专利名称：旋转机械动平衡的动刚度系数方法及其装置的制作方法
技术领域：
本发明提供一种旋转机械动平衡的动刚度系数方法及其装置，属机械领域的旋转机械动平衡技术。
近代旋转机械动平衡的方法主要有两种，一种是振型平衡法，另一种是影响系数法，目前，改进的动平衡方法，叫做联合平衡法(UBA法)，是把上述两种方法结合起来，有振型影响系数法和振型圆法，其中振型圆法虽能较快地在极座标上找出‘高点’与‘重点’，使第一次试加重较为可靠，但在多支承系统，仍需几次试加重，几次开、停机。与本发明较接近的有1983年日本日立公司佐藤一男等人发表的专利“旋转机械平衡的方法及其装置”中介绍了‘通过轴承支座的阻抗矩阵求出影响系数进行平衡的理论方法及其应用’；1985年清华大学唐锡宽在《(ASME》(85-DET-120，7P)杂志发表的“通过计算与试验确定旋转机械系统中轴承座等效阻抗和影响系数”中介绍了‘用测定的刚度系数和阻尼系数来计算动态影响系数，然后再计算配重’的方法；他们共同特点是所测量的振动状态量为轴振动量和轴承动反力，测点都在轴上，每个轴承处至少要放两个互成直角的测点。在多支承旋转机组的动平衡中它们的共同的缺点是都需要多次试加重，平衡精度低，开、停机次数多。
本发明的目的是提供一种旋转机械动平衡的动刚度系数方法及其装置，提高平衡计算的精度，使旋转机械(机组)开、停次数有效地减少到1～2次。
本发明提供的‘旋转机械动平衡的动刚度系数方法’其测量和计算的基础是建立一个图1示出的，反映分布质量连续转子多跨支承在几个同一方位上的等效弹性阻尼支座模型，即转子—支承系统动力学模型，将转子—支承系统分割成两个子系统，即转子系统和支座系统，其分界面取在转子轴颈与支座轴瓦油膜接触面上，两个子系统分别建立自己的运动方程，其间由一对耦合力轴承动反力R和支座动态力R′的{R}＝-{R′}—————(1)关系式相联系，用图2所示等效支座力学模型的振动矩阵方程[Kd]{Xs}＝{R′}———(2)计算支座动态力R′、支座精确等效动刚度系数Kd以及支座残余振动量Xs，其特点是用这一等效弹性阻尼支承模型，代替了各向异性支座的四个刚度系数和四个阻尼系数的支座模型，它只需一个刚度系数和一个阻尼系数，因此，每个支座振动量Xs的测点只需一个，支座动态力R′的测点也只需一个，这两个测点必须放在过支承点的同一条径线上；各支座上的测点都要放在同一过轴线的平面上，即其方位角为；等效动刚度系数Kd在[1]对应于第Vc种运行负荷状况下，[2]在选定的ωk转速下，[3]有确定的选定校正平面位置和数目m的情况下是一个常数。
为了计算支座动态力R′和支座振动量Xs，除考虑转子系统上给定的总加重所产生的激振力外，还需计及转子系统不平衡响应所引起的附加不平衡激振力。为此，将转子系统简化为图3所示的集总质量转子模型。用转子—支承系统动力平衡条件和变形谐调条件 ∑Mx＝0，∑My＝0；[δij]{Ri}+{Sip}＝{Xsi}——(3)以及计算转子系统不平衡响应的传递矩阵{Z}i＝{T}i-1[T]i-2，...，[T]1[P]{Z}1————————(4)来计算支座动态力和支座振动量，式中 --第j个校正平面的平衡量 所产生的惯性力和由于转子动变形引起的附加不平衡激振力； —第i个超静定或静定轴承动反力； —转子所有外力和力偶分别在ozy平面和ozx平面的力矩； —各支座在 作用下的振动量； —转子各有关点的单位荷载下的柔度，可由Mohr积分或传递矩阵法计算；Sip—转子不平衡惯性力在各有关点的变形值，也可由Mohr积分或传递矩阵法计算；ωk—第k个平衡转速。 ——起始状态向量 ——第I截面状态向量[T]i＝[B]i[D]i————圆盘与轴段组合元件传递矩阵[B]i————————无质量轴段场阵[D]i————————园盘点阵[P]————————起始矩阵再用平衡目标方程和约束方程max{|εsi(ωk，Vc，m，)|}→minεsi(ωk，Vc，m，)＝Xsi(ωk，Vc，m，)+XOi(ωk，Vc，m，)[Kd]{xs}＝{R′} ————(5)[Gr]{x··}+[Gr]{x·}+ωJ{x·}+[Kr]{x}={F}-{R}]]>{Fj‾}=ω2{Uj‾}]]>来优化计算在选定校正平面上的最佳成组配重U，式中XOi————第i个支座测点记录的原始支座振动量；Xsi————第i个支座测点记录的加重后的支座振动量；εsi————第i个支座测点记录的残余支座振动量；i＝1，2，....，n，———支座测点数；k＝1，，.....，，K+1，K+2，K个轴系临界转速；K+1————空载下的额定转速；K+2————满负荷时的转速；c＝1，2，....，c运行工况，一般指各种负荷下和长期稳定满负荷工况下；m————选定的校正平面数目；Gr————转子质量；————支承处测点的方位角；Uj＝mjrj——校正平面的平衡量(重径积)；[Gr]————转子系统的质量阵；[Cr]————转子系统的阻尼阵；[Kr]————转子系统的刚度阵；{R}————轴承动反力列阵；{F}————转子系统的外力列阵；[J]————转子系统的回转力矩有关的矩阵，J为反对称阵，各元素是极转动惯量；{x}， —转子系统的振动量列阵；其中{x}是转子振动位移响应阵， 是转子振动速度响应阵， 是转子振动加速度响应阵；优化计算的方法是用已知支座系统等效动刚度系数[Kd]，就可通过公式(5)采用座标轮换方向搜索法，不断地改变Fj，利用前述(3)、(4)式可求出轴承动反力{R}，由公式(2)又可求出在{R′}作用下所产生的支座振动量(瓦振){Xs}，经与原振{X0}迭加，可计算出残余振动量{εsi}，若趋于减小，则继续该方向优化，否则换Fj另一个座标方向，直至求出使各支承残余振动量{εsi}皆为最小时的最佳平衡量Uj，每个校正平面依次搜索下去，直至在选定平面工况下，求出最佳成组配重值{Uj}。
为此，所有的计算公式还需测量出各测点之间的距离、各选定校正面的位置数目和加重半径、轴系各段的轴向尺寸和转轴的内、外径尺寸。
则本发明提出的‘旋转机械动平衡的动刚度系数方法’至少由以下三个步骤来完成第一步，对不平衡转子及轴系在对应于第Vc种运行负荷状况下，在选定的ωk转速下，已选定了校正平面的位置和数目m的情况下，测量各支座的原始支座振动状态量，所说的支座振动状态量包括支座振动量Xs和支座动态力R′；而原始支座振动状态量是指原始支座振动量X0和原始支座动态R0′；并用常规手段确认是质量不平衡；第二步根据测出的各原始支座振动量X0和测出的各原始支座动态力R0′代入公式(2)，计算出各支座的精确等效动刚度系数Kd，再由公式(3)、(4)、(5)求出选定校正平面上的最佳成组配重U和预先计算出各支座的残余支座振动量εsi；第三步在选定平面加上最佳成组配重U后，测出各支座的残余支座振动量εsi小于允许值，平衡完毕。
如果在第一步中所测量的各支座的振动状态量只测出原始支座振动量X0，则第二步就需根据测出的各支座的原始支座振动量X0和选定的一个近似等效动刚度系数Kd，计算出在选定校正平面上的近似成组配重Ux，第三步在选定校正平面加上近似成组配重U1(作为初加重)后，测出各支座的初加重支座振动量X1，若X1值小于允许值，则平衡完毕，若X1值仍大于允许值，就需进行第四步，根据测出的各原始支座振动量X0和测出的各初加重支座振动量X1之间的变化量Xs计算出各支座的精确等效动刚度系数Kd，从而求出选定校正平面上的最佳成组配重U和预先计算出各支座的残余支座振动量εsi；第五步在选定校正平面加上最佳成组配重U，测出各支座的残余支座振动量εsi小于允许值，平衡完毕。
近似等效动刚度系数Kd的选取，可选取下述两种情况之一[1]对于以前未平衡过的机组是取用存在数据库中同型号机组、同类型机组在其平衡史上曾使用过的精确等效动刚度系数Kd的数值，作为近似等效动刚度系数，用它可求出现场被平衡旋转机组在选定校正平面上的近似成组配重U1，作为初加重。[2]对于以前平衡过的机组，用其平衡记录(至少有一个校正平面位置，一个平衡转速和两个测点振动量变化记录)，用公式(2)、(3)、(4)、(5)计算出现场被平衡旋转机组有关支座的近似等效动刚度系数和选定校正平面上的近似成组配重U1，作为初加重。
本发明提供一种旋转机械动平衡的动刚度系数平衡装置，其原理方框图在图4示出，它包括常规的振动量传感器、振动力传感器(404)，涡流头(405)和光电头(406)等测量器件；一台用虚线框表示的振动测量信号前处理器(407)～(415)；和一台专用主计算机(416)；其中，专用主计算机(416)是带有与振动测量信号前处理器专用接口、显示器或打印机接口的，并具有包括支座动态力计算模块(418)、支座等效动刚度系数计算模块(419)、成组配重和残余支座振动量计算模块(420)以及专用数据库管理与维护程序模块(421)等四个软件模块的计算机，它可以按照图5所示的程序完成前述平衡步骤中的所有计算，该计算机最好是便携式计算机。它的测量信号前处理器是由衰减器(407)、放大器(408)、整形放大器(409)、滤波器(410)、锁相环电路(411)、模数转换器(412)、中央数据处理单片机(413)、RAM存储芯片(414)和EPROM芯片(415)所组成，它们的单线连接关系是一路是(407)接(409)接(411)接(412)接至(413)；另两路同样的(408)接(410)接至(413)，(413)的两条反馈线分别接至两个(408)；(411)另外两条线分别接至两个(410)上；(414)、(415)分别有双向电缆与(413)连接；在两个(408)上有振动传感器(404)的接口，在(407)上有涡流头(405)的接口，在(409)上有光电头的接口，在(413)上有与专用主机算机相连的接口。(417)是接在主计算机上的显示器或打印机，其中，支座动态力R′的计算模块是按照公式(3)、(4)编制的具有根据振动量传感器测出的支座振动量Xs计算支座动态力R′和利用振动力传感器直接测出的支座动态力R′数据的计算软件固在其中的模块；支座等效动刚度系数计算模块是按照公式(2)编制的具有根据振动量传感器测出的原始支座振动量Xo值和由支座动态力计算模块计算出的支座动态力R′值或用振动力传感器直接测出的支座动态力R′值来计算出支座等效动刚度系数的计算软件固化在其中的模块；成组配重和残余支座振动量计算模块是按照公式(5)编制的具有根据振动量传感器测出的原始支座振动量Xo值、各支座等效动刚度系数Kd的数值、选定校正平面位置和数目m以及第Vc种运行状况参数来优化计算出在选定校正平面需加的最佳成组配重和残余支座振动量的计算软件固化在其中的模块；专用数据库管理与维护程序模块是具有存储和调用各种旋转机械转子—支承系统的结构参数和动平衡史记载的各支座的精确等效动刚度系数的管理与维护程序固化在其中的模块。
本发明的优点和有益效果是[1]平衡精度高。由于本发明采用了支座的精确等效动刚度系数和优化计算方法，简化了测量和计算，提高了计算最佳成组配重的准确度。只测支座同方位角的振动量和动态力，用精确等效动刚度系数直捷优化计算最佳成组配重和预先计算出残余支座振动量，都能达到振动允许值的优良标准。不需要试加重。是用近似等效动刚度系数计算出近似成组配重，作为第一次初加重后就可计算出最佳成组配重，不需要计算影响系数。有效地减少了现场被平衡机组的启动次数，缩短了平衡工期。本方法只需加重启动1～2次，即只需开、停机1～2次，在第三步或第五步开机启动后已是平衡成功。
本发明的适用泛围广，它既适用于刚性转子及其轴系的动平衡，又适用于挠性转子及其轴系的动平衡；既能用于硬支承动平衡机，又能在现场动平衡中使用，还可用于汽轮发电机组的热态动平衡。
图1转子-支承系统的动力学模型中Gs1，Gs2，Gsn分别表示第1第2和第n个支座的参振质量，CO1，CO2，COn分别表示第1第2和第n个支座的等效油膜阻尼系数，CS1，GS2，CSn分别表示第1第2和第n个支座的等效基础阻尼系数，KO1，KO2，KOn分别表示第1第2和第n个支座的等效油膜刚度系数，KS1，KS2，KSn分别表示第1第2和第n个支座的等效基础刚度系数，ωK—————平衡时转子的角速度，—————测点所在过轴线平面的方位角图2支座系统的力学模型中Kd-支座等效动刚度系数Xs-支座在R′作用下的振动量R′-支座所承受的动态力图3转子系统力学模型中 --第j个校正平面上的平衡量Uj所产生的惯性力 —第i个超静定或静定轴承动反力；m—校正平面数目n—支座数目图4旋转机械动平衡装置原理方框中401-被平衡转子，402、403-左、右支承系统，404-振动传感器，405-涡流头，406-光电头，407-衰减器，408-放大器，409-整形放大器410-滤波器，411-锁相环电路，412-模数转换器，413-8098单片机，414-RAM存储芯片， 415-EPROM芯片，416-主计算机， 417-CRT显示器， 418-支座动态力的计算模块，419-支座等效动刚度系数的计算模块，420-成组配重和残余振动量的计算模块，
421-旋转机组类型尺寸等效动刚度系数加重工况的数据库管理模块，图5动刚度系数平衡计算程序主框图下面用实施例对本发明作进一步说明实施例1，对河北甲电厂9#发电机组(200MW)接长轴的两个校正面上初加重的计算，是利用同类型机组大修平衡时加重前、后的振动变化记录，用这些数据，在本发明的专用计算机中先计算出有关支座的近似等效动刚度系数Kd，再计算出在这两个校正面上的初加重值，结果，一次加重成功，测出的支座残余振动量在冷态和热态情况下都达优。
实施例2，对东北乙电厂3#机组(200MW)接长轴的两个校正面上初加重的计算，是利用河北甲电厂同类型机组平衡时所用过的精确等效动刚度系数，作为本机组的近似等效动刚度系数Kd，计算出初加重，加上后，机组各支座振动量有变化，然后再根据本机组各支座的原振和初加重后各支座的振动量，就可利用本发明的专用计算机中计算出本机组各支座的精确等效动刚度系数，和这两个校正面上的最佳配重，加上后，机组各支座振动由59微米，降到30微米以下，二次加重机组达到良好振动标准。
实施例3，对东北丙电厂3#机组(200MW)六个校正面(即中压转子低压侧校正面P3，接长轴两个校正面J3和J4，低压转子两个校正面L4和L5，以及低压转子与发电机转子联轴节校正面L6)上同时加重的计算，就是利用本发明的专用计算机数据库中所存储的同类型机组的等效动刚度系数以及本机组各支座原始振动值，计算出这六个校正面上的最佳配重，一次加重，结果机组各支座振动，由30微米降到17.2微米，达到优秀振动标准。
实施例4，在大型挠性转子动平衡试验台上(硬支承)，对一个100MW汽轮发电机转子进行动平衡试验。首先，同时测出在一定负荷工况下、一定平衡转速下各支座上测点的振动量 和支座动态力R′，然后，将选定的四个校正平面的位置尺寸输入到本发明的专用计算机中，很快，该计算机经图5的中路程序计算出在四个校正平面上的最佳成组配重，并预计了各支座的残余支座振动量，结果，一次加重起动，测出转子、支座残余振动量达优，平衡完毕。
权利要求
1，一种旋转机械动平衡的动刚度系数方法，其特征在于其测量和计算的基础是建立一个反映分布质量连续转子多跨支承在几个同一方位上的等效弹性阻尼支座模型，即转子—支承系统动力学模型，将转子—支承系统分割成两个子系统，即转子系统和支座系统，两个子系统分别建立自己的运动方程，其分界面取在转子轴颈与支座轴瓦油膜接触面上，其间由一对耦合力轴承动反力R和支座动态力R′的{R}＝-{R′}关系式相联系，用支座的振动矩阵方程[Kd]{Xs}＝{R′}计算支座动态力R′、支座精确等效动刚度系数Kd以及支座振动量Xs，其特点是用一等效弹性阻尼支承模型，代替了各向异性支座的四个刚度系数和四个阻尼系数的支座模型，这一等效弹性阻尼支承模型只需一个刚度系数和一个阻尼系数，因此，每个支座振动量Xs的测点只需一个，支座动态力R′的测点也只需一个，这两个测点必须放在过支承点的同一条径线上；各支座上的测点都要放在同一过轴线的平面上，即其方位角为；等效动刚度系数Kd在(1)对应于第Vc种运行负荷状况下，(2)在选定的ωk转速下，(3)有确定的选定校正平面位置和数目m的情况下是一个常数，用转子—支承系统动力平衡条件和变形谐调条件 ∑Mx＝0，∑My＝0，[δij]{Ri}+{Sip}＝{Xsi}，以及计算转子系统不平衡响应的传递矩阵{Z}i＝{T}i-1[T]i-2，...，[T]1[P]{Z}1来计算支座动态力和支座振动量，再用平衡目标方程max{|εsi(ωk，Vc，m，)|}→min [Kd‾]{xs‾}={R′‾}]]>[Gr]{x··}+[Gr]{x·}+ωj{x·}+[Kr]{x}={F}-{R}]]>{Fj‾}=ω2k{Uj‾}]]>来优化计算在选定校正平面上的最佳成组配重U，这样，旋转机械动平衡的动刚度系数方法至少由以下三个步骤来完成第一步测量不平衡转子及轴系中各支座的原始支座振动状态量，所说的支座振动状态量包括支座振动量Xs和支座动态力R′；而原始支座振动状态量是指原始支座振动量X0和原始支座动态力R0′；并用常规手段确认是质量不平衡；第二步根据测出的各原始支座振动量X0和测出的各原始支座动态力R0′计算出各支座的精确等效动刚度系数Kd，从而求出选定校正平面上的最佳成组配重U和预先计算出各支座的残余支座振动量εsi；第三步在选定平面加上最佳成组配重U后，测出各支座的残余支座振动量εsi小于允许值，平衡完毕。
2，如权利要求1所述的旋转机械动平衡的动刚度系数方法，其特征在于第一步中所测量的各支座的振动状态量只测出原始支座振动量X0，则第二步就需根据测出的各支座的原始支座振动量X0和选定的一个近似等效动刚度系数Kd，计算出在选定校正平面上的近似成组配重U1，第三步在选定校正平面加上近似成组配重U1(作为初加重)后，测出各支座的初加重支座振动量X1，若X1值小于允许值，则平衡完毕，若X1值仍大于允许值，就需进行第四步，根据测出的各原始支座振动量X0和测出的各初加重支座振动量X1之间的变化量Xs计算出各支座的精确等效动刚度系数Kd，从而求出选定校正平面上的最佳成组配重U和预先计算出各支座的残余支座振动量εsi；第五步在选定校正平面加上最佳成组配重U，测出各支座的残余支座振动量εsi小于允许值，平衡完毕。
3，如权利要求1或2所述的旋转机械动平衡的动刚度系数方法，其特征在于近似等效动刚度系数Kd是取用存在数据库中同型号机组、同类型机组在其平衡史上曾使用过的精确等效动刚度系数Kd的数值，用它可求出现场被平衡旋转机组在选定校正平面上的近似成组配重U1，作为初加重。
4，如权利要求1或2或3，所述的旋转机械动平衡的动刚度系数方法，其特征在于所有的计算步骤还需测量出各测点之间的距离、各选定校正面的位置和加重半径、轴系各段的轴向尺寸和转轴的内、外径尺寸。
5，一种旋转机械动平衡的动刚度系数平衡装置，其特征在于它包括常规的振动量传感器、振动力传感器(404)、涡流头(405)、和光电头(406)等测量器件；一台振动测量信号前处理器(407)～(415)；和一台专用主计算机(416)；其中专用计算机(416)是带有与振动测量信号前处理器专用接口、显示器接口、打印机接口的，并具有包括支座动态力计算模块(418)、支座等效动刚度系数计算模块(419)、成组配重和残余支座振动量计算模块(420)以及专用数据库管理与维程序模块(421)等四个软件模块的计算机，最好是便携式计算机。
6，如权利要求5所述的一种旋转机械动平衡的动刚度系数平衡装置，其特征在于它的测量信号前处理器是由衰减器(407)、放大器(408)、整形放大器(409)、滤波器(410)、锁相环电路(411)、模数转换器(412)、中央数据处理单片机(413)、RAM存储芯片(414)和EPROM芯片(415)所组成，它们的单线连接关系是一路是(407)接(409)接(411)接(412)接至(413)；另两路同样的(408)接(410)接至(413)，(413)的两条反馈线分别接至两个(408)；(411)另外两条线分别接至两个(410)上；(414)、(415)分别有双向电缆与(413)连接；在两个(408)上有振动传感器(404)的接口，在(407)上有涡流头(405)的接口，在(409)上有光电头的接口，在(413)上有与专用主机算机相连的接口。
7，如权利要求5或6所述的一种旋转机械动平衡的动刚度系数平衡装置，其特征在于支座动态力R′的计算模块(418)是具有根据振动量传感器测出的支座振动量X0计算支座动态力R′和利用振动力传感器直接测出的支座动态力R′数据的计算软件固在其中的模块。
8，如权利要求5或6或7所述的一种旋转机械动平衡的动刚度系数平衡装置，其特征在于支座等效动刚度系数计算模块(419)是具有根据振动量传感器测出的原始支座振动量X0值和由支座动态力计算模块计算出的支座动态力R′值或用振动力传感器直接测出的支座动态力R′值来计算出支座等效动刚度系数的计算软件固化在其中的模块。
9，如权利要求5或6或7或8所述的一种旋转机械动平衡的动刚度系数平衡装置，其特征在于成组配重和残余支座振动量计算模块(420)是具有根据振动量传感器测出的原始支座振动量X0值、各支座等效动刚度系数Kd的数值、选定校正平面位置和数目m以及第Vc种运行状况参数来优化计算出在选定校正平面需加的最佳成组配重和残余支座振动量的计算软件固化在其中的模块。
10，如权利要求5或6或7或8或9所述的一种旋转机械动平衡的动刚度系数平衡装置，其特征在于专用数据库管理与维护程序模块(421)是具有存储和调用各种旋转机械转子—支承系统的结构参数和动平衡史记载的各支座的精确等效动刚度系数的管理与维护程序固化在其中的模块。
全文摘要
一种属机械领域的“旋转机械动平衡的动刚度系数方法及其装置”，它适用于分布质量连续转子多跨支承的旋转机组。是利用等效支座力学模型的振动矩阵方程[K
文档编号G01M1/00GK1132323SQ9510282
公开日1996年10月2日 申请日期1995年3月27日 优先权日1995年3月27日
发明者韩余才 申请人:东北电力学院