（化工过程机械专业论文）电磁式自动平衡系统的实验研究及其在超重力机中的应用.pdf

北京化工大学硕士学位论文 电磁式自动平衡系统的实验研究及在超重力机中的应用 摘要 转子不平衡是引起旋转机械强烈振动的主要故障源，自动平衡技 术能够在设备运转过程中对转子进行自动平衡，因而具有良好的工程 应用价值。本论文的课题来源是自然科学基金项目“过程装备复杂系 统故障自愈调控原理研究”( 项目编号：5 0 3 7 5 0 1 4 ) 。论文的选题主要 围绕旋转机械转子自动平衡技术的原理，以及电磁式自动平衡系统的 实验研究和在工程上的应用。本文的主要研究内容如下： ( 1 ) 总结了国内外自动平衡技术的研究现状和发展趋势，分析了 自动平衡的主要难点和关键技术，阐述了本文研究的意义。 ( 2 ) 研究了动平衡和自动平衡的动力学原理和基本理论。 ( 3 ) 对电磁式自动平衡系统的原理、平衡头结构、控制原理和控 制策略进行了研究，尤其是采用了基于影响系数的自适应控制算法， 大大提高了自动平衡控制的稳定性。 ( 4 ) 对电磁式自动平衡系统进行了大量的实验研究，主要有针对 性解决两类问题，即利用单平面自动平衡技术解决柔性转子弯曲振动 问题和双平面自动平衡技术解决瞬态不平衡问题。 ( 5 ) 将电磁式自动平衡系统在超重力机中应用，主要解决超重力 机由于振动过大不能长周期运转的问题，通过有限元数值模拟分析和 工程实验，进一步验证了自动平衡系统的可行性，为大规模工业应用 提供了有益经验。 北京化工大学硕士学位论文 蓁鑫雾鬟到耄藿羞犁篓囊篓鏊荔型雾羹毯鎏；霍滔! 薹珥蠹箕墓鍪 北京化工大学硕士学位论文 c o n t r o lm e t h o d ，b a s e do nt h ei n f l u e n c ec o e f f i c i e n ta p p r o a c h ，i ss h o w nt o e n h a n c et h es t a b i l i t yo fa u t 0 - b a l a n c i n gc o n t r 0 1 ( 4 ) l o t so fe x p e r i m e n t sf o r e l e c t r o m a g n e t i ca u t o - b a l a n c i n gs y s t e m , f o c u sm a i n l yo nt w os p e c i e so f p r o b l e m s ：t h es i n g l e - p l a n ea u t o - b a l a n c i n gt e c h n o l o g y t os o l v et h ev i b r a t i o n p r o b l e mo ft h e f l e x i b l er o t o rw i t h b e n d i n gf a u l t a n dt h ed u a l - p l a n e a u t o - b a l a n c i n gt e c h n o l o g yt os o l v et h ep r o b l e mo ft r a n s i e n ti m b a l a n c e ( 5 ) t h ea p p l i c a t i o no fe l e c t r o m a g n e t i ca u t o - b a l a n c i n gs y s t e mi nn i g e e ，s o l v e s t h ep r o b l e mo fh a r m f u lv i b r a t i o na n du n a b l el o n g - t e r mo p e r a t i o n t h e f e a s i b i l i t yo fa u t o - b a l a n c i n gs y s t e mi sp r o v e db yt h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o d a n dt h ee n g i n e e r i n ge x p e r i m e n t ，a n dt h ee x p e r i e n c ew i l lb eo f f e r e df o r l a r g es c a l ee n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n k e yw o r d s ： r o t o r ,a u t o - b a l a n c e ， i n f l u e n c e c o e f f i c i e n t ， e l e c t r o m a g n e t i ca u t o b a l a n c i n gh e a d ，h i g e em a c h i n e 北京化工大学硕士学位论文 以_ f a v r ， 厶n ， e 4 b ， p o 兄 鬟 ia 圆 磊， 萋。羹； 藩 玎； 翅，：溪i 囊 鞋 罕? 鏊 霞：器 溘雍罐蒌铂掣挪鞋自戡酣篓薹l 茬琶j 自i 薹韦箜型! m s ； 强缉翌，坐； 巯毯翻裂i 鎏- m j i 蠹蘑癍崾鬟；r r a i n ； 衡买爱i 副i 诸礓告沛埤- 撞；m 2 ； 印骚融西羹唰瞪瞪嘲匾羹! w b m 2 蠢e 毅型铃毁翼鋈舔i 箍碌量蒋夔酲懿 ! 赫弱筋靼鹫：套和转子通过过盈配合并利 用螺钉顶死，这样动环就可以实现与转 子同步转动。静环与自行设计的支撑架2 通过螺栓固定，支撑架又通过上面的压 板1 与壳体固定。静环与支撑架利用支 撑架内圆实现同心定位，保证静环与动 环的同心度。静环与动环的径向间隙为 1 5 2 m m ，轴向间隙为1 0 3 蛐，确保平 衡头的正常运转图5 一l o 为平衡头安装 图5 1 0 自动平衡头在超重力机上 的实物图。安装实物图 如果对于新设备加装平衡头，需要专 门在外壳上预留出数据线导出管口。如图5 5 所示，由于暂时只作机械自动平衡 实验，没有工艺要求，平衡头的数据线暂时通过超重力机的气体入口引出，数据 北京化工大学硕士学位论文 吆， b - b b x a l y d l x b l ，y b l 工4 2 y 口2 x b 2 ，y b 2 l y - 玩 以 眈，以 眦】 【c 】 【g 】 【置】 【q 】 矿 v c ( ) d m m 名+ 1 c 口 加试重后的振幅在x 和y 方向分量，t z n ； 平衡头内两个配重盘自身的不平衡分量，g 堋m ； 初始不平衡分量见在z 和y 方向分量，g 删： 初始不平衡分量玩在盖和y 方向分量，g 。栅； 加试重后配重盘不平衡分量见在x 和y 方向分量，g 脚4 ； 加试重后配重盘不平衡分量以在z 和】，方向分量，g 胁m ； 转轴自身的不平衡分量，g ： 平衡头配重盘需要提供的平衡补偿量，g 榭； 配重盘需要提供的平衡补偿量的调整角，。： 两个配重盘相应的调整角度，。： 质量矩阵： 阻尼矩阵： 陀螺矩阵： 刚度矩阵： 旋转坐标阻尼矩阵： 不平衡量的初始相角，。： 振动值： 影响系数： 外界干扰值： 平衡头在第k 次迭代时提供的平衡调整量： 平衡头在第k + 1 次迭代时提供的平衡调整量： 影响系数的估计值； 稳定因子： 北京化工大学硕士毕业论文 1 1 课题的研究意义 第一章绪论 本课题名称为电磁式自动平衡系统的实验研究及在超重力机中的应用，是国 家自然科学基金项目过程装备复杂系统故障自愈调控原理研究( 批准号： 5 0 3 7 5 0 1 3 ) 的子课题。旋转机械广泛应用在化工、石化、冶金、电力、航空航天等 各重大领域，关系到国计民生。由于旋转机械在高速运转中产生振动，不仅加速 机器的损坏，减少机器的使用寿命，降低生产效率，提高生产成本，而且造成噪 音污染，影响人民的正常生活。随着机器向着大型、重载、高速的方向发展，振 动问题更加突出，更容易产生重大事故。每年由机器振动故障造成的经济损失达 数百万元和重大人员伤亡。转予不平衡是导致旋转机械振动过大，并加快失稳的 主要原因之一【1 捌。统计资料表明，在旋转机械的故障中，转子不平衡占的比例约 为以上，排除这类故障一直是工程技术人员的一项重要任务。 为了降低旋转机械在运转过程中的振动，提高机组稳定性，人们主要采用动 平衡方法来消除和抑制这类故障附】。目前，动平衡的一般做法是把转子从机组拆 下，然后运到专业厂在动平衡机上进行平衡，平衡好以后，再运到厂里安装运转， 或者进行现场动平衡。这些都要通过反复启停车才能完成转子动平衡过程，浪费 大量人力、物力和财力。有时由于工艺原因，不平衡在机器运转过程中产生，具 有一定的时变性，不宜平衡。如炼油化工行业中的离心压缩机组由透平、低压压 缩机和高压压缩机组成，压缩机叶轮中缓慢沉积的污垢增大到一定程度时，一倍 频振动成分在缓慢增大，会导致原来动平衡的破坏，以至于必须停车1 3 天进行 动平衡，仅由产量造成的损失就相当可观【6 l 。又如炼油化工企业催化装置的关键设 备烟气轮机，经常发生由于催化剂进入缸体内粘到叶轮上，造成转子不平衡， 产生强烈振动的现象门。一般一年内要检修2 _ _ 3 次，每次要5 6 天，生产损失达 数百万元，已经成为炼油化工企业多年未解决的老大难问题。 旋转机械的转子存在各种不同类型的不平衡振动问题，并且其状态具有一定 的非线性和时变性。自动平衡技术是解决转子不平衡问题的最好方法，它在机组 运转过程中对转子的状态进行连续实时在线监测，如果检测的振动值超出了报警 北京化工大学硕士毕业论文 值，系统就会驱动平衡头动作，实现转子在线不停车自动平衡。 1 2 自动平衡技术的研究进展 早在1 9 1 9 年j e f f c o t t 就对转子作了全面的动力学分析，他将转子简化为一根 两端刚性铰支的无质量弹性轴、轴的中央固定有一个圆盘的简单结构，虽然此模 型非常简单，但能够说明了转予的基本运动规律和特性。随后一些学者将其推广 到复杂的转子系统中，1 9 7 2 年c h f l d s 和1 9 9 0 年g e n t a 等对有阻尼的转子系统做了 分析；1 9 8 8 年l e e 和1 9 9 3 年e i e k 与m i g n o l e t 分别采用模态分析方法对转子的动 力学行为做了研究；1 9 9 1 年由y a n g 第一次提出考虑回转效应系统的分析解；1 9 7 2 年k i r k 与g t m t e r 和1 9 9 3 年g u p t a 等分析了j e f f e o t t 转子的柔性支撑和陀螺效应： 1 9 9 7 年h u a n g 等对悬臂转子做了研究。1 9 7 2 年r u h l 和b o o k e r 、1 9 9 4 年t a y l o r 和 c r a g g s 采用数值解法对柔性转子的动力特性和不平衡响应进行了研究；1 9 8 9 年 s p e e h a r t 和e u l c r 又利用传递矩阵法进行了分析。对于变速转子的动力学分析也有 一些人进行了研究，1 9 9 2 年r a n g 等人分析了加速通过临界转速转子的动特性， n e f l s o n 和b a r 证明了高速转子准稳态的情形【8 】。 对转子动力学深入研究同时，人们提出了各种平衡方法，当时转子的旋转速 度很低，转子的柔性被忽略，仅对刚性转子做静平衡和动平衡；但是在转速逐渐 提高的情况下，柔性效应变的日益突出，自1 9 7 2 年b i s h o p 第一次对柔性转子平衡 方法进行研究以来，一直是该研究领域热点问题。 后来人们通过柔性转子的研究提出了模态平衡法和影响系数法。其中影响系 数法测得的响应值比较稳定，但灵敏度不高；需要的运转次数较多，但危险性较 小。1 9 7 2 年，t e s s a r z i k 提出了在离散的几个位置和速度下的平衡方法，c r o o d n l a n 和a u s t r o w 两位学者提出了优化速度平衡方法。尽管影响系数法有上述缺点，但 由于它便于应用计算机控制，因此它仍获得广泛的应用。模态平衡法是在整个速 度范围内调整整体结构不平衡的一种方法。1 9 8 3 年a s i t o 和a z l l m a 率先引入复数 进行研究；1 9 7 2 年k e l l e n b e r g e r 提出最佳平衡效果所需平面数为n + 2 。1 9 8 3 年p i l k e y 等采用计算方法确定了最优平衡平面位置的定位方法。1 9 8 0 年p a r k i n s o n 给出了综 合方法，即结合模态平衡法和影响系数法两者优点的一种方法。模态平衡法和综 合法两者都比较费时，不适合大批量平衡的情况，而且可能找不到合适的校正质 北京化工大学硕士毕业论文 周围环境的限制，存在一定困难。绝大部分的平衡装置停留在实验室阶段，真正 用到实际生产中去仍需做很多工作。一种能适用各种旋转机械、易于控制、成本 低廉的自动平衡装置有待研究，是今后研究的一个重要课题。 1 3 主要研究内容及基本思路 1 8 7 7 年第一台自动平衡器在美国问世以来，经过一百多年的发展，品种越来 越多。但总的来说，旋转机械自动平衡技术的发展，主要围绕两大思路：根据 柔性转子在超临界状态下转子挠曲变形响应滞后于不平衡激振力一个钝角的特 性，采用补偿质量自由移动的方法来改变转予内部质量分布以达到平衡的目的， 称为被动式；利用合理、有效的执行机构自动强迫移动、合成或去掉补偿力的 方法，称为主动式。 带自由移动补偿质量的被动式自动平衡装置是根据柔性转子和弹性支承的特 性设计的，并根据所采用的自由移动补偿质量的形式又可以分为液体式、环式、 摆锤式、球式等几类。其基本原理是，当柔性转子在超临界状态下运行时，其初 始不平衡会超前挠曲变形响应一个钝角，接近1 8 0 。此时能自由移动的补偿质量 在离心力作用下就会向转子挠曲“低点”移动，其结果会抵消或部分抵消转子初 始不平衡，从而达到降低振动的效果这类平衡装置具有结构简单、可靠性强、 无需提供外部能源等优点，但因其具有在亚临界状态会加大转子的不平衡量的特 性，增加了其设计难度和应用局限性。因此如何解决在一阶临界以下频段减小或 至少不增大转子初始不平衡的问题，成为此类自动平衡装置设计中的技术关键。 强迫移动、合成和去掉补偿质量的主动式自动平衡装置一般由信号采集器、 控制器、执行器等几部分组成，设计主动式自动平衡装 自动平衡装置时必须综合考虑如下几 方面的因素：信息准确测量、可靠的控制策略、合理的执行器结构。其控制器根 据信息采集器获得瞬时振动信号的变化对执行器进行有效控制，自动完成补偿质 量的移动、合成或去掉等操作。执行器的结构最为关键，它直接影响到自动平衡 装置的平衡精度、可靠性、效率乃至在被平衡转子系统上的安装。合理的执行器 结构应该具有结构简单、可靠、灵敏度高及不受被平衡转子系统空间位置限制的 特点a 特别是最近几年，由于结构材料、电物理、电化学及电子控制技术的发展， 北京化工大学硕士毕业论文 来越成为可能。根据执行器的工作方式不同，可分为两类，第一类是从质量方面 着手，通过加重去重方法直接将平衡盘的几何中心移到旋转中心，它包括喷涂法、 喷液法及激光去重法等。第二类是采用力的方法，即给圆盘长期提供与不平衡力 方向相反、大小相等的力，当圆盘旋转时，将其重心强行拉到旋转中心，如采用 电磁轴承方法及电磁圆盘方法等f 蠲。 本文所研究的自动平衡系统就属于这种强迫移动质量的主动式自动平衡系 统。本文研究的目的是对电磁自动平衡系统的原理和结构进行研究，在实验室的 转子自动平衡实验台进行相关实验，并在超重力机上进行实际工程应用。电磁式 自动平衡系统主要包括传感器、控制系统和平衡头，其中平衡头由安装在转子上 的动环和安装在静子上的静环组成。通过分析处理转子振动信号，得到转子不平 衡的质量分布，由控制器发出指令，使静环线圈通电控制动环中的配重盘转动到 相应的位置，达到消除转子、轴系质量不平衡问题的目的。 为实现这个目的，应解决三方面的问题，一是电磁式自动平衡头的结构和动 作原理。如何能够实现平衡的功能；二是自动平衡的控制原理和控制策略；三是 实际工程应用中的安装位置和可靠性分析。 基于以上问题，本文主要对以下几方面进行研究： ( 1 ) 研究电磁式自动平衡系统的工作原理，包括平衡头的结构、动作原理 等； ( 2 ) 研究电磁式自动平衡系统的控制原理和控制策略，主要采用基于影响 系数的自适应控制方法： ( 3 ) 利用实验台进行转子自动平衡实验，主要包括利用单平面自动平衡技 术解决柔性转子弯曲振动问题和双平面自动平衡技术解决瞬态不平衡问 题： ( 4 ) 电磁式自动平衡系统在超重力机上进行实际的工程应用。 1 4 论文内容安排 本文各章内容简要介绍如下： 第一章综述课题研究目的、意义，国内外自动平衡技术的研究现状，介绍本 文的主要研究内容和一些基本思路； 北京化工大学硕士毕业论文 第二章主要介绍转子动平衡和自动平衡的基本原理； 第三章主要介绍电磁式自动平衡系统结构、原理和控制方法； 第四章是电磁式自动平衡系统的实验研究，主要包括两方面实验，即单平面 自动平衡技术解决柔性转子弯曲问题和双平面自动平衡技术解决瞬态不平衡问 题； 第五章是介绍电磁式自动平衡系统的工程应用，主要是在超重力机中应用电 磁式自动平衡系统，消除生产过程中引起的振动超标问题，延长其运转周期； 第六章是全文总结。 北京化工大学硕士毕业论文 柔性转子达到理想的平衡状态，必须保证转子的每阶振型都得到平衡，即在各阶 振型下达到轴或轴承座的动载荷为零，转子本身的动挠曲变形也为零。另外要求 在高速下平衡转子时所旌加的校正量应不破坏低速下的刚性转子平衡以及低阶平 衡。因此柔性转子应满足的平衡条件为： ；| ；以- 0 u c z w z1 l 骞阢五一0 u ( z ) z m c z 一 l 意u ；妒( z ；) 一一正u ( z 砌( z w zj 式中玑第。个校正平面上的校正量； u ( z ) 转子不平衡量沿轴向分布； z ；第外校正平面的轴向坐标； 伊( z j ) 第o f - 校正平面的振型函数值； 妒( z ) 各阶主振型函数值； 甩校正平面数； 卜一转子的全长。 式( 2 9 ) 中的第一式为静力平衡条件，第二式为力矩平衡条件，第三式为 不平衡各阶振型分布平衡条件。实际上，第一、第二两式为刚性平衡条件，第三 式为柔性平衡条件。 振型平衡法的基本原理是：将转子上轴向分布的不平衡量分解为与主振型对 应的各阶不平衡量，按照振型的正交性，第i 阶的不平衡量仅对第i 阶主振型起作 用，对其余各阶主振型没有影响。如将不平衡逐阶平衡，在理论上可实现转子的 完全平衡。但是，实际上并不可能对转子无限多阶的振型分量进行逐阶平衡，也 就是使转子各个截面上的不平衡量都平衡掉的做法既不可能，又无必要。一般柔 性转子多数在低阶临界转速( 如前两阶或三阶) 以下运转，而且低阶振幅往往比 较大，所以只要平衡好低阶不平衡分量，转子在工作转速下运转就可以把振幅控 制在允许范围内。 北京化工大学硕士毕业论文 2 、影响系数法 柔性转子平衡的影响系数法实质上是刚性转子平衡所用的两平面影响系数法 的直接推广。对于刚性转子校正平面取两个，平衡转速为一个。对于柔性转子如 果也是这样，则仅能保证在所选的那个平衡转速下的平衡，不能保证在一个转速 范围内都达到平衡。如选临界转速为平衡转速，则工作转速下振动过大，相反如 在工作转速下平衡，则转子往往不能通过临界转速。因此为平衡柔性转子，必须 增加平衡转速和校正平面的数量，所以柔性转子的平衡是一个多平面多转速的平 衡过程。 如转子的校正数有腻个，转子或轴承上的测点数有个，则得平衡式的矩阵 形式： 【x m 】一【嘞】o ，】 ( 1 f f i i ，1 j 肘) ( 2 - - 1 0 ) 式( 2 一l o ) 中 o 。，疗。，玩。转子在1 ，2 ，m 平衡面上的原始不平衡量； j 。，重。，j 。转子在1 2 ，个测点上的振动响应； 氏转子为校正平面f 加试重后，测振点f 的影响系数。 如校正平面，上加一个已知试重量疗后，它的测振点i 的影响系数为： 厅。，。x j o j - x i o ( 2 1 1 ) 吩。才4 丁 皑。1 u 式( 2 一1 1 ) 中j d 单独由试重引起的响应，即效果矢量： j 驯在j 校正面上加试重疗后，测点f 处测得的振动响应； j ；。在测振点f 处测得的初始不平衡响应。 柔性转子的挠曲变形是转速的函数，因此影响系数毛也是转速的函数。如果 平衡转速有k 个，即q ，0 ) 2 ，q 。那么在k 个平衡转速下做实验时，式( 2 - - 1 0 ) 可以写成： 【j 翱一【厅舶矽：一 ( 2 1 2 ) 由上式可以计算出平衡校正量，若影响系数矩阵为一方阵，即m n 置( 校 正平面数目= 测点数目平衡转速数目) 时，可以变换它的逆矩阵，则各校正平 北京化工大学硕士毕业论文 面上的校正质量可由下式求得 【疗：】，- 【丘笋】_ 1 【j 慧】 式中 【】【口】的逆矩阵。 ( 2 1 3 ) 上述影响系数法是用来确定柔性转子每一校正平面上应加的校正量大小及相 位角的基本方法。但影响系数法没有涉及到如何合理确定转子平衡校正面数目及 其在转子轴向位置上的分配，这些问题正是振型平衡法所要解决的问题。因此要 合理地平衡好一根柔性转子，必须把振型平衡法和影响系数法综合在一起使用。 2 3 转子自动平衡原理 要实现刚性转子的自动平衡，根据具体转予的基本特性需要在转子上安装一 个或多个自动平衡头，一般转子使用两个平衡头即可起到很好的减振效果。现以 双平面自动平衡为例，探讨自动平衡的平衡原理。双平面平衡可以将整个转子的 不平衡力等效到安装平衡头的两个校正平面上，分别是职9 ) ，o ) ，同时两个 校正平面上平衡头提供随变量口变化的不平衡量分别为矾，u ：，记 玑一一n 弩x ，p ) 摊一1 ，2 ) ，如果满足； u i 一 m a x o e , ( t ) ( i 一1 2 ) ( 2 - - 1 4 ) 盯：，：能在零到最大值之间连续变化，且只要每一值可以对应于o 一3 6 0 范围内 任一角度，便可以实现自动平衡。 如果自动平衡头内部有两个配重，可以通过移动配重产生的向量来实现平衡 作用。因此，单一平衡头产生的不平衡矢量为 u l 一只+ b ( 2 1 5 ) 式中：u 。某一平衡头提供的平衡补偿矢量和；只，巴配重盘1 ，2 提供的平 衡补偿力。由式( 2 - - 1 5 ) 可知，u 。的大小和方向取决于只，b 的变化规律，也就 是由两个配重盘质量分布和运动规律决定。平衡头中配重在平衡头上移动的轨迹 一般有三种形式，如图2 4 所示，分别为： 北京化工大学硕士毕业论文 j 久 霉么 扣 八4 o x 嘲i l j 碱i，l 蒜 t 、 o x 轴 一 7 ( b ) 图2 4 自动平衡头配重移动轨迹分类图 j 幂 吗 ， 7 八q o 灞k 、； 而一 ( c ) ( a ) 单配重极坐标方式，通过改变配重质量m 的偏心半径和相位角t ；t 来调节 平衡头的不平衡量； ( b ) 双配重直角坐标方式，通过改变两个配重m l 和m 2 的直角坐标来调节平衡 头总的不平衡量； ( c ) 双配重固定半径极坐标方式，平衡配重相对于平衡头只作周向移动，通 过改变两个配重的相对角度来调节平衡头的不平衡量a 。 方式( a ) 虽然只需要一个平衡配重就实现了平衡调节，但同时要实现周向 和径向两种运动，需要一些运动转换机构才能实现，必然会占用较大的空间，使 整个平衡头尺寸增大，并且结构复杂；方式 虽然依靠蜗轮蜗杆转动可以实现向 心调节。但是平衡块相对运动过程中必须克服巨大的离心力，这会导致在驱动平 衡配重移动位置时，需要消耗很大的功率，耗电较多，因此也不太可行。丽方式( c ) 克服了前两种的缺陷，只要平衡配重可以在0 3 6 0 。范围内自由移动，而且运动过 程中，驱动力直接切向作用于配重块，由于它们一般置于壳体轨道中，因此只需 要克服离心力引起的摩擦力作用就可以产生旋转加速度。如果取配重量m 。= 卅：= m ，q 、口：为平衡块相对于基准位置的角度，珊为转速大小：l ，l 为平衡头校正 力矢的模，口为平衡头校正力矢的相位角。则有 i v , f 一2 m ，2 l c o s 芦i ：卢- ! l ；生 ( 2 1 6 ) 北京化工大学硕士毕业论文 口。j 半+ a t ；i 卟划。2 哪) l 半；卜口z b 当q = 口：时，不平衡力最大值为阢1 1 2 r a r t 0 2 ，它反映了平衡头所能提供的最 大平衡量，即平衡头的平衡能力。在转速一定的情况下，平衡头的平衡能力与配 重大小m 和配重直径大小r 有关，这在平衡头设计时必须结合具体的情况充分考 虑。当口。= 口：+ 石时，平衡头可提供的平衡量最小，a p 阢j = o 。 对于需要提供幅值为q 、相位为o r 的平衡量，只要q 0 , 2 m r t 0 2 】，就可求出 ( 设c t l 口2 ) ： 譬：奏， 沪埘 e ：室。， c z 一 通过上述计算可知，只要平衡头的平衡能力能够达到转子要求的平衡能力， 并且设计出这种双配重固定半径极坐标方式的平衡头，那么自动平衡是完全可以 实现的，以上在理论上验证了自动平衡的可行性。 2 4 小结 本章主要总结了转予动平衡和转子自动平衡的理论知识，其中包括转子不平衡 的一些概念、刚性转子的动平衡方法和柔性转子动平衡方法，对于柔性转子又分 别介绍了两种基本的平衡方法，即振型平衡法和影响系数法。后又推导出双平面 自动平衡了的理论公式，证明了自动平衡技术在理论上的可行性。了解和掌握这 些自动平衡的基础知识，有助于以下各章节的理解。 北京化工大学硕士毕业论文 3 1 引言 第三章电磁式自动平衡系统研究 当前国内外对不同形式自动平衡系统的研究有很多，它主要有两种设计思路 一是被动式，根据柔性转子在超临界状态下转子挠曲变形响应滞后于不平衡激振 力一个钝角的特性，采用补偿质量自由移动的方法来改变转子内部质量分布来达 到平衡的目的。二是主动式，利用合理、有效的执行机构自动强迫移动、合成或 去掉补偿力的方法。 图3 1 电磁式自动平衡系统原理图 转子 本文所研究属于补偿质量自动移动式主动平衡系统，如图3 1 所示双平面电 磁式自动平衡系统的原理图，由三个部分组成：振动传感器、控制器和平衡头。 平衡头是由与机体连接的静环和连 接在旋转轴上的动环组成，动环中有j 谨2 两个配重盘，每个配重盘通过永久磁 铁来实现其自身的定位功能，使其在 不通电时也能保持在上次调整后的 位置不动。图3 2 为平裙头动环中 北京化工大学颈士毕业论文 小于预先设定的振动幅值时，两块配重盘通过其自身的永久磁铁使其自锁成1 8 0 。 放置，此时不提供平衡量，如图3 2 中虚线所示；当振动传感器测量的振动幅值 大于设定的幅值时，控制器可以向平衡头发出电脉冲，利用静环中的线圈产生的 电磁场与动环中的永久磁铁产生的磁场相互作用，驱动两块配重盘转动到相应的 位置，产生一个有效的不平衡量，使其与转子自身的原始不平衡相抵消，从而达 到平衡的目的，如图3 - - 2 中实线所示。 在整个平衡系统中，平衡头的结构和动作原理以及平衡系统的控制策略为电磁 式自动平衡系统的主要部分，因此本章将对这几部分进行详细的研究。 3 2 电磁式自动平衡头的研究 自动平衡系统的平衡头是整个自动平衡系统的核心部分，不仅影响自动平衡 的精度、效率和平衡能力等各个方面性能指标的实现，而且直接影响到自动平衡 系统的可靠性和最终平衡的实现。 3 2 1 电磁式自动平衡头的组成 电磁式自动平衡头按配重移动轨迹分类，为双配重固定半径极坐标方式，主 要由动环和静环两部分组成，并且转环与静环非接触，平衡头的外形结构如图3 3 所示。 图3 3 电磁式自动平衡头外形三维图 其中动环固定在转子上与转子一起转动，静环一般用螺栓安装在设备的壳体 上，或者安装在特制的支架上。动环和静环的所包括的部件见图3 4 ，其中静环 北京化工大学硕士毕业论文 包括：线圈、腔体、和内嵌式传感器；动环中包括：配重盘、轴承、电极板、隔 板、外壳等。 图3 4 电磁式自动平衡头结构框图 1 、静环组成 静环主要由环形腔体、线圈、传感器以及相关信号和能量接口组成。静环中 一共有两组线圈，每组线圈分别与同一平面内的配重盘相互作用。控制器发出脉 冲后，线圈通电，产生电磁场，与动环中配重盘上的永久磁铁发生电磁感应，起 到解锁、驱动配重盘动作的作用。两组线圈缠绕在腔体内部，腔体由磁性材料制 成，起到固定线圈作用的同时，还起到铁心的作用，在线圈通电时可以汇聚和增 强线圈产生的电磁场。在腔体内部安装有内嵌式传感器，它通过感应动环中选定 的相位基准来确定转予的转速和相位，通过感应安装在动环中两个配重盘上的标 定的基准来确定配重盘的相对相位。 2 、动环组成 动环是平衡头的关键部件，它一般通过过盈配合固定在转子上，随转子一起 转动，其内部结构比较复杂，主要包括外壳、配重盘、轴承、电极板和隔板几部 分。其各部分位置关系见图3 5 。从图3 3 的外形图和图3 5 的结构分解图中 可以明确的看出，平衡头为环形结构，径向和轴向都为对称结构。每个平衡头同 团回 国团园固图厂，、k，jf、 北京化工大学硕士毕业论文 时包含两组配重盘、轴承、隔板、侧面电极板和外壳，沿着中间电极板向两边对 称装配。 图3 5 动环结构分解图 图3 6 配重盘三维结构图 配重盘通过在一端镶嵌重金属或在另一端钻孔的方式提供平衡补偿量，如图3 北京化工大学硕士毕业论文 一6 所示。在配重盘的外圈均匀镶嵌有永久磁铁，相邻永久磁铁的磁极相反排列， 配重盘内侧根据要提供的平衡量大小，可以设计成镶嵌重金属配重形式或钻孔形 式。当整个平衡头不需要产生配重时，两个配重盘对称放置，两个配重盘的平衡 补偿量互相抵消，总的平衡补偿量为零；当整个转子产生由于不平衡引起的转子 振动时，需要平衡头产生相应的平衡量来抵消转子自身的不平衡量时，两个配重 盘转动到一定角度，两个配重盘产生大小和转子自身的不平衡量相等的合平衡补 偿向量。方向与其相反，通过这种方法来实现平衡的目的。 轴承的内圈和中间电极板通过过盈或螺栓配合，使其与转子同步转动，轴承的 外圈和配重盘通过过盈配合在一起，这样配重盘就可以通过轴承与转轴产生相对 运动。 动环内一共有三块电极板并列放置，电极板一般由钢制成，为磁的良导体，配 重盘外圈的永久磁铁与电极板形成磁的闭合回路，使动环在不需要动作的时候达 到自锁的目的。电极板内侧的凹槽一般为矩形，但也可以设计成圆形或椭圆型， 电极板与配重盘的距离大约为2 3 毫米，它们由两块大小一样的隔板分开。 ( a ) 中间电极板 o 两侧电极板 图3 7 电极板三维图 隔板的形状为环形，隔板的截面形状一般为矩形，是由非磁非导电的材料制成， 一般是铝的或不锈钢的。隔板径向厚度大约为1 5 毫米，它可以阻隔由静环线圈 通电发出的磁感线从动环的径向通过，使磁感线能够垂直穿过电极板，并在两个 电极板之间形成平行的磁感线。 北京化工大学硕士毕业论文 图3 8 为平衡头静环通电时磁场静态分析图，图中可以观察出平衡头从静环 到动环的磁感线的回路形式，线圈通电后产生电磁场，在腔体中汇聚和加强，并 在两个电极板之间形成比较均匀的平行磁感线。 图3 - - 8 平衡头静态磁场分析 所有的动环部件安装好后，外壳用螺钉固定。 以上所有部件的形状、结构、材料都可以根据实际的设备要求进行合理的设计， 主要考虑的因素有：所需的平衡能力、具体的位置尺寸限制、转速和外界的工况 等。 3 2 2 电磁式自动平衡头动作原理 电磁式自动平衡系统由振动信号的检测、控制系统的控制计算、平衡头的动作 以及具体的控制算法几部分环节组成。本小节主要考虑自动平衡头的动作原理， 即动环和静环如何相互作用，驱动自动平衡头配重盘动作。 图3 9 和图3 1 0 为动环轴向剖面图，图中显示了两个永久磁铁和两侧的电 极板构成了一个小的驱动单元。 当转轴平衡状态良好，不存在不平衡量时，不需要自动平衡头动作提供平衡补 偿量，此时静环内线圈不用通电，动环中配重盘上永久磁铁与两侧的电极板相互 作用，形成磁场的闭合环路，如图3 9 所示。配重盘与电极板无相对运动，配重 盘自锁，随转轴同步转动。动环内的两个配重盘的配重量对称放置，两个配重盘 的不平衡补偿量互相抵消，平衡头提供的总的平衡补偿量为零。 北京化工大学硕士毕业论文 动。 控制器发出的脉冲要足够大才能驱动动环中的配重盘亳 摹霍揣嚣磊；蹦爨猫鞘烈销洲戬彩蛀如鬻霎赫疆面崭兰西爿蛙醛辖k 配型囊霪觌 墅岬髓孽。唑呵甥瞪翼羹动i l l l 扶虱； 潮e i 目耋i ；基i il童鐾(3-4) 漓( 3 - - 4 ) # = 淫酗担i a 薹壁售翠丕墅 例融躲蠼缝缴蛤碍j 恿囊鉴睦； 薹。墓笥转 盘，转子中间位置较重，又没有适时盘车， 转予自重造成转予存在较大的初始弯曲。转子存在这么大的初始弯曲，产生的振 动过大，无法进行正常的自动平衡实验。 4 2 3 实验台转子弯曲的初步解决方案 为了初步解决实验台转子存在较大弯曲的问题，首先采用现场动平衡的方法 对该弯曲转子进行平衡，但未能取得理想的效果。工程上对于存在较大弯曲的转 子通常采取热校直或磨削后在动平衡机上进行动平衡的方法，这里就采用磨削加 顶锥法进行校正，然后到动平衡机上做了低速动平衡。动平衡采用的动平衡机参 数为： 型号：y y w 一3 0 0 a 型： 种类：硬支撑动平衡机； 精度等级：1 3 0 0 r 日1 i n 时，最小剩余不平衡量o 5 l g m m l 【g ； 经过几次平衡后，将转子进行了回装，再次用百分表对转子进行检测，测得3 点的径跳动：中间盘为6 5 # 册、左右两个盘的径跳动分别为5 5 ，明和5 0 ，棚，可见 弯曲下降了5 0 以上。平衡后转子起车，测得转子的振动如图4 6 从图中可以 图4 一 北京化工大学硕士毕业论文 为了实现配重盘的合理动作，要对转轴加试重，这是通过使配重盘转一定试重 角度来实现的，不过首先需计算出转子实验角度。计算过程中应考虑以下三方面 因素，即：1 ) 通过调整配重盘将转轴的不平衡量调整至最少；2 ) 减少由于测量 的不准确而使动环动作出错而导致转轴振动增加过大；3 ) 尽量减少平衡迭代步数， 进而减少自动平衡的时间。 第六步，配重盘转动的实验位置： 通过给静环线圈发出脉冲，使配重盘转动到上一步计算的试重位置。 第七步，再次检测： 再次提取转轴振动信号，包括下面的值： 加试重后的振幅职 加试重后振动相位角郇： 加试重后配重盘的位置角度吒：，以： 第八步，计算转轴的不平衡量： 用前面的测量值，程序可以计算出不平衡的大小巩和相位角吼。 第九步，配重盘旋转角度计算： 根据转轴现有的不平衡量的大小和相位，计算配重盘应转动的角度吃和， 来提供校正平衡向量抵消转轴的不平衡量来实现自动平衡，具体的计算方法将在 下一节中详细介绍。 第十步，转动配重盘到计算的位置： 控制器发出脉冲给静环线圈，使动环中的配重盘转动到上一步计算的位置， 然后程序又跳回到第二步，继续检测机器振动，直到振动参数发生变化。刚再进 入下一个必要自动平衡循环。 通过以上1 0 步可以实现了一个完整的自动平衡控制过程，其中根据检测的振 动信号计算配重盘的旋转角度将在下一节详细介绍。 3 3 2 配重盘动作位置计算 在以上自动平衡运算步骤中最关键的一步就是根据检测的转轴和配重盘的数 据计算出配重盘需转动的角度位置，前面已经介绍了配重盘的动作原理，这一节 将主要讨论为使振动降至最低，如何计算配重盘转动最优的角度。 北京化工大学硕士毕业论文 配重盘的动作位置计算主要在上一节介绍控制流程中的第八步完成，为使计算 能顺利进行，把从第二步和第七步中测得的向量分解为x 和y 方向分量，如下： 吒2c o s ( 郇1 ) 2 嵋s i n ( ) ( 3 8 ) x a l = 见c o s ( 吼1 )l = 玩c o s ( ) ( 3 - - 9 ) y i l 2 玩s i n ( 吃1 )y b l = 玩s i n ( ) 2 c o s ( 郇2 )吒，。s i n ( 以2 ) 毛2 2 也c o s ( 眈2 )屯2 2 玩c o s ( 吼2 ) ( 3 1 0 ) ( 3 一1 1 ) ( 3 一1 2 ) y 2 。见s i n ( 吃2 )y b 2 = 玩s i n ( 以2 ) ( 3 - - 1 3 ) 其中见和玩分别为一个平衡头内两个配重盘自身的不平衡分量。 平衡量向量决定。定义转轴自身的不平衡分量分别为屯和儿，影响系数用口表示， i ly a l + y b l + y 。2 口k ， j ly 2 + y 6 2 + y 。2 口吒，( 3 - - 1 4 ) i - v “f l 瓣x + 翻 沪坷 北京化工大学硕士毕业论文 刚；旧1 匿剽 沪 通过求解式( 3 - - 1 6 ) ，可以解出毛、儿和a 的值。则转轴本身的不平衡向量的 大小和相位角可以用玩和吼表示： b 。一0 + t ( 3 - - 1 7 ) 吼= a m t g ( ) ，。x ) ( 3 - - 1 8 ) 因此为了实现整个转子系统的平衡，平衡头配重盘需要提供的平衡补偿量玩 bc=b。(3-19) 晚= 吃+ ( 3 - - 2 0 ) 以转换成两个配重盘的调整角度上，设每个配重盘相应的调整角度吃和吼，则有： 以= 啡一a r c c o s ( 玩) ( 3 - - 2 1 ) 吼=2吼一吼(3-22) 出两个配重盘需转动的调整角度位置见和以，再根据3 2 2 节中介绍的平衡头动 北京化工大学硕士毕业论文 3 4 自动平衡系统的控制算法 由于高速旋转机械如高速高精度机床、涡轮发电机组、离心机组等常处于超 临界转速下运转，如何抑制振动，防止失稳，确保转子运行安全可靠已成关键问 题。转子振动主动控制主要针对以上问题进行研究，起始于7 0 年代中期，主要研 究对象是柔性转子p 5 1 。自适应控制是转子主动控制的重要组成部分。本文所研究 的电磁式自动平衡系统的平衡控制算法主要采用基于影响系数的自适应控制算 法，属于主动控制的一种，本节将首先对自适应控制原理进行简单介绍，再对基 于影响系数的自适应控制算法进行研究。 3 4 1 自适应控制原理攀j 自适应控制的研究始于上个世纪5 0 年代，随着控制理论、计算机技术、电子 技术、信号处理技术等的迅速发展，自适应控制也得到很大的发展，形成了独特 的方法和理论，而且在工业生产过程中被广泛应用。 自适应控制主要应用于结构及参数具有严重不确定性的振动系统，随着系统 行为的变化，自适应控制也会相应地改变控制器的参数，以适应系统特性的变化， 保证整个系统性能指标达到令人满意的结果。自适应控制系统也是具有一定学习 适应能力的系统，它通过辨识过程参数和环境的变化量，系统会自动调整控制规 律，将系统辨识和控制相结合。自适应控制的结构可以非常简单，也会相当复杂。 自适应控制系统的类型很多，如模型参考自适应控制系统、自校正控制系统、“自 寻最优控制系统、 多转速下随时对转子进行动平 囊薹适应控制萋霸荫辫赫骖兰季牵箭掣型羹粥睫：霪吼鹳毂骶黧辫诲在塑醛巴垄翼纛羹央；辎藤写第的过程， 以系统的输入输出实现完全跟踪为目标，即使得输出与输入差的绝对值为零，根据在线辨识对象模型， 直接导出控制器的调节模型。控制信号的修正有两种方式：一种是修改控制器有关 参数；另一种是修正输入控制器的控制信号。为了使系统稳定，并消除静差，采 用了前馈和反馈相结合的方法。图3 一1 3 是参数自适应控制系统的典型方框图， 在这种类型中，主要描述在被控对象动态特性的数学模型中参数的变动情况。为 此直接通过参数辨识器对被控系统的参数或特征进行辨识， 北京化工大学硕士毕业论文 叱+ 1 一c 和) w 乍“+ d ( 3 - - 2 6 ) 其中，c i 霪而羹鋈id 譬咧耄蓠 | | 蒌堑露熏碟噶蹬怎臻曝研羹! 酷鹾妲。荇桩 萤薪留签鑫薹k 呻k + l 淋霞平面塞攀罐滢灞冬蕃蓥， 垂薄2 3 - - 2 6 ) 垒霪翌( 3 - - 2 4 ) 融。萋萄军蠹i 圈蝼旦繁矬主霪鋈赫s 喜；委一囊1 e 2 。| ( 3 - 2 7 ) 殴旦，仃( 3 - - 2 5 ) 基( 3 - - 2 6 ) 嵩酲聪蕊篓i 点鐾一致一 态不平衡发生装置安装 在实验台的转盘上，先不启动自动平衡系统，让转予一直升速到2 2 0 0 f i n i n 左右， 稳定一段时间后降速，观察转子系统的特性。通过计算选用适当拉力的绳线，预 计转子升速到2 0 0眦，m i n 左右线断开，让，j 、球弹出产生不平衡。 按照这个思路进行实验，在实验的过程中，当转子升速到1 9 0 0 r ，i i n 左右，听 见小球弹出后与不平衡发生装置壳体发出撞击声，说明线确已断裂，产生了瞬态 不平衡量。从图41 1 所示的b 0 d c 图中也可以看出，振动值在1 9 0 0 咖山左右升 高了约1 5 船，达到了6 0 ，册。并且从图4 1 1 的趋势图中可以看出振动升高到近 7 0 脚，此时转速保持2 2 0 m b 左右，振动值也一直保持在7 0 # 聊上下振荡，直 到转子速度下降后，振动才迅速下降。 通过以上实验，证明自行设计的瞬态不平衡发生装置的可行性，它可以通过 选用适当的绳线来控制不平衡发生的转速，并且确实能发生动作产生一定的瞬态 不平衡量，激起转子的振动增加。 1 a 口o1 湖 转速；咖如 图4一l o 不使用自动平衡系统，瞬态不平衡发生过程转子b 0 _ d e 图 m 孔。 髓。 鞲稃骥 北京化工大学磺士毕业论文 图3 一1 5 自适应控制流程图 当控制向量k 一忱。i 低于某个事先设定的标准时，| 就停止辨识。当振动水平 在这个设定的极限值以下，控制就会停止运行，但它还可以继续监控这个振动水 平，当振动水平低于男一个更低的极限值，控制