专利名称：柔性转子的双面瞬态平衡方法
技术领域：
本发明涉及一种柔性转子的双面瞬态平衡方法，其可用于快速解决旋转机械的转子系统由于质量不平衡引起的振动问题。

背景技术：
柔性转子的动平衡，即通过在转子一定的轴向和周向位置添加或去除平衡校正量来减小转子的振动，是保证旋转机械安全稳定运行的重要手段之一，在旋转机械的制造、运行和维护中占有非常重要的地位。近年来，在旋转机械向大功率、高转速、细长轴等方向发展的趋势下，柔性转子的平衡问题变得更加突出和重要。提高转子的平衡精度和效率始终是该项技术所追求的目标。
目前转子动平衡方法总的可分为两类模态平衡法和影响系数法。这两种方法都是以转子的稳态响应为基础，即借助转子系统在某些选定转速下的稳态响应数据，通过多次起车来求得平衡校正量以完成转子的平衡。然而，现场平衡时，“稳态”平衡方法面临诸多挑战(或困难)，如实际转子在运行过程中其转速会出现一定的波动，很难精确稳定在某一转速下，不能算作严格意义上的“稳态”，用传统的稳态平衡理论对其进行平衡必然出现一定的误差。另外，模态平衡法选取的平衡转速接近转子的临界转速，长时间在该转速下停留测量对旋转机械十分不利。而且，稳态平衡方法都需要进行多次起车才能确定校正质量，如对于运行于一、二阶临界转速之间的转子来说，采用两转速的影响系数法进行平衡，至少需要3次起车；采用模态平衡法平衡前两阶模态至少需要4次起车，这无形中增加了平衡时间和平衡费用、降低了平衡效率。因此，基于提高平衡精度和平衡效率的考虑，研究一种起车次数少的柔性转子瞬态平衡方法，使得转子在较符合实际工况的条件下进行平衡具有非常重要的意义。
“转子全息动平衡方法”(中国发明专利申请，申请号97108694.X)和“非对称转子的全息动平衡方法”(中国发明专利申请，申请号00113755.7)将全息谱引入到动平衡领域，通过一次加试重起车，在任意转速下实现了转子的平衡。这两种平衡方法减少了平衡过程的起车次数，但其基本理论仍是以转子的稳态响应为基础，仍面临着上述稳态平衡中所存在的问题。
“单盘柔性转子瞬态平衡方法”(中国发明专利申请，申请号200610104950.4)通过转子起动过临界时的加速瞬态响应信息，只需一次加试重起车，即可完成单盘转子的平衡。该平衡方法在较符合转子实际工况的条件下，在平衡效率方面有了较大的突破，但其仅限于单盘类转子平衡的情况。


发明内容
要解决的技术问题 为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种柔性转子的双面瞬态平衡方法，是一种针对具有多盘(两盘及其以上)或分布质量的柔性转子系统的平衡方法，该方法借助转子加速通过前两阶临界区的不平衡瞬态响应，通过一次加试重组起车，可高效、可靠地实现柔性转子的双面平衡。
技术方案 本发明的技术特征在于步骤如下 步骤1采集转子在初始不平衡下以某一恒定角加速度通过前两阶临界区时的瞬态响应数据键相信号数据p(t)、转子左端轴承附近测点的振动位移数据xl(t)，yl(t)以及转子右端轴承附近测点的振动位移数据xr(t)，yr(t)； 步骤2计算转子左端轴承测点的动挠度信号和转子右端轴承测点的动挠度信号然后通过低通滤波，对动挠度信号进行平滑处理； 步骤3在任意不同的连续2k+1个键相信号脉冲间计算出50个加速度a0值，然后将它们进行平均得到转子的最终角加速度值a；所述角加速度其中，Φ＝2kπ，k为任意自然数；t1为连续的k+1个键相信号脉冲之间的时间段，t2为紧随t1之后的连续k+1个键相信号脉冲之间的时间段； 步骤4根据动挠度信号rl(t)和rr(t)确定转子的方位角一阶模态不平衡在左端轴承测点处的方位角和右端轴承测点处的方位角二阶模态不平衡在左端轴承测点处的方位角和右端轴承测点处的方位角其中tl1为动挠度rl(t)在一阶临界区内波动的极小值时刻，ψ(tl1)为tl1时刻转子进动角，tlp1为tl1时刻前紧邻键相信号脉冲的时刻，tr1为动挠度rr(t)在一阶临界区内波动极小值的时刻，ψ(tr1)为tr1时刻转子进动角，trp1为tr1时刻前紧邻的键相信号脉冲的时刻，tl2为动挠度rl(t)在二阶临界区内波动极小值的时刻，ψ(tl2)为tl2时刻转子进动角，tlp2为tl2时刻前紧邻的键相信号脉冲的时刻；tr2为动挠度rr(t)在二阶临界区内波动极小值的时刻，ψ(tr2)为tr2时刻转子进动角，trp2为tr2时刻前紧邻的键相信号脉冲的时刻； 所述的进动角所述的所述的所述的其中n＝0或1且取值应保证ψ∈
； 步骤5确定平衡试重组
其中，φ1(s)，φ2(s)分别为转子的一、二阶振型函数，s1和s2分别为转子两加重面的轴向坐标；U12和U22分别为一、二阶模态平衡试重组大小的参考值，其取值方法采用影响系数法或模态平衡法中平衡试重法； 步骤6将平衡试重组加于转子上，以同一加速度a再次启动转子，确定平衡配重组
所述其中r0l1，rl1分别为加试重前、后左端轴承测量面处的动挠度在一阶临界区内的最大值，r0r1，rr1分别为加试重前、后右端轴承测量面处的动挠度在一阶临界区内的最大值，r0l2，rl2分别为加试重前、后左端轴承测量面处的动挠度在二阶临界区内的最大值，r0r2，rr2分别为加试重前、后右端轴承测量面处的动挠度在二阶临界区内的最大值。
所述步骤3中的k取值为20。
有益效果 本发明提出的柔性转子的双面瞬态平衡方法，通过不平衡加速瞬态响应信息可以高效、可靠地实现柔性转子的平衡。平衡过程需要的起车次数少，平衡精度高。



图1转子实验台布置图。1为键相信号传感器，2—5是两轴承附近布置的测量转子横向振动的位移传感器，6是驱动转子的直流电机，7是弹性联轴节；B1，B2是转子两端的轴承；I—IV是转子上的四个特征盘，其中选择I和IV为转子的两个加重面。图1(b)为从A方向侧视时转子的横截面图，K为键相槽。
图2转子的前两阶振型图。横坐标是转子轴向位置，纵坐标是转子的振型函数，其中φ1(s)为转子的一阶振型函数，φ2(s)为转子的二阶振型函数。
图3在两端轴承附近测点测得的转子加速瞬态响应图。图3(a)为xl-t图像，图3(b)为yl-t图像，图3(c)为xr-t图像，图3(d)为yr-t图像。
图4经过平滑处理的转子瞬态动挠度图。图4(a)为rl-t图像，图4(b)为rr-t图像，两图中底部的脉冲信号为键相脉冲。瞬态动挠度在一、二阶临界区内的波动区域分别表示为区域Sl1，Sl2，Sr1和Sr2。
图5一、二阶临界区内转子测点处瞬态动挠度的变化图。图5(a)为区域Sl1的局部放大图，tl1表示动挠度波动的极小值对应的时刻，tlp1表示tl1前面紧邻的键相脉冲对应的时刻；图5(b)为区域Sl2的局部放大图，tl2表示动挠度波动的极小值对应的时刻，tlp2表示tl2前面紧邻的键相脉冲对应的时刻；图5(c)为区域Sr1的局部放大图，tr1表示动挠度波动的极小值对应的时刻，trp1表示tr1前面紧邻的键相脉冲对应的时刻；图5(d)为区域Sr2的局部放大图，tr2表示动挠度波动的极小值对应的时刻，trp2表示tr2前面紧邻的键相脉冲对应的时刻。
图6瞬态平衡前后轴上不同位置处瞬态动挠度的比较图。图6(a)表示左端轴承附近测点在平衡前后瞬态动挠度的比较；图6(b)表示右端轴承附近测点在平衡前后瞬态动挠度的比较；图6(c)表示特征盘I在平衡前后瞬态动挠度的比较；图6(d)表示特征盘II在平衡前后瞬态动挠度的比较；图6(e)表示特征盘III在平衡前后瞬态动挠度的比较；图6(f)表示特征盘IV在平衡前后瞬态动挠度的比较。各图中，C1表示平衡前的瞬态动挠度，C2表示平衡后的瞬态动挠度。

具体实施例方式 现结合实施例、附图对本发明作进一步描述 本实施例是在Bently-RK4转子实验台上完成的，试验台的布置如图1所示。此转子系统的工作转速为1500rpm，其一阶临界转速约为ω1＝650rpm，二阶临界转速约为ω2＝2130rpm。
进行柔性转子的双面平衡 (1)、在转子的两端轴承附近选择两测量平面，并选择盘I和盘IV为两平衡加重面。
(2)、根据转子的结构状况，使转子以恒定的角加速度加速通过其前两阶临界区，采集振动位移信号xl(t)、yl(t)、xr(t)和yr(t)(如图3所示)和键相信号p(t)。其中p(t)为一系列脉冲信号。
(3)、通过振动位移信号得到转子测量面处的动挠度信号rl(t)和rr(t)。并通过低通滤波对动挠度信号进行平滑处理。平滑处理后的动挠度信号如图4所示。
(4)、根据键相信号求得转子起动时的角加速度大小为a＝25.0rad/s2。
(5)、通过动挠度信号的波动区域Sl1，Sr1(如图4和图5所示)求得一阶模态不平衡所在的方位角αl1，αr1 表1 一阶模态不平衡方位角 则 通过动挠度信号的波动区域Sl2，Sr2(如图4和图5所示)求得二阶模态不平衡所在的方位角αl2，αr2 表2 二阶模态不平衡方位角 则 (6)、通过转子的前两阶振型函数(如图2所示)，确定λ1和λ2 进而确定在加重面I和IV上应加的试重组矢量[UlUr] Ul＝λ1×5gcm∠(π+αl1)+λ2×5gcm∠(π+αl2) Ur＝5gcm∠(π+αr1)+5gcm∠(π+αr2) ＝4.11gcm∠1.118rad+6.48gcm∠3.576rad＝5gcm∠1.333rad+5gcm∠0.7084rad ＝4.237gcm∠2.896rad ＝9.516gcm∠1.021rad (7)、加试重组矢量[UlUr]后，以相同的角加速度a＝25.0rad/s2再次起动转子，利用各阶模态不平衡大小与相应阶模态响应幅值之间的线性关系，可求得两加重面上应加的平衡配重组矢量[U0l U0r]如下 U0l＝11.227gcm∠(π+αl1)+12.591∠(π+αl2) U0r＝13.658∠(π+αr1)+9.715∠(π+αr2) ＝8.091gcm∠2.507rad ＝22.275gcm∠1.075rad (8)、平衡操作。在加重面I的143.6°(2.507rad)和加重面IV的61.6°(1.075rad)方向上分别加大小为8.091gcm和22.275gcm的平衡配重量，即可完成该转子系统的双面平衡。转子不同轴向位置处平衡前后瞬态响应的比较如图6所示，表3给出了相关的比较数据。表4给出了工作转速(ω＝1500rpm)下，平衡前后转子稳态响应数据的比较结果。 表3 不同轴向位置处平衡前后瞬态响应的比较
表4工作转速下不同轴向位置处平衡前后响应的比较
权利要求
1.一种柔性转子的双面瞬态平衡方法，其特征在于步骤如下
步骤1采集转子在初始不平衡下以某一恒定角加速度通过前两阶临界区时的瞬态响应数据键相信号数据p(t)、转子左端轴承附近测点的振动位移数据xl(t)，yl(t)以及转子右端轴承附近测点的振动位移数据xr(t)，yr(t)；
步骤2计算转子左端轴承测点的动挠度信号和转子右端轴承测点的动挠度信号然后通过低通滤波，对动挠度信号进行平滑处理；
步骤3在任意不同的连续2k+1个键相信号脉冲间计算出50个加速度a0值，然后将它们进行平均得到转子的最终角加速度值a；所述角加速度其中，Φ＝2kπ，k为任意自然数；t1为连续的k+1个键相信号脉冲之间的时间段，t2为紧随t1之后的连续k+1个键相信号脉冲之间的时间段；
步骤4根据动挠度信号rl(t)和rr(t)确定转子的方位角一阶模态不平衡在左端轴承测点处的方位角和右端轴承测点处的方位角二阶模态不平衡在左端轴承测点处的方位角和右端轴承测点处的方位角其中tl1为动挠度rl(t)在一阶临界区内波动的极小值时刻，ψ(tl1)为tl1时刻转子进动角，tlp1为tl1时刻前紧邻键相信号脉冲的时刻，tr1为动挠度rr(t)在一阶临界区内波动极小值的时刻，ψ(tr1)为tr1时刻转子进动角，trp1为tr1时刻前紧邻的键相信号脉冲的时刻，tl2为动挠度rl(t)在二阶临界区内波动极小值的时刻，ψ(tl2)为tl2时刻转子进动角，tlp2为tl2时刻前紧邻的键相信号脉冲的时刻；tr2为动挠度rr(t)在二阶临界区内波动极小值的时刻，ψ(tr2)为tr2时刻转子进动角，trp2为tr2时刻前紧邻的键相信号脉冲的时刻；
所述的进动角所述的所述的所述的其中n＝0或1且取值应保证ψ∈
；
步骤5确定平衡试重组
其中，φ1(s)，φ2(s)分别为转子的一、二阶振型函数，s1和s2分别为转子两加重面的轴向坐标；U12和U22分别为一、二阶模态平衡试重组大小的参考值，其取值方法采用影响系数法或模态平衡法中平衡试重法；
步骤6将平衡试重组加于转子上，以同一加速度a再次启动转子，确定平衡配重组
所述其中r0l1，rl1分别为加试重前、后左端轴承测量面处的动挠度在一阶临界区内的最大值，r0r1，rr1分别为加试重前、后右端轴承测量面处的动挠度在一阶临界区内的最大值，r0l2，rl2分别为加试重前、后左端轴承测量面处的动挠度在二阶临界区内的最大值，r0r2，rr2分别为加试重前、后右端轴承测量面处的动挠度在二阶临界区内的最大值。
2.根据权利要求1所述的柔性转子的双面瞬态平衡方法，其特征在于所述步骤3中的k取值为20。
全文摘要
本发明涉及一种柔性转子的动平衡方法，其可用于旋转机械的平衡和减振领域。其技术特征在于以柔性转子加速启动过程中的瞬态不平衡响应为基础，在转子前两阶临界区内，通过在两端轴承附近采集到的瞬态不平衡响应数据可快速识别出转子的一、二阶模态不平衡所在的方位角；然后，结合转子的模态知识，通过一次加试重组起车，可同时实现转子前两阶模态的平衡。利用本发明提出的平衡方法，通过不平衡加速瞬态响应信息可以高效、可靠地实现柔性转子的平衡。平衡过程需要的起车次数少，平衡精度高。和传统的平衡方法相比，该平衡方法具有快捷、高效的特点。
文档编号G01M1/38GK101387567SQ20081023199
公开日2009年3月18日 申请日期2008年10月29日 优先权日2008年10月29日
发明者黄金平, 任兴民 申请人:西北工业大学