本發(fā)明涉及一種實現(xiàn)旋轉機械在線自動平衡的剖分式自動平衡裝置，屬于旋轉機械自動平衡技術領域。

背景技術：

旋轉機械是工業(yè)生產中必不可少的重要組成部分，常見的旋轉機械有汽輪機轉子、離心式壓縮機、工業(yè)燃氣輪機、高速超精密磨床、大型風機，航空發(fā)動機等。伴隨著旋轉機械往高速、高精度、大型化方向發(fā)展，對控制旋轉機械振動的要求也越來越高。

轉子是各類旋轉機械中最重要的部件，轉子的振動過大將導致旋轉機械動靜部件碰摩、軸承磨損斷裂、機組停車檢修等不良后果，造成巨大的經濟損失以及給操作人員帶來安全隱患。因此，需要定期對旋轉機械轉子進行動平衡試驗。L.J.Everett的調查統(tǒng)計，旋轉機械振動過大有80％來源于轉子的不平衡量過大。轉子動平衡就是在兩個矯正面上重新調整轉子系統(tǒng)的質量分布，使轉子由不平衡量引起的振動控制在允許范圍內。而傳統(tǒng)的離線動平衡方法具有一定的局限性，往往需要將轉子從機器上拆下來進行現(xiàn)場動平衡。現(xiàn)場動平衡往往需要經歷在平衡架上反復加“試重”的過程，平衡難度大、平衡時間長、費時費力。之后出現(xiàn)的無試重現(xiàn)場動平衡技術雖然縮短了平衡時間，但也避免不了停機的問題。自動平衡技術便是在這樣的背景下迅速發(fā)展起來的新興學科。在線自動平衡技術能夠在旋轉機械不停機的狀態(tài)下實時調整轉子不平衡狀態(tài)，自美國1877年第一臺自動平衡裝置面世以來，越來越多的專家學者開始研究自動平衡裝置，取得了一定的成果，并被成功的應用于一些工業(yè)實踐中。

電磁平衡頭具有精度高、結構緊湊、響應時間短以及穩(wěn)定性好等優(yōu)點，已經成為自動平衡裝置領域中研究的熱點。美國密西根大學、韓國亞洲大學等高校對電磁平衡頭的設計及控制方法作了大量的研究，目前，歐美等發(fā)達國家對電磁式平衡頭系統(tǒng)的研究已經處于比較成熟的階段，并在工業(yè)領域中得到了推廣應用。德國霍爾曼公司已經用于自主設計的電磁平衡頭，并成功應用于高檔數(shù)控機床。韓國亞洲大學的Moon等人在自動平衡裝置的發(fā)展概述中提到，美國LORD公司生產的電磁驅動實時平衡系統(tǒng)已成功應用于超精密加工領域中的高速機床主軸上，有效的降低了主軸振動，提高了加工精度，給歐美國家?guī)砹司薮蟮慕洕б?。此外，LORD公司產品在大型風機[9]以及離心壓縮機中也有成功的應用案例。2014年，資料顯示電磁平衡頭已經成功應用于C-130渦槳型航空發(fā)動機上。

目前，自動平衡技術在民用領域，尤其是在高端的機床行業(yè)，已經推出了商業(yè)化的產品，并取得了很多成功的應用，以德國Hofmann、德國Dittel、美國許密特(Schmitt)、美國Lord、意大利Marposs為代表的液體式、機電式、電磁驅動式自動平衡技術的應用最為廣泛。然而，以上的自動平衡裝置皆為整環(huán)式結構，安裝和調整都較為繁瑣，要在渦槳發(fā)動機上運用自動平衡技術來抑制發(fā)動機的同頻振動故障還有很多問題需要解決。由于航空發(fā)動機尤其是軍用發(fā)動機，其運行工況復雜，例如巡航和俯沖，為適應這種快速的工況變化，必須使得自動平衡系統(tǒng)具備輕便的結構、穩(wěn)定的驅動能力、快速的反應能力、并且具備便攜的安裝性能。

1993年美國波音公司為了抑制不平衡轉子的振動，發(fā)明了一種可在線提供持續(xù)主動平衡的平衡裝置，適用于轉子等旋轉部件(發(fā)明號：US005197010A)。該裝置采用液壓系統(tǒng)驅動儲液用彈性囊來實現(xiàn)主動平衡，有兩種結構：一種是彈性囊環(huán)繞安裝在轉子和支撐軸承之間，通過液壓實時調整轉軸中心位置達到平衡狀態(tài)；另外一種是把儲液的彈性囊作為可變質量，直接安裝在轉軸上。通過泵壓改變彈性囊儲液量大小來實現(xiàn)轉子質量的再分配，達到平衡狀態(tài)。

2012年德國Hofmann公司發(fā)明了一種針對飛機旋轉主軸的自動平衡裝置(發(fā)明號：EP2474469A1)。采用具有觸變性質的固體或者液體材料，利用離心力自動調整位置，填充在一個環(huán)繞旋轉主軸的空腔內。通過改變具有一定質量的材料的位置來達到重新分布質量的自動平衡。該平衡方式是一種被動式自動平衡，在實施平衡的過程中對觸變材料、對飛機旋轉主軸的旋轉速度都有嚴格的要求。

2012年，美國LORD公司設計了一種改進安裝的電磁驅動式自動平衡裝置，用于螺旋槳飛機的自動平衡(發(fā)明號：WO2012/051475A1)。利用可控的兩個配重塊，實現(xiàn)一定范圍內的平衡質量再分布。該平衡裝置利用滑環(huán)結構實現(xiàn)驅動線圈的內勵磁驅動，從而可以將整個平衡裝置內置于飛機螺旋槳的根部。然而，由于滑環(huán)結構的引入，造成平衡裝置的結構復雜，對整機的壽命產生一定影響。2013年，美國LORD公司(專利號:US8360728)設計了包含該滑環(huán)結構自動平衡裝置的針對瞬態(tài)振動的自動平衡系統(tǒng)，其執(zhí)行機構依然存在滑環(huán)壽命問題。

2016年，意大利Marposs公司發(fā)明了一款適用于磨床的機電砂輪平衡系統(tǒng)。該系列平衡頭主要應用于檢測并校正砂輪不平衡引起的振動。

目前，國內學者在自動平衡技術及自動平衡裝置等方面也開展了相關研究，取得了一些成果。1993年，浙江大學提出了電磁式自平衡頭(專利CN93102971及專利CN 93206281)，利用電磁力驅動彈簧定位的鋼球，使得配重質量發(fā)生移動，從而實現(xiàn)質量再分布的平衡目的。但該結構中的彈簧定位不宜控制，且長期使用中當彈簧出現(xiàn)變形時，容易造成磁力驅動失誤的問題；哈工大研發(fā)了采用永磁差頻電動機作為驅動電機的磁力平衡執(zhí)行器；西安交通大學設計了依靠電磁感應實現(xiàn)靜、動盤間能量傳遞，驅動動盤內配重質量移動的平衡執(zhí)行器，以及磁力配重型等多種類型平衡執(zhí)行器(專利號：CN101587004B)，在2015年提出一種電磁控制磁流變液動平衡方法，通過對電流的調節(jié)，改變電磁鐵產生的磁感應強度。產生可控磁場后，磁流變液發(fā)生形變及位移，以磁流變液質量分布的變化作為補償質量，實現(xiàn)對旋轉機械的在線動平衡(專利號：CN105004482A)。北京化工大學從2002年開始研究透平機械的自動平衡技術，取得了多項研究成果，開發(fā)了連續(xù)注排液式(專利號:CN100346089C)及氣動壓液式(專利號:CN102840949A)在線平衡裝置。然而，以上的研究對象多針對高速旋轉的加工機械，如磨床、車床等，尚未有關于剖分式結構的自動平衡裝置研究報道，更未有剖分式平衡機構的相關專利，且上述幾種平衡策略在安裝拆卸過程中都容易產生一定的工作量及安裝誤差。旋轉機械的高速化發(fā)展要求安裝在其轉子系統(tǒng)的平衡裝置要重量輕、體積小且便于在不影響整體結構的條件下便于安裝拆卸。

隨著我國工業(yè)快速發(fā)展需求，研究穩(wěn)定性高、質量輕、平衡能力大且易安裝拆卸的輕量型自動平衡裝置，是一個重要研究課題。通過設計適當?shù)慕Y構，對傳統(tǒng)的整環(huán)式自動平衡頭進行剖分式機械結構設計，使得旋轉主軸在不被拆卸的情況下安裝上電磁式自動平衡裝置，從而實現(xiàn)振動的在線自動平衡，進而提高裝置可靠性及質量穩(wěn)定性。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有的旋轉機械自動平衡裝置中環(huán)狀結構不易安裝和拆卸的問題，通過在轉子上安裝一種輕量化剖分式結構的自動平衡裝置，來實現(xiàn)不平衡振動的實時抑制，大大縮短了停機時間和繁瑣的拆除、安裝工序。本發(fā)明的剖分式結構，使得自動平衡平衡裝置不但適用于新產品開發(fā)，也適用于在役的旋轉設備，使得自動平衡頭在安裝和拆卸過程中的簡易性與便捷性得到大大提升，無需拆卸原有裝置就能完成自動平衡裝置的裝拆，有利于自動平衡裝置的應用推廣。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采用的技術方案是在旋轉機械旋轉主軸上安裝剖分式電磁驅動平衡裝置，該裝置的剖分式機械結構包括剖分式動環(huán)和剖分式靜環(huán)兩部分；剖分式動環(huán)包括環(huán)內軸承12、過渡套11、配重盤16、永久磁鐵18、定位磁鐵21、鐵磁板a13、鐵磁板b14、鐵磁板c15、動環(huán)定位端蓋30、動環(huán)鎖緊螺栓19，各結構部件均采用剖分式機械結構，通過鎖緊螺栓成為一個整體，配重盤可以相對主軸旋轉，其它部件與主軸同步旋轉；剖分式靜環(huán)包括：剖分式支架25、U型線圈22、位置傳感器26、靜環(huán)鎖緊螺栓23，通過鎖緊螺栓成為一個整體，用于產生驅動配重盤轉動的電磁場并實時測量配重盤16的位置；

環(huán)內軸承12分為內圈、外圈以及保持架，采用剖分式結構，其中內徑與外徑的剖分面之間用帶有定位面的銷式螺栓連接成整體，定位面為圓柱面或者圓錐面。對半分開的保持架通過螺釘緊固連接片來實現(xiàn)連接。

過渡套11連接旋轉主軸10與動環(huán)，并起支撐動環(huán)的作用，過渡套11的剖分面連接方式為插接式，保證過渡套11軸向固定。在過渡套11上開四個沉頭孔，用內六角螺釘緊固以保證徑向定位。具體結構見附圖。

配重盤16為動環(huán)部分組件，其基體由不銹鋼、鋁或者其他非磁性材料制成，安裝在兩個動環(huán)環(huán)內軸承12的外圓周上。配重盤16剖分為半圓環(huán)形結構，其剖分面連接方式采用連接片連接，連接片由四個圓頭螺栓進行固定。外圈邊緣鑲嵌有步進磁鐵18，放置永久磁鐵的目的是使配重盤16產生步進動作，其中配重盤16的半圓側安裝有配重塊17，另一側設若干開孔，使得當兩剖分式配重盤16組合安裝后形成對于它們的中心的一個不平衡量。即在軸向共安裝兩個剖分式平衡盤，每個平衡盤配有配重塊17和相對位置開孔，形成質量偏心，其功能是產生抑制振動的平衡合力。

鐵磁板a13、鐵磁板b14、鐵磁板c15由磁導性材料制成，是磁的良好導體。剖分式鐵磁板安裝于配重盤16的軸向兩側，用于降低磁阻，增強磁場強度。安裝后的剖分式鐵磁板每個剖分面用兩個螺栓進行連接。在軸向依次安裝帶有均布通孔的鐵磁板a13，鐵磁板b14，鐵磁板c15。鐵磁板和配重盤之間無摩擦，設定其空氣間隙δ₁，δ₂，其值根據情況不同選范圍為0.1mm-0.5mm。鐵磁板b14、鐵磁板a13、鐵磁板c15上均設有通孔，步進磁鐵18的數(shù)量為鐵磁板組通孔數(shù)量的兩倍；通孔的作用是利用磁力作用阻止配重盤16轉動，從而使動環(huán)中的配重盤16及時在外界無能量的條件下也不會“轉動”，使得配重盤16在較大的旋轉加速度時也能保持靜止平穩(wěn)狀態(tài)，從而具有“自鎖”功能。

動環(huán)定位端蓋30固定在轉軸10上，隨轉子同速轉動。定位端蓋30在平衡頭中的作用有兩方面：一是把平衡頭所有零件軸向固定，鎖緊兩側定位端蓋30后，可以保證其內部的配重盤16和鐵磁板b14、鐵磁板a13、鐵磁板c15的側隙δ固定不變。二是作為配重塊17定位的基準。其剖分面連接方式和螺栓選擇與剖分式配重盤16的原理相同。通過在一個支撐架25的外圈鑲嵌定位磁鐵21來提供定位基準信號。每個配重盤16上定位磁鐵21相對于該支撐架25定位基準磁鐵的角度實時反映了配重塊17的位置信息，是驅動配重盤16到下一個目標位置的起始位置。通過兩個配重盤16定位信號和一個定位端蓋30定位基準信號，就可以對配重塊17精確定位，進而實現(xiàn)不平衡量的精確調整。

剖分式靜環(huán)包括靜環(huán)支架a24、靜環(huán)支架b27、左右勵磁支架29、左右勵磁線圈22、霍爾傳感器26；靜環(huán)支架a24、靜環(huán)支架b27位于主軸外側；勵磁支架29安裝于靜環(huán)支架a24、靜環(huán)支架b27中間；兩組U型勵磁線圈22位于勵磁支架內，其功能用于產生磁力，磁力可通過所述磁路驅動動環(huán)中的配重盤16；所述的霍爾傳感器26數(shù)量為三個，其中兩個霍爾傳感器安裝在靜環(huán)勵磁線圈22的內壁，其軸向分別與動環(huán)中的兩個配重盤16位置對應，另一個霍爾傳感器26安裝在勵磁支架的內壁，軸向位置與動環(huán)中的任意鐵磁板位置對應，其中，優(yōu)選的鐵磁板是鐵磁板a13、鐵磁板c15，三個霍爾傳感器26的功能是測量并獲取出兩個配重塊17相對于旋轉主軸10鍵相信號的位置信息；

所述鐵磁板組一方面用于傳遞勵磁線圈22產生的驅動磁力，并且形成兩個磁路，另一方面確保配重盤16在驅動控制模塊沒有脈沖信息輸出時產生磁力而自鎖。

動環(huán)兩側剖分部分各組件通過動環(huán)緊定螺栓31串聯(lián)安裝固定；靜環(huán)由支撐架25固定，相對旋轉主軸10隨動，并固定在發(fā)動機機架上，其功能是保持動環(huán)與靜環(huán)保持驅動磁力間隙δ₀；動環(huán)固定安裝在旋轉機械的旋轉主軸10上，并與旋轉主軸10同步旋轉，其功能是提供抑制主軸振動的平衡合力。

所述剖分式電磁驅動式自動平衡執(zhí)行器的安裝方式可選擇端面安裝方式或穿軸安裝方式。

本系統(tǒng)的安裝順序如下，

(1)動環(huán)的安裝動作過程包括：首先組裝兩個剖分式過渡套11，再安裝環(huán)內軸承12，在環(huán)內軸承12上安裝配重盤16，再依次安裝鐵磁板b、鐵磁板a和鐵磁板c；動環(huán)中的以上部件最后通過動環(huán)緊定螺栓31軸向串行連接；

(2)靜環(huán)的安裝動作過程包括：首先安裝霍爾傳感器26，再依次按照勵磁支架29、靜環(huán)支架25、勵磁線圈22、另一靜環(huán)支架25及另一勵磁支架29；靜環(huán)中的以上各部件最后通過靜環(huán)緊定螺栓23軸向串行連接；

安裝過程中：霍爾傳感器26安裝在勵磁支架29同一個圓周上，且與定位磁鐵21的軸向位置一一對應；靜環(huán)內的勵磁支架29內側與動環(huán)鐵磁環(huán)外側之間的間隙為δ₀；

(3)自動平衡執(zhí)行器的剖分式過渡套11將動環(huán)安裝到旋轉主軸接近主軸軸心的位置，如圖1所示；

(4)靜環(huán)通過支撐架25安裝在旋轉機械的旋轉主軸10機架上,通過支撐架25固定在機架上。

與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有如下有益效果。

1.相比整環(huán)式平衡執(zhí)行器，本申請的剖分式平衡執(zhí)行器具備更良好的安裝性能和更換維修性能，保證在實施安裝平衡機構前后為機組節(jié)約大量的裝配時間和資源，避免不必要的附加費用和停產損失。

2.相比靜環(huán)外置式平衡執(zhí)行器，本申請的靜環(huán)隨動結構能保證剖分式靜環(huán)和剖分式動環(huán)之間具有徑向可調的穩(wěn)定的驅動磁隙，防止渦輪風扇上的隨機振動造成的驅動磁隙波動問題，根據實際情況適宜調整靜環(huán)和動環(huán)間隙δ₀，避免振動過大可能造成的平衡執(zhí)行器動、靜環(huán)撞擊事故。

3.基于該機構為剖分式，內部結構在拆裝過程中一目了然，在不影響旋轉機械結構的情況下易于平衡頭自身故障的檢測與檢修及更換。

4.相比靜環(huán)外置式平衡執(zhí)行器，該靜環(huán)隨動設計可以選擇更小的驅動磁隙，從而可以減小勵磁線圈的安匝數(shù)，縮小線圈尺寸，使得整個自動平衡執(zhí)行器的整體結構更加緊湊。

5.本發(fā)明采用易拆卸剖分式軸承支承的方式可以很好地解決傳統(tǒng)整體式軸承頻繁拆卸對轉子動平衡產生的影響，本發(fā)明能夠縮短維修周期，降低維修成本。

6.本發(fā)明可以根據平衡能力的要求、主軸系統(tǒng)的旋轉速度要求進行參數(shù)設計，因而具有很高的設計和應用的靈活性。

7.本發(fā)明既適用于高精度、高速旋轉的各種加工機械的自動平衡，以及其它動力設備、流體輸送設備、離心機等大型轉機的自動平衡，且本申請可以得到極高的平衡精度。

8.本發(fā)明具有自鎖功能、能耗小、對環(huán)境無污染，且無噪聲污染、安全性高、占用空間小，制造、使用以及維護費用低，內部組件可根據尺寸大小規(guī)范化生產，易于實現(xiàn)產品化。

附圖說明

圖1電磁驅動式自動平衡系統(tǒng)在旋轉機械上應用示意圖；

圖2端面或穿軸安裝型電磁驅動式自動平衡執(zhí)行器示意圖；

圖3為剖分式自動平衡執(zhí)行器中剖分式配重盤16示意圖；

圖中：10、旋轉主軸，11、過渡套，12、剖分式軸承，13、鐵磁板a，14、鐵磁板b，15、鐵磁板c，16、平衡盤，17、配重塊，18、步進磁鐵，19、過渡套周向固緊螺栓，20、動環(huán)軸向固緊螺栓21、定位磁鐵，22、勵磁線圈，23、靜環(huán)軸向固緊螺栓，24、靜環(huán)支架，25、支撐架，26、霍爾傳感器，27、靜環(huán)支架，28、鐵磁盤，29、勵磁支架，30、動環(huán)定位端蓋，31、動環(huán)軸向固緊螺栓。

具體實施方式

以下結合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步詳細說明。本發(fā)明的一種實現(xiàn)旋轉機械在線自動平衡的系統(tǒng)，針對旋轉機械的實際使用情況，本申請的剖分式電磁驅動式自動平衡執(zhí)行系統(tǒng)的剖分式安裝過程如下：

實施例

如附圖2所示。本申請的在線自動平衡系統(tǒng)的自動平衡執(zhí)行器可以安裝在旋轉主軸10的任意位置，有利于實現(xiàn)軸向位置上的最佳振動抑制。穿軸安裝方式的自動平衡執(zhí)行器安裝過程包括剖分式動環(huán)安裝和剖分式靜環(huán)安裝兩部分。

其中，動環(huán)的安裝過程如下：

首先，組裝配重盤16包含如下三步驟：

(1)配重質量17分別安裝在兩個配重盤16的1/2圓周上；其中，所述的配重質量大小取決于具體設計；

(2)把2K個步進磁鐵18按照N、S極交叉安裝在配重盤16上，所述的2K步進磁鐵數(shù)量，根據配重盤16大小確定，優(yōu)選的尺寸為直徑110mm，其上建議步進磁鐵18數(shù)量為100個，即每半圓步進磁鐵數(shù)量為50個；

(3)分別在每個配重盤16的其中一個半圓外圓周上安裝一個定位磁鐵21，并將第三個定位磁鐵21安裝在右鐵磁板15的外圓周上。

其中，所述的三個定位磁鐵21安裝在同一圓周上。

其次，將兩個配重盤16的剖分結構通過連接片連接成整體，分別安裝在兩個環(huán)內軸承12上；

第三，把中鐵磁板14剖分安裝在過渡套11的中間位置；

第四，帶有配重盤(16)的兩個環(huán)內軸承12安裝在過渡套11的軸向兩邊位置；其中，配重盤16與中鐵磁板的間隙為δ₁；

第五，把剖分式鐵磁板a13和鐵磁板c15通過螺栓連接安裝在環(huán)內軸承12的外側；鐵磁板a13和鐵磁板c15與配重盤16的間隙是δ₂，且δ₂>δ₁；

第六；將鐵磁板a13和鐵磁板c15通過動環(huán)緊定螺栓31安裝在過渡套11上。

至此，經過上述六個步驟完成了自動平衡執(zhí)行器中動環(huán)的安裝。

其中，靜環(huán)的安裝過程如下：

第一、將兩個霍爾傳感器26安裝在U型勵磁線圈22的內側，將第三個霍爾傳感器26安裝在勵磁支架29的內圓周，將U型線圈通過半圓勵磁支架螺栓安裝；

其中，所述的三個霍爾傳感器26安裝在同一個圓周上，且與三個定位磁鐵21的軸向位置一一對應。

第二、將上述安裝好的勵磁線圈22安裝進勵磁支架29中；

第三、把一個靜環(huán)支架25安裝在勵磁支架29的一側；

第四、用靜環(huán)緊定螺栓23連接上述靜環(huán)支架25以及勵磁線圈(22)；

第五、再把另一個靜環(huán)支架安裝在另一個支撐架上；

第八、安裝另一個勵磁支架29；

第九、用靜環(huán)緊定螺栓23連接兩個靜環(huán)支架25及勵磁支架29。

至此，經過上述九個步驟完成了自動平衡執(zhí)行器中靜環(huán)的安裝。

靜環(huán)內的勵磁支架29內側與動環(huán)鐵磁環(huán)外側之間的間隙為δ₀；此處δ₀的大小直接影響了勵磁線圈22驅動配重盤16移動的能力，此處優(yōu)選的間隙δ₀為0.5mm。