李新軍，梁志剛

（北京化工大學(xué)，北京 100029）

轉(zhuǎn)子自動平衡研究主要包括平衡頭設(shè)計、平衡控制算法、振動信號處理與辨識三個部分。

一、平衡頭設(shè)計

根據(jù)平衡頭產(chǎn)生不平衡量的方式不同可以將目前已研制的平衡頭分為質(zhì)量變分布式、質(zhì)量變化式和作用力式三類。本課題主要研究對象主要是電磁式平衡頭與注液式平衡頭。

電磁式平衡頭屬于質(zhì)量變分布式平衡頭。通過平衡頭的內(nèi)部電機或外部電磁場驅(qū)動平衡頭內(nèi)質(zhì)量塊或質(zhì)量不對稱環(huán)移動，從而使平衡頭的質(zhì)量分布發(fā)生變化。根據(jù)不平衡量調(diào)整方式不同可以進一步分為徑向調(diào)節(jié)式和周向調(diào)節(jié)式。

1.徑向調(diào)節(jié)式

平衡頭由微電機帶動絲桿或蝸輪蝸桿使質(zhì)量塊沿徑向移動，可以產(chǎn)生一個此方向上的不平衡矢量，其方向一定而大小有變化，運動方向互相垂直的兩個質(zhì)量塊可以組合出任意方向的不平衡矢量。如華中理工大學(xué)張鴻海等人研制的智能砂輪在線平衡儀。

2.周向調(diào)節(jié)式

平衡頭質(zhì)量塊沿周向移動，不平衡矢量大小一定而方向變化，兩個以上周向運動的質(zhì)量塊可以組合出任意方向任意大小的不平衡矢量。例如：浙江大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)的電磁式平衡頭、美國LORD公司的自動平衡頭等。這也是本課題中電磁式平衡頭所采用的調(diào)節(jié)方式。

注液式平衡頭屬于流體質(zhì)量變化式平衡頭。通過向平衡頭儲液室注入液體在線不停機調(diào)節(jié)配重。由于在平衡盤上沒有活動機械部件，注液式平衡頭加工制造相對簡單、動作可靠，但注液式平衡頭上各儲液室內(nèi)液體只注入不排出，一定時間后易達到飽和進而喪失調(diào)節(jié)能力，所以不適合長期反復(fù)調(diào)節(jié)。

針對單一注液式平衡頭的缺點，浙江大學(xué)賀世正等通過電磁閥釋放滿液腔室中的液體以期達到長期使用的目的，但制造難度增加，可靠性反而降低，調(diào)節(jié)效果不理想。

北京化工大學(xué)張鵬等人于2005年提出了連續(xù)注排式液體轉(zhuǎn)子自動平衡頭，并采用脈碼調(diào)制和脈寬調(diào)制混合模式流量調(diào)節(jié)方法在平衡頭長周期運行問題上獲得了一定的突破。

二、平衡算法

剛性轉(zhuǎn)子與撓性轉(zhuǎn)子的平衡算法差異較大。對于剛性轉(zhuǎn)子，任何不平衡均可歸結(jié)為一個力不平衡與一個力矩不平衡的加和，理論上最多用兩個配重調(diào)整面就可以使其完全平衡。而由于動撓度的影響，撓性轉(zhuǎn)子平衡困難得多，相應(yīng)的自動平衡算法可以歸為尋優(yōu)搜索、影響系數(shù)法和模態(tài)平衡法三大類及其組合。

1.尋優(yōu)搜索

采用黑箱純實驗性的方法，以振動幅值、軸承動反力等參數(shù)構(gòu)成一個目標函數(shù)，通過尋優(yōu)搜索，實驗調(diào)整不平衡量，使得目標函數(shù)值最小。

2.模態(tài)平衡法

具有較好的轉(zhuǎn)子動力學(xué)理論基礎(chǔ)，直接由撓性轉(zhuǎn)子動力學(xué)方程推導(dǎo)得出動平衡方程并以其為依據(jù)在各個配重面上配重，依次實現(xiàn)低階至高階各振型的不平衡量平衡。

3.影響系數(shù)法

該方法是對單校正面矢量平衡法的發(fā)展。假設(shè)各校正量對某點振動是線性影響，則表示多個校正量對多個測點振動的影響是一個復(fù)數(shù)影響系數(shù)矩陣。

三、振動信號處理

振動測試中得到的數(shù)據(jù)在大多數(shù)情況下不是真實的振動信號，或者說與真實的振動信號之間存在一定的差別。未經(jīng)分析處理、修正，直接采用測試得到振動信號作為結(jié)果往往會產(chǎn)生誤差，甚至?xí)玫藉e誤結(jié)論。經(jīng)典的振動信號處理一般可以分為振動信號預(yù)處理、時域分析、頻域分析和模態(tài)分析幾個部分。

1.振動信號預(yù)處理

對傳感器測試信號做初步加工處理，修正波形的畸變，剔除混雜在信號中的噪聲和干擾、削弱信號中的多余內(nèi)容，強化突出感興趣的部分，盡可能真實地還原實際振動信號。

2.振動信號的時域處理

又稱為波形分析，主要是針對時域信號波形的分析處理，其核心內(nèi)容是濾波算法及濾波器設(shè)計。劉健、潘雙夏等詳細討論了時域同步平均、Chebyshev窄帶通濾波、整系數(shù)帶通濾波、數(shù)字跟蹤濾波及自適應(yīng)濾波器等五種數(shù)字濾波器在動平衡測量中的應(yīng)用，從實用性角度對其濾波性能及實現(xiàn)方法進行比較分析。楊克己、武二永針對動平衡測量具體實踐，通過分段變步長策略和初始值選取措施優(yōu)化了強變頻率結(jié)構(gòu)背景噪聲干擾下高精度提取幅值和相位的自適應(yīng)消噪方法。

3.振動信號的頻域處理

也稱為頻譜分析，是建立在傅里葉變換基礎(chǔ)上的時頻變換，處理得到的結(jié)果是以頻率為變量的函數(shù)。常用的方法有FFT、DFT及小波變換等，如：FFT應(yīng)用于車輪動平衡、基于DFT的動平衡機不平衡量提取、基于離散小波變換的動平衡機不平衡量提取、諧波小波提取動平衡機不平衡量信號等。

4.實驗?zāi)B(tài)參數(shù)識別

實驗?zāi)B(tài)參數(shù)識別是通過實測振動信號數(shù)據(jù)對所測試結(jié)構(gòu)的固有頻率、阻尼比和振型等動力特性參數(shù)進行估計的處理辦法，適用于線性時不變振動系統(tǒng)，并分為頻域識別與時域識別兩類。其中，時域識別起步較晚，卻能克服頻域法的一些缺陷，不僅減少了激勵設(shè)備、節(jié)省了測試時間與費用，而且能夠?qū)B續(xù)運行設(shè)備，如大型化工設(shè)備等進行在線參數(shù)識別。近年來，直接利用環(huán)境激勵下的振動響應(yīng)數(shù)據(jù)進行模態(tài)參數(shù)識別在各個研究領(lǐng)域中引起了高度重視。如何甄別和剔除噪聲模態(tài)、合理選擇識別方法、階數(shù)等一直是時域法研究中的重要課題。

四、結(jié)論及應(yīng)用前景

自動平衡能抑制不平衡引起的振動，且自動平衡能很好地改善產(chǎn)品的質(zhì)量、機器與刀具的疲勞壽命，因而降低整個旋轉(zhuǎn)機械系統(tǒng)的成本。但是，自動平衡設(shè)備的安裝與維護將增加整個系統(tǒng)的成本。因此，如何從成本－效率關(guān)系的觀點來評價自動平衡也將是一個十分有意義和重要的課題。

自動平衡技術(shù)的應(yīng)用目前仍只局限于磨床、銑床、陀螺儀、牙鉆等少數(shù)旋轉(zhuǎn)運動機械上。真正長周期運行的大型裝備的成功應(yīng)用實例未見報道。在線自動平衡技術(shù)的規(guī)模化工業(yè)應(yīng)用將是動平衡技術(shù)的一次巨大進步，不僅推動故障診斷技術(shù)至更高層次、開創(chuàng)故障在線自愈的新階段，而且所帶來的經(jīng)濟效益和社會效益是難以估計的。

[1]張鵬.連續(xù)注排式自動平衡頭設(shè)計及控制算法 [D],2006,北京化工大學(xué):北京.

[2]張鴻海.智能式砂輪在線自動平衡儀 [J].航空精密制技術(shù),1994.30(1):7-9.

[3]歐陽紅兵，汪希萱.兩種新型電磁式在線自動平衡頭 [J].機械制造，2002.40(455):47-48.

[4]賀世正.釋放液體式自動平衡頭的研究 [J].浙江大學(xué)學(xué)報（工學(xué)版） 2001.35(4):418-422.

[5]楊克己，武二永.高精度動平衡測量中自適應(yīng)濾波技術(shù)的應(yīng)用研究 [J].儀器儀表學(xué)報，2005.26(1):32-36.