转子在线主动平衡技术发展现状与研究展望

樊红卫，薛策译，邵偲洁

（1.西安科技大学 机械工程学院，西安710054；2.西安科技大学 陕西省矿山机电装备智能监测重点实验室，西安710054）

转子不平衡（或失衡）是旋转机械的主要故障之一，是工程实践中常需要被首先排查的问题。因为受到结构损坏（如砂轮破损）、变形（如细长轴弯曲）和外界因素（如结垢）等影响，转子（或回转部件）的质量分布中心与其回转中心总是难以完全重合，这就产生了不期望的附加离心力，该力作用于转子-轴承系统，势必激发系统的强烈振动。只要不平衡问题存在，其振动就会持续对系统的精度、可靠性等形成严重危害，并影响系统的寿命。因此，人们总是希望尽可能消除或最大限度地减小旋转机械转子的质量不平衡。

众所周知，根据转子不平衡发生特点，可将其分为原始不平衡、渐变不平衡和突发不平衡。其中，原始不平衡主要由设计、加工和装配引起，可在使用前某一阶段消除；渐变和突发不平衡主要在使用过程中出现，需通过有效的维护手段加以解决。由于在使用中施行平衡校正，难免对旋转机械运行连续性造成影响，因此人们期望能够找到一种不用停机、无需人为干预亦不必进行复杂动力学计算的新型平衡技术，这就是转子在线主动平衡技术研究的初衷。

通过调查国内外文献，结合作者多年研究经历，本文较全面地回顾转子平衡技术的发展历程和现行方法体系，提出转子在线主动平衡系统的组成，重点对在线主动平衡系统失衡检测与平衡控制进行评述，以期为各领域学者和工程技术人员开展转子在线主动平衡理论研究及工程实践提供参考。

1 转子在线主动平衡技术体系

1.1 转子平衡方法总结

转子平衡方法总结如图1所示[1]，按照平衡动作是否需要停机将平衡方法总体上分为离线平衡和在线平衡。离线平衡较成熟，是最早出现并一直沿用至今的平衡方式。按照平衡操作不同，又将离线平衡分为制造阶段机上平衡、使用阶段拆卸后机上平衡和不拆卸现场平衡，其中机上平衡通过专门平衡机对处在制造阶段的转子进行平衡；对处在运行状态的转子，根据其上是否有平衡调节机构将其分为拆卸后机上平衡和不拆卸现场平衡，后者需要转子上带有平衡块移动机构或允许在某些部位进行现场增/减重操作，如拧入螺丝、激光打孔等。无论哪种操作，进行平衡时主要依据转子状态即刚性还是柔性进行平衡方案拟定。对刚性转子，理论上最多采用两个平面即可达到平衡要求，具体有矢量法（计及或不计相位）、四次运行法和静态耦合法等。对柔性转子，一般至少需要两个及其以上平面进行平衡，常用模态平衡法[2]、影响系数法[3]或二者组合法。模态平衡法基于对转子系统动力学特性的精确计算完成平衡，影响系数法基于反复多次测试实现平衡，二者特点迥异、各有利弊，将它们联合使用往往效果更好。柔性转子离线平衡法经适当简化可被用于刚性转子。因此，柔性转子快速精准平衡是离线平衡研究的热点、难点，近年来提出了全息平衡[4]、无试重平衡[5]和瞬态平衡[6]等方法。

在线平衡出现在二十世纪四、五十年代，早期主要出现在欧美等发达国家，八十年代左右我国开始探索在线平衡技术。总体上，在线平衡分为被动和主动两种。被动式在线平衡通过安装在转子上平衡装置内质量块的无源移动实现其与转子系统动力学特性匹配，达到平衡，如钢球式[7－8]、锤摆式[9]结构已被用于解决实际不平衡问题。主动式在线平衡采用有源机构即主动平衡装置，根据检测信息分析结果控制平衡装置，完成不平衡校正，其中平衡装置是关键执行机构，平衡方法是应用于不同对象时的关键。根据信号处理和平衡算法不同，主动平衡分为频域法和时域法，频域法用于恒速或似稳工况，时域法用于非稳态或变速工况。除了在转子上直接安装平衡装置外，从支撑角度采用电磁轴承[10－13]也可实现转子平衡，但这种方式是从力的角度进行补偿而非从源头上直接补偿失衡质量。本文主要讨论基于平衡装置的在线主动平衡，如图1虚线框所示。

图1 转子平衡技术体系

1.2 在线主动平衡系统

基于转子平衡方法的总结分析，结合作者从事在线主动平衡技术研究实践，以机床电主轴为例，提出转子在线主动平衡系统组成和技术实施方案，如图2所示。

如图2（a）所示，典型转子在线主动平衡系统由转子系统、检测系统、控制单元和平衡装置4部分组成。转子即为平衡对象，在其上安装平衡装置，因此设计转子时需事先预留安装空间；传感器用于检测振动和相位，常用传感器是压电加速度传感器和电涡流位移传感器，前者安装方便，应用更广，常用光电传感器作为相位传感器，简单可靠；控制单元一般由控制器和程序构成，可用DSP等作为控制核心，平衡算法需根据检测方案和平衡装置拟定；平衡装置是整个系统执行机构，其结构和性能对平衡效果影响大，不同平衡装置有不同驱动控制策略，常由动力元件和平衡机构组成，主要有机械式、液压式和电磁式等。平衡装置作动后，转子系统质量分布和振动状态改变，进而进行新一轮检测、控制和平衡，如此闭环运行，达到平衡要求。

一是对新型农村养老保险政策认识的个体差异性较大。通过前文参保情况的调研分析，可以看出，极大部分农民对新农保政策并不是很了解，不知道养老保险有多大作用，不能解读政策的含义，仅知道保费交到60岁，60岁后每个月可以领到政府发放的养老金。16-40周岁的农民认为自己离60岁还比较远，投保积极性很低，认为等到45岁再交，只交15年就可以了，不了解自己所缴保费是累计在自己的个人账户中，越早缴费积累金额越大，60岁后领取的养老金也会越多。还有一部分农民观念上尚未改变，仍然沿用历史的养老方式，靠子女养老，由子女提供基本的生活养老费用。

如图2（b）所示，以机床电主轴为例，转子在线主动平衡系统运行过程为：由检测系统对运行中转子进行实时监测，完成信号在线分析，获得平衡状态；监测到转子不平衡量或振动超限时，控制单元通过平衡算法进行平衡控制决策，通过控制器向驱动电路发送作动信号，在控制指令作用下带动平衡装置完成动作；位于平衡装置内配重机构运动形成配重矢量，当该矢量与转子不平衡大小相等、方向相反时，完成不平衡校正。需要指出，由于刀具/砂轮不平衡是机床加工过程中主轴系统主要新增不平衡，因此只在主轴前端安装1个平衡装置[14－15]进行单平面平衡是可行的[16]。与机床主轴小阶梯转子相比，汽轮机、航空发动机等复杂转子不平衡沿轴向分布复杂，至少需要在2 个或更多平面安装多个平衡装置，平衡方法更加复杂。

图2 转子在线主动平衡系统组成及实施方案

2 转子在线主动平衡装置研究现状

平衡装置是转子在线主动平衡系统的执行机构，表1 中总结了目前常用的3 种主动平衡装置，给出了其系统组成、平衡原理和应用特点。

如表1 所示，机械式平衡装置通过电机驱动两个偏心齿圈转动合成平衡矢量，平衡状态的保持依靠内部蜗轮蜗杆的自锁实现；喷液式平衡装置通过液压系统向4 个均分腔体内喷射液体形成平衡矢量，可将其改进为释液式[27]或压液式[28－29]结构；磁环式平衡装置通过对环形线圈通电产生脉冲磁场驱动两个配重盘步进转动形成合成矢量，也有些平衡装置依靠磁场控制钢球沿径向移动[30]和具有径向励磁[31]结构。上述3种平衡装置各有利弊，机械式和喷液式相对简单，电磁式较复杂，它们均在工业领域得到了不同程度应用，特别是机械式平衡装置在国内外诸多磨床上应用广泛，如高端磨齿机均配备SBS机械式平衡装置。除上述主流平衡装置外，近年来一些学者提出了基于新原理的平衡机构。张西宁等[32]提出了一种基于磁流体流变效应的在线平衡装置，证明了其可行性。其他平衡装置见文献[33]，不再赘述。

表1 3种典型主动平衡装置

3 转子在线主动平衡测控方法研究现状

转子在线主动平衡测控方法包括不平衡检测和平衡控制，前者是后者的基础，以精度和效率为关键指标。不平衡检测要求快速准确地找到不平衡振动幅值和相位，平衡控制要求在短时间内将振动降至低水平。

3.1 不平衡在线检测方法

不平衡在线检测分为基于信号分析与估计和基于数据分析与识别两种，前者对有限次测量信号进行特征提取或状态估计得到不平衡矢量，后者对多次或大量测量得到的信号进行智能寻优或机器学习。图3给出了常用不平衡检测方法。

图3 目前主要的不平衡检测方法

基于信号分析与估计的不平衡检测主要有相关分析、频谱分析、小波分析和状态估计，应用最多的是频谱分析和小波分析，前者用于平稳工况，后者用于非平稳工况。王展等[34]研究了基于全相位快速傅里叶变换的主轴不平衡振动特征提取方法。齐伟等[35]提出了基于残差谱分析的估计方法，提取了不平衡幅值和相位。刘淑莲等[36]利用全息谱和相关分析提取了振动工频成分，获得了不平衡振动特征。郑建彬[37]利用离散小波变换分解振动信号，提取了不平衡振动特征。牟世刚等[38]提出了基于小波细节系数自相关性分析的分层阈值降噪方法，用于不平衡检测。李传江等[39]提出了基于谐波小波和Prony算法的不平衡提取方法，解决了频率干扰问题。贺雅等[40]通过分析燃气轮机多转子结构不平衡激振力产生机理及振动与激振力关系，提出了不平衡因子计算方法。Sami等[41]提出了在不平衡检测中减少传感器数目的方法，用于多测点复杂转子系统测量。Akash等[42]提出了联合输入状态估计技术，用于转子不平衡检测。Zhao等[43]提出了一种基于瞬态特征的转子平衡与动态负载检测技术。樊红卫等[44]提出了灰度图像纹理分析的不平衡检测方法，与FFT 进行了对比。

基于数据分析与识别的不平衡检测以种群优化、神经网络、聚类和深度学习为主。种群优化是基于自然界物种集体行为或进化法则完成寻优求解，神经网络是通过模拟人的神经系统实现从输入中学习故障特征，聚类是基于无监督学习对不带标签数据进行识别，深度学习是多层神经网络模型。张茹鑫等[45]提出了集成遗传算法和粒子群算法的多点不平衡识别方法。毛文贵等[46]对于不平衡识别过程采样效率问题，提出了基于遗传算法改进贝叶斯理论的方法。Yao 等[47]提出了基于遗传算法的多速柔性转子平衡方法。黄金平等[48]基于柔性转子瞬态响应和反向传播神经网络，提出了单盘柔性转子不平衡识别方法。赵宏武等[49]提出了基于HBGM估计的不平衡识别方法。樊红卫等[50]提出了对称极坐标图像和模糊C均值聚类相结合的不平衡识别方法。朱霄珣等[51]提出了基于对称点模式特征融合的卷积神经网络（CNN）状态识别方法，以实现汽轮机转子状态识别。Yan 等[52]提出了基于多源异构信息融合的深度置信网络（DBN）不平衡识别方法。应用时需根据转子结构及不平衡特点合理选用上述方法，为平衡控制提供基础。应注意在线主动平衡算法复杂性和效率间的平衡，在保证准确率前提下应使算法尽可能简单高效。以平衡为目的的不平衡识别不同于简单故障诊断，需要获得不平衡矢量大小和相位，更加复杂。如何获得精确不平衡矢量大小和相位以及如何在多源复合故障中检测不平衡的方法是研究重点之一。

3.2 在线主动平衡控制方法

基于不平衡检测结果，以主动平衡装置为执行机构，在平衡算法控制下实现转子在线主动平衡。平衡方法分为频域和时域两类。频域方法面向恒速转子系统，时域方法面向非平稳或变速转子系统。波兰学者Gosiewski[53－54]奠定了在线主动平衡方法的现代理论基础，后继诸多平衡方法受到其研究的启发。图4 给出了目前主要的在线主动平衡控制方法。

图4 目前主要的在线主动平衡方法

在线主动平衡控制思路建立在经典影响系数法在线化的基础上。早期，彭佩珍[55]提出了在线平衡的谐分量算法；曾胜等[56]针对电磁平衡装置提出了在线试重法，在工作转速下辨识影响系数及不平衡，实现了在线平衡。后来，Kim 等[57]和樊红卫等[58]提出了在线影响系数表格法，在平衡过程中调用计算或测试好的各工况影响系数值，完成恒速平衡；邓旺群等[59]针对螺旋桨模拟转子，在影响系数法基础上，进行了自动平衡试验；陈立芳等[60]提出一种轴心轨迹重构方法，实时测算基频振动矢量，将其作为最优自动平衡输入，并进行了验证；Stephen等[61]研究了多平面在线主动平衡系统影响系数最优鲁棒控制方法；Alves等[62]提出了基于混合整数梯度的平衡优化方法，改善了影响系数法试重次数多的问题；Ranjan等[63]提出了改进的影响系数法，有效估算了高速柔性转子的平衡质量。

随着自适应控制理论发展，自适应主动平衡方法随之出现。樊红卫等[64－66]研究了转子单平面平衡的固定参数自适应算法，用于电磁圆环形主动平衡装置。王宁[67]和冯伟[68]研究了电磁和液压主动平衡装置的单平面自校正自适应平衡控制方法。刘锦南[69]和周卫华[70]针对化工机械研究了自适应影响系数方法，研究了电磁平衡装置单/双平面主动平衡策略。目前，自适应平衡方法是研究得较多的主动平衡控制方法。

模糊控制是一种非线性智能控制方法，可用于转子主动平衡控制。陈时桢[71]针对单平面双配重自动平衡装置提出了基于模糊理论的变步长寻优控制方法。Xu等[72]和贾志远[73]提出了基于模糊自整定单神经元PID 的自动平衡控制方法。目前，采用模糊控制进行转子主动平衡控制的研究相对较少。

近年来，在线平衡控制的发展、优化和时域变速平衡受到关注。胡兵[74]对变速转子自适应主动平衡进行了理论研究，包括变速准稳态主动平衡增益调度控制、带作动器时迟快变速主动平衡自适应控制与带作动器饱和快变速主动平衡自适应控制，但未进行系统开发和试验。赵阳[75]采用果蝇优化算法对自动平衡系统时滞参数进行辨识，提出了改进Smith预估控制的时滞转子在线自动平衡方法和基于LQR的时滞转子在线自动平衡方法。Zhou 等[76－77]研究了基于时变观测器的刚性转子变速失衡估计方法，研究了加速过程中刚性转子单平面在线主动平衡最优策略。Kwang-Keun 等[78]研究了变速转子多平面平衡自适应控制方法。Yu等[79]提出了加速过程主动平衡自适应比例-积分控制方法。时域平衡方法突破了频域平衡以转频振动为基准以及采用经典控制理论的局限性，对不平衡状态随时间变化采用现代控制理论进行在线辨识，更具一般性。对柔性转子多平面平衡问题，平衡平面位置和平衡装置控制优化是未来进一步研究重点之一。相比平衡装置，平衡控制方法的研究还很欠缺，需结合平衡装置和应用对象开发先进可靠的平衡算法。

3.3 在线主动平衡技术应用

在线主动平衡技术由平衡装置及测控系统组成，目前主要用于机床主轴[80－81]、化工及电力设备[82]、军工装备[83]。张仕海[84]提出了气动盘式在线平衡装置用于机床主轴双平面在线平衡。关智磊[85]和张侃侃[86]设计了用于钢坯修磨砂轮的在线平衡头。刘宏琴[87]针对电主轴设计了一种主动平衡装置。樊红卫等[88]提出了自平衡电主轴，开发了样机，考虑了平衡装置对主轴动力和热特性影响。沈伟等[89]将主动平衡装置用于烟气轮机，比较了4种单平面和3 种双平面平衡效果。张加庆[90]提出了新型机械式平衡头，进行了实验考核。Darayus等[91]将电磁环形主动平衡装置用于汽轮机，降低了主轴振动。陈立芳等[92]分析了主动平衡技术在航空发动机减振降噪中应用的可行性。不同应用对象对于主动平衡技术需求不同。磨床需要高精度平衡机构和精密平衡方法，重在提高主轴回转精度；加工中心需要主动平衡处理频繁换刀引起的新增不平衡，要求在换刀过程中进行变速平衡。对于复杂过程机械，特别是化工机械和热力机械由于化学物质结垢、热变形等产生的问题，需在多平面内进行平衡，且平衡机构应有大的平衡能力，能在高温等条件下可靠工作。为了提高航空发动机、舰艇等声隐身性，需通过主动平衡技术降低螺旋桨等系统噪声，进而提高装备安全性和舒适性。总体而言，转子在线主动平衡技术应用仍以各类机床为主，其它领域鉴于现场难题没有解决并未得到真正规模化应用。

4 展望

通过对近年来发表文献的综合分析可知，对于转子在线主动平衡技术的研究已取得了丰硕成果，但作为实用化的振动控制技术，平衡装置、检测与控制方法和系统应用等层面仍存在以下问题亟待解决。

（1）平衡装置及一体化自平衡转子系统设计。平衡装置作为主动平衡执行机构，其设计对主动平衡成败至关重要。平衡装置的添加势必改变转子系统原有特性，如何将其对临界转速等影响降至最低是重要课题。平衡装置原创性设计应关注不平衡矢量产生方式，由固体、液体还是状态可变物质（如气化）生成不平衡质量，按照直角坐标还是极坐标移动，达到平衡状态后如何保持平衡位置不丢失，均是此处关键问题。同时，改进现有平衡装置时应关注平衡能力提升、装置轻量化以及平衡平面沿转子轴向优化等，以最大限度发挥主动平衡价值。电磁平衡装置作动稳定性和工作可靠性还需进一步提升。通过增大转子/支撑刚度及降低平衡装置重量等可降低平衡装置对转子固有特性影响，在设计阶段将平衡装置与转子系统进行一体化考虑，可避免平衡装置安装引起的一系列问题。

（2）平衡方法及平衡控制系统设计。主动平衡系统作为以振动控制为目的的机电一体化闭环系统，控制策略和系统性能对平衡效果影响大。快速准确估计转子系统影响系数是高效、精密主动平衡基础，需要先进可靠的信号获取、分析和在线估计技术，特别是适应性更广的时域失衡估计对主动平衡技术推广至关重要。频域内需改进以自适应控制为核心的主动平衡策略；对柔性转子多平面平衡、平衡平面选取等问题需深入研究。时域内需研究基于状态观测器的主动平衡，对快变速主动平衡过程稳定性进行深入研究，以应对加工中心换刀、航空发动机急加速等特殊工况。此外，提高控制器硬件性能及程序效率，进而满足在线平衡对平衡时间的苛刻要求，亦是高速平衡重要需求。

（3）在线主动平衡技术工业应用。目前，转子在线主动平衡技术应用比较单一，具有局限性，应加快主动平衡技术在加工中心、过程机械和军工装备等领域中的应用进程，以应对加工中心换刀过程变速平衡、离心压缩机和汽轮机免停机平衡以及直升机、潜艇等平衡降噪的需求。应将主动平衡系统与平衡对象的控制系统关联，如将其与机床数控系统关联，实现基于主动平衡的整机智能调控，使平衡系统参与机器控制，提高装备智能化程度。对于燃气轮机等高温环境下喷液式平衡装置液体挥发、电磁式装置磁铁退磁等难题，应加快技术方案改进或新装置研发，以对应极端工况对主动平衡技术的挑战。对于电主轴等高性能直驱电机的主动平衡策略，还应考虑气隙偏心引起的电磁振动问题，如何在平衡时消除电磁振动影响以改善平衡效果，是此类转子在线主动平衡不可忽略的问题。

5 结语

综合以上分析与展望可知，简单可靠的平衡装置、快速稳定的平衡算法和经济实用的工程应用，是转子在线主动平衡技术未来发展所追求的目标，亦是技术研发应秉持的准则。可以说，转子在线主动平衡为机械振动故障诊断从“只诊不治”到“诊而治之”和“诊而智治”找到了突破口，极大地促进了机器走向“人工自愈[93]”新时代。从研究属性角度来看，转子在线主动平衡技术属于多学科交叉融合技术，既有属于转子动力学与振动控制理论基础研究属性，又有属于机电一体化闭环系统设计与应用属性。特别是在人工智能和信息技术飞速发展的今天，转子主动平衡技术的进步迫切需要学术界和工业界紧密合作、协同努力，期望在不久的将来在这一领域能够取得更多创新成果，为高端旋转机械高速化、精密化和智能化做出应有贡献。