浮动支承反力与轴心轨迹融合的离心机动不平衡检测方法

本发明涉及旋转机械动不平衡检测、离心试验设备状态监测、多传感器同步采集和阶次分析，具体涉及一种能够将浮动支承反力、主轴轴心轨迹、键相信号及转速信号转换到统一结构坐标和主轴角度基准，并通过已知不平衡状态标定及多源加权融合辨识单轴离心机等效不平衡量和重侧相位的浮动支承反力与轴心轨迹融合的离心机动不平衡检测方法。

背景技术：

1、转臂式离心机通过竖直主轴带动转臂、实验仓和配重仓旋转，以形成可控离心加载环境。转臂制造误差、实验物质心偏移、实验仓与配重仓质量不一致、液体介质重新分布、主轴装配偏心以及支承误差均可能形成动不平衡。 如图7所示，对于等效不平衡量 ，在主轴角速度为  时产生的一倍频离心激励为：

2、 （1），当不平衡力作用平面与浮动支承测量平面之间存在轴向距离 时，主轴上形成弯曲力矩： （2），若浮动支承测量平面与固定支承平面之间的轴向距离为，图7中的反力箭头仅用于表示反力测量位置和载荷传导路径，不表示两个支承反力在同一坐标系下具有相同的实际矢量方向。若取不平衡力的方向为正，则根据力和力矩平衡可确定两个支承反力的方向，其反力幅值分别满足 （3）、（4），上述关系仅用于解释载荷传导，实际反力以传感器标定和动态测量结果为准。

3、传统离心机动不平衡评价多采用机架加速度、轴承座振动或静态配重结果。加速度信号容易受到机架模态、传感器安装位置和环境振动影响；静态配重难以表征旋转状态下的支承传递特性，也不便于连续调节和重复标定。两只非接触位移传感器可以合成主轴轴心轨迹，但轴心轨迹同时受主轴弯曲刚度、轴承刚度、支承阻尼和调心能力影响，单独依据轨迹幅值难以区分初始弯曲、装配偏心和外部不平衡。另一方面，在浮动轴承座周围设置多个拉压力传感器能够测量支承受力变化，但各通道包含预紧、零点漂移、灵敏度差异和连接交叉耦合，不能直接将原始输出相加作为支承反力。

4、当位移探头受安装空间限制而相对于结构坐标轴倾斜布置时，其输出亦不能直接作为结构 、 方向位移。若没有进行零位、灵敏度和安装角标定，所合成轨迹会发生平移、缩放和旋转误差。在加速、减速或稳速微波动过程中，时间等间隔采样点与主轴角度并不严格等间隔。若支承反力和位移信号未与键相基准同步，一倍频相位会随转速波动产生偏差，进而影响重侧方向判断。

技术实现思路

1、本发明针对现有技术中存在的问题：在浮动支承预紧偏差、测力交叉耦合、位移探头安装角误差、转速波动和通道噪声同时存在的条件下，如何将浮动支承反力与主轴轴心轨迹转换到统一坐标和统一主轴角度基准，如何利用可控已知不平衡状态标定装置动态传递关系，以及如何融合反力和轨迹的互补信息以获得稳定的等效不平衡量、重侧相位和可信度；提出了一种通过四路预紧测力通道的差分或矩阵标定重构浮动支承反力，通过两路位移的安装角变换重构轴心轨迹，并利用键相同步的一倍频复响应和已知不平衡标定状态建立反力—轨迹融合映射，在给出不平衡量和重侧相位的同时对结果有效性进行判断的浮动支承反力与轴心轨迹融合的离心机动不平衡检测方法。

2、本发明通过以下措施达到：

3、一种浮动支承反力与轴心轨迹融合的离心机动不平衡检测方法，其特征在于，利用具有浮动支承反力与轴心轨迹测量功能的单轴离心机实验装置，执行以下步骤：

4、s101，对具有浮动支承反力与轴心轨迹测量功能的单轴离心机实验装置的四个s型拉压力传感器进行静态基准、预紧状态和载荷灵敏度标定，对两只电涡流位移传感器进行零位、位移灵敏度和安装角标定，并建立光电传感器输出的键相信号与主轴角位置之间的对应关系， 并在主轴低速慢转状态下采集两路电涡流位移传感器的一倍频同步跳动基准；

5、s102，在未施加附加标定不平衡的基准状态下，同步采集四路拉压力信号、两路位移信号、键相信号和转速信号，获得基准融合特征向量；向单轴离心机施加至少两个幅值非零且结构坐标分量线性无关的已知附加不平衡标定状态，分别获得对应标定状态下的融合特征向量，并根据各标定状态相对于所述基准状态的融合特征增量与已知附加不平衡分量向量之间的关系，建立浮动支承反力及主轴轴心轨迹一倍频响应增量与不平衡分量增量之间的标定映射关系；s103，在待测状态下同步采集所述四路拉压力信号、两路位移信号、键相信号和转速信号，并进行静态基准扣除、物理量换算、异常值检查、饱和检查及滤波；

6、s104，根据四个s型拉压力传感器的校正输出及反力标定矩阵，重构浮动支承在两个正交方向上的反力分量；

7、s105，根据两只所述电涡流位移传感器的安装角，对两路校正位移进行坐标变换，获得结构坐标系下主轴的两个方向横向位移并合成轴心轨迹；

8、s106，根据键相信号和转速信号确定各采样点的主轴角位置，对所述反力分量和横向位移进行等角度重采样，并提取浮动支承反力和轴心轨迹的一倍频复响应，对轴心轨迹一倍频复响应扣除所述慢转同步跳动基准；

9、s107，将一倍频复响应的实部和虚部组成实值融合特征向量，根据所述标定映射关系和通道质量权重矩阵，对所述待测状态相对于基准状态的实值融合特征增量进行加权最小二乘求解，获得待测状态相对于基准状态的附加不平衡分量向量；当基准状态的不平衡分量向量已知时，将两者叠加获得待测总不平衡分量向量，并据此获得等效不平衡量和重侧相位；

10、s108，至少根据标定映射重构残差和通道信号质量对检测结果进行有效性判定，并结合连续多转辨识结果的重复性确定检测结果的可信度等级。

11、本发明步骤s101中分别记录四个s型拉压力传感器在预紧状态下的基准输出 、、 和 ，并沿浮动轴承座的两个结构正交方向分别施加至少两个已知静态载荷；将四路校正输出组成：

12、

13、并根据已知静态载荷与  之间的关系确定反力标定矩阵 ，使浮动支承反力满足：；

14、当四个测力支路近似对称且交叉耦合小于预设阈值时，浮动支承反力分量按照计算：

15、（7），

16、 （8），

17、其中 ， 为第  个s型拉压力传感器的载荷换算系数， 和  为通过已知静态载荷确定的对置通道差分标定系数。

18、本发明步骤s102中的已知附加不平衡标定状态由设置在至少两个不共线周向角位置的标准试重产生；或者，由位于主轴两侧的液压油缸形成沿转臂轴线方向的已知油液质量差标定状态，并结合至少一个与所述转臂轴线不共线的标准试重状态，共同构成结构坐标分量线性无关的已知附加不平衡分量向量；当试件侧和配重侧油液质心到主轴的等效作用半径相同且为  时，沿转臂轴线方向的有符号液压标定不平衡分量按照 （10）确定，其中为沿转臂轴线方向的有符号液压标定不平衡分量，当时，其标定相位取试件侧方向相对于键相零点的角度；当 时，其标定相位取 ，对应的非负标定不平衡量为，  为液压油密度， 为液压油缸有效截面积， 和  分别为采用同一容积基准确定的试件侧和配重侧有效油柱长度或等效活塞位置， 为油液质量相对于主轴的等效作用半径。

19、本发明步骤s105中，设完成零位扣除、位移灵敏度换算及输出极性归一化后的两只电涡流位移传感器的输出为  和 ，第一电涡流位移传感器的测量轴相对于结构  轴的安装角为 ，则传感器坐标系与结构坐标系之间满足：

20、 （11），结构坐标系下的主轴横向位移按照

21、 （12）获得。

22、本发明步骤s106中，在相邻键相脉冲之间利用转速信号计算主轴角位置 ，将每转数据插值为  个等角度采样点；对于任一等角度序列，其一倍频复响应按照获得，

23、（13），其中  为第  个等角度采样点对应的主轴角位置，

为虚数单位。

24、本发明步骤s107中，将浮动支承反力分量和主轴横向位移的一倍频复响应的实部与虚部依次组成实值融合特征向量；将在未施加附加标定不平衡的基准状态下获得的实值融合特征向量记为，将在第个已知附加不平衡标定状态下获得的实值融合特征向量记为，并构造融合特征增量：

25、 （14），

26、将第个已知附加不平衡分量向量记为 ，建立增量标定模型：

27、 （15），其中 为对应运行角速度的  实值融合标定矩阵， 为测量及建模误差；将待测状态的实值融合特征向量记为并将其相对于基准状态的融合特征增量记为，待测不平衡分量向量通过加权最小二乘获得：

28、 （16），

29、其中  为 的转置， 为  对称半正定通道质量权重矩阵，且可逆；当基准状态的不平衡分量向量 已知时，待测总不平衡分量向量为所述等效不平衡量和重侧相位分别为：

30、 （17）， （18）。

31、本发明通道质量权重根据对应通道的一倍频信噪比、与由键相信号生成的一倍频参考正弦和余弦信号的相干性、标定残差、连续多转方差及是否发生饱和中的至少一种确定；当某一物理响应通道的质量指标低于预设阈值时，降低该通道对应的实部特征和虚部特征的权重；当该物理响应通道持续饱和、断线或失效时，从融合特征向量和标定矩阵中成对删除与该物理响应通道对应的实部行和虚部行，并在剩余标定矩阵的列秩仍为2且相应加权法方程可逆时继续进行融合辨识。

32、本发明步骤s108中的归一化重构残差按照下式获得：

33、 （19），其中为防止分母为零的正数；当  小于残差阈值且连续多转辨识结果满足重复性阈值时，输出有效结果，否则降低可信度或输出无效状态。

34、本发明在至少两个不同转速区间分别执行步骤s102以建立分段实值融合标定矩阵；待测时根据实际角速度选择对应标定矩阵，或者在相邻转速区间的动态响应连续且不跨越共振或响应突变区时，对相邻标定矩阵的各元素进行插值，以补偿主轴弯曲刚度、支承刚度和阻尼随转速变化造成的动态传递差异；在液压质量调节前后分别执行步骤s103至步骤s108，比较待测状态相对于同一基准状态的附加不平衡量；或者，在基准状态不平衡分量向量已知时，比较待测总等效不平衡量、浮动支承反力一倍频幅值和轴心轨迹一倍频幅值；当所述三类指标中的至少两类下降幅度超过各自预设阈值且步骤s108判定结果有效时，判定液压质量调节有效。

35、本发明中具有浮动支承反力与轴心轨迹测量功能的单轴离心机实验装置，包括机架、电机、驱动传动组件、主轴、转臂、实验仓、配重仓、固定支承组件和检测机构，电机通过传动组件与主轴连接，转臂设置于主轴上端，实验仓和配重仓分别设置于转臂两端，检测机构设置于所述固定支承组件上方，所述检测机构包括安装板、浮动轴承座、设置于浮动轴承座内且套设于主轴外侧的调心球轴承、四个s型拉压力传感器以及两只电涡流位移传感器；四个s型拉压力传感器沿相互垂直的第一方向和第二方向成对布置，每个s型拉压力传感器的一端通过鱼眼轴承与浮动轴承座连接，另一端通过调节块与安装板连接并由调节螺母施加预紧；两只电涡流位移传感器的测量轴相互垂直并朝向主轴的径向测量面，以使浮动轴承座的支承反力和主轴的两个方向横向位移能够同步测量。

36、本发明提出了一种与单轴离心机机械结构相结合的融合检测方法，通过四路预紧测力通道的差分或矩阵标定重构浮动支承反力，通过两路位移的安装角变换重构轴心轨迹，并利用键相同步的一倍频复响应和已知不平衡标定状态建立反力—轨迹融合映射，在给出不平衡量和重侧相位的同时对结果有效性进行判断，与现有技术相比，与只采用机架加速度或单独轴心轨迹的方法相比，本发明直接利用浮动支承处的反力变化，并与主轴横向位移同步融合，使不平衡载荷传递和主轴响应能够相互校核；通过各测力通道独立零点补偿、静载标定矩阵以及对置差分形式，能够削弱共同预紧、传感器灵敏度差异和一定程度的交叉耦合影响；通过电涡流位移传感器安装角标定和坐标逆变换，允许两个探头根据实际机械空间避让测力结构安装，同时获得结构坐标系下经零位、灵敏度、安装角和慢转同步跳动补偿后的轴心轨迹；通过键相同步、等角度重采样和一倍频复响应，降低转速波动对幅值和相位估计的影响，使重侧方向具有明确角度基准；通过设置在不同周向角位置的标准试重，或者通过已知液压油量差与至少一个不共线标准试重的组合，建立反力—轨迹融合标定映射，不需要仅凭理想刚性支承模型反算，能够包含样机实际支承柔度、主轴弯曲和轴承调心特性的综合影响。