（制浆造纸工程专业论文）造纸机械旋转件现场动平衡技术的研究.pdf

摘要 近年来造纸机车速不断提高，幅宽不断增加，中高速纸机国产化关键技术研究已经进 入我国“8 6 3 ”计划。对于中高速纸机，在生产过程中旋转件不平衡问题变得更加突出，已 成为必须关注的重要问题。而采用现场动平衡技术能够改善纸机旋转件的工作性能。并带 来显著的经济效益本文对造纸机械旋转件现场动平衡技术做了系统的研究，必将推进这 项技术在我国造纸行业的发展和应用。 本文从理论上有针对性地分析了造纸机械旋转件不平衡的类型、振动机理，以及相应 平衡理论方法；探讨了造纸机械旋转件及其支承系统的典型故障的机理、构件系统在诊断 不平衡等过程中可能存在的影响；通过转子实验台模拟分析了造纸机旋转件的典型故障和 现场动平衡过程；建立了造纸机械现场动平衡分析系统，探讨了动平衡分析系统的现场安 装过程；最后，通过复卷机进行了现场动平衡实践。 本文研究结果如下： ( 1 ) 在现场动平衡研究中，可将造纸机械旋转件一支承系统看作单自由度振动系统 处理。确定了辊体的平衡品质以及允许不平衡量在校正面上的分配。由于造纸机旋转件表 面属于工作区，一般不宜作为校正面因此，校正面位置仅限于两端，对大直径辊体可在 端面附加片状质量块进行校正，对小直径辊体可在辊壳内表面附加棒状平衡重进行校正。 ( 2 ) 造纸机械转子系统中，各零部件故障相互影响，可能有两个或两个以上故障的 耦合出现，导致振动信号特征相互叠加，增加了诊断的难度对此，可先通过转子实验台 对现场可能存在的故障进行模拟分析确定。 ( 3 ) 现场动平衡模拟实验结果表明，采用影响系数法可以快速有效地实现刚性转子 平衡校正，更适于造纸机旋转件的现场动平衡另外，平衡过程中发现校正面位置的选择 会对平衡质量产生明显的影响。而采用振型平衡法可很好的实现转子过l 阶临界转速的平 衡，但此方法起停车次数多，计算较为复杂。 ( 4 ) 采用非接触电涡流传感器测轴振，减少了轴承缺陷故障振动的干扰，快速、准 确实现了对不平衡故障的诊断。考虑到某些转子组成部分涡流传感器安装不便，制定了以 加速度传感器代替涡流传感器进行信号采集的备用方案。动平衡分析系统设计为三个模 块，即故障监测诊断模块，数据管理模块和动平衡计算分析模块。便于实现对转子系统故 障监测诊断，提高诊断效率，同时也提高了现场动平衡的效率。 ( 5 ) 确定了校正配重计算方法，并设计了标准配重质量块尺寸和安装方式 ( 6 ) 通过对复卷机底辊的现场测试与动平衡实践，成功地将辊体的不平衡量控制在 允许范围内，说明应用本文成果于造纸机械实际是可靠可行的 关键词：造纸机械；旋转件；现场动平衡；非接触测量；故障诊断 s t u d yo nf i e l db a l a n c i n gt e c h n o l o g y f o rr o t o r s0 fp a p e rm _ a 咖r y a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，o p e r a t i n gs p e e do fp a p e rm a c h i n ec o n t i n u o u s l yg o i n gu p ，t h ew i d t h i n c r e a s e d , d o m e s t i cr e s e a r c ho fk e yt e c h n o l o g i e so nh i g h s p e e dm a c h i n eh a v eb e e nl i s t e di n t o c h i n a s ”8 6 3 “p r o g r a m s f o rh i 曲一s p e e dm a c h i n e ，i nt h ep r o d u c t i o np r o c e s sr o t a t i n gp a r t s u n b a l a n c eb e c o m e sm o r ep r o m i n e n t , a n dh a sb e c o m ea l li m p o r t a n tp r o b l e mw h i c hm u s tb e c o n c e m e d a p p l i c a t i o no ff i e l db a l a n c i n gt e c h n i q u ec a ni m p r o v ep e r f o r m a n c eo ft h er o t a t i n g p a r t so f p a p e r m a c h i n ea n dt a k es i g n i f i c a n te c o n o 血cb e n e f i t s i nt h i sp a p e r , t h es y s t e m i cs t u d y o ff i e l db a l a n c i n gw a sd o n e ，f o rr o t o r so fp a p e rm a c h i n e r y , a n dt h i sw o u l dp r o m o t et h i s t e c i m o l o g y sd e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o ni nc h i n a sp a p e ri n d u s t r y t h e o r e t i c a l l y , t h et y p e so fu n b a l a n c ea n d , a b r a t i o nm e c h a n i s mo fr o t a t i n gp a r t so fp a p e r m a c h i n e r y , a n dt h ec o r r e s p o n d i n gb a l a n c i n gt h e o r yw e r ea n a l y z e d ；t h et y p i c a lf a u l tm e c h a n i s m o fr o t a t i n gp a r t sa n ds u p p o r ts y s t e m so fp a p e rm a c h i n e r yw a sd i s c u s s e d ，a n dt h ee f f e c to f c o m p o n e n ts y s t e m si nt h ed i a g n o s i so fu n b a l a n c ew h i c hm i g h te x i s tw a sa n a l y z e d ；t h r o u g h r o t o rt e s t - b e d , s i m u l a t i o na n a l y s i so nt y p i c a lf a u l t si np l a c ea n df i e l db a l a n c i n go fr o t o r so f p a p e rm a c h i n e r yw a sd o n e ；d e v e l o pt h ef i e l db a l a n c i n ga n a l y s i ss y s t e mo fp a p e rm a c h i n e r y , a n de x p l o r eo n - s i t ei n s t a l l a t i o np r o c e s sf o rt h eb a l a n c i n ga n a l y s i s ；f i n a l l y , t h ew i n d e rw a s b a l a n c e di np l a c e 。i h er e s u l t sw e r e f o l o w s ： ( 1 ) i nf i e l db a l a n c i n gr e s e a r c h , r o t o r - s u p p o r ts y s t e mo fp a p e rm a c h i n e r yc a nb ea s i n g l e - f r e e d o mv i b r a t i o ns y s t e m 1 1 把b a l a n c eq u a l i t yo fm i l e ra n dd i s t r i b i n i o no fp e r m i s s i b l e u n b a l a n c eo nt h ee n ds u r f a c ew e r ed e t e r m i n e d a st h e $ u r f a c eo fr o t a t i n gp a r t so fp a p e r m a c h i n ew a st h ew o r k i n ga r e a , g e n e r a l l yn o ts u i t a b l et ob ec o r r e c t i o np l a n e t h e r e f o r e ，t h e p o s i t i o no fc o r r e c t i o np l a n ew a sl i m i t e dt ot w oe n d s f o rl a r g e m i a m e t e rr o l l e r sf l a k ec o r r e c t i o n m a s sw a sa d d e dt ot h ee n ds u r f a c e ，a n df o rs m a l l d i a m e t e rm i l e r st h er o do fc o r r e c t i o nw e i g h t w a sa d d e dt oi n n e rs u r f a c eo f t h er o l l e rc r u s t ( 2 ) f o rp a p e rm a c h i n er o t o rs y s t e m s ，f a u l t so f t h ec o m p o n e n t sa f f e c te a c ho t h e r , m a yh a v e t w oo rm o r ec o u p l i n gf a u l t - e x i s t , a n ds u p e r p o s i t i o no fc h a r a c t e r i s t i c so ft h ev i b r a t i o ns i g n a l m a k et h ed i a g n o s i sm o r ed i f t i c u l li nt h i sr e g a r d , w em a yd of a u l ts i m u l a t i o na n a l y s i so n p o s s i b l ef a u l t si np l a c et h r o u g h r o t o rt e s t - m d ( 3 ) s i m u l a t i o nr e s u l t so ff i e l db a l a n c i n gi n d i c a t e st h a tu s i n gt h ei n f l u e n c ec o e f f i c i e n t m e t h o dc a nq u i c k l ya n de f f i c i e n t l ya c h i e v er i g i dr o t o r sd y n a m i cb a l a n c e ，m o r es u i t a b l ef o r j r o t o r so fp a p e rm a c h i n e r y i na d d i t i o n , t h ec h o i c eo fc o r r e c t i o np l a n ei sf o u n dt oh a v eac l e a r i m p a c to nq u a l i t yo f b a l a n c e a n dm o d a lb a l a n c i n gm e t h o dc a l lb eu s e dt ob a l a n c ea r o t o ro v e r 1s tc r i t i c a ls p e e d , b u tt h i sm e t h o dd e m a n d sm a n yt i m e ss t a r t u pa n ds t o po fm a o h i n e ，a n di t s c a l c u l a t i o ni sm o r ec o m p l e x ( 4 ) n o n - c o n t a c te d d yc u r r e n ts e n s o r sw e r eu s e dt om e a s u r es h a f tv i b m t i o l l ，t or e d u c e v i b r a t i o nd i s t u r b a n c e so ft h eb e a r i n gd e f e c t , a n dr a p i d l y , a c c u r a t e l yr e a l i z ed i a g n o s i so f u n b a l a n c ef a u l t t a k i n gi n t oa c c o u n tt h ei n s t a l l a t i o no fe d d yc u r r e n ts e u s o r sf o rs o m er o t o r c o m p o n e n t si n c o n v e n i e n t , t h es p a r ep l a no fl o wf r e q u e n c ya c c e l e r o m e t e r sw a sd e v e l o p e dt o r e p l a c ee d d yc u r r e n ts e n s o r sf o rs i g n a la c q u i s i t i o n b a l a n c i n ga n a l y s i ss y s t e mw a sd e s i g n e df o r t h et h r e em o d u l e s ，n a m e l y , f a u l tm o n i t o r i n ga n dd i a g n o s i sm o d u l e ，d a t am a n a g e m e n tm o d u l e a n db a l a n c ec a l c u l a t i o na n da n a l y s i sm o d u l e f a c i l i t a t e dt h ea c h i e v e m e n to fm o n i t o r i n ga n d f a u l td i a g n o s i sf o rr o t o rs y s t e m , a n di m p r o v e dt h ed i a g n o s t i ce f f i c i e l l c ya n dt h ee f f i c i e n c yo f f i e l db a l a n c i n g ( 5 ) d 咖疵t h ec a l c u l a t i n gm e t h o do fc o u n t e r w e i g h t , a n dd e s i g nas t a n d a r d s i z e c o u n t e r w e i g h tb l o c ka n dt h ei n s t a l l a t i o nm e t h o do f c o u n t e r w e i g h t ( 6 ) b yf i e l dt e s t i n ga n db a l a n c i n gp r a c t i c ef o rt h eb o t t o mr o l l e ro fw i n d e r , r o l l e ru n b a l a n c e w a sc o n t r o l l e dw i t h i nt h ep e r m i s s i b l er a n g e i ts h o w st h a tt h er e s u l to f t h i sp a p e ru s e dt op a p e r m a c h i n e r yi sr e l i a b l ea n df e a s i b l e k e yw o r d s - p a p e rm a c h i n e r y ；r o t o r , f i e l db a l a n c i n g ；n o n - c o n t a c tm e a s u r e m e n t ；f a u l td i a g n o s i s z h a n gf e i c h a o 叫pa n dp a p e r m a k i n ge n g i n e e r i n g ) s u p e r v i s e db yp r o f c s s o rz h a n gh u i u 本学位论文知识产权声明 本学位论文是在导师( 指导小组) 的指导下，由本人独立完成。 文中所引用他人的研究成果均已注明出处。对本论文研究有所帮助的 人士在致谢中均已说明。 基于本学位论文研究所获得的研究成果的知识产权属于南京林 业大学。对本学位论文，南京林业大学有权进行交流、公开和使用。 研究生签名：一苏龟 导师签名： 日期： 趁 彤1 uu 莎叼、6 、叫 致谢 本论文是在导师张问：教授的悉心指导下完成的! 三年来导师严谨的治掌态度、渊博的掌识、踏实的工作作风以及认真 的科研精神深深的影响了瑟。导师积极引导并鼓励瑟在论文研究中努力探索、 勇于创新，让我受益匪浅。三年来，无论是掌习、研究工作还是生活方面都 得到导师的热心帮助。在a l t , - i , l t 向导师张辉教授致以最诚挚的谢意。 感谢化掌工程学院吴解生老师、戴红旗老师、童国林老师、皮成忠老师 在完成学业和论文研究过程中给予许多有益的指导和帮助。 感谢南京金银杏纸业有限公司的纪金汉总工程师、夏惠林工程师他们 在论文现场实践过程中给予了获很大的帮助。 感谢室友段俊原、张翼飞，蔡双飞硕士以及硕2 0 0 4 ( 1 0 ) 班的全体同掌。 还有师弟邱荣华，姚新跃、师妹施永红等感谢他们在掌习、论文研究以及 生活中给予的关心和帮助。 最后特别感谢我的父母，感谢他们我多年来对我的支持和鼓励- i , k 我冀l i 够顺利完成掌业和论文。 作者：张飞超 2 0 0 7 年6 月于南林 1 1 论文背景 第1 章绪论 1 1 1 高速纸机国产化及其运行中面临问题 近年来，随着我国国民经济的快速发展，造纸工业取得了极大的进步。造纸术作为我 国古代的四大发明之一，在工艺上延续了传统的湿法造纸，从本质上讲，至今变化不大； 造纸业的发展突出表现在工艺的实现方式上即造纸机械装备水平的现代化提甜”尤其是 近几年来，造纸装备的升级和改造有力的推动了我国造纸工业的进步。我国自主开发研制 现代化造纸机械的要求已经被列入了国家中长期科技发展纲要，而设计和开发国产中 高速纸机也被成为国家8 6 3 计划重要课题之一 目前，“8 6 3 ”计划的高速纸机国产化研发课题中明确将“稀释水流浆箱”、“夹网成形 器”、“靴式压榨”和“高速纸机监测自控技术”立为四大攻克关键技术。除上述外，作为造 纸机中所占数量最大，直接影响到纸张产品质量的旋转件( 辊筒、烘缸等) 的研发，日益 受到关注其中包括旋转件设计和运行维护过程如何改善和提高旋转件质量。因为纸机车 速提高，必然会导致旋转件的振动问题变得更加突出。旋转件的不平衡作为造纸机械常见 故障之一，也是纸机产生振动的主要原因之一因此，如何实现造纸机旋转件的快速、高 效的平衡就成为造纸机械维护过程中迫切需要解决的问题。 1 1 2 我国造纸机械运行动平衡状况 经过二十多年来的发展，我国造纸行业在传统的动平衡机平衡方法上已经积累了较为 丰富的经验，并已十分成熟。但随着我国造纸机车速的普遍提高，不平衡问题变得更加突 出，而停机维修时间的限制要求快速、准确地实现对不平衡的校正 对于现场动平衡技术，国外造纸行业的应用实践表明，现场动平衡可充分利用旋转件 在线运行信息，实现对造纸机械旋转件不平衡的在线监测，平衡效果好，并显著减少非正 常停机时间和维修停机时间，并减少旋转件拆、装的工作量，改善纸机的工作性能，提高 纸机生产效益，延长设备的使用寿命，为企业带来了显著的经济效益是现代造纸机械运 行维护的发展方向。因此，针对我国造纸机械发展现状和趋势，本课题提出了对造纸机旋 转件现场动平衡技术的研究 1 1 3 课题意义 本课题是现代造纸机械监测与故障诊断技术研究的一个分支国内造纸行业的科研机 构和院校尚未开展造纸机械现场动平衡技术的系统应用研究 进行造纸机械旋转件现场动平衡重要意义在于： ( 1 ) 保障辊筒和大型的烘缸等旋转件平稳、连续、安全的运行以提高纸机产量，保证 生产的纸品质量； ( 2 ) 减少非正常停机时间，缩短维修时间及成本； ( 3 ) 减少动力消耗，增加纸机运行效益； ( 4 ) 减少振动及噪声，改善工作环境，增加工人工作的舒适感； ( 5 ) 优化纸机结构，改善纸机运行性能，提高纸机的工作车速，延长纸机使用寿命。 另外，研究的现场动平衡技术经验可为其它造纸机机械的动平衡提供参考。随着我国 造纸机械和造纸工业的发展，造纸机旋转件的动平衡问题已引起了较大的关注。开展这方 面的研究正适应了目前工程应用的需要。 1 2 平衡技术与机械振动监测诊断技术 1 2 1 不平衡振动识别 据统计，有4 0 左右的旋转机械振动是由不平衡力引起的。因此，准确、快速的识 别、校正旋转件( 即转子) 的不平衡是非常必要的。 要想实现对转予的不平衡校正，首先必须能够对转子的不平衡做出准确的诊断。据统 计，目前现场平衡的成功率约为8 0 ( 即使是在知道存在不平衡的情况下) 。有些情况下， 来源于其它机械故障原因产生与转子不平衡相同的振动特征，容易造成误判，通过平衡校 正也就无法消除这种振动故障。因此，对不平衡进行精确的识别诊断就显得非常重要。而 通过现代振动监测诊断技术就可以实现对不平衡的有效识别诊断1 2 1 。 1 2 2 振动监测技术发展概况 在机械故障中，由于振动强弱直接与故障相关，振动所包含信息量大，能够迅速、直 接和可靠地反映机械设备的运行状况，因此基于振动分析理论的机械故障监测诊断易于实 现 目前，在故障诊断领域，振动监测诊断技术【3 i n 是研究和应用最多的技术，尤其在线 性振动理论方面的研究和应用已相当成熟。在当前的工程应用中，故障诊断系统普遍采用 线性振动模型进行分析。但当设备产生强振时，往往会出现一些线性理论无法解释的现象， 这主要由于实际系统振动本质上是非线性的。因此，人们对非线性理论展开了广泛的研究， 目前已有许多成果p “。 但由于机械系统本身复杂性和影响因素的不确定性。目前对于非线性故障的诊断还未 得到有效的解决，离实际工程应用还有一定距离。 1 2 3 振动监测方法 振动监测诊断技术是- - f - j 相当成熟的技术，它所采用的信号处理与分析方法很多，有 振动的时域分析包括波形分析、自相关分析、时域滤波、时域平均等；有频域分析包括 f f t 幅值谱、相位谱、功率谱估计、全息谱分析等；时频域分析包括w i g n e r 分布、短时 f f t 谱、小波分析等。另外，还有轴心轨迹、角域分析、分形维数等分析技术。振动监测 诊断技术应用十分广泛，绝大多数机械设备都可以用振动方法进行诊断。振动诊断技术不 仅可以应用在设备状态监测与故障诊断中还可以应用在产品质量检验中。 2 1 2 4 振动监测技术的发展趋势 机械状态监测与故障诊断技术与当代前沿科学的融合是设备故障诊断的发展趋势所 在。当前机械状态监测与故障诊断技术正朝着传感器的集成化、智能化、多维化，诊断理 论及模型的多元化，诊断技术的智能化方向发展。具体有如下几个方面： ( 1 ) 当代最新传感技术1 7 尤其是激光测试技术应用于设备运行状态信号的拾取。近年 来，激光技术已经成功应用于测振和旋转机械对中诊断等方面； ( 2 ) 新的信号处理技术口】【9 】应用于设备故障信号分析。将传统的基于f f t 的线性、平 稳信号分析技术与目前正受到广泛研究的、适用于非线性、非稳态信号分析的小波变换技 术相互结合，拓展了故障信号分析的范围； ( 3 ) 随着混沌与分形几何理论与方法1 1 0 1 1 的日趋完善，机械的非线性故障诊断问题将 得到进一步解决； ( 4 ) 多传感器数据融合技术的发展，将实现对设备全方位、多层次、多角度的监测与 维护； ( 5 ) 现代人工智能技术( 如专家系统、模糊逻辑、神经网络、进化算法等) 不断地与 机械故障诊断技术相互融合，将大大提高故障诊断系统的智能水平； ( 6 ) 远程故障诊断技术 1 2 - 1 5 】的研究与应用将作为设备故障诊断技术现阶段和长远努 力的目标。 1 3 动平衡技术的起源与发展 1 3 1 平衡技术的起源 在机械的旋转部件中，绕固定轴线旋转的部件称为转子( 旋转件) 。在旋转转子的运 行速度范围内，按照其变形程度可分为刚性转子( 形变可忽略不计) 和挠性转子亦称柔性 转子( 形变不可忽略不计) 转子不平衡现象在各类旋转机械中普遍存在，是最常见的机 械振动故障之一。 转子不平衡可能造成严重后果，不平衡的存在将使支承及整个机器承受附加的动载 荷，不平衡轻则造成机械的振动、噪声，影响其寿命、工作性能及操作环境，造成结构共 振、引发失稳等，重则造成整机破坏。因此，转子的平衡技术因需而生。 1 3 2 转子平衡方法 转子平衡的分类根据定义的不同，可有多种分类方法。 ( 1 ) 按平衡转速下，转子的动力学特征分为：刚性转子平衡法和挠性转子平衡法 a 刚性转予平衡法”q i s 0 1 9 2 5 将刚性转子定义为：凡可在两个( 任选) 校正面上进行平衡校正，且校正后 在任意转速下直至最高转速，它的不平衡量不会明显超过平衡允许的残差( 相对于轴线) ， 其中转子运行条件近于最后支承系统的条件，这样的转子可认为是刚性转子以刚性转予 平衡过程中采用的测量手段可分为：振幅平衡法和影响系数法。 振幅平衡法是通过测量平衡转子的原始振幅和若干次等分位置试加重后的振幅 来分析判断不平衡重量的大小和位置。目前现场常用的测振幅平衡法主要有两点法、三点 法、加质量周移法。 影响系数法是一种基于校正配重与测量的转子振动之间的线性关系，即影响系数 来对转子进行平衡的。刚性转子的影响系数法又可分为单面法和两面法。对于长度和直径 之比较小或转速低的转子可不考虑不平衡力偶的影响而采用单面法进行校正。此外，刚性 转子的平衡方法还有相对相位法、向量分析法等。 b 柔性转子平衡法 工程上把工作转速在其一阶临界转速7 0 以上的转子都称为挠性转子。挠性转子在 低于一定转速下旋转时，即成为刚性转子。转子转速升高后，由于不平衡力使转子转轴产 生弯曲变形，而且这种变形转子转速的变化而变化，因此挠性转子的平衡和刚性转子有着 本质区别。目前，现场所用的挠性转子平衡法，多数是通过振型分析，采取相应的方式配 置平衡重量。其具体方法可分为两类：振型平衡法和影响系数法。 矢量平衡法挠性转子的最基本的动平衡方法是矢量平衡法( 简称矢量法) ，在刚 性转子中，由于测试技术的进步，这个方法已很少使用。这个方法的优点是与系统的阻尼 无关，而其缺点是只适应单测点和单校正面的情况，并且有时所求得的校正量会很大，以 致在工程上实现困难。 振型平衡法即模态平衡法，是将空间挠度曲线看作是各阶振型曲线的矢量迭加， 通过平衡各阶振型曲线来消除转子的挠曲，从而在较宽的转速范围内获得转子的平衡。 1 9 5 7 年，德国f c d e m 首先提出了较为完善的挠性转子动平衡方法，称振型分离法( 简称 振型法) 。对于校正面数n 的选择，f e a e m 主张采用( n + 2 ) 。而1 9 5 9 年，英国的b i s h o p 提出采用n 面校正的主张 其优点是：机组启动次数少；计算简单，各阶振型的平衡灵敏度高；平衡高阶后不破 坏低阶平衡状态。 缺点是：很难或是不可能平衡三阶以上的高阶振型；对于大阻尼转子系统平衡效果不 好：需预先确知转子系统的振型；对平衡人员要求较高；现场平衡时，可供使用的平衡校 正面数受到限制，一般多为两个校正面，使用此方法必须使转子在各阶临界转速附近运转， 而这在现场是不太可能实现，因此，此方法现场应用效果不太理想。 影响系数法及其优化【”1 1 ”】 1 9 1 1 9 6 3 年g o o d m a n 提出了最d , - - 乘法在影响系数法中的应用。7 0 年代t e s s a r z i k 与 b a d g l e y 对g o o d m a n 提出的方法做了补充，提出了正确测点转速法，而丹麦的l u r i d 与 t o n n e s o n 又提出了优化影响系数法。影响系数法是依据在平衡转速下，平衡重量对各阶 振型都起作用，从而对各阶振型综合处理的方法。 影响系数法优点是：对于有平衡要求的各阶振型能做到一次性平衡。 缺点：起停车次数多；高阶振型灵敏度不够：校正面选择不当将导致加校正重不合理。 1 9 7 4 年，德国的g i c r s 将振型法和影响系数法初步结合起来，提出了计算机辅助动平 衡理论。1 9 7 9 年，美国的msd a r l o w t 2 0 l 与英国的p a r k i n s o n 等将振型法和影响系数法进 一步结合起来，形成了综合平衡法，它是在影响系数法的基础上，利用振型平衡法中的振 4 型分离的特点来选择各项参数。 刚性转子影响系数法与挠性转子影响系数法比较 挠性转子和刚性转子的影响系数法数学原理相同，但平衡的原理和工艺不同，其异于 刚性转子主要特征是：在平衡转速下，平衡重量与振型非正交；不能局限于一个转速下进 行平衡；平衡后残余振动量不应为零 目前，在理论研究方面，刚性转子动平衡理论已相当成熟。挠性转子动平衡理论在 国内外已经形成了大量的研究成果，但是对于挠性转子的非线性问题仍是没有得到很好的 解决挠性转子系统的动平衡理论仍是建立在无阻尼线弹性的基础上。 ( 2 ) 按平衡中转子支承方式可分为：平衡机平衡法和现场平衡法 平衡机平衡法指转子单体在制造或运行维护过程中，被置于专用的平衡设备进行不平 衡校正的平衡方法。现场动平衡是机械转子直接在整机上、在工作转速下，通过检测系统 进行不平衡测量与诊断，并在无零部件拆卸和安装的情况下进行转子平衡。 ( 3 ) 按平衡校正方式又可分为：离线平衡法和在线平衡法，详见1 3 4 ( 1 ) ( 4 ) 按转子的不平衡集中质量分布情况又可分为：静平衡法、动平衡法 通常，转子上的不平衡是分布式的，对于刚性可简化为某一截面上的当量不平衡或某 两个或两个以上截面上的当量不平衡。前者称静不平衡，后者称动不平衡。 a 静平衡法：仅用一个校正面，技术上简单，精度低，只能平衡不平衡力，不能平 衡力矩。 b 动平衡法：需用两个( 也可用一个，但对一般情况应该用两个) 或两个以上校正 面( 一般进行多校正面平衡是以挠性转子或多支承多转子系统为对象的) ，可平衡不平衡 力和不平衡力矩，技术上较复杂，能代替静平衡。 图i - i 转子平衡方法的分类 f i g i - 1c l a s s i f l i c a t i o no f b a l a n c i n gm e t h o d s ( 5 ) 按平衡中采用的理论基础又可分为模态( 振型) 平衡法、影响系数法和综合平衡 法。 在工程上通常根据需平衡对象及平衡采用的理论技术方法进行分类( 如图1 1 示) 。 1 3 3 动平衡技术发展历程 ( 1 ) 静平衡 平衡技术的发展可以追溯到原始平衡机平衡技术的开发。1 8 7 0 年，加拿大的h e n r y m a r t i n s o n 首先研制出了重力式静平衡机，其适应了早期低车速、刚性转子模型旋转体平 衡的需要。随着旋转机械运行速度的不断提高，仅校正转子的静不平衡己满足不了日益发 展的机械制造业的需要。因此，各国相继开展了动平衡机研究与制造。 ( 2 ) 仅测振幅动平衡机 1 9 1 5 年，德国的申克( s c h e n c k ) 公司正式生产出来世界上第一台双面动平衡机并投 入工程应用。当时的动平衡机属于共振型平衡机，即平衡转速在转子摆架系统的共振区 内，这种平衡机的特点是振幅很大，采用机械式测振表即可测量，但它只能测量振幅估算 不平衡，不能测相位，更没有平面分离功能，是靠反复试凑平衡的，这种平衡机早已淘汰。 ( 3 ) 软、硬支承动平衡机 至2 0 世纪4 0 年代，出现了软支承平衡机，它工作转速高于共振区，振幅仍较大，且 振幅等于不平衡引起的偏心距( 忽略寄生质量) 。这种平衡机的测量精度较共振型的有很大 提高，特别是配备了电补偿功能和平面分离电路以后，真正实现了在两个平面上准确测量 不平衡的大小和相位。 2 0 世纪6 0 年代，传感技术和电子测量技术取得了很大进展，出现了振幅较小的硬支 承平衡机，7 0 年代以后，硬支承动平衡机迅速发展并得到了广泛的应用。而且由于其精 度较高、永久性标定、结构坚固可靠、操作简单、使用方便的特点而在越来越大的范围取 代了软支承平衡机。现在平衡几十千克以上转子所需的平衡机中，软支承平衡机已经淘汰 对于通用型平衡机，较小转子的平衡也有硬支承取代软支承之势，事实上2 0 世纪9 0 年代 中期，德国申克公司的h t 0 1 b 型硬支承平衡机可平衡的最小转子重量已达0 0 2 k g 。目前， 申克公司还生产许多现场动平衡设备，如移动式动平衡机h 9 0 t “) 平衡机平衡技术特点 传统的基于平衡机的平衡法由于其所受干扰小、平衡精度高、效率高，特别适于对生 产过程中的旋转机械旋转件傲单体平衡的特点，目前在动平衡顿域中仍发挥着相当重要的 作用，风机叶轮、汽轮机、航空发动机等普遍采用这种平衡方法。随着现代工业生产的发 展，旋转机械向着连续化、高速化、大型化、精密化、复杂化和自动化的方向发展，这种 平衡方法存在以下不足： 平衡转速与工作转速不同，造成平衡精度下降； 平衡机( 特别是高速立式平衡机) 价格昂贵； 转子在动平衡机上平衡条件于实际工况差别大。装机后其平衡精度难以保证，当 在工况下运转时，仍可能产生不允许的振动； 有些转子受到尺寸和重量上的限制，很难甚至无法在平衡机上平衡； 6 转子要拆下来才能进行动平衡，停机时间长、平衡速度慢、经济损失大 为了克服上述平衡机平衡法的缺点，人们提出了现场动平衡方法 现场动平衡是旋转机械在工况下，通过检测系统进行不平衡测量与诊断，并在无零部 件拆、装的情况下进行转子平衡校正现场动平衡只需一套的测试系统就可以实现对转子 不平衡的诊断，并可采取加试重或不加试重法进行平衡，因而较为经济此外，由于转子 在实际工况条件下进行平衡，不需要再装配等工序，整机在工作状态下就可获得较高的平 衡精度。因此特别适用于一些大型的、结构复杂的旋转机械系统、精密的仪器或是精密机 械中的小型转子。 1 3 4 现场动平衡技术发展状况 ( 1 ) 现场平衡动技术概况 早在2 0 世纪3 0 年代，g b k a r e l i d 2 1 】l 就进行旋转机械转子的现场动平衡研究，2 0 世纪5 0 年代，有人对柔性转子的现场动平衡展开了研究，但由于当时电测技术水平低， 平衡效果不好。到了8 0 年代，电测技术有了较大发展，从而促进了现场动平衡技术的研 究和应用。人们开始对动平衡现场平衡法进行广泛而深入的研究，提出了一系列新的现场 动平衡方法，如振型圆平衡法、仅测相动平衡法【2 3 】和无试重动平衡法凹】等。 许多旋转机械需要长时间地连续工作，这会导致转子热变形、磨损和尘垢、物料的不 均匀堆积等，这些随机性因素随时都会使平衡遭受一定程度的破坏，因此需要不断地对其 进行平衡，这就促使人们对转子的在线动平衡技术进行研究。 ( 2 ) 在线动平衡技术口5 】【2 6 】 。 转子在线动平衡是一种不影响转子正常工作的平衡技术。它是利用振动传感器和电气 检测装置，在线检测出工作状态下转子的不平衡量的大小及相位，然后根据此信息，再手 动或自动控制平衡机构的工作，使其产生相应的校正平衡量，并与原始不平衡量抵消或去 除原始不平衡量，从而使转子及时得到平衡。 从平衡原理来分，转子在线动平衡可分为三类： 加重( 去重) 法通过直接在转子上加重或去重来校正不平衡量。这种方法具有简便、 迅速、易于控制等优点，主要有喷涂法、喷液法及激光去重法等。 电磁轴承方法和电磁圆盘方法鲫网当圆盘旋转时，将其重心强行拉到旋转中心 的方法 平衡头法嗍平衡头法是目前用得最广的在线动平衡法平衡头是一种可在线调 整校正平衡量的装置平衡头法就是将平衡头装在旋转轴上，根据测得的转子振动信息， 通过控制系统在平衡头内调整质量的大小和方位，使其产生校正平衡量，并与原始不平衡 量相抵消，达到平衡转子的目的。这种方法调整灵活、平衡迅速、便于在线应用，平衡头 一般分为机械头和喷液式平衡头 在线动平衡技术是由于工业生产的需要而形成的，近二三十年内对它的研究很多， 取得了一定进展，但离实际生产应用还有一段距离。此外，对挠性转子系统和变速转子系 统的在线自动平衡技术及装置的研究例【3 l 】将是今后研究重点 ( 3 ) 动平衡仪表及监测系统 7 传统的现场动平衡手动逐点测量方式由于平衡速度慢、效率低，已远远不能满足目前 现场平衡的需求。因此，国内外陆续开发了各种计算机辅助柔性转子动平衡系统，例如， 日本s i g m a 公司的柔性l l l i j 性转子的现场动平衡仪，日本三菱公司砑制的计算机辅助平衡 系统，美国西南研究所研制的转予监测与平衡系统，美国b e n t l y 公司的b a l a n c e t m 软 件系统等。 另外，将转子不平衡的监测、分析和平衡计算集成于一体的微型、便携式的现场动平 衡设备也是臣前主要的发展方向之一。 1 3 5 国内动平衡技术发展概况 我国于1 9 5 8 年开始动平衡理论研究和动平衡装置的研发。目前已形成一批稳定的科 研队伍。同时，有许多单位开展了动平衡设备和现场动平衡仪、现场动平衡系统的研究和 生产，如上海申超、广州华顺等公司生产的动平衡机系列，现在可满足从几克到几十吨的 旋转体的平衡需要。北京伊麦特开发的e m t - 3 7 0 现场动平衡仪和兼有现场动平衡软件包 的e m t 0 6 9 0 c 故障诊断系统。北京理工大学研制的挠性转子计算机辅助平衡系统，郑州 机械研究所所研制的具有3 2 通道和多种平衡方法的平衡系统，西安交通大学由屈梁生院 士主持开发的柔性转子全息现场动平衡技术【3 2 】，东南大学测振仪器厂还研发了用于现场 动平衡的硬软件系统。 1 3 6 动平衡技术发展趋势 随着计算机技术、人工智能技术、故障诊断等技术进步和现代化工业生产发展的需要。 今后动平衡技术的发展趋势如下： ( 1 ) 旋转机械旋转件的动平衡技术向着自动化、智能化、精确化的方向发展。尤其是 在线动平衡技术将成为现场动平衡技术一个非常有前景的发展方向； ( 2 ) 旋转机械平衡的范围将扩展到旋转体加工制造、安装、应用的全过程，即在旋转 部件处于原材料准备、加工阶段、加工结束、装配阶段、现场使用等各个不同阶段都必须 考虑平衡问题； ( 3 ) 适应控制( a d a p t i v ec o n u 0 1 ) 技术的不断发展和完善平衡不仅包括旋转件制造 工艺中单纯的测量和校正，而且要考虑机器现场运行状态下要控制的各种参数，把机械运 行时的各种参数直接反馈回来，使这些参数保持在期望值的状态并对平衡状态进行人工的 或是自动的调整： “) 现场动平衡装置【珈”】向着集成化、微型化和便携式的方向发展。而对于大型旋转 机械系统运行中产生的转子失衡问题，其动平衡技术作为机械状态监测与故障诊断技术的 重要的组成部分之一，将得到更大的发展 1 4 动平衡技术在造纸行业的发展与应用概况 随着造纸工业的快速发展和造纸机械制造技术的进步，现代化造纸机械在我国的发展 迫切需要现代化的技术维护手段珏3 8 1 。现代制浆造纸机械特别是造纸机几乎全部由大量 的旋转件构成，这些旋转件无论在加工制造、旧纸机改造提速和造纸机生产运行过程中都 需要进行动平衡校验。特别是近年来造纸机车速不断提高，幅宽不断增加，在生产过程中 旋转件不平衡变得更加突出，已成为必须关注的一个重要问题口9 】因此，国内外造纸机 械制造和造纸企业广泛开展了造纸机械旋转件动平衡技术的研究和应用。 1 4 1 造纸机械旋转件不平衡产生的原因及后果 ( 1 ) 引起旋转件( 转子) 不平衡的原因 a i 转子设计、加工制造过程 设计方面旋转体几何形状设计的不对称，或尺寸参数选择的不合理；结构上用 挠性轴，因微小不平衡引起弹性弯曲变形，或因局部受热( 碰摩等) 引起热弯曲破坏原有的 平衡； 材料方面组织不均匀，性能差，因交形磨损，疲劳断裂造成零件飞落； 制造安装工艺方面加工误差造成重心偏移；装配造成质量偏心，或引起松动。 b 造纸机安装运行过程 整机安装时，轴承偏心引起旋转轴线偏移； 纸机运行中平衡状态的改变：配合辊筒由于中高不足或挠性问题而导致互加载荷 不均，旋转件的组织不均匀，热膨胀不均匀；组装件松动或辊筒中高不足造成的裂纹，热 弯曲；基础松动