国家自然科学基金重点资助项目成果简介——柔性转子全息现场动平衡技术及其应用

本项目主要研究了柔性转子全息现场动平衡理论及其在电力、石化、化工等行业中大型回转设备的失衡问题进行识别、平衡和平衡过程模拟中的应用,主要成果如下。 (1)基于全息谱理论,首次阐明了转子平衡过程在全息谱上的表现:转频椭圆上初相点的行为和作用;提出了移相椭圆的概念和利用移相椭圆预测平衡效果的技术。获得了"转子全息动平衡方法"的国家发明专利(ZL97108694.X)。     

全息动平衡技术:原理与实践

分析全息谱技术应用于动平衡领域的可能性与优势。首镒介绍了全息动平衡方法的基本概念,如试重椭圆,初相点和移相椭圆等;提出基于三维全息谱的力,力偶分解全息平衡方法,并与现行的方法比较;最后指出全息动平衡技术是转子动平衡的一种有效方法。     

高速主轴动平衡方法研究现状

动平衡方法是高速主轴在线动平衡的必要条件,是实现高速主轴在线动平衡的关键。基于在线动平衡方法在高速主轴动平衡调控过程中所起到的重要作用,综述了目前所应用于高速主轴及高速转子的各种动平衡方法。详细地阐述了应用于刚性主轴和柔性主轴的动平衡方法,其中针对刚性主轴的动平衡方法主要介绍了力平衡法和影响系数法;针对柔性主轴的动平衡方法则重点对模态平衡法、影响系数法和无试重平衡法进行了详细地梳理。介绍了全息谱动平衡法和低速动平衡法这2种应用于平衡主轴的新方法。最后,对高速主轴在线动平衡方法的发展趋势进行了展望。     

基于机械滞后角的一次加准动平衡分析

针对影响系数法在转子动平衡中确定加重质量存在较大分散性的情况,综合考虑了加准精度、平衡效率,采用确定机械滞后角的新方法,利用机械滞后角确定转子的不平衡方向。在转子试验台上进行动平衡仿真验证,结合全息谱技术全面描述机组测振面的振动信息,结果表明在转子系统动平衡中,滞后角法确定配重质量方向的方法可靠,提高了一次加准的精度和平衡效率,减少起机次数,节省了平衡成本。     

弱非平稳转速下转子动平衡方法

提出弱非平稳转速下转子动平衡方法,通过对动不平衡振动信号的时间频率联合分析处理获取各次动平衡试验振动信号的转速无关化幅值、相位和振幅转速无关化信号初相点等转速无关化振动信息。根据转速无关化振动信息给出了分别采用影响系数法、振型平衡法和全息谱平衡法计算不平衡量重径积和相位的方法。弱非平稳转速下转子动平衡方法免去了现有动平衡方法理论上对平衡转速必须处于恒定转速的严格要求,允许动平衡试验中平衡转速可以有一定的波动范围,消除现有动平衡方法中转速波动对动平衡精度的影响,实现超精密转子动平衡技术。     

磁悬浮转子不平衡补偿的研究

将全息谱技术用于磁悬浮转子的不平衡测量,并在此基础上提出了一种磁悬浮转子不平衡补偿的方法。根据全息谱分解理论得到力、力偶不平衡分量,将不平衡补偿量转化为相应的补偿电流,并叠加到控制电流上,从而实现磁悬浮转子不平衡补偿。     

磁悬浮转子不平衡礼偿的研究

将全息谱技术用于磁悬浮转子的不平衡测量，并在此基础上提出了一种磁悬浮转子不平衡补偿的方法。根据全息谱分解理论得到力、力偶不平衡分量，将不平衡补偿量转化为相应的补偿电流，并叠加到控制电流上，从而实现磁悬浮转子不平衡补偿。     

立轴平面磨床的动平衡问题

为了保证磨削精度、降低磨削粗糙度和减少波纹。不论在立轴平面磨床上,还是在卧轴平面磨床上,其转子系统在装配过程中,都得经过严格的动平衡。目前不论是立轴平面磨床生产过程中的转子系统动平衡还是卧轴平面磨床生产过程中的转子系统动平衡都要求动平衡精度取G0.4级。G值为许用剩余不平衡e_(zul)讲与角速度ω的乘积,表征了重心许用圆周线速度(mm/s)的最大允许值。所以对于同类动平衡精度的转子,e_(zul)与ω成反比关系。     

多故障转子进动趋势分析与平衡策略

现场机组的振动往往并非由单一故障所引起,在支承刚度的各向异性以及组合故障的共同作用下转子的进动轨迹表现为十分复杂的形式。对机组实施现场动平衡的过程中由于受到这些因素的干扰而无法准确判断转子失衡形式,导致平衡收敛速度减慢甚至出现多次平衡仍无法实现有效减振的情况。通过对进动轨迹的分解,建立以正进动分量初相矢为平衡目标的改进全息动平衡法。由于该方法中排除了反进动分量的干扰,对转子的失衡响应描述更为清晰,提高了平衡收敛速度。此外,根据对进动比的变化趋势提出的现场动平衡终止条件定性地揭示了转子残余振动的来源,从而减少了现场动平衡的盲目性,提高了故障排查的效率。实例验证了改进全息动平衡法以及现场动平衡终止条件的有效性。     

基于椭圆Fourier描述子的旋转机械振动信号分析

基于椭圆Fourier描述子,对转子同一截面上相互垂直的两个传感器测取的同源振动信号进行融合分析,从理论上推导出滤波轴心轨迹的表达式。研究对比全谱、全息谱和矢谱,建立三种谱分析方法的统一理论框架,给出三种谱分析方法的理论表达式,并设计利用一次快速Fourier变换实现三种谱图的数值方法。在融合全谱、全息谱和矢谱三种谱分析方法的基础上,提出基于椭圆Fourier描述子的矢椭谱分析方法,用于分析转子的同源振动信号。应用对比验证了矢椭谱的简洁可行性。     

基于非平稳信息的转子瞬态动平衡方法

有效控制转子系统过临界时的振动幅值是保障系统安全运行的重要手段,针对现有转子动平衡方法处理非平稳数据的不足,提出了基于非平稳信息的转子瞬态动平衡方法。该方法基于模态平衡法的思想,利用经验模态分解(empirical mode decomposition,简称EMD)从转子起车加速瞬态响应数据中提取临界转速附近的转频振动信息,借助于键相信号获取平衡转速下的初相点信息。通过添加合理的试重,用全息动平衡实现了转子系统的模态平衡,避免了传统模态平衡法需要获取临界前后稳态数据的风险,使转子系统可以顺利地通过临界共振区。实验结果表明,该方法可以有效降低转子系统的一阶临界振动,同时有效减少平衡过程中的起车次数。     

基于参数化时频分析的转子全工况动平衡方法

针对现有转子动平衡方法处理非平稳数据的不足,提出了基于参数化时频分析的转子全工况动平衡方法。该方法根据转频信号频率变化函数构造匹配的旋转算子,将启车信号的时频特征进行旋转,准确提取出转频分量。通过添加试重,结合全息动平衡方法获得各个转速下的迁移矩阵,实现转子全工况的动平衡,避免了传统动平衡方法需要获取稳态数据的缺点。实验结果表明,该方法可以方便、快捷地确定出转子的失衡量和失衡方位,有效降低转子系统不平衡振动,同时减少平衡过程中的启车次数。     

全息动平衡相位补偿方法

全息动平衡法融合转子系统测振截面中两个相互垂直方向的振动参量制定系统的配重方案,以保证各测振截面周向各方向均具有良好的振动;然而全息动平衡法以初相矢为平衡目标制定的配重方案有时会出现不能保证测振截面周向振动的情况。通过各向异性转子系统失衡和响应关系的分析研究,发现初相矢与转子系统的失衡量之间存在线性映射关系;在原始失衡与配重截面存在轴向位置差异的条件下,受系统降维等效的影响,失衡和响应"椭圆映射"关系中的时间耦合问题是影响初相矢平衡方案不可靠的一个主要原因。在以上分析的基础上,提出一种相位补偿方法修正并优选初相矢对应的配重方案,以消除时时间耦合问题的影响;通过仿真试验,现场案例分析,验证了相位补偿方法对应配重方案的可靠性。     

转子振动的进动分析方法及其应用（三）

三、转子运动轨迹的全息进动分析事实上,转子的运动轨迹常常很复杂,并非简单的椭圆轨迹。其中既包含一阶正、反进动分量,也可能包含高阶进动分量和次谐波进动分量。把前述方法拓展到任意的频率点,就可得到任意频率成分的正、反进动分量。由此就形成了全息进动谱。全息进动谱可由傅立叶复变换求得。转子在w和v方向的振动信号中任一频率成分的信号总可表示为Wp=Wpccosωpt+Wpssinωpt(24)Vp=Vpccosωpt+Vpssinωpt(25)应用欧拉公式cosθ=12ejθ+e-jθ ;sinθ=12jejθ-e-jθ 故障类型频率分量正进动反进动进动比函数注释不平衡1x●●+进动…     

可在生产现场应用的整机动平衡技术

整机动平衡不但能提高整机平衡精度,还能简化生产工艺。有不少转子,特别是悬臂式转子在动平衡机上平衡时,往往需要将转鼓(或叶轮)从转轴上拆下,另配动平衡用心轴,在动平衡机上平衡,再加重(或去重),最后再装在整机上进行整机测试校验。在整机平衡时,无须用动平衡心轴,而是将转鼓(或叶轮)直接装在整机上在工作转速下平衡,在不拆叶轮的情况下直接焊接加重,因而使工艺得以简化,生产效率得以提高。     

全矢动平衡方法平衡精度的动力学研究

首先依据全矢谱理论,介绍了全矢动平衡方法的基本思想;然后从分析单圆盘转子模型的振动入手,得出转子水平和垂直方向不平衡响应与转子系统特征参数之间的关系;接着从不平衡灵敏度的角度,推导出了全矢动平衡方法与传统动平衡方法各自的不平衡灵敏度表达式,因为不平衡灵敏度高的转子平衡精度较高,通过比较全矢动平衡方法与传统单通道动平衡方法各自的不平衡灵敏度,证明了全矢动平衡方法具有较高的平衡精度,最后通过实验验证了文中理论分析的结论。     

基于信号融合的动平衡转子故障诊断研究

针对动平衡转子故障诊断问题,提出利用基于信号融合的双边谱的新方法。该方法首先将垂直和水平方向的振动信号直接在时域内合成一个复信号,然后对该复信号做快速傅里叶变换(FFT)得到其双边谱,并针对特定的故障频率的幅值、相位进行合成得到全息谱信号,快速获得机械故障的特征参数。同时,给出了该方法和全息谱的等价性证明;最后,案例分析表明,该方法是有效的。     

基于全相位FFT不平衡分析的转子现场动平衡

为了对地面转子试验器进行动平衡,降低其振动量值,掌握转子系统现场动平衡技术,基于全相位快速傅里叶变换(fast Fourier transform,简称FFT)建立了转子不平衡量的计算模型,并在地面转子试验器上搭建了不平衡测试系统。试验表明,当转速高于1 kr/min后,计算模型可准确地分析出转子不平衡响应。对转子试验器进行了现场动平衡,结果表明,所建立计算模型在较轻的试重条件下(三圆法无法计算出配平方案),经单次配平可使转子不平衡振动降低77.3%,证明了所建立的不平衡计算模型的有效性与准确性。该模型可用于对其他复杂转子机械的现场动平衡计算。     

各向异性支撑转子的全矢动平衡技术研究

传统的平衡方法对于具有显著各向异性转子的不平衡响应会产生测量和评价上的误差。从信息融合的视角,分别在忽略和考虑了非线性因素两种情况下对各向异性转子的不平衡响应的规律进行研究。在全矢谱理论和传统影响系数法的基础上,对各向异性转子采用双传感器信息融合的方法进行不平衡响应的测量。通过实验来验证动平衡中各向异性的存在及其对不平衡响应的影响,和全矢动平衡技术对平衡各向异性支撑转子的有效性,为新的动平衡方法研究提供理论上的依据。     

全息谱技术在现场动平衡前故障诊断中的应用

结合工程实践,具体介绍了以多传感器信息融合为基础的全息谱技术,包括初相点分析方法、全息谱力和力偶分解方法,以区分不平衡与其他常见转频故障,并进一步判明不平衡类。工程诊断实例验证了该技术能有效提高现场动平衡精度和效率。