自动平衡技术的研究进展

汪振威 陈彦飞 郭玉兵 韩亚楠 杨馥瑞 赵强 刘家聪

国家知识产权局专利局专利审查协作北京中心，北京 100190

自动平衡技术的研究进展

汪振威 陈彦飞 郭玉兵 韩亚楠 杨馥瑞 赵强 刘家聪

国家知识产权局专利局专利审查协作北京中心，北京 100190

旋转机械在运行过程中，经常会产生振动，而剧烈的振动会带来巨大的安全隐患，因此在工业生产中，减少转子的振动，保持转子运行平衡成为一项关键的技术.而最初的转子平衡方法往往是当转子产生剧烈振动时，先停机再进行转子的平衡校正即离线平衡校正，而随着平衡技术的发展，自动平衡技术越来越得到大家的重视，并取得了一定成果，本文对国内外各种旋转机械在线自动平衡技术进行了综述，并讨论了自动平衡技术的最新研究成果，并对自动平衡技术的未来研究方向进行了展望。

旋转机械 自动平衡 振动

rotating machinery；automatic balancing；vibration

引言

现代过程工业如石化、冶金、电力等行业，离心压缩机、风机、烟气轮机、汽轮机以及发电机组等旋转机械不仅为生产过程中的流体提供动力，而且对工艺流程中能量的回收起到了关键作用。而这类转子系统在运行过程中，因转子的不平衡而引起的振动是常见的故障，严重的可能导致系统停车或减负荷运行，造成巨大的经济损失，为了解决这些问题，传统的平衡方法是先停机再进行离线平衡，而这种平衡方法由于需要反复停机，不利于工业生产，而在线自动平衡技术能够实现在不停止运行的情况下对转子进行平衡，而且能在其长期运行期间调整不平衡状态，从而使其长期运行在平衡状态中，因此自动平衡技术也越来越被大家重视，越来越多的专家学者开始研究自动平衡技术，并取得了一定的研究成果，并被成功地运用到一些工程实践中[1-3]。

1.自动平衡技术

自1877年第一台自动平衡器在美国问世已来，自动平衡装置得到广泛的重视，品种越来越多。归纳起来可分为三大类,第一类是从质量方面着手，通过加重去重方法直接将平衡圆盘的几何中心移到旋转中心，称之为直接在线动平衡装置，包括喷涂法、喷液法及激光去重法等。第二类是采用力的方法，即给圆盘长期提供与不平衡力 方向相反、大小相等的力，当圆盘旋转时，将其重心强行拉到旋转中心，称为间接在线动平衡装置，如采用电磁轴承方法及电磁圆盘方法等。第三种是通过某种方式改变平衡头(盘)内部质量分布(不加重,也不去重)，使其几何中心与旋转中心重合，质量的重新分布可通过机械方法或电磁方法进行，称这种平衡装置为混合型在线动平衡装置。在线动平衡装置的分类情况如图1所示[4]。

图1 在线自动平衡装置分类图

1.1 直接在线自动平衡装置

1.1.1 喷涂型在线动平衡装置这是一种加重式在线自动平衡装置，装置原理图如图2所示。

图2 喷涂型自动平衡装置

通过喷射枪将高粘度物质喷射到转子上，改变转子重心位置，实现转子动平衡。1980年Cusarow提出了此方法。1987年Smalley等人采用计算机控制喷枪喷射的时刻和时间，增强了该方法的实用性[5]。这种平衡方法存在的问题是高粘度喷射物质以高速喷射并粘附在转子上，根据mv＝ft，在很短的时间内产生较大的冲击，使转子产生新的不平衡量，喷射物质粘附在转子上,严重影响转子表面质量，此外，喷射速度限制了转子的旋转速度，这种平衡装置一般用在小型旋转机械或精密仪器制造生产线上。

1.1.2 喷液型在线动平衡装置

这也是一种加重式在线动平衡装置。在转子端部装上喷液平衡头，平衡头的结构如图3所示。

图3 喷液型自动平衡装置

根据所测到转子振动信号，由单片机或微机控制喷枪，将液体喷射到平衡头上相应的容腔中，以改变平衡头的重心位置，达到在线动平衡。浙江大学等单位在这方面已取得实质性的突破[6]，平衡效果较好。目前这种平衡装置已用到磨床上，但该装置存在一些问题：①由于容腔容量有限，平衡能力受到限制。②容腔中液体挥发，影响平衡精度。

1.1.3 激光去重在线动平衡装置

如图4所示为激光去重在线自动平衡装置。通过控制脉冲激光束的发射时间、脉冲宽度及能量大小，使转子材料在微秒量级时间内气化，改变转子的几何中心，从而对转子系统进行动平衡。80年代初期Memuth等人研制出这种平衡装置。这种方法易于控制，平衡精度高。但也存在一些问题：①通过激光束使转子上的金属气化，留下许多伤痕，降低转子的疲劳极限，缩短了转子系统的使用寿命。②平衡过程中产生飞边、毛刺和氧化物，严重影响表面质量。③金属气化过程中，金属微粒以蒸汽的形式散在空气中，污染环境，危害人体健康。④由于激光束短时气化微量金属，平衡能力受到限制。所以，激光在线动平衡对于汽轮机组、大型压缩机等巨型转子系统的平衡是不适用的，一般只适用于小型机构的平衡，如牙钻、陀螺仪等。

图4 激光自动平衡装置

1.2 间接在线动平衡装置

这种装置是在平衡头(盘)上加上与不平衡离心力大小相等、方向相反的力，抵消不平衡量，达到转子系统的动平衡。主要包括电磁轴承型在线动平衡及电磁圆盘型在线动平衡。这类装置的平衡原理基本一致，通过变频器在电磁轴承处或平衡圆盘处，长期为转子系统提供与转子旋转角速度相同频率的平衡电磁力，实现转子系统的在线动平衡。它有一个严重不足，就是转子在运行过程中一直受平衡电磁力的作用，对于长期运行的旋转机械来说，能耗大。另外，这类平衡装置结构复杂，几何尺寸较大，而且成本高，一般用于不长期运行的小型旋转机械。

1.3 混合型在线动平衡装置

混合型在线动平衡基本原理,由检测系统测量转子系统的振动信号，通过控制系统，改变装在转子轴上并与转子系统一起旋转的平衡头内部的质量分布，产生大小、方向可控的平衡力，以平衡转子系统的不平衡激振力。平衡头内部质量的分布一般是由两个平衡质量块来调节的。根据驱动平衡质量块移动方式及控制方式的不同，混合在线动平衡装置可分为电动机型、遥控型及电磁型在线动平衡装置。电动机型混合在线动平衡装置是指平衡质量块是由电动机驱动，而电动机则是通过电刷与控制系统相联接的。遥控型混合在线动平衡装置是指平衡质量块是由电动机驱动，电动机则是由控制系统无线遥控的(如微波遥控、红外遥控及超声波遥控等)。所谓电磁型混合在线动平衡装置是通过电磁力拖动平衡质量块相对平衡头移动的动平衡装置。

目前国外技术比较成熟而且应用广泛的有电磁式自动平衡[7]和液压自动平衡[8]，电磁型自动平衡装置主要由以下三个部分组成：检测器、控制器和平衡执行机构。平衡执行机构是由与机壳连接的静环和连接在旋转轴上的动环组成。这种自动平衡系统控制原理是基于影响系数的自适应主动闭环控制。自适应影响系数控制系统在机器旋转时，精确快速地调节配重盘的位置，可以在数秒内完成多平面上的不平衡质量校正，实现在线自动平衡。在美国、欧洲机械加工领域的高速机床主轴等领域推广应用，取得了巨大的经济效益。而液压自动平衡系统主要由四个部分组成：被控转子、信号采集器、控制器和执行器，当被测转子产生不平衡量时，由振动传感器检测到的振动信号送入A/D转换器中，进行峰值采样，输送到控制器内。如果采样值大于控制器内部设定的门槛值，则控制器向电磁阀发送信号，开始喷液平衡；控制器根据得到的不平衡量的大小和相位值计算出阀门单元的三个电磁阀各自所需的开启时间。冷却液泵将经过预过滤器的冷却液输送到阀门单元上，通过喷嘴单元将冷却液喷入平衡容器里，实现不平衡量的补偿。平衡后的效果反馈到控制器，再重复前面操作，实现无停机的在线自动平衡。而液压自动平衡主要运用于高精度的磨床机械，而在石化和电力领域大功率透平机械，如汽轮机、燃气轮机、压缩机等领域还没有得到推广应用，将该技术在这些领域的推广应用将是未来的发展任务。

2 自动平衡技术的研究趋势

随着机组结构的复杂化，转子碰摩、转子裂纹振动、汽封汽膜激振和蒸汽激振等带有非线性特征的故障日益突出，众多研究者把目光都投向了非线性振动领域，但由于上述动力学方程的复杂性，这些研究都处于发展和完善中，在此过程中，计算分析与理论研究和工程应用是同步发展的。旋转轴系的临界转速、不平衡响应、稳定性分析以及瞬态响应计算是弯振研究的主要内容。在振动机理和计算分析研究的同时，人们也在探寻利用振动特征进行机组故障诊断的理论和方法。国外对该问题研究较早，美国是最早从事汽轮机故障诊断研究的国家之一，目前从事这方面研究的机构有EPRI及部分电力公司、西屋、Bently、IRD、CSI等公司；日本也很重视诊断技术的研究，目前从事这方面研究的机构有东芝电气、日立电气、富士和三菱重工等;而欧洲的法国电力部门(EDF)、瑞士ABB公司、德国西门子公司、丹麦B&K公司等也都在从事这方面研究。随着机组的运行安全越来越重要，国内的学者也开始研究旋转轴系的振动，北京化工大学的高金吉院士将系统科学医学的知识运用到旋转轴系的研究中去，提出了“装备医工程”的新概念，其思想是在系统论指导下，移植现代医学“自主调理”治疗原理，研究以故障预防和自愈为目标的过程装备自主调控原理，探讨改变装备完全靠人去“治愈”的传统维修方式，开发出故障自愈调控系统[9-10]。

3 结语

自动平衡技术出现以来，人们研究出了多种自动平衡装置，不仅在实验室的简单设备中得到应用，而且也越来越多的应用到车床和磨床等小型设备[11-13]，并取得了不错的效果，目前也越来越多的尝试将这些自动平衡装置运用到大型流程工业中，如汽轮机、离心机和压缩机等，但是其平衡效果与应用在车床和磨床等小型设备上的效果相比还有一定的差距，尤其是在大型的复杂轴系中，因此，将自动平衡技术应用到大型流程工业中的旋转机械尤其是复杂轴系中来解决振动问题将成为未来自动平衡技术的研究重点。

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Advances in the Study of Automatic Balancing Technology

Wang Zhen-wei,Chen Yan-fei,Guo Yu-bing,Han Ya-nan,Yang Fu-rui,Zhao Qiang
Patent Examination Cooperation Center of The Patent Office, Sipo, Beijing, Beijing, 100190

The vibration always happens when rotating machinery work , but intense vibration can lead to great safety problem.Therefore,it is a key technology to reduce the vibration and to keep balance during the industrial production. The early balancing technique is to stop working firstly and then to balance the rotor when the intense vibration happen. With the development of the automatic balancing technology, the automatic balancing technology is emphasized and much achievement is acquired. In this study, the automatic balancing technology of various rotating machinery is introduced comprehensively, and the recent achievement is discussed. Finally, the future trend of the study of the automatic balancing technology.

10.3969/j.issn.1001-8972.2012.09.073

汪振威：硕士研究生，目前从事离心机等大型旋转机械的发明专利的审查工作。