一種基于旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的多輪盤轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡檢測(cè)方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種基于旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的多輪盤轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡檢測(cè)方法，輪盤上標(biāo)定角度坐標(biāo)，在轉(zhuǎn)子的輪盤兩側(cè)軸的截面布置應(yīng)變傳感器；分別記錄輪盤在兩個(gè)互相垂直方向上不同受力情況下對(duì)應(yīng)方向上的應(yīng)變值，分別標(biāo)定出在這兩個(gè)方向的應(yīng)變和力之間的關(guān)系的方向系數(shù)；啟動(dòng)電機(jī)，給定平衡轉(zhuǎn)速n，在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下測(cè)量截面兩個(gè)垂直方向上的應(yīng)變平均值；通過(guò)所得應(yīng)變平均值、兩個(gè)互相垂直方向上的方向系數(shù)可計(jì)算輪盤上的不平衡力的大小和相位，其中相位可由旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系直接讀出；由所求不平衡力、給定的平衡轉(zhuǎn)速n，再由給定的加重半徑r，求得輪盤上加重的重量m和相位θ。本發(fā)明測(cè)試時(shí)無(wú)需鍵相傳感器，無(wú)需各測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)采集同步，對(duì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采樣率要求大大較低。
【專利說(shuō)明】一種基于旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的多輪盤轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡檢測(cè)方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及旋轉(zhuǎn)機(jī)械零部件的檢測(cè)，具體涉及一種旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下多輪盤轉(zhuǎn)子動(dòng)平 衡檢測(cè)方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 旋轉(zhuǎn)機(jī)械，如汽輪機(jī)、發(fā)電機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)、壓縮機(jī)、風(fēng)機(jī)、泵等，是航空、電力、石化、 冶金等行業(yè)的關(guān)鍵設(shè)備。受轉(zhuǎn)子加工精度、裝配誤差以及熱變形等因素的影響，旋轉(zhuǎn)機(jī)械零 部件處質(zhì)心與其旋轉(zhuǎn)中心不重合，在旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下會(huì)產(chǎn)生不平衡激勵(lì)力，導(dǎo)致機(jī)組產(chǎn)生振動(dòng)， 縮短機(jī)組使用壽命。不平衡故障時(shí)各類旋轉(zhuǎn)機(jī)械最常見(jiàn)的振動(dòng)故障，約占各類故障的80% 以上。提高旋轉(zhuǎn)機(jī)械動(dòng)平衡效率和精度，具有重要的工程意義。
[0003] 目前的動(dòng)平衡檢測(cè)方法都是在靜止坐標(biāo)系下進(jìn)行的。測(cè)振平衡法和測(cè)力平衡法是 目前最常用的兩類動(dòng)平衡方法。測(cè)振平衡法假設(shè)所測(cè)振動(dòng)與不平衡力之間呈線性關(guān)系。不 平衡力越大，振動(dòng)越大，反之亦然。動(dòng)平衡檢測(cè)時(shí)需要首先求出力和振動(dòng)之間的影響系數(shù)， 然后由實(shí)測(cè)振動(dòng)來(lái)反推不平衡力。這種方法在工程上得到廣泛應(yīng)用，但是存在以下缺點(diǎn)： (1)影響系數(shù)需要通過(guò)試驗(yàn)求出，需要機(jī)組反復(fù)多次啟停，效率較低。對(duì)于大型汽輪發(fā)電機(jī) 組而言，機(jī)組啟停所需代價(jià)較大；（2)動(dòng)平衡加重大多只能在轉(zhuǎn)子兩側(cè)和中部進(jìn)行，動(dòng)平衡 面有限，導(dǎo)致加重面和實(shí)際不平衡面不在同一個(gè)平面。轉(zhuǎn)軸剛度不夠時(shí)，轉(zhuǎn)軸會(huì)產(chǎn)生變形和 新的不平衡量；（3)為了減少開(kāi)機(jī)次數(shù)，要求試驗(yàn)人員熟練掌握轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)理論，對(duì)技術(shù)人 員的要求較高。測(cè)力平衡法主要是在動(dòng)平衡機(jī)上進(jìn)行。這種方法將轉(zhuǎn)子視為剛性轉(zhuǎn)子，通 過(guò)測(cè)量轉(zhuǎn)子兩側(cè)支撐所承受的動(dòng)態(tài)力來(lái)識(shí)別不平衡力。這種方法存在以下缺點(diǎn)：（1)將轉(zhuǎn) 子視為剛性轉(zhuǎn)子，不考慮轉(zhuǎn)軸彈性變形；（2)將不平衡力等效到兩個(gè)平面上，加重面和不平 衡面往往不在同一個(gè)平面；(3)需要配備專門的動(dòng)平衡機(jī)，對(duì)檢測(cè)設(shè)備的要求較高。
[0004] 基于應(yīng)變的動(dòng)平衡檢測(cè)方法是另外一種動(dòng)平衡檢測(cè)方法。這種方法認(rèn)為轉(zhuǎn)軸截面 應(yīng)變值與不平衡力之間存在確定性關(guān)系。試驗(yàn)前標(biāo)定好應(yīng)變和力之間的關(guān)系后，根據(jù)試驗(yàn) 中所測(cè)應(yīng)變值即可反推不平衡力。這種方法可以實(shí)現(xiàn)多平面不平衡量的同時(shí)檢測(cè)。靜止坐 標(biāo)系下，不平衡力和應(yīng)變值是一個(gè)動(dòng)態(tài)變化的量，為了能夠識(shí)別不平衡力大小和角度，需要 提供一個(gè)鍵相傳感器，為確定不平衡角度提供基準(zhǔn)，并且要求各通道數(shù)據(jù)采集時(shí)必須嚴(yán)格 同步。否則，不平衡力角度會(huì)產(chǎn)生較大誤差。為了保證測(cè)試精度，對(duì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的采樣頻 率也有較高要求。這種方法對(duì)各通道采集信號(hào)時(shí)的同步性要求很高。旋轉(zhuǎn)機(jī)械轉(zhuǎn)軸動(dòng)態(tài)應(yīng) 變的測(cè)量需要采用無(wú)線發(fā)射和接受方式。受技術(shù)條件限制，現(xiàn)階段無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸還只能采 取串行通訊方式，無(wú)法實(shí)現(xiàn)多通道信號(hào)的同步并行采樣，這會(huì)給不平衡角度的確定帶來(lái)很 大誤差。這種方法需要配備專用鍵相傳感器和處理電路來(lái)確定不平衡零位。鍵相傳感器需 要固定在臺(tái)架上，而應(yīng)變傳感器固定在轉(zhuǎn)軸上，隨軸旋轉(zhuǎn)，這就需要兩套測(cè)試系統(tǒng)來(lái)同時(shí)完 成兩類不同信號(hào)的采集，而且要求這兩類信號(hào)的采集必須嚴(yán)格同步。這給動(dòng)平衡試驗(yàn)帶來(lái) 了很大困難。為了保證動(dòng)態(tài)應(yīng)變信號(hào)的測(cè)試精度，對(duì)無(wú)線測(cè)試系統(tǒng)數(shù)據(jù)采樣頻率也有較高 要求?，F(xiàn)階段無(wú)線測(cè)試儀的采樣頻率有限，最高僅為ΙΚΗζ。基于應(yīng)變的動(dòng)平衡檢測(cè)法出現(xiàn) 上述缺陷的關(guān)鍵在于：這種方法是在固定坐標(biāo)系下開(kāi)展動(dòng)平衡檢測(cè)試驗(yàn)研究的。固定坐標(biāo) 系下，不平衡力及其引起的動(dòng)態(tài)應(yīng)變是一個(gè)動(dòng)態(tài)變化的量，對(duì)無(wú)線數(shù)據(jù)采集裝置采樣頻率、 多通道之間同步性等的要求較高。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 發(fā)明目的：為了簡(jiǎn)化動(dòng)平衡檢測(cè)試驗(yàn)，提高動(dòng)平衡工作的效率，本發(fā)明提供了一種 基于旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的多輪盤轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡檢測(cè)方法。
[0006] 技術(shù)方案：為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用了如下技術(shù)方案：
[0007] 本方法認(rèn)為，靜止?fàn)顟B(tài)下，輪盤上的質(zhì)量偏心不會(huì)產(chǎn)生激勵(lì)力。旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下，輪盤 上的質(zhì)量偏心會(huì)形成不平衡力，該力作用到轉(zhuǎn)軸上后，會(huì)改變轉(zhuǎn)軸截面應(yīng)變值。根據(jù)轉(zhuǎn)動(dòng)狀 態(tài)下應(yīng)變值的變化情況可以反推輪盤上的不平衡量。
[0008] 旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下，不平衡力的大小和角度是一個(gè)常量，由該力所引起的輪盤兩側(cè)應(yīng) 變值的變化也是一個(gè)常量，可以通過(guò)求取所測(cè)應(yīng)變信號(hào)的平均值來(lái)得到。這種方法對(duì)測(cè)量 通道之間數(shù)據(jù)采集時(shí)同步性沒(méi)有要求，并降低了對(duì)數(shù)據(jù)采樣率的要求。本發(fā)明認(rèn)為不平衡 力作用在輪盤平面上，如果在正交的兩個(gè)方向上各布置一組應(yīng)變傳感器，由這兩個(gè)方向上 的應(yīng)變值可以識(shí)別出相應(yīng)方向上的力，合成后就可以得到不平衡力的大小和角度，因而，無(wú) 需配備鍵相傳感器來(lái)確定不平衡角度起點(diǎn)。
[0009] 根據(jù)上述原理得出旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下多輪盤轉(zhuǎn)子不平衡檢測(cè)方法，將不平衡力的檢測(cè) 放在與輪盤同步旋轉(zhuǎn)的坐標(biāo)系下進(jìn)行，包括如下步驟：包括轉(zhuǎn)軸、電機(jī)以及設(shè)在轉(zhuǎn)軸上的 輪盤，在輪盤或轉(zhuǎn)軸上標(biāo)定角度坐標(biāo)，建立旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，在輪盤兩側(cè)轉(zhuǎn)軸的截面布置互相正 交的應(yīng)變傳感器；分別記錄輪盤在兩個(gè)互相垂直方向上不同受力情況下對(duì)應(yīng)方向上的應(yīng)變 值，分別標(biāo)定出在這兩個(gè)方向的應(yīng)變和力之間的關(guān)系的方向系數(shù)；啟動(dòng)電機(jī)，給定平衡轉(zhuǎn)速 n，在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下測(cè)量截面兩個(gè)垂直方向上的應(yīng)變平均值；通過(guò)所得應(yīng)變平均值、兩個(gè)互 相垂直方向上的方向系數(shù)可計(jì)算輪盤上的不平衡力的大小和相位，其中相位可由旋轉(zhuǎn)坐標(biāo) 系直接讀出；由所求不平衡力、給定的平衡轉(zhuǎn)速n，再由給定的加重半徑r，求得輪盤上加重 的重量m和相位Θ。
[0010] 具體而言包括以下步驟：
[0011] A、將待測(cè)轉(zhuǎn)軸安裝在檢測(cè)臺(tái)架上；
[0012] B、在轉(zhuǎn)軸上的待識(shí)別輪盤兩側(cè)布置應(yīng)變傳感器。以圖示兩輪盤模型為例，需要在 輪盤兩端選取三個(gè)截面，在0° -180°和90° -270°方向各布置1組應(yīng)變傳感器，每組3 個(gè)截面，合計(jì)6組應(yīng)變傳感器；
[0013] C、應(yīng)變傳感器標(biāo)定。
[0014] ①0° -180°方向應(yīng)變傳感器標(biāo)定
[0015] 將輪盤0° -180°標(biāo)記轉(zhuǎn)動(dòng)到水平位置，記錄三個(gè)截面0° -180°方向應(yīng)變值 、4°、4。，由#1、#2輪盤受力分析可知：
[0016]

【權(quán)利要求】
1. 一種基于旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的多輪盤轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡檢測(cè)方法，其特征在于：包括轉(zhuǎn)軸及設(shè)在 轉(zhuǎn)軸上的輪盤，在輪盤或轉(zhuǎn)軸上標(biāo)定角度坐標(biāo)，建立旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，在輪盤兩側(cè)轉(zhuǎn)軸的截面布 置互相正交的應(yīng)變傳感器；分別記錄輪盤在兩個(gè)互相垂直方向上不同受力情況下對(duì)應(yīng)方向 上的應(yīng)變值，分別標(biāo)定出在這兩個(gè)方向的應(yīng)變和力之間的關(guān)系的方向系數(shù)；啟動(dòng)電機(jī)，給定 平衡轉(zhuǎn)速n，在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下測(cè)量截面兩個(gè)垂直方向上的應(yīng)變平均值；通過(guò)所得應(yīng)變平均 值、兩個(gè)互相垂直方向上的方向系數(shù)可計(jì)算輪盤上的不平衡力的大小和相位，其中相位可 由旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系直接讀出；由所求不平衡力、給定的平衡轉(zhuǎn)速n，再由給定的加重半徑r，求得 輪盤上加重的重量m和相位Θ。
2. 如權(quán)利要求1所述的基于旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的多輪盤轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡檢測(cè)方法，其特征在于： 所述轉(zhuǎn)子的輪盤數(shù)量為大于等于1個(gè)。
3. 如權(quán)利要求1所述的基于旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的多輪盤轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡檢測(cè)方法，其特征在于， 具體包括如下步驟： A、 在轉(zhuǎn)軸上的待識(shí)別輪盤兩側(cè)布置應(yīng)變傳感器； B、 應(yīng)變傳感器標(biāo)定：將輪盤不同方向標(biāo)記到水平位置，記錄不同受力情況下的應(yīng)變值， 標(biāo)定應(yīng)變值和力之間的關(guān)系的方向系數(shù)； C、 由應(yīng)變值和方向系數(shù)求作用在輪盤上的力； D、 啟動(dòng)電機(jī)，給定平衡轉(zhuǎn)速n，測(cè)量若干周期內(nèi)輪盤的應(yīng)變平均值； E、 由所得應(yīng)變平均值、方向系數(shù)計(jì)算測(cè)量截面上不平衡力的大小和相位； F、 由所求不平衡力、給定的平衡轉(zhuǎn)速n，在給定加重半徑r后，計(jì)算測(cè)量截面上所需加 重重量的大小和相位。
4. 如權(quán)利要求3所述的基于旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的多輪盤轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡檢測(cè)方法，其特征在于， 所述步驟B具體過(guò)程包括： ①0° -180°方向應(yīng)變傳感器標(biāo)定 將輪盤0° -180°標(biāo)記轉(zhuǎn)動(dòng)到水平位置，記錄三個(gè)截面0° -180°方向應(yīng)變值 ，由#1、#2輪盤受力分析可知：
式中，αι?％為〇° -180°方向系數(shù)，反映了輪盤在0° -180°方向所受力與該方 向應(yīng)變之間的關(guān)系； 在#1輪盤上沿0°方向施加拉力F，記錄三個(gè)截面0° -180°方向應(yīng)變值 44、0,由#1、#2輪盤受力分析可知：
在#2輪盤上沿0°方向施加拉力F，記錄三個(gè)截面0° -180 °方向應(yīng)變值 、￡2#丨、￡=，由#1、#2輪盤受力分析可知：
由此方程可求出0° -180°方向系數(shù) ②90° -270°方向應(yīng)變傳感器標(biāo)定 將輪盤90° -270°標(biāo)記轉(zhuǎn)動(dòng)到水平位置，記錄三個(gè)截面90° -270°方向應(yīng)變值 ^°、4：、<，由#1、#2輪盤受力分析可知： ' ' ' (5) 式中，-270°方向系數(shù)，反映了輪盤在90° -270°方向所受力與該 方向應(yīng)變之間的關(guān)系； 在#1輪盤上沿90°方向施加拉力F，記錄三個(gè)截面90° -270°方向應(yīng)變值.<!、〇 ，由#1、#2輪盤受力分析可知： β,ε^β2 ε；：.+β}ε,：.=Ρ {b) β4^+β5ε2：.+β,ε：：.=0 在#2輪盤上沿90°方向施加拉力F，記錄三個(gè)截面90° -270°方向應(yīng)變值ef、fg、 ，由#1、#2輪盤受力分析可知： β\ ε\ν +Ρ? ε2 ν +β} ε?,ν ,, (7) βΑ +β, ε,： +β, =F 由上述(5)?(7)式可列矩陣方程式如下：
由此方程可求出90° -270°方向系數(shù)h?36。
5. 如權(quán)利要求3或4所述的基于旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的多輪盤轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡檢測(cè)方法，其特征在 于，所述步驟C具體過(guò)程包括： 作用在#1盤的力在兩方向的分力分別為：
作用在#2盤的力在兩方向的分力分別為：
αι?α6為步驟C所得的0° -180°方向系數(shù)，為步驟C所得90° -270° 方向系數(shù)，ε1χ、ε2χ、ε3χ、ely、e 2y、e3y為任意狀態(tài)下兩互相正交方向的6組應(yīng)變值。
6. 如權(quán)利要求5所述的基于旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的多輪盤轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡檢測(cè)方法，其特征在于， 所述步驟D具體過(guò)程包括： 啟動(dòng)電機(jī)到指定平衡轉(zhuǎn)速n，測(cè)量各截面水平和垂直方向應(yīng)變值，得到平衡轉(zhuǎn)速η下若 干周期內(nèi)應(yīng)變值的平均值心、&52y、&y。
7. 如權(quán)利要求6所述的基于旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的多輪盤轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡檢測(cè)方法，其特征在于， 所述步驟E具體過(guò)程包括： 將步驟E測(cè)出的應(yīng)變平均值化、s2x、心、f2v、s3>.，代入式(9)和(10)，得到#1 盤不平衡力兩方向分力Flx和Fly，#2盤不平衡力兩方向分力F2x和F 2y ; 將#1盤上0° -180°和90° -270°方向上的不平衡量合成，得到#1輪盤上不平衡量 大??？1和角度奶：
將#2盤上0° -180°和90° -270°方向上的不平衡量合成，得到#2輪盤上不平衡量 大小F2和角度％:
由此得出截面上不平衡力的大小和相位。
8. 如權(quán)利要求7所述的基于旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的多輪盤轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡檢測(cè)方法，其特征在于， 所述步驟G具體包括： 由上述計(jì)算得到的不平衡量大小和相位，由給定的平衡轉(zhuǎn)速n，在給定的加重半徑r 下，可求得兩輪盤上所需加重的重量m和相位Θ為
【文檔編號(hào)】G01M1/16GK104101464SQ201410361836
【公開(kāi)日】2014年10月15日 申請(qǐng)日期:2014年7月25日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月25日
【發(fā)明者】楊建剛, 房久正 申請(qǐng)人:東南大學(xué)