CN103115726B - 一种基于应变的旋转零部件动平衡方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于应变的旋转零部件动平衡方法，通过测试旋转零部件旋转过程中的应变来完成旋转零部件的不平衡校正。本方法无需试重，可由应变数据直接计算出所需加重的大小和角度，所要求掌握的动平衡理论水平较低，适用于所有技术人员；本方法是一种在线动平衡法，具有快捷、方便等特点，可实现零部件动平衡工艺批量化操作。

Description

一种基于应变的旋转零部件动平衡方法

技术领域

本发明涉及一种基于应变的旋转零部件动平衡方法。

背景技术

旋转零部件是机械***中最常用、最基本，也是最重要的组成部分，已广泛应用于航空、电力、石油、化工等领域。其中转子是旋转零件中最常见的一种。对于诸如飞轮、转盘、离合器等做高速旋转的运动体，由于转子的材料性质、加工装配误差等原因，造成了大小不等的不平衡质量分布，导致转子的质心与实际的旋转中心不重合。主惯性轴偏离其相应的旋转轴线，随之产生很大的离心力，致使设备产生较大振动，从而加速机器零部件的磨损，影响设备工作性能，降低设备的工作精度和使用寿命，严重影响设备的正常生产。因此，如何快速准确的校正旋转机械零部件的动不平衡量，是人们一直关注的问题。

总的来说，目前用于校正旋转零部件动不平衡量的方法主要有三种。（1）依靠转子自身的重力作用来测量不平衡力。将待测转子放在用静压轴承支承的支座上，在支座下面嵌装一片反光镜。当转子不存在不平衡量时，由光源射出的光束经此反光镜反射后，投射在不平衡量指示器的极坐标原点。如果转子存在不平衡量，则转子支座在不平衡量的重力矩作用下发生倾斜，支座下的反光镜也随之倾斜并使反射出的光束偏转，此时光束投在极坐标指示器上的光点便离开原点。根据这个光点偏转的坐标位置，可以得到不平衡量的大小和位置。这种方法仅适用于某些平衡要求不高的盘状零件。（2）测量支承动态力来校正不平衡量。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来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。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。（3）测量支承的振动来校正不平衡量。在支承转子的轴承座水平和垂直方向布置传感器，首先测出原始不平衡量在测量点的振动值，然后对转子进行试加重并测量试加重后轴承座的振动位移量，通过计算影响系数来校正不平衡力。该方法是一种离线平衡法，需要试加重才能完成不平衡力的校正，配重大小需要凭经验确定。

发明内容

本发明提供基于应变的旋转零部件动平衡方法。

为了解决上述技术问题，采用如下技术方案：

一种基于应变的旋转零部件动平衡方法，通过测试旋转零部件旋转过程中的应变来完成旋转零部件的不平衡校正。

上述的基于应变的旋转零部件动平衡方法，其特征在于：包括如下步骤：

A、将待测旋转零部件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应变测点，这两个测量截面分别位于连接旋转零部件的两个万向节联轴器与动平衡检测台架的两个支承轴承之间，每个截面需布置两组应变片，其中一组应变片应和键槽处于同一条母线上，另一组应变片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应变测点的应变值，分别记为：ε_1x(t),ε_1y(t),ε_2x(t),ε_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应变；

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应变值转换为固定坐标系下的应变值，记为ε_1-(t),ε_1⊥(t),ε_2-(t),ε_2⊥(t)，其中，ε_1-代表第一个测量截面的应变在x轴方向的分量，ε_1⊥代表第一个测量截面的应变在y轴方向的分量，ε_2-代表第二个测量截面的应变在x轴方向的分量，ε_2⊥代表第二个测量截面的应变在y轴方向的分量；

ε_1-(t)=ε_1x·cosωt+ε_1y·sinωt

ε_1⊥(t)=-ε_1x·sinωt+ε_1y·cosωt

ε_2-(t)=ε_2x·cosωt+ε_2y·sinωt

ε_2⊥(t)=-ε_2x·sinωt+ε_2y·cost    （1）

式中，ω为转子旋转角速度，t为时间。

F、根据固定坐标系下的应变值，分别计算轴系旋转过程中测量截面在x轴方向和y轴方向上的弯矩：

M_1⊥(t)=E·W·ε_1⊥(t)

M_1-(t)=E·W·ε_1-(t)

M_2⊥(t)=E·W·ε_2⊥(t)    （2）

M_2-(t)=E·W·ε_2-(t)

其中：M_1-代表第一个测量截面在x轴方向上的弯矩，M_1⊥代表第一个测量截面在y轴方向上的弯矩，M_2-代表第二个测量截面在x轴方向上的弯矩，M_2⊥代表第二个测量截面在y轴方向上的弯矩，E,W分别为转轴弹性模量和截面模量，对于圆轴而言，D,d分别为圆轴的外径和内径；

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

Q_2-(t)=M_2-(t)/l₂  Q_2⊥(t)=M_2⊥(t)/l₂    （3）

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、计算不平衡质量m的大小，该不平衡力的大小G=mrω²，r为转子半径；

根据分析可知，上述剪力差是不平衡力G旋转过程中作用在水平方向和垂直方向上的分力，即：G_-(t)=-mrω²sin(ωt-α),G_⊥(t)=mrω²cos(ωt-α)，式中α为不平衡力的相位。而水平方向和垂直方向上的剪力曲线的区别理论上只是相位相差90°，本发明以水平方向剪力曲线为例；

剪力曲线的幅值即为不平衡力的大小，因此不平衡质量为：

J、计算不平衡力的相位α，相位α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α大小的角度；

该不平衡力在水平方向上的分力为一随时间做正弦变化的曲线，根据水平向不平衡力曲线和脉冲响应曲线，确定角度θ，θ为固定坐标系x轴导前不平衡力的角度，可由脉冲起始点到水平向不平衡力曲线的第一个波峰间角度确定；

因此，不平衡力的相位α为：α=θ-90°。

K、加重重量和相位的确定：

根据上述计算可知，为了校正该不平衡量，需加重的重量m和相位β分别为：

角度β的定义为：以键槽位置起始，逆转速方向与键槽成β大小的角度。

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。。

本发明未特别限定的技术均为现有技术。

本发明在不同的载荷分布状态下，转子转轴弹性变形不同，各点应变和应力分布情况不同，因此，通过测量转轴应变，就有可能识别出转子不平衡力的大小和方向。与现有技术相比，本发明具有如下优点：

（1）本方法无需试重，可由应变数据直接计算出所需加重的大小和角度，所要求掌握的动平衡理论水平较低，适用于所有技术人员。

（2）本方法是一种在线动平衡法，具有快捷、方便等特点，可实现零部件动平衡工艺批量化操作。

附图说明

图1是检测台架简图；

图中，1为支承轴承，2为应变测点，3为万向节联轴器，4为待测旋转零部件，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是轴段应变片所处角度定义及固定坐标系示意图，图中9为应变片；

图3是不平衡力相位α，加重相位β，不平衡力G与固定坐标x轴夹角θ的示意图；

图4是转轴某截面旋转过程中的原始应变信号；

图5是转轴某截面在固定坐标系下的应变信号；

图6是为从脉冲起始点到水平向剪力曲线的第一个波峰的角度θ的示意图；

图7是该不平衡力校正法流程图。

具体实施方式

本实施例是以图1所示的旋转零部件试验台架为例，基于应变进行的转子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应变完成旋转零部件不平衡校正的方法是：

A、将待测旋转零部件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应变测点，这两个测量截面分别位于连接旋转零部件的两个万向节联轴器与动平衡检测台架的两个支承轴承之间，每个截面需布置两组应变片，其中一组应变片应和键槽处于同一条母线上，另一组应变片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应变测点的应变值，分别记为：ε_1x(t),ε_1y(t),ε_2x(t),ε_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应变；

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应变值转换为固定坐标系下的应变值，记为ε_1-(t),ε_1⊥(t),ε_2-(t),ε_2⊥(t)，其中，ε_1-代表第一个测量截面的应变在x轴方向的分量，ε_1⊥代表第一个测量截面的应变在y轴方向的分量，ε_2-代表第二个测量截面的应变在x轴方向的分量，ε_2⊥代表第二个测量截面的应变在y轴方向的分量；

ε_1-(t)=ε_1x·cosωt+ε_1y·sinωt

ε_1⊥(t)=-ε_1x·sinωt+ε_1y·cosωt

ε_2-(t)=ε_2x·cosωt+ε_2y·sinωt

ε_2⊥(t)=-ε_2x·sinωt+ε_2y·cost    （1）

式中，ω为转子旋转角速度，t为时间。

F、根据固定坐标系下的应变值，分别计算轴系旋转过程中测量截面在x轴方向和y轴方向上的弯矩：

M_1⊥(t)=E·W·ε_1⊥(t)

M_1-(t)=E·W·ε_1-(t)

M_2⊥(t)=E·W·ε_2⊥(t)    （2）

M_2-(t)=E·W·ε_2-(t)

其中：M_1-代表第一个测量截面在x轴方向上的弯矩，M_1⊥代表第一个测量截面在y轴方向上的弯矩，M_2-代表第二个测量截面在x轴方向上的弯矩，M_2⊥代表第二个测量截面在y轴方向上的弯矩，E,W分别为转轴弹性模量和截面模量，对于圆轴而言，D,d分别为圆轴的外径和内径；

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

Q_2-(t)=M_2-(t)/l₂  Q_2⊥(t)=M_2⊥(t)/l₂    （3）

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、计算不平衡质量m的大小，该不平衡力的大小G=mrω²，r为转子半径；

根据分析可知，上述剪力差是不平衡力G旋转过程中作用在水平方向和垂直方向上的分力，即：G_-(t)=-mrω²sin(ωt-α),G_⊥(t)=mrω²cos(ωt-α)，而水平方向和垂直方向上的剪力曲线的区别理论上只是相位相差90°，本发明以水平方向剪力曲线为例；

剪力曲线的幅值即为不平衡力的大小，因此不平衡质量为：

J、计算不平衡力的相位α，相位α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α大小的角度，如图3所示；

该不平衡力在水平方向上的分力为一随时间做正弦变化的曲线，根据水平向不平衡力曲线和脉冲响应曲线，确定角度θ，θ为固定坐标系x轴导前不平衡力的角度，可由脉冲起始点到水平向不平衡力曲线的第一个波峰间角度确定，如图6所示；

因此，不平衡力的相位α为：α=θ-90°。

K、加重重量和相位的确定：

根据上述计算可知，为了校正该不平衡量，需加重的重量m和相位β分别为：

角度β的定义为：以键槽位置起始，逆转速方向与键槽成β大小的角度。

Claims (1)

1.一种基于应变的旋转零部件动平衡方法，其特征在于：通过测试旋转零部件旋转过程中的应变来完成旋转零部件的不平衡校正；

包括如下步骤：

A、将待测旋转零部件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应变测点，第一个测量截面位于连接旋转零部件的第一个万向节联轴器与动平衡检测台架的第一个支承轴承之间，第二个测量截面位于连接旋转零部件的第二个万向节联轴器与动平衡检测台架的第二个支承轴承之间，每个截面需布置两组应变片，其中一组应变片应和键槽处于同一条母线上，另一组应变片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应变测点的应变值，分别记为：ε_1x(t),ε_1y(t),ε_2x(t),ε_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应变；

E、建立固定直角坐标系，该固定直角坐标系的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应变值转换为固定直角坐标系下的应变值，记为ε_1-(t),ε_1⊥(t),ε_2-(t),ε_2⊥(t)，其中，ε_1-代表第一个测量截面的应变在x轴方向的分量，ε_1⊥代表第一个测量截面的应变在y轴方向的分量，ε_2-代表第二个测量截面的应变在x轴方向的分量，ε_2⊥代表第二个测量截面的应变在y轴方向的分量；

ε_1-(t)＝ε_1x·cosωt+ε_1y·sinωt

ε_1⊥(t)＝-ε_1x·sinωt+ε_1y·cosωt

ε_2-(t)＝ε_2x·cosωt+ε_2y·sinωt   (1)

ε_2⊥(t)＝-ε_2x·sinωt+ε_2y·cost

式中，ω为转子旋转角速度，t为时间；

F、根据固定直角坐标系下的应变值，分别计算轴系旋转过程中测量截面在x轴方向和y轴方向上的弯矩：

M_1⊥(t)＝E·W·ε_1⊥(t)

M_1-(t)＝E·W·ε_1-(t)

M_2⊥(t)＝E·W·ε_2⊥(t)   (2)

M_2-(t)＝E·W·ε_2-(t)

其中：M_1-代表第一个测量截面在x轴方向上的弯矩，M_1⊥代表第一个测量截面在y轴方向上的弯矩，M_2-代表第二个测量截面在x轴方向上的弯矩，M_2⊥代表第二个测量截面在y轴方向上的弯矩，E,W分别为转轴弹性模量和截面模量，对于圆轴而言，D,d分别为圆轴的外径和内径；

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

Q_2-(t)＝M_2-(t)/l₂   Q_2⊥(t)＝M_2⊥(t)/l₂   (3)

式中，l₁为第一个测量截面到相应侧轴承支承力之间的距离,l₂为第二个测量截面到相应侧轴承支承力之间的距离；Q_1-(t)为第一个测量截面水平方向的剪力，Q_2-(t)为第二个测量截面水平方向的剪力，Q_1⊥(t)为第一个测量截面垂直方向的剪力，Q_2⊥(t)为第二个测量截面垂直方向的剪力；

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、计算不平衡质量m的大小，不平衡力的大小G＝mrω²，r为转子半径；

根据分析可知，上述剪力差是不平衡力G旋转过程中作用在水平方向和垂直方向上的分力，即：G_-(t)＝-mrω²sin(ωt-α),G_⊥(t)＝mrω²cos(ωt-α)，式中α为不平衡力的相位；

剪力曲线的幅值即为不平衡力的大小，因此不平衡质量为：

J、计算不平衡力的相位α，相位α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α大小的角度；

该不平衡力在水平方向上的分力为一随时间做正弦变化的曲线，根据水平向不平衡力曲线和脉冲响应曲线，确定角度θ，θ为固定直角坐标系x轴导前不平衡力的角度，可由脉冲起始点到水平向不平衡力曲线的第一个波峰间角度确定；

因此，不平衡力的相位α为：α＝θ-90°；

K、加重不平衡质量和相位的确定：

根据上述计算可知，为了校正不平衡量，需加重的不平衡质量m和相位β分别为：

角度β的定义为：以键槽位置起始，逆转速方向与键槽成β大小的角度。