樊紅衛(wèi)，薛策譯，邵偲潔

（1.西安科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，西安710054；2.西安科技大學(xué) 陜西省礦山機(jī)電裝備智能監(jiān)測(cè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安710054）

轉(zhuǎn)子不平衡（或失衡）是旋轉(zhuǎn)機(jī)械的主要故障之一，是工程實(shí)踐中常需要被首先排查的問題。因?yàn)槭艿浇Y(jié)構(gòu)損壞（如砂輪破損）、變形（如細(xì)長(zhǎng)軸彎曲）和外界因素（如結(jié)垢）等影響，轉(zhuǎn)子（或回轉(zhuǎn)部件）的質(zhì)量分布中心與其回轉(zhuǎn)中心總是難以完全重合，這就產(chǎn)生了不期望的附加離心力，該力作用于轉(zhuǎn)子-軸承系統(tǒng)，勢(shì)必激發(fā)系統(tǒng)的強(qiáng)烈振動(dòng)。只要不平衡問題存在，其振動(dòng)就會(huì)持續(xù)對(duì)系統(tǒng)的精度、可靠性等形成嚴(yán)重危害，并影響系統(tǒng)的壽命。因此，人們總是希望盡可能消除或最大限度地減小旋轉(zhuǎn)機(jī)械轉(zhuǎn)子的質(zhì)量不平衡。

眾所周知，根據(jù)轉(zhuǎn)子不平衡發(fā)生特點(diǎn)，可將其分為原始不平衡、漸變不平衡和突發(fā)不平衡。其中，原始不平衡主要由設(shè)計(jì)、加工和裝配引起，可在使用前某一階段消除；漸變和突發(fā)不平衡主要在使用過程中出現(xiàn)，需通過有效的維護(hù)手段加以解決。由于在使用中施行平衡校正，難免對(duì)旋轉(zhuǎn)機(jī)械運(yùn)行連續(xù)性造成影響，因此人們期望能夠找到一種不用停機(jī)、無需人為干預(yù)亦不必進(jìn)行復(fù)雜動(dòng)力學(xué)計(jì)算的新型平衡技術(shù)，這就是轉(zhuǎn)子在線主動(dòng)平衡技術(shù)研究的初衷。

通過調(diào)查國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)，結(jié)合作者多年研究經(jīng)歷，本文較全面地回顧轉(zhuǎn)子平衡技術(shù)的發(fā)展歷程和現(xiàn)行方法體系，提出轉(zhuǎn)子在線主動(dòng)平衡系統(tǒng)的組成，重點(diǎn)對(duì)在線主動(dòng)平衡系統(tǒng)失衡檢測(cè)與平衡控制進(jìn)行評(píng)述，以期為各領(lǐng)域?qū)W者和工程技術(shù)人員開展轉(zhuǎn)子在線主動(dòng)平衡理論研究及工程實(shí)踐提供參考。

1 轉(zhuǎn)子在線主動(dòng)平衡技術(shù)體系

1.1 轉(zhuǎn)子平衡方法總結(jié)

轉(zhuǎn)子平衡方法總結(jié)如圖1所示[1]，按照平衡動(dòng)作是否需要停機(jī)將平衡方法總體上分為離線平衡和在線平衡。離線平衡較成熟，是最早出現(xiàn)并一直沿用至今的平衡方式。按照平衡操作不同，又將離線平衡分為制造階段機(jī)上平衡、使用階段拆卸后機(jī)上平衡和不拆卸現(xiàn)場(chǎng)平衡，其中機(jī)上平衡通過專門平衡機(jī)對(duì)處在制造階段的轉(zhuǎn)子進(jìn)行平衡；對(duì)處在運(yùn)行狀態(tài)的轉(zhuǎn)子，根據(jù)其上是否有平衡調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)將其分為拆卸后機(jī)上平衡和不拆卸現(xiàn)場(chǎng)平衡，后者需要轉(zhuǎn)子上帶有平衡塊移動(dòng)機(jī)構(gòu)或允許在某些部位進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)增/減重操作，如擰入螺絲、激光打孔等。無論哪種操作，進(jìn)行平衡時(shí)主要依據(jù)轉(zhuǎn)子狀態(tài)即剛性還是柔性進(jìn)行平衡方案擬定。對(duì)剛性轉(zhuǎn)子，理論上最多采用兩個(gè)平面即可達(dá)到平衡要求，具體有矢量法（計(jì)及或不計(jì)相位）、四次運(yùn)行法和靜態(tài)耦合法等。對(duì)柔性轉(zhuǎn)子，一般至少需要兩個(gè)及其以上平面進(jìn)行平衡，常用模態(tài)平衡法[2]、影響系數(shù)法[3]或二者組合法。模態(tài)平衡法基于對(duì)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)特性的精確計(jì)算完成平衡，影響系數(shù)法基于反復(fù)多次測(cè)試實(shí)現(xiàn)平衡，二者特點(diǎn)迥異、各有利弊，將它們聯(lián)合使用往往效果更好。柔性轉(zhuǎn)子離線平衡法經(jīng)適當(dāng)簡(jiǎn)化可被用于剛性轉(zhuǎn)子。因此，柔性轉(zhuǎn)子快速精準(zhǔn)平衡是離線平衡研究的熱點(diǎn)、難點(diǎn)，近年來提出了全息平衡[4]、無試重平衡[5]和瞬態(tài)平衡[6]等方法。

在線平衡出現(xiàn)在二十世紀(jì)四、五十年代，早期主要出現(xiàn)在歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家，八十年代左右我國(guó)開始探索在線平衡技術(shù)。總體上，在線平衡分為被動(dòng)和主動(dòng)兩種。被動(dòng)式在線平衡通過安裝在轉(zhuǎn)子上平衡裝置內(nèi)質(zhì)量塊的無源移動(dòng)實(shí)現(xiàn)其與轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)特性匹配，達(dá)到平衡，如鋼球式[7－8]、錘擺式[9]結(jié)構(gòu)已被用于解決實(shí)際不平衡問題。主動(dòng)式在線平衡采用有源機(jī)構(gòu)即主動(dòng)平衡裝置，根據(jù)檢測(cè)信息分析結(jié)果控制平衡裝置，完成不平衡校正，其中平衡裝置是關(guān)鍵執(zhí)行機(jī)構(gòu)，平衡方法是應(yīng)用于不同對(duì)象時(shí)的關(guān)鍵。根據(jù)信號(hào)處理和平衡算法不同，主動(dòng)平衡分為頻域法和時(shí)域法，頻域法用于恒速或似穩(wěn)工況，時(shí)域法用于非穩(wěn)態(tài)或變速工況。除了在轉(zhuǎn)子上直接安裝平衡裝置外，從支撐角度采用電磁軸承[10－13]也可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子平衡，但這種方式是從力的角度進(jìn)行補(bǔ)償而非從源頭上直接補(bǔ)償失衡質(zhì)量。本文主要討論基于平衡裝置的在線主動(dòng)平衡，如圖1虛線框所示。

圖1 轉(zhuǎn)子平衡技術(shù)體系

1.2 在線主動(dòng)平衡系統(tǒng)

基于轉(zhuǎn)子平衡方法的總結(jié)分析，結(jié)合作者從事在線主動(dòng)平衡技術(shù)研究實(shí)踐，以機(jī)床電主軸為例，提出轉(zhuǎn)子在線主動(dòng)平衡系統(tǒng)組成和技術(shù)實(shí)施方案，如圖2所示。

如圖2（a）所示，典型轉(zhuǎn)子在線主動(dòng)平衡系統(tǒng)由轉(zhuǎn)子系統(tǒng)、檢測(cè)系統(tǒng)、控制單元和平衡裝置4部分組成。轉(zhuǎn)子即為平衡對(duì)象，在其上安裝平衡裝置，因此設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)子時(shí)需事先預(yù)留安裝空間；傳感器用于檢測(cè)振動(dòng)和相位，常用傳感器是壓電加速度傳感器和電渦流位移傳感器，前者安裝方便，應(yīng)用更廣，常用光電傳感器作為相位傳感器，簡(jiǎn)單可靠；控制單元一般由控制器和程序構(gòu)成，可用DSP等作為控制核心，平衡算法需根據(jù)檢測(cè)方案和平衡裝置擬定；平衡裝置是整個(gè)系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)和性能對(duì)平衡效果影響大，不同平衡裝置有不同驅(qū)動(dòng)控制策略，常由動(dòng)力元件和平衡機(jī)構(gòu)組成，主要有機(jī)械式、液壓式和電磁式等。平衡裝置作動(dòng)后，轉(zhuǎn)子系統(tǒng)質(zhì)量分布和振動(dòng)狀態(tài)改變，進(jìn)而進(jìn)行新一輪檢測(cè)、控制和平衡，如此閉環(huán)運(yùn)行，達(dá)到平衡要求。

一是對(duì)新型農(nóng)村養(yǎng)老保險(xiǎn)政策認(rèn)識(shí)的個(gè)體差異性較大。通過前文參保情況的調(diào)研分析，可以看出，極大部分農(nóng)民對(duì)新農(nóng)保政策并不是很了解，不知道養(yǎng)老保險(xiǎn)有多大作用，不能解讀政策的含義，僅知道保費(fèi)交到60歲，60歲后每個(gè)月可以領(lǐng)到政府發(fā)放的養(yǎng)老金。16-40周歲的農(nóng)民認(rèn)為自己離60歲還比較遠(yuǎn)，投保積極性很低，認(rèn)為等到45歲再交，只交15年就可以了，不了解自己所繳保費(fèi)是累計(jì)在自己的個(gè)人賬戶中，越早繳費(fèi)積累金額越大，60歲后領(lǐng)取的養(yǎng)老金也會(huì)越多。還有一部分農(nóng)民觀念上尚未改變，仍然沿用歷史的養(yǎng)老方式，靠子女養(yǎng)老，由子女提供基本的生活養(yǎng)老費(fèi)用。

如圖2（b）所示，以機(jī)床電主軸為例，轉(zhuǎn)子在線主動(dòng)平衡系統(tǒng)運(yùn)行過程為：由檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)運(yùn)行中轉(zhuǎn)子進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，完成信號(hào)在線分析，獲得平衡狀態(tài)；監(jiān)測(cè)到轉(zhuǎn)子不平衡量或振動(dòng)超限時(shí)，控制單元通過平衡算法進(jìn)行平衡控制決策，通過控制器向驅(qū)動(dòng)電路發(fā)送作動(dòng)信號(hào)，在控制指令作用下帶動(dòng)平衡裝置完成動(dòng)作；位于平衡裝置內(nèi)配重機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)形成配重矢量，當(dāng)該矢量與轉(zhuǎn)子不平衡大小相等、方向相反時(shí)，完成不平衡校正。需要指出，由于刀具/砂輪不平衡是機(jī)床加工過程中主軸系統(tǒng)主要新增不平衡，因此只在主軸前端安裝1個(gè)平衡裝置[14－15]進(jìn)行單平面平衡是可行的[16]。與機(jī)床主軸小階梯轉(zhuǎn)子相比，汽輪機(jī)、航空發(fā)動(dòng)機(jī)等復(fù)雜轉(zhuǎn)子不平衡沿軸向分布復(fù)雜，至少需要在2 個(gè)或更多平面安裝多個(gè)平衡裝置，平衡方法更加復(fù)雜。

圖2 轉(zhuǎn)子在線主動(dòng)平衡系統(tǒng)組成及實(shí)施方案

2 轉(zhuǎn)子在線主動(dòng)平衡裝置研究現(xiàn)狀

平衡裝置是轉(zhuǎn)子在線主動(dòng)平衡系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，表1 中總結(jié)了目前常用的3 種主動(dòng)平衡裝置，給出了其系統(tǒng)組成、平衡原理和應(yīng)用特點(diǎn)。

如表1 所示，機(jī)械式平衡裝置通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)偏心齒圈轉(zhuǎn)動(dòng)合成平衡矢量，平衡狀態(tài)的保持依靠?jī)?nèi)部蝸輪蝸桿的自鎖實(shí)現(xiàn)；噴液式平衡裝置通過液壓系統(tǒng)向4 個(gè)均分腔體內(nèi)噴射液體形成平衡矢量，可將其改進(jìn)為釋液式[27]或壓液式[28－29]結(jié)構(gòu)；磁環(huán)式平衡裝置通過對(duì)環(huán)形線圈通電產(chǎn)生脈沖磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)配重盤步進(jìn)轉(zhuǎn)動(dòng)形成合成矢量，也有些平衡裝置依靠磁場(chǎng)控制鋼球沿徑向移動(dòng)[30]和具有徑向勵(lì)磁[31]結(jié)構(gòu)。上述3種平衡裝置各有利弊，機(jī)械式和噴液式相對(duì)簡(jiǎn)單，電磁式較復(fù)雜，它們均在工業(yè)領(lǐng)域得到了不同程度應(yīng)用，特別是機(jī)械式平衡裝置在國(guó)內(nèi)外諸多磨床上應(yīng)用廣泛，如高端磨齒機(jī)均配備SBS機(jī)械式平衡裝置。除上述主流平衡裝置外，近年來一些學(xué)者提出了基于新原理的平衡機(jī)構(gòu)。張西寧等[32]提出了一種基于磁流體流變效應(yīng)的在線平衡裝置，證明了其可行性。其他平衡裝置見文獻(xiàn)[33]，不再贅述。

表1 3種典型主動(dòng)平衡裝置

3 轉(zhuǎn)子在線主動(dòng)平衡測(cè)控方法研究現(xiàn)狀

轉(zhuǎn)子在線主動(dòng)平衡測(cè)控方法包括不平衡檢測(cè)和平衡控制，前者是后者的基礎(chǔ)，以精度和效率為關(guān)鍵指標(biāo)。不平衡檢測(cè)要求快速準(zhǔn)確地找到不平衡振動(dòng)幅值和相位，平衡控制要求在短時(shí)間內(nèi)將振動(dòng)降至低水平。

3.1 不平衡在線檢測(cè)方法

不平衡在線檢測(cè)分為基于信號(hào)分析與估計(jì)和基于數(shù)據(jù)分析與識(shí)別兩種，前者對(duì)有限次測(cè)量信號(hào)進(jìn)行特征提取或狀態(tài)估計(jì)得到不平衡矢量，后者對(duì)多次或大量測(cè)量得到的信號(hào)進(jìn)行智能尋優(yōu)或機(jī)器學(xué)習(xí)。圖3給出了常用不平衡檢測(cè)方法。

圖3 目前主要的不平衡檢測(cè)方法

基于信號(hào)分析與估計(jì)的不平衡檢測(cè)主要有相關(guān)分析、頻譜分析、小波分析和狀態(tài)估計(jì)，應(yīng)用最多的是頻譜分析和小波分析，前者用于平穩(wěn)工況，后者用于非平穩(wěn)工況。王展等[34]研究了基于全相位快速傅里葉變換的主軸不平衡振動(dòng)特征提取方法。齊偉等[35]提出了基于殘差譜分析的估計(jì)方法，提取了不平衡幅值和相位。劉淑蓮等[36]利用全息譜和相關(guān)分析提取了振動(dòng)工頻成分，獲得了不平衡振動(dòng)特征。鄭建彬[37]利用離散小波變換分解振動(dòng)信號(hào)，提取了不平衡振動(dòng)特征。牟世剛等[38]提出了基于小波細(xì)節(jié)系數(shù)自相關(guān)性分析的分層閾值降噪方法，用于不平衡檢測(cè)。李傳江等[39]提出了基于諧波小波和Prony算法的不平衡提取方法，解決了頻率干擾問題。賀雅等[40]通過分析燃?xì)廨啓C(jī)多轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)不平衡激振力產(chǎn)生機(jī)理及振動(dòng)與激振力關(guān)系，提出了不平衡因子計(jì)算方法。Sami等[41]提出了在不平衡檢測(cè)中減少傳感器數(shù)目的方法，用于多測(cè)點(diǎn)復(fù)雜轉(zhuǎn)子系統(tǒng)測(cè)量。Akash等[42]提出了聯(lián)合輸入狀態(tài)估計(jì)技術(shù)，用于轉(zhuǎn)子不平衡檢測(cè)。Zhao等[43]提出了一種基于瞬態(tài)特征的轉(zhuǎn)子平衡與動(dòng)態(tài)負(fù)載檢測(cè)技術(shù)。樊紅衛(wèi)等[44]提出了灰度圖像紋理分析的不平衡檢測(cè)方法，與FFT 進(jìn)行了對(duì)比。

基于數(shù)據(jù)分析與識(shí)別的不平衡檢測(cè)以種群優(yōu)化、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、聚類和深度學(xué)習(xí)為主。種群優(yōu)化是基于自然界物種集體行為或進(jìn)化法則完成尋優(yōu)求解，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是通過模擬人的神經(jīng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)從輸入中學(xué)習(xí)故障特征，聚類是基于無監(jiān)督學(xué)習(xí)對(duì)不帶標(biāo)簽數(shù)據(jù)進(jìn)行識(shí)別，深度學(xué)習(xí)是多層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。張茹鑫等[45]提出了集成遺傳算法和粒子群算法的多點(diǎn)不平衡識(shí)別方法。毛文貴等[46]對(duì)于不平衡識(shí)別過程采樣效率問題，提出了基于遺傳算法改進(jìn)貝葉斯理論的方法。Yao 等[47]提出了基于遺傳算法的多速柔性轉(zhuǎn)子平衡方法。黃金平等[48]基于柔性轉(zhuǎn)子瞬態(tài)響應(yīng)和反向傳播神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，提出了單盤柔性轉(zhuǎn)子不平衡識(shí)別方法。趙宏武等[49]提出了基于HBGM估計(jì)的不平衡識(shí)別方法。樊紅衛(wèi)等[50]提出了對(duì)稱極坐標(biāo)圖像和模糊C均值聚類相結(jié)合的不平衡識(shí)別方法。朱霄珣等[51]提出了基于對(duì)稱點(diǎn)模式特征融合的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNN）狀態(tài)識(shí)別方法，以實(shí)現(xiàn)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子狀態(tài)識(shí)別。Yan 等[52]提出了基于多源異構(gòu)信息融合的深度置信網(wǎng)絡(luò)（DBN）不平衡識(shí)別方法。應(yīng)用時(shí)需根據(jù)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)及不平衡特點(diǎn)合理選用上述方法，為平衡控制提供基礎(chǔ)。應(yīng)注意在線主動(dòng)平衡算法復(fù)雜性和效率間的平衡，在保證準(zhǔn)確率前提下應(yīng)使算法盡可能簡(jiǎn)單高效。以平衡為目的的不平衡識(shí)別不同于簡(jiǎn)單故障診斷，需要獲得不平衡矢量大小和相位，更加復(fù)雜。如何獲得精確不平衡矢量大小和相位以及如何在多源復(fù)合故障中檢測(cè)不平衡的方法是研究重點(diǎn)之一。

3.2 在線主動(dòng)平衡控制方法

基于不平衡檢測(cè)結(jié)果，以主動(dòng)平衡裝置為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，在平衡算法控制下實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子在線主動(dòng)平衡。平衡方法分為頻域和時(shí)域兩類。頻域方法面向恒速轉(zhuǎn)子系統(tǒng)，時(shí)域方法面向非平穩(wěn)或變速轉(zhuǎn)子系統(tǒng)。波蘭學(xué)者Gosiewski[53－54]奠定了在線主動(dòng)平衡方法的現(xiàn)代理論基礎(chǔ)，后繼諸多平衡方法受到其研究的啟發(fā)。圖4 給出了目前主要的在線主動(dòng)平衡控制方法。

圖4 目前主要的在線主動(dòng)平衡方法

在線主動(dòng)平衡控制思路建立在經(jīng)典影響系數(shù)法在線化的基礎(chǔ)上。早期，彭佩珍[55]提出了在線平衡的諧分量算法；曾勝等[56]針對(duì)電磁平衡裝置提出了在線試重法，在工作轉(zhuǎn)速下辨識(shí)影響系數(shù)及不平衡，實(shí)現(xiàn)了在線平衡。后來，Kim 等[57]和樊紅衛(wèi)等[58]提出了在線影響系數(shù)表格法，在平衡過程中調(diào)用計(jì)算或測(cè)試好的各工況影響系數(shù)值，完成恒速平衡；鄧旺群等[59]針對(duì)螺旋槳模擬轉(zhuǎn)子，在影響系數(shù)法基礎(chǔ)上，進(jìn)行了自動(dòng)平衡試驗(yàn)；陳立芳等[60]提出一種軸心軌跡重構(gòu)方法，實(shí)時(shí)測(cè)算基頻振動(dòng)矢量，將其作為最優(yōu)自動(dòng)平衡輸入，并進(jìn)行了驗(yàn)證；Stephen等[61]研究了多平面在線主動(dòng)平衡系統(tǒng)影響系數(shù)最優(yōu)魯棒控制方法；Alves等[62]提出了基于混合整數(shù)梯度的平衡優(yōu)化方法，改善了影響系數(shù)法試重次數(shù)多的問題；Ranjan等[63]提出了改進(jìn)的影響系數(shù)法，有效估算了高速柔性轉(zhuǎn)子的平衡質(zhì)量。

隨著自適應(yīng)控制理論發(fā)展，自適應(yīng)主動(dòng)平衡方法隨之出現(xiàn)。樊紅衛(wèi)等[64－66]研究了轉(zhuǎn)子單平面平衡的固定參數(shù)自適應(yīng)算法，用于電磁圓環(huán)形主動(dòng)平衡裝置。王寧[67]和馮偉[68]研究了電磁和液壓主動(dòng)平衡裝置的單平面自校正自適應(yīng)平衡控制方法。劉錦南[69]和周衛(wèi)華[70]針對(duì)化工機(jī)械研究了自適應(yīng)影響系數(shù)方法，研究了電磁平衡裝置單/雙平面主動(dòng)平衡策略。目前，自適應(yīng)平衡方法是研究得較多的主動(dòng)平衡控制方法。

模糊控制是一種非線性智能控制方法，可用于轉(zhuǎn)子主動(dòng)平衡控制。陳時(shí)楨[71]針對(duì)單平面雙配重自動(dòng)平衡裝置提出了基于模糊理論的變步長(zhǎng)尋優(yōu)控制方法。Xu等[72]和賈志遠(yuǎn)[73]提出了基于模糊自整定單神經(jīng)元PID 的自動(dòng)平衡控制方法。目前，采用模糊控制進(jìn)行轉(zhuǎn)子主動(dòng)平衡控制的研究相對(duì)較少。

近年來，在線平衡控制的發(fā)展、優(yōu)化和時(shí)域變速平衡受到關(guān)注。胡兵[74]對(duì)變速轉(zhuǎn)子自適應(yīng)主動(dòng)平衡進(jìn)行了理論研究，包括變速準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)主動(dòng)平衡增益調(diào)度控制、帶作動(dòng)器時(shí)遲快變速主動(dòng)平衡自適應(yīng)控制與帶作動(dòng)器飽和快變速主動(dòng)平衡自適應(yīng)控制，但未進(jìn)行系統(tǒng)開發(fā)和試驗(yàn)。趙陽[75]采用果蠅優(yōu)化算法對(duì)自動(dòng)平衡系統(tǒng)時(shí)滯參數(shù)進(jìn)行辨識(shí)，提出了改進(jìn)Smith預(yù)估控制的時(shí)滯轉(zhuǎn)子在線自動(dòng)平衡方法和基于LQR的時(shí)滯轉(zhuǎn)子在線自動(dòng)平衡方法。Zhou 等[76－77]研究了基于時(shí)變觀測(cè)器的剛性轉(zhuǎn)子變速失衡估計(jì)方法，研究了加速過程中剛性轉(zhuǎn)子單平面在線主動(dòng)平衡最優(yōu)策略。Kwang-Keun 等[78]研究了變速轉(zhuǎn)子多平面平衡自適應(yīng)控制方法。Yu等[79]提出了加速過程主動(dòng)平衡自適應(yīng)比例-積分控制方法。時(shí)域平衡方法突破了頻域平衡以轉(zhuǎn)頻振動(dòng)為基準(zhǔn)以及采用經(jīng)典控制理論的局限性，對(duì)不平衡狀態(tài)隨時(shí)間變化采用現(xiàn)代控制理論進(jìn)行在線辨識(shí)，更具一般性。對(duì)柔性轉(zhuǎn)子多平面平衡問題，平衡平面位置和平衡裝置控制優(yōu)化是未來進(jìn)一步研究重點(diǎn)之一。相比平衡裝置，平衡控制方法的研究還很欠缺，需結(jié)合平衡裝置和應(yīng)用對(duì)象開發(fā)先進(jìn)可靠的平衡算法。

3.3 在線主動(dòng)平衡技術(shù)應(yīng)用

在線主動(dòng)平衡技術(shù)由平衡裝置及測(cè)控系統(tǒng)組成，目前主要用于機(jī)床主軸[80－81]、化工及電力設(shè)備[82]、軍工裝備[83]。張仕海[84]提出了氣動(dòng)盤式在線平衡裝置用于機(jī)床主軸雙平面在線平衡。關(guān)智磊[85]和張侃侃[86]設(shè)計(jì)了用于鋼坯修磨砂輪的在線平衡頭。劉宏琴[87]針對(duì)電主軸設(shè)計(jì)了一種主動(dòng)平衡裝置。樊紅衛(wèi)等[88]提出了自平衡電主軸，開發(fā)了樣機(jī)，考慮了平衡裝置對(duì)主軸動(dòng)力和熱特性影響。沈偉等[89]將主動(dòng)平衡裝置用于煙氣輪機(jī)，比較了4種單平面和3 種雙平面平衡效果。張加慶[90]提出了新型機(jī)械式平衡頭，進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)考核。Darayus等[91]將電磁環(huán)形主動(dòng)平衡裝置用于汽輪機(jī)，降低了主軸振動(dòng)。陳立芳等[92]分析了主動(dòng)平衡技術(shù)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)減振降噪中應(yīng)用的可行性。不同應(yīng)用對(duì)象對(duì)于主動(dòng)平衡技術(shù)需求不同。磨床需要高精度平衡機(jī)構(gòu)和精密平衡方法，重在提高主軸回轉(zhuǎn)精度；加工中心需要主動(dòng)平衡處理頻繁換刀引起的新增不平衡，要求在換刀過程中進(jìn)行變速平衡。對(duì)于復(fù)雜過程機(jī)械，特別是化工機(jī)械和熱力機(jī)械由于化學(xué)物質(zhì)結(jié)垢、熱變形等產(chǎn)生的問題，需在多平面內(nèi)進(jìn)行平衡，且平衡機(jī)構(gòu)應(yīng)有大的平衡能力，能在高溫等條件下可靠工作。為了提高航空發(fā)動(dòng)機(jī)、艦艇等聲隱身性，需通過主動(dòng)平衡技術(shù)降低螺旋槳等系統(tǒng)噪聲，進(jìn)而提高裝備安全性和舒適性?？傮w而言，轉(zhuǎn)子在線主動(dòng)平衡技術(shù)應(yīng)用仍以各類機(jī)床為主，其它領(lǐng)域鑒于現(xiàn)場(chǎng)難題沒有解決并未得到真正規(guī)?；瘧?yīng)用。

4 展望

通過對(duì)近年來發(fā)表文獻(xiàn)的綜合分析可知，對(duì)于轉(zhuǎn)子在線主動(dòng)平衡技術(shù)的研究已取得了豐碩成果，但作為實(shí)用化的振動(dòng)控制技術(shù)，平衡裝置、檢測(cè)與控制方法和系統(tǒng)應(yīng)用等層面仍存在以下問題亟待解決。

（1）平衡裝置及一體化自平衡轉(zhuǎn)子系統(tǒng)設(shè)計(jì)。平衡裝置作為主動(dòng)平衡執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其設(shè)計(jì)對(duì)主動(dòng)平衡成敗至關(guān)重要。平衡裝置的添加勢(shì)必改變轉(zhuǎn)子系統(tǒng)原有特性，如何將其對(duì)臨界轉(zhuǎn)速等影響降至最低是重要課題。平衡裝置原創(chuàng)性設(shè)計(jì)應(yīng)關(guān)注不平衡矢量產(chǎn)生方式，由固體、液體還是狀態(tài)可變物質(zhì)（如氣化）生成不平衡質(zhì)量，按照直角坐標(biāo)還是極坐標(biāo)移動(dòng)，達(dá)到平衡狀態(tài)后如何保持平衡位置不丟失，均是此處關(guān)鍵問題。同時(shí)，改進(jìn)現(xiàn)有平衡裝置時(shí)應(yīng)關(guān)注平衡能力提升、裝置輕量化以及平衡平面沿轉(zhuǎn)子軸向優(yōu)化等，以最大限度發(fā)揮主動(dòng)平衡價(jià)值。電磁平衡裝置作動(dòng)穩(wěn)定性和工作可靠性還需進(jìn)一步提升。通過增大轉(zhuǎn)子/支撐剛度及降低平衡裝置重量等可降低平衡裝置對(duì)轉(zhuǎn)子固有特性影響，在設(shè)計(jì)階段將平衡裝置與轉(zhuǎn)子系統(tǒng)進(jìn)行一體化考慮，可避免平衡裝置安裝引起的一系列問題。

（2）平衡方法及平衡控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。主動(dòng)平衡系統(tǒng)作為以振動(dòng)控制為目的的機(jī)電一體化閉環(huán)系統(tǒng)，控制策略和系統(tǒng)性能對(duì)平衡效果影響大?？焖贉?zhǔn)確估計(jì)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)影響系數(shù)是高效、精密主動(dòng)平衡基礎(chǔ)，需要先進(jìn)可靠的信號(hào)獲取、分析和在線估計(jì)技術(shù)，特別是適應(yīng)性更廣的時(shí)域失衡估計(jì)對(duì)主動(dòng)平衡技術(shù)推廣至關(guān)重要。頻域內(nèi)需改進(jìn)以自適應(yīng)控制為核心的主動(dòng)平衡策略；對(duì)柔性轉(zhuǎn)子多平面平衡、平衡平面選取等問題需深入研究。時(shí)域內(nèi)需研究基于狀態(tài)觀測(cè)器的主動(dòng)平衡，對(duì)快變速主動(dòng)平衡過程穩(wěn)定性進(jìn)行深入研究，以應(yīng)對(duì)加工中心換刀、航空發(fā)動(dòng)機(jī)急加速等特殊工況。此外，提高控制器硬件性能及程序效率，進(jìn)而滿足在線平衡對(duì)平衡時(shí)間的苛刻要求，亦是高速平衡重要需求。

（3）在線主動(dòng)平衡技術(shù)工業(yè)應(yīng)用。目前，轉(zhuǎn)子在線主動(dòng)平衡技術(shù)應(yīng)用比較單一，具有局限性，應(yīng)加快主動(dòng)平衡技術(shù)在加工中心、過程機(jī)械和軍工裝備等領(lǐng)域中的應(yīng)用進(jìn)程，以應(yīng)對(duì)加工中心換刀過程變速平衡、離心壓縮機(jī)和汽輪機(jī)免停機(jī)平衡以及直升機(jī)、潛艇等平衡降噪的需求。應(yīng)將主動(dòng)平衡系統(tǒng)與平衡對(duì)象的控制系統(tǒng)關(guān)聯(lián)，如將其與機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)基于主動(dòng)平衡的整機(jī)智能調(diào)控，使平衡系統(tǒng)參與機(jī)器控制，提高裝備智能化程度。對(duì)于燃?xì)廨啓C(jī)等高溫環(huán)境下噴液式平衡裝置液體揮發(fā)、電磁式裝置磁鐵退磁等難題，應(yīng)加快技術(shù)方案改進(jìn)或新裝置研發(fā)，以對(duì)應(yīng)極端工況對(duì)主動(dòng)平衡技術(shù)的挑戰(zhàn)。對(duì)于電主軸等高性能直驅(qū)電機(jī)的主動(dòng)平衡策略，還應(yīng)考慮氣隙偏心引起的電磁振動(dòng)問題，如何在平衡時(shí)消除電磁振動(dòng)影響以改善平衡效果，是此類轉(zhuǎn)子在線主動(dòng)平衡不可忽略的問題。

5 結(jié)語

綜合以上分析與展望可知，簡(jiǎn)單可靠的平衡裝置、快速穩(wěn)定的平衡算法和經(jīng)濟(jì)實(shí)用的工程應(yīng)用，是轉(zhuǎn)子在線主動(dòng)平衡技術(shù)未來發(fā)展所追求的目標(biāo)，亦是技術(shù)研發(fā)應(yīng)秉持的準(zhǔn)則?？梢哉f，轉(zhuǎn)子在線主動(dòng)平衡為機(jī)械振動(dòng)故障診斷從“只診不治”到“診而治之”和“診而智治”找到了突破口，極大地促進(jìn)了機(jī)器走向“人工自愈[93]”新時(shí)代。從研究屬性角度來看，轉(zhuǎn)子在線主動(dòng)平衡技術(shù)屬于多學(xué)科交叉融合技術(shù)，既有屬于轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)與振動(dòng)控制理論基礎(chǔ)研究屬性，又有屬于機(jī)電一體化閉環(huán)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用屬性。特別是在人工智能和信息技術(shù)飛速發(fā)展的今天，轉(zhuǎn)子主動(dòng)平衡技術(shù)的進(jìn)步迫切需要學(xué)術(shù)界和工業(yè)界緊密合作、協(xié)同努力，期望在不久的將來在這一領(lǐng)域能夠取得更多創(chuàng)新成果，為高端旋轉(zhuǎn)機(jī)械高速化、精密化和智能化做出應(yīng)有貢獻(xiàn)。