一种转子系统在线动平衡系统及方法与流程

本发明涉及转子在线动平衡领域，具体地，涉及一种通过计算机计算不平衡量及相位并控制外置平衡调节器实现转子系统在线动平衡的系统和方法。

背景技术：

实际转子在加工制造、安装等过程中不可避免地存在误差，导致其几何轴线与旋转轴线不重合。当转子转动时，转子各微元质量的离心惯性力所组成的力系不是一个平衡力系，此时，称转子具有不平衡或失衡。转子的不平衡是旋转机械主要的激励源。统计资料显示，旋转机械由于振动原因失效的约占60％-70％，其中由于转子不平衡原因失效的约占30％。

现有条件下的动平衡实验需要先把转子从机器上拆卸下来放到动平衡机上完成动平衡实验，之后再安装回去；或者进行现场动平衡。这两种方法步骤繁琐，费工费时，且需要多次停机启机，不适合做快速动平衡。例如，对于汽轮机等大型转子系统，停机一次会带来巨大的经济损失，不适用于传统的动平衡方法。

基于以上原因，逐渐出现了自平衡技术。应用自平衡技术可以实现转子系统在不停机的情况下完成动平衡。转子系统指包括转轴、转盘、轴承、轴承座等所有附属物在内的一整套系统。

现有自平衡设备设计原理主要包括：改变质量分布、增加(减少)质量以及补偿离心力三种。

改变质量分布法是通过电机或磁场驱动平衡头内的质量块在环内发生移动，使平衡头内质量分布发生变化，从而平衡转子系统的不平衡质量。现在常见的有浙江大学研发的电磁式平衡头。

增加(减少)质量法是在转子的运行过程中，通过一定手段在转子系统的不平衡相位处增加或去除一定质量，从而完成转子系统的在线动平衡。常见的增加质量方法是用喷头将高速运动的固体、快速凝固的液体等喷射在转子系统的不平衡相位表面，质量块粘结在转子系统表面，从而平衡其不平衡质量。但是这种方法容易使质量块粘接不牢固，不能满足长时间工作的要求。

补偿离心力法是通过电磁的手段给转子施加一个大小一定、与转子转动同频率的电磁力，该力引起的振动可以抵消转子的初始不平衡振动，从而达到转子系统的在线自平衡目的。目前在这一方面做的比较好的是北京化工大学的诊断与自愈工程研究中心。

现有的方法存在的缺点是：

1.只能在短期内实现转子系统的动平衡，不能保证转子系统的长期稳定运转；

2.只能在实验室实现，不能应用到生产实际中。

技术实现要素：

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种转子系统在线动平衡系统及方法，对于在线工作的转子系统，通过收集其振动信号，判断不平衡的相位及质量，进而产生动作去平衡其不平衡质量，从而达到在线动平衡的效果。

根据本发明的一个方面，提供一种转子系统在线动平衡系统，包括：

信号传感器，用于采集转子系统的不平衡振动信息，将振动信息转化为模拟信号，并将模拟信号传送到信号采集器；

信号采集器，用于将接收到的由信号传感器产生的模拟信号转换为数字信号，并对数字信号进行降噪、滤波处理后，送至数据处理系统；

数据处理系统，用于计算、处理接收到的数字信号，得到转子系统的不平衡质量和相位信息并产生动作信号，传送至信号发射器；

信号发射器，用于将数据处理系统产生的动作信号发射给平衡调节器；

平衡调节器，用于接收信号发射器的动作信号并在该调节器内部产生动作，从而调整转子系统的不平衡量，实现转子系统的在线动平衡。

优选地，所述平衡调节器由轴上部分和随动部分组成，其中：

所述轴上部分通过键与转子系统中的转轴连接在一起，并随转轴一起转动；随动部分套在转轴上并与转轴保持一定间隙；随动部分与轴上部分保持同步转动。

更优选地，所述轴上部分的盘面上等间距分布若干小孔，小孔底部安装吸盘式磁铁；轴上部分的尾部安装有控制器、电池组和信号接收装置。

更优选地，所述随动部分由静止部分和转动部分组成，其中：

转动部分的盘面上等间距分布若干小孔，小孔的位置与轴上部分盘面上的小孔一一对应；在工作之前，每个小孔内预先放置一个钢珠；

转动部分的外缘安装有若干等间距分布的永磁铁；静止部分上靠近转动部分的位置安装有通电线圈。

更优选地，所述轴上部分与随动部分中的转动部分间距为3-5mm。

优选地，所述平衡调节器成对使用，并分别安装在转子系统中的转盘的两侧。

优选地，所述信号传感器为两个电涡流位移传感器；两个电涡流位移传感器交叉呈90度角放置，两个电涡流位移传感器所组成的平面垂直于转子轴线方向。

优选地，所述信号采集器包括滤波器、多通道模数转换卡与多通道信号采集卡，信号传感器传送的模拟信号经滤波器滤波与多通道模数转换卡模数转换后变成数字信号，并由多通道信号采集卡保存，并发送至数据处理系统。

优选地，所述数据处理系统，将信号采集器传送过来的数字信号进行数字信号处理，从信号特征中计算出转子系统的不平衡质量和相位信息，并发出动作信号，动作信号经由信号发射器发射，以控制平衡调节器动作。

更优选地，所述数据处理系统可以采用软件实现，由PC机承载。

更优选地，所述信号发射器安装在数据处理系统的PC机上。

根据本发明的另一个方面，提供一种转子系统在线动平衡方法，包括如下步骤：

第一步、在需要做动平衡的转子系统上安装平衡调节器、信号传感器；

第二步、将信号传感器、信号采集器、信号发射器、数据处理系统通过导线连接好；

第三步、启动转子系统，平衡调节器的轴上部分与转轴一起转动，平衡调节器的随动部分的通电线圈通电以后产生电磁力，并与永磁铁相互作用从而驱动随动部分与轴上部分保持同速转动；转子系统的不平衡信息由信号传感器采集，信号传感器把位移信号转换成模拟信号，并传送至信号采集器处；

第四步、信号采集器经滤波器滤波与多通道模数转换卡对信号传感器传送的模拟信号进行滤波与模数转换，将模拟信号变成数字信号，数字信号由数据采集卡进行收集并传送至数据处理系统；

第五步、数据处理系统对信号采集器传送的数字信号通过计算得到不平衡的相位和质量，产生动作信号，并把动作信号传送给信号发射器；

第六步、信号发射器发射动作信号，平衡调节器的轴上部分上安装的信号接收器接收动作信号，由控制器控制不平衡相位所在位置处的圆孔底部的吸盘式电磁铁通电产生电磁力，吸引对应位置随动部分的转动部分的圆孔中的钢珠到轴上部分的圆孔中，从而产生补偿质量，进而实现转子系统的在线动平衡。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1.本发明实现了转子系统在工作状态下的动平衡，不需要多次停机实验，减少了传统停机动平衡方法带来的工业生产影响及经济损失，满足工业生产需求；

2.本发明完成一次动平衡后可以长期留在转子系统上，保证其动平衡效果；

3.本发明只需在转子系统上加装平衡调节器，避免了对转子系统进行较大修改给转子性能带来的影响；

4.本发明可以监控转子系统的运行状况，实时对转子系统进行动平衡，从而避免了由于转子系统不平衡导致的严重后果，提高了转子系统这一较危险的设备的安全性。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明一优选实施例的整体结构示意图；

图2为本发明一优选实施例的信号流向示意图；

图3为本发明一优选实施例的平衡调节器结构示意图；

图4为本发明一优选实施例的平衡调节器的轴上部分示意图；

图5为本发明一优选实施例的平衡调节器的随动部分示意图；

图中：100-平衡调节器，200-信号传感器，300-信号采集器，400-信号发射器，500-数据处理系统，600-转子系统；

1-随动部分定子(静止部分)，2-线圈，3-永磁铁，4-轴上部分，5-圆孔，6-吸盘式电磁铁，7-控制器，8-电池，9-信号接收器，10-随动部分转子(转动部分)，11-钢珠，12-圆孔，13-转盘。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

如图1、图2所示，一种转子系统在线动平衡系统，包括平衡调节器100、信号传感器200、信号采集器300、信号发射器400与数据处理系统500，其中：

信号传感器200用于采集转子系统的不平衡振动信息，将振动信息转化为模拟信号，并将模拟信号传送到信号采集器；

信号采集器300用于将接收到的模拟信号转换为数字信号，并进行一定的降噪、滤波等处理后，送至数据处理系统；

数据处理系统500用于计算、处理接收到的数字信号，得到转子系统的不平衡质量和相位信息并产生动作信号；

信号发射器400用于将数据处理系统产生的动作信号发射给平衡调节器；

平衡调节器100用于通过接收动作信号并在调节器内部产生动作，从而调整转子系统的不平衡量，实现转子系统的在线动平衡。

图1与图2中箭头方向表示信号的流向。信号传感器200收集转子系统600的不平衡位移信号，并把位移信号转换成模拟信号后传递给信号采集器300；信号采集器300接收模拟信号并对模拟信号进行滤波与模数转换，由数据采集卡进行收集并将信号传送至数据处理系统500；数据处理系统500通过计算得到不平衡的相位和质量，并产生动作信号，把动作信号传送给信号发射器400；信号发射器400发射动作信号给平衡调节器100，平衡调节器100接收动作信号，并产生动作，从而实现了转子系统的在线动平衡。

如图3所示，在一实施例中，所述平衡调节器100由直径为80mm的轴上部分4和随动部分组成，随动部分分包括直径80mm的随动部分转子10和随动部分定子1，轴上部分4与随动部分转子10间距5mm；轴上部分4通过键连接与转子系统的转轴连接在一起，可以随转轴一起转动；随动部分转子10套在转子系统600的转轴上，与转轴同心并与转轴保持一定间隙，与轴上部分4保持同步转动；随动部分定子1固定在地面上。

如图4所示，在一实施例中，所述轴上部分4的盘面上半径30mm处等间距地分布有16个直径为8mm的圆孔5，圆孔5的底部安装有吸盘式磁铁6；轴上部分4的尾部安装有控制器7、电池8和信号接收器9，其中：控制器7接收数据处理系统500发射的控制信号，同时控制数据处理系统500所指定的圆孔中的线圈通电；电池8用于给线圈2通电；信号接收器9用于接收数据处理系统500发射的控制信号。

如图5所示，在一实施例中，所述随动部分转子10的盘面上等间距地分布有16个圆孔12，圆孔12的位置与轴上部分4的盘面上的圆孔5一一对应。

作为优选的实施方式，所述随动部分转子10上的16个圆孔12内均预先放置一个2克的钢珠11(如图3所示)。

作为优选的实施方式，所述随动部分转子10的外缘等间距地安装有20个永磁铁3，随动部分定子1上靠近随动部分转子10的位置安装有通电线圈2(如图3所示)；当通电线圈2通电时会产生电磁力，并与永磁铁3产生相抗的作用力，从而推动随动部分转子10旋转。

作为优选的实施方式，所述平衡调节器100成对使用(如图1中的平衡调节器1和平衡调节器2)，并分别安装在转子系统的转盘的两侧。

作为优选的实施方式，所述信号传感器200为两个电涡流位移传感器，其型号为ZZF2-Ⅰ型非接触式电涡流位移传感器；两个信号传感器放置在转系系统的轴承座上，并交叉呈90度角放置；两个信号传感器所组成的平面垂直于转子轴线方向。

作为优选的实施方式，所述信号采集器300，包括滤波器、多通道模数转换卡与多通道信号采集卡，模拟信号经滤波器滤波与多通道模数转换卡模数转换后变成数字信号，并由多通道信号采集卡保存。

所述多通道信号采集卡采用NI-9234电压信号采集器

作为优选的实施方式，所述数据处理系统500，将信号采集器接收到的信号进行数字信号处理，从信号特征中计算出转子系统的不平衡质量和相位信息并发出动作信号，动作信号经由信号发射器发射，控制平衡调节器动作。

作为优选的实施方式，所述数据处理系统500由PC机承载，并经由软件编程实现。

作为优选的实施方式，所述信号发射器400安装在数据处理系统500的PC机上。

采用上述系统结构，进行转子系统在线动平衡系统的平衡方法，包括如下步骤：

第一步，在需要做动平衡的转子系统上安装平衡调节器、信号传感器200；

第二步，将信号传感器200、信号采集器300、信号发射器400、数据处理系统500通过导线连接好；

第三步，启动转子系统，平衡调节器100的轴上部分4与转子系统一起转动，平衡调节器100的随动部分转子10通过通电线圈2与永磁铁3之间电磁力的作用，与轴上部分4保持同速转动；转子系统的不平衡信息由信号传感器200采集，把位移信号转换成模拟信号，传送至信号采集器300处；

第四步，信号采集器300对其进行滤波与模数转换，由数据采集卡进行收集，将信号传送至数据处理系统500；

第五步，数据处理系统500通过计算得到不平衡的相位和质量，并产生动作信号，把信号传送给信号发射器400；

第六步，信号发射器400发射动作信号，平衡调节器100的轴上部分4上安装的信号接收器9接收动作信号，由控制器7控制不平衡相位所在位置处的圆孔5底部的吸盘式电磁铁6通电产生电磁力，吸引对应位置随动部分转子1的圆孔12中的钢珠11到轴上部分4的圆孔5中，从而产生了补偿质量，进而实现了转子系统的在线动平衡。两个平衡调节器同时动作，把不平衡质量等效到两个平面上完成动平衡。

本发明实现转子系统在不停机情况下完成动平衡，免去传统动平衡实验中重复启机、停机步骤，适用于不宜停机的系统以减少停机带来的经济损失。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。