專利名稱:高速主軸在線動平衡裝置的制作方法
技術領域:
本發明涉及高速主軸平衡裝置,具體為高速主軸在線動平衡裝置。
技術背景旋轉機械例如壓縮機、汽輪發電機、鍋爐引風機、大型電機等正在走向高 速化。這此旋轉機械的高速主軸重點考慮的是基于不平衡量產生的振動。振動 量與回轉速度的二次方成正比例,并且在經過高轉速時會對回轉系統或整個系 統產生破壞。因此,必須對高速主軸進行動平衡。目前,主要的平衡措施都為 離線動平衡,即通過試驗測出不平衡量大小,停機增加或去除配重。因為離線 動平衡為停機作業,在時間和金錢上會造成大量的損失。為了減少損失并且提 高效率和加工精度,出現了許多有關平衡主軸回轉系統在線動平衡的研究。圖1給出了一種高速主軸在線動平衡系統的工作原理示意圖;在圖1中,31-電渦流 傳感器,用于接收振動信號,32-主軸,33-動平衡裝置(動平衡頭),34、 38-陶瓷軸承,用于支撐主軸系統,35-電機定子,36-電機外殼,37-電機轉子,39、 40-光纖傳感器,用于測量主軸轉速和振動相位。按照圖1所示的工作原理,要求 傳感器實時監測不平衡量、主軸轉速、不平衡量相位(或者滑盤上平衡塊相位)。 當出現超標不平衡振動時,由非接觸式電渦流傳感器接收振動信號并進行濾波; 由光纖傳感器39、 40分別測量主軸轉速和振動相位。這三路電信號經A/D轉 換后進入單片微機控制系統,數據處理后計算出精確的不平衡量大小及相位, 并輸出相應的的控制信號,該控制信號經D/A轉換和PWM(脈沖寬度調制)后控 制驅動電路驅動平衡頭工作,從而實現高速主軸的在線動平衡。在線自動平衡系統的關鍵技術是動平衡裝置(也稱動平衡頭)的設計。歸
納起來,目前廣泛應用的動平衡頭可分為以下三類第一類稱為直接在線動平 衡頭,是從質量方面著手,通過加重去重的方法,直接將平衡圓盤的幾何中心 移到旋轉中心,包括噴涂法、噴液法及激光去重法等。這種平衡方法存在的很 多實際問題,應用范圍狹窄。第二類稱為間接在線動平衡頭,即給圓盤長期提 供與不平衡力方向相反、大小相等的力,當圓盤旋轉時,將其重心強行拉到旋 轉中心。目前,這種平衡頭主要包括電磁軸承型在線動平衡頭及電磁圓盤型在 線動平衡頭。它有一個嚴重不足就是轉子在運行過程中一直受平衡電磁力的作 用,對于長期運行的旋轉機械來說,能耗大,機械結構內應力大。第三類稱為 混合型在線動平衡頭,工作時,由檢測系統測量轉子系統的振動信號,并通過 控制系統,以某種方式改變平衡頭內部質量分布(不加重也不去重),使其幾何 中心與旋轉中心重合,質量的重新分布可通過機械方法或電磁方法進行。根據 驅動平衡質量塊移動的控制方式的不同,混合在線動平衡頭可分為電動機型、 遙控型及電磁型在線動平衡頭。混合型在線動平衡裝置在轉子產生不平衡振動 時,調整平衡質量塊的位置,對轉子系統進行在線動平衡,轉子系統平衡后, 不再對平衡頭輸入能量,即可切斷電動機電源或撤消拖動平衡質量塊移動的電 磁力,節約了能源,但是,平衡過程需要一定的響應時間。上述的三種在線動平衡裝置無論是形狀構造還是控制方法(如間接在線動 平衡裝置中定子電流大小及通電時間的控制;混合型在線動平衡裝置內部質量 重新分布的控制策略——主要采用影響系數的通解算法等)都是現有成熟技術 并在多篇相關文獻中有較詳盡的介紹。但每種在線動平衡裝置都存在一些缺陷 和不足。發明內容本發明為了解決現有在線動平衡裝置(動平衡頭),特別是間接在線動平衡 裝置和混合型在線動平衡裝置存在的缺陷和不足,提供一種高速主軸在線動平 衡裝置。該在線動平衡裝置將間接在線動平衡裝置和混合型在線動平衡裝置創 新性地結合在一起,綜合了兩者的優點,克服了兩者的缺陷。本發明是采用如下技術方案實現的高速主軸在線動平衡裝置,包括含有 與主軸固定且其中部圓周表面設有鐵磁材料層的滑盤座、沿圓周開槽且槽內嵌 有控制繞組的定子的間接在線動平衡機構,還包括位于間接在線動平衡機構兩 側含有沿圓周開槽且槽內嵌有控制繞組的定子及固定于該定子上的傳感器、套 于滑盤座兩端部的滑盤、固定于滑盤上的平衡質量塊、套固于主軸上且與滑盤 座、滑盤端面接觸的壓板的混合型在線動平衡機構;在壓板的一側設有電磁線 圈,壓板的一側端面上附著有鐵磁材料層,壓板一側設有固定于主軸上的軸套, 軸套與壓板之間設有套于主軸上的彈性元件。正常狀態下,壓板在彈性元件的 作用下與滑盤座、滑盤端面保持緊密接觸,該在線動平衡裝置中的滑盤座、滑 盤、壓板、彈性元件隨主軸一同旋轉;當主軸在線動平衡系統檢測到主軸不平 衡時,首先向間接在線動平衡機構的定子通入控制電流,無接觸地在加重平面 處形成一個具有相同幅值和相位的徑向電磁力,使該電磁力與所需的離心力等 效,以較短的響應時間實現在線實時精密補償;考慮到此時空旋轉電磁力能耗 大、機械結構內應力大的缺點,接著,電磁線圈通電,電磁線圈產生的磁力施 加于壓板上(通過壓板上的鐵磁材料層),抵消彈性元件作用于壓板上的力,使 混合型在線動平衡機構中的滑盤可以相對滑盤座轉動,此時向混合型在線動平 衡機構中的定子通以控制電流,運用影響系數法控制策略,應用電機的工作原 理,使滑盤產生相對于滑盤座的相對轉動(即重新分布平衡質量塊的位置),使 主軸質心回到旋轉中心上;然后,切斷間接在線動平衡機構的定子控制電流和 電磁線圈的供電,壓板在彈性元件作用下,重新壓向滑盤座和滑盤端面,使重 新調節位置的滑盤聯接于主軸。此時,間接在線動平衡機構中的時空旋轉電磁 力消失,由混合型在線動平衡機構使高速主軸達到動平衡精度標準。
本發明所述的高速主軸在線動平衡裝置創新性地將間接在線動平衡頭與混 合在線動平衡頭結合起來并進行了結構上的優化設計,使該平衡裝置具有響應 時間短、節能的特點,實現實時、節能的高速主軸在線動平衡補償效果,具有一 定的實際應用價值。
圖1為高速主軸在線動平衡系統的工作原理示意圖;圖2為本發明所述的高速主軸在線動平衡裝置的一種結構示意圖;圖3為本發明所述的高速主軸在線動平衡裝置的另一種結構示意圖;圖4為圖2、圖3的c-c剖面圖;圖5為圖2、圖3的a-a剖面圖;圖中l-主軸,2-鐵磁材料層,3-滑盤座,4-定子,5、 6-定子,7、 8-傳感 器,9、 10-滑盤,11、 12-平衡質量塊,13、 14-壓板,15、 16-電磁線圈,17-鐵 磁材料層,18、 19-彈性元件,20、 21-軸套,22-線圈支架。31-電渦流傳感器, 用于接收振動信號,32-主軸,33-動平衡裝置(動平衡頭),34、 38-陶瓷軸承, 用于支撐懸臂平衡頭系統,35-電機定子,36-電機外殼,37-電機轉子,39、 40-光纖 傳感器具體實施方式
高速主軸在線動平衡裝置,包括含有與主軸1固定且其中部圓周表面設有 鐵磁材料層2的滑盤座3、沿圓周開槽且槽內嵌有控制繞組的定子4的間接在 線動平衡機構,還包括位于間接在線動平衡機構兩側含有沿圓周幵槽且槽內嵌 有控制繞組的定子5、 6及固定于該定子上的傳感器7、 8、套于滑盤座3兩端 部的滑盤9、 10、固定于滑盤9、 lO上的平衡質量塊ll、 12、套固于主軸l上 且與滑盤座3、滑盤9、 10端面接觸的壓板13、 14的混合型在線動平衡機構; 在壓板13、 14的一側設有電磁線圈15、 16,壓板13、 14的一側端面上附著有
鐵磁材料層17,壓板13、 14一側設有固定于主軸1上的軸套20、 21,軸套20、 21與壓板13、 14之間設有套于主軸上的彈性元件18、 19。電磁線圈15、 16可 套固于主軸l上,或更進一步地電磁線圈15、 16套固于軸套20、 21上;這種 固定方式需采用滑環、電刷結構向電磁線圈15、 16供電。電磁線圈15、 16也 可套于主軸上并固定于線圈支架22上,這樣電磁線圈15、 16成為非旋轉部件, 可避免滑環、電刷供電方式的不便。當主軸在線動平衡系統檢測到主軸不平衡 時,通過控制間接在線動平衡機構的定子4的勵磁電流i、相位導通時間t、初 始導通相r產生時空旋轉電磁力Fl, Fl與不平衡力F大小相等、相位相差180 ° ,實時的補償不平衡力;接著,混合型在線動平衡機構處,電磁線圈15、 16 導通,按照如下兩步驟依次進行第一步,控制程序調節電磁線圈的電流逐漸 增加電磁力,當增加至與彈性元件彈性力相等時,保持電流恒定,此時滑盤9、 IO處于受力平衡狀態,可以自由轉動;第二步,混合型在線動平衡機構的定子 5、 6導通勵磁電流i,由數據運算處理器驅動電路,通過所設的影響系數法原 則控制平衡塊的移動過程,使滑盤9、 IO旋轉到需要方向,合成與不平衡力F 大小相等方向相反的力F2,并且由于運用了影響系數法控制策略,在平衡質量塊 11、 12轉移動到所需位置時,滑盤達到與主軸同步旋轉的速度。注意,此時F2 并未施加于主軸。最后,數據運算處理器驅動電路發出新指令,電磁線圈15、 16及間接在線動平衡機構的定子4、混合型在線動平衡機構的定子5、 6同時斷 開,在彈性元件的作用下,壓板13、 14將滑盤9、 IO與滑盤座被牢牢壓緊,在 足夠大的摩擦力作用下與主軸同步旋轉。此時間接在線動平衡機構的時空旋轉 電磁力F1消失,平衡質量塊合成力F2使主軸或主軸回轉系統質量再分布,使 整個高速主軸系統達到一定的動平衡精度。之后,保持該平衡狀態,結束此次 平衡工作。
權利要求
1、一種高速主軸在線動平衡裝置,包括含有與主軸(1)固定且其中部圓周表面設有鐵磁材料層(2)的滑盤座(3)、沿圓周開槽且槽內嵌有控制繞組的定子(4)的間接在線動平衡機構,其特征為還包括位于間接在線動平衡機構兩側含有沿圓周開槽且槽內嵌有控制繞組的定子(5、6)及固定于該定子上的傳感器(7、8)、套于滑盤座(3)兩端部的滑盤(9、10)、固定于滑盤(9、10)上的平衡質量塊(11、12)、套固于主軸(1)上且與滑盤座(3)、滑盤(9、10)端面接觸的壓板(13、14)的混合型在線動平衡機構;在壓板(13、14)的一側設有電磁線圈(15、16),壓板(13、14)的一側端面上附著有鐵磁材料層(17),壓板(13、14)一側設有固定于主軸(1)上的軸套(20、21),軸套(20、21)與壓板(13、14)之間設有套于主軸上的彈性元件(18、19)。
2、 如權利要求1所述的高速主軸在線動平衡裝置,其特征為電磁線圈(15、 16)套固于主軸(1)上。
3、 如權利要求2所述的高速主軸在線動平衡裝置,其特征為電磁線圈(15、 16)套固于軸套(20、 21)上。
4、 如權利要求1所述的高速主軸在線動平衡裝置,其特征為電磁線圈(15、 16)套于主軸上并固定于線圈支架(22)上。
全文摘要
本發明涉及高速主軸平衡裝置,具體為高速主軸在線動平衡裝置。解決現有在線動平衡裝置,特別是間接在線動平衡裝置和混合型在線動平衡裝置存在的缺陷和不足。包括含有其中部圓周表面設有鐵磁材料層的滑盤座、定子的間接在線動平衡機構,還包括含有定子及固定于該定子上的傳感器、套于滑盤座兩端部的滑盤、固定于滑盤上的平衡質量塊、套固于主軸上且與滑盤座、滑盤端面接觸的壓板的混合型在線動平衡機構;在壓板的一側設有電磁線圈,壓板的一側端面上附著有鐵磁材料層,壓板一側設有固定于主軸上的軸套,軸套與壓板之間設有套于主軸上的彈性元件。該平衡裝置具有響應時間短、節能的特點,實現實時、節能的高速主軸在線動平衡補償效果。
文檔編號G01M1/00GK101158614SQ20071018525
公開日2008年4月9日 申請日期2007年11月15日 優先權日2007年11月15日
發明者杜文華, 段能全, 王俊元, 郭雁文, 馬維金, 高俊華, 黃薇薇 申請人:中北大學