汪振威 陳彥飛 郭玉兵 韓亞楠 楊馥瑞 趙強(qiáng) 劉家聰

國家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作北京中心，北京 100190

自動(dòng)平衡技術(shù)的研究進(jìn)展

汪振威 陳彥飛 郭玉兵 韓亞楠 楊馥瑞 趙強(qiáng) 劉家聰

國家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作北京中心，北京 100190

旋轉(zhuǎn)機(jī)械在運(yùn)行過程中，經(jīng)常會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，而劇烈的振動(dòng)會(huì)帶來巨大的安全隱患，因此在工業(yè)生產(chǎn)中，減少轉(zhuǎn)子的振動(dòng)，保持轉(zhuǎn)子運(yùn)行平衡成為一項(xiàng)關(guān)鍵的技術(shù).而最初的轉(zhuǎn)子平衡方法往往是當(dāng)轉(zhuǎn)子產(chǎn)生劇烈振動(dòng)時(shí)，先停機(jī)再進(jìn)行轉(zhuǎn)子的平衡校正即離線平衡校正，而隨著平衡技術(shù)的發(fā)展，自動(dòng)平衡技術(shù)越來越得到大家的重視，并取得了一定成果，本文對(duì)國內(nèi)外各種旋轉(zhuǎn)機(jī)械在線自動(dòng)平衡技術(shù)進(jìn)行了綜述，并討論了自動(dòng)平衡技術(shù)的最新研究成果，并對(duì)自動(dòng)平衡技術(shù)的未來研究方向進(jìn)行了展望。

旋轉(zhuǎn)機(jī)械 自動(dòng)平衡 振動(dòng)

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(jī)、風(fēng)機(jī)、煙氣輪機(jī)、汽輪機(jī)以及發(fā)電機(jī)組等旋轉(zhuǎn)機(jī)械不僅為生產(chǎn)過程中的流體提供動(dòng)力，而且對(duì)工藝流程中能量的回收起到了關(guān)鍵作用。而這類轉(zhuǎn)子系統(tǒng)在運(yùn)行過程中，因轉(zhuǎn)子的不平衡而引起的振動(dòng)是常見的故障，嚴(yán)重的可能導(dǎo)致系統(tǒng)停車或減負(fù)荷運(yùn)行，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，為了解決這些問題，傳統(tǒng)的平衡方法是先停機(jī)再進(jìn)行離線平衡，而這種平衡方法由于需要反復(fù)停機(jī)，不利于工業(yè)生產(chǎn)，而在線自動(dòng)平衡技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)在不停止運(yùn)行的情況下對(duì)轉(zhuǎn)子進(jìn)行平衡，而且能在其長(zhǎng)期運(yùn)行期間調(diào)整不平衡狀態(tài)，從而使其長(zhǎng)期運(yùn)行在平衡狀態(tài)中，因此自動(dòng)平衡技術(shù)也越來越被大家重視，越來越多的專家學(xué)者開始研究自動(dòng)平衡技術(shù)，并取得了一定的研究成果，并被成功地運(yùn)用到一些工程實(shí)踐中[1-3]。

1.自動(dòng)平衡技術(shù)

自1877年第一臺(tái)自動(dòng)平衡器在美國問世已來，自動(dòng)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(zhì)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(zhuǎn)中心，稱之為直接在線動(dòng)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(zhǎng)期提供與不平衡力 方向相反、大小相等的力，當(dāng)圓盤旋轉(zhuǎn)時(shí)，將其重心強(qiáng)行拉到旋轉(zhuǎn)中心，稱為間接在線動(dòng)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(nèi)部質(zhì)量分布(不加重,也不去重)，使其幾何中心與旋轉(zhuǎn)中心重合，質(zhì)量的重新分布可通過機(jī)械方法或電磁方法進(jìn)行，稱這種平衡裝置為混合型在線動(dòng)平衡裝置。在線動(dòng)平衡裝置的分類情況如圖1所示[4]。

圖1 在線自動(dòng)平衡裝置分類圖

1.1 直接在線自動(dòng)平衡裝置

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

圖2 噴涂型自動(dòng)平衡裝置

通過噴射槍將高粘度物質(zhì)噴射到轉(zhuǎn)子上，改變轉(zhuǎn)子重心位置，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡。1980年Cusarow提出了此方法。1987年Smalley等人采用計(jì)算機(jī)控制噴槍噴射的時(shí)刻和時(shí)間，增強(qiáng)了該方法的實(shí)用性[5]。這種平衡方法存在的問題是高粘度噴射物質(zhì)以高速噴射并粘附在轉(zhuǎn)子上，根據(jù)mv＝ft，在很短的時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生較大的沖擊，使轉(zhuǎn)子產(chǎn)生新的不平衡量，噴射物質(zhì)粘附在轉(zhuǎn)子上,嚴(yán)重影響轉(zhuǎn)子表面質(zhì)量，此外，噴射速度限制了轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速度，這種平衡裝置一般用在小型旋轉(zhuǎn)機(jī)械或精密儀器制造生產(chǎn)線上。

1.1.2 噴液型在線動(dòng)平衡裝置

這也是一種加重式在線動(dòng)平衡裝置。在轉(zhuǎn)子端部裝上噴液平衡頭，平衡頭的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 噴液型自動(dòng)平衡裝置

根據(jù)所測(cè)到轉(zhuǎn)子振動(dòng)信號(hào)，由單片機(jī)或微機(jī)控制噴槍，將液體噴射到平衡頭上相應(yīng)的容腔中，以改變平衡頭的重心位置，達(dá)到在線動(dòng)平衡。浙江大學(xué)等單位在這方面已取得實(shí)質(zhì)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(dòng)平衡裝置

如圖4所示為激光去重在線自動(dòng)平衡裝置。通過控制脈沖激光束的發(fā)射時(shí)間、脈沖寬度及能量大小，使轉(zhuǎn)子材料在微秒量級(jí)時(shí)間內(nèi)氣化，改變轉(zhuǎn)子的幾何中心，從而對(duì)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)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(zhuǎn)子上的金屬氣化，留下許多傷痕，降低轉(zhuǎn)子的疲勞極限，縮短了轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的使用壽命。②平衡過程中產(chǎn)生飛邊、毛刺和氧化物，嚴(yán)重影響表面質(zhì)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(shí)氣化微量金屬，平衡能力受到限制。所以，激光在線動(dòng)平衡對(duì)于汽輪機(jī)組、大型壓縮機(jī)等巨型轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的平衡是不適用的，一般只適用于小型機(jī)構(gòu)的平衡，如牙鉆、陀螺儀等。

圖4 激光自動(dòng)平衡裝置

1.2 間接在線動(dòng)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(dá)到轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的動(dòng)平衡。主要包括電磁軸承型在線動(dòng)平衡及電磁圓盤型在線動(dòng)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(zhǎng)期為轉(zhuǎn)子系統(tǒng)提供與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)角速度相同頻率的平衡電磁力，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的在線動(dòng)平衡。它有一個(gè)嚴(yán)重不足，就是轉(zhuǎn)子在運(yùn)行過程中一直受平衡電磁力的作用，對(duì)于長(zhǎng)期運(yùn)行的旋轉(zhuǎn)機(jī)械來說，能耗大。另外，這類平衡裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，幾何尺寸較大，而且成本高，一般用于不長(zhǎng)期運(yùn)行的小型旋轉(zhuǎn)機(jī)械。

1.3 混合型在線動(dòng)平衡裝置

混合型在線動(dòng)平衡基本原理,由檢測(cè)系統(tǒng)測(cè)量轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的振動(dòng)信號(hào)，通過控制系統(tǒng)，改變裝在轉(zhuǎn)子軸上并與轉(zhuǎn)子系統(tǒng)一起旋轉(zhuǎn)的平衡頭內(nèi)部的質(zhì)量分布，產(chǎn)生大小、方向可控的平衡力，以平衡轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的不平衡激振力。平衡頭內(nèi)部質(zhì)量的分布一般是由兩個(gè)平衡質(zhì)量塊來調(diào)節(jié)的。根據(jù)驅(qū)動(dòng)平衡質(zhì)量塊移動(dòng)方式及控制方式的不同，混合在線動(dòng)平衡裝置可分為電動(dòng)機(jī)型、遙控型及電磁型在線動(dòng)平衡裝置。電動(dòng)機(jī)型混合在線動(dòng)平衡裝置是指平衡質(zhì)量塊是由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，而電動(dòng)機(jī)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(dòng)平衡裝置是指平衡質(zhì)量塊是由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，電動(dòng)機(jī)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(dòng)平衡裝置是通過電磁力拖動(dòng)平衡質(zhì)量塊相對(duì)平衡頭移動(dòng)的動(dòng)平衡裝置。

目前國外技術(shù)比較成熟而且應(yīng)用廣泛的有電磁式自動(dòng)平衡[7]和液壓自動(dòng)平衡[8]，電磁型自動(dòng)平衡裝置主要由以下三個(gè)部分組成：檢測(cè)器、控制器和平衡執(zhí)行機(jī)構(gòu)。平衡執(zhí)行機(jī)構(gòu)是由與機(jī)殼連接的靜環(huán)和連接在旋轉(zhuǎn)軸上的動(dòng)環(huán)組成。這種自動(dòng)平衡系統(tǒng)控制原理是基于影響系數(shù)的自適應(yīng)主動(dòng)閉環(huán)控制。自適應(yīng)影響系數(shù)控制系統(tǒng)在機(jī)器旋轉(zhuǎn)時(shí)，精確快速地調(diào)節(jié)配重盤的位置，可以在數(shù)秒內(nèi)完成多平面上的不平衡質(zhì)量校正，實(shí)現(xiàn)在線自動(dòng)平衡。在美國、歐洲機(jī)械加工領(lǐng)域的高速機(jī)床主軸等領(lǐng)域推廣應(yīng)用，取得了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。而液壓自動(dòng)平衡系統(tǒng)主要由四個(gè)部分組成：被控轉(zhuǎn)子、信號(hào)采集器、控制器和執(zhí)行器，當(dāng)被測(cè)轉(zhuǎn)子產(chǎn)生不平衡量時(shí)，由振動(dòng)傳感器檢測(cè)到的振動(dòng)信號(hào)送入A/D轉(zhuǎn)換器中，進(jìn)行峰值采樣，輸送到控制器內(nèi)。如果采樣值大于控制器內(nèi)部設(shè)定的門檻值，則控制器向電磁閥發(fā)送信號(hào)，開始噴液平衡；控制器根據(jù)得到的不平衡量的大小和相位值計(jì)算出閥門單元的三個(gè)電磁閥各自所需的開啟時(shí)間。冷卻液泵將經(jīng)過預(yù)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(shí)現(xiàn)不平衡量的補(bǔ)償。平衡后的效果反饋到控制器，再重復(fù)前面操作，實(shí)現(xiàn)無停機(jī)的在線自動(dòng)平衡。而液壓自動(dòng)平衡主要運(yùn)用于高精度的磨床機(jī)械，而在石化和電力領(lǐng)域大功率透平機(jī)械，如汽輪機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)、壓縮機(jī)等領(lǐng)域還沒有得到推廣應(yīng)用，將該技術(shù)在這些領(lǐng)域的推廣應(yīng)用將是未來的發(fā)展任務(wù)。

2 自動(dòng)平衡技術(shù)的研究趨勢(shì)

隨著機(jī)組結(jié)構(gòu)的復(fù)雜化，轉(zhuǎn)子碰摩、轉(zhuǎn)子裂紋振動(dòng)、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(dòng)領(lǐng)域，但由于上述動(dòng)力學(xué)方程的復(fù)雜性，這些研究都處于發(fā)展和完善中，在此過程中，計(jì)算分析與理論研究和工程應(yīng)用是同步發(fā)展的。旋轉(zhuǎn)軸系的臨界轉(zhuǎn)速、不平衡響應(yīng)、穩(wěn)定性分析以及瞬態(tài)響應(yīng)計(jì)算是彎振研究的主要內(nèi)容。在振動(dòng)機(jī)理和計(jì)算分析研究的同時(shí)，人們也在探尋利用振動(dòng)特征進(jìn)行機(jī)組故障診斷的理論和方法。國外對(duì)該問題研究較早，美國是最早從事汽輪機(jī)故障診斷研究的國家之一，目前從事這方面研究的機(jī)構(gòu)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(shù)的研究，目前從事這方面研究的機(jī)構(gòu)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(jī)組的運(yùn)行安全越來越重要，國內(nèi)的學(xué)者也開始研究旋轉(zhuǎn)軸系的振動(dòng)，北京化工大學(xué)的高金吉院士將系統(tǒng)科學(xué)醫(yī)學(xué)的知識(shí)運(yùn)用到旋轉(zhuǎn)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(dǎo)下，移植現(xiàn)代醫(yī)學(xué)“自主調(diào)理”治療原理，研究以故障預(yù)防和自愈為目標(biāo)的過程裝備自主調(diào)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(diào)控系統(tǒng)[9-10]。

3 結(jié)語

自動(dòng)平衡技術(shù)出現(xiàn)以來，人們研究出了多種自動(dòng)平衡裝置，不僅在實(shí)驗(yàn)室的簡(jiǎn)單設(shè)備中得到應(yīng)用，而且也越來越多的應(yīng)用到車床和磨床等小型設(shè)備[11-13]，并取得了不錯(cuò)的效果，目前也越來越多的嘗試將這些自動(dòng)平衡裝置運(yùn)用到大型流程工業(yè)中，如汽輪機(jī)、離心機(jī)和壓縮機(jī)等，但是其平衡效果與應(yīng)用在車床和磨床等小型設(shè)備上的效果相比還有一定的差距，尤其是在大型的復(fù)雜軸系中，因此，將自動(dòng)平衡技術(shù)應(yīng)用到大型流程工業(yè)中的旋轉(zhuǎn)機(jī)械尤其是復(fù)雜軸系中來解決振動(dòng)問題將成為未來自動(dòng)平衡技術(shù)的研究重點(diǎn)。

[1] 盧世忠, 包磊, 劉立平. 煙氣輪機(jī)運(yùn)行中動(dòng)平衡破壞的原因分析及維護(hù)措施[J]. 化工機(jī)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(zhuǎn)子在線自動(dòng)平衡及其工程應(yīng)用研究的進(jìn)展[J].力學(xué)進(jìn)展,2006, 36(4): 553～563

[4] 歐陽紅兵, 曾勝, 汪希萱. 轉(zhuǎn)子系統(tǒng)在線動(dòng)平衡綜述及展望[J]. 機(jī)械強(qiáng)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(gè)噴射式平衡頭實(shí)現(xiàn)撓性轉(zhuǎn)子在線動(dòng)平衡[D].浙江: 浙江大學(xué), 1993

[7] 何立東, 沈偉, 劉錦南, 等. 雙平面和單平面主動(dòng)平衡控制轉(zhuǎn)子振動(dòng)的對(duì)比實(shí)驗(yàn)研究[J]. 中國電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2005, 25(23):106～109.

[8] 賀世正. 釋放液體式自動(dòng)平衡頭的研究[J].浙江大學(xué)學(xué)報(bào), 2001, 35(4): 418～422

[9] 高金吉, 繆紅燕, 徐鴻, 王維民. 電機(jī)組軸系振動(dòng)原因及其控制[J]. 電機(jī)技術(shù),2004.8: 54～55

[10] 繆紅燕. 高速透平機(jī)械多轉(zhuǎn)子系統(tǒng)虛擬動(dòng)平衡及耦聯(lián)優(yōu)化研究[D]. 北京: 北京化工大學(xué),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(zhǎng)河, 原所先, 修世超, 等. 超高速磨削中的砂輪自動(dòng)平衡技術(shù)[J]. 新技術(shù)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(jī)等大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械的發(fā)明專利的審查工作。