（机械设计及理论专业论文）悬臂外重心转子的平衡技术.pdf

! ：塑銮望查堂堡主塑塑生兰堡堡苎一 b a l a n c i n gt e c h n i q u eo f t h er o t o rw i t hc e n t e r o fg r a v i t yi nc a n t i l e v e r a b s t r a c t nist h em o s te f f e c t i v em e t h o df o ri n a c c u r a c yo ft h er o t o rw i t hc e n t e r o f g r a v i t y i nc a n t i l e v e rt oa n a l y z er e a s o n a b l yt h em e a s u r i n gt h e o r y ， f u n c t i o n ，l i m i t a t i o no fd y n a m i cb a l a n c i n ge l e c t r i e a lm e a s u r i n gb o xa n d t h eb u i i tm o d e l t h et h e s i sa n a l y z et h ee x i s t i n gp r o b l e mi nu n b a l a n c e s i g n a la c q u i r e m e n t ，g i v ea ni m p l e m e n tm e t h o db yu s i n gs o f t w a r et os u p p l a n t h a r d w a r e ，a n dr e s e a r c hi n n o v a t iv e l yt h ec o m p u t e ra i d e dd y n a m i cb a l a n c i n g t e c h n i q u ew h i c hi st h eh e a t e da n df o r w a r ds u b j e c ta ti n s i d ea n do u t s i d e i ti st h eb a s i sf o rd y n a m i cb a l a n c i n gt oa c q u i r ea c c u r a t e l yt h es i g n a l t h a th a st h es a m ef r e q u e n c yw i t ht h er o t o rs p e e d f o rt h a tt h et h e s i sb r i n g f o r w a r df u l l p e r i o ds a m p l i n g ，p r e p o s i t i o nf i l t e r ，t r a c k i n gf i l t e ra n d m a n yi n t e r f e r e n c er e s i s t a n c em e a s u r e s i no r d e rt or e a i i z ef u l lp e r i o d s a m p l i n g ，w eb r i n gf o r w a r de q u i v a l e n tt i m ei n t e r v a ls a m p l i n g ：a n a l y z ea l l k i n d so f p o s s i b l e i n t e r f e r e n c e f r e q u e n c i e s ， a n d a d o p tp 1 a u s i b l e p r e p o s i t i o n f i l t e rr a n g e ：u s i n gt r a c k i n gf i l t e rt oa v o i di n f l u e n c eo f s p e e di nm e a s u r i n gu n b a l a n c e ：u s i n gr e l a t i v ei n f l u e n c ec o e f f i c i e n tm e t h o d t oe l i m i n a c et h ei n t e r f e r e n c ec a u s e db yf a c t o r s0 t h e rt h a nm a s sw h i c hh a v e s a m ef r e q u e n c yw i t ht h er o t o rs p e e d ：u s i n ga v e r a g ev a l u eo fm u l t i p e r i o d s a m p li n g t oe li m i n a t ef a l s es a m p l i n gv a l u ea n ds o o n t h et h e s i sd e s i g nb a l a n c i n gs o f t w a r ew h i c hc a nb eu s e di np c i t i n c l u d ee q u i p m e n td r i v ei n s t a l l a t i o na n di n i t i a l i z a t i o n ，a 1 1p a r a m e t e r s a n dal1o w a b1ev a l u es e t ，b a l a n c ef a s h i o na n db e a r i n gm o d es e l e c t i o n ， s i n g l e o rm u l t i p l ec h a n n e l sd a t a s a m p l i n g ，c a l i b r a t i o n ，e l e c t r i c a l c o m p e n s a t i o n ，c o u p l i n gc o m p e n s a t i o n ，a m p l i t u d ea n dp h a s ee x t r a c t i o n ， u n b a l a n c ei d e n t i f i c a t i o n ，p r i n ta n dm a n yk i n d so fd i s p l a ys u c ha sw a v e d i s p l a y ，s a m p l i n gd a t ad i s p l a y ，v e c t o rd i s p l a y ，s p e e dd i s p l a y ，u n b a l a n c e d i g it a ld i s p l a y ，e t c t h es o f t w a r ec a nb eu s e dt ob a l a n c es i n g l ep l a n e ， d o u b l ep l a n e s ，m u l t i p l ep l a n e sr o t o r s ，a n di ti s a p p l i c a b l et on o to n l y b a r ds u p p o r td y n a m i cb a l a n c i n gm a c h i n eb u ta l s os o f t s u p p o r td y n a m i c b a l a n c i n gm a c h i n e i ti st e s t i f i e db y e x p e r i m e n t st h a tt h ed y n a m i cb a l a n c i n gt e s t i n g s o f t w a r eb a s e di nt i g h ta n a l y s i sa n dr e a s o n a b l eo p e r a t i o nc a na c c u r a t e l y o b t a i nt h ea m p l i t u d ea n dp h a s eo ft h er o t o rw i t hc e n t e ro f g r a v i t yi n c a n t i l e v e r t h em e t h o dp r e s e n t e di nt h et h e s i sa r er e a s o n a b l et ob a l a n c e ， s i m p l e ，e a s yt ou s ea n dh a sah i g ha c c u r a c y t h es o f t w a r ei sa p p l i c a b l e t on o to n l yc o m p r e s s o rb l o w e ra n df a nb u ta l s oc o m m o nb a l a n c et e s tin g i th a s i m p o r t a n tp r a c t i c a l v a l u ea n dr e f e r e n c ev a l u ef o rm e c h a n i c a l f a i l u r e d i a g n o s i s ，m a c h i n e r y s u r v e i l l a n c ea n dr e s e a r c ho f f u l l a u t o m a t i c a l l yi n t e l l e c t i v ed y n a m i cb a l a n c i n gs o f t w a r e k e y w o r d s ：f u l lp e r i o ds a m p l i n g ，t r a c k i n g f i i t e r ，r e l a t i v ei n f l u e n c e c o e f f i c i e n tm e t h o d ，c o m p u t e ra i d e dd y n a m i c b a l a n c i n g l + 像交通夫学硕士究生学位论文 上海交通大学 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 论文不包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，均已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。 学位论文作者签名： 餐岔 日期：如5 年月f7 日 ! ：塑奎塑盔堂堡主竺塑兰兰堡堡壅 一 上海交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在一年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密口。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名：谈占魈 日期：泅 年0 月n 日 指导教师签名：详每l 日期：挪年月1 7 日 1 1 ! ：查奎望查兰堕婴室竺堂堡堡壅 一一丝二! ! 至鱼 第一章序论 1 1 研究平衡技术的目的和意义 随着现代化工业大生产的不断发展和和科学技术的目益进步，为了最大限度 地提高生产效率和产品质量，作为主要生产工具的机械设备不断朝大型，高速， 重载，连续运转以及结构复杂的方向发展。这样，在满足生产要求的同时，设备 发生故障的潜在可能性和方式也相应增加，如果某台设备出现故障而又未能及时 发现和排除，其结果不仅会导致设备本身损坏，甚至可能造成机毁人亡的严重后 果。旋转机械是各种类型机械设备中数量最多、应用最广的一类机械，尤其是一 些大型旋转机械，如离心式压缩机、汽轮机、球磨机和大型钻机等，在石化、电 力和冶金等支持国家经济命脉的一些工业部门中属于关键设备。其工况状态不仅 影响该机器设备本身的运行，而且还会对后续生产造成损失。为保证机组安全运 行，降低机组维修费用和提高机组利用率，旋转机械的状态监测和故障诊断的研 究越来越受到研究者和工业部门的重视。 在机械故障诊断中，可用于监测与诊断的信息很多，包括振动、温度、压力、 声响和变形等，在众多的信息中，振动信号能够更迅速、更直接的反映机械设备 的运行状态，据统计，7 0 以上的故障都是以振动的形式表现出来的。振动又会 影响到机器的工作状态，因此要对振动予以控制。 造成机器振动的原因是多种多样的。因此，消除或抑制机器振动的方法也各 不相同。但是，使旋转机械产生振动的主要原因之一是由于转子不平衡质量的惯 性力或惯性力矩所造成的。由于不平衡原因所引起的机械振动约占2 4 ，对于 高速旋转机械，由于不平衡原因引起的振动更为显著。不平衡惯性离心力与机器 转速平方成正比，容易被检测，也容易采取措施。因此，消除或减小机器振动首 先考虑的主要方法是对转子进行平衡，消除或限制机器旋转零部件或往复机构的 不平衡惯性力，以使机器的振动限制在允许的范围内。 引起不平衡的原因。3 是多方面的，有设计方面的原因如：旋转体几何形状设 计的不对称，或尺寸选择的不合理；旋转体上有未加工的毛面；结构上用挠性轴。 材料方面的原因如：组织不均匀；性能差，因变形磨损，疲劳断裂造成零件飞落。 制造工艺方面的原因如：加工误差造成重心偏移；装配造成质量偏心，或引起松 动；整机安装时，轴承偏心引起旋转轴线偏移。运行平衡状态的改变如：叶片上 附着物或不均匀腐蚀，热膨胀不均匀，组装件松动或裂纹造成热阻不均匀；热弯 曲；零件松动或飞落等。 对应于不同原因引起的不平衡应该采用不同的方法，工艺或操作。但总的说 来转子的动平衡就是通过改变转子本身的质量分布来达到其主惯性轴与旋转轴 相重合的工艺过程。以往，无论是在制造厂，还是在运行现场都是采用计算和试 凑的办法。这就带来两方面的问题：一方面要达到一定的平衡精度，必须进行多 次停启机试凑，工作量大、效率低，且需熟练的平衡技巧；另一方面当平衡后转 子在运行过程中平衡状态变化时，需再次平衡，这不仅增加了停机损失，而且在 有些情况下是不允许的，如飞行器在飞行中。因此近年来许多学者提出了很多新 的理论和方法，并且取得了很好的效果。 动平衡机是随着旋转机械的发展而提出来的。旋转部件( 以下简称为转子) 是旋转机械的核心部件。转子的不平衡是产生振动和噪声的主要根源。因此，提 高旋转机械中转子的平衡精度，是旋转机械提高工作转速，延长使用寿命，以及 ! ：查奎望查兰堕婴室竺堂堡堡壅 一一丝二! ! 至鱼 第一章序论 1 1 研究平衡技术的目的和意义 随着现代化工业大生产的不断发展和和科学技术的目益进步，为了最大限度 地提高生产效率和产品质量，作为主要生产工具的机械设备不断朝大型，高速， 重载，连续运转以及结构复杂的方向发展。这样，在满足生产要求的同时，设备 发生故障的潜在可能性和方式也相应增加，如果某台设备出现故障而又未能及时 发现和排除，其结果不仅会导致设备本身损坏，甚至可能造成机毁人亡的严重后 果。旋转机械是各种类型机械设备中数量最多、应用最广的一类机械，尤其是一 些大型旋转机械，如离心式压缩机、汽轮机、球磨机和大型钻机等，在石化、电 力和冶金等支持国家经济命脉的一些工业部门中属于关键设备。其工况状态不仅 影响该机器设备本身的运行，而且还会对后续生产造成损失。为保证机组安全运 行，降低机组维修费用和提高机组利用率，旋转机械的状态监测和故障诊断的研 究越来越受到研究者和工业部门的重视。 在机械故障诊断中，可用于监测与诊断的信息很多，包括振动、温度、压力、 声响和变形等，在众多的信息中，振动信号能够更迅速、更直接的反映机械设备 的运行状态，据统计，7 0 以上的故障都是以振动的形式表现出来的。振动又会 影响到机器的工作状态，因此要对振动予以控制。 造成机器振动的原因是多种多样的。因此，消除或抑制机器振动的方法也各 不相同。但是，使旋转机械产生振动的主要原因之一是由于转子不平衡质量的惯 性力或惯性力矩所造成的。由于不平衡原因所引起的机械振动约占2 4 ，对于 高速旋转机械，由于不平衡原因引起的振动更为显著。不平衡惯性离心力与机器 转速平方成正比，容易被检测，也容易采取措施。因此，消除或减小机器振动首 先考虑的主要方法是对转子进行平衡，消除或限制机器旋转零部件或往复机构的 不平衡惯性力，以使机器的振动限制在允许的范围内。 引起不平衡的原因。3 是多方面的，有设计方面的原因如：旋转体几何形状设 计的不对称，或尺寸选择的不合理；旋转体上有未加工的毛面；结构上用挠性轴。 材料方面的原因如：组织不均匀；性能差，因变形磨损，疲劳断裂造成零件飞落。 制造工艺方面的原因如：加工误差造成重心偏移；装配造成质量偏心，或引起松 动；整机安装时，轴承偏心引起旋转轴线偏移。运行平衡状态的改变如：叶片上 附着物或不均匀腐蚀，热膨胀不均匀，组装件松动或裂纹造成热阻不均匀；热弯 曲；零件松动或飞落等。 对应于不同原因引起的不平衡应该采用不同的方法，工艺或操作。但总的说 来转子的动平衡就是通过改变转子本身的质量分布来达到其主惯性轴与旋转轴 相重合的工艺过程。以往，无论是在制造厂，还是在运行现场都是采用计算和试 凑的办法。这就带来两方面的问题：一方面要达到一定的平衡精度，必须进行多 次停启机试凑，工作量大、效率低，且需熟练的平衡技巧；另一方面当平衡后转 子在运行过程中平衡状态变化时，需再次平衡，这不仅增加了停机损失，而且在 有些情况下是不允许的，如飞行器在飞行中。因此近年来许多学者提出了很多新 的理论和方法，并且取得了很好的效果。 动平衡机是随着旋转机械的发展而提出来的。旋转部件( 以下简称为转子) 是旋转机械的核心部件。转子的不平衡是产生振动和噪声的主要根源。因此，提 高旋转机械中转子的平衡精度，是旋转机械提高工作转速，延长使用寿命，以及 上海交埔大学硕士研究生学位论文 第一章序论 更平稳、更安全、满负载运行的关键。动平衡机是对转子不平衡进行测量和校正 的设备。动平衡机自身性能的好坏直接关系列转子的平衡精度和平衡效率并最 终影响到旋转机械的振动与噪声的大小及机械寿命的长短等诸多性能。 2 0 世纪9 0 年代，现代工业及科学技术迅猛发展，人类环保意识不断增进。 无论是航空航天等高科技领域，还是机械制造、交通运输、动力及纺织机械等基 础工业，甚至于医疗器械、家用电器行业，如何抑制和减少振动噪声、节约能源、 提高工作和生活环境的舒适性都引起了人们的高度重视。解决这些问题的主要途 径是提高高速旋转机械的平衡精度。国内动平衡机发展趋势，仅从随处可见的汽 车轮胎动平衡业中就可见一斑。 我国平衡技术的发展和动平衡机的生产形成于5 0 年代后期，最初是用r c 带 通滤波器的闪光动平衡机和矢量瓦特表式动平衡机，后来出现电子解算电路的硬 支撑动平衡机；滤波技术由带通滤波和相关滤波发展为跟踪滤波，电子计算机技 术也已广泛应用于动平衡机的测量和控制系统。随着平衡理论及实践日趋成熟， 动平衡机的制造水平也有较大提高。 要保证动平衡机的平衡质量和平衡效率，就应使用专用的校验转子定期对其 进行性能复检或维修后的性能检查。但是，由于动平衡技术是一门综合的应用技 术，不仅涉及到动力学、电子学、光学、信号处理、传感器及测试技术等多门学 科，而且还和操作人员有关，因而其校验方法也比一般长度、质量、力学的检测 更为复杂，检验用的转子几何尺寸精度确定比较困难，且其综合精度的确定必须 依赖于动平衡机本身。因此，动平衡机用户受多方面因素的制约，实现自行校验 存在一定困难。大量使用中和维修后的动平衡机的平衡质量存在着较为严重的失 准问题。 图1 1 我们正是基于这一背景并结合上风的课题，经过长时间的理论分析和艰苦的试验 验证，采用软件逐步取代硬件的方法研制成功了用于动平衡领域的d p h 软件，图 1 l 为前期研究所使用的硬件电路框架图。目前国内外最先进的动平衡发展方向 就是运用计算机强大的计算和分析功能将电子电路，数字信号处理，动平衡理论， 数值分析方法，传感器及测试技术等知识融为一体，应用于动平衡领域。动平衡 领域的科研人员在计算机辅助动平衡系统方面作了大量的努力，但到目前为止仍 没有那个软件能够有很高的实用价值，而且大多数都是在d o s 环境下开发的，界 ! ：查奎望查兰堡! ：型茎兰兰垡堡壅l 至兰邑里哩塑堡垦塑堕 面、功能简单，可移植性差，很难升级，编程十分繁琐。我们经过对动平衡电测 仪电路的详细研究和分析，运用相关的理论和知识在v c + + 6 0 环境下开发了基于 w ：n d o w s 的动平衡测试软件，成功的弥补了上述的不足。本软件本来是针对风机 动平衡开发的，后经过修改使其可以用于一般的动平衡测试。这一点在实验室和 上风公司的实际测试中得到了很好的验证。 论文对悬臂外重心转子难以用动平衡电测仪准确测量进行理论分析，实验验 证，利用可视化编程综合、分析、处理这些数据，将其转化为各种可视的图形、 曲线或者过程动画，并且向用户传达足以做出各种定性、定量的工艺性决策的有 关信息。同时作者也希望在国内动平衡研究还不太先进和成熟的情况下，本文对 那些正在研究全自动平衡系统这一国际前沿课题的科研工作者有一定的理论和 实验参考价值。 1 2 本课题所完成的工作 ( 1 ) 构思合理的弹性支架，建立数学模型，作理论分析。 ( 2 ) 详细的分析了动平衡电测仪的各部分电路功能。 ( 3 ) 对软件取代各部分电路功能的信号处理，数值运算及编程过程进行了详尽的 理论推导和说明。 ( 4 ) 实现了软件整周期采样，并对整周期采样的重要性给出了数学解释。 ( 5 ) 利用d s p 技术对信号进行低通滤波和跟踪滤波，解决了这一动平衡研究的核 心问题。 ( 6 ) 解决了动平衡仪的打印难题。 ( 7 ) 对叶轮的动应力和固有频率进行有限元分析。 ( 8 ) 对叶轮的转动惯量进行理论分析和试验验证。 ( 9 ) 在软件上编制完成了平衡的信号分析和处理程序，包括编写p s 一2 1 2 9a d 卡 的驱动，及动态连接，初始化程序，参数设置，平衡和支承模式选择，单、 双平面标定，电气补偿，联轴节补偿，单通道或多通道整周期采样，抗混淆 滤波，测速，平面分离解算，幅值和相位的精确提取和数字显示，采样数据 显示，波形显示，不平衡矢量表显示，打印预览，打印以及实现单、双平面 的影响系数法和相对影响系数法解算程序。使之既可以应用于风机的平衡， 又可应用于一般的不平衡测量或现场平衡。 ( 1 0 ) 对所设计的软件进行实验室和现场验证，包括实验设备的安装，选择和试验 方法的设计等，并对试验结果进行分析。 第二章动平衡发展概述 2 1 经典动平衡理论和技术 从原理上分，平衡方法可以归为两大类，即振型平衡法和影响系数法”1 。振 型平衡法又称模态平衡法。转子依次运行于l ，2 ，n 阶临界转速附近，使 按相应阶振型分布之不平衡度的响应突出占主导地位，然后用一组适当地配重予 以平衡( 按给定的平衡规范) 。这时，应不使已经平衡过的阶次受到破坏。n 是工 作状态下对转子挠曲有显著影响的最高阶次。如果这n 个阶次中，不包括刚体 的两个临界转速，则尚需在低速下用两个校正面对之进行平衡。因此，平衡一个 ! ：查奎望查兰堡! ：型茎兰兰垡堡壅l 至兰邑里哩塑堡垦塑堕 面、功能简单，可移植性差，很难升级，编程十分繁琐。我们经过对动平衡电测 仪电路的详细研究和分析，运用相关的理论和知识在v c + + 6 0 环境下开发了基于 w ：n d o w s 的动平衡测试软件，成功的弥补了上述的不足。本软件本来是针对风机 动平衡开发的，后经过修改使其可以用于一般的动平衡测试。这一点在实验室和 上风公司的实际测试中得到了很好的验证。 论文对悬臂外重心转子难以用动平衡电测仪准确测量进行理论分析，实验验 证，利用可视化编程综合、分析、处理这些数据，将其转化为各种可视的图形、 曲线或者过程动画，并且向用户传达足以做出各种定性、定量的工艺性决策的有 关信息。同时作者也希望在国内动平衡研究还不太先进和成熟的情况下，本文对 那些正在研究全自动平衡系统这一国际前沿课题的科研工作者有一定的理论和 实验参考价值。 1 2 本课题所完成的工作 ( 1 ) 构思合理的弹性支架，建立数学模型，作理论分析。 ( 2 ) 详细的分析了动平衡电测仪的各部分电路功能。 ( 3 ) 对软件取代各部分电路功能的信号处理，数值运算及编程过程进行了详尽的 理论推导和说明。 ( 4 ) 实现了软件整周期采样，并对整周期采样的重要性给出了数学解释。 ( 5 ) 利用d s p 技术对信号进行低通滤波和跟踪滤波，解决了这一动平衡研究的核 心问题。 ( 6 ) 解决了动平衡仪的打印难题。 ( 7 ) 对叶轮的动应力和固有频率进行有限元分析。 ( 8 ) 对叶轮的转动惯量进行理论分析和试验验证。 ( 9 ) 在软件上编制完成了平衡的信号分析和处理程序，包括编写p s 一2 1 2 9a d 卡 的驱动，及动态连接，初始化程序，参数设置，平衡和支承模式选择，单、 双平面标定，电气补偿，联轴节补偿，单通道或多通道整周期采样，抗混淆 滤波，测速，平面分离解算，幅值和相位的精确提取和数字显示，采样数据 显示，波形显示，不平衡矢量表显示，打印预览，打印以及实现单、双平面 的影响系数法和相对影响系数法解算程序。使之既可以应用于风机的平衡， 又可应用于一般的不平衡测量或现场平衡。 ( 1 0 ) 对所设计的软件进行实验室和现场验证，包括实验设备的安装，选择和试验 方法的设计等，并对试验结果进行分析。 第二章动平衡发展概述 2 1 经典动平衡理论和技术 从原理上分，平衡方法可以归为两大类，即振型平衡法和影响系数法”1 。振 型平衡法又称模态平衡法。转子依次运行于l ，2 ，n 阶临界转速附近，使 按相应阶振型分布之不平衡度的响应突出占主导地位，然后用一组适当地配重予 以平衡( 按给定的平衡规范) 。这时，应不使已经平衡过的阶次受到破坏。n 是工 作状态下对转子挠曲有显著影响的最高阶次。如果这n 个阶次中，不包括刚体 的两个临界转速，则尚需在低速下用两个校正面对之进行平衡。因此，平衡一个 ! ：查奎望查兰堡! ：型茎兰兰垡堡壅l 至兰邑里哩塑堡垦塑堕 面、功能简单，可移植性差，很难升级，编程十分繁琐。我们经过对动平衡电测 仪电路的详细研究和分析，运用相关的理论和知识在v c + + 6 0 环境下开发了基于 w ：n d o w s 的动平衡测试软件，成功的弥补了上述的不足。本软件本来是针对风机 动平衡开发的，后经过修改使其可以用于一般的动平衡测试。这一点在实验室和 上风公司的实际测试中得到了很好的验证。 论文对悬臂外重心转子难以用动平衡电测仪准确测量进行理论分析，实验验 证，利用可视化编程综合、分析、处理这些数据，将其转化为各种可视的图形、 曲线或者过程动画，并且向用户传达足以做出各种定性、定量的工艺性决策的有 关信息。同时作者也希望在国内动平衡研究还不太先进和成熟的情况下，本文对 那些正在研究全自动平衡系统这一国际前沿课题的科研工作者有一定的理论和 实验参考价值。 1 2 本课题所完成的工作 ( 1 ) 构思合理的弹性支架，建立数学模型，作理论分析。 ( 2 ) 详细的分析了动平衡电测仪的各部分电路功能。 ( 3 ) 对软件取代各部分电路功能的信号处理，数值运算及编程过程进行了详尽的 理论推导和说明。 ( 4 ) 实现了软件整周期采样，并对整周期采样的重要性给出了数学解释。 ( 5 ) 利用d s p 技术对信号进行低通滤波和跟踪滤波，解决了这一动平衡研究的核 心问题。 ( 6 ) 解决了动平衡仪的打印难题。 ( 7 ) 对叶轮的动应力和固有频率进行有限元分析。 ( 8 ) 对叶轮的转动惯量进行理论分析和试验验证。 ( 9 ) 在软件上编制完成了平衡的信号分析和处理程序，包括编写p s 一2 1 2 9a d 卡 的驱动，及动态连接，初始化程序，参数设置，平衡和支承模式选择，单、 双平面标定，电气补偿，联轴节补偿，单通道或多通道整周期采样，抗混淆 滤波，测速，平面分离解算，幅值和相位的精确提取和数字显示，采样数据 显示，波形显示，不平衡矢量表显示，打印预览，打印以及实现单、双平面 的影响系数法和相对影响系数法解算程序。使之既可以应用于风机的平衡， 又可应用于一般的不平衡测量或现场平衡。 ( 1 0 ) 对所设计的软件进行实验室和现场验证，包括实验设备的安装，选择和试验 方法的设计等，并对试验结果进行分析。 第二章动平衡发展概述 2 1 经典动平衡理论和技术 从原理上分，平衡方法可以归为两大类，即振型平衡法和影响系数法”1 。振 型平衡法又称模态平衡法。转子依次运行于l ，2 ，n 阶临界转速附近，使 按相应阶振型分布之不平衡度的响应突出占主导地位，然后用一组适当地配重予 以平衡( 按给定的平衡规范) 。这时，应不使已经平衡过的阶次受到破坏。n 是工 作状态下对转子挠曲有显著影响的最高阶次。如果这n 个阶次中，不包括刚体 的两个临界转速，则尚需在低速下用两个校正面对之进行平衡。因此，平衡一个 ! 查銮翌查兰堕主塑塞兰兰垒堡茎 笙三垦垫! 塑墨壁! ! 查 挠性转子，至少需n n + 2 个校正面。任何一个挠性转子都存在随机分布的不平 衡量，因此不可能找到这些不平衡量的分布规律，而只能通过这些不平衡量所表 现的转子动力学特征寻找平衡挠性转子的有效方法。模态平衡法就是根据转子上 随机分布的不平衡量能激起转子各阶振型及平衡重量组与主振型正交这一特点， 采用了振型分离的方法，使转子逐阶得到平衡。这种方法需要的运转次数少，灵 敏度比较高，但测量不易准确，且有一定的危险性。对于确定固有振型比较困难 的转子，实际可用的校正面少于需要的数目，不允许在高于最大转速的平衡转速 下运行，这种方法不大适用。此外，这种平衡方法还不适用于具有显著阻尼的系 统。 所谓影响系数法就是利用线形系统中校正量和所测量之间的线形关系，即影 响系数来平衡转子的方法。对于刚性转子的平衡，取一个或两个校正面一个平衡 转速即能达到平衡的目的。对于挠性转子，如只选一个平衡转速就不能保证在某 一转速范围内都能达到平衡。为了保证被平衡的转予既能平稳的通过临界转速， 又能在工作转速平稳的运转，必须选用多个平衡转速，相应的也必须增加校正平 衡的数目，这点是与模态平衡法一样的。因此，用于挠性转子的影响系数法是 一种多平面多转速的平衡方法，这是与刚性转子影响系数法的根本区别所在。 平衡重量组与主振型正交是模态平衡法的基本原理，而影响系数法是利用平 衡重量组与主振型并不正交，对振型进行综合平衡，达到挠性转子平衡的目的。 这是因为在满足一定条件下，在所有平衡面上的校正量组所产生的各阶分量能与 转子上存在的相应阶不平衡量数值相同，方向相反，从而使转子得到平衡。应用 影响系数法对各阶振型不平衡分量进行综合平衡时，每一个影响系数都是通过试 验求得的。这些影响系数实际上反映了振型、支承刚度及其他各种影响因素的影 响。采用这种方法不必事先了解系统的动力相应特性，因而具有灵活的特点，尤 其适用于与计算机相结合，辅助计算平衡量，使平衡工作趋于自动化。 我们把影响系数法和振型平衡法称作经典平衡法，他们是广泛应用于转子动 平衡领域的平衡方法。其实现在许多平衡方法的应用都是对于以上两种方法的改 进或修正。 2 2 应用于动平衡领域的新理论 2 2 1 全息动平衡技术 对于旋转机械的振动信号分析，以f f t 为核心的传统分析方法曾发挥过巨大 作用，目前仍然是其他分析方法的基础。但是，它存在两个缺点：a 振动的幅值 和相位相互分离；b 任一截面的水平和垂直方向振动相互独立。近年来发展的全 息谱“13 分析方法，把水平和垂直方向的振动融合在一起，有效地克服了传统方 法的两大缺点。 转子两端靠近轴承处两个测振平面的转频轨迹信息集成起来，就形成了三维 全息谱。大量的现场数据表明，转子的三维全息谱对应着一定的转子不平衡状态。 如图2 1 所示，当转子仅存在静力不平衡时，转子两端的振动同相，三维全 息谱为一椭圆柱面；当转子仅存在力偶不平衡时，转子两端的振动反相，三维全 息谱为一对互相倒置的圆锥体。 ! 查銮翌查兰堕主塑塞兰兰垒堡茎 笙三垦垫! 塑墨壁! ! 查 挠性转子，至少需n n + 2 个校正面。任何一个挠性转子都存在随机分布的不平 衡量，因此不可能找到这些不平衡量的分布规律，而只能通过这些不平衡量所表 现的转子动力学特征寻找平衡挠性转子的有效方法。模态平衡法就是根据转子上 随机分布的不平衡量能激起转子各阶振型及平衡重量组与主振型正交这一特点， 采用了振型分离的方法，使转子逐阶得到平衡。这种方法需要的运转次数少，灵 敏度比较高，但测量不易准确，且有一定的危险性。对于确定固有振型比较困难 的转子，实际可用的校正面少于需要的数目，不允许在高于最大转速的平衡转速 下运行，这种方法不大适用。此外，这种平衡方法还不适用于具有显著阻尼的系 统。 所谓影响系数法就是利用线形系统中校正量和所测量之间的线形关系，即影 响系数来平衡转子的方法。对于刚性转子的平衡，取一个或两个校正面一个平衡 转速即能达到平衡的目的。对于挠性转子，如只选一个平衡转速就不能保证在某 一转速范围内都能达到平衡。为了保证被平衡的转予既能平稳的通过临界转速， 又能在工作转速平稳的运转，必须选用多个平衡转速，相应的也必须增加校正平 衡的数目，这点是与模态平衡法一样的。因此，用于挠性转子的影响系数法是 一种多平面多转速的平衡方法，这是与刚性转子影响系数法的根本区别所在。 平衡重量组与主振型正交是模态平衡法的基本原理，而影响系数法是利用平 衡重量组与主振型并不正交，对振型进行综合平衡，达到挠性转子平衡的目的。 这是因为在满足一定条件下，在所有平衡面上的校正量组所产生的各阶分量能与 转子上存在的相应阶不平衡量数值相同，方向相反，从而使转子得到平衡。应用 影响系数法对各阶振型不平衡分量进行综合平衡时，每一个影响系数都是通过试 验求得的。这些影响系数实际上反映了振型、支承刚度及其他各种影响因素的影 响。采用这种方法不必事先了解系统的动力相应特性，因而具有灵活的特点，尤 其适用于与计算机相结合，辅助计算平衡量，使平衡工作趋于自动化。 我们把影响系数法和振型平衡法称作经典平衡法，他们是广泛应用于转子动 平衡领域的平衡方法。其实现在许多平衡方法的应用都是对于以上两种方法的改 进或修正。 2 2 应用于动平衡领域的新理论 2 2 1 全息动平衡技术 对于旋转机械的振动信号分析，以f f t 为核心的传统分析方法曾发挥过巨大 作用，目前仍然是其他分析方法的基础。但是，它存在两个缺点：a 振动的幅值 和相位相互分离；b 任一截面的水平和垂直方向振动相互独立。近年来发展的全 息谱“13 分析方法，把水平和垂直方向的振动融合在一起，有效地克服了传统方 法的两大缺点。 转子两端靠近轴承处两个测振平面的转频轨迹信息集成起来，就形成了三维 全息谱。大量的现场数据表明，转子的三维全息谱对应着一定的转子不平衡状态。 如图2 1 所示，当转子仅存在静力不平衡时，转子两端的振动同相，三维全 息谱为一椭圆柱面；当转子仅存在力偶不平衡时，转子两端的振动反相，三维全 息谱为一对互相倒置的圆锥体。 ! 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童奎望查堂堡圭竺塞兰堂壁堡塞 兰三兰堑型生型! 坠 端翔税端舟拦燃 图2 1三维全息谱与不平衡的对应关系 动不平衡是转子不平衡里最普遍的类型。动不平衡对应的三维全息谱为一双 曲面体，它可以被分解为两个独立的部分。一个是圆柱，对应于静力不平衡。另 一个是一对圆锥，对应于力偶不平衡。具体的分解方法如下： 设x ( i ) ，y ( i ) ，( i = l ，2 ，n ) 为从转子一端采集的第i 个采样点，n ：采 样点数；u ( i ) ，v ( i ) ，( i = l ，2 ，n ) 为从转子另一端采集的第i 个采样点。于是， 由静不平衡引起的三维全息谱可以由o 5 x ( i ) + u ( i ) 和o 5 y ( i ) + v ( i ) 创 成：由力偶不平衡引起的三维全息谱可以由o 5 x ( i ) - u ( i ) 和o 5 y ( i ) + v ( i ) 创成。 三维全息谱合并了两张幅值谱与相位谱，不但反映了两个方向振动信号的幅 值，而且反映了它们之间的相位关系，是幅、频、相的有机结合和高度综合“1 。 三维全息谱显示了数个支承截面上同一阶分量的振动轨迹、它们之间的相位关 系、以及在轴心线上出现的节点等信息，在辨别不平衡的类型方面有着独到的优 势。通过全息谱的图形方式，能很快地了解转子的不平衡状态，为制订平衡方案 作指导。应用全息谱参数来表征平衡平面的振动，集成了多传感器的信息，能充 分考虑到转予刚性的各向差异。全息动平衡技术可广泛用于现场动平衡和现有动 平衡机的改造。 文献 4 6 基本上均使用非接触式的涡流传感器，而且要求传感器与转子轴 线垂直。我们知道如果传感器测量面存在缺陷，如旋转轴的不圆度超标，由于磨 损或腐蚀形成凹坑等，那么我们通过滤波是没有办法消除此干扰的，从而可能会 形成虚假的幅相显示。另外非接触式安装很难保证测量面与旋转轴线垂直，这也 会使测量产生相当大的误差。针对上述缺陷，许多科研人员提出了改进的措施， 如使用相对振动量”消除不圆度和凹坑等固有缺陷的影响，采取严格的测量和工 艺措施保证测量面和旋转轴线垂直，并取得了比较好的效果。 2 2 2 遗传算法在动平衡技术中的应用 动平衡技术是抑制或减小转子不平衡振动的主要措施，也是转子动力学研究 的重要内容之一。影响系数法由于具有平衡精度高，不需要了解转子系统的复杂 信息，易于实现微机辅助平衡等优点，因此，在工程中得到了广泛的应用。但是， 影响系数法仍然存在着一些问题，必须加以改进，才能适应工程需要。遗传算法 ( g a ) “1 1 ”。“是一类借鉴生物界进化规律( 适者生存，优胜劣汰遗传机制) 原 ：! 童奎望查堂堡圭竺塞兰堂壁堡塞 兰三兰堑型生型! 坠 端翔税端舟拦燃 图2 1三维全息谱与不平衡的对应关系 动不平衡是转子不平衡里最普遍的类型。动不平衡对应的三维全息谱为一双 曲面体，它可以被分解为两个独立的部分。一个是圆柱，对应于静力不平衡。另 一个是一对圆锥，对应于力偶不平衡。具体的分解方法如下： 设x ( i ) ，y ( i ) ，( i = l ，2 ，n ) 为从转子一端采集的第i 个采样点，n ：采 样点数；u ( i ) ，v ( i ) ，( i = l ，2 ，n ) 为从转子另一端采集的第i 个采样点。于是， 由静不平衡引起的三维全息谱可以由o 5 x ( i ) + u ( i ) 和o 5 y ( i ) + v ( i ) 创 成：由力偶不平衡引起的三维全息谱可以由o 5 x ( i ) - u ( i ) 和o 5 y ( i ) + v ( i ) 创成。 三维