姓名: 王鹏飞 学号: 3080102535 班级: 过控0801
Automatic Balancing of Rotating Machinery
摘 要：转子在线自动平衡技术可以在旋转机械运行期间调整其不平衡量来及时降低振动，使其始终稳定运行．文章介绍了带自由移动补偿质量的被动式自动平衡装置和强迫移动、合成和去掉补偿质量的主动式自动平衡装置。其中前者主要包括液体型、环型、球型和摆锤型；后者包括喷涂型、电腐蚀型、电子光束型、激光型和电化学型包括电动机型和遥控型以及液压型、电磁型和电磁轴承型．综述了国内外各种旋转机械在线自动平衡装置的结构和工作原理，讨论了在线自动平衡技术最新的研究成果，列举了在线自动平衡技术的工程应用实例，介绍了应用电磁型自动平衡装置解决柔性弯曲转子和立式超重力机转子振动的试验．转子在线自动平衡技术已经大量应用到机械加工设备，如磨床等，显著提高了加工精度；有些还应用于流程工业中大型的旋转机械上，如汽轮机、风机和压缩机等，取得了巨大的经济效益。 关键词合肥艾滋女：旋转机械；自动平衡技术；研究发展方向； 不平衡力；动平衡
Abstract: The rotor balance in online automatic adjustment during the running of rotating machinery to reduce vibration balabcing timely, making it has stable operation. This paper introduces free mobile compensation with the quality of passive auto-balance device and forcing mobile, synthesis and removing compensation quality active auto-balance device. Among the former mainly including liquid ring type, type, type ball and pendulum, The latter including spraying type, corrosion, electron beam, laser and electrochemical type includes electric machine and remote control type and hydraulic model, electromagnetic and electromagnetic bearing type. At home and abroad was reviewed various rotating machinery on-line automatic balance device structure and working principle of on-line automatic balance, discussed the technology, the latest research results of the automatic balance list of the engineering application examples, the paper introduces application of electromagnetic auto-balance device type flexible rotor and vertical bending over the rotor vibration test gravity machine, automatic balance. The rotor online application has to mechanical processing equipment, such as grinder, remarkably raised the processing precision, Some also applied in the process ind
ustry of rotating machinery medium, such as steam turbine and compressor, fan and made great economic benefits.
Key words: Rotating machinery; Automatic balance; Research and development direction; Unbalance force; Dynamic balance
引言
随着 科 学 技术的发展，旋转机械由过去的小功率、低转速日益向大型、高速、精密和自动化方向发展。旋转机械的高效、安全和长期运行，不仅创造了巨大的物质财富，也带来了巨大的社会效益。与此同时，机械振动问题也成为制约旋转机械发展的最大障碍。与过去的低速、小功率输出的机械相比，在现代高速、大功率输出的机械中由于振动而造成故障的比例要大得多.
旋转 机 械 产生振动的各种原因中，最主要的是“不平衡力”。由于设计缺陷、转子材质不均匀、制造装配误差、热变形等原因，以及转子在运行过程中有质量脱落或是有环境介质粘附到转子上，使得实际转子的主惯性轴偏离其旋转轴线，转子就产生了质量不平衡。随着
转子旋转，不平衡质量就产生了不平衡力。不平衡力将引起转子挠曲变形、产生内应力，并通过轴承传递给机座，从而使机器产生振动、噪声，进而降低机器性能、工作效率和使用寿命。为了避免产生这些现象，转子在制造、安装调试和使用过程中需要改善其质量分布，消除不平衡力，这一过程即谓平衡。动平衡测试与离线动平衡方法是消除或减缓转子不平衡振动的最直接手段，也是很有效的手段，但在工程应用中还有一些限性：
(1 ）平 衡 过程周期长，为了完成不平衡质量校正，必须中断机器运行，反复地停机加试重，消耗大量的人力、物力和时间。例如20 万千瓦汽轮发电机转子进行现场动平衡时，每天最多只能启动两次，而对它进行有效平衡需要多次启停。
(2) 实 际 运行的转子工况可能不是恒定的(如发电机热不平衡会随发电机的负载变化而变化)，每次启动的状态不可能一样(尤其是大型旋转机械)，现有的平衡方法不能保证转子在所有工况下都能获得很好的校正效果。
(3) 对 转 子突然失衡，或长期运行中转子不平衡状态的改变等等，没有有效的解决办法，只能对失衡转子重新进行平衡。为解 决 随行夹具动 平衡中的这些局限性，目前比较有效的办法是实现转子在运行过程中的自动平衡。自动平衡就是借助于自动平衡装置使转子的惯性主轴
与它的旋转轴相重合的自动调整过程。转子自动平衡装置也可以理解为是一种在转子运转状态下补偿转子不平衡变化的装置。根据对转子不平衡作用的性质不同，转子自动平衡装置可以分为被动式和主动式两种。
自动 平 衡 技术应用主要受制于平衡装置和平衡策略的影响。在众多的自动平衡装置当中，平衡头型主动平衡装置具有安装方便、平衡精度高、价格低廉、重量轻、使用寿命长等优点而倍受关注。自从加拿大多伦多大学的vandevegt。首先提出极坐标式平衡头以来，国内外很多学者开展了对于平衡头式自动平衡技术的研究和探索，这一技术正在不断地发展当中。
转子的动平衡就是通过改变转子本身的质量分布来达到其主惯性轴与旋转轴相重合的工艺过程。以往，无论是在制造厂，还是在运行现场都是采用计算和试凑的办法。这就带来两方面的问题：一方面要达到一定的平衡精度，必须进行多次停启机试凑，工作量大、效率低，且需熟练的平衡技巧；另一方面当平衡后转子在运行过程中平衡状态变化时，需再次平衡，这不仅增加了停机损失，而且在有些情况下是不允许的，如飞行器在飞行中。
为了避免上述缺点，人们自然会想到采用一种合理的工艺方法和手段使平衡过程自动完成，
这就是旋转机械自动平衡技术发展的初衷。主要有两大设计思路：①根据柔性转子在超临界状态下转子挠曲变形响应滞后于不平衡激振力一个钝角的特性，采用补偿质量自由移动的方法来改变转子内部质量分布以达到平衡的目的。②利用合理、有效的执行机构自动强迫移动、合成或去掉补偿力的方法。两种方法各有其自身的优点，同时也都存在着技术上和经济上的局限性。直到现在，一种合理的、可靠的、适应现代技术发展的自动动平衡装置还不多见，这也说明该装置制造是一个非常复杂的问题。
1 带自由移动补偿质量的被动式自动平衡装置
2.1 液体式自动平衡装置单增李斯特菌
液体式平衡系统的平衡头一般是由4个圆环形空腔组成。如图1所示大荒神舞"其平衡原理是通过空腔内容纳的液体来补偿砂轮的不平衡。每1个储液腔有1个半径各不相同的进水槽。而每1个进水槽与1个由电磁阀控制的喷水嘴相对应。因此通过不同的喷水嘴就可向不同的储液腔注入一定量的液体!实现砂轮的平衡。
液体式平衡系统!由于平衡精度高。平衡头设计的多样化和灵活化在生产中得到广泛应用!但由于用于液体式平衡系统所使用的液体通常是经过适当过滤后的冷却液。即使经过过滤!仍然含有磨料的微粒。经过长时间的运转!可能会影响液压系统的性能。因此，液体式平衡系统需要较好的保养。平衡头的储液腔也需定期地清洗"液体式平衡系统一般平衡精度以振动位移量计为。0。1~0。3!平衡时间一般为2~3min。【2】
2.2 环式自动平衡装置
平衡环式在线动平衡结构，在主轴前端安装两个有一定偏心质量的调整环，由振动传感器
测出主轴的振动信号经控制器运算确定主轴的不平衡量。再由驱动装置驱动两个平衡环转到适当的位置，抵消主轴的不平衡量。控制器采集振动信号，并计算分析出不平衡量的幅值和相位，发出平衡校正命令使两平衡环转到适当位置。为保证主轴系统的安全运行，平衡控制器兼有状态检测功能工作中检测到振动超标时立即启动平衡机构。【3】
2.3 球式自动平衡装置
亚星奔驰球式自动平衡装置是根据柔性转子和弹性支撑的特性，不需要外部提供任何能量，只利用系统响应所形成的能量来驱动滚球的移动和分布，从而自动地消除转子的不平衡。【14】对于球式自动平衡装置的最基础研究始于Thearl，他对不同类型的球式自动平衡装置的动力学特性进行了分析。Chung、Ro和J。CHUNG、I。JANG分别针对Jeffcott转子和Stodola—Green转子研究了球式自动平衡装置的稳定性和动力学特性。Wonsuk Kim，Dong—Jin Lee，Jintai ChungHl提出了球式自动平衡装置在光盘驱动器减振上的应用。【15】
实验装置及测试系统:单自由度振动系统球式自动平衡装置实验台的结构如图2所示，转子是一个带有滚道的圆盘，圆盘中心开有联轴的孔，与电机的出轴相联。电机固定在一个
悬臂梁上。该悬臂梁在水平方向上的刚度很大，振动可忽略，所以整个系统只能在竖直方向上振动。
测试系统由压电式加速度传感器，电荷放大器、低通滤波器、数据采集卡和计算机组成。带有偏心质量的转子旋转会引起悬臂梁的振动，压电式加速度传感器将系统振动的加速度转换成电信号，经过电荷放大、低通滤波、模数转换，最后将数据传送到计算机，从而得到竖直方向上的振动情况。【16】
目前已有研究将球式自动平衡装置应用于磨床磨头、光盘驱动器以及手持式动力工具中。另外由于球式自动平衡装置具有结构简单、可靠、不需提供外部能源的优点，在风机、离心机以及液力偶合器等旋转机械中也有广泛的应用前景。【4】
2.4 摆锤式自动平衡装置
摆锤式自动平衡装置利用离心力的大小来确定补偿质量的动作时刻[9]。摆锤式自动平衡装置需要对被平衡转子的动力学性能有足够的了解，特别是需要精确地确定转子的一阶临界转速，增加了应用的难度。在转子升速接近其一阶临界转速时，虽然转。 子初始不平衡量不增大，但是转子的振动可能已经很大。这就要求转子系统具有较低的一阶临界转速或足够大的支撑弹性，这在很大程度上限制了其应用的范围。
3 强迫移动、合成和去掉补偿质量的主动式自动平衡装置
3.1 喷涂型自动平衡装置
喷涂型自动平衡装置是在计算机的控制下，通过喷射将快速固化液体喷涂在转子表面的“轻点”，实现转子平衡。1980年Cusarow提出了此类方法，1988年Smalley等利用基于燃烧气体重复爆破的高性能喷将高温金属或陶瓷粉末高速镶入转子表面进行转子平衡。【5】 1989年他们采用计算机控制喷喷射的时刻和持续时问，增强了该方法的实用性。喷涂型自动平衡装置主要应用于小型旋转机械和精密仪器制造生产线上。这种平衡方法通过喷将高黏度物质高速喷射并粘附在转子上，转子在较短的时间内受到较大的冲击，使得转子产生新的不平衡量；喷射物质粘在转子的表面，影响转子的表面质量；固化物质性
能、喷射方式、转子周围介质和高温影响了其实际应用；喷射速度限制了转子的旋转速度。
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