旋轉機械現場動平衡方法研究進展*

張雪輝,焦瀚暉,胡東旭,李 文,3,左志濤,,3,陳海生,,3*

(1.畢節高新技術產業開發區 國家能源大規模物理儲能技術研發中心,貴州 畢節 551712;2.中國科學院 工程熱物理研究所,北京 100190;3.中科院工程熱物理研究所 南京未來能源系統研究院,江蘇 南京 211135)

0 引 言

目前,工業發展迅速,旋轉機械逐漸向著高速化、大型化、精密化和自動化發展,對設備的安全性和可靠性要求越來越高。因此,有效地監測并抑制振動是保證設備正常運行的關鍵。據統計,超過50%的設備和系統故障可以直接或間接地歸因于轉子的不平衡[1],對于汽輪機轉子等復雜旋轉機械,振動故障75%以上是由不平衡引起的[2]。因此,如何快速、有效地解決轉子不平衡問題是解決旋轉機械振動問題的重中之重。

轉子平衡問題貫穿了機組的制造、安裝、運行及維護過程[3]。轉子平衡情況會受到制造加工工藝、設備材料均勻度、質量分布、裝配技術和運行情況的影響[4]。對于工作轉速低于臨界轉速的剛性轉子來說,動平衡在動平衡機上即可完成,且效果良好。對于工作轉速高于一階臨界甚至二階臨界轉速的柔性轉子,應當采用高速度動平衡法,但是高速動平衡有諸多限制。某些大型航空發動機在設計階段要求一階臨界轉速高于工作轉速,使其轉子為剛性轉子,減小轉子不平衡對整機的影響[5]。如無法避免柔性轉子,實際生產中一般利用低速動平衡代替高速動平衡[6]。基于低速動平衡方法,進一步發展出了組合平衡法,該方法將轉子分解為單元體進行低速平衡后再進行總裝。我國中國航發沈陽發動機研究所、中國燃氣渦輪研究院和沈陽黎明發動機制造公司等利用了該方法對高壓轉子進行了組合平衡;之后,提出了模擬轉子平衡技術,利用模擬軸對轉子部件進行了動平衡,可以實現部件級單獨平衡。GE公司CMF56發動機及我國中航工業沈陽黎明航空發動機(集團)有限責任公司某型號發動機高壓轉子均實現了模擬動平衡技術,并取得了良好的效果[7,8]。

不論是剛性轉子還是柔性轉子,使用上述的動平衡方法,對轉子的設計水平、加工工藝和裝配精度要求極高,要求轉子在各個方向均有良好的定位,保證每次裝配位置相同。轉子動平衡前后及整機裝配的一致性是對工藝水平的極大挑戰。

綜上所述,目前普遍應用的動平衡機低速動平衡的方法有以下不足之處:(1)低速動平衡無法滿足設備高速化趨勢及柔性轉子動平衡需求;高速動平衡限制條件多,價格昂貴。并且,在動平衡機上無法真實模擬轉子實際運行情況,實際運行有諸多影響因素無法預測;(2)裝配精度對平衡效果影響大,裝配工藝要求高,轉子從動平衡至總裝過程必須保證高度一致性;(3)設備拆裝工序復雜、工期長,無法滿足現場生產需求。

為解決以上問題,研究人員提出了旋轉機械現場動平衡技術。現場動平衡是指轉子在現場條件下或者在試驗場所的條件下,利用通用的振動測試設備測量幅值和相位,在轉子原配軸承基座上進行平衡[9,10]。新投產的汽輪發電機組中,大約有70%需要進行現場在線動平衡[11]。在今后的生產應用中,現場動平衡將是解決高速、復雜軸系不平衡問題的重要技術手段[12]。

本研究主要闡述現場動平衡技術國內外發展現狀,對現場動平衡技術現場應用進行綜述;對各個方法的特點進行闡述,并以現場實際應用的角度出發,對各方法的優缺點進行分析總結;最后針對現場不平衡問題突出的現象,提出“三維一體”動平衡體系,提出現場動平衡推廣過程中亟需解決的問題,同樣也是未來研究的主要方向。

1 影響系數法

影響系數法同時適用于剛性轉子和柔性轉子現場動平衡,是平衡方法中最容易實現的一種,是現場動平衡的主要方法[13]。在計算平衡校正量時,影響系數法本質上將轉子-軸承系統視為一個“黑箱”,不涉及轉子系統的動態特性[14]。

影響系數法的主要原理如圖1所示。

圖1 影響系數法原理

1.1 方法原理

對于剛性轉子,影響系數法通過求取影響系數,來反映配平面對整個轉子系統振動的影響。在I平面添加試重Q1后,I平面影響系數求解方法如下:

(1)

式中:α1,β1—I平面對AB兩測點的影響系數;A0,B0—AB兩測點原始振動矢量;Q1—在I平面添加的試重矢量;A1,B1—AB兩測點添加Q1后振動矢量。

同理,可以求得Ⅱ平面影響系數α2及β2,即:

(2)

式中:α2,β2—Ⅱ平面對AB兩測點的影響系數;Q2—在Ⅱ平面添加的試重矢量;A2,B2—AB兩測點添加Q2后振動矢量。

利用影響系數法對剛性轉子進行平衡,通常通過一兩次加重就可以得到滿意的平衡效果,即:

(3)

式中:P1,P2—I平面和Ⅱ平面所需添加的配平矢量。

通過求解矢量方程組,就可以得到配平矢量P1和P2。

由于柔性轉子動力特性的影響,柔性轉子影響系數法也有弊端。影響系數法平衡柔性轉子的求解方程組如下:

V0+A·P=0

(4)

式中:V0—原始振動矩陣,維度為M×N(N為轉速個數);A—影響系數矩陣,維度為M×N×K;P—校正質量矩陣,維度為1×K。

如果軸系軸承數目多,測點數M也增多,但是校正平面K卻有一定限制,所以會出現K

1964年,GOODMAN T P[15]提出了最小二乘影響系數法,來求解矛盾方程,尋求一組矯正質量,使各測點在各平衡轉速下殘余振動值的平方和最小。

1.2 研究現狀

經過多年的發展,研究人員對柔性轉子動平衡技術進行了改進,主要通過引入啟發式算法,如遺傳算法[16,17]、粒子群算法[18],來解決柔性轉子平衡尋優的問題,并均已在實驗臺上對這些算法進行了可行性的驗證。

除了最小二乘法以外,國內外研究人員都對影響系數法進行了大量的研究。YUAN Kang等人[19]的研究發現,影響系數矩陣維度代表測量平面和校正平面的個數,其維度減少有助于提高校正質量的精度,但是最小的維度不一定對應最佳平衡質量,也無法得到最小的殘余不平衡量;同時,測量平面和校正平面數量的確定也需要作進一步的研究。

針對影響系數法需轉子多次重啟的不足,徐賓剛[20]提出了基于影響系數法的柔性轉子無試重平衡法,利用遺傳算法對平衡配重進行優化搜索,實現了殘余振動量的極小化。影響系數法假設轉子響應是線性的,而由于油膜支撐的存在,大型轉子的軸承有時會在軸承力和軸頸位移之間表現出很強的非線性關系,嚴重影響系數法的動平衡效果。

針對以上問題,ALVES D S[21]提出了利用軸承座加速度信號計算影響系數,可以準確計算出原始不平衡量的位置;但是該方法僅在結構簡單的試驗臺上得到了驗證。YAO Jian-fei等人[22]提出了通過雙目標優化方法,實現了多轉速柔性轉子的動平衡;分別通過遺傳算法和最小化殘余振動獲得了最佳校正權重,并通過實驗與仿真驗證了該方法優于傳統的最小二乘影響系數法。韓平利[23]通過實驗研究,提出了轉子動平衡影響系數優劣評價和提取方法,該方法對評價轉子重啟得到的影響系數性能具有一定的參考價值。GYAN R等人[24]提出了基于高轉速影響系數及低轉速下的振動值,實現了柔性轉子的動平衡。GYAN R和TIWARI R[25]提出了廣義影響系數法,利用主動磁軸承實現了轉子平穩通過臨界轉速。

除了對不同影響系數法的選用外,轉子振動工頻幅值和相位的提取也是能否完成動平衡的關鍵。提取轉子工頻幅值和相位,主要是去除會對工頻產生影響的頻率。

CHEN Dong-ju等人[26]使用小波變換和功率譜密度準確提取了不平衡相位。李傳江等人[27]提出了一種基于EMD和瞬時頻率估計的不平衡幅值相位提取方法。王展等人[28]提出了基于全相位快速傅里葉變換的不平衡幅值相位準確提取方法。江志農等人[29]提出了基于互功率譜的相位檢測算法,在文獻[30]40-42中該方法已經被應用于現場試驗[30]。

對于雙轉子結構轉子,當轉速差較小的時候會產生“拍頻”。YANG J S、PONCI L P和李傳江等人[31-33]對速度差很小的轉子工頻信息的提取進行了研究,準確提取工頻后,利用影響系數法實現了良好的轉子動平衡效果。CAO Hong-rui等人[34]提出了利用同步壓縮變換和角域重采樣的方法,消除了轉速波動對轉子相位計算的影響。

對于不同類型的設備,其振動監測方式和信號特點均有差異,如何高效、準確地提取工頻幅值和相位,需要現場技術人員根據現場情況靈活選取信號處理方法。

1.3 現場應用

1.3.1 影響系數法

影響系數法在國外的發展已比較成熟,但在國內仍處于技術積累與模型轉子實驗階段。影響系數法在國內的現場應用存在重復啟機、可靠性和穩定性不足的問題。

馮建鵬[30]利用影響系數法,完成了低壓轉子整機動平衡,其配平效果良好。影響系數法在其他現場動平衡均有應用。張朝平等人[35]利用SB-7700動平衡儀和雙平面影響系數法,對400 kW/10 MJ飛輪儲能系統軸系進行了在線動平衡。針對大型風機存在的不平衡故障,凡飛龍[36]利用雙平面影響系數法,對大型風機不平衡轉子進行了現場整機動平衡,有效降低了設備振動值。譚秀婷等人[37]利用影響系數法,在特定轉速下對汽輪機高壓轉子進行了現場在線動平衡,實現了柔性轉子整機的現場動平衡。

大型水輪機一般為剛性轉子,丁永勝、王斌等人[38,39]利用影響系數法,完成了大型水輪機組現場動平衡。陳曦[40]基于最小二乘影響系數法,實現了發動機低壓轉子的現場動平衡。美國KUNZ D L等人[41]利用數值模擬方法,分析了AH-64尾旋翼振動響應,并根據旋翼振動特性和影響系數法開發出了一種精確計算去除葉尖質量的配平方法。

1.3.2 三圓法

基于影響系數法原理,此后又發展出了三圓法。該方法僅需要測量轉子振動幅值,不需要求得轉子工頻相位,通過畫圖法即可求得配平矢量[42,43]。

沈陽鼓風機集團利用三圓法,對離心壓縮機進行了現場動平衡,成功解決了壓縮機現場振動超標的問題[44]。羅立等人[6]59-60利用三圓法,在CFM56系列發動機上實現了良好的本機動平衡效果。沈陽的姜廣義等人[45]利用三圓法,實現了某型大型轉子的動平衡,有效地減小了轉子整機振動。孫國維[46]利用三圓法實現了WJ5A-I型發動機的本機動平衡。

三圓法缺點主要是需要的啟停機次數多,單平面動平衡至少需要4次,雙平面配平則至少需要7次。同時,該方法計算精度不高,計算難度大,無法實現自動化;當遇到對配重不敏感的轉子,三圓法的平衡精度無法滿足需求。

與三圓法相對比,影響系數法所需啟停機次數少、計算效率高。但是該方法需要準確測算振動工頻相位,因此要求設備具有可直接用于鍵相測量的外伸軸;若無法滿足該條件,其實際現場操作難度則遠高于三圓法。

1.4 小結

影響系數法和三圓法均將轉子不平衡問題轉化為數學問題,但是在實際操作中的動力學問題是無法忽略的。試重添加主要是盲試,試重添加的大小和角度依靠經驗,試重過程可能會導致振動過大或者過小,均會對平衡效果產生影響。平衡面選取、各階模態確定、轉子振動測量、試重添加方法和組件平衡次序等諸多問題[47],均不是簡單數學模型可以解決的,需要嚴謹的理論驗證和實驗驗證。

針對影響系數法存在需要重復啟停的問題,研究人員結合有限元模型對轉子的模態和不平衡響應進行了精確的數值模擬,通過模型對原始不平衡量的大小和位置進行了逆推,提出了無試重動平衡方法。該方法的內核同樣是影響系數法,該方法在各實驗臺上均得到了驗證,在理論上是可行的;但是,該方法要求準確模擬設備的動力學特性,現場操作難度較大。目前,該方法僅可用于現場結構簡單的設備[48],尚無法對大型機組實施動平衡。

2 模態平衡法

2.1 方法原理

模態平衡法又稱振型平衡法,即在轉子各階主模態具有正交性的前提下,分別使所有配平矢量產生的模態不平衡響應與轉子原始不平衡模態響應相抵消,其數學表達式如下:

(5)

配平平面的數量需要大于平衡模態數,同時考慮不破壞轉子的剛性平衡,一般將配平平面數量選為N+2(N為平衡模態數量),即:

(6)

(7)

式中:mi—第i階模態所需的校正質量;ri—校正質量的軸向位置;zi—校正質量的周向位置。

2.2 研究現狀

國內外對模態平衡法進行了大量研究。DEEPTHIKUMAR M B[49]利用模態平衡法對分布式不平衡的轉子配平進行了研究,首次引入了用偏心多項式函數的“范數”來量化分布式不平衡,利用模態平衡法計算了一階彎曲臨界轉速下轉子所需的模態校正質量。該研究還提出,量化不平衡量分布的因素對于現場判斷不平衡量的分布具有很好的借鑒意義。PALAZZOLO A B[50]提出了類似的方法,即利用奈奎斯特圖生成了振動測點的極坐標圖,從而確定了模態偏心的90°相移位置;并利用轉子的模態質量和模態形態,計算得到了轉子的模態平衡分布。該方法不需要對轉子提前進行試重,解決了試重過程重復啟機而造成較大振動的問題。

模態平衡法分別針對轉子每個振型進行配平,且盡量避免高階振型配平結果對低階振型產生影響,其最大的優勢是可以保證柔性轉子全部形態下的平衡效果,轉子可以平穩地通過各階臨界轉速。但是,模態平衡法需要在試重的過程中,在臨界轉速附近停留,這對于旋轉機械是非常危險的,會因振動過大而導致設備損壞,限制了該方法在現場的使用。

此外,因設備結構的復雜,現場對轉子模態產生影響的因素多,轉子模態的精確計算困難。同時,轉子系統的阻尼和交叉剛度是不可忽略的,在眾多條件的影響下,各階模態不再具有正交特性[51]。這是模態平衡法及基于模態的動平衡方法無法避免的問題。

當然,對整個轉子系統的動態響應進行先驗研究是必要的,它對于平衡面及振動測點的選擇具有重要參考價值。模態計算可以確定轉子系統在工作轉速范圍內經過臨界的個數,以及轉子在升速、工作和降速過程中的振動形態[52],因此,研究人員提出了基于模態平衡法的分析結果和動平衡方案。

KHULIEFY A[53]基于對轉子模態特性的研究,利用影響系數法和模態平衡技術,實現了高速轉子的低速平衡,在柔性轉子實驗臺上對方法進行了驗證;并利用一階臨界轉速70%的轉速進行配平,實驗結果表明,在運行狀態下剩余不平衡量明顯減小。該方法僅在輕載低阻尼的試驗臺得到了驗證,系統線性度高,而現場實際轉子系統通常是非線性的,因此,該方法需要在非線性度高的試驗臺上進行進一步驗證。

LEVECQUEA N[54]利用靜止狀態下的模態測試結果,建立了完整可靠的有限元模型,根據模型利用影響系數法對壓縮機轉子-曲柄施行了動平衡。黃金平、王四季等人[55]對基于模態平衡法和影響系數法的混合平衡法進行了改進,并對該方法進行了驗證,證明其具有可行性。陳曦[56]提出了一種在準確測量轉子支撐剛度的前提下,基于有限元模型的模態動平衡方法。

2.3 現場應用

唐衛新[57]對某轉子熱彎曲故障進行了準確的識別,并利用模態平衡法對轉子進行了平衡,取得了良好效果。

模態平衡法實質是一種解析方法,無法形成固定流程并通過計算機實現,因此,其現場應用較少。

2.4 小結

模態平衡法要求技術人員對設備轉子的動力特性和支撐系統相關的知識有深入的了解,且其平衡的準確性會受到轉子支撐動力特性差異、多跨轉子各跨之間相互作用等多種復雜因素的干擾。

由于現場設備的轉子-軸承系統非常復雜,無法準確計算其模態。目前,模態平衡法通常與影響系數法結合使用,為影響系數法提供了轉子動力特性的理論支撐。

3 全息動平衡技術

3.1 方法原理

影響系數法和模態平衡法都是基于轉子各向同性的假設基礎之上的[58],而實際上大多數轉子-軸承系統采用的是流體潤滑支撐,軸承的剛度和阻尼一般都是各項異性[59],若使用傳統平衡方法可能會出現較大的平衡誤差。因此,上述兩種方法均有各自明顯的缺點[60]。

基于以上問題,屈梁生院士[60]首次提出了基于全息動平衡方法的基本概念,該方法的基礎為模態動平衡法。基于三維全息譜的柔性轉子動平衡方法,利用三維全息譜表示機組的振動,使軸振和加重響應直觀化,可利用計算機模擬進行優化。

該方法采集X、Y兩個方向的振動信號,提取工頻的幅值和相位,形成了簡單的轉頻橢圓,如圖2所示。

圖2 移相橢圓

圖2中,轉頻橢圓上的基準點是轉子鍵相槽通過鍵相傳感器的時刻,該點稱為初相點;初相點轉頻橢圓上的位置與轉子重點在轉子截面上的位置相關,轉頻橢圓的大小反映了轉子不平衡量的大小;把加試重后初相點的向徑R0仍然在原始轉頻橢圓上的試重橢圓的初相點連接起來,形成了移相橢圓,最后利用轉子的試重軌跡和移相橢圓,完成轉子配平[61]。

旋轉機械轉子周振中工頻分量的函數式為:

x=sx·sin(ωt)+cx·cos(ωt)

(8)

y=sy·sin(ωt)+cy·cos(ωt)

(9)

式中:sy,cy—信號中y的正弦項和余弦項系數;ω—轉子回轉的圓周頻率。

全息譜軸承支撐處的表達式如下:

r=[r1,r2,…,rm]
ri=[sxi,cxi,syi,cyi];i=1,2…,m

(10)

式中:r—轉頻橢圓參數;m—測點截面的數量。

1個正進動的橢圓軌跡可以分解為2個圓軌跡,一個為正進動,一個為反進動,全息譜表達式為:

ei=[rpi,rmi,ai,βi]

(11)

式中:rpi—正進動圓半徑;rmi—反進動圓半徑;ai—進動點處的初相點;βi—橢圓長軸的傾角。

在轉子上有a,b,c,…,n個平衡面,則可得平衡面的全息譜矩陣為:

ra=[sx,ex,sy,cy]
rb,rc,…,rn

(12)

式中:矩陣ra,rb,rc,…,rn—在平衡面A,B,C上配重形成的三維全息譜。

3.2 研究現狀及小結

自全息動平衡技術被提出之后,國內外學者通過實驗和現場應用證明了其可行性[62-64]。如果轉子為剛性轉子,或者能精確得知轉子滯后角,就可通過該方法實現無試重動平衡。全息動平衡最理想的方式是直接測量轉子軸振,而且需要轉子有多個測量平面,每個平面需要兩個互相垂直的測點。該方法必須保證待平衡的轉子有外伸軸或者聯軸器用于標記鍵相位置,否則無法應用。

相較于模態平衡法和影響系數法,全息動平衡能夠更為直觀地反映不同轉速下的轉子振動形態和不平衡量的分布,為工程技術人員提供更為完整準確的轉子運行信息。但隨著工業技術的發展,旋轉機械的軸系結構越來越復雜,布局也越來越緊湊,已無法滿足全息動平衡的使用條件,這使得該方法的應用受到了制約。

4 自動平衡技術

對于大型轉子系統而言,停機帶來的經濟損失是巨大的。以上方法并未從根本上解決由于轉子不平衡導致停機的問題。對此,研究人員提出了自動平衡的概念[65]。

作為新興的平衡技術,研究人員一般將其作為單獨的方法進行研究,以在設備運行過程中,對因不平衡引起的振動進行實時控制[66];同時在現場條件下,在轉子原配軸承基座上對其進行平衡。

因此,在線自動平衡技術適用于不平衡量可能隨著設備運行而發生變化的情況,可以實時抑制不平衡振動,減少設備大修、返廠次數,提高設備使用壽命[67]。

4.1 原理及研究現狀

自動平衡技術主要分為被動式和主動式兩種。

4.1.1 被動式自動平衡技術

自動球平衡器(ABB)是被動式自動平衡裝置,可以通過補償轉子不平衡質量來減少旋轉機械振動。它由一系列的球構成,這些球被設定在一個固定的范圍,可以自由地在軌道中移動;當設備的運行轉速遠大于臨界轉速時,利用轉子自動定心的特性平衡球將重新定位,從而實現自動平衡[68]。

由于該方法可能導致低轉速下設備振動增大[69],ABBs并沒有得到廣泛的采用。同時,由于該機構本身是非線性的,并且對轉速和初始條件都表現出極大的敏感性,需要先驗建模或者模態識別,這也限制了其商業應用。SPERLING L還提出了一種剛性轉子雙平面自動平衡裝置,該裝置需要正確選擇阻尼系數。但是由于不同轉子的剛度和阻尼不同,需要對轉子的運動情況進行充分分析,并選擇合適的參數設置,造成其實際應用難度大。

4.1.2 主動式自動平衡技術

主動式自動平衡裝置分為:電磁力平衡和質量平衡兩種。電磁平衡主要是利用同頻電磁力直接作用于轉子;質量平衡主要是利用電機[70]、電磁環驅動[71,72]不平衡補償質量,或者注液對轉子不平衡量進行補償[73]。電機和電磁環稱為機械式自動平衡裝置,注液式稱為液體式自動平衡裝置,這兩種方式是目前主要的商用自動平衡裝置。

由于機械式平衡裝置需要在轉子上裝配額外的機械裝置,可能造成轉子-軸承系統其他的故障,此類裝置一般適用于轉速低于10 000 r/min的設備。而液體式裝置不存在以上問題,更適用于高轉速設備。潘鑫[74]就曾對國內外轉子-軸承系統液體式在線自動平衡裝置的發展情況進行過總結。

主動式動平衡算法主要是基于影響系數法[75,76]實現的。影響系數法一般需要預知設備的可靠的影響系數,但是不同設備影響系數是不同的。顧超華提出了一種平衡頭裝置,可以在轉子運行過程中,利用自動平衡裝置完成對影響系數的在線識別,實現影響系數測算及平衡在線化。但是,該研究僅驗證了機械平衡頭的初步可行性,實際應用時仍有很多問題需要解決[77]。

除影響系數法外,還有一種直接測算原始不平衡量位置的方法。該方法對相位的測算要求高,僅適用于結構簡單、轉子運行轉速遠低于臨界轉速、轉子-軸承系統線性程度高的設備。對于大型復雜設備或者柔性轉子設備,該方法不適用。

另外,常用的自動平衡方法還有尋優平衡法[78,79]。該方法中最為常見的是幅-相輪換尋優法,目前已在高端磨床上得到廣泛應用。該法的本質是計算機自動試湊,其原理如圖3所示。

圖3中,首先進行相位平衡,同方向移動2個配重塊,如果振動增大,則反向移動;如果振動減小,則繼續向該方向移動,直至確定振動最小的位置。

圖3(a,b)是將合成的配平矢量移動到原始不平衡量反向位置的過程;圖3(c)表示幅值平衡,即將2個平衡塊同時相向或者反向移動,以調整平衡塊夾角的位置,從而調整合成的配平矢量大小,最終確定振動最小的夾角。

4.2 現場應用

目前,自動平衡技術在美國已經實現在航空發動機上的列裝,在國內則暫無相關報道。自動平衡技術大大減小了發動機維護費用,且其平均故障維修時間幾乎接近于設備整體設計壽命。

國內的在線動平衡技術仍主要處在理論研究階段,但有少量的自動平衡技術已應用于高速機床[80,81]領域,還未在大型旋轉機械現場得到應用。

關于現場應用的研究,除了要考慮在線自動動平衡實現方法、動平衡減振效果外,現場實施的可行性也應該是重要的考察指標。

4.3 小結

自動平衡技術是目前動平衡技術發展的最前沿,也是未來的發展方向,其核心主要是平衡方法和自動平衡結構。近年來,對于自動平衡技術的研究主要集中在平衡裝置的結構設計方面,而對于平衡方法的研究,則主要是延續傳統的方法。

有關自動平衡技術的應用,在國外已經實現發動機的自動平衡,國內則更多應用于車床,并未真正用于大型旋轉機械。其主要原因是:(1)設備在設計階段未將自動平衡裝置考慮在內;(2)大型設備不平衡激勵響應更為復雜,方法的安全性和可靠性需要經過反復實驗與現場的驗證。

5 現場動平衡討論與展望

旋轉機械不斷向著高速化和精密化發展,其工作轉速越來越高,轉子不平衡問題也越發突出,尤其是柔性轉子。因此,對于各種旋轉機械,現場在線動平衡在實際生產中的作用顯得尤為突出。

動平衡技術的發展是所有現場動平衡的基礎,其中的重點和難點是柔性轉子動平衡。目前主要通過模態平衡法和影響系數法來進行動平衡,其他方法均為這兩種方法的改進。這兩種方法在單獨使用都有明顯的缺點:(1)模態平衡法需要準確計算轉子模態,對人員的專業技術要求高,計算難度大;(2)影響系數法較易實現,但是仍有許多方面需要作進一步研究,主要包括振動測試面、配平面的選擇,配平轉速的選擇,添加試重的角度和重量,以及影響系數優劣的評定;目前該方法依賴于現場經驗或者參考經驗公式,若想避免現場盲目測試而導致重復開機,甚至設備振動超標[82,83],需要制定更為詳細的標準和方案。

為了應對以上問題,研究人員對兩種方法的綜合使用進行了研究,通過實驗驗證了綜合使用具有較為良好的效果,但現場實際應用仍較少。

出廠前動平衡良好的轉子可能受到裝配工藝、精度等原因的影響,發生不平衡故障,而現場動平衡是解決該問題的最好方法。由于環境復雜測試條件有限,現場動平衡方法主要為:三圓法和影響系數法。在現場應用中,上述影響系數法的問題更加突出。

此外,由于現場測試條件有限,有些情況無法直接測試轉子的軸振信號,需要將傳感器安裝在軸承座或者機匣上,甚至有些情況無法直接測試轉子鍵相信號,因此,轉子工頻幅值和相位的準確提取是影響系數法動平衡的關鍵。雖然人們對工頻幅值提取和相位測算進行了大量研究,但其仍需根據設備的特點在現場進行檢驗。

在線自動平衡是對轉子現場動平衡技術智能化、自動化的應用,是未來的主要發展方向,其應用前景廣闊。自動平衡是一種多個領域、多種技術交叉融合的新型動平衡方法,其基礎主要是轉子動平衡技術、不平衡量實時測算及自動補償技術。其實現則需要結構設計部門、控制系統設計部門的配合,在設計階段將自動平衡裝置所需結構和輔助系統考慮在內。因此,以上所述也是制約自動平衡裝置實際應用的主要原因。在線自動平衡目前仍在發展階段,在逐漸完善平衡技術的同時,還需要將裝置可實施性考慮在內。

國內外學者對轉子動平衡技術做了大量的研究和試驗,但是現場不平衡問題仍然突出。由于現場動平衡測試分析難度大、可靠性不足,平衡效果不盡理想,設備使用部門和人員對現場動平衡認可度不足,導致動平衡問題的解決方法仍然多為返廠或者現場進行拆解、維修[84-87],以及對轉子重新做動平衡。因此,現場動平衡在提高動平衡精度的同時,應向著集成化、高效化、普適化發展。

為將轉子不平衡對設備的影響降到最低,轉子出廠動平衡、現場動平衡及在線自動平衡3種技術缺一不可。出廠動平衡是所有轉子具有良好的平衡效果的基礎;現場動平衡技術可以彌補在裝配過程中產生的不平衡對設備的影響;而在線自動平衡可應對突發不平衡故障,使設備保持良好的運行狀態,為設備停機整修時間的選取提供依據。

因此,3種動平衡技術的協同應用,可以實現對每臺旋轉設備形成一套“出廠可以平,停機可以修,運行可以調”的三維一體動平衡體系,為旋轉機械的安全運行保駕護航。

6 結束語

本文對目前旋轉機械現場動平衡方法的研究及現場應用進行了歸納、總結,并提出了目前現場動平衡技術亟需解決的問題。

旋轉機械現場動平衡方法研究進展狀況為:

(1)現場動平衡方法主要基于模態平衡法和影響系數法,其他方法多為該兩種方法的延伸和變形。兩種方法單獨使用均有明顯的缺陷,結合使用具有良好的效果,但是目前該方法仍在實驗階段,現場整機應用案例較少;

(2)現場整機動平衡應用主要以影響系數法為主,該方法便于實現自動化,但是盲加試重導致的振動是不可忽略的問題。國內外研究學者對無試重方法進行了大量研究,其可實施性仍待驗證;

(3)在線自動平衡是未來發展的主要方向,動平衡技術的發展是其理論基礎。此外,如何實現對轉子平衡狀態的實時監測、診斷及調控是該技術的重點和難點。針對以上問題,國內進行了大量實驗研究,對在實際設備上列裝還有一定距離。

現場動平衡方法亟需研究的問題有:

(1)發展動平衡技術。繼續發展和完善動平衡理論,現場動平衡方法應該以現場應用為前提,提高現場動平衡的可靠性和普適性,以及現場應用效率;總結規律,將現場動平衡規范化、自動化,降低對專業技術人員的依賴程度;

(2)旋轉機械加入動平衡結構設計。在設備設計階段就將動平衡結構考慮在內,從而降低現場動平衡的條件限制和操作難度;

(3)推廣現場應用。由于整機系統復雜,諸多約束條件和影響因素導致現場動平衡具有一定的不確定性,企業現場認可度不高。而實際上,對于同一類設備,在充足的理論研究和實驗模擬的條件下,現場動平衡可以滿足企業需求。