轉子在線主動平衡技術發展現狀與研究展望

樊紅衛，薛策譯，邵偲潔

（1.西安科技大學 機械工程學院，西安710054；2.西安科技大學 陜西省礦山機電裝備智能監測重點實驗室，西安710054）

轉子不平衡（或失衡）是旋轉機械的主要故障之一，是工程實踐中常需要被首先排查的問題。因為受到結構損壞（如砂輪破損）、變形（如細長軸彎曲）和外界因素（如結垢）等影響，轉子（或回轉部件）的質量分布中心與其回轉中心總是難以完全重合，這就產生了不期望的附加離心力，該力作用于轉子-軸承系統，勢必激發系統的強烈振動。只要不平衡問題存在，其振動就會持續對系統的精度、可靠性等形成嚴重危害，并影響系統的壽命。因此，人們總是希望盡可能消除或最大限度地減小旋轉機械轉子的質量不平衡。

眾所周知，根據轉子不平衡發生特點，可將其分為原始不平衡、漸變不平衡和突發不平衡。其中，原始不平衡主要由設計、加工和裝配引起，可在使用前某一階段消除；漸變和突發不平衡主要在使用過程中出現，需通過有效的維護手段加以解決。由于在使用中施行平衡校正，難免對旋轉機械運行連續性造成影響，因此人們期望能夠找到一種不用停機、無需人為干預亦不必進行復雜動力學計算的新型平衡技術，這就是轉子在線主動平衡技術研究的初衷。

通過調查國內外文獻，結合作者多年研究經歷，本文較全面地回顧轉子平衡技術的發展歷程和現行方法體系，提出轉子在線主動平衡系統的組成，重點對在線主動平衡系統失衡檢測與平衡控制進行評述，以期為各領域學者和工程技術人員開展轉子在線主動平衡理論研究及工程實踐提供參考。

1 轉子在線主動平衡技術體系

1.1 轉子平衡方法總結

轉子平衡方法總結如圖1所示[1]，按照平衡動作是否需要停機將平衡方法總體上分為離線平衡和在線平衡。離線平衡較成熟，是最早出現并一直沿用至今的平衡方式。按照平衡操作不同，又將離線平衡分為制造階段機上平衡、使用階段拆卸后機上平衡和不拆卸現場平衡，其中機上平衡通過專門平衡機對處在制造階段的轉子進行平衡；對處在運行狀態的轉子，根據其上是否有平衡調節機構將其分為拆卸后機上平衡和不拆卸現場平衡，后者需要轉子上帶有平衡塊移動機構或允許在某些部位進行現場增/減重操作，如擰入螺絲、激光打孔等。無論哪種操作，進行平衡時主要依據轉子狀態即剛性還是柔性進行平衡方案擬定。對剛性轉子，理論上最多采用兩個平面即可達到平衡要求，具體有矢量法（計及或不計相位）、四次運行法和靜態耦合法等。對柔性轉子，一般至少需要兩個及其以上平面進行平衡，常用模態平衡法[2]、影響系數法[3]或二者組合法。模態平衡法基于對轉子系統動力學特性的精確計算完成平衡，影響系數法基于反復多次測試實現平衡，二者特點迥異、各有利弊，將它們聯合使用往往效果更好。柔性轉子離線平衡法經適當簡化可被用于剛性轉子。因此，柔性轉子快速精準平衡是離線平衡研究的熱點、難點，近年來提出了全息平衡[4]、無試重平衡[5]和瞬態平衡[6]等方法。

在線平衡出現在二十世紀四、五十年代，早期主要出現在歐美等發達國家，八十年代左右我國開始探索在線平衡技術?？傮w上，在線平衡分為被動和主動兩種。被動式在線平衡通過安裝在轉子上平衡裝置內質量塊的無源移動實現其與轉子系統動力學特性匹配，達到平衡，如鋼球式[7－8]、錘擺式[9]結構已被用于解決實際不平衡問題。主動式在線平衡采用有源機構即主動平衡裝置，根據檢測信息分析結果控制平衡裝置，完成不平衡校正，其中平衡裝置是關鍵執行機構，平衡方法是應用于不同對象時的關鍵。根據信號處理和平衡算法不同，主動平衡分為頻域法和時域法，頻域法用于恒速或似穩工況，時域法用于非穩態或變速工況。除了在轉子上直接安裝平衡裝置外，從支撐角度采用電磁軸承[10－13]也可實現轉子平衡，但這種方式是從力的角度進行補償而非從源頭上直接補償失衡質量。本文主要討論基于平衡裝置的在線主動平衡，如圖1虛線框所示。

圖1 轉子平衡技術體系

1.2 在線主動平衡系統

基于轉子平衡方法的總結分析，結合作者從事在線主動平衡技術研究實踐，以機床電主軸為例，提出轉子在線主動平衡系統組成和技術實施方案，如圖2所示。

如圖2（a）所示，典型轉子在線主動平衡系統由轉子系統、檢測系統、控制單元和平衡裝置4部分組成。轉子即為平衡對象，在其上安裝平衡裝置，因此設計轉子時需事先預留安裝空間；傳感器用于檢測振動和相位，常用傳感器是壓電加速度傳感器和電渦流位移傳感器，前者安裝方便，應用更廣，常用光電傳感器作為相位傳感器，簡單可靠；控制單元一般由控制器和程序構成，可用DSP等作為控制核心，平衡算法需根據檢測方案和平衡裝置擬定；平衡裝置是整個系統執行機構，其結構和性能對平衡效果影響大，不同平衡裝置有不同驅動控制策略，常由動力元件和平衡機構組成，主要有機械式、液壓式和電磁式等。平衡裝置作動后，轉子系統質量分布和振動狀態改變，進而進行新一輪檢測、控制和平衡，如此閉環運行，達到平衡要求。

一是對新型農村養老保險政策認識的個體差異性較大。通過前文參保情況的調研分析，可以看出，極大部分農民對新農保政策并不是很了解，不知道養老保險有多大作用，不能解讀政策的含義，僅知道保費交到60歲，60歲后每個月可以領到政府發放的養老金。16-40周歲的農民認為自己離60歲還比較遠，投保積極性很低，認為等到45歲再交，只交15年就可以了，不了解自己所繳保費是累計在自己的個人賬戶中，越早繳費積累金額越大，60歲后領取的養老金也會越多。還有一部分農民觀念上尚未改變，仍然沿用歷史的養老方式，靠子女養老，由子女提供基本的生活養老費用。

如圖2（b）所示，以機床電主軸為例，轉子在線主動平衡系統運行過程為：由檢測系統對運行中轉子進行實時監測，完成信號在線分析，獲得平衡狀態；監測到轉子不平衡量或振動超限時，控制單元通過平衡算法進行平衡控制決策，通過控制器向驅動電路發送作動信號，在控制指令作用下帶動平衡裝置完成動作；位于平衡裝置內配重機構運動形成配重矢量，當該矢量與轉子不平衡大小相等、方向相反時，完成不平衡校正。需要指出，由于刀具/砂輪不平衡是機床加工過程中主軸系統主要新增不平衡，因此只在主軸前端安裝1個平衡裝置[14－15]進行單平面平衡是可行的[16]。與機床主軸小階梯轉子相比，汽輪機、航空發動機等復雜轉子不平衡沿軸向分布復雜，至少需要在2 個或更多平面安裝多個平衡裝置，平衡方法更加復雜。

圖2 轉子在線主動平衡系統組成及實施方案

2 轉子在線主動平衡裝置研究現狀

平衡裝置是轉子在線主動平衡系統的執行機構，表1 中總結了目前常用的3 種主動平衡裝置，給出了其系統組成、平衡原理和應用特點。

如表1 所示，機械式平衡裝置通過電機驅動兩個偏心齒圈轉動合成平衡矢量，平衡狀態的保持依靠內部蝸輪蝸桿的自鎖實現；噴液式平衡裝置通過液壓系統向4 個均分腔體內噴射液體形成平衡矢量，可將其改進為釋液式[27]或壓液式[28－29]結構；磁環式平衡裝置通過對環形線圈通電產生脈沖磁場驅動兩個配重盤步進轉動形成合成矢量，也有些平衡裝置依靠磁場控制鋼球沿徑向移動[30]和具有徑向勵磁[31]結構。上述3種平衡裝置各有利弊，機械式和噴液式相對簡單，電磁式較復雜，它們均在工業領域得到了不同程度應用，特別是機械式平衡裝置在國內外諸多磨床上應用廣泛，如高端磨齒機均配備SBS機械式平衡裝置。除上述主流平衡裝置外，近年來一些學者提出了基于新原理的平衡機構。張西寧等[32]提出了一種基于磁流體流變效應的在線平衡裝置，證明了其可行性。其他平衡裝置見文獻[33]，不再贅述。

表1 3種典型主動平衡裝置

3 轉子在線主動平衡測控方法研究現狀

轉子在線主動平衡測控方法包括不平衡檢測和平衡控制，前者是后者的基礎，以精度和效率為關鍵指標。不平衡檢測要求快速準確地找到不平衡振動幅值和相位，平衡控制要求在短時間內將振動降至低水平。

3.1 不平衡在線檢測方法

不平衡在線檢測分為基于信號分析與估計和基于數據分析與識別兩種，前者對有限次測量信號進行特征提取或狀態估計得到不平衡矢量，后者對多次或大量測量得到的信號進行智能尋優或機器學習。圖3給出了常用不平衡檢測方法。

圖3 目前主要的不平衡檢測方法

基于信號分析與估計的不平衡檢測主要有相關分析、頻譜分析、小波分析和狀態估計，應用最多的是頻譜分析和小波分析，前者用于平穩工況，后者用于非平穩工況。王展等[34]研究了基于全相位快速傅里葉變換的主軸不平衡振動特征提取方法。齊偉等[35]提出了基于殘差譜分析的估計方法，提取了不平衡幅值和相位。劉淑蓮等[36]利用全息譜和相關分析提取了振動工頻成分，獲得了不平衡振動特征。鄭建彬[37]利用離散小波變換分解振動信號，提取了不平衡振動特征。牟世剛等[38]提出了基于小波細節系數自相關性分析的分層閾值降噪方法，用于不平衡檢測。李傳江等[39]提出了基于諧波小波和Prony算法的不平衡提取方法，解決了頻率干擾問題。賀雅等[40]通過分析燃氣輪機多轉子結構不平衡激振力產生機理及振動與激振力關系，提出了不平衡因子計算方法。Sami等[41]提出了在不平衡檢測中減少傳感器數目的方法，用于多測點復雜轉子系統測量。Akash等[42]提出了聯合輸入狀態估計技術，用于轉子不平衡檢測。Zhao等[43]提出了一種基于瞬態特征的轉子平衡與動態負載檢測技術。樊紅衛等[44]提出了灰度圖像紋理分析的不平衡檢測方法，與FFT 進行了對比。

基于數據分析與識別的不平衡檢測以種群優化、神經網絡、聚類和深度學習為主。種群優化是基于自然界物種集體行為或進化法則完成尋優求解，神經網絡是通過模擬人的神經系統實現從輸入中學習故障特征，聚類是基于無監督學習對不帶標簽數據進行識別，深度學習是多層神經網絡模型。張茹鑫等[45]提出了集成遺傳算法和粒子群算法的多點不平衡識別方法。毛文貴等[46]對于不平衡識別過程采樣效率問題，提出了基于遺傳算法改進貝葉斯理論的方法。Yao 等[47]提出了基于遺傳算法的多速柔性轉子平衡方法。黃金平等[48]基于柔性轉子瞬態響應和反向傳播神經網絡，提出了單盤柔性轉子不平衡識別方法。趙宏武等[49]提出了基于HBGM估計的不平衡識別方法。樊紅衛等[50]提出了對稱極坐標圖像和模糊C均值聚類相結合的不平衡識別方法。朱霄珣等[51]提出了基于對稱點模式特征融合的卷積神經網絡（CNN）狀態識別方法，以實現汽輪機轉子狀態識別。Yan 等[52]提出了基于多源異構信息融合的深度置信網絡（DBN）不平衡識別方法。應用時需根據轉子結構及不平衡特點合理選用上述方法，為平衡控制提供基礎。應注意在線主動平衡算法復雜性和效率間的平衡，在保證準確率前提下應使算法盡可能簡單高效。以平衡為目的的不平衡識別不同于簡單故障診斷，需要獲得不平衡矢量大小和相位，更加復雜。如何獲得精確不平衡矢量大小和相位以及如何在多源復合故障中檢測不平衡的方法是研究重點之一。

3.2 在線主動平衡控制方法

基于不平衡檢測結果，以主動平衡裝置為執行機構，在平衡算法控制下實現轉子在線主動平衡。平衡方法分為頻域和時域兩類。頻域方法面向恒速轉子系統，時域方法面向非平穩或變速轉子系統。波蘭學者Gosiewski[53－54]奠定了在線主動平衡方法的現代理論基礎，后繼諸多平衡方法受到其研究的啟發。圖4 給出了目前主要的在線主動平衡控制方法。

圖4 目前主要的在線主動平衡方法

在線主動平衡控制思路建立在經典影響系數法在線化的基礎上。早期，彭佩珍[55]提出了在線平衡的諧分量算法；曾勝等[56]針對電磁平衡裝置提出了在線試重法，在工作轉速下辨識影響系數及不平衡，實現了在線平衡。后來，Kim 等[57]和樊紅衛等[58]提出了在線影響系數表格法，在平衡過程中調用計算或測試好的各工況影響系數值，完成恒速平衡；鄧旺群等[59]針對螺旋槳模擬轉子，在影響系數法基礎上，進行了自動平衡試驗；陳立芳等[60]提出一種軸心軌跡重構方法，實時測算基頻振動矢量，將其作為最優自動平衡輸入，并進行了驗證；Stephen等[61]研究了多平面在線主動平衡系統影響系數最優魯棒控制方法；Alves等[62]提出了基于混合整數梯度的平衡優化方法，改善了影響系數法試重次數多的問題；Ranjan等[63]提出了改進的影響系數法，有效估算了高速柔性轉子的平衡質量。

隨著自適應控制理論發展，自適應主動平衡方法隨之出現。樊紅衛等[64－66]研究了轉子單平面平衡的固定參數自適應算法，用于電磁圓環形主動平衡裝置。王寧[67]和馮偉[68]研究了電磁和液壓主動平衡裝置的單平面自校正自適應平衡控制方法。劉錦南[69]和周衛華[70]針對化工機械研究了自適應影響系數方法，研究了電磁平衡裝置單/雙平面主動平衡策略。目前，自適應平衡方法是研究得較多的主動平衡控制方法。

模糊控制是一種非線性智能控制方法，可用于轉子主動平衡控制。陳時楨[71]針對單平面雙配重自動平衡裝置提出了基于模糊理論的變步長尋優控制方法。Xu等[72]和賈志遠[73]提出了基于模糊自整定單神經元PID 的自動平衡控制方法。目前，采用模糊控制進行轉子主動平衡控制的研究相對較少。

近年來，在線平衡控制的發展、優化和時域變速平衡受到關注。胡兵[74]對變速轉子自適應主動平衡進行了理論研究，包括變速準穩態主動平衡增益調度控制、帶作動器時遲快變速主動平衡自適應控制與帶作動器飽和快變速主動平衡自適應控制，但未進行系統開發和試驗。趙陽[75]采用果蠅優化算法對自動平衡系統時滯參數進行辨識，提出了改進Smith預估控制的時滯轉子在線自動平衡方法和基于LQR的時滯轉子在線自動平衡方法。Zhou 等[76－77]研究了基于時變觀測器的剛性轉子變速失衡估計方法，研究了加速過程中剛性轉子單平面在線主動平衡最優策略。Kwang-Keun 等[78]研究了變速轉子多平面平衡自適應控制方法。Yu等[79]提出了加速過程主動平衡自適應比例-積分控制方法。時域平衡方法突破了頻域平衡以轉頻振動為基準以及采用經典控制理論的局限性，對不平衡狀態隨時間變化采用現代控制理論進行在線辨識，更具一般性。對柔性轉子多平面平衡問題，平衡平面位置和平衡裝置控制優化是未來進一步研究重點之一。相比平衡裝置，平衡控制方法的研究還很欠缺，需結合平衡裝置和應用對象開發先進可靠的平衡算法。

3.3 在線主動平衡技術應用

在線主動平衡技術由平衡裝置及測控系統組成，目前主要用于機床主軸[80－81]、化工及電力設備[82]、軍工裝備[83]。張仕海[84]提出了氣動盤式在線平衡裝置用于機床主軸雙平面在線平衡。關智磊[85]和張侃侃[86]設計了用于鋼坯修磨砂輪的在線平衡頭。劉宏琴[87]針對電主軸設計了一種主動平衡裝置。樊紅衛等[88]提出了自平衡電主軸，開發了樣機，考慮了平衡裝置對主軸動力和熱特性影響。沈偉等[89]將主動平衡裝置用于煙氣輪機，比較了4種單平面和3 種雙平面平衡效果。張加慶[90]提出了新型機械式平衡頭，進行了實驗考核。Darayus等[91]將電磁環形主動平衡裝置用于汽輪機，降低了主軸振動。陳立芳等[92]分析了主動平衡技術在航空發動機減振降噪中應用的可行性。不同應用對象對于主動平衡技術需求不同。磨床需要高精度平衡機構和精密平衡方法，重在提高主軸回轉精度；加工中心需要主動平衡處理頻繁換刀引起的新增不平衡，要求在換刀過程中進行變速平衡。對于復雜過程機械，特別是化工機械和熱力機械由于化學物質結垢、熱變形等產生的問題，需在多平面內進行平衡，且平衡機構應有大的平衡能力，能在高溫等條件下可靠工作。為了提高航空發動機、艦艇等聲隱身性，需通過主動平衡技術降低螺旋槳等系統噪聲，進而提高裝備安全性和舒適性?？傮w而言，轉子在線主動平衡技術應用仍以各類機床為主，其它領域鑒于現場難題沒有解決并未得到真正規?；瘧谩?/p>

4 展望

通過對近年來發表文獻的綜合分析可知，對于轉子在線主動平衡技術的研究已取得了豐碩成果，但作為實用化的振動控制技術，平衡裝置、檢測與控制方法和系統應用等層面仍存在以下問題亟待解決。

（1）平衡裝置及一體化自平衡轉子系統設計。平衡裝置作為主動平衡執行機構，其設計對主動平衡成敗至關重要。平衡裝置的添加勢必改變轉子系統原有特性，如何將其對臨界轉速等影響降至最低是重要課題。平衡裝置原創性設計應關注不平衡矢量產生方式，由固體、液體還是狀態可變物質（如氣化）生成不平衡質量，按照直角坐標還是極坐標移動，達到平衡狀態后如何保持平衡位置不丟失，均是此處關鍵問題。同時，改進現有平衡裝置時應關注平衡能力提升、裝置輕量化以及平衡平面沿轉子軸向優化等，以最大限度發揮主動平衡價值。電磁平衡裝置作動穩定性和工作可靠性還需進一步提升。通過增大轉子/支撐剛度及降低平衡裝置重量等可降低平衡裝置對轉子固有特性影響，在設計階段將平衡裝置與轉子系統進行一體化考慮，可避免平衡裝置安裝引起的一系列問題。

（2）平衡方法及平衡控制系統設計。主動平衡系統作為以振動控制為目的的機電一體化閉環系統，控制策略和系統性能對平衡效果影響大?？焖贉蚀_估計轉子系統影響系數是高效、精密主動平衡基礎，需要先進可靠的信號獲取、分析和在線估計技術，特別是適應性更廣的時域失衡估計對主動平衡技術推廣至關重要。頻域內需改進以自適應控制為核心的主動平衡策略；對柔性轉子多平面平衡、平衡平面選取等問題需深入研究。時域內需研究基于狀態觀測器的主動平衡，對快變速主動平衡過程穩定性進行深入研究，以應對加工中心換刀、航空發動機急加速等特殊工況。此外，提高控制器硬件性能及程序效率，進而滿足在線平衡對平衡時間的苛刻要求，亦是高速平衡重要需求。

（3）在線主動平衡技術工業應用。目前，轉子在線主動平衡技術應用比較單一，具有局限性，應加快主動平衡技術在加工中心、過程機械和軍工裝備等領域中的應用進程，以應對加工中心換刀過程變速平衡、離心壓縮機和汽輪機免停機平衡以及直升機、潛艇等平衡降噪的需求。應將主動平衡系統與平衡對象的控制系統關聯，如將其與機床數控系統關聯，實現基于主動平衡的整機智能調控，使平衡系統參與機器控制，提高裝備智能化程度。對于燃氣輪機等高溫環境下噴液式平衡裝置液體揮發、電磁式裝置磁鐵退磁等難題，應加快技術方案改進或新裝置研發，以對應極端工況對主動平衡技術的挑戰。對于電主軸等高性能直驅電機的主動平衡策略，還應考慮氣隙偏心引起的電磁振動問題，如何在平衡時消除電磁振動影響以改善平衡效果，是此類轉子在線主動平衡不可忽略的問題。

5 結語

綜合以上分析與展望可知，簡單可靠的平衡裝置、快速穩定的平衡算法和經濟實用的工程應用，是轉子在線主動平衡技術未來發展所追求的目標，亦是技術研發應秉持的準則?？梢哉f，轉子在線主動平衡為機械振動故障診斷從“只診不治”到“診而治之”和“診而智治”找到了突破口，極大地促進了機器走向“人工自愈[93]”新時代。從研究屬性角度來看，轉子在線主動平衡技術屬于多學科交叉融合技術，既有屬于轉子動力學與振動控制理論基礎研究屬性，又有屬于機電一體化閉環系統設計與應用屬性。特別是在人工智能和信息技術飛速發展的今天，轉子主動平衡技術的進步迫切需要學術界和工業界緊密合作、協同努力，期望在不久的將來在這一領域能夠取得更多創新成果，為高端旋轉機械高速化、精密化和智能化做出應有貢獻。