柔性转子轴系全息动平衡方法

摘要

本发明是一种涉及旋转机械振动诊断与控制领域的轴系全息动平衡方法。该方法基于全息谱信息集成的原理，在获得各个转子上全部传感器振动信息的基础上，集成各支承处振动的幅、频、相信息，以三维全息谱的方式全面地描述轴系的振动行为，并以此作为评价轴系失衡状况和配重影响的依据，提出了整套适用于多支承、由多个柔性转子组成的轴系全息动平衡方案，进而用计算机实现了平衡结果的优化。

说明书

一、所属领域

本发明属于旋转机械故障诊断与控制领域的动平衡技术，涉及一种柔性转子轴系全息动平衡方法，主要用于对旋转机械中由多个柔性转子组成的多支承轴系的动平衡。

二、背景技术

动平衡方法和技术的研究一直是该领域的一项重要课题。目前关于动平衡的理论研究，大部分仍处于对双支承单转子的动平衡方法和技术的研究，对整个轴系振动、行为及其平衡方法的研究还较少。电力、化工、石化等国民经济支柱产业实际生产中旋转机械的结构基本上为多跨支承、多转子形式的轴系，对于整个轴系的平衡就成了一个急待解决的问题。为了实现整个轴系的平衡，人们进行了大量的探索和实践。目前使用的方法是首先针对轴系中的每个转子分别进行动平衡，然后再将平衡好的转子联接起来。由于安装误差、轴系对中等原因，分别按以上方法平衡好的转子，在将他们联接为一体后未必一定平衡很好。由于轴系振动行为的复杂性，采用数字建模进行计算往往会产生大的误差和近似。为使生产上的轴系动平衡问题得以解决，人的经验就成了一个唯一可以利用手段。因此，对于生产上轴系的平衡往往需要化费巨额资金和大量的时间。即使进行现场动平衡由于完全依靠经验，使得轴系的动平衡效果有了很大的随机性，有时完成一次动平衡需要起车十余次，有时可能产生平衡失败。由于轴系的平衡需要专家的经验和大量人工参与，因此，轴系的动平衡基本上还是一种在理论指导下的反复手工试凑的过程。

目前关于单转子的平衡方法，从原理上可分为两大类：模态平衡法和影响系数法。模态平衡法首先要知道整个轴系的总体振动模态等参数，无论通过建模计算还是实际测试都是非常困难的。因此在实际动平衡中还是采用了对单转子进行动平衡的方法。影响系数法需要一个反复多次加重试车的过程。对于多转子、多支承的柔性轴系要求得反映试重对整个轴系的影响系数矩阵，由于需要多次试车将变得更加困难。由于实际平衡中存在困难，最后还不得不回到单转子的影响系数法上来。

“转子全息动平衡方法”(参见中国发明专利ZL97108694.X)和已公开的中国发明专利“非对称转子全息动平衡技术”(申请号00113755.7)，分别将全息谱技术与信息论原理应用到动平衡领域，通过信息集成，实现了对称及非对称转子的全息动平衡。以上方法在转子平衡精度和平衡效率两方面，均实现了动平衡技术的突破。

三、发明内容

本发明旨在将柔性转子全息动平衡方法和技术的理论，提升和拓宽到多个转子组成的柔性轴系的平衡，使其能使用于多转子、多支承的轴系的平衡。上述两专利中的方法和技术，将转子的振动信号在同一测点截面中进行了信息的集成融合。本发明将进一步在空间上沿轴系转轴的方向上进行集成融合形成能完整、全面反映轴系振动行为的三维全息谱。在此基础上实现轴系的平衡和平衡结果的优化。

本发明的目的在于为多跨支承、多转子组成的轴系的平衡提供一种直观、科学、快速、有效的柔性转子轴系全息动平衡方法。该方法基于全息谱信息集成的原理，在获得转子上全部传感器振动信息的基础上，集成了各个支承处振动的幅频相信息，以三维全息谱的方式全面地描述和反映多转子、多支承轴系的振动行为，并以此作为评价轴系失衡状况和试重影响的依据，进而实现轴系平衡和轴系平衡结果的优化。

为了实现上述目的，本发明采取的技术方案是：由柔性转子组成的多支承轴系是旋转机械转子-支承系统的一般结构形式，轴系的平衡不同于一般双支承转子的平衡，本发明的柔性转子轴系全息动平衡方法，其特点包括以下步骤：

1)首先要获取组成轴系各转子支承处的振动信号，以全息谱分析为工具，判明轴系中各转子的失衡状况，确定轴系中失衡故障是主导故障；区分失衡和其它原因引起的工频振动；

2)通过跟踪一次现场平衡过程或动力学计算，确定各加重面上的配重对各测量面的影响，并以三维全息谱的形式表示；

3)通过线性运算消除运行负荷影响、分解出各个配重的影响，最终得到与负荷无关的，由单一配重1000g/0°引起的三维全息谱及其迁移矩阵；

迁移矩阵为某配重面上单一配重的影响矩阵通过角度旋转和矢量缩放计算得到的归一化矩阵。

4)找出对各支承处振动影响最大的平衡面，按初相点镜面对称的原则，确定各平衡面上配重的方向，用遗传算法优化其大小，其目标函数应使支承处的平均振动响应最小，同时使各支承处的振动响应差别尽可能小，二者兼顾；

5)对支承处的残余振动，重复4的操作(可以多次)，用遗传算法优化二次配重的大小，尽量降低各支承处的振动响应，

确定各平衡面上总配重的大小和在平衡面圆周上的位置(以键相槽为基准)；

6)在计算机上对所选择的配重大小和相位进行手动微调，确定最合理的配重方案。

7)加上选定平衡配重，再次测试加重的结果，如满足要求平衡结束；否则重复上述步骤。

本发明的另一特点是，所述全息谱分析是：

(a)对多转子、多支承轴系的全息动平衡以三维全息谱分析作为基础，采用N个平衡平面，来平衡N+1个支承处的振动，其中N+1＞2；

(b)在平衡操作中，各配重对轴系振动的影响以线性的关系方式处理；

(c)用原始振动所形成的椭圆上和平衡配重所形成的椭圆上两初相点间的镜面对称副关系，来作为寻找最佳平衡方案的方便依据；

(d)平衡过程中，利用各个配重分别抵消振动最相关支承处的失衡振动，使第N+1个支承处振动自动得以消减，且使轴系总体上达到满意的平衡效果；

(e)将三维全息谱技术应用于轴系平衡，从而直观、全面地反映轴系的振动状态、平衡过程和平衡效果；

(f)在平衡实施上利用计算机模拟和软件微调，替代了现场设备的多次起停车平衡试验，实现了在计算机上多种平衡方案的对比和优化。

本发明的柔性转子轴系全息动平衡方法，基于全息谱信息集成的原理，在获得各个转子上全部传感器振动信息的基础上，集成各支承处振动的幅、频、相信息，以三维全息谱的方式全面地描述轴系的振动行为，并以此作为评价轴系失衡状况和配重影响的依据，提出了整套适用于多支承、由多个柔性转子组成的轴系全息动平衡方案，进而用计算机实现了平衡结果的优化。

四、附图说明

图1是发电机组(330MW)结构示意图；其中(a)是机组结构简图，(b)是(a)的A向视图；

图2是机组的原始振动三维全息谱示意图；

图3是A平衡面加重对机组的振动影响三维全息谱示意图；

图4是B平衡面加重对机组的振动影响三维全息谱示意图；

图5是C平衡面加重对机组的振动影响三维全息谱示意图；

图6是原始起车到试重起车3的振动变化量——计算值三维全息谱示意图；

图7是原始起车到试重起车3的振动变化量——实际值三维全息谱示意图；

图8是试重起车1到试重起车4的振动变化量——计算值三维全息谱示意图；

图9是试重起车1到试重起车4的振动变化量——实际值三维全息谱示意图；

图10是A平衡面配重第一次调整478/-74.5三维全息谱示意图；

图11是A平衡面配重第二次调整(478/-74.5+370/-175)三维全息谱示意图；

图12是B平衡面配重第一次调整425/15三维全息谱示意图；

图13是B平衡面配重第二次调整937/-60三维全息谱示意图；

图14是C平衡面配重调整1088/62三维全息谱示意图；

图15是现场动平衡过程中2瓦处的自平衡现象校验示意图；

图16是调整A面配重，使1瓦试重振动与原始振动初相点成镜象副三维全息谱示意图；

图17是模拟得到A面配重施加后的机组振动三维全息谱示意图；

图18是调整B面配重，使3瓦试重振动与原始振动初相点成镜象副三维全息谱示意图；

图19是模拟得到B面配重施加后的机组振动三维全息谱示意图；

图20是调整C面配重，使4瓦试重振动与原始振动初相点成镜象副三维全息谱示意图；

图21是模拟得到C面配重施加后的机组振动三维全息谱示意图；

图22是将前面所得三个面的配重叠加，得到转子在三个配重共同作用下的振动三维全息谱示意图；

图23是动平衡效果与计算机上轴系全息动平衡微调效果比较三维全息谱示意图；

图24是使用本发明所述的方法进行的动平衡过程中自平衡现象示意图。

五、具体实施方式

为了更清楚的理解本发明，以下结合附图和实施例对本发明作进一步的详细描述。

需要说明的是，本发明主要用于回转机械轴系现场动平衡，当然也可用于多转子组成的轴系的离线平衡机动平衡。两者的原理是一样的。下面以轴系现场动平衡为例进行说明：

依照本发明的技术方案，以下的步骤是必要的。

(1)首先要获取组成轴系各转子支承处的振动信号，以全息谱分析为工具，判明轴系中各转子的失衡状况，确定轴系中失衡故障是主导故障。区分失衡和其他原因引起的工频振动。

(2)在以上工作的基础上，确定轴系动平衡的所有加重面。

(3)通过跟踪一次现场平衡过程或动力学计算，确定各加重面上的配重对各测量面的影响，并以三维全息谱的形式表示。

(4)通过线性运算消除运行负荷影响、分解出各个配重的影响，最终得到与负荷无关的，由单一配重1000g/0°引起的三维全息谱及其迁移矩阵；

具体计算迁移矩阵时，首先对各个配重面的影响矩阵进行线性缩放，使配重大小归一化为1000g，再通过角度旋转和补偿使影响矩阵角度归一化为0度。

5)找出对各支承处振动影响最大的平衡面，按初相点镜面对称的原则，确定各平衡面上配重的方向，用遗传算法优化其大小，其目标函数应使支承处的平均振动响应最小，同时使各支承处的振动响应差别尽可能小，二者兼顾；

6)对支承处的残余振动，重复4的操作(可以多次)，用遗传算法优化二次配重的大小，尽量降低各支承处的振动响应，

确定各平衡面上总配重的大小和在平衡面圆周上的位置(以键相槽为基准)；

7)在计算机上对所选择的配重大小和相位进行手动微调，确定最合理的配重方案。

8)加上选定平衡配重，再次测试加重的结果，如满足要求平衡结束；否则重复上述步骤。

实施例：下面是发明人采用本方法所给出的以某电厂汽轮发电机组的现场动平衡为例，说明了本方法对实际多柔性转子多支承的轴系的适用性和有效性。

一)、机组结构简图和传感器安装示意图

参见图1所示的发电机组(330MW)结构示意图，图中示出了机组结构简图和传感器安装示意图，其中(a)是机组结构简图，(b)是(a)的A向视图。

二)、机组平衡过程及振动数据

本次动平衡通过在图1所示的三个配重面上加重，对高中压转子进行动平衡。平衡过程如表1所列：

                            表1.机组平衡过程

      平衡面A  平衡面B  平衡面C  振动数据  原始振动    0    0    0  表2  试重起车1    478g/-74.5    425g/15    0  表3  试重起车2    不变    不变   1088/62  表4  试重起车3    不变    937g/-60   不变  表5  试重起车4    再加370g/-175    不变   不变  表6  满功率起车    不变    不变   不变  表7

各次起车振动数据及工况列于表2～表7。

    表2.加重前(3000rpm无负荷)基频振动情况

  轴承号 传感器  基频幅值(um) 基频相位(deg.)    1    X    116.5    136    Y    64    28    2    X    52    114    Y    79    65    3    X    117    110    Y    110    18    4    X    49    -84    Y    18.5    176

    表3.第一次试重起车(3000rpm无负荷)基频振动情况

  轴承号 传感器  基频幅值(um) 基频相位(deg.)    1    X    86    117    Y    55    16    2    X    95    107    Y    91    37    3    X    170    92    Y    136    2    4    X    105    -116    Y    49    142

     表4.第二次试重起车(3000rpm无负荷)基频振动情况

  轴承号 传感器  基频幅值(um) 基频相位(deg.)    1    X    104    62    Y    53    -14    2    X    123    135    Y    121    36    3    X    152    115    Y    123    11    4    X    28    -127    Y    21    83

 表5.第三次试重起车(3000rpm无负荷)基频振动情况

  轴承号 传感器  基频幅值(um) 基频相位(deg.)    1    X    128    86    Y    66.1    2    2    X    64    -174    Y    61.7    70    3    X    50    141    Y    62.4    22    4    X    46    110    Y    35    20

    表6.第四次试重起车(3000rpm 45MW)基频振动情况

  轴承号 传感器  基频幅值(um) 基频相位(deg.)    1    X    92.8    100    Y    55.5    22    2    X    36.6    170    Y    49    57    3    X    35.7    101    Y    58.6    11    4    X    35    129    Y    20.5    39

表7.第四次试重后满功率起车(3000rpm 300MW)基频振动情况

  轴承号 传感器  基频幅值(um) 基频相位(deg.)    1    X    64.2    68    Y    57.4    -56    2    X    19.2    139    Y    36.3    34    3    X    49.6    82    Y    78.8    -9    4    X    54.9    104    Y    37.2    25

三)、负荷影响的消除和试重影响的求解

机组的原始振动如图2所示。由谱图可知高中压转子均存在不平衡，且中压转子上力偶不平衡较为突出。因此，这次现场动平衡的目的是通过逐步调整A，B，C三个平衡面上配重质量，降低四个轴瓦处原始振动。第一步  学习

跟踪一次本机组动平衡的全过程，从试重增减的历次起停车中，确定在平衡面A、B、C上分别施加配重时三维全息谱的迁移矩阵ra，rb和rc，以及待平衡的初始振动矩阵rq0和负荷矩阵rload。

迁移矩阵应换算到配重重量为1000克，相位角为0度的标准形式。应自初始振动矩阵rq0中剔除负荷的影响。

图3～图5为在平衡面A、B、C上施加配重时对机组振动影响的三维全息谱图。

观察这三幅全息谱图，我们可以看到：

1.配重无论在哪个平衡面上，对转子两端的振动影响方向基本相反，即主要以力偶方式影响转子的振动。对高压转子和中压转子该规律相同；

2.2瓦和3瓦间为刚性联轴器，且联接状况较好。从3幅全息谱中可见联轴器两端的振动影响总是保持基本同向，振动影响幅值也较一致；

3.三个位置配重对各瓦处振动影响的全息谱形状均较为正常，说明转子一轴承系统无其他大的故障缺陷，可以期望通过动平衡降低振动，保证生产。第二步  线性处理

对转子轴系进行全息动平衡是在线性关系的前提下进行的。线性处理方法即转子各平衡面上全部配重产生的合成振动，等于各个配重在转子上产生的单独振动之和。因此，在线性系统中应具有

               f(x，y，z，...)＝f(x)+f(y)+f(z)+...的关系。轴系振动的线性关系，也可由以下计算看出。

由表1可知，从原始起车到试重起车3，三个平衡面上配重均有变化。我们可以用第一步中所得的标准化配重振动影响，按照线性关系比例叠加求出从原始起车到试重起车3四个截面的振动变化量的计算值，也可以直接用试重起车3的振动减去原始起车振动求得该变化量的实际值。两者分别如图6和图7所示；

比较图6和图7，无论是各瓦的振动幅值还是振动初相点相位都十分接近，具有很好的准确度。显然，线性假设是成立的，即转子各平衡面上全部配重产生的合成振动，基本等于各个配重在转子上产生的单独振动之和。当然，不完全相等，但误差甚微，对现场动平衡来讲已经很准确了。这就使得我们能够将全息动平衡方法应用到现场大机组的动平衡中去。

全息动平衡的线性假设是具有可重复性的。由表1知，从试重起车1到试重起车4间，各平衡面的配重也都有改变。通过简单计算不难看出这一点。结果参见图8和图9。第三步  计算机模拟

由于实际平衡中，配重的方位和大小不可能精确到和计算结果完全一致，在平衡过程中又可能有环境因素的制约，因此，还需要在上述计算结果的基础上用计算机模拟来选择最满意的方案。计算机模拟的目的：一是利用所获得的三维全息谱参数矩阵和初始振动矩阵，通过计算机模拟，方便地使现场动平衡达到最满意的效果；二是减少轴系平衡中的试验起车，节省大量人力物力。

全息动平衡的基本原理是：

1.移相椭圆；

2.原始振动椭圆的初相点与配重椭圆的初相点间(IPP)呈镜象关系。

由表1知，A平衡面上的配重做过两次调整。将两次的配重影响与原始振动比较，如图10和图11所示。

由图10和图11可见，基于全息动平衡的基本原理：原始振动椭圆的初相点与配重椭圆的初相点间(IPP)呈镜象关系。在对A面配重进行调整过程中，内在调整目标为使得A面试重影响椭圆的初相点位于原始振动的初相点反面，该目标外在表现为该面处振动得到降低。

同样根据全息动平衡的思想，B平衡面(配重调整两次)和C平衡面(配重调整一次)，也以上述目标进行调整。其中，B面配重调整参照了3瓦振动，而没有考虑2瓦，那么2瓦处振动是否能得到降低呢？下一步将对此进行分析。B、C面的配重影响与原始振动比较参见图12～图14所示。第四步  全息动平衡中的自平衡

所谓自平衡是指：通过调整三个平衡面上配重的位置和大小，已经逐一消除了三个轴承截面上的振动，则第四个轴承截面上的振动可以自动消除。

首先动平衡过程中，2瓦处的振动降低过程，即自平衡现象。如第三步所述，以降低1，3，4瓦振动为目标调整了三个平衡面的配重后，三个配重在2瓦形成的振动之和与2瓦原始振动的关系见图15：

可见，三个配重形成的振动之和与原始振动方向相反，能够抵消原来约60％左右的振动。第五步  轴系的全息动平衡方法

轴系全息动平衡方法对机组作平衡，也会出现自平衡。调节三个平衡面上配重的大小与相位，使各个轴承截面上振动椭圆的初相点与相应配重所形成的初相点成镜象副，以逐个地、分别地消除此三个轴承截面上的振动，此时，第四个轴承截面上的振动能自动消除。整个过程可在计算机上实现。

该方法可以避免逐面逐次调整配重时因为某个轴承处的振动过大而对机组造成损伤或跳车的危险，并能够一次找到三个面较为合适的配重分布。

实际操作时，使用第一步所得的振动影响，逐面调整配重大小位置，依次消除3个轴瓦处振动，最后叠加各次结果。第4个轴瓦处振动因自平衡现象而消除。图16～图24所示为计算机模拟平衡过程的三维全息谱图。

由图16～图21可见，若现场单独调整各平衡面的配重，很有可能会使得某个轴承处振动急剧增加(如图17中3瓦、图19中1瓦所示)；而这一步在计算机上则可以安全快速地进行。由图22～图24的平衡效果可见，全息动平衡法应用于轴系是可行的、较为准确的，同样也具有自平衡的特点，能够保证第四个轴承面的振动得到降低。

全息轴系平衡法为多支承、多转子组成的柔性轴系的动平衡提供了新的有效途径。其优越性表现在以下几个方面：

(1)能够一次得到三个面的适当配重，因此与目前现场采用的调整方法相比，在不降低平衡效果的基础上减少了试重起车。

(2)避免逐面逐次调整配重时因某个轴承处的振动过大而对机组造成损伤或跳车的危险。

(3)对上面确定的平衡结果可以用计算机模拟的方式进行优化。

(4)整个平衡过程在计算机上进行，安全、快速、不需要很高的专业技术知识，具有很好的经济效益与实用价值。