基于諧分量-影響系數(shù)法的轉(zhuǎn)子動平衡計(jì)算軟件開發(fā)與應(yīng)用

何冬輝，史曉波，李知俊

(遼寧東科電力有限公司，遼寧 沈陽 110179)

影響系數(shù)法和諧分量法是現(xiàn)場在線動平衡常用的2種方法。影響系數(shù)法是基于線性振動理論，根據(jù)單面或多面初始振動和試加重振動值，依次求得對應(yīng)影響系數(shù)并最終得出校正質(zhì)量[1-2]。諧分量法是基于振型分離法，將轉(zhuǎn)子端部2個平面的振動原始值、試加重量值和試重后振動值進(jìn)行矢量分解，分解成2個對稱和反對稱分量，然后經(jīng)矢量計(jì)算得到最終校正質(zhì)量[3]。影響系數(shù)法動平衡步驟簡單清晰，受各種干擾因素影響小，但需要逐個平面進(jìn)行加重試驗(yàn)，導(dǎo)致機(jī)組啟停次數(shù)較多，能耗大且效率低。與影響系數(shù)法相比，諧分量法雖能減少機(jī)組啟動次數(shù)，但其平衡精度受干擾因素也較多，例如支撐動力特性差異、轉(zhuǎn)子軸向不對稱性等[4]。本文將影響系數(shù)法和諧分量法結(jié)合，提出一種在轉(zhuǎn)子不同振型的正交性無法滿足的情況下，對影響系數(shù)法和諧分量法進(jìn)行改進(jìn)應(yīng)用，從而減少開機(jī)次數(shù)，提高動平衡效率和精度。

由于諧分量-影響系數(shù)法矢量運(yùn)算復(fù)雜，為提高動平衡計(jì)算結(jié)果精度，基于Vaadin Web開發(fā)框架[5]，采用JAVA面向?qū)ο缶幊陶Z言，開發(fā)動平衡計(jì)算軟件，從而更好幫助現(xiàn)場工程人員解決動平衡問題。

1 諧分量-影響系數(shù)平衡原理

諧分量法基于振型分離，轉(zhuǎn)子奇次振型的不平衡分布引起對稱振動分量，偶次振型的不平衡分布引起反對稱振動分量，兩者之間互不干擾。這樣就可以在轉(zhuǎn)子2個校正平面上同時進(jìn)行正反分量試加重或配重，從而同時降低2種振型的振動值，例如：在轉(zhuǎn)子上進(jìn)行對稱分量配重，可降低一階振型的振動，在轉(zhuǎn)子上進(jìn)行反對稱分量配重，可降低二階振型的振動。但在運(yùn)用諧分量法動平衡前，需判斷轉(zhuǎn)子正交性前提條件是否滿足，即轉(zhuǎn)子對稱分量只受對稱型式加重影響，轉(zhuǎn)子的反對稱分量只受反對稱型式加重影響[6]。如果前提條件不滿足，將降低計(jì)算結(jié)果的可靠性。因此，諧分量法常用于軸向基本對稱雙支撐的轉(zhuǎn)子，如發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子和汽輪機(jī)低壓轉(zhuǎn)子。

1.1 正交性前提條件滿足情況

諧分量法基本步驟如下。

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

d.根據(jù)原始振動和試重后振動正、反分解，分別計(jì)算正、反分量加重的影響系數(shù)：

(7)

e.根據(jù)上述計(jì)算出的正、反分量影響系數(shù)，分別應(yīng)用影響系數(shù)法計(jì)算對稱正、反分量加重：

(8)

f.在2個平面上將正、反分量加重合成，得到2個平面上的校準(zhǔn)加重量：

(9)

1.2 正交性前提條件不滿足情況

當(dāng)轉(zhuǎn)子正交性前提條件不成立情況下，可將諧分量-影響系數(shù)法變通應(yīng)用，即不將轉(zhuǎn)子兩端試配重P1、P2分解為對稱和反對稱配重，而是將其視為整體配重1 g∠0o，計(jì)算加重影響系數(shù)。然后根據(jù)影響系數(shù)法求出2個平面的配重比例系數(shù)Q，平面A應(yīng)加配重為Q×P1，平面B應(yīng)加配重為Q×P2，其具體步驟如下。

(10)

(11)

(12)

(13)

g.基于上述配重比例系數(shù)，重新分配轉(zhuǎn)子2個平衡面的校正質(zhì)量：

(14)

(15)

2 軟件開發(fā)

2.1 開發(fā)框架及技術(shù)特點(diǎn)

隨著移動互聯(lián)網(wǎng)高新技術(shù)發(fā)展，眾多便捷移動終端得到廣泛使用，如平板電腦、智能手機(jī)，以獲得更加豐富的功能體驗(yàn)。與傳統(tǒng)桌面應(yīng)用程序相比，Web應(yīng)用程序在交互性和兼容性方面優(yōu)勢突出，已在各種移動終端得到廣泛應(yīng)用。Vaadin是一個前端的創(chuàng)建Java Web應(yīng)用程序的優(yōu)秀開源框架，以功能完善種類豐富的UI組件形式將高性能數(shù)據(jù)呈現(xiàn)在客戶端Web瀏覽器，能兼容不同移動終端系統(tǒng)，既降低開發(fā)量，又提高開發(fā)效率。

Vaadin技術(shù)特點(diǎn)和功能如下。

a.服務(wù)器端：Vaadin服務(wù)器端基于Java Servlet API，以Servlet形式運(yùn)行在Java Web服務(wù)器中，接收來自不同客戶端發(fā)出的請求，跟蹤Session Cookies并解釋該用戶Session的事件。事件與UI組件綁定，事件監(jiān)聽器負(fù)責(zé)監(jiān)聽組件狀態(tài)變化。UI組件若有任何變化，Vaadin服務(wù)器端將立即做出響應(yīng)并刷新頁面內(nèi)容，無需等待用戶請求[7]。

b.客戶端：Vaadin客戶端引擎基于Google Web Toolkit，以JavaScript形式運(yùn)行在客戶端瀏覽器，無需Flash、Java Applets等瀏覽器插件(plugin)的支持，兼容多種瀏覽器，實(shí)現(xiàn)了跨瀏覽器能力。

c.UI組件：Vaadin提供功能完善并具備可擴(kuò)展性的UI組件，服務(wù)器端豐富的UI組件采用Java語言編寫，由客戶端引擎負(fù)責(zé)呈現(xiàn)在瀏覽器上。組件內(nèi)部能夠?qū)崿F(xiàn)事件——監(jiān)聽器事物處理，并快速返回處理結(jié)果。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

2.2.1 總體設(shè)計(jì)

基于諧分量-影響系數(shù)法的轉(zhuǎn)子動平衡計(jì)算軟件在主要面向PC、Pad和智能手機(jī)等跨平臺、跨終端的實(shí)現(xiàn)，其功能模塊主要有用戶數(shù)據(jù)輸入、計(jì)算結(jié)果顯示和動平衡塊安裝圖示。系統(tǒng)采用MVC架構(gòu)模式，Model層負(fù)責(zé)提供數(shù)據(jù)及對數(shù)據(jù)的存取操作，View層通過Web瀏覽器展示系統(tǒng)運(yùn)行界面，用于接受用戶輸入的數(shù)據(jù)，并且展示數(shù)據(jù)，為用戶提供一個友好的操作界面，Controller層負(fù)責(zé)業(yè)務(wù)邏輯處理,也是連接View層和Model層的橋梁，其通信都是通過Controller處理?；赩aadin的B/S技術(shù)架構(gòu)模式的諧分量-影響系數(shù)法轉(zhuǎn)子動平衡計(jì)算系統(tǒng)的架構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示。

2.2.2 業(yè)務(wù)流程

用戶與系統(tǒng)UI組件之間的交互操作是基于事件機(jī)制，系統(tǒng)服務(wù)器端實(shí)現(xiàn)動平衡計(jì)算功能，通過應(yīng)用程序的業(yè)務(wù)邏輯與用戶界面通信，能及時反饋給用戶所需要信息。當(dāng)Servlet容器中的終端適配器接受到客戶端引擎發(fā)送來的數(shù)據(jù)輸入，Web服務(wù)器接受用戶請求并調(diào)用功能計(jì)算模塊進(jìn)行業(yè)務(wù)處理。UI組件作為事件機(jī)制被觀測的對象，事件監(jiān)聽器則監(jiān)測UI組件的動態(tài)變化。當(dāng)用戶操作客戶端UI組件時，將觸發(fā)Vaadin的事件機(jī)制，監(jiān)聽器將接到事件傳送的消息，然后依據(jù)程序業(yè)務(wù)邏輯進(jìn)行相關(guān)業(yè)務(wù)處理。

當(dāng)用戶進(jìn)入諧分量-影響系數(shù)法動平衡計(jì)算界面，輸入原始測量數(shù)據(jù)，UI組件檢查數(shù)據(jù)輸入合法性和完整性，一旦檢測到非法字符將要求用戶重新輸入。數(shù)據(jù)輸入完整后，點(diǎn)擊界面右下角“計(jì)算”按鈕，該按鈕組件上所綁定的事件監(jiān)聽器立即觸發(fā)Button.ClickEvent事件，該事件處理器將用戶輸入數(shù)據(jù)傳送至服務(wù)器端UI組件。服務(wù)器端組件通過事件處理邏輯(Button.ClickListener監(jiān)聽事件)獲取用戶數(shù)據(jù)輸入，內(nèi)部判斷數(shù)據(jù)輸入合法性，并將合法字符串轉(zhuǎn)換為數(shù)值，由邏輯處理代碼調(diào)用相應(yīng)的功能計(jì)算模塊進(jìn)行計(jì)算。由于服務(wù)器端UI組件與計(jì)算結(jié)果綁定，當(dāng)終端適配器檢測到UI組件的狀態(tài)變化時便作出響應(yīng)，再將響應(yīng)傳送至客戶端瀏覽器，最終將計(jì)算結(jié)果呈現(xiàn)在用戶客戶端Web界面。

2.3 軟件實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)在基于Vaadin Web開發(fā)框架基礎(chǔ)上，為降低開發(fā)量和提高效率，充分利用Vaadin Add-ons各種成熟應(yīng)用插件進(jìn)行Web界面渲染[8]，以達(dá)到系統(tǒng)界面美觀和功能完善，其具體配置如下：開發(fā)平臺為Eclipse(Version: Neon)；開發(fā)語言為Java；Web框架為Viddin v7.0；服務(wù)器為tomcat v9.0;Vaadin Add-ons插件包括NumberField(數(shù)據(jù)輸入插件)、jcommon和jfreechart(圖形插件)和JFreeChart wrapper(圖形打包插件)。

3 實(shí)例應(yīng)用分析

某新建機(jī)組汽輪機(jī)為東方汽輪機(jī)廠有限責(zé)任公司制造的超高壓、一次中間再熱、單軸、沖動式、雙缸雙排汽汽輪機(jī)，型號為N150-13.24/535/53。機(jī)組軸系示意圖如圖2所示。

該機(jī)組過臨界轉(zhuǎn)速時發(fā)電機(jī)原始振動較大，其4、5瓦的原始振動值分別為80 μm∠53°、130 μm∠183°，經(jīng)頻譜分析，以基頻分量為主，轉(zhuǎn)速穩(wěn)定時振動基本穩(wěn)定，該振動性質(zhì)為穩(wěn)定的普通強(qiáng)迫振動。由于瓦振很小，實(shí)際測量軸承座各連接部件的振動值差異很小，可排除軸承座支撐動剛度不足原因，其振動是由轉(zhuǎn)子激振力引起，可判斷發(fā)電機(jī)存在一定不平衡量，決定對其進(jìn)行動平衡。經(jīng)正、反分量計(jì)算，其正、反分量分別為50 μm∠145°、96 μm∠21°，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子兩端振型以反向分量為主，基于振型平衡原理，首先需降低反向分量振幅值，可在4、5瓦施加反對稱加重，即在4、5瓦分別加試重300 g∠95°、300 g∠275°。第1次加重后，4、5瓦振動分別為22 μm∠293°、105 μm∠150°。打開諧分量-影響系數(shù)法轉(zhuǎn)子動平衡計(jì)算系統(tǒng)，將以上參數(shù)輸入，其步驟如下：

用戶進(jìn)入系統(tǒng)后，點(diǎn)擊左側(cè)菜單“雙面平衡”后，選擇諧分量-影響系數(shù)法：分別輸入4、5瓦原始振動“振幅”和“相位”;分別輸入4、5瓦同時試加重的“質(zhì)量”和“安裝角度”;分別輸入4、5瓦試加重后的“振幅”和“相位”;選擇試加重是否去掉。

點(diǎn)擊“計(jì)算”按鈕，可得出平面A、B的正、反對稱影響系數(shù)和最終校準(zhǔn)質(zhì)量，計(jì)算結(jié)果如圖3所示。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，可顯示平衡塊安裝示意圖，動態(tài)顯示試加重、校準(zhǔn)質(zhì)量的平衡塊安裝位置，可指導(dǎo)現(xiàn)場平衡塊快速安裝，如圖4所示。

經(jīng)過第1次試配重后，4、5瓦的振動幅值和相位變化明顯，但4瓦Y向軸振還是比較大，經(jīng)正反分量計(jì)算，4、5瓦軸振仍以反向分量為主。在此基礎(chǔ)上，通過諧分量-影響系數(shù)法重新計(jì)算配重校準(zhǔn)質(zhì)量，在保留上次加重情況下，分別在4、5瓦側(cè)配重220 g∠0°和220 g∠180°。機(jī)組重新啟動定速后，發(fā)電機(jī)4、5瓦軸振均穩(wěn)定在40 μm左右，振動達(dá)優(yōu)良水平。

4 結(jié)論

a.經(jīng)實(shí)踐驗(yàn)證，諧分量-影響系數(shù)法的優(yōu)點(diǎn)是機(jī)組的啟動平衡次數(shù)少，但在轉(zhuǎn)子不同振型正交性無法滿足的情況下，需進(jìn)行變通應(yīng)用，使其平衡精度滿足工程要求。

b.基于諧分量-影響系數(shù)法開發(fā)的動平衡計(jì)算軟件不僅節(jié)約調(diào)試人員在現(xiàn)場解決動平衡問題時間，而且通過軟件計(jì)算還可達(dá)到更加精確的加重方案，以及通過圖來顯示配重信息更加具有現(xiàn)場指導(dǎo)性。

c.基于Vaadin框架開發(fā)的諧分量-影響系數(shù)法轉(zhuǎn)子動平衡計(jì)算軟件完全采用Java面向?qū)ο笳Z言實(shí)現(xiàn)可跨平臺、跨終端運(yùn)行，解決了客戶端瀏覽器兼容性問題，實(shí)現(xiàn)了用戶差異化需求，后續(xù)可擴(kuò)展更多的功能模塊，優(yōu)化系統(tǒng)性能。