基于全矢谱的柔性转子动平衡方法

摘要

本发明公开了一种基于全矢谱的柔性转子动平衡方法，通过全矢谱分析软件能够客观真实地发现现场转子不平衡故障，并通过测取各测振截面上互相垂直的两个通道的振动原始信号，用全矢谱滤波方法来提取转子在各测振截面的工频主振矢，用此主振矢来代替传统单通道信号中提取的转子工频幅值和相位，结合影响系数法进行现场动平衡，平衡过程较少依赖于操作者的经验知识，可显著提高柔性转子动平衡的效率和精度，是一种高度集成的计算机辅助型现场动平衡方法。

说明书

技术领域

本发明专利属于转子现场动平衡技术领域，具体地，涉及旋转机械故障诊断与振动控制领域。

背景技术

目前，柔性转子现场动平衡方法很多，大致归为两大类，即振型平衡法和影响系数法，振型平衡法是基于平衡重量组与主振型正交的原理进行各阶振型的分别平衡，其具有高速平衡精度高，试验次数少等特点，然而，振型平衡法要求首先获得转子的各阶振型数据，同时这种方法要求操作者具有丰富的经验知识，且不大容易采用计算机辅助进行平衡工作，在实际应用中受到很大的限制。而影响系数法较少依赖于操作者的经验知识，整个操作均由试验来完成，能够采用计算机辅助和自动化，因而在许多场合大受欢迎。而影响系数法的缺点在于它对于转子的高阶振型的灵敏度不高，影响系数的计算主要依赖与振动幅值和相位测量的精确程度，一旦精度程度下降，可能导致其计算校正量很大，以致于现场无法实施。因此，各类平衡参数的测量和计算精度，特别是振动幅值与相位信息的准确获取对平衡质量尤为重要。但实际平衡中，由于平衡误差的产生及传递环节较多，且不易控制，少量的原始误差经积累最终可能会产生较大的平衡误差，从而导致平衡失败。

发明内容

本发明专利目的在于提供一种基于全矢谱的柔性转子动平衡方法，该方法可以通过全矢谱分析方法客观真实地发现现场转子不平衡故障，通过测取各测振截面上互相垂直的两个通道的振动原始信号，结合影响系数法进行现场动平衡，显著提高柔性转子动平衡的效率和精度，

为了实现以上目的，本发明的技术方案为：一种基于全矢谱的柔性转子动平衡方法，该方法的步骤如下：

1)依据全矢谱的主振矢图来识别转子是否存在不平衡故障；

2)根据转子的结构选取至少两个加重平面；现场平衡时，根据平衡效果和实际条件来确定加重平面的个数和加重的位置。

3)布置传感器，传感器的个数至少为加重平面数的2倍，在转子每侧至少布置一对传感器，每对传感器相互垂直放置于转子转动轴外表面近处，用于测取左、右轴承附近的水平和垂直的振动，另外还有一个传感器放置于其中一个加重平面的外圆周处，用于键相信号的测取；

4)在每个加重平面上分别拟设加重半径，并加一试重，启机升至设定转速，并测得相应的主振矢；

5)将各个主振矢利用影响系数法可以计算出在应分别在各加重平面加的配重。

进一步，该方法还有平衡验证的步骤。

进一步，若仍存在不平衡，重复步骤4)、5)及平衡验证步骤，直至平衡达标。

具体讲，根据机组上转子一端截面上采集到的双通道电涡流信号，进行矢量谱分析，从分析图谱中直接判定该转子的转子不平衡故障；判别方法为：从矢量谱的主振矢图中可查找到幅值最高的一条谱线，如该谱线为转子的1倍频且明显高于于其它谱线，参照国际振动标准其振值超标，则转子发生不平衡的可能性极大，然后从转子的另一端进行判断，若情况类似，则可判定为转子的不平衡故障，需要实施现场的转子动平衡。

一般情况下，传感器对称布置在转子的两端，双加重平面转子动平衡的传感器为相互垂直放置于转子两端转动轴外表面近处，用于测取左、右轴承附近的水平和垂直的振动。

传感器采用光电传感器或电涡流传感器来测取机器的转速并获取振动相位参考的脉冲信号，对于光电传感器，要求在轴上标记处粘上反射窄带，其余部分为黑区，或者相反；对于电涡流传感器，则要求轴上标记线处开一个键槽，将以上传感器信号线与动平衡仪相连。

对于有两个加重平面的转子，平衡方法如下：

a)启动机器，提升转速，启动动平衡仪测取两个平面的初始振动，并采用矢量滤波算法直接计算出至少两个平面的初始工频主振矢；

b)对于两个校正平面，设定加重半径，在其中一个平面中加一试重Q₁，Q₁为矢量，其质量为q₁，相对转子上参考标记的方位角，逆旋转方向计算为，启机升至同一转速，，并测得相应的主振矢；

c)取走Q₁，在另一平面上加试重Q₂，可测得其相应的主振矢；

d)利用影响系数法可以计算出在应分别在两平面加的配重。

本发明专利具有以下功能和特点：

1、本方法提供矢量谱分析软件和相应图谱显示功能，矢量谱具有高分辨率，融合双通道的信号的特点，对于现场转子的不平衡故障的识别具有独特的优势。

2、测振传感器采用单截面双通道并成90度的布置方式，传感器为非接触式电涡流位移传感器测轴振动。信号采集采用同步整周期方式，可以用键相信号触发采集，也可以采用光电开关触发。

采用基于矢谱的软件滤波方式提取各测振平面的工频主振矢，滤波方法借助了复FFT的快速算法，同步整周期信号采集的特点，提高了工频幅值和相位提取的精度和效率，较好地避免了单通道信号的片面性，从而提高影响系数法的平衡精度。

3、测振平面数目可以任意指定，完全满足绝大多数柔性转子轴系的动平衡要求。

4、平衡过程采用计算机辅助进行，操作直观，明了，较少地依赖于专家经验。

附图说明

图1为现场测点布置方案；

图2为矢量谱图；

图3为矢谱滤波的流程图。

具体实施方式

本发明专利的具体实施方式为：

(1)基于矢谱的转子不平衡故障识别

根据机组上转子一端某截面上采集到的双通道电涡流信号，进行矢量谱分析，从图谱中可直接判定该转子是否属于转子不平衡故障。判别方法为：从矢量谱的主振矢图中可查找到幅值最高的一条谱线，如该谱线为转子的1倍频且明显高于于其它谱线，参照一定的国际振动标准其振值超标，则转子发生不平衡的可能性极大，然后从转子的另一端进行判断，若情况类似，则基本可判定为转子的不平衡故障，需要实施现场的转子动平衡。

用矢量谱图识别转子不平衡故障方法参见图2，图中为从某CO₂压缩机组现场靠近增压箱截面通过一对互相垂直的电涡流传感器x和y实测的一组振动数据，并对x，y方向单独作频谱图和主振动矢量图。若单独从x方向的振幅图可以看出该机组2倍频最大，最有可能是发生了转子不对中现象，但是从y方向看机组1倍频最大，显然大于2倍频，机组故障应该是不平衡故障，即单独用x，y方向判断机组故障出现了矛盾，这是单通道信号的片面性导致出现的问题。而主振动矢图是综合了x，y两个方向信号而得到的振幅图，具有客观真实性和唯一性，从该组数据的主振矢图中可以看出机组的1倍频幅值明显，而2倍频较小，因此肯定机组发生了转子不平衡故障。

(2)加重平面的确定

现场平衡时，一般根据平衡效果和实际条件来确定加重平面的个数和加重的位置。

(3)传感器的布置

传感器的布置方法可根据转子的特点进行，传感器的个数至少为加重平面数的2倍。传感器往往采用对称布置在转子的两端，双平面转子动平衡的传感器布置方式见图1所示，一共采用5只电涡流传感器，传感器KP用于键相信号的测取，1X，1Y，2X，2Y分别用于测取左、右轴承附近的水平和垂直的振动。

(4)动平衡过程

以下以双平面为例来说明使用基于全矢谱的现场动平衡仪来实现平衡的过程，柔性转子的平衡一般需要从低到高进行多个转速下多平面的平衡，这里以某一转速n(转/分)下的平衡过程为例说明(其它转速下的平衡过程与之类似)：

a)在机器上选定两个测振平面1和平面2，在每个平面上互成90°方向各安装两只电涡流传感器，采用光电传感器或电涡流传感器来测取机器的转速并获取振动相位参考的脉冲信号。如果是光电传感器，要求在轴上标记处粘上-反射窄带，其余部分为黑区，或者相反。如果使用电涡流传感器，则要求轴上标记线处开一几毫米深的键槽。将以上5只传感器信号线与动平衡仪相连。

b)启动机器，升速至转速n转/分，启动平衡仪分别测取两个平面的x和y方向的初始振动，并采用矢量滤波算法直接计算出平面1和平面2的初始工频主振矢V₁₀和V₂₀；工频主振矢计算的原理如图3所示。以其中的平面1的主振矢V₁₀的计算为例：

设平面1上测得的X和Y方向振动原始信号分别为{x_i}和{y_i}(i＝0，1，2，…，N-1)，N为信号的采集点数，一般为2的整数次幂，如512，1024，2048等，R为每周期采样点数，一般为32，64等。然后构造复信号z_i＝x_i+jy_i(i＝0，1，2，…，N-1)，并采用公式(1)对构造信号进行复FFT变换：

$Z_n=\underset{k=0}{\overset{N-1}{\Sigma }}{z}_k{e}^{-j2\mathrm{\pi k}/N}(n=\mathrm{0,1,2},···N-1)---\left(1\right)$

然后，计算出工频主振矢谱的序号Ind：

Ind＝N/R-1                            (2)

工频主振矢(包括幅值和方位角)可用公式(3)、(4)计算：

$R_{\mathrm{ai}}=(\sqrt{Z_{\mathrm{Ii}}^2+Z_{\mathrm{Ri}}^2}+\sqrt{Z_{\mathrm{Ri}}^2+Z_{I(N-i)}^2})/2N(i=\mathrm{Ind})---\left(3\right)$

${\alpha }_i=\arctan \left(\frac{Z_{\mathrm{Ri}}{Z}_{\mathrm{Ii}}+Z_{I(N-i)}{Z}_{R(N-i)}}{Z_{\mathrm{Ri}}{Z}_{R(N-i)}-Z_{\mathrm{Ii}}{Z}_{I(N-i)}}\right)(i=\mathrm{Ind})---\left(4\right)$

则平面I的初始工频主振矢V₁₀＝R_alnd∠α_lnd

c)根据转子的结构选取两个校正平面1和平面2，加重半径分别为r₁和r₂，先在平面1中加一试重Q₁，(Q₁为矢量，其质量为q₁，相对转子上参考标记的方位角，逆旋转方向角度为)，同样，启机升至同一转速，并测得相应的主振矢为V₁₁和V₂₁；

此时可以计算出影响系数(方位角为零度的单位试重的效果矢量)α₁和β₁

${\alpha }_1=\frac{V_{11}-V_{10}}{Q_1}---\left(5\right)$

${\beta }_1=\frac{V_{21}-V_{20}}{Q_1}---\left(6\right)$

d)取走Q₁，在平面2上加试重Q₂，可测得V₁₂和V₂₂；

同理可以计算出α₂和β₂：

${\alpha }_2=\frac{V_{12}-V_{10}}{Q_2}---\left(7\right)$

${\beta }_2=\frac{V_{22}-V_{20}}{Q_2}---\left(8\right)$

e)利用影响系数法可以计算出在应分别在平面1和平面2加的配重为P₁(包括配重的大小和方向，正方向的定义与加试重Q₁和Q₂相同)和P₂。计算P₁和P₂的方法就是解矢量方程组(9)：

$\left(\begin{array}{c}{\alpha }_1{P}_1+{\alpha }_2{P}_2=-V_{10}\\ {\beta }_1{P}_1+{\beta }_2{P}_2=-V_{20}\end{array}\right)---\left(9\right)$

f)按照(e)步计算结果添加配重，启机升至同一转速，测量剩余振动矢量V′₁和V′₂，如V′₁和V′₂相对于初始振动矢量V₁₀和V₂₀其幅值均有大幅度减小，说明平衡效果较好。

(5)平衡验证与结论

为了验证全矢动平衡的平衡效果，在转子试验台进行了大量的验证工作，实验过程按照以上实施步骤展开。实验将全矢动平衡方法与传统的基于单方向传感器信号的动平衡方法进行了比较，并将实验数据列出如表1所示。

表1双平面动平衡实验数据(平衡转速：2400转/分)

表2计算和平衡验证

从表2中可以看出，按照全矢动平衡方法计算出来的需加配重与单独用X或y方向传感器信号方法计算出来的配重略有不同，为了验证各种动平衡方法的精度，分别按照3种配重方案添加配重，并测取加配重后两个平面x，y方向上的振动。通过加配重后振动数据分析可以得到：采用上面两种(单独使用X，Y方向信号)平衡方法效果基本相当，最后的振动量偏大，在平衡精度要求较高的场合，则往往还需要进一步平衡。而采用全矢动平衡方法最后测得的振动量在x，y两个方向上均比较小，其平衡效果明显优于传统的基于单方向信号的平衡方法。

通过对比分析可知，相对与传统方法，全矢动平衡方法具有更高的精度，能起到显著提高平衡效果，减少平衡次数的目的。