CN110118632A - 借助位移传感器测量轴弹性转子的不平衡度的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种借助位移传感器测量轴弹性转子的不平衡度的方法。在确定轴弹性转子(1)的不平衡度补偿的方法中，转子(1)可转动地以两个轴承装置支承。转速传感器(4)测取转子(1)的转速并且在一个不平衡度测量过程或者多个不平衡度测量过程中针对不同的转子转速借助位移传感器(3)在测量位置(6)上测取转子(1)的径向位移。将所测取的测量值输入分析装置(5)中，所述分析装置借助影响系数法的扩展确定与测量位置(6)相关的偏心度测量值，从而针对每个测量过程确定每个平面的不平衡度和每个测量位置的偏心度。

Description

借助位移传感器测量轴弹性转子的不平衡度的方法

技术领域

本发明涉及一种借助位移传感器在相对于轴弹性转子(wellenelastischerRotor)的支承面具有未知的偏心度的测量位置上测量转子的不平衡度的方法。

背景技术

为了使刚性转子平衡，一般在两个在轴向上分离的平面中设置不平衡度补偿就足够了。不平衡度补偿、因此转子的不平衡状态也与运行转速无关。平衡转速可以任意选择。经常尽可能低地选择平衡转速并且经常平衡转速比在之后的运行中低。相反，对于轴弹性转子，则必须使不平衡度的概念一般化。所需的平面的数量可能多于两个，此外，所述平面的轴向位置也具有更重要的意义。转子可以被视为是刚性的、还是被视为是轴弹性的，不仅取决于转子的机械特性，而且同样取决于运行转速。随着运行转速的提高，弹性特性具有越来越重要的意义。

由专利文献DE 41 33 787 A1已知一种用于弹性转子的平衡方法，所述方法在不进行测试重量运行的情况下确定补偿转子的刚性体不平衡度和轴弹性偏转所需的补偿质量。在转子呈现出刚性体特性的转速下的不平衡度测量过程中，首先确定至少一个不平衡度测量值。在要考虑的本质形式转速的范围内的转速下确定每个支承平面的至少一个另外的不平衡度测量值和要补偿的本质形式。在分析装置中借助所获得的不平衡度测量值和转子特定或者轴承特定的特征数据计算出用于补偿刚性体不平衡度和要考虑的本质形式分量的不平衡度补偿值，其中，针对每个支承平面计算出恒定的、与转速无关的力指纹(Kraftfingerprint)，该力指纹一起描述弹性转子特性的不平衡影响。在这种方法中，需要向计算单元输入要平衡的转子的转子特定和轴承特定的特征数据、如尺寸数据、形状数据和使用的材料数据。

在专利文献DE 40 19 721 A1中描述了一种用于在临界转速附近或者在临界转速下运行的弹性转子的平衡方法，其中，在三个或者更多个补偿平面中进行补偿，并且使用转子的共同的不平衡度分布和预先确定的本质形式的组合，而实际上不在临界转速下使转子平衡。在具有缓慢的运行转速的不平衡度测量过程中，以常见的方式确定在转子的两个补偿平面中进行的修正。附加地对转子进行第三修正，第三修正与第一和第二修正以及不平衡度/模式形式组合(modenform-Kombination)成比例。然后，在关于第三修正作为测试重量运行的具有缓慢的运行转速的另一个不平衡测试运行之后，再次确定针对第一和第二补偿平面的修正，并且最终使转子平衡。通过这种平衡方法，不能使最大允许平衡重量以及允许的剩余不平衡度值最小化。

经常间接地通过壳体振动进行不平衡度测量。也就是说，测量由轴通过轴承传递到壳体的固定结构上的振动。在此，壳体振动通常通过加速度传感器(例如压电振动传感器)或者振动速度传感器来测量。尤其是在高速平衡设备中，或者在按照运行来平衡发电厂转子、例如涡轮机或者发电机时，附加地或者备选地也使用位移传感器，位移传感器不测量壳体振动，而是直接测量轴的径向移动。位移传感器的示例是电容式或者感应式的位置传感器(Wegaufnehmer)(涡流传感器)或者激光三角测量传感器。在软轴承、例如薄膜轴承或者空气轴承中，关于不平衡的转子的重心偏心度的轴承间隙大。转子围绕其惯性轴旋转，所述惯性轴偏心地在轴承中延伸。通过软轴承传递到周围的结构(例如壳体)上的力相对小。这使得尽管能够通过位移传感器测量偏心地延伸的旋转轴，但是传递到结构上的振动过小，以至于无法通过测量壳体振动来准确地确定不平衡度。如果壳体与转子相比相对重，则这种效果进一步加强。尤其是在具有小的转子和相对大的壳体的成套设备(例如具有用于流入或流出的管道或者用于电驱动设备或者发电机的定子绕组)中是这种情况。

影响系数法是一种用于确定不平衡度的计算方法，其基于利用已知的不平衡度确定的测量过程(例如W.Kellenberger的专业书籍：“Elastisches Wuchten”,柏林1987，第317-325页)。在不平衡度测量主要使用轴弹性转子。在此，假设在测量位置处出现的不平衡和振动响应之间存在线性关系。作为复数记录每个平面的测试不平衡度，其中，复数的量值和角度分别对应于转子上的不平衡度量值和角度位置。对于每次测试运行，在尽可能多的位置和转速下测量振动。测量也可以在转子启动(Hochlauf)期间进行，随后与固定的转速或者转速区间相关联。测量的种类(例如支承位置的加速度或者借助位置传感器对径向轴位置的测量)对于影响系数法的制定并不重要。根据传感器值的时间序列对关于当前旋转频率的第一阶进行分析。为此，需要测量转子上的标记的转速传感器或者角度传感器。同样由振动传感器相对于转速传感器的相位和信号幅值形成复数。然后，可以根据具有复数的线性方程组描述不平衡度和振动信号之间的关系：

s＝Ku

在此，s是复数信号幅值的向量。其包含所有使用的传感器和转速的值。因此，其具有长度N＝(转速参考点的数量)×(传感器的数量)。在不平衡度u的向量中集合了每个不平衡平面的不平衡度。对于P个不平衡平面，u具有长度P。影响系数矩阵K具有维度N×P，不仅s、K、而且u在此都是复数参量。

例如可以通过确定矩阵K来对影响系数法求解。这通常通过P+1次测试运行来实现，其中，在每一次运行中，相应地将一个已知的单个不平衡度安置在相应的另一个不平衡平面中。附加地，可以在没有测试重量的情况下进行运行，即所谓的空转运行(Urlauf)。随后，通过从所有其它测试运行中减去空转运行来确定影响系数矩阵K。然而，这仅仅是一种确定K的可能的方法。

如果K已知，则可以在所有平面中针对转子的任意运行计算不平衡状态。这通过求解线性方程组中未知的不平衡度的向量u来进行。一般情况下，测量点N多于未知的平衡度P，因此方程组是超定的。在这种情况下，其可以借助线性补偿计算来求解(最小方差法(Methode der kleinsten Fehlerquadrate))。

然而，也存在借助优化方法和必要时附加的边界条件来求解所述方程组的其它方法。如果解出方程组，则通常在每个平面中例如通过应用配重或者去除材料来补偿不平衡度u。随后，可以重新测量振动，如果需要，则在进一步的步骤中平衡转子。

如果在影响系数法中使用位移传感器，则目的是减少由于不平衡而产生的轴挠度。如果转子上的测量挠度的测量位置在不旋转时例如由于轴弯曲或者由于对测量面的冲击而已经存在偏心度，则这是成问题的。如果忽略偏心度误差，并且按照已知的方法使用影响系数法，则可能产生大的误差。在这种情况下，恒定的测量误差被解释为应当通过平衡来补偿的轴的振动位移。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，提供一种测量不平衡度的方法，在所述方法中考虑至少一个测量位置上的偏心度。

上述技术问题通过按照本发明的借助位移传感器在相对于支承面具有未知的偏心度的测量位置上确定轴弹性转子的不平衡度的方法来解决，在所述方法中，转子以可转动的方式以轴承支承，在所述方法中，转速传感器测取转子的转速，在所述方法中，在针对不同转子转速的一个不平衡度测量过程或者多个不平衡度测量过程中借助位移传感器在测量位置上测取转子的径向移动，在所述方法中，将所测取的测量值输入分析装置中，其中，所述分析装置将所测取的测量值用于求解方程组，所述方程组除了不平衡度之外还包括未知的偏心度作为未知量，从而计算出每个平面的不平衡度和每个测量位置的偏心度。借助按照本发明的方法，能够在真实的不平衡测量过程中测取并且在计算不平衡度时考虑测量位置的偏心度。也就是说，不需要专门的测量过程来在低转速下确定可能的偏心度。

例如可以借助对影响系数法进行扩展来确定与测量位置相关的不平衡度测量值。然而也可以使用其它的优化方法。如果测量位置具有未知的偏心度，则将偏心度作为误差包含在复数信号幅值中。影响系数法的方程组可以有利地通过

s＝Ku+Ee

来扩展。在此，e是未知的偏心度的向量。向量的长度等于测量位置的数量。矩阵E仅由0和1组成。在每一列分别只有一个1。1所在的列数k与这一行的测量位置一致：

其中，当传感器的s_i信号在适当位置时为1，否则为0。

影响系数法的扩展可以表达为

s＝Ax

在此，可以如下将两个矩阵K和E并排写在A中：

A＝[K E]。

向量x可以包含未知的不平衡度和偏心度。

在此，可以按照已知的影响系数法确定影响系数矩阵K。由于在此始终构成差，因此基础偏心度没有影响。在一个设计方案中，可以使用扩展的影响系数法来针对任意测量过程计算不平衡度。

优选在转子表现出弹性偏转的转速范围内测量不平衡度。在低速平衡时并不是始终能够使转子围绕这样的轴旋转，所述轴在之后的装配中占据转子的部件。这在转子之后的运行中可能是不利的，因为小的偏心度误差已经足以使得在装配好的转子上实现了显著的不平衡度贡献。在一个优选的设计方案中，在转子已经表现出轴弹性的转速范围中进行平衡。由此能够模拟快速转动的转子***的正常运行，并且能够在不超过运行转速的转速下平衡转子。

为了对不平衡度进行测量，优选可以将转子加速至提前确定的测量转速。由此能够在期望的转速下准确地确定转子不平衡度和例如测试不平衡度的影响。

可能有利的是，在转子启动或者减速期间进行测量，从而不需要另外的测试运行并且能够高效地进行平衡。

优选也可以在转子的运行转速范围内确定不平衡度和偏心度。在此，将转子加速至如下转速，所述转速有利地与转子的运行转速对应或者至少处于转子的运行转速范围内。尤其是在轴弹性转子中，在低转速下的平衡不令人满意。相反，在所述方法的该优选的设计方案中，将转子加速至其运行转速范围内的转速，从而在反映转子的真实运行并且使得能够进行可靠的平衡的转速范围内测量不平衡度。

在一个优选的设计方案中，以软轴承支承转子。经常使用刚性轴承，以使产生的不平衡振动传递至壳体并且在那里测量不平衡振动。然而，对于特定的转子***有利的是或者甚至需要使用软轴承。通过所述方法的以软轴承支承转子并且借助位移传感器进行测量的该优选的设计方案，能够显著改善迄今为止的测量方法并且除了不平衡度之外还确定偏心度。

可能有利的是，在其它测量位置借助测量传感器(Messaufnehmer)测量振动。如果振动被传递，则可以除了位移传感器之外还使用振动传感器，可以将其测量值用于求解方程组。

附图说明

下面，根据在附图中示出的本发明的实施例详细阐述本发明。

图1示出了不平衡度测量装置中的转子。

具体实施方式

图1示意性地示出了不平衡度测量装置，在所述不平衡度测量装置中，被驱动的转子1具有支承面2并且例如以两个轴承支承。转子1也可以以多于两个的轴承支承。轴承可以是软轴承、例如薄膜轴承或者空气轴承。两个位移传感器3测取转子1的径向移动、即转子1的挠度。转速和角度传感器4测取转子1上的标记。由传感器3、4测取的测量值被输入分析装置5中。

使用位移传感器3来确定相对于支承面2具有未知的偏心度的至少一个测量位置6或者测量面的偏心度。由于使用软轴承，不会产生可以用于计算不平衡度的显著的振动。在必要时可以使用附加的传感器，附加的传感器例如测量壳体振动或者基体振动，然后其可以被用于计算不平衡度。

具体的方法可以有利地在当由于轴承是封闭的或者不可接近而无法在轴颈处进行偏心度测量时使用。也可以直接在轴承附近在相对于轴承仅具有小的偏心度的位置进行测量。然而，这仅在位移传感器3能够接近轴颈时是可行的。然而，多数情况下转子1都尽可能紧凑地设计。由此，可能尤其是在小型设备中由于空间原因而无法在轴颈处放置传感器。然而，通过所述优选的方法以及将位移传感器3放置在相对于支承面2具有未知的径向偏心度的测量位置，使得紧凑的转子***的不平衡度测量是简单可行的。

不平衡度测量装置的驱动器将转子1加速至相应的转速，其中，也能够控制所述驱动器，使得能够预设固定的平衡转速。也可以在正常运行中测取要测取的测量值，从而例如在启动转子1时在可预设的平衡转速下测取相应的测量值并且输入分析装置5中。也可以将转子1加速至处于其运行转速范围内的转速。

通过所述方法，可以通过任意多个补偿平面来平衡转子1。例如像在涡轮增压器或者涡轮转子中那样，经常补偿平面的设置由结构设计决定，并且出于空间或者强度的原因仅设置最大允许的补偿质量。

将转子1加速至其表现出轴弹性特性的预设的转速n。在达到预设的转速n时，在传感器3、4处测取测量值并且输入分析装置5中。也可以在多个转速n下进行测量。

如果已知测量位置6相对于支承面2的偏心度误差，则可以在计算中在测量信号中考虑偏心度误差，并且例如应用已知的影响系数法来计算不平衡度。然而，不总是能对偏心度进行测量。在总成件中通常无法再接近轴承。在装配之前进行测量时，无法确保偏心度误差在安装期间保持不变。经常在低转速下确定测量面6的偏心度，并且减去高速测量中测得的值(所谓的“runout compensation(偏差补偿)”)。但这其实仅良好地适用于刚性轴承、如滚动轴承。对于液压滑动轴承，经常在不同的转速下出现不同的旋转轴(“Orbits(轨迹)”)，因此无法明确地定义偏心度误差。其它轴承、例如薄膜轴承需要最低转速，以便其能够稳定运行。在此，经常不能使转子缓慢地转动。转子被非常快地加速至高于转子-轴承***的刚性体固有频率的最低转速。借助按照本发明的方法，可以简单地在考虑这种转子***的偏心度的情况下测量不平衡度。可以借助相对于支承面2具有未知的偏心度的测量位置6处的位移传感器3来确定轴弹性转子1的不平衡度，其中，转子1可转动地以轴承支承，其中，转速传感器4测取转子1的转速，其中，在一个不平衡度测量过程或者多个不平衡度测量过程中针对不同的转子转速借助测量位置6处的位移传感器3测取转子1的径向移动并且将测取的测量值输入分析装置5中，其中，分析装置5将所测取的测量值用于求解按照方程组s＝A x的影响系数法的扩展，所述方程组具有包括测量值和转速的向量s，其中，A＝[K E]，A具有维度为N×P的影响系数矩阵K和矩阵其中，当传感器的s_i信号在适当位置时为1，否则为0，其中，向量x包括未知的不平衡度和偏心度，其中，从而针对每个测量过程确定每个平面的不平衡度和每个测量位置的偏心度。所述方法的核心思想是，除了要确定的不平衡度之外还将偏心度作为未知量包含在方程组中，其中，能够通过优化方法来求解所述方程组。扩展的影响系数法的使用仅仅是一个优选的设计方案。

业已证明所述方法对于小型设备、例如电气压缩机、吸尘器电机、泵或者微型涡流机中的快速转动的转子***特别有利。在这些***中，转子经常以在软轴承、例如空气轴承、气体轴承、薄膜轴承或者磁轴承支承。通过按照本发明的方法，能够测量不平衡度并且确定偏心度，其中，位移传感器有利地测量轴颈之外的转子轴的挠度。

Claims (7)

1.一种借助位移传感器(3)在相对于支承面(2)具有未知的偏心度的测量位置(6)上确定轴弹性转子(1)的不平衡度的方法，其中，转子(1)能转动地以轴承支承，其中，转速传感器(4)测取转子(1)的转速，其中，在一个不平衡度测量过程或者多个不平衡度测量过程中针对不同的转子转速借助位移传感器(3)在测量位置(6)上测取转子(1)的径向移动，其中，将所测取的测量值输入分析装置(5)中，其中，所述分析装置(5)使用所测取的测量值来求解方程组，所述方程组除了不平衡度之外还包括未知的偏心度作为未知量，从而计算出每个平面的不平衡度和每个测量位置的偏心度。

2.按权利要求1所述的方法，其特征在于，在转子(1)呈现出弹性偏转的转速范围内进行测量。

3.按权利要求1所述的方法，其特征在于，将转子(1)加速至提前确定的测量转速。

4.按权利要求1所述的方法，其特征在于，在转子(1)启动或者减速期间进行测量。

5.按权利要求1所述的方法，其特征在于，在转子(1)的运行转速范围内确定不平衡度和偏心度。

6.按前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，转子(1)以软轴承支承。

7.按前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，借助测量传感器在其它测量位置上测量振动。