量截面的弯矩和剪力是由于不平衡量和

引起的，两个测量截面的剪力差和弯矩差最大值分别记为

将这些矢量表示为极坐标形式为：

$\left(5\right)$

水平方向和垂直方向上的剪力、弯矩曲线，理论区别仅是相差90°，因此本发明中以水平方向为例研究；

根据水平方向的剪力曲线和弯矩曲线的幅值，即可求出ΔQ_-,ΔM_-，其相位可由脉冲信号和剪力、弯矩曲线确定，其中最大剪力值的相位

为脉冲起始点到水平向剪力曲线的第一个波峰间角度，最大弯矩值的相位

为脉冲起始点到水平向弯矩曲线的第一个波峰间角度，如图6所示；

J、计算两个测量截面上不平衡力的大小和相位：

不平衡力的大小为G=mrω²，其中，r为待测转子半径，相位θ定义为：脉冲前沿导前振动信号正峰值的角度，即以键槽位置起始，逆转速方向与键槽成θ大小的角度即为不平衡力的相位，如图2所示；

根据其水平方向的力学平衡方程，矢量关系式为：

${\stackrel{\→}{\mathrm{\ΔQ}}}_{\max -}=\stackrel{\→}{G_1}+\stackrel{\→}{G_2}$ $\left(6\right)$

${\stackrel{\→}{\mathrm{\ΔM}}}_{\max -}=a_1\stackrel{\→}{G_1}+(a_1+l)\stackrel{\→}{G_2}$

将其表示为极坐标下的关系：

$\left(7\right)$

式中，a₁为平面I到编号为1的测量截面的距离，l为转子长度，为x轴导前于不平衡力

的角度，即以x轴起始，逆转速方向与x轴成

的角度即为不平衡力

为x轴导前于不平衡力

的角度；

根据式（7）即可求出不平衡力

和的大小和相位，其中相位为：

K、加重重量的大小和相位：

根据上述计算可知，只需在平面Ι上相位为α₁=θ₁+180°处加重

在平面Π上相位为α₂=θ₂+180°处加重即可校正该转子双平面的不平衡量。

Claims (2)

1.一种旋转机械转子双平面弯矩动平衡方法，其特征在于：通过测试转子旋转过程中的弯矩来完成转子双平面的不平衡校正。

2.如权利要求1所述的旋转机械转子双平面弯矩动平衡方法，其特征在于：包括如下步骤：

A、将待测转子通过万向节安装在动平衡检测台架上；

B、在动平衡检测台架的轴段上安装涡流传感器，将涡流传感器对准键槽，测量转速脉冲信号，以此作为多测点同步整周期采样分析的基准；

C、在动平衡检测台架的转轴表面选择两个测量截面安装弯矩测点，这两个测量截面分别位于连接待测转子的两个万向节与动平衡检测台架的两个支承轴承之间，每个截面布置两组弯矩测点，其中一组测点应和键槽处于同一条母线上，另一组测点位于顺转速方向和键槽成90°的位置；

D、用电机带动动平衡检测台架的转轴在转速n下旋转，记录旋转过程中各组弯矩测点的弯矩值，分别记为：M_1x(t),M_1y(t),M_2x(t),M_2y(t)，其中，下标1、2代表测量截面编号，x,y代表两组不同方向的弯矩；

E、建立固定直角坐标系，该固定坐标系的y轴为涡流传感器的布置方向，x轴为顺转速与键槽成90°的方向，将测量的旋转过程中的弯矩转换为固定坐标系下的弯矩值，记为M_1-(t),M_1⊥(t),M_2-(t),M_2⊥(t)，其中，M_1-代表第一个测量截面的弯矩在x轴方向的分量，M_1⊥代表第一个测量截面的弯矩在y轴方向的分量，M_2-代表第二个测量截面的弯矩在x轴方向的分量，M_2⊥代表第二个测量截面的弯矩在y轴方向的分量；

M_1-(t)=M_1x·cosωt+M_1y·sinωt

M_1⊥(t)=-M_1x·sinωt+M_1y·cosωt      （1）

M_2-(t)=M_2x·cosωt+M_2y·sinωt

M_2⊥(t)=-M_2x·sinωt+M_2y·cost

式中，ω为转子旋转角速度，t为时间；

F、计算两个测量截面水平方向和垂直方向上的弯矩差ΔM_-(t),ΔM_⊥(t)；

ΔM_-(t)=M_1-(t)-M_2-(t)   ΔM_⊥(t)=M_1⊥(t)-M_2⊥(t)      （2）

G、根据两个测量截面弯矩计算两个测量截面水平方向和垂直方向的剪力Q_1-(t),Q_2-(t),Q_1⊥(t),Q_2⊥(t)；

Q_1-(t)=M_1-(t)/l₁   Q_1⊥(t)=M_1⊥(t)/l₁      （3）

Q_2-(t)＝M_2-(t)/l₂   Q_2⊥(t)＝M_2⊥(t)/l₂

式中，l₁,l₂为轴承支承力到测量截面的距离；

H、计算两个测量截面水平方向和垂直方向上的剪力差ΔQ_-(t),ΔQ_⊥(t)；

ΔQ_-(t)=Q_1-(t)-Q_2-(t)  ΔQ_⊥(t)=Q_1⊥(t)-Q_2⊥(t)      （4）

I、根据两个测量截面的弯矩曲线和剪力曲线计算矢量

待测转子的两个平面，与编号为1的测量截面相应的为平面Ι，与编号为2的测量截面相应的为平面Π，假设在平面Ι和平面Π上，分别存在不平衡量

和其相位分别为θ₁和θ₂，在旋转过程中，两个测量截面的弯矩和剪力是由于不平衡量

和

引起的，两个测量截面的剪力差和弯矩差最大值分别记为

将这些矢量表示为极坐标形式为：

$\left(5\right)$

根据水平方向的剪力曲线和弯矩曲线的幅值，即可求出ΔQ_-,ΔM_-，其相位可由脉冲信号和剪力、弯矩曲线确定，其中最大剪力值的相位

为脉冲起始点到水平向剪力曲线的第一个波峰间角度，最大弯矩值的相位

为脉冲起始点到水平向弯矩曲线的第一个波峰间角度；

J、计算两个测量截面上不平衡力的大小和相位：

不平衡力的大小为G=mrω²，其中，r为待测转子半径，相位θ定义为：脉冲前沿导前振动信号正峰值的角度，即以键槽位置起始，逆转速方向与键槽成θ大小的角度即为不平衡力的相位；

根据其水平方向的力学平衡方程，矢量关系式为：

${\stackrel{\→}{\mathrm{\ΔQ}}}_{\max -}=\stackrel{\→}{G_1}+\stackrel{\→}{G_2}$ $\left(6\right)$

${\stackrel{\→}{\mathrm{\ΔM}}}_{\max -}=a_1\stackrel{\→}{G_1}+(a_1+l)\stackrel{\→}{G_2}$

将其表示为极坐标下的关系：

$\left(7\right)$

式中，a₁为平面Ι到编号为1的测量截面的距离，l为转子长度，为x轴导前于不平衡力的角度，即以x轴起始，逆转速方向与x轴成

的角度即为不平衡力

为x轴导前于不平衡力

的角度；

根据式（7）即可求出不平衡力和

的大小和相位，其中相位为：

K、加重重量的大小和相位：

根据上述计算可知，只需在平面Ι上相位为α₁=θ₁+180°处加重在平面Π上相位为α₂=θ₂+180°处加重

即可校正该转子双平面的不平衡量。

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