转子自动平衡技术及其工业化应用

李新军，梁志刚

（北京化工大学，北京 100029）

转子自动平衡研究主要包括平衡头设计、平衡控制算法、振动信号处理与辨识三个部分。

一、平衡头设计

根据平衡头产生不平衡量的方式不同可以将目前已研制的平衡头分为质量变分布式、质量变化式和作用力式三类。本课题主要研究对象主要是电磁式平衡头与注液式平衡头。

电磁式平衡头属于质量变分布式平衡头。通过平衡头的内部电机或外部电磁场驱动平衡头内质量块或质量不对称环移动，从而使平衡头的质量分布发生变化。根据不平衡量调整方式不同可以进一步分为径向调节式和周向调节式。

1.径向调节式

平衡头由微电机带动丝杆或蜗轮蜗杆使质量块沿径向移动，可以产生一个此方向上的不平衡矢量，其方向一定而大小有变化，运动方向互相垂直的两个质量块可以组合出任意方向的不平衡矢量。如华中理工大学张鸿海等人研制的智能砂轮在线平衡仪。

2.周向调节式

平衡头质量块沿周向移动，不平衡矢量大小一定而方向变化，两个以上周向运动的质量块可以组合出任意方向任意大小的不平衡矢量。例如：浙江大学、哈尔滨工业大学的电磁式平衡头、美国LORD公司的自动平衡头等。这也是本课题中电磁式平衡头所采用的调节方式。

注液式平衡头属于流体质量变化式平衡头。通过向平衡头储液室注入液体在线不停机调节配重。由于在平衡盘上没有活动机械部件，注液式平衡头加工制造相对简单、动作可靠，但注液式平衡头上各储液室内液体只注入不排出，一定时间后易达到饱和进而丧失调节能力，所以不适合长期反复调节。

针对单一注液式平衡头的缺点，浙江大学贺世正等通过电磁阀释放满液腔室中的液体以期达到长期使用的目的，但制造难度增加，可靠性反而降低，调节效果不理想。

北京化工大学张鹏等人于2005年提出了连续注排式液体转子自动平衡头，并采用脉码调制和脉宽调制混合模式流量调节方法在平衡头长周期运行问题上获得了一定的突破。

二、平衡算法

刚性转子与挠性转子的平衡算法差异较大。对于刚性转子，任何不平衡均可归结为一个力不平衡与一个力矩不平衡的加和，理论上最多用两个配重调整面就可以使其完全平衡。而由于动挠度的影响，挠性转子平衡困难得多，相应的自动平衡算法可以归为寻优搜索、影响系数法和模态平衡法三大类及其组合。

1.寻优搜索

采用黑箱纯实验性的方法，以振动幅值、轴承动反力等参数构成一个目标函数，通过寻优搜索，实验调整不平衡量，使得目标函数值最小。

2.模态平衡法

具有较好的转子动力学理论基础，直接由挠性转子动力学方程推导得出动平衡方程并以其为依据在各个配重面上配重，依次实现低阶至高阶各振型的不平衡量平衡。

3.影响系数法

该方法是对单校正面矢量平衡法的发展。假设各校正量对某点振动是线性影响，则表示多个校正量对多个测点振动的影响是一个复数影响系数矩阵。

三、振动信号处理

振动测试中得到的数据在大多数情况下不是真实的振动信号，或者说与真实的振动信号之间存在一定的差别。未经分析处理、修正，直接采用测试得到振动信号作为结果往往会产生误差，甚至会得到错误结论。经典的振动信号处理一般可以分为振动信号预处理、时域分析、频域分析和模态分析几个部分。

1.振动信号预处理

对传感器测试信号做初步加工处理，修正波形的畸变，剔除混杂在信号中的噪声和干扰、削弱信号中的多余内容，强化突出感兴趣的部分，尽可能真实地还原实际振动信号。

2.振动信号的时域处理

又称为波形分析，主要是针对时域信号波形的分析处理，其核心内容是滤波算法及滤波器设计。刘健、潘双夏等详细讨论了时域同步平均、Chebyshev窄带通滤波、整系数带通滤波、数字跟踪滤波及自适应滤波器等五种数字滤波器在动平衡测量中的应用，从实用性角度对其滤波性能及实现方法进行比较分析。杨克己、武二永针对动平衡测量具体实践，通过分段变步长策略和初始值选取措施优化了强变频率结构背景噪声干扰下高精度提取幅值和相位的自适应消噪方法。

3.振动信号的频域处理

也称为频谱分析，是建立在傅里叶变换基础上的时频变换，处理得到的结果是以频率为变量的函数。常用的方法有FFT、DFT及小波变换等，如：FFT应用于车轮动平衡、基于DFT的动平衡机不平衡量提取、基于离散小波变换的动平衡机不平衡量提取、谐波小波提取动平衡机不平衡量信号等。

4.实验模态参数识别

实验模态参数识别是通过实测振动信号数据对所测试结构的固有频率、阻尼比和振型等动力特性参数进行估计的处理办法，适用于线性时不变振动系统，并分为频域识别与时域识别两类。其中，时域识别起步较晚，却能克服频域法的一些缺陷，不仅减少了激励设备、节省了测试时间与费用，而且能够对连续运行设备，如大型化工设备等进行在线参数识别。近年来，直接利用环境激励下的振动响应数据进行模态参数识别在各个研究领域中引起了高度重视。如何甄别和剔除噪声模态、合理选择识别方法、阶数等一直是时域法研究中的重要课题。

四、结论及应用前景

自动平衡能抑制不平衡引起的振动，且自动平衡能很好地改善产品的质量、机器与刀具的疲劳寿命，因而降低整个旋转机械系统的成本。但是，自动平衡设备的安装与维护将增加整个系统的成本。因此，如何从成本－效率关系的观点来评价自动平衡也将是一个十分有意义和重要的课题。

自动平衡技术的应用目前仍只局限于磨床、铣床、陀螺仪、牙钻等少数旋转运动机械上。真正长周期运行的大型装备的成功应用实例未见报道。在线自动平衡技术的规模化工业应用将是动平衡技术的一次巨大进步，不仅推动故障诊断技术至更高层次、开创故障在线自愈的新阶段，而且所带来的经济效益和社会效益是难以估计的。

[1]张鹏.连续注排式自动平衡头设计及控制算法 [D],2006,北京化工大学:北京.

[2]张鸿海.智能式砂轮在线自动平衡仪 [J].航空精密制技术,1994.30(1):7-9.

[3]欧阳红兵，汪希萱.两种新型电磁式在线自动平衡头 [J].机械制造，2002.40(455):47-48.

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[5]杨克己，武二永.高精度动平衡测量中自适应滤波技术的应用研究 [J].仪器仪表学报，2005.26(1):32-36.