基于仿生与气悬浮原理的盘式转子动平衡机械检测方法研究

来源: www.sblunwen.com 发布时间:2020-02-13 论文字数:62055字
论文编号: sb2020012716165329314 论文语言:中文 论文类型:博士毕业论文
本文是一篇机械论文,本文从盘式转子静不平衡量和偶不平衡量分析入手,研究结合仿生学理论与气悬浮技术,设计开发了盘式转子气悬浮动平衡检测试验台,验证了理论的可行性。
本文是一篇机械论文,本文对动平衡检测方法进行了深入研究,同时为解决动平衡信号干扰的问题,提出了小波去噪方法,去掉不平衡信号中的干扰,保证检测信号相对准确,研究并总结出气悬浮转子动平衡检测原理。研究开发动平衡分离算法模型,动平衡测量装置设计方法,数据融合技术、信号处理技术等关键技术。

第 1 章   绪论

1.1  课题的背景及意义
在机械制造业中,高精度、高转速旋转体(即旋转工件或称转子)的应用,必须以良好的平衡作为先决条件。由于多种因素引起旋转工件的质量分布不均匀,从而产生的不平衡量出现在旋转工件中时,往往会加大轴承的负荷,使磨损加重,从而引起振动以及噪声的产生,造成设备使用寿命的缩短,可能导致旋转轴和相关安装部件因此而产生疲劳缺口,存在隐患,甚至引起事故的发生。为了有效解决上述问题,对旋转体进行动平衡处理,已成为诸如汽车、轨道车辆、航空航天、化工、食品等领域的设备制造业中必不可少的工艺措施之一[1-5]。因此,如何进一步提高动平衡检测精度仍然是目前急需解决的关键问题。工业生产中动平衡检测工件种类很多,如图1.1所示: 
图1.1 动平面检测工作
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1.2  国内外研究现状
1.2.1  国外研究现状
国外学者们针对于动平衡技术方面的研究主要着力于现场动平衡以及在线转子自动平衡技术[22-28]。二十世纪五十年代,由美国Grobel提出了振动平衡法(即模态平衡法)[29],Kellenberger[30]和Palazzolo等[31]在后期研究中对其加以改进。模态平衡法操作程序的实现无需完全依靠测量仪器与计算工具,所以可以将其应用于该时期的工业平衡[32]。Shafei等将复模态以及复振动响应加入到模态平衡法中的方式,通过该实验结果得到了改进模态平衡法,能够实现不试重同样可以平衡挠性转子[33]。
1870年,Martinson发明了平衡机,但此平衡机的不平衡量是采用手动标记。1985年,A. Foppl提出了关于无阻尼转子系统响应方程,此方程分析表明,在旋转工件转速显著高于临界转速时,转子将转向其质量中心,同时分析预测了临界速度下的无限响应和临界速度频率下的瞬态响应[34]。1919年,H.H.  Jeffcott分析了柔性转子对平衡响应的基本性质[35]。1928年,S.H.  Weaver提出了平衡权重和不平衡量对平衡系统的应力关系,分析了刚性转子的旋转应力,随不平衡量的大小和相位发生变化,进而提出了影响系数的概念[36]。1929年,Rathbone将影响系数平衡方法应用在平衡检测中,该方法采用线性叠加法,减小了转子不平衡量引起的椭圆振动模式,同时Rathbone证明了不平衡量引起的转子椭圆运动产生两个解,分别为垂直方向和水平方向的振动解,利用轴向参考系,将两个振动方向表示为振幅和相位[37]。1934年,E.L.  Thearle提出了一种基于线性转子系统的双面测量法,应用于动平衡检测中,提高了动平衡检测的精度[38],此方法与Rathbone的迭代解决方法相比,Thearle包含了一个平衡分析解,也称为精确点平衡解。1939年,J.G.Baker等提出了一种试验权组的测量方法,应用在两个或两个以上平面上的平衡检测,解决了多面不平衡检测问题[39]。1940年,K.R. Hopkirk等提出了向量解析平衡法,有效的解决了双面动平衡检测问题,并提高了双面动平衡的检测精度[40]。1964年,T.P.Goodman提出了最小二乘法平衡方程,改进了平衡检测技术,该方法利用多个平衡量测量点数据,使不平衡引起的振动数值的平方和最小,再寻求一种加权方案,通过最小二乘法进行加权迭代,将振动值最小化,进而提高了平衡检测精度[41]。1989年,R.H. Badgley提出了统一动平衡理论,该理论利用影响系数计算模态权重,应用于多面不平衡领域中[42]。1972年,J.W.  Lund对传统的在线不平衡测量方法进行了研究,在不平衡转子平面中插入不平衡权重的平面,通过试重法进行平衡测试,此方法应用在多面不平衡检测中,通过平衡对比实验验证了该方法的有效性[43]。1971年,J.V.  LeGrow提出了一种利用计算机模型生成转子影响系数法,这种方法有效的提高了平衡检测的时间和成本,但此方法不能很好的检测出平衡转子的性能[44]。1983年,P.  Gnielka提出的模态平衡方法中,采用了一种简单的辨别方法,用在平衡检测中,提高了平衡检测的精度[45]。
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第 2 章   动平衡理论研究与误差分析

2.1  引言
动平衡检测是根据测量转子在旋转状态由离心力产生的不平衡量,根据平衡转子与不平衡量之间的线性关系,计算出不平衡量的位置和大小。但在动平衡检测中也存在误差,因此对动平衡理论的研究与平衡检测误差分析对提高动平衡检测有着重要的意义。
在旋转机械中,假如转子的质量处于均匀分布,同时满足生产和安装要求,则操作顺畅。当转子处于理想状态下,其所受的压力只有重力,即转子不做旋转时只受静压力作用。将旋转与不旋转时只受静压力作用的转子叫做平衡转子。如果转子在旋转时除受静压力外还有其它的作用力,则叫做不平衡转子。当转子在不平衡的情况下进行旋转,额外的动压力会导致机器振动,产生噪音,加剧机器磨损,缩短机器正常使用寿命,并造成严重事故。
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2.2  动平衡测量特性分析
基于仿生与气悬浮原理的盘式转子动平衡检测方法研究
基于仿生与气悬浮原理的盘式转子动平衡检测方法研究
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第 3 章   基于长耳鸮膀结构的盘式转子气悬浮动平衡检测试验台仿生机理研究 ..... 36
3.1  引言 .................................... 36
3.2  长耳鸮翅膀形貌生物模本 .......................................... 36
3.3  仿生长耳鸮翅膀形态特征与建模 .................................. 37
第 4 章   动平衡测量信号处理方法研究 ............................... 52
4.1  引言 .............................. 52
4.2  动平衡检测信号的特点 ................................ 52
第 5 章   盘式转子气悬浮动平衡检测试验台样机开发与试验 ..................................... 73
5.1  引言 ................................ 73
5.2  设计试验台系统结构 ............................. 73

第 5 章   盘式转子气悬浮动平衡检测试验台样机开发与试验

5.1  引言
为了验证本文提出的气悬浮动平衡理论的正确性与可行性,基于上述章节中的气悬浮动平衡检测原理、误差分析,仿生学原理,去噪和数据融合技术,开发了检测软件平台,搭建了盘式转子气悬浮动平衡检测试验台。通过实验数据,验证了新理论的正确性,同时气悬浮动平衡检测平台的性能达到了预期的目标。
在气悬浮动平衡检测试验台设计中,利用气悬浮原理,使用现代产品设计方法,借助现代信息技术,总结了动平衡机设计的共同特点,建立计算机辅助动平衡检测产品快速设计平台,可以有效管理设计数据,评估设计结果,进而提高气悬浮动平衡检测平台整体技术综合性能。
(1)设计目标 气悬浮动平衡检测试验台结构设计、动平衡检测系统设计。
(2)气悬浮动平衡检测平台的用途及使用范围 小型电动工具、小型电机转子及其小型旋转类需要进行平衡校正的工件,也可以用于教学实验等场合。
本文对气悬浮动平衡检测试验台的实际目标并非能完全定制,对未来市场的预测可能有误,系统模块建立可能并不够完善,因此该试验台在设计与使用中,还需要进一步完善、更新以及创新。
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第 6 章   结论与展望

6.1  结论
具有空间装置质量特性的综合测量设备能够用来测试动态不平衡、转动惯量以及几何轴等参数。关键技术是确保在一定转速下垂直动平衡的测量精度。利用垂直动平衡测量能够确定空间装置的动态不平衡和主惯性轴方程,且能够得到主惯性轴与几何轴之间的角度及其它一些技术参数,通过该过程对产品的平衡特性进行检测,主惯性轴方程与主惯性轴和几何轴之间的夹角为改善产品的加工和装配过程,提供了科学依据。目前,高精度垂直转子动平衡技术仍然是一个难以深入研究的难题,世界上主要的动平衡设备制造商在研究中投入了大量的科研人员和科研经费。本文对动平衡检测方法进行了深入研究,同时为解决动平衡信号干扰的问题,提出了小波去噪方法,去掉不平衡信号中的干扰,保证检测信号相对准确,研究并总结出气悬浮转子动平衡检测原理。研究开发动平衡分离算法模型,动平衡测量装置设计方法,数据融合技术、信号处理技术等关键技术。本文的主要成果和特点在原理和工程应用如下:
(1)根据动平衡的检测要求和气悬浮技术的特点,提出了气悬浮转子动平衡的测量方法。转子的技术原理是气悬浮技术使转子稳定悬浮起来,并有均匀水平分布的气流吹动转子进行旋转,由于转子的动态不平衡量的存在,所以会使转子相对水平位置发生偏离。利用高精度非接触式位移传感器对其进行测量,通过测量得到转子的偏移位移,从而进行计算得到转子的动态不平衡。转子的静不平衡量和偶不平衡量分别都在转子处于静止和旋转时对其进行测量以及校正。实现了静不平衡量和偶不平衡量检测的分离,避免了它们之间的相互干扰。当转子不旋转悬浮时,可以通过测量转子的偏移位移进而计算出转子的静不平衡量,校正了静不平衡量后,再使转子悬浮起来,同时在水平气流的作用下进行匀速转动,通过传感器对转子采集的偏移量计算出偶不平衡量,进而进行校正。必须保证静不平衡检测和偶不平衡检测两种检测独立进行测量,保证了气悬浮动平衡检测的精度。
(2)本文在平衡检测时,提出了转子在两个校正面上静平衡和偶平衡之间的关系。建立了转子静平衡量和偶不平衡量与转子倾斜偏移量之间的关系方程。经过计算得到其参数,并对所得数据进行实验分析,进而通过转子偏移量计算得到转子的静不平衡量以及其偶不平衡量。本文提出的检测方法不需要对转子标定进行校验,同时在检测其静不平衡量时,也不需转子的转动。通过转子稳定悬浮的位移偏移量,根据关系方程就可计算出转子的静不平衡量,在保证检测精度的同时节约了检测时间与检测成本。
参考文献(略)


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