一种超重力离心机滑动轴承不平衡力监测方法

技术领域

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，具体涉及一种超重力离心机滑动轴承不平衡力监测方法。

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并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土工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不平衡荷载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土工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：当土工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土工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。

CN109876931B号发明专利申请公开了一种超重力离心机不平衡量监测方法。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，进而在实际试验时，通过标定曲线间接换算得到不平衡力。

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。而且，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。

最后，通过间接换算得到的动不平衡荷载无法体现转臂端部不平衡力对轴承的作用，而轴承是涉及超重力离心机安全有效运行的关键支撑部件也是力学系统内部的主要构件，因此基于轴承的直接不平衡力监测方法才能确保动荷载的实时性和机器运行的稳定性，这是现有的间接监测方法都未曾解决的。

发明内容

本发明的目的在于解决上述背景技术中的技术问题而提出的一种超重力离心机滑动轴承不平衡力监测方法，基于实时的轴承受力的监测得到准确的动不平衡荷载，同时，监测值可以反馈系统部件功效的可靠性。

本发明所采用的技术方案是：

步骤一、在超重力离心机的主轴在上部、中部和下部分别安装有滑动轴承，各个滑动轴承设置有不同数量的轴瓦，在不同滑动轴承的轴瓦处布置力传感器，

步骤二、进行离心机试验，实时采集每个滑动轴承的轴瓦上的力传感器的荷载力数据，力传感器提供反力测量，获得荷载时程曲线；

步骤三、建立轴瓦系局部极坐标系和离心机整体笛卡尔坐标系两个坐标系统，依据荷载时程曲线和设置的坐标系统合成每个滑动轴承的总支座反力；

所述的轴瓦系局部极坐标系用于确定每个轴瓦的位置，离心机整体笛卡尔坐标系用于确定滑动轴承的总支座反力并合成动不平衡力。

步骤四、根据每个滑动轴承实时的总支座反力得到超重力离心机的动不平衡力；

步骤五、校核整个超重力离心机的动不平衡力以及滑动轴承的工作性能，实现超重力离心机的滑动轴承不平衡力监测。

所述的方法步骤三中，

每个滑动轴承建立相同的轴瓦系局部极坐标系：滑动轴承轴瓦系的轴瓦沿着主轴的圆周间隔均布，选取任一个轴瓦标号为1，剩余的轴瓦按照逆时针方向顺次标号为2，3，4…，选择主轴横截面的圆心为极坐标系的原点，规定原点到 1号轴瓦的方向为极坐标系的极轴方向，记为x轴，且该极坐标系以逆时针转过的角度为坐标系角度的正方向；这样，不同滑动轴承处的轴瓦系局部坐标系的x 轴都设置为一个方向。滑动轴承中每个轴瓦对应的共计N个力传感器按照逆时针或者顺时针顺次标号为1、2，3…N。

设置超重力离心机整体笛卡尔坐标系：选择离心机整体笛卡尔坐标系的原点是下部滑动轴承横截面的圆心，离心机整体笛卡尔坐标系的X轴与该滑动轴承轴瓦系局部极坐标系的x轴重合，离心机整体笛卡尔坐标系的Z轴与离心机主轴中心线重合，方向为下滑动轴承指向上滑动轴承的方向，离心机整体离心机坐标系的Y轴通过右手法则由Z轴和X轴唯一确定。

所述的步骤二中，每个荷载时程曲线是力传感器所监测的力随着时间t不断变化的曲线，表达为q

所述的步骤三中，针对每个滑动轴承均进行以下处理获得各个滑动轴承的总支座反力：

依据滑动轴承中每个轴瓦上的力传感器的荷载时程曲线合成该滑动轴承的总支座反力：

其中，Q(t)代表滑动轴承的总支座反力，Q

这样，主轴下部、中部和上部的滑动轴承获得的总支座反力分别表示为Q

所述的步骤四中，根据三个滑动轴承实时的总支座反力Q(t)得到超重力离心机的动不平衡力F(t)，表达如下：

Q

其中，Q

本发明中，虽然三个滑动轴承的总支座反力是和温度有关的量，但是最终的动不平衡力是与温度无关的系统量，温度成为了系统的内变量被三个滑动轴承互相均摊抵消。

所述的步骤五中，具体为：

根据步骤三获得的三个滑动轴承的总支座反力Q(t)的结果，建立如下矩阵关系：

然后，通过下面的判断公式校核步骤四获得的动平衡力F(t)：

F

其中，F

其中，L

由于有三个滑动轴承，两两组合列出三个表达式，也就表现为了这样的三个计算值，理论上在系统正常工作时，三个计算值是一致的。

若动平衡力F(t)的判断公式成立满足，即判断公式中三个个等号均成立，则力矩平衡推导的动不平衡力和直接支座反力合成的动不平衡力相等(包括量级和方位的相等)，动不平衡力合成是正确的；系统部件正常运行。

若动平衡力F(t)的判断公式不成立，即判断公式中只要有一个等号不成立，则存在某个滑动轴承传递力的轴瓦或者某一个力传感器出现了问题，从而导致动不平衡力合成出现偏差，进行提前预警，可根据长期的监测量得到轴承轴瓦工作性能的演化情况，根据偏差现象指示对三个滑动轴承的部件或轴瓦上的力传感器进行检修，及时避免机构超负荷运作。

所述的超重力离心机包括主轴、转臂和吊篮；所述的超重力离心机的主轴在上部、中部和下部分别安装有上滑动轴承、中滑动轴承和下滑动轴承；上滑动轴承、中滑动轴承和下滑动轴承均设置有轴瓦

所述的上滑动轴承、中滑动轴承和下滑动轴承结构相同，均包括了轴瓦、轴瓦安装支架、支撑机架和力传感器；支撑机架固定安装于外部的超重力离心机室内壁，支撑机架为环形布置在主轴外周围，主轴和支撑机架之间沿周向间隔布置有多个轴瓦，多个轴瓦在同一圆周间隔均布，每个轴瓦经轴瓦安装支架和支撑机架安装连接，每个轴瓦外侧面和支撑机架之间压紧安装有一个力传感器。

所述方法通过滑动轴承轴瓦上的力传感器实时反映支座受力情况，进而确定每个支座的总支座反力的大小和方向，然后合成系统的动不平衡力，同时提供了校核动不平衡荷载的间接方法，方法通过全过程的监测还能够反馈滑动轴承的工作性能，解决了现有方法尚未解决的问题。

本发明的有益效果为：

本发明通过超重力离心机滑动轴承轴瓦上的力传感器实时反映支座受力情况，进而确定每个支座的总支座反力的大小和方向，然后合成系统的动不平衡力，同时提供了校核动不平衡荷载的间接方法，该方法通过全过程的监测还能够反馈滑动轴承的工作性能。

首先，本发明方法基于传感器的工作性能实现全过程监测支座反力变化的目的，进而合成动不平衡力，而且提供的间接校核方法能够确保最终的测量值可靠稳定，即便在某些传感器失效的情况下，该监测系统依然能够保证高精度运作，因此，具有很好的鲁棒性。

其次，直接基于轴承的不平衡力监测方法，可以体现转臂端部不平衡力对轴承的作用，能精确捕捉动荷载变化的实时性和滑动轴承轴瓦性能的改变，因此充分确保超重力离心机运行的安全性。

接着，克服现有方法中需要安装附属监测设备的要求，降低外物的依赖性，因为不平衡力首先作用在轴承然后传递到支撑等各个部件，直接方法保证监测精度的稳定，不会导致低估动荷载的危险工况的发生。

最后，能够体现产生动不平衡量的其他因素，机器的稳定运行和控制更有保证，充分满足超重力离心机高精度、高稳定性的要求，适用范围广，科学性强，简便易行。

附图说明

图1为超重力离心机基本构造组成示意图；

图2为滑动轴承的轴瓦上传感器位置与安装示意图；

图3为实施例中不同滑动轴承处轴瓦系及传感器布置示意图；

图4为实施例中下滑动轴承A轴瓦上力传感器的时程曲线图；

图中：主轴(1)、转臂(2)、吊篮(3)、轴瓦(4)、轴瓦安装支架(5)、支撑机架(6)、力传感器(7)；有上滑动轴承(C)、中滑动轴承(B)、下滑动轴承(A)。

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。

本发明的实施例及其实施情况过程如下：

如图1所示，超重力离心机包括主轴1、转臂2和吊篮3；超重力离心机的主轴1在上部、中部和下部分别安装有上滑动轴承C、中滑动轴承B和下滑动轴承A；上滑动轴承C、中滑动轴承B和下滑动轴承A均设置有轴瓦4。

如图2所示，上滑动轴承C、中滑动轴承B和下滑动轴承A结构相同，均包括了轴瓦4、轴瓦安装支架5、支撑机架6和力传感器7；支撑机架6固定安装于外部的超重力离心机室内壁，支撑机架6为环形布置在主轴1外周围，主轴1和支撑机架6之间沿周向间隔布置有多个轴瓦4，多个轴瓦4在同一圆周间隔均布，每个轴瓦4经轴瓦安装支架5和支撑机架6安装连接，每个轴瓦4外侧面和支撑机架6之间压紧安装有一个力传感器7。

首先，根据上述超重力离心机构造和滑动轴承组成的特点建立两个坐标系统，一个是建立滑动轴承轴瓦系局部极坐标系。具体地，选定下滑动轴承A均布轴瓦系的总共8个轴瓦中的某一个标号为1，逆时针顺次标号剩余的轴瓦为2， 3…8，并且将主轴横截面的圆心选为该极坐标系的原点，规定原点o到轴瓦1 的方向设置为该极坐标系的极轴方向，记为x轴，规定这个局部极坐标自x轴逆时针转过的角度为α，对中滑动轴承B(含有12个轴瓦)和上滑动轴承C(含有8个轴瓦)均建立和下滑动轴承A一样的轴瓦系局部极坐标系，中滑动轴承 B中轴瓦偏转的角度记为β，中滑动轴承B中轴瓦偏转的角度，也就是力传感器偏转的角度记为

其次，在实际转机试验时，实时监测并记录每个轴瓦上传感器的荷载时程曲线，这个曲线是一个随着时间t不断变化的量，表达为q

式中，Q

表1

接着，根据已经计算合成的三个滑动轴承的总支座反力和及其方位角，进一步得到实时的超重力离心机动不平衡力。例如根据前述获得的t

Q

由于不同的量在离心机整体笛卡尔坐标系下的正负都有了确定的意义，直接代数求和即可得到最终的结果，计算结果见表2所示，最终在t

表2

最后，通过间接方法，校核上面计算得到的动不平衡力。例如，根据前述已经获得的t

F

其中，F

将上述系数和前述合成的滑动轴承总支座反力代入矩阵关系，计算的动不平衡力如下：

F

F

F

然后根据判断关系校核：

F

通过上述校核计算，t

由此实施可见，本发明方法直接基于滑动轴承轴瓦上传感器的工作性能实现全过程监测滑动轴承反力变化的目的，即便在某些传感器失效的情况下，该监测系统依然能够保证高精度运作以及最终不平衡荷载的准确性，基于轴承受力的直接测量方法不会导致低估动荷载的危险工况的发生，还能够体现产生动不平衡量的其他因素，因此机器的稳定运行和控制更有保证，适用范围广，科学性强，简便易行。