大型风机现场整机动平衡系统的研发

凡非龙 宣海军/浙江大学高速旋转机械实验室

大型风机现场整机动平衡系统的研发

凡非龙 宣海军/浙江大学高速旋转机械实验室

0 引言

随着科技的快速发展，旋转机械逐渐朝着高速化，大型化，精密化和自动化方向发展，对其安全性和可靠性等要求也越来越高。然而绝对安全可靠的设备是不可能存在的，再好的设备随着使用周期的推移，也会产生故障。

据统计，机械的剧烈振动是产生设备异常与故障的主要原因，而且其中有50％以上的机械振动是由不平衡力引起的，因此对旋转机械转子进行动平衡是相当重要的。动平衡方法主要分为工艺平衡法，现场整机动平衡法和在线动平衡法。其中工艺平衡法存在以下问题：1）动平衡机价格昂贵；2）平衡转速与工作转速不一致；3）由于支承条件，配合条件等的不同，已经平衡好的转子，装机后可能保证不了其平衡精度；4）大型转子拆装不方便，而且动平衡机对转子的质量、尺寸和平衡转速等有一定的限制。在线动平衡结构复杂，对平衡模块的控制精度要求极高，性价比低。考虑动平衡的经济性和可行性以及大型风机转子的结构特点，现场整机动平衡是最为简单实用的，可以实现高速动平衡，足以满足其平衡要求[1-2]。

本文介绍了大型风机现场整机动平衡的理论基础与系统的研发。

1 不平衡原理[3 ]

1.1 不平衡概念

由于材质本身质量分布不均匀以及转子在设计、加工、安装、运行过程中出现质量分布不均匀，都会使转子的中心惯性主轴与其旋转轴线不重合。这样，在转子运行过程中，转子各微元质量的离心惯性力组成了不平衡力系，成为旋转机械的激振源。这就是转子的不平衡现象。

1.2 不平衡分类

转子不平衡量的分布是随机的，从效果上可以分为静不平衡、偶不平衡以及动不平衡。

1.2.1 静不平衡

不平衡量位于转子的中部，中心惯性主轴平行旋转轴线的不平衡状态称为静不平衡，如图1所示。对于静不平衡的校正，只需在不平衡量对称位置上加一相等质量的配重或将原来的不平衡量除去即可。

图1 静不平衡图

1.2.2 偶不平衡

转子的重心在旋转轴线上，但中心惯性主轴与旋转轴线不重合的不平衡状态称为偶不平衡。如图2所示，可由一对大小相同，方向相反的矢量来表示。对于偶不平衡的校正，必须在两个校正面上加大小相同，方向相反的配重。

图2 偶不平衡图

1.2.3 动不平衡

转子的重心不在旋转轴线上，而且中心惯性主轴与旋转轴线不平行的不平衡状态称为动不平衡。动不平衡是由静不平衡和偶不平衡的合成，如图3所示。对于动不平衡的校正至少在两个校正面进行配重或去重。

图3 动不平衡图

2 现场整机动平衡原理

现场整机动平衡系统首先利用时域相关分析得到测点振动的幅值与相位，然后融合某平面相互垂直方向上振动信号的基频表达式，求得转子在该平面的振动高点（矢量），最后利用双校正面影响系数法求解，得到转子所需配重的大小和相位。如图4所示，为双校正面影响系数法整机动平衡示意图，在轴的左右两端A,B处相互垂直的位置上各安装2个测振传感器，在右轴径处安装基准传感器。

图4 整机动平衡结构示意图

2.1 时域相关分析[4]

相关函数描述了两个信号之间的关系或相似程度，是时域描述随机信号统计的特性的一个重要数字特征，也适用于确定信号做相关分析。相关分析是在噪声干扰下提取有用信号的一个重要手段。

转速基准信号为方波信号，波形较为简单，但频谱上可能除了基频外，还夹杂着多倍频成分。其表达式为[5]：

其中，a0是直流分量；ai和αi是各分量的幅值和相位；w是基频频率；s1（t）是噪声干扰信号。图5为系统采集的转速方波信号波形。

图5 转速信号时域图

振动信号波形是由各种频率成分合成，不是简单的正弦波，除转速的基频成分外，可能还有各阶倍频和亚倍频等。其中由不平衡量引起的振动是基频振动。振动信号表达式为[6-7]：

其中，b0为直流分量；A为基频信号幅值；w为基频频率；β为基频信号相位；bi，βi为各次谐波幅值与相位；wi为各次谐波的频率；s2（t）为噪声干扰信号。图6为滤波后的不平衡振动信号波形。

图6 不平衡振动信号时域图

基准信号和振动信号都是能量信号，互相关函数定义为：

构造一个标准正弦信号和余弦信号在[0,T]内取样，表达式为：

当t为其他值时，上述2表达式的值都为0。其中，T为基准信号和振动信号的取样长度；w为基频频率。

因为进行互相关的信号必须都是能量信号，x(t)，y(t)，z(t)，v(t)都为能量信号，所以根据互相关函数的定义式让z(t)，v(t)分别都和x(t)，y(t)进行互相关分析。根据傅里叶级数的正交性，除了基频分量成分外，其他成分经过互相关处理后都趋向于0。所以，转速基准信号与正弦信号的互相关函数在τ=0时，为：

转速基准信号与余弦信号的互相关函数在τ=0时，为：

断，若在第一象限，则α1=θ；若在第二或第三象限，则α1=θ+π；若在第四象限，则α1=θ+2π；

同理，可求出振动信号y(t)与z(t)，v(t)的互相关函数在τ=0时的值，求出β，从而可以求出振动信号与转速基准信号的相位差。同时可求出振动幅值A，即：

根据上述方法可以求出转速基准信号和振动信号的幅值与相位。

2.2 基于相互垂直振动信号融合的振动高点求解[8]

转子在一个平面内运动，仅依靠单一方向的振动信号来分析转子的运动状态是不充分的，只有用两个垂直方向的振动信号，才能完全描述。本文通过相互垂直的两个方向上的振动信号找出转子的振动高点，并以此作为动平衡的依据。

将转速脉冲信号的上升沿作为计时零点，并假设刚性转子以角速度ω旋转，则水平与垂直方向的基频振动表达式分别为：

其中，X，Y与φx，φy为水平与垂直方向上转子基频振动的幅值与相位。其值可以通过现场测振传感器采集的振动信号经过时域互相关分析求得。由这两个振动信号合成的转子运动轨迹如图7所示的椭圆。

图7 转子运动轨迹图

由解析几何理论求解可知，椭圆的长半轴a，短半轴b以及长半轴与水平方向之间的夹角α分别为：

椭圆长半轴对应着转子上振动高点所在位置。如果知道转子长半轴方位和该方向上的振动相位，就可得到转子真正高点所在位置，其表达式为：

其中，φ为基准到高点的角度；φa为转子沿长半轴方向的振动相位；T为基准的相位。将水平和垂直振动投影到长半轴上可得到φa为：

根据以上方法就可以得到振动高点的幅值a和与基准的相位差φa。

2.3 双校正面影响系数法[2]

设转子的左右校正面（Ⅰ，Ⅱ）分别存在不平衡量MⅠ和MⅡ，其大小分别为MⅠ和MⅡ，与基准成φⅠ，φⅡ，按以下步骤进行动平衡处理。

1）在额定转速下，分别测得由原始不平衡量MⅠ和MⅡ引起测点A，B的不平衡振动高点A0，B0。

2）在校正平面Ⅰ，半径为r1处加一试重Q1（质量为Q1，相位角为φQ1），在同一转速下测得A，B处的不平衡振动高点A1，B1。显然，矢量A1-A0，B1-B0为校正面Ⅰ上试重Q1所引起的轴振动高点的变化，方位角为零度的单位试重的效果矢量称为影响系数，即：

3）取走Q1，在校正平面Ⅱ处加试重Q2（质量为Q2，相位角为φQ2，半径为r2）。在相同转速下测得A，B处的不平衡振动高点A2，B2。从而算出影响系数：

4）校正平面Ⅰ，Ⅱ中所需的校正质量P1，P2由下式求得：

5）求解矢量方程组得P1，P2,因此得到校正质量大小为P1，P2，相位角为φp1，φP2，半径为r1，r2。在校正平面Ⅰ，Ⅱ上通过加重（或去重）大幅降低转子不平衡振动，完成动平衡。

3 整机动平衡系统设计

现场整机动平衡的基础是要精确的测出不平衡量的大小和位置，本文采用测幅测相法。即要在动平衡过程中，准确的提取出不平衡振动的幅值大小和与基准信号之间的相位差。

根据上述现场整机动平衡原理，选用电涡流传感器作为测振传感器，霍尔传感器作为基准传感器，采集卡作为信号采集模块[9]。利用G语言汇编程序，包括信号采集、信号分析、测试管理三大部分，如图8所示。

图8 动平衡系统结构功能图

信号采集包括采集转速与振动信号。信号分析包括转速计算，频谱分析与提取振动信号的幅值相位。其中转速计算首先去除了转速脉冲信号中的坏点，准确获取脉冲频率，然后乘以60得到转子转速（r/min）。频谱分析是将振动信号进行FFT变化，观察频谱分布情况，不平衡引起振动主要集中在工频处，其他频率处较小。并对各传感器监测的信号进行互相关分析，提取各振动信号和转速基准信号的幅值与相位，得出相应信号波形表达式，进行整合求解出振动高点的幅值与相位。测试管理包括动平衡计算和数据保存。动平衡计算就是利用互相关分析和振动高点理论分别求出原始、一次试重、二次试重振动高点的幅值和相位，然后利用双校正面影响系数法，计算出两个校正面的不平衡量，最后进行平衡校正[10]。

4 试验测试

现场整机动平衡系统在大型风机上进行试验测试，测试转速为1 500r/min，没有对信号进行滤波处理。左右测点的原始振动高点分别为（14.02μm，46.29°）和（23.12μm，38.2°），括号中的值表示振动高点的幅值和距离基准的相位差。通过2次试重，计算出转子左右校正面的配重大小和方位分别为（1.90g，319°）和（2.45g，276.97°）；然后在左右校正面的相应位置加上配重，其中配重半径与试重半径一致。经过平衡后转子左右测点的振动高点值为1.09μm和2.45μm，振动下降率高达92.25％和89.39％，平衡效果显著[11]。图9为现场整机动平衡系统测试结果图。

图9 现场整机动平衡系统测试结果图

5 结论

1）本文采用1个霍尔传感器、4个电涡流传感器、研华1715U采集卡、工控机和Labview编写的现场整机动平衡软件计算出转子的不平衡量，并通过加重或去重的方法来平衡转子。该方法经济实用、操作简单可靠、平衡效果好。

2）经过多次测试，系统稳定可靠，只要人工加重或去重的大小与位置精确，其振动减振率超过90％。相比监测轴承座振动和只考虑单方向的振动信号的整机动平衡系统而言，本文介绍的方法监测轴的振动，振动数据更直观可靠；考虑双方向的振动信号，求得振动高点作为动平衡依据更方便快捷，不用现场测量最大振动；动平衡计算更精确。

[1]徐平，周宝堂，贺世正，等.整机和在线动平衡技术的现状[J].化工装备技术，1995，16（1）：43-47.

[2]张志新.单双校正面现场整机动平衡仪的研制[J].农业机械学报，2003（4）：127-130.

[3]钟一鄂.转子动力学[M].北京：清华大学出版社，1987.

[4]卢文祥，杜润生.机械工程测试·信息·信号分析[M].武汉：华中科技大学出版社，1999.

[5]张志新，金涛，陈爱萍.便携式微机速差双转子系统智能化整机动平衡仪的开发与研究[J].振动工程学报，2003,16（3）：316-320.

[6]卢涛,姚建铨,陶洛文.基于DSP的双通道动平衡仪研制与应用[J].天津大学学报,2006,39(2):240-244.

[7]张志新.智能整机动平衡仪中基准信号的提取与处理[J].风机技术，2003（3）：50-53.

[8]杨建刚，谢东建，高亹.基于多传感器数据融合的动平衡方法研究[J].动力工程，2003（2）：2275-2278.

[9]Liu Shi.A Modified Low-speed Balancing Method for Flexible Rotors Based on Holospectrum[J].Mechanical Systems and Signal Processing,2007,21(1):348-364.

[10]全红飞，王胤龙，郭九梅.离心压缩机现场动平衡[J].风机技术，2014(Z1)：149-152.

[11]商孝鹏，尤凌祎.钢厂风机现场动平衡校正异常实例分析[J].风机技术，2014(5)：84-87，92.

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针对大型风机存在的不平衡故障，本文开发了一套现场整机动平衡系统。该系统主要用两个相互垂直的电涡流传感器来描述转子在平面内的涡动，对采集的振动信号进行频谱分析，判断其故障类型；并把平面内的振动高点作为动平衡依据，利用双校正面影响系数法对不平衡转子进行现场整机动平衡，降低其振动。与以往的方法相比，该方法获取的振动数据更直观可靠，提高了平衡效率，实现了大型风机的高速动平衡。

大型风机；现场动平衡；振动高点；影响系数法；电涡流传感器；时域相关分析

Development and Research on Field Dynamic Balancing System for Large Type Fan

Fan Feilong,Xuan Haijun/High-speed Rotating Machinery Laboratory,Zhejiang University

large type fan;field dynamic balancing;largestvibration;influence coefficient method；eddy current sensor; time dimain correlation analysis

TH113；TK05

A

1006-8155（2015）02-0079-06

10.16492/j.fjjs.2015.02.155

2014-12-24浙江杭州310027

Abstract:For the imbalance fault of large type fan,a field dynamic balancing system for the rotating machinery is developed. This system describes rotor vortex motion in the plane by two mutually perpendicular eddy current sensors.Through the vibration signal spectrum analysis,its fault types are judged.And finally,the largest vibration in the plane as the dynamic balancing foundation,the imbalance rotor system is balanced by influence coefficient method based on two planes to reduce its vibration. Compared to the traditional dynamic balancing method,this method acquires more reliable and intuitive vibration data, improves the balancing efficiency andachieves the high speed dynamic balance of large type fan.