一种超重力离心机不平衡量监测方法与流程

本发明属于离心机转子平衡技术领域，涉及一种超重力离心机的监测技术，具体涉及一种新型的超重力离心机不平衡量的监测方法。

背景技术：

超重力离心机作为高速运行的旋转设备，除静载外还要承受包括转动不平衡所附加的动荷载。动荷载将引起设备强迫振动，轻者降低运转平稳性和精度、增大运动噪声、加速运动部件磨损，缩短使用寿命；重者使转子无法正常运转，达不到设计指标。因此，灵敏可靠的实时监测及反馈离心机在运作过程中的不平衡量，是保证超重力离心机稳定转动运行的重要条件。尤其现在超重力离心机的设计指标不断提高，其转速、载重量不断增加，传递不平衡力的机制越发复杂，精确高效的监测方法对于超重力离心机的安全运行是必不可少的。

现有的关于超重力离心机的监测技术主要原理是：在转动运行机构(离心机转臂)与支撑机构(离心机主轴)之间安装力传感器，当转动系统端部产生不平衡力时，在转臂与主轴之间有相对位移，此时力传感器上测量到的信号，便是作用在离心机转臂两端的不平衡力。

cn202582809u号实用新型专利申请公开了一种超重力离心机不平衡力监测装置。该专利的装置包括工作端、力传感器、转臂支承、拉力带和配重端。该装置的工作原理为：当超重力离心机处于不平衡状态，在拉力带和转臂支承之间可产生相对运动，因此不平衡力可传递到力传感器上，从而实现不平衡力的监测。

离心机不平衡量的监测同时也是离心机配平系统的重要组成部分，监测结果反馈给配平模块，有效保证离心机的安全运行。

cn203342956u号实用新型专利申请公开了一种超重力离心机新型平衡自调节系统。该申请包括水箱、测力传感器、控制阀和控制器。该调节系统的工作原理为：当离心机工作端负载增加以后，传感器测出不平衡力，控制阀中的电磁开关阀打开，水箱中开始注水，直到不平衡力接近为零，电磁开关阀关闭，停止注水。

cn109092575a号发明专利申请公开了一种基于回转中心位置调整的离心机配平装置及方法。该申请配平系统中的不平衡力监测模块包括控制器、运动执行机构a、运动执行机构b、力传感器a和力传感器b，传感器两端分别与运动执行机构(转臂支撑)和转臂相连。其主要工作原理为：当离心机转动时，由于两端部不平衡离心力作用，在力传感器a和b间会测量出不一样的数值，这个反馈的结果，作为配平系统判断的依据。

现有的超重力离心机不平衡量监测方法的主要缺点体现在：

要求在转臂和转臂支撑之间安装一个监测装置，新增的机构不仅增加了主体结构的复杂性，加工复杂，安装调整麻烦和有限的测量精度也限制了其自身技术的发展。此外配平技术主要通过不平衡量监测装置的监测结果，来实时的反馈控制移动机构进行配平操作，附加机构若没有调整协调好，额外增加给离心机的摩擦力会影响不平衡力的传递而造成监测数据的偏差。

此外，现有的监测技术均是通过转臂和主轴之间力传感器的测量结果来表示不平衡量，该不平衡量代表工作端和配重端的不平衡离心力，然而由于要克服转臂支撑与转臂之间摩擦力的作用，会导致监测的结果偏于不安全。此外，其他原因(如摆动遗留角、安装偏差等)导致的离心机要承受的不平衡量，也无法通过现有的技术予以监测。

技术实现要素：

本发明的目的在于解决上述背景技术中，现有监测技术的问题而提出一种超重力离心机不平衡量监测新技术，考虑引起不平衡量的多种因素综合的影响，通过新的监测技术实时反馈离心机运行过程中的动不平衡问题，保证超重力离心机安全高效运作。

本发明所采用的技术方案是：

本发明方法在超重力离心机机座处的用以固定超重力离心机传动支承的地脚螺栓上布设多个力传感器，多个力传感器沿圆周周向阵列布置，通过标定试验获得地脚螺栓的荷载与超重力离心机的不平衡力之间的关系曲线；进而在实际超重力离心机试验时，实时采集地脚螺栓的荷载，通过关系曲线对照获得对应的不平衡量值，作为监测结果。

在地脚螺栓处布设的力传感器为垫圈式力传感器，在超重力离心机运行过程中，通过垫圈式力传感器直接测量由于超重力离心机受不平衡力作用下地脚螺栓承担的荷载。

所述的通过标定试验获得地脚螺栓的荷载量值与超重力离心机的不平衡力之间的关系曲线，具体为：

首先，初始不平衡量的监测，在超重力离心机空转情况下，测量超重力离心机本身带有的原始不平衡量；原始不平衡量是由于超重力离心机本身因素导致的，例如安装误差和质量不均匀等。

然后，在原始不平衡量基础上通过在超重力离心机一端配置不同重量的配重块或调整超重力离心机的转速，以精确表征离心机运行过程中受到的不平衡力，施加不同的不平衡力进行不平衡力试验，记录地脚螺栓上力传感器的力测量值作为地脚螺栓承受的荷载，得到不同不平衡力下地脚螺栓承受荷载的变化情况，再经回归处理拟合获得关系曲线：所述关系曲线，是初始不平衡量及设计的不平衡力与所有地脚螺栓荷载幅值平均值的回归曲线。

具体为：

步骤一、在离心机高速旋转运动过程中，采集所有地脚螺栓的力测量值变化曲线力测量值变化曲线表示为；

其中，表示第j组不平衡力试验情形下第i个地脚螺栓上力传感器的力测量值，aij表示力传感器的力测量值变化的幅值，ωij表示力测量值变化频率，θij表示力测量值变化相位，i表示布设的地脚螺栓的序数，n表示机座上地脚螺栓的总数，j表示不平衡力试验的组序数，m表示不平衡力试验的组总数，j＝0代表初始空转的不平衡状态；

步骤二、取所有n个螺栓荷载幅值的平均值作为第j组不平衡力的地脚螺栓荷载；

加上超重力离心机空转情况下的一次不平衡力试验，共计m+1组不平衡力试验，获得不平衡力与地脚螺栓荷载构成的各个离散数据对并绘制数据散点图，fj表示第j组不平衡力试验的不平衡力：

m+1组不平衡力fj(j＝0,1,2,…m)是事先确定的(其中f0＝0，代表初始离心机空转时，未施加不平衡力的状态)，由于螺栓处的传感器是环形阵列布设，因此每个传感器的理论荷载变化曲线是相同的简谐变化规律，只是相差一个固定的相位角，考虑传感器工作性能及其他的随机误差，每个螺栓的幅值aij可能有波动，取n个螺栓荷载幅值的平均值作为对应于第j组不平衡力的螺栓荷载量值。

步骤三、对数据散点图采用以下公式回归分析拟合得到关系曲线：

其中，k和b表示标定关系的第一、第二参数，b反映初始不平衡量的影响，为地脚螺栓的荷载，f表示不平衡力试验的不平衡力。

具体实施中，在实际超重力离心机试验时，实时采集地脚螺栓的荷载通过以下公式反演计算出对应的不平衡力：

其中，为实时监测获得的不平衡力。

所述方法采用以下超重力离心机装置，超重力离心机包括机座、主轴、转臂、配重块、配重端、试验端、地脚螺栓和垫圈式力传感器；主轴安装在机座上，转臂中部和主轴上端固接，转臂水平两端分别铰接配重端和试验端，配重端中放置配重块，试验端中放置试验箱，机座通过地脚螺栓固定于混凝土基座，每个地脚螺栓上安装垫圈式力传感器。

所述的机座通过沿周向间隔均布的多个地脚螺栓固定于混凝土基座。

所述的配重端为配重吊篮，所述的试验端为试验吊篮。

本发明的有益效果为：

本发明相比于现有的超重力离心机动不平衡监测方法，其基于的基本原理是：离心机转臂旋转过程中，当转臂重心偏离支撑面中心位置时，离心机的底座会承受一个不平衡力矩，此时固定传动支承不同位置的固定螺栓会承受不同的拉压载荷，通过对螺栓承受载荷的测量，可间接计算得到不平衡力的量值，同时反映出其它因素引起的不平衡量。

本发明方法采用的装置构造简单，可操作性强，无需在转臂中增加额外装置，无需对现有超重力离心机机体构造进行改变，极大的节约了人工和材料的成本，因此易于在现有的超重力离心机设备上推广。

不平衡量除了由于转臂两端离心力不等造成以外，尚有由于摆动遗留角，吊篮摩擦和机体装置的系统偏差等因素所导致的不平衡力矩，本发明的监测方法可以监测并反映出这部分动不平衡问题，这在大容量的高速超重力离心机设备上尤为重要。

附图说明

图1为本发明采用的超重力离心机的结构图；

图2为机座处地脚螺栓的力传感器布置图；

图3为传感器荷载变化时程曲线族示意图；

图4为不平衡量与荷载平均幅值散点数据及回归示意图。

图中：机座1、主轴2、转臂3、配重块4、配重端5、试验端6、地脚螺栓7、垫圈式力传感器8。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的说明。

本发明的监测方法为在超重力离心机机座1处的用以固定超重力离心机传动支承的地脚螺栓7上布设多个力传感器，多个力传感器沿圆周周向阵列布置，通过标定试验获得地脚螺栓7的荷载与超重力离心机的不平衡力之间的关系曲线；进而在实际超重力离心机试验时，实时采集地脚螺栓7的荷载，通过关系曲线对照获得对应的不平衡量值，作为监测结果；用得到的不平衡量值实时反应超重力离心机的运行状况，利用监测结果控制超重力离心机的安全运行。

在地脚螺栓7处布设的力传感器为垫圈式力传感器8，垫圈式力传感器8通过地脚螺栓7的螺母固定套装地脚螺栓7上，检测地脚螺栓7轴向上下的压力和拉里。在超重力离心机运行过程中，通过垫圈式力传感器8直接测量由于超重力离心机受不平衡力作用下地脚螺栓7承担的荷载，即地脚螺栓7上力传感器所检测到的值。

通过标定试验获得地脚螺栓7的荷载量值与超重力离心机的不平衡力之间的关系曲线，具体为：首先，在超重力离心机空转情况下，测量超重力离心机本身带有的原始不平衡量；然后，在原始不平衡量基础上通过在超重力离心机一端配置不同重量的配重块4或调整超重力离心机的转速，施加不同的不平衡力进行不平衡力试验，记录地脚螺栓7上力传感器的力测量值作为地脚螺栓7承受的荷载，得到不同不平衡力下地脚螺栓7承受荷载的变化情况，再经回归处理拟合获得关系曲线。

本发明的实施例及其实施过程如下：

一、条件：采用对称臂、双摆动吊篮的超重力离心机。

如图1所示，采用以下超重力离心机装置，超重力离心机包括机座1、主轴2、转臂3、配重块4、配重端5、试验端6、地脚螺栓7和垫圈式力传感器8；主轴2安装在机座1上，转臂3中部和主轴2上端固接，转臂3水平两端分别铰接配重端5和试验端6，配重端5为配重吊篮，放置配重块4；试验端6为试验吊篮，放置试验箱。

机座1通过地脚螺栓7固定于混凝土基座，地脚螺栓7上安装垫圈式力传感器8。如图2所示，机座1通过沿周向间隔均布的多个地脚螺栓7固定于混凝土基座。在机座1处，在地脚螺栓7上环形阵列安装力传感器8的布置如图2。

二、过程

步骤一、通过标定实验，标定出螺栓的荷载量值与不平衡量值之间的关系曲线，得到反演计算公式：

步骤一一、本实施例在机座地脚螺栓上环形布置8个力传感器，第一次先通过离心机空转，记录初始不平衡状态下8个螺栓承受荷载的变化情况并绘制相应的荷载时程曲线。

步骤一二、一般的离心机最大不平衡力限制在20t以内，因此，本实施例拟设计10组不平衡力，通过在离心机试验吊篮内逐次增加2t的配重块，总共10次，每次转机试验均保持同一个加速度值，实现控制离心机运行过程中受到的不平衡力，同时，记录每组不平衡力下8个地脚螺栓承受荷载的变化情况并绘制相应的荷载时程曲线。

步骤一三、每一组试验结束，可以得到8条时程曲线，将8条时程曲线整理在同一坐标系下，均可以画出如图3所示的曲线族；因此通过全程试验可以得到11组数据和曲线，每组数据均包含8条时程曲线，i＝1,2,…8，j＝0,1,…10。

步骤一四、对步骤一三中的每个时程曲线族算出其荷载幅值平均值(如，对应于第三组试验，此时不平衡力为4t，相应的荷载幅值平均值为与相应的不平衡力构成11组数据对

步骤一五、将步骤一四中的数据对，在坐标系内点出，并做回归拟合出一条关系曲线，确定得到参数k和b。

步骤二、实际进行离心机试验时，实时采集8个地脚螺栓的荷载变化情况并绘制相应的时程曲线，得到时程曲线族，计算该试验条件下的荷载幅值平均值通过反演计算公式，间接计算出此时对应的不平衡量值

由此可见，本发明只要通过标定试验确定出标定直线及反演计算公式，便可以依据每次试验监测到的力传感器上的荷载幅值，间接得到不平衡力，同时可以得到反映初始不平衡状态的不平衡力，并且反演得到的不平衡量，还可以体现许多其他引起因素引起的动不平衡问题。