一種基于旋轉坐標系的多輪盤轉子動平衡檢測方法
【專利摘要】本發明公開了一種基于旋轉坐標系的多輪盤轉子動平衡檢測方法，輪盤上標定角度坐標，在轉子的輪盤兩側軸的截面布置應變傳感器；分別記錄輪盤在兩個互相垂直方向上不同受力情況下對應方向上的應變值，分別標定出在這兩個方向的應變和力之間的關系的方向系數；啟動電機，給定平衡轉速n，在旋轉坐標系下測量截面兩個垂直方向上的應變平均值；通過所得應變平均值、兩個互相垂直方向上的方向系數可計算輪盤上的不平衡力的大小和相位，其中相位可由旋轉坐標系直接讀出；由所求不平衡力、給定的平衡轉速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。本發明測試時無需鍵相傳感器，無需各測點數據采集同步，對數據采集系統采樣率要求大大較低。
【專利說明】一種基于旋轉坐標系的多輪盤轉子動平衡檢測方法

【技術領域】
[0001] 本發明涉及旋轉機械零部件的檢測，具體涉及一種旋轉坐標系下多輪盤轉子動平 衡檢測方法。

【背景技術】
[0002] 旋轉機械，如汽輪機、發電機、燃氣輪機、壓縮機、風機、泵等，是航空、電力、石化、 冶金等行業的關鍵設備。受轉子加工精度、裝配誤差以及熱變形等因素的影響，旋轉機械零 部件處質心與其旋轉中心不重合，在旋轉狀態下會產生不平衡激勵力，導致機組產生振動， 縮短機組使用壽命。不平衡故障時各類旋轉機械最常見的振動故障，約占各類故障的80% 以上。提高旋轉機械動平衡效率和精度，具有重要的工程意義。
[0003] 目前的動平衡檢測方法都是在靜止坐標系下進行的。測振平衡法和測力平衡法是 目前最常用的兩類動平衡方法。測振平衡法假設所測振動與不平衡力之間呈線性關系。不 平衡力越大，振動越大，反之亦然。動平衡檢測時需要首先求出力和振動之間的影響系數， 然后由實測振動來反推不平衡力。這種方法在工程上得到廣泛應用，但是存在以下缺點： (1)影響系數需要通過試驗求出，需要機組反復多次啟停，效率較低。對于大型汽輪發電機 組而言，機組啟停所需代價較大；（2)動平衡加重大多只能在轉子兩側和中部進行，動平衡 面有限，導致加重面和實際不平衡面不在同一個平面。轉軸剛度不夠時，轉軸會產生變形和 新的不平衡量；（3)為了減少開機次數，要求試驗人員熟練掌握轉子動力學理論，對技術人 員的要求較高。測力平衡法主要是在動平衡機上進行。這種方法將轉子視為剛性轉子，通 過測量轉子兩側支撐所承受的動態力來識別不平衡力。這種方法存在以下缺點：（1)將轉 子視為剛性轉子，不考慮轉軸彈性變形；（2)將不平衡力等效到兩個平面上，加重面和不平 衡面往往不在同一個平面；(3)需要配備專門的動平衡機，對檢測設備的要求較高。
[0004] 基于應變的動平衡檢測方法是另外一種動平衡檢測方法。這種方法認為轉軸截面 應變值與不平衡力之間存在確定性關系。試驗前標定好應變和力之間的關系后，根據試驗 中所測應變值即可反推不平衡力。這種方法可以實現多平面不平衡量的同時檢測。靜止坐 標系下，不平衡力和應變值是一個動態變化的量，為了能夠識別不平衡力大小和角度，需要 提供一個鍵相傳感器，為確定不平衡角度提供基準，并且要求各通道數據采集時必須嚴格 同步。否則，不平衡力角度會產生較大誤差。為了保證測試精度，對數據采集系統的采樣頻 率也有較高要求。這種方法對各通道采集信號時的同步性要求很高。旋轉機械轉軸動態應 變的測量需要采用無線發射和接受方式。受技術條件限制，現階段無線數據傳輸還只能采 取串行通訊方式，無法實現多通道信號的同步并行采樣，這會給不平衡角度的確定帶來很 大誤差。這種方法需要配備專用鍵相傳感器和處理電路來確定不平衡零位。鍵相傳感器需 要固定在臺架上，而應變傳感器固定在轉軸上，隨軸旋轉，這就需要兩套測試系統來同時完 成兩類不同信號的采集，而且要求這兩類信號的采集必須嚴格同步。這給動平衡試驗帶來 了很大困難。為了保證動態應變信號的測試精度，對無線測試系統數據采樣頻率也有較高 要求。現階段無線測試儀的采樣頻率有限，最高僅為ΙΚΗζ。基于應變的動平衡檢測法出現 上述缺陷的關鍵在于：這種方法是在固定坐標系下開展動平衡檢測試驗研究的。固定坐標 系下，不平衡力及其引起的動態應變是一個動態變化的量，對無線數據采集裝置采樣頻率、 多通道之間同步性等的要求較高。


【發明內容】

[0005] 發明目的：為了簡化動平衡檢測試驗，提高動平衡工作的效率，本發明提供了一種 基于旋轉坐標系的多輪盤轉子動平衡檢測方法。
[0006] 技術方案：為了實現上述目的，本發明采用了如下技術方案：
[0007] 本方法認為，靜止狀態下，輪盤上的質量偏心不會產生激勵力。旋轉狀態下，輪盤 上的質量偏心會形成不平衡力，該力作用到轉軸上后，會改變轉軸截面應變值。根據轉動狀 態下應變值的變化情況可以反推輪盤上的不平衡量。
[0008] 旋轉坐標系下，不平衡力的大小和角度是一個常量，由該力所引起的輪盤兩側應 變值的變化也是一個常量，可以通過求取所測應變信號的平均值來得到。這種方法對測量 通道之間數據采集時同步性沒有要求，并降低了對數據采樣率的要求。本發明認為不平衡 力作用在輪盤平面上，如果在正交的兩個方向上各布置一組應變傳感器，由這兩個方向上 的應變值可以識別出相應方向上的力，合成后就可以得到不平衡力的大小和角度，因而，無 需配備鍵相傳感器來確定不平衡角度起點。
[0009] 根據上述原理得出旋轉坐標系下多輪盤轉子不平衡檢測方法，將不平衡力的檢測 放在與輪盤同步旋轉的坐標系下進行，包括如下步驟：包括轉軸、電機以及設在轉軸上的 輪盤，在輪盤或轉軸上標定角度坐標，建立旋轉坐標系，在輪盤兩側轉軸的截面布置互相正 交的應變傳感器；分別記錄輪盤在兩個互相垂直方向上不同受力情況下對應方向上的應變 值，分別標定出在這兩個方向的應變和力之間的關系的方向系數；啟動電機，給定平衡轉速 n，在旋轉坐標系下測量截面兩個垂直方向上的應變平均值；通過所得應變平均值、兩個互 相垂直方向上的方向系數可計算輪盤上的不平衡力的大小和相位，其中相位可由旋轉坐標 系直接讀出；由所求不平衡力、給定的平衡轉速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、將待測轉軸安裝在檢測臺架上；
[0012] B、在轉軸上的待識別輪盤兩側布置應變傳感器。以圖示兩輪盤模型為例，需要在 輪盤兩端選取三個截面，在0° -180°和90° -270°方向各布置1組應變傳感器，每組3 個截面，合計6組應變傳感器；
[0013] C、應變傳感器標定。
[0014] ①0° -180°方向應變傳感器標定
[0015] 將輪盤0° -180°標記轉動到水平位置，記錄三個截面0° -180°方向應變值 、4°、4。，由#1、#2輪盤受力分析可知：
[0016]

【權利要求】
1. 一種基于旋轉坐標系的多輪盤轉子動平衡檢測方法，其特征在于：包括轉軸及設在 轉軸上的輪盤，在輪盤或轉軸上標定角度坐標，建立旋轉坐標系，在輪盤兩側轉軸的截面布 置互相正交的應變傳感器；分別記錄輪盤在兩個互相垂直方向上不同受力情況下對應方向 上的應變值，分別標定出在這兩個方向的應變和力之間的關系的方向系數；啟動電機，給定 平衡轉速n，在旋轉坐標系下測量截面兩個垂直方向上的應變平均值；通過所得應變平均 值、兩個互相垂直方向上的方向系數可計算輪盤上的不平衡力的大小和相位，其中相位可 由旋轉坐標系直接讀出；由所求不平衡力、給定的平衡轉速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. 如權利要求1所述的基于旋轉坐標系的多輪盤轉子動平衡檢測方法，其特征在于： 所述轉子的輪盤數量為大于等于1個。
3. 如權利要求1所述的基于旋轉坐標系的多輪盤轉子動平衡檢測方法，其特征在于， 具體包括如下步驟： A、 在轉軸上的待識別輪盤兩側布置應變傳感器； B、 應變傳感器標定：將輪盤不同方向標記到水平位置，記錄不同受力情況下的應變值， 標定應變值和力之間的關系的方向系數； C、 由應變值和方向系數求作用在輪盤上的力； D、 啟動電機，給定平衡轉速n，測量若干周期內輪盤的應變平均值； E、 由所得應變平均值、方向系數計算測量截面上不平衡力的大小和相位； F、 由所求不平衡力、給定的平衡轉速n，在給定加重半徑r后，計算測量截面上所需加 重重量的大小和相位。
4. 如權利要求3所述的基于旋轉坐標系的多輪盤轉子動平衡檢測方法，其特征在于， 所述步驟B具體過程包括： ①0° -180°方向應變傳感器標定 將輪盤0° -180°標記轉動到水平位置，記錄三個截面0° -180°方向應變值 ，由#1、#2輪盤受力分析可知：
式中，αι?％為〇° -180°方向系數，反映了輪盤在0° -180°方向所受力與該方 向應變之間的關系； 在#1輪盤上沿0°方向施加拉力F，記錄三個截面0° -180°方向應變值 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，記錄三個截面0° -180 °方向應變值 、￡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 ②90° -270°方向應變傳感器標定 將輪盤90° -270°標記轉動到水平位置，記錄三個截面90° -270°方向應變值 ^°、4：、<，由#1、#2輪盤受力分析可知： ' ' ' (5) 式中，-270°方向系數，反映了輪盤在90° -270°方向所受力與該 方向應變之間的關系； 在#1輪盤上沿90°方向施加拉力F，記錄三個截面90° -270°方向應變值.<!、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，記錄三個截面90° -270°方向應變值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h?36。
5. 如權利要求3或4所述的基于旋轉坐標系的多輪盤轉子動平衡檢測方法，其特征在 于，所述步驟C具體過程包括： 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，為步驟C所得90° -270° 方向系數，ε1χ、ε2χ、ε3χ、ely、e 2y、e3y為任意狀態下兩互相正交方向的6組應變值。
6. 如權利要求5所述的基于旋轉坐標系的多輪盤轉子動平衡檢測方法，其特征在于， 所述步驟D具體過程包括： 啟動電機到指定平衡轉速n，測量各截面水平和垂直方向應變值，得到平衡轉速η下若 干周期內應變值的平均值心、&52y、&y。
7. 如權利要求6所述的基于旋轉坐標系的多輪盤轉子動平衡檢測方法，其特征在于， 所述步驟E具體過程包括： 將步驟E測出的應變平均值化、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 大小？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. 如權利要求7所述的基于旋轉坐標系的多輪盤轉子動平衡檢測方法，其特征在于， 所述步驟G具體包括： 由上述計算得到的不平衡量大小和相位，由給定的平衡轉速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】G01M1/16GK104101464SQ201410361836
【公開日】2014年10月15日 申請日期:2014年7月25日 優先權日:2014年7月25日
【發明者】楊建剛, 房久正 申請人:東南大學