轉(zhuǎn)子自動平衡技術(shù)及其工業(yè)化應(yīng)用

李新軍，梁志剛

（北京化工大學(xué)，北京 100029）

轉(zhuǎn)子自動平衡研究主要包括平衡頭設(shè)計、平衡控制算法、振動信號處理與辨識三個部分。

一、平衡頭設(shè)計

根據(jù)平衡頭產(chǎn)生不平衡量的方式不同可以將目前已研制的平衡頭分為質(zhì)量變分布式、質(zhì)量變化式和作用力式三類。本課題主要研究對象主要是電磁式平衡頭與注液式平衡頭。

電磁式平衡頭屬于質(zhì)量變分布式平衡頭。通過平衡頭的內(nèi)部電機或外部電磁場驅(qū)動平衡頭內(nèi)質(zhì)量塊或質(zhì)量不對稱環(huán)移動，從而使平衡頭的質(zhì)量分布發(fā)生變化。根據(jù)不平衡量調(diào)整方式不同可以進(jìn)一步分為徑向調(diào)節(jié)式和周向調(diào)節(jié)式。

1.徑向調(diào)節(jié)式

平衡頭由微電機帶動絲桿或蝸輪蝸桿使質(zhì)量塊沿徑向移動，可以產(chǎn)生一個此方向上的不平衡矢量，其方向一定而大小有變化，運動方向互相垂直的兩個質(zhì)量塊可以組合出任意方向的不平衡矢量。如華中理工大學(xué)張鴻海等人研制的智能砂輪在線平衡儀。

2.周向調(diào)節(jié)式

平衡頭質(zhì)量塊沿周向移動，不平衡矢量大小一定而方向變化，兩個以上周向運動的質(zhì)量塊可以組合出任意方向任意大小的不平衡矢量。例如：浙江大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)的電磁式平衡頭、美國LORD公司的自動平衡頭等。這也是本課題中電磁式平衡頭所采用的調(diào)節(jié)方式。

注液式平衡頭屬于流體質(zhì)量變化式平衡頭。通過向平衡頭儲液室注入液體在線不停機調(diào)節(jié)配重。由于在平衡盤上沒有活動機械部件，注液式平衡頭加工制造相對簡單、動作可靠，但注液式平衡頭上各儲液室內(nèi)液體只注入不排出，一定時間后易達(dá)到飽和進(jìn)而喪失調(diào)節(jié)能力，所以不適合長期反復(fù)調(diào)節(jié)。

針對單一注液式平衡頭的缺點，浙江大學(xué)賀世正等通過電磁閥釋放滿液腔室中的液體以期達(dá)到長期使用的目的，但制造難度增加，可靠性反而降低，調(diào)節(jié)效果不理想。

北京化工大學(xué)張鵬等人于2005年提出了連續(xù)注排式液體轉(zhuǎn)子自動平衡頭，并采用脈碼調(diào)制和脈寬調(diào)制混合模式流量調(diào)節(jié)方法在平衡頭長周期運行問題上獲得了一定的突破。

二、平衡算法

剛性轉(zhuǎn)子與撓性轉(zhuǎn)子的平衡算法差異較大。對于剛性轉(zhuǎn)子，任何不平衡均可歸結(jié)為一個力不平衡與一個力矩不平衡的加和，理論上最多用兩個配重調(diào)整面就可以使其完全平衡。而由于動撓度的影響，撓性轉(zhuǎn)子平衡困難得多，相應(yīng)的自動平衡算法可以歸為尋優(yōu)搜索、影響系數(shù)法和模態(tài)平衡法三大類及其組合。

1.尋優(yōu)搜索

采用黑箱純實驗性的方法，以振動幅值、軸承動反力等參數(shù)構(gòu)成一個目標(biāo)函數(shù)，通過尋優(yōu)搜索，實驗調(diào)整不平衡量，使得目標(biāo)函數(shù)值最小。

2.模態(tài)平衡法

具有較好的轉(zhuǎn)子動力學(xué)理論基礎(chǔ)，直接由撓性轉(zhuǎn)子動力學(xué)方程推導(dǎo)得出動平衡方程并以其為依據(jù)在各個配重面上配重，依次實現(xiàn)低階至高階各振型的不平衡量平衡。

3.影響系數(shù)法

該方法是對單校正面矢量平衡法的發(fā)展。假設(shè)各校正量對某點振動是線性影響，則表示多個校正量對多個測點振動的影響是一個復(fù)數(shù)影響系數(shù)矩陣。

三、振動信號處理

振動測試中得到的數(shù)據(jù)在大多數(shù)情況下不是真實的振動信號，或者說與真實的振動信號之間存在一定的差別。未經(jīng)分析處理、修正，直接采用測試得到振動信號作為結(jié)果往往會產(chǎn)生誤差，甚至?xí)玫藉e誤結(jié)論。經(jīng)典的振動信號處理一般可以分為振動信號預(yù)處理、時域分析、頻域分析和模態(tài)分析幾個部分。

1.振動信號預(yù)處理

對傳感器測試信號做初步加工處理，修正波形的畸變，剔除混雜在信號中的噪聲和干擾、削弱信號中的多余內(nèi)容，強化突出感興趣的部分，盡可能真實地還原實際振動信號。

2.振動信號的時域處理

又稱為波形分析，主要是針對時域信號波形的分析處理，其核心內(nèi)容是濾波算法及濾波器設(shè)計。劉健、潘雙夏等詳細(xì)討論了時域同步平均、Chebyshev窄帶通濾波、整系數(shù)帶通濾波、數(shù)字跟蹤濾波及自適應(yīng)濾波器等五種數(shù)字濾波器在動平衡測量中的應(yīng)用，從實用性角度對其濾波性能及實現(xiàn)方法進(jìn)行比較分析。楊克己、武二永針對動平衡測量具體實踐，通過分段變步長策略和初始值選取措施優(yōu)化了強變頻率結(jié)構(gòu)背景噪聲干擾下高精度提取幅值和相位的自適應(yīng)消噪方法。

3.振動信號的頻域處理

也稱為頻譜分析，是建立在傅里葉變換基礎(chǔ)上的時頻變換，處理得到的結(jié)果是以頻率為變量的函數(shù)。常用的方法有FFT、DFT及小波變換等，如：FFT應(yīng)用于車輪動平衡、基于DFT的動平衡機不平衡量提取、基于離散小波變換的動平衡機不平衡量提取、諧波小波提取動平衡機不平衡量信號等。

4.實驗?zāi)B(tài)參數(shù)識別

實驗?zāi)B(tài)參數(shù)識別是通過實測振動信號數(shù)據(jù)對所測試結(jié)構(gòu)的固有頻率、阻尼比和振型等動力特性參數(shù)進(jìn)行估計的處理辦法，適用于線性時不變振動系統(tǒng)，并分為頻域識別與時域識別兩類。其中，時域識別起步較晚，卻能克服頻域法的一些缺陷，不僅減少了激勵設(shè)備、節(jié)省了測試時間與費用，而且能夠?qū)B續(xù)運行設(shè)備，如大型化工設(shè)備等進(jìn)行在線參數(shù)識別。近年來，直接利用環(huán)境激勵下的振動響應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行模態(tài)參數(shù)識別在各個研究領(lǐng)域中引起了高度重視。如何甄別和剔除噪聲模態(tài)、合理選擇識別方法、階數(shù)等一直是時域法研究中的重要課題。

四、結(jié)論及應(yīng)用前景

自動平衡能抑制不平衡引起的振動，且自動平衡能很好地改善產(chǎn)品的質(zhì)量、機器與刀具的疲勞壽命，因而降低整個旋轉(zhuǎn)機械系統(tǒng)的成本。但是，自動平衡設(shè)備的安裝與維護(hù)將增加整個系統(tǒng)的成本。因此，如何從成本－效率關(guān)系的觀點來評價自動平衡也將是一個十分有意義和重要的課題。

自動平衡技術(shù)的應(yīng)用目前仍只局限于磨床、銑床、陀螺儀、牙鉆等少數(shù)旋轉(zhuǎn)運動機械上。真正長周期運行的大型裝備的成功應(yīng)用實例未見報道。在線自動平衡技術(shù)的規(guī)?；I(yè)應(yīng)用將是動平衡技術(shù)的一次巨大進(jìn)步，不僅推動故障診斷技術(shù)至更高層次、開創(chuàng)故障在線自愈的新階段，而且所帶來的經(jīng)濟效益和社會效益是難以估計的。

[1]張鵬.連續(xù)注排式自動平衡頭設(shè)計及控制算法 [D],2006,北京化工大學(xué):北京.

[2]張鴻海.智能式砂輪在線自動平衡儀 [J].航空精密制技術(shù),1994.30(1):7-9.

[3]歐陽紅兵，汪希萱.兩種新型電磁式在線自動平衡頭 [J].機械制造，2002.40(455):47-48.

[4]賀世正.釋放液體式自動平衡頭的研究 [J].浙江大學(xué)學(xué)報（工學(xué)版） 2001.35(4):418-422.

[5]楊克己，武二永.高精度動平衡測量中自適應(yīng)濾波技術(shù)的應(yīng)用研究 [J].儀器儀表學(xué)報，2005.26(1):32-36.