一种高速转子轴承系统空间振动的动平衡抑制方法

摘要

本发明公开了一种高速转子轴承系统空间振动的动平衡抑制方法。本发明在测试转子轴承系统空间振动的基础上，给出位移及振动运动轨迹面积与不平衡量之间的关联关系，构建了包含转子位移及轴承振动的优化目标函数，结合优化方法实现两者的同步抑制，兼顾了转子回转精度的提升与失衡振动能量的抑制，并通过权重系数的配置，控制不同方位、不同截面上位移及振动抑制效果的比重。本发明克服了传统振动抑制方法鲜有综合考虑转子位移或轴承振动，且振动测试多数仅针对单方向或单截面实施，从而导致时有顾此失彼现象发生的缺点。与传统方法相比，本发明能使转子轴承系统振动控制效果达到最优，在保证系统运行精度的同时，亦能有效延长系统运行寿命。

说明书

技术领域

本发明涉及旋转设备故障诊断与振动控制方法，特别涉及一种高速转 子轴承系统空间振动的动平衡抑制方法，该方法可同时实现高速转子绝对 位移与轴承基座相对振动的综合控制。

背景技术

高速转子轴承系统空间振动轨迹较为复杂，但其振动信号多呈现平稳 信号特征，例如纯失衡振动，以及对中不良、周期性切削激励、热变形、 周期性环境干扰等因素导致的振动。但当不平衡故障很严重时，转子在运 行发生碰撞与摩擦，原来的正弦波动会变化为非平稳的振动波形。此外， 失衡转子的柔性特性处于激发状态，更容易受到外部激励的冲击，进而导 致颤振等非平稳信号的产生。由于受工艺水平限制，上述失衡及非失衡干 扰因素几乎不可避免，以失衡为例，转子制造和装配误差、材料不均匀等 因素都会导致转子不平衡，另外转子高速旋转时的离心膨胀效应也会破坏 原有平衡状态。

上述分析表明，转子复杂空间振动行为不可避免。然而，旋转设备的 振动状况是评估设备运行健康状态的重要参数，振动若超过一定限制，不 仅影响零件加工精度，还会对转子自身组件造成破坏，急剧减少转子系统 寿命，甚至使某些组件由于振动量过大而当场损坏。因此，如何抑制转子 空间振动尤为重要。

转子轴承系统通常是复杂机电系统中的一个子系统，仅在自由边界条 件下分析其存在失衡等故障前后的动态特性远远不够。当转子轴承系统安 装完毕之后，主轴与其轴承基座组成相互耦合的新系统，轴承基座振动对 转子系统的动态特性将产生不可忽略的影响。而当转子处于不平衡等故障 状态时，其惯性中心不在回转轴线上，此刻轴承基座处振动尤为明显。

转子绝对位移与轴承基座相对振动分别表征回转精度、失衡振动能量， 现有的关于转子轴承系统空间振动抑制的研究没有同时考虑转子位移与轴 承振动，皆是分别对两者进行独立分析或优化。而正是由于现有动平衡方 法鲜有将两类振动综合考虑，平衡操作中时有顾此失彼的现象发生。因此， 需要对转子绝对位移与轴承基座相对振动的进行合理评估及综合平衡，进 而有效抑制转子轴承系统空间振动。

发明内容

本发明的目的在于克服上述已有技术的缺点，提出一种高速转子轴承 系统空间振动的动平衡抑制方法，可同时控制高速转子绝对位移与轴承基 座相对振动，在提升转子回转精度的同时，也兼顾失衡振动能量的抑制。

为达到以上目的，本发明是采取如下技术方案予以实现的：

一种高速转子轴承系统空间振动的动平衡抑制方法，包括下述步骤：

步骤一，通过位移传感器采集配重盘表面水平及垂直方向位移信号 δ_LH,δ_LV,δ_RH,δ_RV，通过振动传感器采集轴承外圈处振动信号υ_LH,υ_LV,υ_RH,υ_RV， 通过鉴相传感器采集相位信号。

其中：下标字母表示传感器安装位置，L表示左侧，R表示右侧，H表 示水平，V表示垂直；δ_LH,δ_LV,δ_RH,δ_RV分别表示左侧水平、左侧垂直、右侧 水平、右侧垂直方向的位移信号；υ_LH,υ_LV,υ_RH,υ_RV分别表示左侧水平、左 侧垂直、右侧水平、右侧垂直方向的振动信号；

步骤二，分别以水平、垂直信号为椭圆长、短轴，构建与振动、位移 信号相对应的运动轨迹椭圆，进而根据椭圆面积几何求解公式，建立运动 轨迹椭圆面积与振动、位移信号的关联关系；

其中：上标字母表示构成椭圆的信号类型，δ表示位移、υ表示振动， 下标字母含义同前，即分别表示左侧位移、右侧位移、左侧振 动、右侧振动信号所构成的运动轨迹拟合椭圆面积

步骤三，通过在两侧配重盘上添加试重，建立与左、右侧 配重盘位置的不平衡量P_l、P_r之间的关联关系：

$S_L^{\delta }=\pi |{\mu }_{\mathrm{LH}}^{\mathrm{\delta l}}{P}_l+{\mu }_{\mathrm{LH}}^{\mathrm{\delta r}}{P}_r|·|{\mu }_{\mathrm{LV}}^{\mathrm{\delta l}}{P}_l+{\mu }_{\mathrm{LV}}^{\mathrm{\delta r}}{P}_r|$

$S_R^{\delta }=\pi |{\mu }_{\mathrm{RH}}^{\mathrm{\delta l}}{P}_l+{\mu }_{\mathrm{RH}}^{\mathrm{\delta r}}{P}_r|·|{\mu }_{\mathrm{RV}}^{\mathrm{\delta l}}{P}_l+{\mu }_{\mathrm{RV}}^{\mathrm{\delta r}}{P}_r|$

$S_L^{\upsilon }=\pi |{\mu }_{\mathrm{LH}}^{\mathrm{\upsilon l}}{P}_l+{\mu }_{\mathrm{LH}}^{\mathrm{\upsilon r}}{P}_r|·|{\mu }_{\mathrm{LV}}^{\mathrm{\upsilon l}}{P}_l+{\mu }_{\mathrm{LV}}^{\mathrm{\upsilon r}}{P}_r|$

$S_R^{\upsilon }=\pi |{\mu }_{\mathrm{RH}}^{\mathrm{\upsilon l}}{P}_l+{\mu }_{\mathrm{RH}}^{\mathrm{\upsilon r}}{P}_r|·|{\mu }_{\mathrm{RV}}^{\mathrm{\upsilon l}}{P}_l+{\mu }_{\mathrm{RV}}^{\mathrm{\upsilon r}}{P}_r|$

其中：μ为不同位置处位移或振动信号与转子两侧配重盘处单位不平衡 量之间的影响系数，μ的上标字母中l、r分别表示与左侧、右侧配重盘相关， 其它上、下标字母含义同前；例如在数值上等于左侧配重盘上单位不平 衡量引起左侧水平位置处位移信号的变化。

步骤四，构建转子轴承系统空间残余振动描述函数：

$f_1={\alpha }_L^{\delta }{S}_L^{\delta }+{\alpha }_R^{\delta }{S}_R^{\delta }+{\alpha }_L^{\upsilon }{S}_L^{\upsilon }+{\alpha }_R^{\upsilon }{S}_R^{\upsilon }$

$f_2=\max ({\alpha }_L^{\delta }{S}_L^{\delta }+{\alpha }_R^{\delta }{S}_R^{\delta }+{\alpha }_L^{\upsilon }{S}_L^{\upsilon }+{\alpha }_R^{\upsilon }{S}_R^{\upsilon })$

其中：分别表示对左侧位移、右侧位移、左侧振动、右侧 振动进行动平衡抑制的权重系数；

步骤五，构建多目标优化函数，即：

Minimize f(P_l,P_r)＝β₁f₁+β₂f₂

其中：β₁,β₂分别表示对全局振动及局部振动进行动平衡抑制的权重系 数，取β₁＞β₂；

步骤六，根据步骤五建立的优化函数，求解Minimize f所对应的平衡 配重组合{P_l,P_r}，该平衡配重组合{P_l,P_r}即为最优平衡配重组合；

步骤七，通过转子两侧的配重盘，施加步骤六得到的最优配重，完成 转子轴承系统空间振动的动平衡抑制操作。

上述的步骤三中的μ满足下列关系：

${\left(\begin{array}{cccccccc}{\delta }_{\mathrm{LH}}& {\delta }_{\mathrm{LV}}& {\delta }_{\mathrm{RH}}& {\delta }_{\mathrm{RV}}& {\upsilon }_{\mathrm{LH}}& {\upsilon }_{\mathrm{LV}}& {\upsilon }_{\mathrm{RH}}& {\upsilon }_{\mathrm{RV}}\end{array}\right)}^T={\left(\begin{array}{cccccccc}{\mu }_{\mathrm{LH}}^{\mathrm{\delta l}}& {\mu }_{\mathrm{LV}}^{\mathrm{\delta l}}& {\mu }_{\mathrm{RH}}^{\mathrm{\delta l}}& {\mu }_{\mathrm{RV}}^{\mathrm{\delta l}}& {\mu }_{\mathrm{LH}}^{\mathrm{\upsilon l}}& {\mu }_{\mathrm{LV}}^{\mathrm{\upsilon l}}& {\mu }_{\mathrm{RH}}^{\mathrm{\upsilon l}}& {\mu }_{\mathrm{RV}}^{\mathrm{\upsilon l}}\\ {\mu }_{\mathrm{LH}}^{\mathrm{\delta r}}& {\mu }_{\mathrm{LV}}^{\mathrm{\delta r}}& {\mu }_{\mathrm{RH}}^{\mathrm{\delta r}}& {\mu }_{\mathrm{RV}}^{\mathrm{\delta r}}& {\mu }_{\mathrm{LH}}^{\mathrm{\upsilon r}}& {\mu }_{\mathrm{LV}}^{\mathrm{\upsilon r}}& {\mu }_{\mathrm{RH}}^{\mathrm{\upsilon r}}& {\mu }_{\mathrm{RV}}^{\mathrm{\upsilon r}}\end{array}\right)}^T\left(\begin{array}{c}{P}_l\\ P_r\end{array}\right).$

本发明的有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明能同时控制高速转子绝对位移与轴承基座相对振动，兼顾了 转子回转精度的提升与失衡振动能量的抑制；

2、本发明采用轨迹面积描述转子及轴承振动状态，且同时考虑了转子 轴承系统两侧振动，将空间振动行为纳入监测范围，相比传统振动描述方 式更为全面；

3、本发明在处理转子轴承系统空间振动问题时，构建了优化目标函数， 能快速实现不同测点、多自由度振动的综合抑制；

4、与传统的动平衡方法相比，本发明易于自动化实现，集成度高，利 于软件实现，可嵌入选择设备综合测控系统，应用范围较为广泛。

为了更清楚的理解本发明，以下结合附图对本发明作进一步的详细说 明。

附图说明

图1为本发明的高速转子轴承系统模型简图；

图2为本发明方法的动平衡抑制实验前后轴承振动比较图；

图3为本发明方法的动平衡抑制实验前后转子位移比较图；

图4为本发明方法的步骤流程框图。

附图标记说明：1、位移传感器；2、振动传感器；3、鉴相传感器；4、 配重盘。

具体实施方式

该实施例给出了本发明在工程实践中的具体实施过程。

1、转子位移及轴承振动数据的采集

如图1所示为本发明的高速转子轴承系统模型简图(图中仅绘制垂直 方向传感器)，该高速转子轴承系统的结构为现有技术，在此对其结构不再 详述；图4为本发明方法的步骤流程框图。本发明通过位移传感器1采集 配重盘表面水平及垂直方向位移信号δ_LH,δ_LV,δ_RH,δ_RV，通过振动传感器2采 集轴承外圈振动信号υ_LH,υ_LV,υ_RH,υ_RV，通过鉴相传感器3采集相位信号；

其中：δ_LH,δ_LV,δ_RH,δ_RV分别表示左侧水平、左侧垂直、右侧水平、右侧 垂直方向的位移信号；υ_LH,υ_LV,υ_RH,υ_RV分别表示左侧水平、左侧垂直、右 侧水平、右侧垂直方向的振动信号。

2、位移及振动数据的融合

分别以水平、垂直信号为椭圆长、短轴，构建与振动、位移信号相对 应的运动轨迹椭圆，进而根据椭圆面积几何求解公式，建立运动轨迹椭圆 面积与振动、位移信号的关联关系如下：

$S_L^{\delta }=\pi \left|{\delta }_{\mathrm{LH}}\right|·\left|{\delta }_{\mathrm{LV}}\right|$

$S_R^{\delta }=\pi \left|{\delta }_{\mathrm{RH}}\right|·\left|{\delta }_{\mathrm{RV}}\right|$

$S_L^{\upsilon }=\pi \left|{\upsilon }_{\mathrm{LH}}\right|·\left|{\upsilon }_{\mathrm{LV}}\right|$

$S_R^{\upsilon }=\pi \left|{\upsilon }_{\mathrm{RH}}\right|·\left|{\upsilon }_{\mathrm{RV}}\right|$

其中：分别表示左侧位移、右侧位移、左侧振动、右侧振 动信号所构成的运动轨迹拟合椭圆面积。

3、多目标优化函数的构建

1)通过在两侧配重盘4上添加试重，建立与左、右侧配 重盘4位置的不平衡量P_l、P_r之间的关联关系：

$S_L^{\delta }=\pi |{\mu }_{\mathrm{LH}}^{\mathrm{\delta l}}{P}_l+{\mu }_{\mathrm{LH}}^{\mathrm{\delta r}}{P}_r|·|{\mu }_{\mathrm{LV}}^{\mathrm{\delta l}}{P}_l+{\mu }_{\mathrm{LV}}^{\mathrm{\delta r}}{P}_r|$

$S_R^{\delta }=\pi |{\mu }_{\mathrm{RH}}^{\mathrm{\delta l}}{P}_l+{\mu }_{\mathrm{RH}}^{\mathrm{\delta r}}{P}_r|·|{\mu }_{\mathrm{RV}}^{\mathrm{\delta l}}{P}_l+{\mu }_{\mathrm{RV}}^{\mathrm{\delta r}}{P}_r|$

$S_L^{\upsilon }=\pi |{\mu }_{\mathrm{LH}}^{\mathrm{\upsilon l}}{P}_l+{\mu }_{\mathrm{LH}}^{\mathrm{\upsilon r}}{P}_r|·|{\mu }_{\mathrm{LV}}^{\mathrm{\upsilon l}}{P}_l+{\mu }_{\mathrm{LV}}^{\mathrm{\upsilon r}}{P}_r|$

$S_R^{\upsilon }=\pi |{\mu }_{\mathrm{RH}}^{\mathrm{\upsilon l}}{P}_l+{\mu }_{\mathrm{RH}}^{\mathrm{\upsilon r}}{P}_r|·|{\mu }_{\mathrm{RV}}^{\mathrm{\upsilon l}}{P}_l+{\mu }_{\mathrm{RV}}^{\mathrm{\upsilon r}}{P}_r|$

μ为不同位置处位移或振动信号与转子两侧配重盘处单位不平衡量之 间的影响系数，μ由试重实验获取，其满足下列关系：

${\left(\begin{array}{cccccccc}{\delta }_{\mathrm{LH}}& {\delta }_{\mathrm{LV}}& {\delta }_{\mathrm{RH}}& {\delta }_{\mathrm{RV}}& {\upsilon }_{\mathrm{LH}}& {\upsilon }_{\mathrm{LV}}& {\upsilon }_{\mathrm{RH}}& {\upsilon }_{\mathrm{RV}}\end{array}\right)}^T={\left(\begin{array}{cccccccc}{\mu }_{\mathrm{LH}}^{\mathrm{\delta l}}& {\mu }_{\mathrm{LV}}^{\mathrm{\delta l}}& {\mu }_{\mathrm{RH}}^{\mathrm{\delta l}}& {\mu }_{\mathrm{RV}}^{\mathrm{\delta l}}& {\mu }_{\mathrm{LH}}^{\mathrm{\upsilon l}}& {\mu }_{\mathrm{LV}}^{\mathrm{\upsilon l}}& {\mu }_{\mathrm{RH}}^{\mathrm{\upsilon l}}& {\mu }_{\mathrm{RV}}^{\mathrm{\upsilon l}}\\ {\mu }_{\mathrm{LH}}^{\mathrm{\delta r}}& {\mu }_{\mathrm{LV}}^{\mathrm{\delta r}}& {\mu }_{\mathrm{RH}}^{\mathrm{\delta r}}& {\mu }_{\mathrm{RV}}^{\mathrm{\delta r}}& {\mu }_{\mathrm{LH}}^{\mathrm{\upsilon r}}& {\mu }_{\mathrm{LV}}^{\mathrm{\upsilon r}}& {\mu }_{\mathrm{RH}}^{\mathrm{\upsilon r}}& {\mu }_{\mathrm{RV}}^{\mathrm{\upsilon r}}\end{array}\right)}^T\left(\begin{array}{c}{P}_l\\ P_r\end{array}\right).$

其中：μ的上标字母中l、r分别表示与左侧、右侧配重盘4相关，其它 上、下标字母含义同前。即在数值上等于左侧配重盘4上单位不平衡量 引起左侧水平位置处位移信号的变化，其它μ系数成员含义不再赘述；

2)构建转子轴承系统空间残余振动描述函数

$f_1={\alpha }_L^{\delta }{S}_L^{\delta }+{\alpha }_R^{\delta }{S}_R^{\delta }+{\alpha }_L^{\upsilon }{S}_L^{\upsilon }+{\alpha }_R^{\upsilon }{S}_R^{\upsilon }$

$f_2=\max ({\alpha }_L^{\delta }{S}_L^{\delta }+{\alpha }_R^{\delta }{S}_R^{\delta }+{\alpha }_L^{\upsilon }{S}_L^{\upsilon }+{\alpha }_R^{\upsilon }{S}_R^{\upsilon })$

其中：分别表示对左侧位移、右侧位移、左侧振动、右侧 振动进行动平衡抑制的权重系数；这些系数取值由转子轴承系统不同位置 振动传递函数及现场应用需求共同确定；

3)构建多目标优化函数Minimize f(P_l,P_r)＝β₁f₁+β₂f₂

其中：β₁,β₂分别表示对全局振动及局部振动进行动平衡抑制的权重系 数，取β₁＞β₂；

4)根据步骤3)建立的优化函数，利用粒子群智能优化算法求解最优 平衡配重组合{P_l,P_r}。

4、空间振动的动平衡抑制

通过转子两侧的配重盘4，施加通过优化求解得到的最优配重，完成转 子轴承系统空间振动的动平衡抑制操作。

实施动平衡操作后，如图2及图3所示，浅色三维空间振动图为动平 衡抑制之前的状态，而深色三维空间振动图为抑制之后的效果。从图2及 图3可知，本发明通过构建优化目标函数，能快速实现不同测点、多自由 度振动的综合抑制；实现了高速转子绝对位移与轴承基座相对振动的同时 控制，兼顾了转子回转精度的提升与失衡振动能量的抑制。此外，本发明 采用轨迹面积描述转子及轴承振动状态，且同时考虑了系统两侧振动，将 空间振动行为纳入监测范围，相比传统振动描述方式更为全面。

实施例没有详细叙述的部件、工艺及字母表示属本行业的公知部件、 和常用手段及常识，这里不一一叙述。以上例举仅仅是对本发明的举例说 明，并不构成对本发明的保护范围的限制，凡是与本发明相同或相似的设 计均属于本发明的保护范围之内。