自動平衡技術的研究進展

汪振威 陳彥飛 郭玉兵 韓亞楠 楊馥瑞 趙強 劉家聰

國家知識產權局專利局專利審查協(xié)作北京中心，北京 100190

自動平衡技術的研究進展

汪振威 陳彥飛 郭玉兵 韓亞楠 楊馥瑞 趙強 劉家聰

國家知識產權局專利局專利審查協(xié)作北京中心，北京 100190

旋轉機械在運行過程中，經常會產生振動，而劇烈的振動會帶來巨大的安全隱患，因此在工業(yè)生產中，減少轉子的振動，保持轉子運行平衡成為一項關鍵的技術.而最初的轉子平衡方法往往是當轉子產生劇烈振動時，先停機再進行轉子的平衡校正即離線平衡校正，而隨著平衡技術的發(fā)展，自動平衡技術越來越得到大家的重視，并取得了一定成果，本文對國內外各種旋轉機械在線自動平衡技術進行了綜述，并討論了自動平衡技術的最新研究成果，并對自動平衡技術的未來研究方向進行了展望。

旋轉機械 自動平衡 振動

rotating machinery；automatic balancing；vibration

引言

現(xiàn)代過程工業(yè)如石化、冶金、電力等行業(yè)，離心壓縮機、風機、煙氣輪機、汽輪機以及發(fā)電機組等旋轉機械不僅為生產過程中的流體提供動力，而且對工藝流程中能量的回收起到了關鍵作用。而這類轉子系統(tǒng)在運行過程中，因轉子的不平衡而引起的振動是常見的故障，嚴重的可能導致系統(tǒng)停車或減負荷運行，造成巨大的經濟損失，為了解決這些問題，傳統(tǒng)的平衡方法是先停機再進行離線平衡，而這種平衡方法由于需要反復停機，不利于工業(yè)生產，而在線自動平衡技術能夠實現(xiàn)在不停止運行的情況下對轉子進行平衡，而且能在其長期運行期間調整不平衡狀態(tài)，從而使其長期運行在平衡狀態(tài)中，因此自動平衡技術也越來越被大家重視，越來越多的專家學者開始研究自動平衡技術，并取得了一定的研究成果，并被成功地運用到一些工程實踐中[1-3]。

1.自動平衡技術

自1877年第一臺自動平衡器在美國問世已來，自動平衡裝置得到廣泛的重視，品種越來越多。歸納起來可分為三大類,第一類是從質量方面著手，通過加重去重方法直接將平衡圓盤的幾何中心移到旋轉中心，稱之為直接在線動平衡裝置，包括噴涂法、噴液法及激光去重法等。第二類是采用力的方法，即給圓盤長期提供與不平衡力 方向相反、大小相等的力，當圓盤旋轉時，將其重心強行拉到旋轉中心，稱為間接在線動平衡裝置，如采用電磁軸承方法及電磁圓盤方法等。第三種是通過某種方式改變平衡頭(盤)內部質量分布(不加重,也不去重)，使其幾何中心與旋轉中心重合，質量的重新分布可通過機械方法或電磁方法進行，稱這種平衡裝置為混合型在線動平衡裝置。在線動平衡裝置的分類情況如圖1所示[4]。

圖1 在線自動平衡裝置分類圖

1.1 直接在線自動平衡裝置

1.1.1 噴涂型在線動平衡裝置這是一種加重式在線自動平衡裝置，裝置原理圖如圖2所示。

圖2 噴涂型自動平衡裝置

通過噴射槍將高粘度物質噴射到轉子上，改變轉子重心位置，實現(xiàn)轉子動平衡。1980年Cusarow提出了此方法。1987年Smalley等人采用計算機控制噴槍噴射的時刻和時間，增強了該方法的實用性[5]。這種平衡方法存在的問題是高粘度噴射物質以高速噴射并粘附在轉子上，根據mv＝ft，在很短的時間內產生較大的沖擊，使轉子產生新的不平衡量，噴射物質粘附在轉子上,嚴重影響轉子表面質量，此外，噴射速度限制了轉子的旋轉速度，這種平衡裝置一般用在小型旋轉機械或精密儀器制造生產線上。

1.1.2 噴液型在線動平衡裝置

這也是一種加重式在線動平衡裝置。在轉子端部裝上噴液平衡頭，平衡頭的結構如圖3所示。

圖3 噴液型自動平衡裝置

根據所測到轉子振動信號，由單片機或微機控制噴槍，將液體噴射到平衡頭上相應的容腔中，以改變平衡頭的重心位置，達到在線動平衡。浙江大學等單位在這方面已取得實質性的突破[6]，平衡效果較好。目前這種平衡裝置已用到磨床上，但該裝置存在一些問題：①由于容腔容量有限，平衡能力受到限制。②容腔中液體揮發(fā)，影響平衡精度。

1.1.3 激光去重在線動平衡裝置

如圖4所示為激光去重在線自動平衡裝置。通過控制脈沖激光束的發(fā)射時間、脈沖寬度及能量大小，使轉子材料在微秒量級時間內氣化，改變轉子的幾何中心，從而對轉子系統(tǒng)進行動平衡。80年代初期Memuth等人研制出這種平衡裝置。這種方法易于控制，平衡精度高。但也存在一些問題：①通過激光束使轉子上的金屬氣化，留下許多傷痕，降低轉子的疲勞極限，縮短了轉子系統(tǒng)的使用壽命。②平衡過程中產生飛邊、毛刺和氧化物，嚴重影響表面質量。③金屬氣化過程中，金屬微粒以蒸汽的形式散在空氣中，污染環(huán)境，危害人體健康。④由于激光束短時氣化微量金屬，平衡能力受到限制。所以，激光在線動平衡對于汽輪機組、大型壓縮機等巨型轉子系統(tǒng)的平衡是不適用的，一般只適用于小型機構的平衡，如牙鉆、陀螺儀等。

圖4 激光自動平衡裝置

1.2 間接在線動平衡裝置

這種裝置是在平衡頭(盤)上加上與不平衡離心力大小相等、方向相反的力，抵消不平衡量，達到轉子系統(tǒng)的動平衡。主要包括電磁軸承型在線動平衡及電磁圓盤型在線動平衡。這類裝置的平衡原理基本一致，通過變頻器在電磁軸承處或平衡圓盤處，長期為轉子系統(tǒng)提供與轉子旋轉角速度相同頻率的平衡電磁力，實現(xiàn)轉子系統(tǒng)的在線動平衡。它有一個嚴重不足，就是轉子在運行過程中一直受平衡電磁力的作用，對于長期運行的旋轉機械來說，能耗大。另外，這類平衡裝置結構復雜，幾何尺寸較大，而且成本高，一般用于不長期運行的小型旋轉機械。

1.3 混合型在線動平衡裝置

混合型在線動平衡基本原理,由檢測系統(tǒng)測量轉子系統(tǒng)的振動信號，通過控制系統(tǒng)，改變裝在轉子軸上并與轉子系統(tǒng)一起旋轉的平衡頭內部的質量分布，產生大小、方向可控的平衡力，以平衡轉子系統(tǒng)的不平衡激振力。平衡頭內部質量的分布一般是由兩個平衡質量塊來調節(jié)的。根據驅動平衡質量塊移動方式及控制方式的不同，混合在線動平衡裝置可分為電動機型、遙控型及電磁型在線動平衡裝置。電動機型混合在線動平衡裝置是指平衡質量塊是由電動機驅動，而電動機則是通過電刷與控制系統(tǒng)相聯(lián)接的。遙控型混合在線動平衡裝置是指平衡質量塊是由電動機驅動，電動機則是由控制系統(tǒng)無線遙控的(如微波遙控、紅外遙控及超聲波遙控等)。所謂電磁型混合在線動平衡裝置是通過電磁力拖動平衡質量塊相對平衡頭移動的動平衡裝置。

目前國外技術比較成熟而且應用廣泛的有電磁式自動平衡[7]和液壓自動平衡[8]，電磁型自動平衡裝置主要由以下三個部分組成：檢測器、控制器和平衡執(zhí)行機構。平衡執(zhí)行機構是由與機殼連接的靜環(huán)和連接在旋轉軸上的動環(huán)組成。這種自動平衡系統(tǒng)控制原理是基于影響系數(shù)的自適應主動閉環(huán)控制。自適應影響系數(shù)控制系統(tǒng)在機器旋轉時，精確快速地調節(jié)配重盤的位置，可以在數(shù)秒內完成多平面上的不平衡質量校正，實現(xiàn)在線自動平衡。在美國、歐洲機械加工領域的高速機床主軸等領域推廣應用，取得了巨大的經濟效益。而液壓自動平衡系統(tǒng)主要由四個部分組成：被控轉子、信號采集器、控制器和執(zhí)行器，當被測轉子產生不平衡量時，由振動傳感器檢測到的振動信號送入A/D轉換器中，進行峰值采樣，輸送到控制器內。如果采樣值大于控制器內部設定的門檻值，則控制器向電磁閥發(fā)送信號，開始噴液平衡；控制器根據得到的不平衡量的大小和相位值計算出閥門單元的三個電磁閥各自所需的開啟時間。冷卻液泵將經過預過濾器的冷卻液輸送到閥門單元上，通過噴嘴單元將冷卻液噴入平衡容器里，實現(xiàn)不平衡量的補償。平衡后的效果反饋到控制器，再重復前面操作，實現(xiàn)無停機的在線自動平衡。而液壓自動平衡主要運用于高精度的磨床機械，而在石化和電力領域大功率透平機械，如汽輪機、燃氣輪機、壓縮機等領域還沒有得到推廣應用，將該技術在這些領域的推廣應用將是未來的發(fā)展任務。

2 自動平衡技術的研究趨勢

隨著機組結構的復雜化，轉子碰摩、轉子裂紋振動、汽封汽膜激振和蒸汽激振等帶有非線性特征的故障日益突出，眾多研究者把目光都投向了非線性振動領域，但由于上述動力學方程的復雜性，這些研究都處于發(fā)展和完善中，在此過程中，計算分析與理論研究和工程應用是同步發(fā)展的。旋轉軸系的臨界轉速、不平衡響應、穩(wěn)定性分析以及瞬態(tài)響應計算是彎振研究的主要內容。在振動機理和計算分析研究的同時，人們也在探尋利用振動特征進行機組故障診斷的理論和方法。國外對該問題研究較早，美國是最早從事汽輪機故障診斷研究的國家之一，目前從事這方面研究的機構有EPRI及部分電力公司、西屋、Bently、IRD、CSI等公司；日本也很重視診斷技術的研究，目前從事這方面研究的機構有東芝電氣、日立電氣、富士和三菱重工等;而歐洲的法國電力部門(EDF)、瑞士ABB公司、德國西門子公司、丹麥B&K公司等也都在從事這方面研究。隨著機組的運行安全越來越重要，國內的學者也開始研究旋轉軸系的振動，北京化工大學的高金吉院士將系統(tǒng)科學醫(yī)學的知識運用到旋轉軸系的研究中去，提出了“裝備醫(yī)工程”的新概念，其思想是在系統(tǒng)論指導下，移植現(xiàn)代醫(yī)學“自主調理”治療原理，研究以故障預防和自愈為目標的過程裝備自主調控原理，探討改變裝備完全靠人去“治愈”的傳統(tǒng)維修方式，開發(fā)出故障自愈調控系統(tǒng)[9-10]。

3 結語

自動平衡技術出現(xiàn)以來，人們研究出了多種自動平衡裝置，不僅在實驗室的簡單設備中得到應用，而且也越來越多的應用到車床和磨床等小型設備[11-13]，并取得了不錯的效果，目前也越來越多的嘗試將這些自動平衡裝置運用到大型流程工業(yè)中，如汽輪機、離心機和壓縮機等，但是其平衡效果與應用在車床和磨床等小型設備上的效果相比還有一定的差距，尤其是在大型的復雜軸系中，因此，將自動平衡技術應用到大型流程工業(yè)中的旋轉機械尤其是復雜軸系中來解決振動問題將成為未來自動平衡技術的研究重點。

[1] 盧世忠, 包磊, 劉立平. 煙氣輪機運行中動平衡破壞的原因分析及維護措施[J]. 化工機械,2003, 30(6): 372～374

[2] Hredzak Branislav，Guo Guoxiao.Investigation of the feasibility of active balancing of hard disk drives[J].Mechantronics，2004，4(7): 853～859.

[3] 何立東, 沈偉, 高金吉. 轉子在線自動平衡及其工程應用研究的進展[J].力學進展,2006, 36(4): 553～563

[4] 歐陽紅兵, 曾勝, 汪希萱. 轉子系統(tǒng)在線動平衡綜述及展望[J]. 機械強度, 1997,19(4):20～24

[5] Smalley A. J, Spray R. Automated Balancing of Rotors: Concept and Initial Feasibility Study. J. of Engineering for Gas Turbines and Power, 1989, 111(4) : 659～665

[6] 王宇. 用單個噴射式平衡頭實現(xiàn)撓性轉子在線動平衡[D].浙江: 浙江大學, 1993

[7] 何立東, 沈偉, 劉錦南, 等. 雙平面和單平面主動平衡控制轉子振動的對比實驗研究[J]. 中國電機工程學報, 2005, 25(23):106～109.

[8] 賀世正. 釋放液體式自動平衡頭的研究[J].浙江大學學報, 2001, 35(4): 418～422

[9] 高金吉, 繆紅燕, 徐鴻, 王維民. 電機組軸系振動原因及其控制[J]. 電機技術,2004.8: 54～55

[10] 繆紅燕. 高速透平機械多轉子系統(tǒng)虛擬動平衡及耦聯(lián)優(yōu)化研究[D]. 北京: 北京化工大學,2004

[11] Van de Vegte J, Lake R T. Balancing of rotating system during operation[J]. Journal of Sound and Vibration, 1978, 51(2): 225～235.

[12] Lee C W, John Y. Automatic model balancing of flexible rotors during operation, computer controlled balancing bend[J]. Proceedings of Institution of Mechanical Engineers, 1990, 204(C): l9～28

[13] 李長河, 原所先, 修世超, 等. 超高速磨削中的砂輪自動平衡技術[J]. 新技術新工藝,2004(5): 29-31

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：碩士研究生，目前從事離心機等大型旋轉機械的發(fā)明專利的審查工作。