（化工过程机械专业论文）纯机械式在线动平衡系统的研究.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 动平衡技术是与静力学、动力学等学科密切相关的。门综合性技术，随着旋的发 展应运而生，经长期发展，已在旋转愀键技术中占有重要地位。广泛应用于电力、化【、 机械等e 业部门的旋转机械，在运行中常会因不平衡的振动而停车。此时，需要对旋转 机械进行动平衡。一般可采用比较成熟的现场动平衡方法消除转子不平衡。然而现场动 平衡是一种试重和加重的反复调整过程，需要频繁启停机。这需要花费很多的时间，引 起巨大的经济损失。解决这一问题最理想的方法是进行在线自动平衡，就是在不中止机 器运行状态下对转子进行动平衡。 本文在综述了近百年来国内外减振技术及在线动平衡研究成果的基础上，提出了一 种新型的纯机械式动平衡头，并将之运用于实验转子上，实现了此转子的在线动平衡。 本文主要成果如下： 1 分析了现有动平衡头的性能，提出了一种全新的纯机械式动平衡头。详细介绍了此 平衡头各组成部馓转动部件、静止部件和自动喂料装置) 的结构和相互配合方式，以及基于 此平衡头的转子动平衡原理。 2 ，搭建了安装有此平衡头的转子实验装置，并配以所需的测控软硬件。详细描述了实验 装置的软硬件设计流程，并在其中介绍了在线动平衡实验步骤。 3 在完成了在线动平衡装置的准备陛实验后，进行了在线减振实验和动平衡头陛能检测 实验。实验证明，纯机械式动平衡头能稳定、快速和高效消除转子不平衡量及其激励的振动， 使转子平稳运行。 4 研究了这种动平衡头的控制策略，介绍和测试了其中的几种控制方法。并进行了比较。 浙江大学硕士学位论文 a b s l 7 r a c t b a l a n c i n gt e c h n i q u ei sa l li n t e g r a t e dt e c h n i q u e , w h i c hi sc o r r e l a t e dw i t hm e c h a n i c s ，d y n a m i c sa n d s o m e o t h e r d i s c i p l i n e s i t a p p e a r e d w i t h t h e d e v e l o p m e n t o f t h e r o t a t i n g m a c h i n e r y w i t h a l o n g - t e r m d e v e l o p m e n t , b a l a n c i n gt e c h n i q u eh a sb e c o m eo n eo ft h ec r u c i a lt e c l - a l i q u e sf o rt h er o t a t i n g m a c h i n e r y a sw ek n o w , r o t a t i n gm a c h i n e r yi sa p p l i e dw i d e l yi nt h ei n d u s t r i e ss u c ha st h ep o v v e r p l a n t , t h ec h e m i c a le n g i n e e r i n g , t h em e c h a n i c a le n g i n e e r i n ge t c d u r i n go p e r a t i o ni ti sq u i t eo f t e nf o r t h em a c h i n e r yt ob es t o p p e d 3 e c , a u s eo f 她v i b r a t i o ni n d u c e db yt h ee x c e s s i v eu n b a l a n c e hs u c ha c a s e ，r o t o rb a l a n c i n gi se x p e c t e d u s u a l l y , f i e l db a l a n c i n gi ss e l e c t e dt oe l i m i n a t eo rr e d u c et h e v i b r a t i o nc a u s e db yt h eu n b a l a n c e h o w e v e r , f i e l db a l a n c ei sa l li t e r a f i v ep r o c e s so fa d d i n g 血m w e i g h t a n d a d j u s t i n g w e i g h t t o d o m i s t h e m a c h i n e r y h a s t o b e s t o p p e d a n dr e s t a r t e d m a n y t i m e s ，s o i tw i l lc o s tm u c hf i m ea n dl e a dt dg r e a te c o n o m i cl o s s t h ei d e a l i s ts o l u t i o nt ot h eu n b a l a n c ep r o b l e m i st op e r f o r mo n - l i n e b a l a n c i n g , t h a ti st os a y , t oc a n yo u tb a l a n c i n gw i t h o u ti n t e r r u p t i n gt h eo p e r a t i o n o f t h em a c h i n e r y b a s e do i lt h es u r l i n l a r yo ft h ev i b r a t i o nr e d u c i n gt e c h n i q u e sa n dt h eo n - l i n eb a l a n c i n gr e s e a r c h e s h o m e a n da b r o a d i nr e c e n t y e a r s ，t h i s p a p e r p u 扭f o r t h a n e w k i n d o f o n - l i n e b a l m c i n g h e a d ，t h e p u r e m e c h a n i c a lo n - l i n eb a l a n c i n gh e a d t h i sb a l m i d n gh e a di sa p p l i e do na ne x p e r i m e n t a lr o t o r t h e o n - l i n eb a l a n c i n ge x p e r i m e n ti sc a r r i e do u ts u 删y t h e f o l l o w i n g sa r et h em a i na c h i e v e r r 瑚t s ， 1 t h e p r o p e r t y o f t h e e x i s t i n g b a l a n c i n g h e a d s m e m l a 吼a n e w k i n d o f b a l m c i n g h e a d ，t h e p u r e m e c h a n i c a lo n - l i n eb a l a n c i n gh e a d ，i sp r e s e n t e d ，t h ed e t a i l e ds t l u c a m e , t h ec o n j u n c t i o na n dt h e b a l a n c i n gc h a r a c t e r i s t i c so f t h em l a n c i n gh e a da r ed e s c r i b e d 2 a ne x p e r i m e n t a ls e t u pw i t ht h i sk i n do fb a l a n c i n gh e a d 拈c 蚰s t r u c t e d o t h e rt e s ta n dc o n t r o l d e v i c e a r e e q u i p p e d t h e s o f t w a r e p r o c e s s a r i d t h e o p e r a t i n g p r o c e s s o f t h e e x p e r i m e n t a ls e t u p a r e d e s c r i b e d 3 a f t e r t h e n e c e s s a r y p r e p a r a t i o n , m e 蹦p 喇n 1 啷o f t h e o n - l i n e b a l a n c i n g t o r e d u c e t h e v i b r a t i o n i s c a r r i e do u t , t h ep e r f o m m c eo ft h e b a l a n c i n gh e a di se v a l u a t e d t h ee x p e r i m e n t sp r o v et h a tt h e p i l i en x c h a n i c a to n - l i n eb a l m c i n gh e a dc a l lr e d u c et h ei l r l b a l a n c ef a s t , e f f i c i e n t l ya n ds m o o t h l y a f t e r b a l a n c i n g , t h e e x p e r i m e n t a l r o t o r c a n o p e r a t e p e a c e f u l l y 4 t h e c o r m o l l i n g s t r a t e g y f o r t h i s k i n d o f b a l a n c i n g h e a d i ss t u d i e d s e v d a l c o n g o l m e t h o d s a r e p u t f o r w a r d a n d t e s t e d t h e c o 咖b e t w e e n i s m a d e k e y w o r d s ：r o t o r , o n - l i n e b a l a n d n g , p u r e m e c h a n i c a l o n - l i n e b a l a n c i n g h e a d ， c o n t r o ls t r a t e g y 2 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 动平衡目的 动平衡技术是与理论力学、材料力学、动力学、精密机械和精密仪表等学科密切相关的 一门综合i 生技术，随着旋转机械的发展应运而生，与转子的运行平稳性密切相关，在旋转机 械关键技术中占有重要地位。 实际转子的设计、加工、运输、安装和材料特洼等一系列的原因，都可能使转子产生初 始不平衡。而转子在运行过程中的部件破损、剥落会使转子产生过程不平衡。转子不平衡将 引起机械振动，影向其正常运行。机械振动的主要危害是：机器支承受到了动载荷的作用， 影响了支承的正常工作；动、静部分磨损、基础松裂，或使机器油管裂开、自动调节器失效， 致使加器要经常修理或过早破坏；扰动四周的机械设各和仪表，使调节装置和保护系统有可 能发生误动作而使设备和仪表无法正常工作；产生噪音，影响工作人员的身心健康。虽然机 器的其他原因如：油膜振荡、间隙振荡等也会产生振动，但据统计概率来看，由于转子不平 衡引起的振动约占7 0 一8 0 ，此问题较突出。鉴于机械振动的此类危害，一旦不平衡引起 的振动超过了旋转机械的允许振动值，就需要对转子进行动平衡，使其达到一定的动平衡精 度和品质。世界各国对动平衡技术相当重视，制订了不少转子动平衡品质评定标准，如西德 v d l 2 0 5 6 t ”、v d l 2 0 5 9 ( 1 9 6 4 ) 1 2 1 、v d l 2 0 5 9 ( 1 9 7 9 ) 【3 】、v d l 2 0 5 9 ( 1 9 7 9 ) t 4 1 标准和日本j i sb 0 9 0 5 嘲 标准等。国际标准化组织也制订了不少有关标准，如i s o1 9 2 5 同，i s o1 9 4 0 用，i s 0 5 4 0 6 i 8 j 和 s o5 3 4 3 1 9 1 。另外，国际商业e 通用的工业汽轮机标椎a p l 6 1 1 1 1 0 与a p 6 l2 “1 以及离0 压缩 机标准a p l 6 1 7 中也都有转子动平衡品质的验收条款。 1 2 动平衡技术简介 动平衡技术的楱心目标是消除转子不平衡。转子不平衡的实质是其威蝴离转轴中心。 对于转子不平衡的普通理解为：转子质量相对于转子轴线分布不均匀。而转子动力学中的定 义如下：当转子的中心主惯陛轴缘即惯隆圭轴) 与旋转轴线不重合时，转子存在不平衡。转 子不平衡具有四种基本类型埘：静不平衡、力偶不平衡、动不平衡、准静不平衡。 旋转机械运行时，转子在不平衡量产生的周期性离心力作用下受迫振动。其不平衡振动 的动力学理论基础可见参考文i 科1 3 1 ，这里不详细介绍。不平衡的转子又有刚性和柔眭之纠“， 浙江大学硕士学位论文 具有刁i 同的不平衡受迫振动特性，因此，须采用不同的动平衡方法。 1 2 1 刚性转子动平衡 由于生产需要，转子动乎衡理论发展迅速。二十世纪初，大部分转子系统工作存第一阶 临界转速以下。转子的挠度变形可忽略不计，因此属于刚性转子。当时对刚性转予动平衡研 究较多，至二十世纪三十年代后期，刚性转子动平衡理论己逸近成熟。 关于刚陆转子，在璐01 9 2 5 6 1 中有如下定义：“凡可在两个位龟校正平面上进行校正，并 且校正t f 舌在任意转速直至最高工作转速，其不平衡量不会明显超过平衡允差( 相对于轴线) ， 其中转子运行条阳丘于最后支承系统的条件，这样的转子可认为是刚性转子”。这说明刚性转 予具有如下特点：如果转子在平衡机上的支承情况与在工作运转时的支承情况相差不大，转 子只需在平衡车专j 敷没有严格规定，般为工作转速的2 0 左萄上用二个( 任竭校正面平衡校 正后就抨稳地运转在工作转速e 。这个定义实质上是以转子在工作转速范围内及升速过程 中是否出现不允许的转子弯曲变形，从而造成超过动平衡允 午误差的不平衡量为界限来区分 的。这在学术上是有道理的。但是从工程e 来说，这个定义就暴露了些缺点。例如对于新 设计的转子，制造前用上述定义较难判别转子是否属于刚性。这样就很难确定转子是否需要 进行高速动平衡，也很难进行校正面的安排。在实际转子上校正面往往不能任意选择，在实 用上很难把两个校正面的转子都归属于刚性转子。 我国机械工业部颁布的j b3 3 3 0 - 8 3 “汽轮棚n 洼转子动平衡标准”【1 5 1 中，为了实用方便 起见，对于刚蝴的定义是在e 述定义后增加了下列说明 1 目：“就汽轮机转子而言，刚性 转子最高连续运行转速_ 股应小于转子一轴承系统第弯曲临界转速的7 0 ”。 刚性转子的平衡受某速度限制如果转速超过这一限制转速，已经平衡了的转予又不 平衡。特别是当转子工作在临界转速之e 时这种平衡方法失去作用。 1 2 2 柔性转子动平衡 1 9 5 6 年k 提出判断转子刚柔洼撸臻1 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，转子属于柔日：转子。按照业内的一股经验，当转子运行速度大于一阶 i 隘界隧咖o 时，转子进入柔陛状蠡。随着生j 谳的发展，柔眭轷的动平衡够i 越重 要，于是相继出现了各种动平衡理论及平衡方法，归纳起来可分为两大类。 第- - 划r h e a a d l 8 1 、b 北一蜘、a ( ) 0 【n 耐删为代表坚持使用的影响系数法。该方法是刚 性转子动平衡的两平面向量法在柔陛转予系统中的推广。第二类是m d d 萄【2 l l 、g l a d w e l l 必、 f e d 即、b i s l l o p i 卸1 2 5 】为代表坚涛使用的振型平衡法，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 达到整个转予系统的平衡。 2 浙江大学硕士学位论文 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，引f 隋各自不同的目 标函数。影响系数法是在各选定的平衡转速下，使转予上各测振点的振动幅值为零。它并不 能保证在全部转速范围内转予各点的振动都很小；而振型平衡法要求消除引起目矾阶振型的不 平衡量，裥阶以上的各高阶不1 t 衡量在1 i 衡后仍残留。只是高阶不平衡引起的振动i 同直般 都远远小于低阶振型的振动幅值，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予振动完拿消除，为了提高平衡精度，相继出现了各种修正 方法。为了充分利用这两种平衡方法的优点，避开它们的不足，d r e c t t s l e r j 7 8 1 、d a r l o wm ， s 、s m a l l o y a j 和p a r k i n s o n a g 【2 9 口o 等人在七十年代中后期又提出了一种新的平衡方 法即综合平衡方法。这种方法在影响系数的基础上充分利用模态平衡法中的振型分离的 特点选择各项参数如平衡转速，校正平面位置，加重角度等等，不但综合了模态平衡法 试车次数少的特点，还可以象影响系数法那样，利用计算机辅助平衡。1 9 6 4 年g o o d m a n 提出最小二乘法及加议最小二乘澍竭，是对影响系数方法的种修正。这种方法的物理意义 是寻求组校正质量，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澍3 司，该方法是在影响系数法的基础上提出种可通过双 ( 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 $ 口白木万博 等 、采用影响系数法与振型平衡法相结合的种动平衡技术，即所谓“振型圆”平衡方法。 它可以判别主要不平衡量的大体分布隋况，大大减少开停车次数，提高了效益及平衡精度。 随着研究的不断深入，动平衡理论及方法将不断发展和完善。近年来，随着计算机的日益 普及和测试手段的迅速发展，动平衡技术也得到了突飞猛进的发展。 目前，除了继续在模态法和影响系数法基础上继续研究如何减少起动次数外，在动 平衡方法和手段的研究上有两大趋势：1 研究平衡精度高、有使用价值的无试重平衡方法 阱卜刚。其基本思想是通过理论计算，由测得的振动不平衡响应来推断不平衡量及轴承系 数，这种方法由于对转子系统建模的精确性要求非常高，应用场合还暂时受到限制；2 研究实现转子运行中自动平衡的方法。 评价种平衡方法、比较各种平衡技术的常规准则是：平衡精度高，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，钡l 腻仪器简单。如果采用加( 去) 重 方法，则应使校正质量数目少、重量轻。蔚丘有 提出采用比较系数k 来判断动平衡效剩删。 k = ( a j a ) i m ，其中a ，、a 是平衡前后转子溯螺点振幅，m 为校正总质量。k 值越大， 说明单位校正质量减振效益越高，平衡系越优良删。 1 2 3 转子动平镯现状 转子动平衡主要包括现场动平衡和平，衡机动平衡。易拆装的小型转子如电栅转子、叶轮 浙江大学硕士学位论文 这两类半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f f ，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，使转予上各测振点的振动曜值为零。它并不 能保证在全部转速范围内转了各点的振动都很小；而振型t f 衡法要求消除引起自矾阶振型的不 平衡量矾阶以上的各高阶不1 z 衡量在平衡后仍残留。只是高阶不平衡引起的振动幅值_ 般 都远远小于低阶振型的振动幅值，对转子系统止常1 作影响不显著。 这两类平衡力法都不能使终于振动完全消除，为了提高平衡精度，相继出现了各种修正 方法。为了充分利用这两种平衡方法的优点，避开它们的不足，i ) r e c j 口i 、d a r l o wm s 、s m a 】1 0 y aj 和p a r k i t m o nag 删嘲1 等人在七十年代中后期又提 _ _ ；了一种新的平衡方 法即综合平衡方法。这种方法在影响系数的基础上充分 0 用模态平衡法中的振型分离的 特点选择各项参数如平衡转速，校正平面位置，加重角度等等，不但综合了模态平衡法 试车次数少的特点，还可以象影响系数法那样，利用计算机辅劝平衡。 4 年g o o a m a n 提出晟小二乘法及加投最小_ 乘澍竭，是对影响系数方法的种修正。i 豁十方法的物理意：；c 是寻求铝校正暖量，佳各浸慌点在各平衡转速f 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型3 习，该方法是在影响系数法的基础上提出种可通过双 ( 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 目自木万博 等人采用影响系数法与振型下撕法相结合的种动平衡技术，即所谓“振型圆”平衡方法。 它可以判别主要水平衡量的大体分布睛况，大大减少开停车次数，提高了效益及平衡精度。 随着研究的不断深入，动平衡理论及力法将不断发展和完善。近年来，随着计算机的日益 普及和测试手段的迅速发展，动平衡技术也得到了突飞猛进的发展。 目前，除了继续在模态法和影响系数法基础上继续研究如何减少起动次数外，在动 平衡方法和手段的研究上有两大趋势：l + 研究平衡精度高、有使用价值的无试重平衡方法 h 。其摹本思想是通过理论计算，由测得的振动不平衡响应来推断不平衡量及轴承系 数，这种方法由于对转子系统建模的精确性要求非常高，应用场台还暂时受到限制；2 研究实现转子运行中自动平衡的方法。 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，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。起动瞒 子容易通过i 蜢界转速。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 来判断动平衡效剩”。 j | r = ( a 一a ) i m ，其中a ，、a 是平衡前后转子测振点振幅，m 为校正总质量。k 值越大， 说明单位校正质量减振效益越高，平衡系越优良j 。 1 2 3 转子动平衡现状 转子动平衡主要包括现场动平衡租平衡机动平衡。易拆装的小型转子如电机转子、叶轮 转子动平衡主要包括现场动平衡和平衡机动平衡。易拆装的小型转子如电机转子、叶轮 浙江大学硬士学位论文 等，通常部采用动平衡机进行动平镆产”。大型的固定转子不宜移动，且所需动平衡机过于庞 大，所以一般采用现场动平衡技术进行动平衡。然而j l 贸用的现场动平静雄是一个开机、 停机、试重和加重的反复调整过程，要求频繁地开车、停车，花费较多人力、财力和时间， 而且频繁的开、停车冲击对机器的寿命也有一定的影响。虽然不断改进的快速动平衡技术通 过理论和实践的优化，可以减少开、停车次数，遁并没有根本解决此问题。随着生产线的一 体化进程不断提高和工艺过程的不断进步，对开、停车次数的限制越来越苛刻。而在某些特 殊生产线上，旋转设备开车后不允许短时间内停车，此时，王贝场动平衡已经不能满足设备动 平衡的要求。而且，现场动平衡技术只能基本消除设备初始不平衡，而不能在机器运转过程 中实时消除随机出现的不平衡。在现代大型流程工业中，如化工、冶金、发电等行业中，旋 转初械处理的介质常含有黏附洼、腐蚀- 陛泣子或介质本身具有腐蚀陛。平衡良好的转子( 如 炼油机生产中的烟机转予，维尼龙生产中的离心压缩机转子，磷肥生产中的尾气鼓风机转子， 电站锅炉的引风机转子等) ，在工作段时间后就会因叶轮的冲蚀、腐蚀、结垢而导致平衡状 态恶化从而引发振动，严重时将引起旋转机械停车，从而造成巨大损失。由于现场动平衡已 经难以彻蝴决此类问题，因此需采用在线动平衡。 1 3 在线动平衡 1 3 1 在线动平衡简介 在线动平衡是在传统的动平衡方法局限陆避来越明显的情况下应运而生的。它自够在转 子正常运行状态下，实时监测转子振动，并随时消除运行连程中出现的不平衡。整个动平衡 过程无需停车。 旋转机械在线自动平衡主要分两大类：类是被动式自动平衡装置，另类是可控在线 自动平衡系统。被动式自平衡装置是根据转子系统的动力学特点设计，利用了转子的“自动 对中”这动力学特点，其平衡速度、能力以及精度都无法达到现代旋转机械的要求。所以， 目前主要研究工作集中在可控在线动平衡系统的研究己 1 3 2 在线动平衡头 可控在线动平衡系统的关键技术是自动平衡头的设计。自第一台自动平衡机在美国问世 以来自动平衡头得到广泛的重视，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 平衡头。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 与不平衡力腰敞坊向相反、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 为间接在线动平衡头，如采用电磁轴承方法及电磁圆盘方 去等。第三种是通过某种方式改变 平衡头( 盔曲内部质量分布( 不加重+ 也不去虱使其几何中心与旋转中心重合，质量的重新分 4 浙江大学硕士学位论文 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头。其分类隋况如 图1 1 所示。 图1 - 1 主动式在线动平衡头的分类 l 3 2 1 直接型在线动平衡头 直接型在线动平衡头主要包括喷涂式、喷滚式和激光去熏式动平衡头。 喷涂式平衡头是一种加重式在线自动平衡头。通过喷射枪将高粘度物质喷射到转子上， 改变跨子萤0 位置，实现转子动平衡1 9 8 0 年g o u s a r o v 提出了此方法h ”。1 9 8 7 年s l a n 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。然而这种平衡方法存在的很 多实际问题：高孝占度喷射物质以高速喷射并粘附在转子上，在很短的时间内产生较大的冲击， 使转子产生其他新的不平衡量；喷射物质粘附在转子上，严重影响转子表面质量；喷射速度 限制了转子的旋转速度。这种平衡装置股用在小型旋转机械或精密仪器制造生产线上，应 用范围狭窄。 喷液式平衡头棚也是百十加重式在线动平衡头。常见的喷液式在线动平衡头有两种， 分别如图l - 2 - a 、1 - 2 b 所示。图l - 2 - a 中的平衡头安装在转子端部，由外却撇单片机蝴l 控制下，向动平衡头端面的不同弧形喷液入口分别喷射特定质量的液体，从而改变目f 衡头的 质量分布，实现单端面在线动平衡。图1 - 2 _ b 中的动平衡头可以安装在转轴的任意位置，平衡 头中心沿轴向分布了四个环形入口槽，每个槽分别连通个液体容积腔。向不同的轴向入口 槽喷射液体，液体就能吲i 目 着此槽进入容积腔，从而改变动平衡头质量分布，以实现在线动 5 浙江大学硕上学位论文 平衡。喷液式动平衡头容腔容量有限，平衡能力受到限制；容腔中液体易挥发，影响长期平 衡精度。 a a j h r aa a 剖面 圈 速 厩铆 嵝秽 陆邸 图1 - 2 喷液式动平衡头 激光去重式平衡头嘲利用激光瞬间释放高能的特征，通过控制脉冲激光柬的发射时间、 脉冲宽度及能量大小，使转子特定质量的材料在微秒量级时间内气化。以此方式改变转子的 几何中心，从而实现在线动平衡。8 0 年代扔期m 甄u m 等人研制出这种平衡头。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金属气化，留下许多伤痕， 刚氐转子的疲劳极限，缩短了转子系统的使用寿命；动平衡过程中易产生飞边、毛刺和金属 氧化物，严重影响转子表面质量；金属气化过程中，金属微粒以蒸气形式弥散在空气中，污 染环境，危害人体健康；由于激光束只能短时气化微量金属，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b 鳓等巨型转子系统的平衡是不适用的，般只适用于 小型机构的平衡，如牙钻、陀螺仪等。 1 3 2 2 间接型在线动平衡头 间接型在线动平衡是通过在平衡头( 盔曲上附加与不平衡离心力大小相等、方向相反的力， 以抵消不平衡离心力，实现转子系统动平衡。目前，这种平衡头主要包括电磁轴承型在线动 平衡头及电磁圆盘型在线动平衡头，平衡原理基本致，i 匿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予旋转角速度相同频率的平衡电磁力，实观转子系统的在线 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 的旋转棚捌扫彩说，能耗大，柳捌拦割勾内应力大。另外，这类坪獭赫疆黜复杂。几何尺寸较 大，而目成本高，般用于短其目运行的小型旋转机械。 1 3 2 3 混合型在线动平衡头 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，并通过控帝9 系统， 浙江大学硕士学位论文 改变装在转子轴上并与转子系统起旋转的平衡头内部质量块的位置，实现质量再分布，使 得转子质0 落在旋转电b 上。根据平衡质量块存平衡头上移动的轨迹，调整方式可分为三种， & p 直角坐标式、极坐标式和混合坐标式。直角坐标式( 如图l 一3 _ a ) 平衡质量奥椭对平衡头只做 径向移动，每个平衡质量块相对于平衡头只改变大小，不改变方向。极坐标式( 如图1 3 - b ) 平 衡质量块相对于平衡头只做周向移动，各个平衡质量块产生的平衡力只改变方向，不改变人 小。混合坐标式( 如图1 3 一c ) 平衡质量块既可做径向移动，又可做周向移动，使得平衡力既改 变大小，也改变方向，大大提高了i 陌效率。 根据驱动平衡质量块移动方式及控制方式的不同。混合在线动平衡头可分为电动机型、 遥控型及电磁型在线动平衡头，其中以电动机型和电磁型最为常见。电动机必昆合在线动平 衡装置是指平衡质量块是由电动机驱动，而电动机贝8 是通过电刷与控制系统相联接。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，电动机由系统无线遥控( 如微波遥控、 红外遥控及超声波遥控 翰。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。混合型在线动平衡装置在转予产生不平衡振动时，调整平衡质 量块的位置，对转子系统进行在线动平衡。转子系统平衡后，不再对平衡头输入能量，即可 切断电动机电源或澈消拖动平衡质量块移动的电磁力，克限了间接型在线动平簿嶷置的先天 不足，节约了能源。 a 直角添戈b 极巍斌c 混合坐标式 图1 3 混合型动平衡头原理 对混合型在线动平衡装置研究最早的是加拿大自缸v 孤d e v e 剥研】。】9 6 4 年他提出了运用 可相对转子系统连续调整的由电机驱动的平衡块实现转子在线自动平衡。如图1 4 q 所示，固 定在平衡头上的电动机通过涡杆带动平衡质量块作径向移动( 直角坐标垂当。1 9 7 8 年他对动平 衡头作了改进，如图1 铀所示，使用电机驱动作为平衡质量块的齿轮作周向运动( 极坐标垂9 。 这两种平衡头通过电刷引入驱动电动机的电源，结构复杂，寿命较短，而且需要特种电动机， 实用性较差。由于驱动电机在平衡头上作相对运动，电动机和传动装置也以相同转速随转子 系统旋转，所以，这种动平衡头般不适用于高速转子在线动平衡。 浙江大学硕士学位论文 图a 涡杆式电扭驱动平衡头图b 齿轮式电机驱功平衡头 1 丝杆2 质量块3 电动机躺齿轮 图1 4 电机驱动式在线动平衡头 簇 鬣茹& 彦弋 垄由 耥迨蕊 卤 磁粼 碍r r x 渐 鋈 戮薏 乡 爵 x o e x 瞄 闺潜 要文n9 z 乙眩刁b 1 估f 莹 器；z 定子；3 反，仨片；4 压橇王滑盘矗渭盘睡z 哥衡瑰8 襁问q 瞄寿子；9 蜗转丁及弹簧 图1 - 5 电磁式在线动平衡头 目前，直接型、间接型和混合型在线动平衡头都有实际应用，而应用最广的主要是以下 三种动平衡头：电机驱动式机械动平衡头、喷液式动平衡头和电磁式动平衡头。这三种主流 平衡头在美国s c h m l t i 公司和l o r d 公司都有商品化的产品生产，在世界各发达国家有应 用。它们各有特点，平衡眭能良莠不齐，其具体性能比较如表1 所示。 直到目前为止，国内外这三种主流平衡头仅仅能长期稳定地工作于较低转速下，高速、 超高速性能并不稳定可靠。据国外生产厂家介绍，这些平衡头都可以在实验室条件下，短期 运行于1 0 ( 3 0 0r p m 以上乃至1 3 0 0 0r p m 的高转速下。但在实际的使用场合，般都用在5 0 0 0 r p m 以下具有中低速的冈十 生转子的机器上，且对使用的环境温度也有限制。国内在在线动平 8 浙江大学硕士学位论文 衡的研究方面始于e 世纪8 0 年代。1 9 8 9 年陕西机床厂的俞鹤轩报道了微机控制下的喷液式砂 轮在线动平衡装置【5 3 j ，该装置的应用对象为磨床。随后许多科研人员陆续开展了这方面的研 究。表2 归纳出了国内按照年份序的有代表眭的研究结果，这些研究结果在减振的综合效果方 面都有令人满意的表现。虽然总体的运行转速呈上升趋势，但还是局限在中低速范围内。 表1 三种平锯头性能净陡的比较 电机驱动机械式 喷液式 电磁式 结构紧凑，易于实现。停转后 平衡精度高，平衡头设计可多样化，结构紧凑易于实现。停 优 平衡状态能保持。可用寻优法在生产中得到实际应用。平衡能力转后平衡状态能保持。可 点和影响系数平衡法。平衡时间强。用寻优法和影响系数平 短。 衡法。平衡时间短。 结构复杂，零件较多。零部件 所用液体通常是经过过滤后的冷却零聋释的材质、强度方面 的材质、强度方面要求较高。液，但即使经过过滤，仍然含有磨要求较高。实现高转速有 不 实现高转速有困难。要特别注料的微粒，经过长时间的运转，会困难。平衡能力较喷液式 足 意电机驱动功率的传输问题。黝自性能。需要较好的保养。停转 低。 平衡能力较喷液式f 氐。后液体流出，平衡状态破坏。 = 表2 国内在线动平衡研究概况 完成 昕在单位运行转速平衡头类型资料来源时间 1 曾胜等 浙江大学洲r 柙旺纯柳械式振动工程学报 2 6 2李晓冬等 长春光机所 l 邬0 r 聊 喷液式兵工学报 2 0 0 4 3汪希萱等 浙江大学 3 0 r p m 电磁式热能动力工程 2 0 0 3 4 葛哲学等 国防利拱j 弋学 4 0 0 0 r p m 电磁式机械 2 0 0 1 5李勇等 哈尔滨工业大学 3 砷r h 电机驱动柳由斌振动工程学报 2 0 0 0 6王欲欣等 哈尔滨汽轮机厂 l 曼m r h 电机驱动机械式气轮朗技术 2 0 0 0 7欧海涛等 e 海交大 1 晒o r p m 电机驱动机械式测控技术 2 0 0 0 8曾胜等 浙江大学 l 附5 i l p m 电磁式 j s ( 砸v i b 1 9 9 8 9李勇等 哈尔滨工业大学l 枷硎电机驱动机械式哈尔滨工业大学学报 1 9 9 8 1 0须根法等 哈尔滨工业大学 1 5 0 0 r p m 电机驱动机械式节能技术 1 9 9 6 1 1 潘纪根等宝镭冷轧厂4 r p m电机驱动 j 1 械式磨床与磨削 1 9 9 5 1 2周保堂等 浙江大学1 2 耵耵r 聊喷液式石油化工设备技术 1 9 9 1 4 1 3摆世正等 浙江大学 1 2 0 0 r 聊讧 喷液式流体工程 1 9 9 2 1 4俞鹤轩等 陕西机束厂低速喷液式磨床与磨削 1 9 8 9 9 浙江大学硕士学位论文 国内外在线动平衡头局限于中低转速范围主要原因是这些平衡头结构复杂，在高离心力 场下，带有平衡块的动件的移动变得更加困难，磨损更大，所使用的驱动电机和平衡块锁定 机构的性能很难保证。因此，目前在线动平衡的研究仍旧围绕着高转速、快响应两个方面进 矧瑚。 1 4 小节 在在线动平衡领域，v a nd ev e g t e 首先提出了转子自动平衡的思想并进行了尝试，设计了 种裁嘲沩“v a nd ev e g t e ”的极坐标式平衡头；g o s i e w s k i 对有关自动平衡理论和控制策略 进行了研铲”；l e e 通过选取平衡头在轴向的位置，利用一v a n d e v e g t e 型平衡头实现了挠陛 转予自动平衡。然而这些研究编重原理，并没有提出合理的应用方式。后来的学者也提出了 移动电机位置的平衡头、电磁式平衡头、喷液式平衡头，前两者要将电源引入平衡头的旋转 体，难度较大，平衡头寿命很受影响。后者难以控制，而且停机时液体会胡乱流动。以上平 衡头都难以大规模应用到实际工程中，这为纯机械式动平衡头提供了竞争空间。基于巧妙的 机械结构设计的纯机械式动平衡头，无需引电入平衡头旋转部分，大大延长了其寿命，结构 简单，适用于高速和超敲e 场合。本文后续部分详细介绍了纯机械式动平衡头。 浙江大学硕士学位论文 第二章纯机械式在线动平衡系统及其硬件 本章介绍了纯机械式在线动平衡系统及其主要构成部分：纯机械式动平衡头、传感器、 测控装置和实验装置。详细描述了各部件的内部结构和相互配合方式，以及在此基础e 的在 线动平衡原理。 2 1 纯机械式在线动平衡系统的总体结构 纯机械式在线动平衡头是本文中在线动平衡系统的杨队它与目前常见的在线动平衡头， 如电机驱动式和电磁式在线动平衡头原理 副乩是基于质量平衡法原理。即在不停机的状态 下改变其附着在转子上的转动部件质0 位置，以产生合适的校正平衡量。而纯机械式动平衡 头最大的特征是其转动部件无需动力驱动，是被动式纯机械装置。转动部件不具备内部动 力装置，不能独立实现内部质量块相对运动，而需依靠外部辅助部件的配合以实现内部质量 调整。基于这叫寺征，可将纯机械式动平衡头分割成独立的两部分：一、固定在转子上并随 转子起运动的转动部件；二、固定在基座上静止不动的静止部件。依靠机械结构设计，转 动部件和静止部件在空间上形成特殊的配合方式。在此配合方式下，通过对静止装置进行特 定的操作，即可以向转动部件某几个特定位置增加不同大小的质量，从而实现转动部件的质 量调整，完成动平衡过程。 采用了纯机械式动平衡头的在线自动动平衡系统原理如图2 1 所示。安装了动平衡头转 动部件的转子由电机拖动，随转子等转速运动。键相位传感器和振动传感器顶4 量相位基准信 号、转速信号和振动信号，并将信号i 羞到计算机内部的数据采集卡。信号处理和控制程序根 据采集的数据，计算转速频率下的振动幅值和相位，以确定不平衡偷d 质量的大小和位置， 从而得到所需的校正质量的大小和位置。最后根据校正质量参数确定质量调整信号，并将其 送到控制端口，以操作动平衡执行装置。此执行装置是一多通道投钢珠机构，以钢珠作为校 正质量进行动平衡。此执行装置根据电脑输出的控制信号，操纵内部机械装置，向平衡头静 件投放钢珠。从而改变动平衡头动件的质量分布，最终实现在线动平衡。 浙江大学硕士学位论文 幽：2 - 1 基于纯h 咧i 式动平衡头的在线自动动平衡系统原理 2 2 纯机械式动平衡头 机械式动平衡头由静止部件和转动部件构成，它们相互配合，可阱使得小钢珠能够从外 部钢珠料仓，通过静止部件内部特定的通道滚到转动部件上的容积腔内，产生不平衡校正量。 平衡头的结构示意图如图2 - 2 所示。图2 - 2 中1 为转子，2 、3 、4 、5 为转动部件，由铁盘和 多块特殊功能板叠合而成。多块不同的特殊功能板以特定的顺序叠合并固定在铁盘上，而铁 盘安装在转轴上并随之转动。图2 - 2 中6 、7 、8 、9 、1 0 、1 1 为静止部件，由三个特殊结构的 圆筒和支架组成，安装在静止的基座上。静止部件与转动部件有安装间隙，以使得转子运行 过程中，两部件互不接触，无运动干涉和相对摩擦。钢珠从图2 - 2 中静止部件右上方的钢珠 入口进入静止部件，并通过连接此入口的特殊形线的通道槽到达图2 - 2 中左下方的钢珠出口。 静止部件的每一个锦眯出口对齐转动部件的一个环形钢珠入口槽，而各钢珠入口槽分别连接 转动部件内部容腔。因此，进入此 口槽的钢珠在重力作用下能顺利到达转动部件内部容腔。 1 转轴卫铁盘3 盖板4 导向板5 隔板6 外筒7 中筒8 i 醚豺曹9 - 钢珠入口l n 内简1 1 定子部付盔架 图2 - 2 动平衡头结构示意图 ， 1 2 浙江大学硕士学位沦文 2 2 1 平衡头转黼 2 2 1 1 转动部件结构 动平衡头转动部件内部具有沿周向均匀分布的独立容腔，用以盛放钢珠以实现质量校 正。鉴于加工原因，转动部件被设计成由特殊镂空片体叠合而成的厚圆盘。各特殊片体的镂 空部分和边界挡板相配合形成内部腔体。 整个平衡头的旋转部件由九块三种不同截面形状的等直径、等厚度铝板构成。其中具有 两块端面板、三块挡板、四块导向板，各板截面形状如图2 - 3 所示。九块圆板以特殊的安装 方位和序列组合得以形成具有独立导向槽、独立容腔的转动部件，萁装配如图2 - 4 所示。旋 转厚圆盘最外层是两块盖板，这是形成腔体的必要的端面层。两盏板之间夹有三块挡板和四 块导向板，如图2 4 中，从左至右，第二、四、六、八块是导向板，第三、五、七块是挡板。 第二蟮蝎饷板，即图2 _ 4 中的第四块板，丰日对笫块导向板，即图2 4 中第二块板，渊顿时 针方向转动了9 0 度。依照此 寺征，每决导向板依次相对前块导向板沿顺时针转动9 0 度放 置，于是各导向滑道依测顺时针相差9 0 度。每两块导向板之间放置