（化工过程机械专业论文）转子系统的运行优化和自愈技术的研究.pdf

转子系统的运行优化和自愈技术的研究 摘要 现代过程工业如石化、冶金、电力等行业，离心压缩机、风机、烟气 轮机、汽轮机以及发电机组等旋转机械不仅为生产过程中的流体提供动 力，而且对工艺流程中能量的回收起到了关键作用。而这类转子系统在运 行过程中，往往由于以下原因产生强烈振动导致机组无法正常运行：单跨 转子上的质量不平衡和多跨转子上的耦联残余质量不平衡。针对单跨转子 上的质量不平衡导致的强烈振动，提出了在单跨转子上应用液压自动平衡 技术；针对多跨转子上的耦联残余质量不平衡导致的强烈振动，提出了基 于“六维对中 的高速多转子耦联优化技术。 本文首先分析了液压自动平衡系统的各部件的结构，研究了平衡头的 结构设计、结构特性以及平衡系统的平衡原理和平衡步骤。然后介绍了目 前自动平衡软件常用的影响系数法以及平衡头的平衡腔个数、平衡腔内的 液体重心、质量以及平衡能力的计算方法，最后基于以上方法利用v c + + 工具进行自动平衡软件的编程，模拟液压自动平衡系统工作时平衡头的喷 水平衡过程。 然后针对风机运行过程中由于结垢等原因造成的动不平衡问题，提出 采用液压自动平衡技术的方法。采用转子动力学软件对风机进行有限元建 模。根据现场提供的平衡头的三个可能安装平面，利用软件分别计算虚拟 安装在这三个安装平面下的平衡头的平衡效果，找出了平衡头的优化安装 平面。设计了风机转子的模拟实验台并进行了液压自动平衡实验。实验表 明将液压自动平衡头安装在优化平面上可以实现转子的不停机在线自动 平衡，达到白愈的效果，为在风机上应用液压自动平衡技术提供了理论参 考和实验依据。 最后为解决各个高速透平机械单转子高速平衡合格，耦连成轴系运行 发生强烈振动的这一工程难题，提出了基于“六维对中 的高速多转子轴 系耦联优化技术，即在传统的五维对中基础上( 转子联轴器端面平行三维 和圆周对正二维) ，还要考虑各个转子残余不平衡量相位的相互耦连( 一 维) 对整个轴系不平衡的影响。在实验室建立了高速多转子的模拟实验台 并利用转子动力学软件对高速透平机械多转子的模拟实验台进行建模仿 真，建立了各单转子相互关联、相互作用的有限元仿真模型，进行虚拟耦 联，研究轴系各转子之间残余不平衡量相位对轴系振动的影响，以希望通 过理论和实验研究各转子残余不平衡的相位以及它们之间的耦联关系，来 指导工程安装时采用调整转子间相对相位的方法来降低甚至完全消除轴 系不平衡，从而取代整机全速动平衡而确保机组一次启动成功。 关键词：液压自动平衡，振动，自愈，平衡头，耦联优化，有限元 a b s t r a c t s t u d yo no p e r a t i n go p t i m l z a t i o n a n ds e l fr e c o v e r yt e c h n o l o g y o fr o t o rs y s t e m a b s t r a c t i nm o d e m p r o c e s si n d u s t r i e s ，s u c ha sp e t r o c h e m i c a l ，m e t a l l u r g y , p o w e r i n d u s t r ye t c ，c e n t r i f u g a lc o m p r e s s o r , f a n s ，g a st u r b i n e s ，s t e a mt u r b i n ea n d g e n e r a t o rs e t sa n do t h e rr o t a t i n gm a c h i n e r yn o to n l yp r o v i d ep o w e rf o rt h e f l u i di nt h ep r o c e s so fp r o d u c t i o n ，b u ta l s op l a yak e yr o l ei nt h ee n e r g y r e c o v e r yp r o c e s s h o w e v e r , t h e s ek i n d s o fs y s t e mc a n tw o r kn o r m a l l y b e c a u s eo ft h ef o l l o w i n gr e a s o n si nt h ep r o c e s so fo p e r a t i o n ：m a s si m b a l a n c e o f s i n g l e - s p a nr o t o ra n dc o u p l e dr e s i d u a lm a s si m b a l a n c eo fm u l t i - s p a nr o t o r t h eh y d r a u l i ca u t o m a t i cb a l a n c i n gt e c h n o l o g yw a sp r e s e n t e dt os o l v ei n t e n s e v i b r a t i o nc a u s e db ym a s si m b a l a n c eo fs i n g l e - s p a nr o t o r ，a n dt h ec o u p l i n g o p t i m i z a t i o n t e c h n r l o g y o f h i g h s p e e d m u l t i - s p a n r o t o rb a s e d o n “s i x d i m e n s i o n a la l i g n m e n t w a sp r e s e n t e dt os o l v ei n t e n s ev i b r a t i o nc a u s e d b yc o u p l e dr e s i d u a lm a s si m b a l a n c eo fm u l t i s p a nr o t o r s t r u c t u r eo fe a c hc o m p o n e n to fh y d r a u l i ca u t o m a t i cb a l a n c i n gs y s t e m w a s f i r s t l ya n a l y z e d i n t h i s p a p e r t h es t r u c t u r ed e s i g na n d s t r u c t u r e c h a r a c t e r i s t i c so ft h eb a l a n c i n gh e a dw e r es t u d i e d ，a n da l s o ，t h eb a l a n c i n g p r i n c i p l ea n db a l a n c i n gs t e p so fb a l a n c i n gs y s t e mw e r es t u d i e d t h ei n f l u e n c e i i i 北京化t 人学硕i j 学位论文 c o e f f i c i e n tm e t h o du s e dc o m m o n l yi nt h ea u t o m a t i cb a l a n c i n gs o f t w a r ew a s i n t r o d u c e da n dt h ec a l c u l a t i o nm e t h o d sa b o u tt h en u m b e ro fb a l a n c i n g c h a m b e ro ft h eb a l a n c i n gh e a d ，t h eg r a v i t yc e n t e r , m a s sa n db a l a n c i n ga b i l i t y o f l i q u i di nt h eb a l a n c i n gc h a m b e rw e r ea l s oi n t r o d u c e d f i n a l l y , t h ea u t o m a t i c b a l a n c i n gs o f t w a r ew a sc o m p i l e db a s e do na b o v em e t h o d sw i t hv c + + t 0 0 1 t h e nt h eh y d r a u l i ca u t o m a t i cb a l a n c i n gt e c h n o l o g yw a sp r e s e n t e dt o s o l v ed y n a m i ci m b a l a n c ec a u s e db yt h es c a l ei nt h er u n n i n go ft h ef a nr o t o r t h ef i n i t ee l e m e n td y n a m i cm o d e lo fac e r t a i nf a nw a sb u i l tw i t hr o t o r d y n a m i c ss o f t w a r e a c c o r d i n g t ot h r e e p o s s i b l e i n s t a l l a t i o n p l a n e s o f b a l a n c i n gh e a dp r o v i d e db yt h es c e n e ，t h eb a l a n c i n ge f f e c to fb a l a n c i n gh e a d w h i c hw a sv i r t u a l l yi n s t a l l e do nt h e s et h r e ei n s t a l l a t i o np l a n e sw a sc a l c u l a t e d r e s p e c t i v e l y , a n dt h eo p t i m i z e di n s t a l l a t i o np l a n eo fb a l a n c i n gh e a dw a sf o u n d m o r e o v e r , as i m u l a t i o n t e s t r i g w a sd e s i g n e df o r h y d r a u l i ca u t o m a t i c b a l a n c i n ge x p e r i m e n t l a b o r a t o r ye x p e r i m e n t ss h o wt h a th y d r a u l i ca u t o m a t i c b a l a n c i n gh e a di n s t a l l e do nt h eo p t i m i z e dp l a n ec a nr e a l i z eo n - l i n eb a l a n c i n g o fr o t o rw i t h o u ts t o p p i n gt h eo p e r a t i o n ，t h a ti s ，s e l fr e c o v e r y i tp r o v i d e s t h e o r e t i c a la n de x p e r i m e n t a lb a s i sf o rt h ea p p l i c a t i o no fh y d r a u l i ca u t o m a t i c b a l a n c i n gt e c h n o l o g yt ot h ef a n f i n a l l y , t os o l v et h ep r o b l e mt h a te v e r ys i n g l e s p a nr o t o ro ft u r b i n e 一 1 o m a c h i n e sl sq u a l m e dw i t nl a l g l a - s p e e do a l a n c e b u tr u n sm t oi n t e n s ev 1b r a t l o n w h e nc o u p l e dw i t he a c ho t h e r , t h ec o u p l i n g o p t i m i z a t i o nt e c h n o l o g yo f h i g h s p e e dm u l t i s p a n r o t o rb a s e do n “s i x d i m e n s i o n a l a l i g n m e n t w a s i v a b s t r a c t p r e s e n t e d ，t h a ti s ，o i lt h eb a s i so ft r a d i t i o n a la l i g n m e n ti n f i v ed i m e n s i o n ( t h r e e d i m e n s i o n a lp a r a l l e li nt h ee n dp l a n ea n dt w o d i m e n s i o n a la l i g n m e n ti n t h ec i r c u m f e r e n c eo fr o t o rc o u p l i n g ) ，t h ee f f e c to fs h a f tv i b r a t i o nb r o u g h tb y t h ep h a s ed i f f e r e n c e ( o n e d i m e n s i o n ) b e t w e e nr e s i d u a li m b a l a n c e so fe v e r y s i n g l er o t o rw a sa l s oc o n s i d e r e d s i m u l a t i o nt e s tr i go fh i g h s p e e dm u l t s p a n r o t o rw a sb u i l ti nl a b o r a t o r y , a n dt h i sp a p e ru t i l i z e dr o t o rd y n a m i c ss o f t w a r et o m o d e lt e s tr i go fh i g h s p e e dt u r b i n er o t o ra n db u i l df i n i t ee l e m e n tm o d e lo f s i n g l e - s p a nr o t o ra n dm u l t i s p a nr o t o rt ov i r t u a l l yc o u p l e t h ee f f e c to fs h a f t v i b r a t i o nb r o u g h tb yt h ep h a s ed if f e r e n c eb e t w e e nt h er e s i d u a li m b a l a n c eo f e v e r ys i n g l e s p a nr o t o rw a ss t u d i e dt oh o p et h a tt h r o u g ht h e o r e t i c a la n d e x p e r i m e n t a ls t u d yo ft h er e s i d u a li m b a l a n c ep h a s ea n dc o u p li n gr e l a t i o n b e t w e e nt h e m ，w ec a ng u i d et h ei n s t a l l a t i o n b ya d j u s t i n gr e l a t i v ep h a s e b e t w e e nt h er e s i d u a li m b a l a n c eo fe v e r yr o t o rt or e d u c eo re v e nc o m p l e t e l y e l i m i n a t et h ei m b a l a n c eo fs h a f ts y s t e m ，a n dt h e r e b ya c h i e v et h eo b j e c to f r e p l a c i n gd y n a m i cb a l a n c i n go fe n t i r em a c h i n ea t f u l l s p e e dt o e n s u r ea s u c c e s s f u ls t a r to ft h em a c h i n eg r o u p k e yw o r d s ：h y d r a u l i ca u t o m a t i c b a l a n c i n g ，v i b r a t i o n ，s e l fr e c o v e r y b a l a n c i n gh e a d ，c o u p l i n go p t i m i z a t i o n ，f i n i t ee l e m e n t v 符j 说f 列 u 万 百 4 b o 鸽 b o y a o y b o 1 q l q l 7 9 l 4 e a l a o ，b l b o 瓦，届 幺 幺 y 0 2 4 b 2 4 一a o ，b 2 一b o 置，最 置，最 厂尸1 厂j p 2 m 刀 q ， 符号说明 单平衡平面上的试重，2 单平面平衡加试重前，转子轴承的振动向量 单平面平衡加试重后，转子轴承的振动向量 单平衡平面上的配重，g 双平面平衡前，左轴承的原始振动向量 双平面平衡前，右轴承的原始振动向量 双平面平衡前，左轴承平衡前的原始振动值，朋 双平面平衡前，右轴承平衡前的原始振动值，f m 双平面平衡前，左轴承的原始振动相位角，。 双平面平衡前，右轴承的原始振动相位角，。 双平面平衡的加重半径1 ，m m 双平面平衡的加重半径2 ，m m 平衡平面i 上的试重向量 平衡平面i 上的试重质量，g 平衡平面i 上试重的方位角，。 加试重酉，测振点i 的振动向量 加试重酉测振点i i 的振动向量 平衡平面i 上试重酉的效果矢量 影响系数 平衡平面i i 上的试重向量 平衡平面i i 上的试重质量，g 平衡平面i i 上试重的方位角，。 加试重磊后，测振点i 的振动向量 加试重磊后，测振点的振动向量 平衡平面i i 上试重磊的效果矢量 平衡平面上的校正向量 平衡平面上的校正质量的大小，g 平衡平面上的校正质量的方位角，。 平衡平面的个数 测量平面的个数 第个平衡转速，印聊 v 北京化t 人学何! 卜学位论文 第k 个平衡平面的轴向位置 原始不平衡量在转速q 。下财屯点激起的振动值，p m 第k 个校正平面上所需的校币量， g 外界干扰 第j 个传感器的振动大小，朋 第f 个平衡平面上的平衡校j 下向量 转速缈下影响系数的复向量 振动响应矩阵 影响系数矩阵 平衡校j 下向量矩阵 外界干扰矩阵 第i 个测量面内的初始振动响应，删 在- ，校正面内加不平衡( w j ) 砌。，时第i 个测量面的响应，k t m 第k 次平衡迭代的振动响应矩阵和 第k 次平衡迭代的平衡校正量矩阵 第k 次平衡迭代的平衡校正向量 稳定因子 累积影响系数 遗忘因子 影响系数的理论值 影响系数的初始估计值 影响系数的收敛误差 第k 次平衡迭代中影响系数的估计值 平衡腔内液体产生的离心力， 进液腔的液体内径，m 进液腔的液体外径，m 分隔进液腔所对应的圆心角，r a d 进液腔的宽度，m 平衡液体的密度，k g m 。 转子的旋转角速度，r a d j 一 转子转速，印所 冲入腔内的液体的内径，m 喷嘴处半径，m 单个腔中平衡液体的重量，k g 单个腔中平衡液体的体积，m 3 v 1 i i 兰既荆荆叶删旧蛾毗 口 巳 c &c墨r口 曰 p 彩 以 r m 矿 符【，说明 平衡腔内液体的中心坐标，所 平衡头所需的最小转速，r p m 不平衡量的大小，g r a m 1 腔应喷出的补偿量，g 聊朋 2 腔喷出的补偿量，g 肌研 3 腔喷出的补偿量，g 聊研 k 。 垂直刚度系数， j l l , l m k 。 交叉刚度系数，所聊 c 。 垂直阻尼系数，n j 聊肌 c 。 交叉阻尼系数，n 一5 l i m i x ， ， ， ， _ _ f 巧t e k b 勺 北京化工大学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立 进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含 任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声 明的法律结果由本人承担。 作者签名： 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京化工大学有关保留和使用学位论文的 规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京 化工大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件 和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部 或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学 位论文。 保密论文注释：本学位论文属于保密范围，在上年解密后适用本授 权书。非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 作者签名： 导师签名： 日期：垄塑竺垒：竺! t 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题来源及研究的目的和意义 本文题目为转子系统的运行优化和自愈技术的研究，研究背景源于国家自然科学 基金重点项目：机械复杂系统建模仿真、运行优化和自愈调控理论( 编号：5 0 6 3 5 0 1 0 ) 。 伴随着科学技术的进步，现代装备正朝着大型化、高速化、重载化的方向发展。 特别是石化、冶金、电力行业中广泛应用的压缩机、泵、烟气轮机等旋转机械，不仅 为生产过程中的流体提供动力，而且对工艺流程中能量的回收起了关键作用。这类设 备一旦发生故障将会导致严重的后果，并且设备停机也给企业造成巨大的经济损失。 然而，由于旋转机械在高速运转中经常产生振动，这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，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【l 】。 而转子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。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8 0 以上，排除这类故障一直 是工程技术人员的一项重要任判2 | 。为适应过程工业的特点提高装备的智能化，学者 们提出了装备“故障自愈调控”的观念。这种观念强调装备故障的事前维修，减小装 备依靠人的程度，使设备能够分析故障的形成原因和发展过程，并进行不停机状况下 的自修复，保证机组的长周期运行。 针对工程上的转子振动问题，常用的动平衡方法有两种，即现场动平衡和动平衡 机上动平衡。两种方法的本质都是停机作业，同时忽略不平衡量沿转子轴向、径向分 布的任意性和随机性，人为地在转子某个或某几个加重平面上加上或减去一些校正 质量，又叫配重，利用它们对转子激发的振动与原始不平衡所产生的振动尽可能地 抵消，达到平衡转子、减小振动的目的。前者的缺点是需要多次停机调试，后者的缺 点是必须进行转子的装拆，既浪费时间，又影响生产。显然，综合二者优点的现场不 停机自动平衡技术应当是最理想的控制方法。不停机自动平衡的基本原理，是在旋转 部件的某个加重平面处附加一个平衡头，由控制单元对平衡头进行在线控制，在平 衡头上设法实现一个大小、相位可调的校正质量，在转子系统运行过程中去模拟所需 的配重，从而实现转子系统的自动平衡【3 j 。自动平衡技术作为- f - j 多学科的综合技术， 可以对转子系统实施在线监控，实时诊断，按照事先确定的控制策略驱动平衡头进行 平衡作用。在线自动平衡系统对解决旋转机械转子不平衡问题具有十分重要的意义。 在线自动平衡技术的成功应用，将是动平衡技术的巨大进步，而且会将故障诊断技术 推向更高的层次，开创故障在线自愈的新阶段。这也是机器智能化的一个新领域，所 北京化- 丁人学硕i j 学位论文 带来的经济效益和社会效益是难以估量的。 国外对电磁型和液压型等自动平衡系统进行了长期的研究，并在美困和欧洲机械 加工领域的磨床、高速机床主轴、石化和电力领域的个别大功率透平机械：如汽轮机、 燃气轮机和压缩机等领域推广应用在线自动平衡技术，并在航空领域的推进器和喷气 发动机上取得了巨大的经济效益。国内哈尔滨工业大学、浙江大学等单位对在线自动 平衡系统已经做了大量的研究工作，取得了一定的进展和成果。但总体上在汽轮机、 压缩机等大型透平机械领域仍处于研究阶段，没有真正能实现工业化应用。在大型透 平机械领域推广在线自动平衡装黄，还须做出巨大的努力。 另外，在旋转机械的工业应用中，如石化、冶金、电力等流程工业，为了节能经 济运行，常常将多台机组串连在一起，如高速轴流压缩机、离心压缩机、工业汽轮机、 燃气轮机和电动机发电机等四台或五台组合成一台大机组。这些机组都是流程制造 业的心脏和最主要的耗能装备，其优化和稳定运行对安全和经济生产至关重要。而构 成机组的每个单机本身也是复杂系统，工程科技界进行了较多的研究，而对由这些单 机组成的多机组机械复杂系统则研究的甚少，而在工程实践中发现，多机组常常发生 如下问题：每个单机转子都做了高速动平衡达到合格标准，但多机组串连在一起，有 时会发生强烈振动，诊断结果多数原因是转子轴系不平衡。因此对于多跨转子耦联系 统的研究也是一项新的课题。 本课题就是在这样的背景下提出的，其目的是探讨转子系统在运行过程中的自愈 以及多跨转子的运行优化技术。对液压型自动平衡装置中自动平衡系统原理进行深入 探讨，尝试自主开发一套自动平衡的软件系统；针对国外先进的液压自动平衡技术， 实验研究液压型自动平衡装置，验证液压型自动平衡装置的平衡效果；在理论分析和 实验研究的基础上进行了自动平衡技术在风机等大型旋转设备上的应用研究，研究基 于“六维对中 技术的多跨转子耦联优化技术。 1 2 自动平衡技术的研究概述 自1 8 7 7 年第一台自动平衡器在美国问世已来，自动平衡装置得到广泛的重视，品 种越来越多。归纳起来可分为三大类，第一类是从质量方面着手，通过加重去重方法 直接将平衡圆盘的几何中心移到旋转中心，称之为直接在线动平衡装置，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m e f 2 2 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，称为间接在 线动平衡装置，如采用电磁轴承方法及电磁圆盘方法等。第三种是通过某种方式改变 平衡头( 盘) 内部质量分布( 不加重，也不去重) ，使其几何中心与旋转中心重合，质量 的重新分布可通过机械方法或电磁方法进行，称这种平衡装置为混合型在线动平衡装 置。在线动平衡装置的分类情况如图1 1 所示【4 j 。 2 第一幸绪论 阜0 f 糸i ，奄f l ：i 毛二：_ 。 翻1 1 之 a 接d ：线z 以ri 籼装西ii ? 翌：；- n ：线j 蓊甲i l 乜 磁 鼙 图1 - 1 在线自动平衡装置分类图 f i g 1 - 1c l a s s i f i c a t i o no fo n l i n ea u t o m a t i cb a l a n c i n gd e v i c e 1 2 1 直接在线自动平衡装置 ( 1 ) 喷涂型在线动平衡装置 这是一种加重式在线自动平衡装置，装置原理图如图1 2 所示。 图1 2 喷涂型自动平衡装置 f i g 1 2s p r a y t y p ea u t o m a t i cb a l a n c i n gd e v i c e 通过喷射枪将高粘度物质喷射到转子上，改变转子重心位置，实现转子动平衡。 1 9 8 0 年c u s a r o w 提出了此方法。1 9 8 7 年s m a l l e y 等人采用计算机控制喷枪喷射的时刻和 时间，增强了该方法的实用性【5 1 。这种平衡方法存在的问题是高粘度喷射物质以高速 喷射并粘附在转子上，根据m v = f t ，在很短的时间内产生较大的冲击，使转子产生 新的不平衡量，喷射物质粘附在转子上，严重影响转子表面质量，此外，喷射速度限 北京化t 人学硕i ：学位论文 制了转子的旋转速度，这科- 平衡装置一般用在小型旋转机械或精密仪器制造生产线 上。 ( 2 ) 喷液型在线动平衡装置 这也是一种加重式在线动平衡装置。在转子端部装上喷液平衡头，平衡头的结构 如图1 3 所示。 2 3i 1 一砂轮法兰盘( 平衡头)2 一传感器3 一喷嘴4 一电子箱5 一冷却水箱6 一过滤器7 分 流板 图l _ 3 喷液型自动平衡装置 f i g 1 3h y d r a u l i ca u t o m a t i cb a l a n c i n gd e v i c e 根据所测到转子振动信号，由单片机或微机控制喷枪，将液体喷射到平衡头上相 应的容腔中，以改变平衡头的重心位置，达到在线动平衡。浙江大学等单位在这方面 已取得实质性的突破【6 】，平衡效果较好。目前这种平衡装置己用到磨床上，但该装置 存在一些问题：由于容腔容量有限，平衡能力受到限制。容腔中液体挥发，影响 平衡精度。 ( 3 ) 激光去重在线动平衡装置 如图1 4 所示为激光去重在线自动平衡装置。通过控制脉冲激光束的发射时间、脉 图1 4 激光自动平衡装置 f i g 1 - 4l a s e ra u t o m a t i cb a l a n c i n gd e v i c e 冲宽度及能量大小，使转子材料在微秒量级时间内气化，改变转子的几何中心，从而 4 第一章绪论 对转子系统进行动平衡。8 0 年代初期m e m u t h 等人研制出这种平衡装置。这种方法易 于控制，平衡精度高。但也存在些问题：通过激光束使转子上的会属气化，留下 许多伤痕，降低转子的疲劳极限，缩短了转子系统的使用寿命。平衡过程中产生飞 边、毛刺和氧化物，严重影响表面质量。金属气化过程中，金属微粒以蒸气的形式 散在空气中，污染环境，危害人体健康。由于激光束短时气化微量会属，平衡能力 受到限制。所以，激光在线动平衡对于汽轮机组、大型压缩机等巨型转子系统的平衡 是不适用的，一般只适用于小型机构的平衡，如牙钻、陀螺仪等。 1 2 2 间接在线动平衡装置 这种装置是在平衡头( 盘) 上加上与不平衡离一i i , 力大小相等、方向相反的力，抵消 不平衡量，达到转子系统的动平衡。主要包括电磁轴承型在线动平衡及电磁圆盘型在 线动平衡。这类装置的平衡原理基本一致，通过变频器在电磁轴承处或平衡圆盘处， 长期为转子系统提供与转子旋转角速度相同频率的平衡电磁力，实现转子系统的在线 动平衡。它有一个严重不足，就是转子在运行过程中一直受平衡电磁力的作用，对于 长期运行的旋转机械来说，能耗大。另外，这类平衡装置结构复杂，几何尺寸较大， 而且成本高，一般用于不长期运行的小型旋转机械。 1 2 3 混合型在线动平衡装置 混合型在线动平衡基本原理，由检测系统测量转子系统的振动信号，通过控制系 统，改变装在转子轴上并与转子系统一起旋转的平衡头内部的质量分布，产生大小、 方向可控的平衡力，以平衡转子系统的不平衡激振力。平衡头内部质量的分布一般是 由两个平衡质量块来调节的。根据驱动平衡质量块移动方式及控制方式的不同，混合 在线动平衡装置可分为电动机型、遥控型及电磁型在线动平衡装置。电动机型混合在 线动平衡装置是指平衡质量块是由电动机驱动，而电动机则是通过电刷与控制系统相 联接的。遥控型混合在线动平衡装置是指平衡质量块是由电动机驱动，电动机则是由 控制系统无线遥控的( 如微波遥控、红外遥控及超声波遥控等) 。所谓电磁型混合在线 动平衡装置是通过电磁力拖动平衡质量块相对平衡头移动的动平衡装置。 8 0 年代以后许多人对j v a nd e v e g t e 平衡头进行改进，将平衡装置演变成遥控型。 1 9 8 7 年c w l e e 及y d k i m 利用无线电遥控技术实现对平衡头的控制，并在一阶临 界转速以上对挠性轴在线动平衡。1 9 9 5 年哈尔滨工业大学利用红外遥控技术实现对平 衡头的控制，实验室转子实验转速茭j 2 0 0 0 r p m r a i n 。电动机型及遥控型混合在线动平 衡装置是由电动机驱动平衡质量块在平衡头上做相对运动，电动机及传动装置也以同 样转速随转子系统旋转，故这类平衡装置一般不适合高速转子的在线动平衡。 5 北京化1 = 人学颂i j 学位论文 电磁型混合在线动平衡装置中平衡质量块不是由电动机驱动的，而是由外加电磁 力拨动，从理论上讲可以解决高速转子系统的在线动平衡问题。浙江大学诈进行这方 面的研究，并已取得阶段性成果。 至于动平衡理论的研究，本世纪初，大部分转子系统工作在第一阶临界转速以下， 转子挠度变形可忽略不计，转子属于刚性的，对这方面的研究相对简单些，故在3 0 年 代后期刚性转子平衡理论已近成熟。刚性转子的平衡受某一速度限制，如果转速超过 这一限制转速，已经平衡了的转子又不平衡。特别是当转子工作在临界转速以上时， 这种平衡方法已失去作用。 1 9 5 6 年k f e d e m 提出判断转子刚柔性指标【7 1 。他认为高于某一转速工作的转子系 统必须考虑转子挠度的影响，转子属于柔性转子。随着生产技术的发展，柔性转子的 动平衡越来越重要，于是相继提出了各种平衡理论及平衡方法，归纳起来可分为两大 类【引。 第一类是以t h e a r l e 、b a k e r 、g o o d m a n 为代表坚持使用的影响系数法【9 】，该方法是 刚性转子动平衡的两平面向量法在柔性转子系统中的推广。第二类是m e l d a l 、b i s h o p 、 g l a d w e l l 、f e d e r n 为代表坚持使用的振型平衡、法【1 0 j 1 1 ，或称模态平衡法，该方法是按 旋转轴的振动理论把某转速下转子振型分解为各阶主振型，对这些主振型分别加以平 衡，从而达到整个转子系统的平衡。 这两类平衡理论都试图把转子的挠曲和振动降到尽可能低的程度。它们有各自不 同的目标函数，影响系数法是在各选定的平衡转速下，使转子上各测振点的振动值为 零，它并不能保证在全部转速范围内转子各点的振动都很小，而振型平衡法要求消除 引起前阶振型的不平衡量，而阶以上的各高阶不平衡量在平衡后仍残留，只是高 阶不平衡一般都较小，对转子系统正常工作影响不显著。 这两类平衡方法都不能使转子振动完全消除。为了提高平衡精度，相继出现了各 种修正方法。1 9 6 4 年g o o d m a n 提出最小二乘法及加权最小二乘法，是对影响系数方法 的一种修正。这种方法的物理意义是寻求一组校正质量，使各测振点在各平衡转速下 的残余振动值的平方和最小。1 9 9 4 年刘正士等人提出转子动平衡的相对系数法【l2 。，该 方法是在影响系数法的基础上提出一种可通过双( 多) 通道动态信号分析仪直接测量 相对系数，提高了平衡效率。k e n n e d y 、b i s h o p 和白木万博等人采用影响系数法与振 型平衡法相结合的一种动平衡技术即所谓“振型圆”平衡方法【l 引，它可以判别主要不 平衡量的大体分布情况，大大减少开停车次数，提高了效益及平衡精度。 评价一种平衡方法、比较各种平衡技术的常规准则是，平衡精度高，也就是平 衡后转子残余不平衡量小，在工作转速下( 或在工作转速范围内) 转子挠曲和内应力 小，轴承振幅及动反力小，起动时转子容易通过临界转速。易于自动控制，测试仪 器简单。如果采用加( 去) 重方法，则应使校正质量数目少、重量轻。最近有人提出 采用比较系数k 来判断【1 4 】。k = ( 4 一a ) m ，其中厶、a 是平衡前后转子测振点振幅， 6 第一章绪论 m 为校正总质量。k 值越大，说明单位校- f 质量减振效益越高，平衡系统越优良。 目前，国外做了大量的关于自动平衡技术的研究，目前技术比较成熟而且应用广 泛的有电磁式自动平衡和液压自动平衡，电磁型自动甲衡装置主要由以下三个部分组 成：检测器、控制器和平衡执行机构。平衡执行机构是由与机壳连接的静坏和连接在 旋转轴上的动坏组成。这种自动平衡系统控制原理是琏于影响系数的自适应主动闭环 控制。自适应影响系数控制系统在机器旋转时，精确快速地调节配重盘的位置，可以 在数秒内完成多平面上的不平衡质量校正，实现在线自动平衡。在美国、欧洲机械加 工领域的高速机床主轴等领域推广应用，取得了巨大的经济效益。而液压自动平衡系 统主要由四个部分组成：被控转子、信号采集器、控制器和执行器，当被测转子产生 不平衡量时，由振动传感器检测到的振动信号送入a d 转换器中，进行峰值采样，输 送到控制器内。如果采样值大于控制器内部设定的门槛值，则控制器向电磁阀发送信 号，开始喷液平衡；控制器根据得到的不平衡量的大小和相位值计算出阀门单元的三 个电磁阀各自所需的开启时间。冷却液泵将经过预过滤器的冷却液输送到阀门单元 上，通过喷嘴单元将冷却液喷入平衡容器罩，实现不平衡量的补偿。平衡后的效果反 馈到控制器，再重复前面操作，实现无停机的在线自动平衡。而液压自动平衡主要运 用于高精度的磨床机械，而在石化和电力领域大功率透平机械，如汽轮机、燃气轮机、 压缩机等领域还没有得到推广应用，将该技术在这些领域的推广应用将是未来的发展 任务。 1 3 轴系振动的研究概述 旋转轴系的振动研究，最早见诸于文字的报道发表于1 8 6 9 年，r a n k i n 在题为“o nt h e c e n t r i f u g a l o f r o t a t i n gs h a f t ”的论文中，首次提出了临界转速的概念，并得出转子不可 能在一阶临界转速之上运转的结论。到了1 9 1 9 年，英国动力学家j e f f c o t t 研究了一个两 端刚性支承的单质量弹性转子，认为转子的工作转速可以设计在超临界转速区，这是 有关转子动力学观念的第l 次变革。1 9 2 4 年，n e w k i r k 发现，即使转子经过精密的平 衡，仍会发生强烈的振动，他在发表的“s h a f tw h i p p i n g ”一文中指出，由于“自激”导 致了转子的破坏，之后进步指出该振动可能源于油膜，他的发现再一次使人们对转 子动力学的认识产生飞跃。之后，众多学者，女h s t o d o l a ( 1 9 2 5 年) 、h u m m e l ( 1 9 2 6 年) 、 s w i f t ( 1 9 3 7 年) 、c o l e ( 1 9 5 6 年) 等都发表了与轴承相关的文章，到2 0 世纪6 0 年代该研究 达到了高潮，l u n d ( 1 9 6 5 年) 首次提出“轴承一转子动力学”这一名词，并首先提出将 滑动轴承和转子结合在起研究系统稳定的方法。随着机组结构的复杂化，转子碰摩、 转子裂纹振动、汽封汽膜激振和蒸汽激振等带有非线性特征的故障日益突出，众多研 究者把目光都投向了非线性振动领域，但由于上述动力学方程的复杂性，这些研究都 处于发展和完善中，在此过程中，计算分析与理论研究和工程应用是同步发展的。旋 7 北京化t 人学倾1 j 学位论文 转轴系的临界转速、不平衡响应、稳定性分析以及瞬态响应计算是弯振研究的主要内 容。在振动机理和计算分析研究的同时，人们也在探寻利用振动特征进行机组故障诊 断的理论和方法。国外对该问题研究较早，美国是最早从事汽轮机故障诊断研究的国 家之一，目前从事这方面研究的机构有e p r i 及部分电力公司、西屋、b e n t l y 、i r d 、 c s i 等公司；日本也很重视诊断技术的研究，目前从事这方面研究的机构有东芝电气、 日立电气、富士和三菱重工等9 而欧洲的法国电力部门( e d f ) 、瑞士a b b 公司、德国西 门子公司、丹麦b & k 公司等也都在从事这方面研究。随着机组的运行安全越来越重要， 国内的学者也开始研究旋转轴系的振动，北京化工大学的高金吉院士将系统科学医学 的知识运用到旋转轴系的研究中去，提出了“装备医工程”的新概念，其思想是在系 统论指导下，移植现代医学“自主调理”治疗原理，研究以故障预防和自愈为目标的 过程装备自主调控原理，探讨改变装备完全靠人去“治愈 的传统维修方式，开发出 故障自愈调控系统。 1 4 本文的主要研究内容 如前所述，虽然在某些机械加工设备中如磨床领域，在线自动平衡技术得到了一 定的应用，但由于存在诸多方面的原因，在大型流程工业如石化、冶金和发电等行业 中的汽轮机、燃气轮机和压缩机上还没有推广应用。为了将在线自动平衡技术应用于 工程实际，本课题以液压型自动平衡系统为研究对象，进行了理论分析和实验研究， 在此基础上风机和烟气轮机上运用在线自动平衡技术解决转子的振动问题。 针对石化、冶金、电力等流程工业，高速轴流压缩机、离心压缩机、工业汽轮机、 燃气轮机和电动机发电机等多台机组串连在一起，每个单机转子都做了高速动平衡 达到合格标准，但多机组串连在一起，有时会发生强烈振动这一工程现象，本文通过 建模仿真，研究机械复杂系统稳定运行与故障形成机理和规律，旨在开发一种基于“六 维