張雪輝,焦瀚暉,胡東旭,李 文,3,左志濤,,3,陳海生,,3*

(1.畢節(jié)高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開(kāi)發(fā)區(qū) 國(guó)家能源大規(guī)模物理儲(chǔ)能技術(shù)研發(fā)中心,貴州 畢節(jié) 551712;2.中國(guó)科學(xué)院 工程熱物理研究所,北京 100190;3.中科院工程熱物理研究所 南京未來(lái)能源系統(tǒng)研究院,江蘇 南京 211135)

0 引 言

目前,工業(yè)發(fā)展迅速,旋轉(zhuǎn)機(jī)械逐漸向著高速化、大型化、精密化和自動(dòng)化發(fā)展,對(duì)設(shè)備的安全性和可靠性要求越來(lái)越高。因此,有效地監(jiān)測(cè)并抑制振動(dòng)是保證設(shè)備正常運(yùn)行的關(guān)鍵。據(jù)統(tǒng)計(jì),超過(guò)50%的設(shè)備和系統(tǒng)故障可以直接或間接地歸因于轉(zhuǎn)子的不平衡[1],對(duì)于汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子等復(fù)雜旋轉(zhuǎn)機(jī)械,振動(dòng)故障75%以上是由不平衡引起的[2]。因此,如何快速、有效地解決轉(zhuǎn)子不平衡問(wèn)題是解決旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動(dòng)問(wèn)題的重中之重。

轉(zhuǎn)子平衡問(wèn)題貫穿了機(jī)組的制造、安裝、運(yùn)行及維護(hù)過(guò)程[3]。轉(zhuǎn)子平衡情況會(huì)受到制造加工工藝、設(shè)備材料均勻度、質(zhì)量分布、裝配技術(shù)和運(yùn)行情況的影響[4]。對(duì)于工作轉(zhuǎn)速低于臨界轉(zhuǎn)速的剛性轉(zhuǎn)子來(lái)說(shuō),動(dòng)平衡在動(dòng)平衡機(jī)上即可完成,且效果良好。對(duì)于工作轉(zhuǎn)速高于一階臨界甚至二階臨界轉(zhuǎn)速的柔性轉(zhuǎn)子,應(yīng)當(dāng)采用高速度動(dòng)平衡法,但是高速動(dòng)平衡有諸多限制。某些大型航空發(fā)動(dòng)機(jī)在設(shè)計(jì)階段要求一階臨界轉(zhuǎn)速高于工作轉(zhuǎn)速,使其轉(zhuǎn)子為剛性轉(zhuǎn)子,減小轉(zhuǎn)子不平衡對(duì)整機(jī)的影響[5]。如無(wú)法避免柔性轉(zhuǎn)子,實(shí)際生產(chǎn)中一般利用低速動(dòng)平衡代替高速動(dòng)平衡[6]?；诘退賱?dòng)平衡方法,進(jìn)一步發(fā)展出了組合平衡法,該方法將轉(zhuǎn)子分解為單元體進(jìn)行低速平衡后再進(jìn)行總裝。我國(guó)中國(guó)航發(fā)沈陽(yáng)發(fā)動(dòng)機(jī)研究所、中國(guó)燃?xì)鉁u輪研究院和沈陽(yáng)黎明發(fā)動(dòng)機(jī)制造公司等利用了該方法對(duì)高壓轉(zhuǎn)子進(jìn)行了組合平衡;之后,提出了模擬轉(zhuǎn)子平衡技術(shù),利用模擬軸對(duì)轉(zhuǎn)子部件進(jìn)行了動(dòng)平衡,可以實(shí)現(xiàn)部件級(jí)單獨(dú)平衡。GE公司CMF56發(fā)動(dòng)機(jī)及我國(guó)中航工業(yè)沈陽(yáng)黎明航空發(fā)動(dòng)機(jī)(集團(tuán))有限責(zé)任公司某型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)高壓轉(zhuǎn)子均實(shí)現(xiàn)了模擬動(dòng)平衡技術(shù),并取得了良好的效果[7,8]。

不論是剛性轉(zhuǎn)子還是柔性轉(zhuǎn)子,使用上述的動(dòng)平衡方法,對(duì)轉(zhuǎn)子的設(shè)計(jì)水平、加工工藝和裝配精度要求極高,要求轉(zhuǎn)子在各個(gè)方向均有良好的定位,保證每次裝配位置相同。轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡前后及整機(jī)裝配的一致性是對(duì)工藝水平的極大挑戰(zhàn)。

綜上所述,目前普遍應(yīng)用的動(dòng)平衡機(jī)低速動(dòng)平衡的方法有以下不足之處:(1)低速動(dòng)平衡無(wú)法滿足設(shè)備高速化趨勢(shì)及柔性轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡需求;高速動(dòng)平衡限制條件多,價(jià)格昂貴。并且,在動(dòng)平衡機(jī)上無(wú)法真實(shí)模擬轉(zhuǎn)子實(shí)際運(yùn)行情況,實(shí)際運(yùn)行有諸多影響因素?zé)o法預(yù)測(cè);(2)裝配精度對(duì)平衡效果影響大,裝配工藝要求高,轉(zhuǎn)子從動(dòng)平衡至總裝過(guò)程必須保證高度一致性;(3)設(shè)備拆裝工序復(fù)雜、工期長(zhǎng),無(wú)法滿足現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)需求。

為解決以上問(wèn)題,研究人員提出了旋轉(zhuǎn)機(jī)械現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡技術(shù)。現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡是指轉(zhuǎn)子在現(xiàn)場(chǎng)條件下或者在試驗(yàn)場(chǎng)所的條件下,利用通用的振動(dòng)測(cè)試設(shè)備測(cè)量幅值和相位,在轉(zhuǎn)子原配軸承基座上進(jìn)行平衡[9,10]。新投產(chǎn)的汽輪發(fā)電機(jī)組中,大約有70%需要進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)在線動(dòng)平衡[11]。在今后的生產(chǎn)應(yīng)用中,現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡將是解決高速、復(fù)雜軸系不平衡問(wèn)題的重要技術(shù)手段[12]。

本研究主要闡述現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡技術(shù)國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀,對(duì)現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用進(jìn)行綜述;對(duì)各個(gè)方法的特點(diǎn)進(jìn)行闡述,并以現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用的角度出發(fā),對(duì)各方法的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行分析總結(jié);最后針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)不平衡問(wèn)題突出的現(xiàn)象,提出“三維一體”動(dòng)平衡體系,提出現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡推廣過(guò)程中亟需解決的問(wèn)題,同樣也是未來(lái)研究的主要方向。

1 影響系數(shù)法

影響系數(shù)法同時(shí)適用于剛性轉(zhuǎn)子和柔性轉(zhuǎn)子現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡,是平衡方法中最容易實(shí)現(xiàn)的一種,是現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡的主要方法[13]。在計(jì)算平衡校正量時(shí),影響系數(shù)法本質(zhì)上將轉(zhuǎn)子-軸承系統(tǒng)視為一個(gè)“黑箱”,不涉及轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性[14]。

影響系數(shù)法的主要原理如圖1所示。

圖1 影響系數(shù)法原理

1.1 方法原理

對(duì)于剛性轉(zhuǎn)子,影響系數(shù)法通過(guò)求取影響系數(shù),來(lái)反映配平面對(duì)整個(gè)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)振動(dòng)的影響。在I平面添加試重Q1后,I平面影響系數(shù)求解方法如下:

(1)

式中:α1,β1—I平面對(duì)AB兩測(cè)點(diǎn)的影響系數(shù);A0,B0—AB兩測(cè)點(diǎn)原始振動(dòng)矢量;Q1—在I平面添加的試重矢量;A1,B1—AB兩測(cè)點(diǎn)添加Q1后振動(dòng)矢量。

同理,可以求得Ⅱ平面影響系數(shù)α2及β2,即:

(2)

式中:α2,β2—Ⅱ平面對(duì)AB兩測(cè)點(diǎn)的影響系數(shù);Q2—在Ⅱ平面添加的試重矢量;A2,B2—AB兩測(cè)點(diǎn)添加Q2后振動(dòng)矢量。

利用影響系數(shù)法對(duì)剛性轉(zhuǎn)子進(jìn)行平衡,通常通過(guò)一兩次加重就可以得到滿意的平衡效果,即:

(3)

式中:P1,P2—I平面和Ⅱ平面所需添加的配平矢量。

通過(guò)求解矢量方程組,就可以得到配平矢量P1和P2。

由于柔性轉(zhuǎn)子動(dòng)力特性的影響,柔性轉(zhuǎn)子影響系數(shù)法也有弊端。影響系數(shù)法平衡柔性轉(zhuǎn)子的求解方程組如下:

V0+A·P=0

(4)

式中:V0—原始振動(dòng)矩陣,維度為M×N(N為轉(zhuǎn)速個(gè)數(shù));A—影響系數(shù)矩陣,維度為M×N×K;P—校正質(zhì)量矩陣,維度為1×K。

如果軸系軸承數(shù)目多,測(cè)點(diǎn)數(shù)M也增多,但是校正平面K卻有一定限制,所以會(huì)出現(xiàn)K

1964年,GOODMAN T P[15]提出了最小二乘影響系數(shù)法,來(lái)求解矛盾方程,尋求一組矯正質(zhì)量,使各測(cè)點(diǎn)在各平衡轉(zhuǎn)速下殘余振動(dòng)值的平方和最小。

1.2 研究現(xiàn)狀

經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展,研究人員對(duì)柔性轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡技術(shù)進(jìn)行了改進(jìn),主要通過(guò)引入啟發(fā)式算法,如遺傳算法[16,17]、粒子群算法[18],來(lái)解決柔性轉(zhuǎn)子平衡尋優(yōu)的問(wèn)題,并均已在實(shí)驗(yàn)臺(tái)上對(duì)這些算法進(jìn)行了可行性的驗(yàn)證。

除了最小二乘法以外,國(guó)內(nèi)外研究人員都對(duì)影響系數(shù)法進(jìn)行了大量的研究。YUAN Kang等人[19]的研究發(fā)現(xiàn),影響系數(shù)矩陣維度代表測(cè)量平面和校正平面的個(gè)數(shù),其維度減少有助于提高校正質(zhì)量的精度,但是最小的維度不一定對(duì)應(yīng)最佳平衡質(zhì)量,也無(wú)法得到最小的殘余不平衡量;同時(shí),測(cè)量平面和校正平面數(shù)量的確定也需要作進(jìn)一步的研究。

針對(duì)影響系數(shù)法需轉(zhuǎn)子多次重啟的不足,徐賓剛[20]提出了基于影響系數(shù)法的柔性轉(zhuǎn)子無(wú)試重平衡法,利用遺傳算法對(duì)平衡配重進(jìn)行優(yōu)化搜索,實(shí)現(xiàn)了殘余振動(dòng)量的極小化。影響系數(shù)法假設(shè)轉(zhuǎn)子響應(yīng)是線性的,而由于油膜支撐的存在,大型轉(zhuǎn)子的軸承有時(shí)會(huì)在軸承力和軸頸位移之間表現(xiàn)出很強(qiáng)的非線性關(guān)系,嚴(yán)重影響系數(shù)法的動(dòng)平衡效果。

針對(duì)以上問(wèn)題,ALVES D S[21]提出了利用軸承座加速度信號(hào)計(jì)算影響系數(shù),可以準(zhǔn)確計(jì)算出原始不平衡量的位置;但是該方法僅在結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的試驗(yàn)臺(tái)上得到了驗(yàn)證。YAO Jian-fei等人[22]提出了通過(guò)雙目標(biāo)優(yōu)化方法,實(shí)現(xiàn)了多轉(zhuǎn)速柔性轉(zhuǎn)子的動(dòng)平衡;分別通過(guò)遺傳算法和最小化殘余振動(dòng)獲得了最佳校正權(quán)重,并通過(guò)實(shí)驗(yàn)與仿真驗(yàn)證了該方法優(yōu)于傳統(tǒng)的最小二乘影響系數(shù)法。韓平利[23]通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究,提出了轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡影響系數(shù)優(yōu)劣評(píng)價(jià)和提取方法,該方法對(duì)評(píng)價(jià)轉(zhuǎn)子重啟得到的影響系數(shù)性能具有一定的參考價(jià)值。GYAN R等人[24]提出了基于高轉(zhuǎn)速影響系數(shù)及低轉(zhuǎn)速下的振動(dòng)值,實(shí)現(xiàn)了柔性轉(zhuǎn)子的動(dòng)平衡。GYAN R和TIWARI R[25]提出了廣義影響系數(shù)法,利用主動(dòng)磁軸承實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)子平穩(wěn)通過(guò)臨界轉(zhuǎn)速。

除了對(duì)不同影響系數(shù)法的選用外,轉(zhuǎn)子振動(dòng)工頻幅值和相位的提取也是能否完成動(dòng)平衡的關(guān)鍵。提取轉(zhuǎn)子工頻幅值和相位,主要是去除會(huì)對(duì)工頻產(chǎn)生影響的頻率。

CHEN Dong-ju等人[26]使用小波變換和功率譜密度準(zhǔn)確提取了不平衡相位。李傳江等人[27]提出了一種基于EMD和瞬時(shí)頻率估計(jì)的不平衡幅值相位提取方法。王展等人[28]提出了基于全相位快速傅里葉變換的不平衡幅值相位準(zhǔn)確提取方法。江志農(nóng)等人[29]提出了基于互功率譜的相位檢測(cè)算法,在文獻(xiàn)[30]40-42中該方法已經(jīng)被應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)[30]。

對(duì)于雙轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子,當(dāng)轉(zhuǎn)速差較小的時(shí)候會(huì)產(chǎn)生“拍頻”。YANG J S、PONCI L P和李傳江等人[31-33]對(duì)速度差很小的轉(zhuǎn)子工頻信息的提取進(jìn)行了研究,準(zhǔn)確提取工頻后,利用影響系數(shù)法實(shí)現(xiàn)了良好的轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡效果。CAO Hong-rui等人[34]提出了利用同步壓縮變換和角域重采樣的方法,消除了轉(zhuǎn)速波動(dòng)對(duì)轉(zhuǎn)子相位計(jì)算的影響。

對(duì)于不同類型的設(shè)備,其振動(dòng)監(jiān)測(cè)方式和信號(hào)特點(diǎn)均有差異,如何高效、準(zhǔn)確地提取工頻幅值和相位,需要現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況靈活選取信號(hào)處理方法。

1.3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

1.3.1 影響系數(shù)法

影響系數(shù)法在國(guó)外的發(fā)展已比較成熟,但在國(guó)內(nèi)仍處于技術(shù)積累與模型轉(zhuǎn)子實(shí)驗(yàn)階段。影響系數(shù)法在國(guó)內(nèi)的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用存在重復(fù)啟機(jī)、可靠性和穩(wěn)定性不足的問(wèn)題。

馮建鵬[30]利用影響系數(shù)法,完成了低壓轉(zhuǎn)子整機(jī)動(dòng)平衡,其配平效果良好。影響系數(shù)法在其他現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡均有應(yīng)用。張朝平等人[35]利用SB-7700動(dòng)平衡儀和雙平面影響系數(shù)法,對(duì)400 kW/10 MJ飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)軸系進(jìn)行了在線動(dòng)平衡。針對(duì)大型風(fēng)機(jī)存在的不平衡故障,凡飛龍[36]利用雙平面影響系數(shù)法,對(duì)大型風(fēng)機(jī)不平衡轉(zhuǎn)子進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)整機(jī)動(dòng)平衡,有效降低了設(shè)備振動(dòng)值。譚秀婷等人[37]利用影響系數(shù)法,在特定轉(zhuǎn)速下對(duì)汽輪機(jī)高壓轉(zhuǎn)子進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)在線動(dòng)平衡,實(shí)現(xiàn)了柔性轉(zhuǎn)子整機(jī)的現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡。

大型水輪機(jī)一般為剛性轉(zhuǎn)子,丁永勝、王斌等人[38,39]利用影響系數(shù)法,完成了大型水輪機(jī)組現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡。陳曦[40]基于最小二乘影響系數(shù)法,實(shí)現(xiàn)了發(fā)動(dòng)機(jī)低壓轉(zhuǎn)子的現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡。美國(guó)KUNZ D L等人[41]利用數(shù)值模擬方法,分析了AH-64尾旋翼振動(dòng)響應(yīng),并根據(jù)旋翼振動(dòng)特性和影響系數(shù)法開(kāi)發(fā)出了一種精確計(jì)算去除葉尖質(zhì)量的配平方法。

1.3.2 三圓法

基于影響系數(shù)法原理,此后又發(fā)展出了三圓法。該方法僅需要測(cè)量轉(zhuǎn)子振動(dòng)幅值,不需要求得轉(zhuǎn)子工頻相位,通過(guò)畫圖法即可求得配平矢量[42,43]。

沈陽(yáng)鼓風(fēng)機(jī)集團(tuán)利用三圓法,對(duì)離心壓縮機(jī)進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡,成功解決了壓縮機(jī)現(xiàn)場(chǎng)振動(dòng)超標(biāo)的問(wèn)題[44]。羅立等人[6]59-60利用三圓法,在CFM56系列發(fā)動(dòng)機(jī)上實(shí)現(xiàn)了良好的本機(jī)動(dòng)平衡效果。沈陽(yáng)的姜廣義等人[45]利用三圓法,實(shí)現(xiàn)了某型大型轉(zhuǎn)子的動(dòng)平衡,有效地減小了轉(zhuǎn)子整機(jī)振動(dòng)。孫國(guó)維[46]利用三圓法實(shí)現(xiàn)了WJ5A-I型發(fā)動(dòng)機(jī)的本機(jī)動(dòng)平衡。

三圓法缺點(diǎn)主要是需要的啟停機(jī)次數(shù)多,單平面動(dòng)平衡至少需要4次,雙平面配平則至少需要7次。同時(shí),該方法計(jì)算精度不高,計(jì)算難度大,無(wú)法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化;當(dāng)遇到對(duì)配重不敏感的轉(zhuǎn)子,三圓法的平衡精度無(wú)法滿足需求。

與三圓法相對(duì)比,影響系數(shù)法所需啟停機(jī)次數(shù)少、計(jì)算效率高。但是該方法需要準(zhǔn)確測(cè)算振動(dòng)工頻相位,因此要求設(shè)備具有可直接用于鍵相測(cè)量的外伸軸;若無(wú)法滿足該條件,其實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)操作難度則遠(yuǎn)高于三圓法。

1.4 小結(jié)

影響系數(shù)法和三圓法均將轉(zhuǎn)子不平衡問(wèn)題轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)問(wèn)題,但是在實(shí)際操作中的動(dòng)力學(xué)問(wèn)題是無(wú)法忽略的。試重添加主要是盲試,試重添加的大小和角度依靠經(jīng)驗(yàn),試重過(guò)程可能會(huì)導(dǎo)致振動(dòng)過(guò)大或者過(guò)小,均會(huì)對(duì)平衡效果產(chǎn)生影響。平衡面選取、各階模態(tài)確定、轉(zhuǎn)子振動(dòng)測(cè)量、試重添加方法和組件平衡次序等諸多問(wèn)題[47],均不是簡(jiǎn)單數(shù)學(xué)模型可以解決的,需要嚴(yán)謹(jǐn)?shù)睦碚擈?yàn)證和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

針對(duì)影響系數(shù)法存在需要重復(fù)啟停的問(wèn)題,研究人員結(jié)合有限元模型對(duì)轉(zhuǎn)子的模態(tài)和不平衡響應(yīng)進(jìn)行了精確的數(shù)值模擬,通過(guò)模型對(duì)原始不平衡量的大小和位置進(jìn)行了逆推,提出了無(wú)試重動(dòng)平衡方法。該方法的內(nèi)核同樣是影響系數(shù)法,該方法在各實(shí)驗(yàn)臺(tái)上均得到了驗(yàn)證,在理論上是可行的;但是,該方法要求準(zhǔn)確模擬設(shè)備的動(dòng)力學(xué)特性,現(xiàn)場(chǎng)操作難度較大。目前,該方法僅可用于現(xiàn)場(chǎng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的設(shè)備[48],尚無(wú)法對(duì)大型機(jī)組實(shí)施動(dòng)平衡。

2 模態(tài)平衡法

2.1 方法原理

模態(tài)平衡法又稱振型平衡法,即在轉(zhuǎn)子各階主模態(tài)具有正交性的前提下,分別使所有配平矢量產(chǎn)生的模態(tài)不平衡響應(yīng)與轉(zhuǎn)子原始不平衡模態(tài)響應(yīng)相抵消,其數(shù)學(xué)表達(dá)式如下:

(5)

配平平面的數(shù)量需要大于平衡模態(tài)數(shù),同時(shí)考慮不破壞轉(zhuǎn)子的剛性平衡,一般將配平平面數(shù)量選為N+2(N為平衡模態(tài)數(shù)量),即:

(6)

(7)

式中:mi—第i階模態(tài)所需的校正質(zhì)量;ri—校正質(zhì)量的軸向位置;zi—校正質(zhì)量的周向位置。

2.2 研究現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)外對(duì)模態(tài)平衡法進(jìn)行了大量研究。DEEPTHIKUMAR M B[49]利用模態(tài)平衡法對(duì)分布式不平衡的轉(zhuǎn)子配平進(jìn)行了研究,首次引入了用偏心多項(xiàng)式函數(shù)的“范數(shù)”來(lái)量化分布式不平衡,利用模態(tài)平衡法計(jì)算了一階彎曲臨界轉(zhuǎn)速下轉(zhuǎn)子所需的模態(tài)校正質(zhì)量。該研究還提出,量化不平衡量分布的因素對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)判斷不平衡量的分布具有很好的借鑒意義。PALAZZOLO A B[50]提出了類似的方法,即利用奈奎斯特圖生成了振動(dòng)測(cè)點(diǎn)的極坐標(biāo)圖,從而確定了模態(tài)偏心的90°相移位置;并利用轉(zhuǎn)子的模態(tài)質(zhì)量和模態(tài)形態(tài),計(jì)算得到了轉(zhuǎn)子的模態(tài)平衡分布。該方法不需要對(duì)轉(zhuǎn)子提前進(jìn)行試重,解決了試重過(guò)程重復(fù)啟機(jī)而造成較大振動(dòng)的問(wèn)題。

模態(tài)平衡法分別針對(duì)轉(zhuǎn)子每個(gè)振型進(jìn)行配平,且盡量避免高階振型配平結(jié)果對(duì)低階振型產(chǎn)生影響,其最大的優(yōu)勢(shì)是可以保證柔性轉(zhuǎn)子全部形態(tài)下的平衡效果,轉(zhuǎn)子可以平穩(wěn)地通過(guò)各階臨界轉(zhuǎn)速。但是,模態(tài)平衡法需要在試重的過(guò)程中,在臨界轉(zhuǎn)速附近停留,這對(duì)于旋轉(zhuǎn)機(jī)械是非常危險(xiǎn)的,會(huì)因振動(dòng)過(guò)大而導(dǎo)致設(shè)備損壞,限制了該方法在現(xiàn)場(chǎng)的使用。

此外,因設(shè)備結(jié)構(gòu)的復(fù)雜,現(xiàn)場(chǎng)對(duì)轉(zhuǎn)子模態(tài)產(chǎn)生影響的因素多,轉(zhuǎn)子模態(tài)的精確計(jì)算困難。同時(shí),轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的阻尼和交叉剛度是不可忽略的,在眾多條件的影響下,各階模態(tài)不再具有正交特性[51]。這是模態(tài)平衡法及基于模態(tài)的動(dòng)平衡方法無(wú)法避免的問(wèn)題。

當(dāng)然,對(duì)整個(gè)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)進(jìn)行先驗(yàn)研究是必要的,它對(duì)于平衡面及振動(dòng)測(cè)點(diǎn)的選擇具有重要參考價(jià)值。模態(tài)計(jì)算可以確定轉(zhuǎn)子系統(tǒng)在工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)經(jīng)過(guò)臨界的個(gè)數(shù),以及轉(zhuǎn)子在升速、工作和降速過(guò)程中的振動(dòng)形態(tài)[52],因此,研究人員提出了基于模態(tài)平衡法的分析結(jié)果和動(dòng)平衡方案。

KHULIEFY A[53]基于對(duì)轉(zhuǎn)子模態(tài)特性的研究,利用影響系數(shù)法和模態(tài)平衡技術(shù),實(shí)現(xiàn)了高速轉(zhuǎn)子的低速平衡,在柔性轉(zhuǎn)子實(shí)驗(yàn)臺(tái)上對(duì)方法進(jìn)行了驗(yàn)證;并利用一階臨界轉(zhuǎn)速70%的轉(zhuǎn)速進(jìn)行配平,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,在運(yùn)行狀態(tài)下剩余不平衡量明顯減小。該方法僅在輕載低阻尼的試驗(yàn)臺(tái)得到了驗(yàn)證,系統(tǒng)線性度高,而現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際轉(zhuǎn)子系統(tǒng)通常是非線性的,因此,該方法需要在非線性度高的試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行進(jìn)一步驗(yàn)證。

LEVECQUEA N[54]利用靜止?fàn)顟B(tài)下的模態(tài)測(cè)試結(jié)果,建立了完整可靠的有限元模型,根據(jù)模型利用影響系數(shù)法對(duì)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子-曲柄施行了動(dòng)平衡。黃金平、王四季等人[55]對(duì)基于模態(tài)平衡法和影響系數(shù)法的混合平衡法進(jìn)行了改進(jìn),并對(duì)該方法進(jìn)行了驗(yàn)證,證明其具有可行性。陳曦[56]提出了一種在準(zhǔn)確測(cè)量轉(zhuǎn)子支撐剛度的前提下,基于有限元模型的模態(tài)動(dòng)平衡方法。

2.3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

唐衛(wèi)新[57]對(duì)某轉(zhuǎn)子熱彎曲故障進(jìn)行了準(zhǔn)確的識(shí)別,并利用模態(tài)平衡法對(duì)轉(zhuǎn)子進(jìn)行了平衡,取得了良好效果。

模態(tài)平衡法實(shí)質(zhì)是一種解析方法,無(wú)法形成固定流程并通過(guò)計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn),因此,其現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用較少。

2.4 小結(jié)

模態(tài)平衡法要求技術(shù)人員對(duì)設(shè)備轉(zhuǎn)子的動(dòng)力特性和支撐系統(tǒng)相關(guān)的知識(shí)有深入的了解,且其平衡的準(zhǔn)確性會(huì)受到轉(zhuǎn)子支撐動(dòng)力特性差異、多跨轉(zhuǎn)子各跨之間相互作用等多種復(fù)雜因素的干擾。

由于現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的轉(zhuǎn)子-軸承系統(tǒng)非常復(fù)雜,無(wú)法準(zhǔn)確計(jì)算其模態(tài)。目前,模態(tài)平衡法通常與影響系數(shù)法結(jié)合使用,為影響系數(shù)法提供了轉(zhuǎn)子動(dòng)力特性的理論支撐。

3 全息動(dòng)平衡技術(shù)

3.1 方法原理

影響系數(shù)法和模態(tài)平衡法都是基于轉(zhuǎn)子各向同性的假設(shè)基礎(chǔ)之上的[58],而實(shí)際上大多數(shù)轉(zhuǎn)子-軸承系統(tǒng)采用的是流體潤(rùn)滑支撐,軸承的剛度和阻尼一般都是各項(xiàng)異性[59],若使用傳統(tǒng)平衡方法可能會(huì)出現(xiàn)較大的平衡誤差。因此,上述兩種方法均有各自明顯的缺點(diǎn)[60]。

基于以上問(wèn)題,屈梁生院士[60]首次提出了基于全息動(dòng)平衡方法的基本概念,該方法的基礎(chǔ)為模態(tài)動(dòng)平衡法?；谌S全息譜的柔性轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡方法,利用三維全息譜表示機(jī)組的振動(dòng),使軸振和加重響應(yīng)直觀化,可利用計(jì)算機(jī)模擬進(jìn)行優(yōu)化。

該方法采集X、Y兩個(gè)方向的振動(dòng)信號(hào),提取工頻的幅值和相位,形成了簡(jiǎn)單的轉(zhuǎn)頻橢圓,如圖2所示。

圖2 移相橢圓

圖2中,轉(zhuǎn)頻橢圓上的基準(zhǔn)點(diǎn)是轉(zhuǎn)子鍵相槽通過(guò)鍵相傳感器的時(shí)刻,該點(diǎn)稱為初相點(diǎn);初相點(diǎn)轉(zhuǎn)頻橢圓上的位置與轉(zhuǎn)子重點(diǎn)在轉(zhuǎn)子截面上的位置相關(guān),轉(zhuǎn)頻橢圓的大小反映了轉(zhuǎn)子不平衡量的大小;把加試重后初相點(diǎn)的向徑R0仍然在原始轉(zhuǎn)頻橢圓上的試重橢圓的初相點(diǎn)連接起來(lái),形成了移相橢圓,最后利用轉(zhuǎn)子的試重軌跡和移相橢圓,完成轉(zhuǎn)子配平[61]。

旋轉(zhuǎn)機(jī)械轉(zhuǎn)子周振中工頻分量的函數(shù)式為:

x=sx·sin(ωt)+cx·cos(ωt)

(8)

y=sy·sin(ωt)+cy·cos(ωt)

(9)

式中:sy,cy—信號(hào)中y的正弦項(xiàng)和余弦項(xiàng)系數(shù);ω—轉(zhuǎn)子回轉(zhuǎn)的圓周頻率。

全息譜軸承支撐處的表達(dá)式如下:

r=[r1,r2,…,rm]
ri=[sxi,cxi,syi,cyi];i=1,2…,m

(10)

式中:r—轉(zhuǎn)頻橢圓參數(shù);m—測(cè)點(diǎn)截面的數(shù)量。

1個(gè)正進(jìn)動(dòng)的橢圓軌跡可以分解為2個(gè)圓軌跡,一個(gè)為正進(jìn)動(dòng),一個(gè)為反進(jìn)動(dòng),全息譜表達(dá)式為:

ei=[rpi,rmi,ai,βi]

(11)

式中:rpi—正進(jìn)動(dòng)圓半徑;rmi—反進(jìn)動(dòng)圓半徑;ai—進(jìn)動(dòng)點(diǎn)處的初相點(diǎn);βi—橢圓長(zhǎng)軸的傾角。

在轉(zhuǎn)子上有a,b,c,…,n個(gè)平衡面,則可得平衡面的全息譜矩陣為:

ra=[sx,ex,sy,cy]
rb,rc,…,rn

(12)

式中:矩陣ra,rb,rc,…,rn—在平衡面A,B,C上配重形成的三維全息譜。

3.2 研究現(xiàn)狀及小結(jié)

自全息動(dòng)平衡技術(shù)被提出之后,國(guó)內(nèi)外學(xué)者通過(guò)實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用證明了其可行性[62-64]。如果轉(zhuǎn)子為剛性轉(zhuǎn)子,或者能精確得知轉(zhuǎn)子滯后角,就可通過(guò)該方法實(shí)現(xiàn)無(wú)試重動(dòng)平衡。全息動(dòng)平衡最理想的方式是直接測(cè)量轉(zhuǎn)子軸振,而且需要轉(zhuǎn)子有多個(gè)測(cè)量平面,每個(gè)平面需要兩個(gè)互相垂直的測(cè)點(diǎn)。該方法必須保證待平衡的轉(zhuǎn)子有外伸軸或者聯(lián)軸器用于標(biāo)記鍵相位置,否則無(wú)法應(yīng)用。

相較于模態(tài)平衡法和影響系數(shù)法,全息動(dòng)平衡能夠更為直觀地反映不同轉(zhuǎn)速下的轉(zhuǎn)子振動(dòng)形態(tài)和不平衡量的分布,為工程技術(shù)人員提供更為完整準(zhǔn)確的轉(zhuǎn)子運(yùn)行信息。但隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展,旋轉(zhuǎn)機(jī)械的軸系結(jié)構(gòu)越來(lái)越復(fù)雜,布局也越來(lái)越緊湊,已無(wú)法滿足全息動(dòng)平衡的使用條件,這使得該方法的應(yīng)用受到了制約。

4 自動(dòng)平衡技術(shù)

對(duì)于大型轉(zhuǎn)子系統(tǒng)而言,停機(jī)帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)損失是巨大的。以上方法并未從根本上解決由于轉(zhuǎn)子不平衡導(dǎo)致停機(jī)的問(wèn)題。對(duì)此,研究人員提出了自動(dòng)平衡的概念[65]。

作為新興的平衡技術(shù),研究人員一般將其作為單獨(dú)的方法進(jìn)行研究,以在設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中,對(duì)因不平衡引起的振動(dòng)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制[66];同時(shí)在現(xiàn)場(chǎng)條件下,在轉(zhuǎn)子原配軸承基座上對(duì)其進(jìn)行平衡。

因此,在線自動(dòng)平衡技術(shù)適用于不平衡量可能隨著設(shè)備運(yùn)行而發(fā)生變化的情況,可以實(shí)時(shí)抑制不平衡振動(dòng),減少設(shè)備大修、返廠次數(shù),提高設(shè)備使用壽命[67]。

4.1 原理及研究現(xiàn)狀

自動(dòng)平衡技術(shù)主要分為被動(dòng)式和主動(dòng)式兩種。

4.1.1 被動(dòng)式自動(dòng)平衡技術(shù)

自動(dòng)球平衡器(ABB)是被動(dòng)式自動(dòng)平衡裝置,可以通過(guò)補(bǔ)償轉(zhuǎn)子不平衡質(zhì)量來(lái)減少旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動(dòng)。它由一系列的球構(gòu)成,這些球被設(shè)定在一個(gè)固定的范圍,可以自由地在軌道中移動(dòng);當(dāng)設(shè)備的運(yùn)行轉(zhuǎn)速遠(yuǎn)大于臨界轉(zhuǎn)速時(shí),利用轉(zhuǎn)子自動(dòng)定心的特性平衡球?qū)⒅匦露ㄎ?從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)平衡[68]。

由于該方法可能導(dǎo)致低轉(zhuǎn)速下設(shè)備振動(dòng)增大[69],ABBs并沒(méi)有得到廣泛的采用。同時(shí),由于該機(jī)構(gòu)本身是非線性的,并且對(duì)轉(zhuǎn)速和初始條件都表現(xiàn)出極大的敏感性,需要先驗(yàn)建模或者模態(tài)識(shí)別,這也限制了其商業(yè)應(yīng)用。SPERLING L還提出了一種剛性轉(zhuǎn)子雙平面自動(dòng)平衡裝置,該裝置需要正確選擇阻尼系數(shù)。但是由于不同轉(zhuǎn)子的剛度和阻尼不同,需要對(duì)轉(zhuǎn)子的運(yùn)動(dòng)情況進(jìn)行充分分析,并選擇合適的參數(shù)設(shè)置,造成其實(shí)際應(yīng)用難度大。

4.1.2 主動(dòng)式自動(dòng)平衡技術(shù)

主動(dòng)式自動(dòng)平衡裝置分為:電磁力平衡和質(zhì)量平衡兩種。電磁平衡主要是利用同頻電磁力直接作用于轉(zhuǎn)子;質(zhì)量平衡主要是利用電機(jī)[70]、電磁環(huán)驅(qū)動(dòng)[71,72]不平衡補(bǔ)償質(zhì)量,或者注液對(duì)轉(zhuǎn)子不平衡量進(jìn)行補(bǔ)償[73]。電機(jī)和電磁環(huán)稱為機(jī)械式自動(dòng)平衡裝置,注液式稱為液體式自動(dòng)平衡裝置,這兩種方式是目前主要的商用自動(dòng)平衡裝置。

由于機(jī)械式平衡裝置需要在轉(zhuǎn)子上裝配額外的機(jī)械裝置,可能造成轉(zhuǎn)子-軸承系統(tǒng)其他的故障,此類裝置一般適用于轉(zhuǎn)速低于10 000 r/min的設(shè)備。而液體式裝置不存在以上問(wèn)題,更適用于高轉(zhuǎn)速設(shè)備。潘鑫[74]就曾對(duì)國(guó)內(nèi)外轉(zhuǎn)子-軸承系統(tǒng)液體式在線自動(dòng)平衡裝置的發(fā)展情況進(jìn)行過(guò)總結(jié)。

主動(dòng)式動(dòng)平衡算法主要是基于影響系數(shù)法[75,76]實(shí)現(xiàn)的。影響系數(shù)法一般需要預(yù)知設(shè)備的可靠的影響系數(shù),但是不同設(shè)備影響系數(shù)是不同的。顧超華提出了一種平衡頭裝置,可以在轉(zhuǎn)子運(yùn)行過(guò)程中,利用自動(dòng)平衡裝置完成對(duì)影響系數(shù)的在線識(shí)別,實(shí)現(xiàn)影響系數(shù)測(cè)算及平衡在線化。但是,該研究?jī)H驗(yàn)證了機(jī)械平衡頭的初步可行性,實(shí)際應(yīng)用時(shí)仍有很多問(wèn)題需要解決[77]。

除影響系數(shù)法外,還有一種直接測(cè)算原始不平衡量位置的方法。該方法對(duì)相位的測(cè)算要求高,僅適用于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、轉(zhuǎn)子運(yùn)行轉(zhuǎn)速遠(yuǎn)低于臨界轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)子-軸承系統(tǒng)線性程度高的設(shè)備。對(duì)于大型復(fù)雜設(shè)備或者柔性轉(zhuǎn)子設(shè)備,該方法不適用。

另外,常用的自動(dòng)平衡方法還有尋優(yōu)平衡法[78,79]。該方法中最為常見(jiàn)的是幅-相輪換尋優(yōu)法,目前已在高端磨床上得到廣泛應(yīng)用。該法的本質(zhì)是計(jì)算機(jī)自動(dòng)試湊,其原理如圖3所示。

圖3中,首先進(jìn)行相位平衡,同方向移動(dòng)2個(gè)配重塊,如果振動(dòng)增大,則反向移動(dòng);如果振動(dòng)減小,則繼續(xù)向該方向移動(dòng),直至確定振動(dòng)最小的位置。

圖3(a,b)是將合成的配平矢量移動(dòng)到原始不平衡量反向位置的過(guò)程;圖3(c)表示幅值平衡,即將2個(gè)平衡塊同時(shí)相向或者反向移動(dòng),以調(diào)整平衡塊夾角的位置,從而調(diào)整合成的配平矢量大小,最終確定振動(dòng)最小的夾角。

4.2 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

目前,自動(dòng)平衡技術(shù)在美國(guó)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)上的列裝,在國(guó)內(nèi)則暫無(wú)相關(guān)報(bào)道。自動(dòng)平衡技術(shù)大大減小了發(fā)動(dòng)機(jī)維護(hù)費(fèi)用,且其平均故障維修時(shí)間幾乎接近于設(shè)備整體設(shè)計(jì)壽命。

國(guó)內(nèi)的在線動(dòng)平衡技術(shù)仍主要處在理論研究階段,但有少量的自動(dòng)平衡技術(shù)已應(yīng)用于高速機(jī)床[80,81]領(lǐng)域,還未在大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械現(xiàn)場(chǎng)得到應(yīng)用。

關(guān)于現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的研究,除了要考慮在線自動(dòng)動(dòng)平衡實(shí)現(xiàn)方法、動(dòng)平衡減振效果外,現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施的可行性也應(yīng)該是重要的考察指標(biāo)。

4.3 小結(jié)

自動(dòng)平衡技術(shù)是目前動(dòng)平衡技術(shù)發(fā)展的最前沿,也是未來(lái)的發(fā)展方向,其核心主要是平衡方法和自動(dòng)平衡結(jié)構(gòu)。近年來(lái),對(duì)于自動(dòng)平衡技術(shù)的研究主要集中在平衡裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面,而對(duì)于平衡方法的研究,則主要是延續(xù)傳統(tǒng)的方法。

有關(guān)自動(dòng)平衡技術(shù)的應(yīng)用,在國(guó)外已經(jīng)實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的自動(dòng)平衡,國(guó)內(nèi)則更多應(yīng)用于車床,并未真正用于大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械。其主要原因是:(1)設(shè)備在設(shè)計(jì)階段未將自動(dòng)平衡裝置考慮在內(nèi);(2)大型設(shè)備不平衡激勵(lì)響應(yīng)更為復(fù)雜,方法的安全性和可靠性需要經(jīng)過(guò)反復(fù)實(shí)驗(yàn)與現(xiàn)場(chǎng)的驗(yàn)證。

5 現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡討論與展望

旋轉(zhuǎn)機(jī)械不斷向著高速化和精密化發(fā)展,其工作轉(zhuǎn)速越來(lái)越高,轉(zhuǎn)子不平衡問(wèn)題也越發(fā)突出,尤其是柔性轉(zhuǎn)子。因此,對(duì)于各種旋轉(zhuǎn)機(jī)械,現(xiàn)場(chǎng)在線動(dòng)平衡在實(shí)際生產(chǎn)中的作用顯得尤為突出。

動(dòng)平衡技術(shù)的發(fā)展是所有現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡的基礎(chǔ),其中的重點(diǎn)和難點(diǎn)是柔性轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡。目前主要通過(guò)模態(tài)平衡法和影響系數(shù)法來(lái)進(jìn)行動(dòng)平衡,其他方法均為這兩種方法的改進(jìn)。這兩種方法在單獨(dú)使用都有明顯的缺點(diǎn):(1)模態(tài)平衡法需要準(zhǔn)確計(jì)算轉(zhuǎn)子模態(tài),對(duì)人員的專業(yè)技術(shù)要求高,計(jì)算難度大;(2)影響系數(shù)法較易實(shí)現(xiàn),但是仍有許多方面需要作進(jìn)一步研究,主要包括振動(dòng)測(cè)試面、配平面的選擇,配平轉(zhuǎn)速的選擇,添加試重的角度和重量,以及影響系數(shù)優(yōu)劣的評(píng)定;目前該方法依賴于現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)或者參考經(jīng)驗(yàn)公式,若想避免現(xiàn)場(chǎng)盲目測(cè)試而導(dǎo)致重復(fù)開(kāi)機(jī),甚至設(shè)備振動(dòng)超標(biāo)[82,83],需要制定更為詳細(xì)的標(biāo)準(zhǔn)和方案。

為了應(yīng)對(duì)以上問(wèn)題,研究人員對(duì)兩種方法的綜合使用進(jìn)行了研究,通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了綜合使用具有較為良好的效果,但現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用仍較少。

出廠前動(dòng)平衡良好的轉(zhuǎn)子可能受到裝配工藝、精度等原因的影響,發(fā)生不平衡故障,而現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡是解決該問(wèn)題的最好方法。由于環(huán)境復(fù)雜測(cè)試條件有限,現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡方法主要為:三圓法和影響系數(shù)法。在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中,上述影響系數(shù)法的問(wèn)題更加突出。

此外,由于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試條件有限,有些情況無(wú)法直接測(cè)試轉(zhuǎn)子的軸振信號(hào),需要將傳感器安裝在軸承座或者機(jī)匣上,甚至有些情況無(wú)法直接測(cè)試轉(zhuǎn)子鍵相信號(hào),因此,轉(zhuǎn)子工頻幅值和相位的準(zhǔn)確提取是影響系數(shù)法動(dòng)平衡的關(guān)鍵。雖然人們對(duì)工頻幅值提取和相位測(cè)算進(jìn)行了大量研究,但其仍需根據(jù)設(shè)備的特點(diǎn)在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行檢驗(yàn)。

在線自動(dòng)平衡是對(duì)轉(zhuǎn)子現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡技術(shù)智能化、自動(dòng)化的應(yīng)用,是未來(lái)的主要發(fā)展方向,其應(yīng)用前景廣闊。自動(dòng)平衡是一種多個(gè)領(lǐng)域、多種技術(shù)交叉融合的新型動(dòng)平衡方法,其基礎(chǔ)主要是轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡技術(shù)、不平衡量實(shí)時(shí)測(cè)算及自動(dòng)補(bǔ)償技術(shù)。其實(shí)現(xiàn)則需要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)部門、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)部門的配合,在設(shè)計(jì)階段將自動(dòng)平衡裝置所需結(jié)構(gòu)和輔助系統(tǒng)考慮在內(nèi)。因此,以上所述也是制約自動(dòng)平衡裝置實(shí)際應(yīng)用的主要原因。在線自動(dòng)平衡目前仍在發(fā)展階段,在逐漸完善平衡技術(shù)的同時(shí),還需要將裝置可實(shí)施性考慮在內(nèi)。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡技術(shù)做了大量的研究和試驗(yàn),但是現(xiàn)場(chǎng)不平衡問(wèn)題仍然突出。由于現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡測(cè)試分析難度大、可靠性不足,平衡效果不盡理想,設(shè)備使用部門和人員對(duì)現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡認(rèn)可度不足,導(dǎo)致動(dòng)平衡問(wèn)題的解決方法仍然多為返廠或者現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行拆解、維修[84-87],以及對(duì)轉(zhuǎn)子重新做動(dòng)平衡。因此,現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡在提高動(dòng)平衡精度的同時(shí),應(yīng)向著集成化、高效化、普適化發(fā)展。

為將轉(zhuǎn)子不平衡對(duì)設(shè)備的影響降到最低,轉(zhuǎn)子出廠動(dòng)平衡、現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡及在線自動(dòng)平衡3種技術(shù)缺一不可。出廠動(dòng)平衡是所有轉(zhuǎn)子具有良好的平衡效果的基礎(chǔ);現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡技術(shù)可以彌補(bǔ)在裝配過(guò)程中產(chǎn)生的不平衡對(duì)設(shè)備的影響;而在線自動(dòng)平衡可應(yīng)對(duì)突發(fā)不平衡故障,使設(shè)備保持良好的運(yùn)行狀態(tài),為設(shè)備停機(jī)整修時(shí)間的選取提供依據(jù)。

因此,3種動(dòng)平衡技術(shù)的協(xié)同應(yīng)用,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)每臺(tái)旋轉(zhuǎn)設(shè)備形成一套“出廠可以平,停機(jī)可以修,運(yùn)行可以調(diào)”的三維一體動(dòng)平衡體系,為旋轉(zhuǎn)機(jī)械的安全運(yùn)行保駕護(hù)航。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)目前旋轉(zhuǎn)機(jī)械現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡方法的研究及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用進(jìn)行了歸納、總結(jié),并提出了目前現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡技術(shù)亟需解決的問(wèn)題。

旋轉(zhuǎn)機(jī)械現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡方法研究進(jìn)展?fàn)顩r為:

(1)現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡方法主要基于模態(tài)平衡法和影響系數(shù)法,其他方法多為該兩種方法的延伸和變形。兩種方法單獨(dú)使用均有明顯的缺陷,結(jié)合使用具有良好的效果,但是目前該方法仍在實(shí)驗(yàn)階段,現(xiàn)場(chǎng)整機(jī)應(yīng)用案例較少;

(2)現(xiàn)場(chǎng)整機(jī)動(dòng)平衡應(yīng)用主要以影響系數(shù)法為主,該方法便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化,但是盲加試重導(dǎo)致的振動(dòng)是不可忽略的問(wèn)題。國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者對(duì)無(wú)試重方法進(jìn)行了大量研究,其可實(shí)施性仍待驗(yàn)證;

(3)在線自動(dòng)平衡是未來(lái)發(fā)展的主要方向,動(dòng)平衡技術(shù)的發(fā)展是其理論基礎(chǔ)。此外,如何實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)子平衡狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、診斷及調(diào)控是該技術(shù)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。針對(duì)以上問(wèn)題,國(guó)內(nèi)進(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn)研究,對(duì)在實(shí)際設(shè)備上列裝還有一定距離。

現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡方法亟需研究的問(wèn)題有:

(1)發(fā)展動(dòng)平衡技術(shù)。繼續(xù)發(fā)展和完善動(dòng)平衡理論,現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡方法應(yīng)該以現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用為前提,提高現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡的可靠性和普適性,以及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效率;總結(jié)規(guī)律,將現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡規(guī)范化、自動(dòng)化,降低對(duì)專業(yè)技術(shù)人員的依賴程度;

(2)旋轉(zhuǎn)機(jī)械加入動(dòng)平衡結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。在設(shè)備設(shè)計(jì)階段就將動(dòng)平衡結(jié)構(gòu)考慮在內(nèi),從而降低現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡的條件限制和操作難度;

(3)推廣現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。由于整機(jī)系統(tǒng)復(fù)雜,諸多約束條件和影響因素導(dǎo)致現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡具有一定的不確定性,企業(yè)現(xiàn)場(chǎng)認(rèn)可度不高。而實(shí)際上,對(duì)于同一類設(shè)備,在充足的理論研究和實(shí)驗(yàn)?zāi)M的條件下,現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡可以滿足企業(yè)需求。