專利名稱：動平衡測量方法及高頻比硬支承動平衡裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及的是有關測量與測試技術領域，尤其是對硬支承動平衡裝置工作原理進行改進的一種動平衡測量方法及高頻比硬支承動平衡裝置。
背景技術：
用于轉子不平衡量測量的動平衡裝置根據其工作原理可分為硬支承動平衡裝置和軟支承動平衡裝置兩大類。軟支承動平衡裝置工作在高于轉子-擺架系統固有頻率以上的頻率范圍。它具有靈敏度高，抗干擾能力強和適用轉速范圍寬等優點，但它不具備永久性標定的特性，每次平衡新的轉子都需首先進行標定測量運轉，因此一般應用于專用平衡裝置和特殊用途平衡裝置。硬支承動平衡裝置工作在轉子-擺架系統固有頻率范圍以下，并且遠離共振區域，如附圖1中的H區。它具有永久性標定的優點，平衡新的轉子時只需輸入轉子幾何參數一次運轉就可測得兩個平面上不平衡量的大小和相位，因此廣泛應用于通用型平衡裝置，但它的機械靈敏度低，不太適合于輕小轉子的動平衡測量。此外由于它直接將擺架振動量近似為不平衡量，忽略了兩者之間的誤差，在工作原理上就存在誤差。同一轉子在不同轉速下測量，所得結果之間也有差別。
在當前的硬支承平衡裝置中，用試驗轉子加已知不平衡量標定出兩擺架的靈敏度系數存儲于測量系統的內存，今后的測量中反復調用此靈敏度系數以將擺架振動量線性地換算為不平衡量，再將支承面上的不平衡量根據靜力平衡關系換算為指定平面上的不平衡修正量。
由于上述測量原理中直接將擺架振動量當做不平衡量的處理是一種近似。為了保證測量誤差較小，使其在可接受的程度內，平衡測量轉速必須遠低于轉子-擺架系統的共振轉速，頻率比一般以0.2倍為上限，在平衡裝置的技術規格及說明書中給出一個平衡轉速上限值。
由于上述工作原理非常簡單，在模擬式測量儀表上可直接通過旋鈕設定靈敏度和轉子幾何尺寸參數，自上世紀六十年代以來一直應用著，數字式測量系統以及計算機的應用也僅提高了操作的方便性和增加了一些輔助功能，平衡裝置的工作原理一直未發生根本性變革。
發明內容
本發明的目的是針對上述現有硬支承平衡測量技術的缺陷，提供一種動平衡測量方法及高頻比硬支承動平衡裝置，本發明的技術方案是基于計算機技術已普遍應用于動平衡測量技術領域，任何復雜的運算都可輕易實現這一客觀條件，提出了以二自由度振動系統的機械振動理論為基礎的新的測量原理，從而推導出了新的理論公式和實用計算公式，給出了高頻比硬支承動平衡裝置的實施方案。本發明高頻比硬支承動平衡裝置可工作在頻比0.2-0.5范圍，它完全克服了原理誤差，并且靈敏度大大提高。
本發明的動平衡測量方法主要包括確定平衡裝置的兩擺架的剛度(K1，K2)和標定系統阻尼系數(C)，并將其存入計算機的內存以供計算時使用；按常規操作過程輸入轉子參數建立轉子文件，在平衡測量開始之前由計算機提示，要求平衡裝置操作者不僅要按常規選擇轉子支承方式，輸入幾何參數，還要輸入轉子質量m和轉子質心位置L1，L2可由計算機計算出來L2＝L-L1，(其中L為兩擺架之間的距離，L1為轉子質心至擺架1的距離，L2為轉子質心至擺架2的距離)，由計算機給出建議平衡轉速，取頻率比λ＝0.2-0.5左右，根據計算機所建議的平衡轉速范圍，再考慮驅動能力和安全因素由操作者設定一個平衡轉速；在平衡轉速下測量兩擺架的振動位移信號中的基頻成分；然后按照本發明的方法進行動平衡解算，動平衡解算包括如下步驟第一步從兩支承平面上測得的位移向量X1和X2求得靜不平衡量成分在兩擺架上引起的振幅A1S和A2S，對于重心外懸的轉子需將遠離重心的擺架上的振動信號向量反向180度；第二步用下式推算出轉子的轉動慣量(也包含有擺架上部結構參與振動的質量的成分)J=lp2(1-A1s/A2s)(k2l2-AlsA2sk1l1)]]>
第三步根據下面公式Mk1=k1-ml2lp2]]>Mk2=k2-ml1lp2]]>Jk2＝k2l2l-Jp2Jk1＝k1l1l-Jp2依次計算MK1，MK2，JK1，JK2，再利用下面的公式解算出支靜不平衡量和相位差角U=A1s(Mk1Jk2+Mk2Jk1)2+c2p2(Jk1+Jk2)2p2Jk2]]>或U=A2s(Mk1Jk2+Mk2Jk1)2+c2p2(Jk1+Jk2)2p2Jk1]]> 及偶不平衡量和相位差角Uc=A1c(Mk1Jk2+Mk2Jk1)2+c2p2l2(l1Mk2-l2Mk1)2p2lMk2]]>或Uc=A2c(Mk1Jk2+Mk2Jk1)2+c2p2l2(l1Mk2-l2Mk1)2p2lMk1]]> 第四步用常規的靜力平衡的方法將靜不平衡量和偶不平衡量換算為指定修正平面上的動不平衡量；至此，整個不平衡測量過程完成。
用于實施上述測量方法的高頻比硬支承動平衡裝置包括用于放置轉子的兩個擺架，這兩個擺架的剛度遠低于現有硬支承平衡機的擺架剛度以實現高測量頻比，其量值按K＝(5-50)*103m來設計，大規格裝置取較小值，小規格裝置取較大值，其中m為該平衡裝置的承載能力，即轉子質量，單位為千克，K的單位則為牛頓/米，其精確值通過標定得到，所述的兩只擺架具有固有的阻尼系數，其精確值通過標定得到；在所述的兩個擺架上分別設有一個振動傳感器，所述的振動傳感器測量的振動信號輸入給一個振動信號處理器進行信號的預處理，包括放大、濾波和模數轉換，該裝置還設有一個相位傳感器，所述的相位傳感器也連到振動信號處理器上，振動信號處理器將預處理后的數字量信號輸入給一計算機，由計算機按照本發明上述的方法將振動量解算為不平衡量。
下面結合附圖描述本發明的技術方案形成的原理和計算公式以及結構。
圖1是用以說明平衡裝置工作頻率比區間的示意圖；圖2是研究由轉子和平衡裝置擺架組成的振動系統的力學模型；圖3是將在兩擺架上測得的振動幅值向量分解為靜不平衡響應分量和偶不平衡響應分量的向量關系示意圖，其中圖3a為擺架1振動向量分解圖；圖3c為擺架2振動向量分解圖；圖3b為二向量合成；圖4是本發明的高頻比硬支承動平衡裝置的示意圖。
具體實施例方式
在圖1中，橫坐標為工作頻率P與系統固有頻率PC之比P/PC；縱坐標為不平衡離心力F＝Up2和擺架振動X。圖中的兩條曲線分別為X和F，X和F在頻比0.2以下近似重合是現有硬支承平衡裝置工作原理的基礎，而兩者不同則是原理誤差存在的原因。
當前的硬支承動平衡裝置工作頻比在0.2以下H區，這個區間內振幅很小，因此測量靈敏度較低。
本發明高頻比硬支承動平衡裝置工作頻比在0.2-0.5的M區，振動幅值顯著增大，通過前面推導的公式將振動信號解算為不平衡量，無需現場標定。
在圖2中，各參數的含義為m轉子的質量J轉子繞質心的轉動慣量L兩擺架之間的距離L1轉子質心至擺架1的距離L2轉子質心至擺架2的距離，L2＝L-L1K1；擺架1的剛度K2擺架2的剛度X1擺架1振動位移X2擺架2振動位移C擺架阻尼系數，設兩擺架阻尼系數相等在圖3中，各參數的含義為X1擺架1上測得的振動幅值向量X2擺架2上測得的振動幅值向量XS合成向量，用于確定靜不平衡響應成分的相位X1S擺架1上振動幅值向量的靜不平衡響應成分X2S擺架2上振動幅值向量的靜不平衡響應成分X1C擺架1上振動幅值向量的偶不平衡響應成分X2C擺架2上振動幅值向量的偶不平衡響應成分φ1向量X1的相位φ2向量X2的相位φS向量XS的相位首先可參見圖2，以力學模型來研究臥式硬支承動平衡裝置，以兩擺架的振動位移為動力學坐標，以質心平動和繞質心轉動的動力學方程建立數學模型，分別研究當轉子只有靜不平衡和只有偶不平衡時的兩種情況，根據線性系統的可疊加性得到擺架的總振動響應。根據不平衡量與擺架振動量之間的理論關系由測量得到的振動量求解出不平衡量。
m(l2lx··1+l1lx··2)+cx·1+cx·2+k1x1+k2x2=Up2sinpt]]>Jl(x··1-x··2)-cl1x·1+cl2x·2-k1l1x1+k2l2x2=0]]>轉子只有靜不平衡時系統運動微分方程為為方便表達，令Mk1=k1-ml2lp2]]>Mk2=k2-ml1lp2]]>Jk2＝k2l2l-Jp2求解該微分方程組的解得到靜不平衡作用下兩擺架的振動響應 Jk1＝k1l1l-Jp2其中相位差為 同理當轉子只有偶不平衡時質心平動和繞質心轉動的動力學方程組為m(l2lx··1+l1lx··2)+cx·1+cx·2+k1x1+k2x2=0]]>
Jl(x··1-x··2)-cl1x·2+cl2x·2-k1l1x1+k2l2x2=Ucp2sinpt]]>求解該微分方程組的解得到偶不平衡作用下兩擺架的振動響應 其中相位差角為 以上六個公式是描述動平衡裝置振動規律的一般公式，它們適用于任意測量頻段上。現有的硬支承動平衡裝置工作在很低的頻比區間，是本公式的特例和近似。有了這些通用公式就可以提高平衡裝置的頻比，以獲得較高的測量靈敏度并以精確計算代替近似計算消除原有的原理誤差。它們是本發明的理論部分。
在上述這些公式中，正弦波的系數就是擺架振動的振幅分量，它們是很復雜的表達式。式中包括有平衡裝置的參數，它們都可通過標定得到，還有一些是轉子參數，他們大部分都是已知的，平衡測量之前輸入給平衡裝置測量系統，但轉子的轉動慣量是未知的，根據振幅比關系本發明推出了下面的公式用于求得轉動慣量J=lp2(1-A1s/A2s)(k2l2-A1sA2sk1l1)]]>式中的A1S、A2S即為所測得的靜不平衡引起的兩擺架振幅，由下面所討論的公式求得。
為了按照上述理論提供的方法進行動不平衡量的解算，本發明還提出了將擺架上測得的總振動分解為靜不平衡成分和偶不平衡成分的思路和方法，即X→s=X→1+X→2]]> 式中φ1、φ2、φs分別為向量X1、X2、Xs的相位角。這些向量的合成與分解的關系見附圖3的說明。
以上就是本發明的主要內容。
根據上述動平衡測量原理設計出新型的高頻比硬支承動平衡裝置，其主要包括機械設計、出廠前系統標定、操作者參數輸入、擺架振動測量和按新方法進行不平衡量解算五大部分，其技術方案為1、平衡裝置擺架剛度設計和確定擺架的剛度按K＝(5-50)*103m來設計，大規格裝置取較小值，小規格裝置取較大值，其中m為該平衡裝置的承載能力，即轉子質量，單位為千克，K的單位則為牛頓/米。
2、將平衡裝置的兩擺架確定出剛度和確定系統阻尼系數擺架剛度K的實際精確值可用試驗轉子加已知試重的方法標定，轉速不應超過一階共振轉速的10％，如果激勵幅值較小則可加大不平衡試重的質量。
用沖擊法激振測量自由振動衰減率的方法將系統阻尼系數確定出來。
將確定的剛度和阻尼系數存入計算機內存供計算時使用。
3、按常規操作過程輸入轉子參數建立轉子文件在平衡測量開始之前由計算機提示，要求平衡裝置操作者不僅要按常規選擇轉子支承方式，輸入幾何參數，還要輸入轉子質量m和轉子質心位置L1。L2可由計算機計算出來L2＝L-L1。
由計算機進行一階固有頻率估算，用現在普遍使用的非對稱轉子質量修正公式計算轉子當量質量，并進而計算出一階固有頻率的近似值。由計算機給出建議平衡轉速，取頻率比λ＝0.2-0.5左右。
由操作者參考給出的建議平衡轉速范圍，再考慮驅動能力和安全因素等設定一個平衡轉速。此階段操作者還可按常規繼續輸入平衡允差或ISO1940平衡精度等級這些常規數據。
4、進行擺架振動測量在平衡轉速下按常規的方法測量兩擺架的振動位移信號中的基頻成分。
5、用本發明提出的測量原理進行動平衡解算其包括如下步驟第一步按照前面及附圖3給出的向量合成和分解公式從兩支承平面上測得的位移向量X1和X2求得靜不平衡量成分在兩擺架上引起的響應A1S和A2S。對于重心外懸的轉子需將遠離重心的擺架上的振動信號向量反向180度。
第二步用下式推算出轉子的轉動慣量(也包含有擺架上部結構參與振動的質量的成分)J=lp2(1-A1s/A2s)(k2l2-A1sA2sk1l1)]]>第三步根據前面推導的公式依次計算MK1，MK2，JK1，JK2。再利用下面的公式解算出靜不平衡量和相位差角U=A1s(Mk1Jk2+Mk2Jk1)2+c2p2(Jk1+Jk2)2p2Jk2]]>或U=A2s(Mk1Jk2+Mk2Jk1)2+c2p2(Jk1+Jk2)2p2Jk1]]> 及偶不平衡量和相位差角
Uc=A1c(Mk1Jk2+Mk2Jk1)2+c2p2l2(l1Mk2-l2Mk1)2p2lMk2]]>或Uc=A2c(Mk1Jk2+Mk2Jk1)2+c2p2l2(l1Mk2-l2Mk1)2p2lMk1]]> 第四步用常規的靜力平衡的方法將靜不平衡量和偶不平衡量換算為指定修正平衡上的動不平衡。
至此，整個不平衡測量過程完成。
參見附圖4，用于實施上述高頻比硬支承動平衡的測量方法的裝置包括用于放置轉子6的兩個擺架1，這兩個擺架的剛度按K＝(5-50)*103m來設計，大規格裝置取較小值，小規格裝置取較大值，其中m為該平衡裝置的承載能力，即轉子質量，單位為千克，K的單位則為牛頓/米，兩擺架的剛度(K1，K2)和阻尼系數通過標定得到；用于放置轉子的兩個擺架，這兩個擺架的剛度遠低于現有硬支承平衡機的擺架剛度以實現高測量頻比，其量值按K＝(5-50)*103m來設計，大規格裝置取較小值，小規格裝置取較大值，其中m為該平衡裝置的承載能力，即轉子質量，單位為千克，K的單位則為牛頓/米，其精確值通過標定得到，所述擺架具有固有的阻尼系數，其精確值通過標定得到；一對振動傳感器2，分別設置在所述的兩個擺架上，用于檢測振動，并將檢測的振動信號分別輸出到振動信號處理器3；一個相位傳感器5，檢測轉速脈沖信號，并將檢測的轉速脈沖信號作為相位測量的參考信號輸出到振動信號處理器；一個振動信號處理器3，分別對所輸入的兩個檢測的振動信號進行放大、濾波處理，再以相位傳感器輸入的脈沖信號作為采樣觸發對濾波后的振動信號基頻成分進行采樣，采得振動波形的單峰值和它對參考脈沖的相位差，即為振幅向量X1和X2，然后分別輸入到計算機中4；
一個計算機4，根據所述振幅向量X1和X2，按照上述方法計算出不平衡量的大小和相位。
權利要求
1.一種動平衡測量方法，其特征在于該方法主要包括按K＝(5-50)*103m來設計擺架剛度，大規格裝置取較小值，小規格裝置取較大值，其中m為該平衡裝置的承載能力，即轉子質量，單位為千克，K的單位則為牛頓/米，平衡裝置的兩擺架的剛度(K1，K2)和系統阻尼系數(C)的實際精確值通過標定來確定，并將其存入計算機的內存以供計算時使用；按常規操作過程輸入轉子參數建立轉子文件，在平衡測量開始之前由計算機提示，要求平衡裝置操作者不僅要按常規選擇轉子支承方式，輸入幾何參數，還要輸入轉子質量m和轉子質心位置L1，L2可由計算機計算出來L2＝L-L1，(其中L為兩擺架之間的距離，L1為轉子質心至擺架1的距離，L2為轉子質心至擺架2的距離)，由計算機給出建議平衡轉速，取頻率比λ＝0.2-0.5左右，根據其計算機所建議的平衡轉速范圍，在其范圍內再考慮驅動能力和安全因素設定一個平衡轉速；在平衡轉速下測量兩擺架的振動位移信號中的基頻成分；然后進行動平衡解算，其中在該動平衡解算步驟中包括如下步驟第一步從兩支承平面上測得的位移向量X1和X2求得靜不平衡量成分在兩擺架上引起的振幅A1s和A2s，對于重心外懸的轉子需將遠離重心的擺架上的振動信號向量反向180度；第二步用下式推算出轉子的轉動慣量(也包含有擺架上部結構參與振動的質量的成分)J=lp2(1-A1s/A2s)(k2l2-A1sA2sk1l1)]]>第三步根據下面公式Mk1=k1-ml2lp2]]>Mk2=k2-ml1lp2]]>Jk2＝k2l2l-Jp2Jk1＝k1l1l-Jp2依次計算MK1，MK2，JK1，JK2，再利用下面的公式解算出靜不平衡量和相位差角U=A1s(Mk1Jk2+Mk2Jk1)2+c2p2(Jk1+Jk2)2p2Jk2]]>U=A2s(Mk1Jk2+Mk2Jk1)2+c2p2(Jk1+Jk2)2p2Jk1]]>或 及偶不平衡量和相位差角Uc=A1c(Mk1Jk2+Mk2Jk1)2+c2p2l2(l1Mk2-l2Mk1)2p2lMk2]]>或Uc=A2c(Mk1Jk2+Mk2Jk1)2+c2p2l2(l1Mk2-l2Mk1)2p2lMk1]]> 第四步用常規的靜力平衡的方法將靜不平衡量和偶不平衡量換算為指定修正平衡上的動不平衡；至此，整個不平衡測量過程完成。
2.一種高頻比硬支承動平衡裝置，其特征在于包括；用于放置轉子的兩個擺架，這兩個擺架的剛度遠低于現有硬支承平衡機的擺架剛度以實現高測量頻比，其量值按K＝(5-50)*103m來設計，大規格裝置取較小值，小規格裝置取較大值，其中m為該平衡裝置的承載能力，即轉子質量，單位為千克，K的單位則為牛頓/米，其精確值通過標定得到，所述擺架具有固有的阻尼系數，其精確值通過標定得到；一對振動傳感器，分別設置在所述的兩個擺架上，用于檢測振動，并將檢測的振動信號分別輸出到振動信號處理器；一個相位傳感器，檢測轉速脈沖信號，并將檢測的轉速脈沖信號作為相位測量的參考信號輸出到振動信號處理器；一個振動信號處理器，分別對所輸入的兩個檢測的振動信號進行放大、濾波處理，再以相位傳感器輸入的脈沖信號作為采樣觸發對濾波后的振動信號基頻成分進行采樣，采得振動波形的單峰值和它對參考脈沖的相位差，即為振幅向量X1和X2，然后分別輸入到計算機中；一個計算機，根據所述振幅向量X1和X2并按照權利要求1所述方法計算出不平衡量的大小和相位。
全文摘要
本發明提供一種動平衡測量方法及高頻比硬支承動平衡裝置，本發明的技術方案是基于計算機技術已普遍應用于動平衡測量技術領域，任何復雜的運算都可輕易實現這一客觀條件，提出了以二自由度振動系統的機械振動理論為基礎的新的測量原理，從而推導出了新的理論公式和實用計算公式，給出了高頻比硬支承動平衡裝置的實施方案。本發明高頻比硬支承動平衡裝置可工作在頻比0.2－0.5范圍，它完全克服了原理誤差，并且靈敏度大大提高。
文檔編號G01M1/00GK1566914SQ0314802
公開日2005年1月19日 申請日期2003年6月27日 優先權日2003年6月27日
發明者盛德恩 申請人:盛德恩