（机械制造及其自动化专业论文）气悬浮测振支承系统的研究.pdf

浙江大学倾士学位论文 摘要 本文在研究动平衡校正系统基本理论和常用动平衡测振支承系统动态特性 的基础上提出了一种新型的适合于小转子、高精度、高灵敏度的软支承系统 气悬浮支承系统。并对该系统进行实验研究，经过对实验数据的误差分析，证实 该支承系统较具应用价值。全文的主要研究内容如下： 第一章介绍了国内外动平衡技术的发展概况及目前的研究水平和发展趋势； 阐述了动平衡技术的研究意义；结合课题背景，概括了论文的主要研究内容。 第二章探讨研究了动平衡技术的理论基础并将传统中的两种动平衡测振支 承系统的工作机理进行了比较，总结出这两种常用支承系统各自的性能特点。 第三章提出一种新型的适合于小转子、高精度、高灵敏度的软支承系统 气悬浮支承系统，并简要介绍了整个系统的结构设计。其中包括气悬浮测振支承 理论的基础、气体静压轴承的设计、关键零件的技术要求和加工工艺等。从理论 上分析了气悬浮支承系统的可行性。 第四章讨论了动平衡测试系统的不平衡量的测试原理。首先，论述了不平衡 量的提取、平面分离解算原理与标准转子。然后，介绍了信号采集、数据处理和 数据的修正及主要的硬件选取。 第五章对气悬浮支承系统的测试结果进行了分析：同时对原理性误差、工艺 性误差也进行了探讨研究，并得出实验结论。从实验中证实了气悬浮支承系统的 可行性。 第六章对全文进行了总结，并对今后的工作提出展望。 关键词：动平衡软支承硬支承气悬浮标准转子f f t 静压轴承 塑垩查兰堡主兰垡垒壅 a b s t r a c t o nt h eb a s i so fb a s i ct h e o r yo fb a l a n c i n gc o r r e c t i o ns y s t e ma n dc o m m o n d y n a m i cc h a r a c t e ro fb e a r i n gs y s t e m ，ab e a r i n gs y s t e mw i t hh i 【g hp r e c i s i o na n d s e n s i t i v i t ya n ds u i t a b l e f o rs m a l lr o t o ra sw e l l ，n a m e l ya i r - b e a r i n gs y s t e mi sp u t f o r w a r di nt h i st h e s i s a f t e re x p e r i m e n t a lr e s e a r c ho nt h i ss y s t e ma n de r r o ra n a l y s i so n t h ee x p e r i m e n t a ld a t a ，i th a sb e e np r o v e dt ob ea p p l i c a b l ea n dv a l u a b l e t h ec o n t e n t s o f t h i st h e s i sa r el i s t e da sf o l l o w s ： i nt h ef i r s tc h a p t e r , t h ed e v e l o p m e n to v e r v i e wo ft h ed ”a m i cb a l a n c i n g t e c h n o l o g y , b o t hi nc h i n aa n da b r o a d 、t h ep r e s e n tr e s e a r c hl e v e la n dt h ef u t u r e r e s e a r c ht r e n d sa r ef i r s t l yd i s c u s s e d t h e na f t e rt h ed i s c u s s i o no fr e s e a r c hp u r p o s eo f d ”a m i cb a l a n c i n gt e c h n o l o g ya n di nc o n t e x to ft h ep r o j e c tb a c k g r o u n d ，t h er e s e a r c h g o a la n dm a j o rc o n t e n t so f t h i st h e s i sa r ee x p l a i n e d i nt h es e c o n dc h a p t e r , t h et h e o r e t i c a lb a s i so fd y n a m i cb a l a n c i n gt e c h n o l o g yi s m a i n l yd i s c u s s e d ac o m p 撕s o nb e t w e e nt w od i f f e r e n tw o r k i n gm e c h a n i s m so f b e a r i n gs y s t e mi sm a d ea n dt h e i rr e s p e c t i v ep e r f o r m a n c ec h a r a c t e r so ft h e s et w o s y s t e m sa r es t l m m a r i z e d i nt h et h i r dc h a p t e r ，a na i r - b e a r i n gs y s t e mi sp u tf o r w a r d ，w h i c hh a sh i g h p r e c i s i o na n ds e n s i t i v i t ya n di ss u i t a b l ef o rs m a i lr o t o ra sw e l l t h a l lt h es t r u c t u r e d e s i g no ft h ew h o l es y s t e mi sb r i e f l yi n t r o d u c e d a f t e rt h et h e o r e t i c a lb a s i so fa i r b e a r i n gs y s t e m ，t h ed e s i g no fa i rs t a t i cp r e s s u r eb e a r i n ga n dt h et e c h n o l o g yo fk e y a c c e s s o r ya r cs t a t e d a tl a s lt h ec a p a b l ec h a r a c t e ro fa i r - b e a r i n gs y s t e mi sa n a l y s e d f r o mt h et h e o r y i nt h ef o u r t hc h a p t e r , at e s t i n gt h e o r ya st ot h ea m u n to fu n b a l a n c eo fm e a s u r i n g s y s t e mi sd i s c u s s e d f i r s t l y , t 1 1 ed i s t i l lo fa m o u n to fu n b a l a n c e 、c o m p u t a t i o nt h e o r y a n dp r o v i n gr o t o ra r ed i s c u s s e d s e c o n d l y , t h ec o l l e c t i o no ft h es i g n a l s ，t h ed a t a p r o c e s s i n g ，t h ed a t aa d j u s t m e n ta n dt h es e l e c t i o no f p r i m a r yh a r d w a r ea r ei n t r o d u c e d i nt h ef i 劬c h a p t e r , t h et e s t i n gr e s u l to fa i r - b e a r i n gs y s t e mi sa n a l y z e da n dt h e t h e o r e t i c a le r r o ra n dt e c h n i c a le r r o ra r ed i s c u s s e d m e a n w h i l e ，t h ec o n c l u s i o na st ot h e e x p e r i m e n ti sm a d e f r o mt h et e s t ，t h ea i r - b e a r i n 2s y s t e mi sc a p a b l e i nt h es i x t hc h a p t e r , t h ef i n a lc o n c l u s i o ni sm a d ea n dt h ep r o s p e c tt ot h ew 0 r ki n t h ef u t u r ei sp r o p o s e d k e yw o r d s ：d y n a m i cb a l a n c e s o f tb e a r i n gh a r db e a r i n g a i r - b e a r i n gp r o v i n g r o t o rf f ts t a t i cp r e s s u r eb e a r i n g i i 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 动平衡校正的研究意义 动平衡是旋转类产品生产制造过程中必须解决的一个基本的共性问题，其优 劣程度直接决定产品的工作性能，使用寿命，对产品的质量产生巨大的影响。据 国内外统计资料表明，航空发动机的故障4 0 与振动有关，而这些振动多数由 叶片的动不平衡所造成( 气流或材料质量和加工性能等多种因素引起动不平衡) ； 气轮发电机设备的异常振动，有6 0 至7 0 是由转予的动不平衡所致。由此可 见动平衡性能对于旋转类机械或设备的重要性。 特别是目前设备向高速化、高效化和高精化方向发展，动平衡问题已日益突 出，在一些领域成为制约整个行业产品质量提升的关键因素。如具有广泛应用场 合和巨大市场潜力的电动工具行业，大量产品的工作速度已从原来每分钟几千转 向上万转、甚至几万转方向攀升，带来了同电机转子动平衡性能直接相关的振动 烈度增大、使用噪声提高以及产品寿命缩短等诸多问题，造成质次价低，难以在 国际大市场竞争中立足的尴尬局面。这种局面的出现主要原因在于目前国内的电 机转子动平衡校正技术还难以满足产品向高性能方向发展的需要。 另一方面。随着人类触觉的不断延伸，人类已开始远至宇宙深处进行探索， 小至纳米空间进行研究，带来诸如航空、航天、纳米技术等一大批高科技的不断 涌现和飞速发展。在这些高科技当中，运载工具的实现，加工设备的形成以及研 究仪器的使用同样都离不开旋转设备的应用，而这些旋转设备共同的特点是高 速、精密，对动平衡的性能具有更高的要求。如惯性导航中，是利用机械陀螺高 速旋转后所具有的定轴性实现定位导航，如果陀螺的动平衡性能不佳，由于其具 有的进动性，会使定位导航偏离，造成难以估量的损失或灾难性事故，类似例子 不胜枚举。可见，高科技的发展离不开先进的动平衡校正技术及其设备的应用， 并且具有越来越强烈的需求。因此，开展超高精转子动平衡自动校正技术和设备 的研究，既能满足高科技发展的要求，也能推动传统产业的发展，必将产生巨大 的经济和社会效益。因此，转子动平衡校正是一项具有巨大效益和深远意义的技 术。 1 2 动平衡技术国内外发展概况与目前的研究水平及其发 展趋势乜1 浙江大学硕士学位论文 1 2 1 动平衡技术国内外发展概况 现代的动平衡技术是在本世纪初随着蒸汽透平机的出现而发展起来的。1 9 0 7 年德国的拉瓦切克( l a w a e z e e k ) 首先制造出平衡视，随后，黑曼( h e y m a n ) 将其改 进。在这台平衡机上，支撑实验旋转体的轴承是由安装在底座上的弹簧支撑起来 的。运动中的旋转体产生振动，振动波形由地震仪一类的装置记录下来。平衡操 作所需的校正块的位置及大小根据这一记录确定，将校正块加到旋转体上，平衡 操作即告完成。拉瓦切克一黑曼式平衡机的结构是原始的，操作也比较麻烦，但 对高速旋转机械性能的提高做出了很大贡献。就是在这种平衡机的基础上，各种 各样的平衡机在世界各国相继制造出来了，如阿基莫夫( a k m o 劬式( 1 9 1 6 年) ，索 德伯格( s o d e r g e l ：g ) 式( 1 9 2 3 年) 以及直至现在仍在使用德催伯勒( t r e b d ) 平衡机等。 几乎在同一时期，日本由末宏恭二，久野五十男制造出了一种独特的平衡机。 1 9 2 5 年问世的末宏恭二式平衡机是平衡转速高于转子支撑系统共振频率的最早 的平衡机，由于这原因，使支承振动的测量以及平衡精度大大提高了一步。久 野式平衡机又作了进一步的改进。1 9 3 5 年久野将同步电机与光学放大装置结合 起来应用于测量机构，通过在屏幕上显示出如李沙育图形那样的振动图像来读取 支承振动相位和大小，其测量方法简单而且精度高。由于这种平衡机的性能较好， 所以京4 造出容量不同的各种机型。久野于1 9 3 6 年进一步设计了采用交流发电机 的瓦特计式测量装置，在德国和美国得到了迅速发展。因此可以说，由于洛依特 林格( r e u f l i n g e r ) 的可动线圈式振动传感器的发明，以及在以德国的申克公司 ( s c h e n c k ) 和美国的吉肖特公司( g i s h o l t ) 的瓦特计式为基础的电气测量机构发展 的基础上，现代平衡机问世了。 从5 0 年代开始，随着电子工业，电子测量技术的迅速发展，不平衡量的电 测系统才迅速的取代了机械测量系统，使平衡机的机械机构简单了。5 0 年代初 期的动平衡机的测量系统还在使用机械谐振式滤波和l c 谐振式滤波方式。5 0 年代中期开始使用有源滤波器，这一时期有代表性的产品就是用r c 带通滤波器 配合闪光测相装置，构成闪光测相式平衡机，闪光式平衡机具有较好的幅值和相 位测量精度，相对机械式平衡机来说，闪光式平衡机的出现标志着平衡机制造技 术有了很大的提高。 5 0 年代末到6 0 年代初，动平衡机的滤波技术又有了新的发展，这一时期同 时出现了瓦特表式滤波器和同步检波式滤波器，使平衡机的性能提高了一大步， 平衡机幅值和相位测量精度都有了显著的提高。使平衡机进入了一个新的，现代 化的发展阶段。 从机械式平衡机到发展到使用电气测量系统以来，平衡机的组成系统也在不 断改进和完善，但从工作原理上讲，并无本质上的改变。可以说基本上都是软支 浙江大学硕士学位论文 承平衡机。到6 0 年代末和7 0 年代初期，研制成功了带电子运算电路的通过测量 振动力来确定转子不平衡量的硬支承平衡机，由于硬支承平衡机是测量转子的不 平衡离心力，可实现永久性定标，操作简单，使用方便，因此得到越来越广泛的 应用，硬支承平衡机的出现是平衡机支承系统和平衡机工作原理上的改变。它使 传统软支承动平衡机上麻烦的动态调整代之以静态下的尺寸设定，从而形成永久 标定式的平衡机。但从发展趋势看，在一些特殊情况下( 如高速，微型) ，软支承 动平衡机是优于硬支承动平衡机。 1 2 2 动平衡校正技术目前的研究水平及其发展趋势 动平衡校正分为动平衡称重( 测量) 和动平衡去重( 加工) 两个基本过程，即在 完成不平衡量和相位测量的基础上，采用一定的加工方式完成不平衡量的消除。 在国外，一些工业发达国家，由于先进的测量技术和数控加工技术的发展及 其应用，己普遍采用动平衡自动测量和数控加工一体化的动平衡校正策略。即首 先通过动平衡的自动测量，然后将测量结果以一定的通讯方式传输给数控加工设 备，控制其完成对工件的铣削，达到动平衡自动校正的目的，并在二十世纪八十 年代就出现了包括上料、测量、加工、质量评价和分筛等多工位组成的动平衡校 正一体化设备，在校正效率、校正精度和校正质量稳定性等方面取得了长足的进 展，成为动平衡校正技术和设备的发展主流及方向。在这一领域，德国、日本的 技术和设各处于绝对的领先地位，其中德国专业于航空、航天用大型复杂转子的 动平衡自动校正，而日本在中小型转子动平衡自动校正方面具有明显的优势。如 日本国际计测器株式会社最新出品的六工位全自动修正动平衡实验机，可适用于 汽车电机转子、电动工具、家用电器、各类办公自动化用电机的小型转子的动平 衡校正，由于测量和加工采用计算机集中控制，铣削加工量应用线性来补偿，因 而动平衡精度可达o 2 5 9 m m y k g ，校正效率为3 0 0 只每小时，而一次减少率大 于9 5 ，充分体现出高精度和高效率的特点，代表当前该领域发展的最高水平。 围绕着动平衡自动校正系统的开发，国外在相关技术的研究上主要体现在一 下几个方面： ( 1 ) 转子动力学建模和分析。 转子动力学建模和分析是动平衡校正技术的理论基础，对于动平衡校正系统 的研究和开发具有重要的指导意义。因此，长期以来学术界十分重视这方面的研 究，取得了大量的研究成果，并在旋转机械工况监测和故障诊断中得到了广泛的 应用。由于刚性转子研究相对成熟，目前研究重点着眼于大型转子上，并已从线 性动力学分析向非线性动力学方向迈进，在分析精度和可用性方面都取得了长足 的进展。 浙江大学硕士学位论文 f 2 ) 高保真的提取有用信号，精确确定不平衡量及其相位。 由于数字信号处理技术的发展，特别是d s p 芯片技术的突破，数字信号处 理技术成为了高保真的提取有用信号、精确、快速确定不平衡量及其相位的重要 手段，并为赋予系统强大的联机功能提供保障：另一方面，智能信息处理技术得 到了广泛的应用，使系统在自校零、自校验、自动补偿和自选量程能力方面得到 了明显加强，带来更高精度的实现不平衡量及其相位的确定成为可能。 ( 3 ) 快速、高精度的完成不平衡的消除。 动平衡校正中的数控加工设备跟随着数控技术的发展而不断进步，先后出现 了基于步进电机驱动、液压驱动和交流伺服驱动的各类数控加工设备。由于液压 驱动所带来加工力大、效率高和性价比合理的优势，是多工位系统中应用的主流。 为了保证加工精度，已实施计算机控制的线性补偿策略，在加工误差补偿方面作 了有益的探索。 ( 4 ) 实施动平衡测量和加工一体化的计算机控制。 从目前实现的系统来看，现有的控制系统主要有单片机系统，是一片或多片 单片机通过串并行数据交换的方式构成的测控一体化系统。还有采用服务、客 户端模式，通过主从自主控制互兼的控制策略，构成的主从式测控系统。另外 随着现场总线技术的发展，集多个测控单元模块与现场，通过现场总线的形式连 接起来，构成一个具有较强的灵活性、可靠性和容错能力的分布式测控系统。尽 管如此，国外现有的系统还很难方便的协调适用范围和校正精度之间的矛盾，精 度只能在专用设备上予以保证，并且实现成本过高，阻碍其更广泛的应用。 而在国内，长期以来仍沿用动平衡称重和去重相分离的传统动平衡校正策 略，即首先采用一些动平衡称重设备完成动平衡的测量，并把测量结果以一定的 方式显示出来：然后，操作工人根据显示结果的读数，凭借自身的操作经验和相 应的加工设备，对工件进行试凑铣割以完成去重，这种方式由于人为因素影响明 显，带来校正效率低、精度差、质量不稳定和加工成本上升等不利因素，因而， 采用这种方式进行动平衡校正势必难以进一步提高相应产品的制造质量。造成国 内目前动平衡校正仍停留于传统策略的主要原因在于，尽管研究上已有一些单元 技术和方法的的报道，但新技术、新工艺研究投入少，还无力突破传统的框架体 系，具体表现为： ( 1 ) 理论建模分析同实用化严重脱节。 在转子动力学及一些单元技术方面，我国的研究也相当活跃，西安交通大学、 南京航空航天大学、上海交通大学和啥尔滨工业大学等高等学校都取得了令人瞩 目的成就，可以说，在理论和实验研究方面同国外先进水平的差距正在缩短，但 在应用方面还存在明显的差距。 ( 2 ) 动平衡测量技术及其设备发展缓慢。 浙江大学硕上学位论文 目前的测量技术还采用基于时域的分析方法，测量设备仍停留于分立元件构 成模拟系统的水平上，至多在模拟系统的基础上引入单片机技术，将测试结果数 字化，构成所谓的半数字化系统，这些技术和设备除普遍存在抗干扰能力、测试 精度、柔性度和适用能力等较差外，还不具备同其他设备交互和通讯的能力，因 此难以将测试结果传输给数控加工设备，实簏动平衡自动测量和数控加工一体化 的动平衡校正策略。 ( 3 ) 数控加工技术及设备研究开发相对滞后。 数控加工技术及设备的作用在于将测试结果转换为铣削加工量，并实现自动 铣削加工。目前国内用于转子动平衡去重加工的设备还普遍采用手动操作，很少 有数控加工技术及设备在这方面应用的报道。 ( 4 ) 系统集成技术还未涉足。 由于国内目前动平衡校正技术的重点还在动平衡称重的方法和设备上，并且 这些设备未具备同数控加工设备联机的功能，因而同测量和加工一体化相关的动 平衡集成技术还没有涉足研究。如国内动平衡机最大的生产商上海菱菱平衡机有 限公司，其产品在国内电动工具、电机行业占有率分别为9 0 和6 5 以上，并 具有设计生产转速为0 至6 5 0 0 0 转分叶片超速实验机的能力，但是该公司的产 品还是停留于“在一次启动下能正确的显示出工件的不平衡量和相位”，典型的代 表国内当前该领域的技术水平。 1 3 本文的研究内容 本文基于对动平衡测振支承系统理论和传统测振支承系统动态特性的研究， 开发出一种新型的适用于小转子、高精度、高灵敏度的软支承系统气悬浮支 承系统。并对气悬浮支承系统的可行性进行了理论上的探讨和实验研究。本文的 主要研究内容如下： 第一章介绍了国内外动平衡技术的发展概况及目前的研究水平和发展趋势； 阐述了动平衡技术的研究意义；结合课题背景，概括了论文的主要研究内容。 第二章探讨研究了动平衡技术的理论基础并将传统中的两种动平衡测振支 承系统的工作机理进行了比较，总结出这两种常用支承系统各自的性能特点。 第三章提出一种新型的适合于小转子、高精度、高灵敏度的软支承系统 气悬浮支承系统，并简要介绍了整个系统的结构设计，其中包括气悬浮测振支承 理论的基础、气体静压轴承的设计、关键零件的技术要求和加工工艺等。从理论 上分析了气悬浮支承系统的可行性。 第四章讨论动平衡测试系统的不平衡量的测试原理。首先，论述了不平衡量 的提取、平面分离解算原理与标准转子。然后，介绍了信号采集、数据处理和数 浙江大学硕士学位论文 据的修正及主要的硬件选取。 第五章对气悬浮支承系统的测试结果进行了分析；同时对原理性误差、工艺 性误差也进行了探讨研究，并得出实验结论。实验结果证实了气悬浮支承系统的 可行性。 第六章对全文进行了总结，并对今后的工作提出展望。 1 4 本章小结 本章首先阐述了动平衡校正的研究意义。然后介绍了国内外动平衡测量技术 的发展概况、目前的研究水平及趋势。最后，结合瀑题背景，概括了论文的主要 研究内容。 浙江大学硕士学位论文 第二章动平衡技术理论与传统的测振支承系统的 研究 2 1 动平衡技术理论的研究 2 1 1 平衡机的基本构成和分类m 一、平衡机的构成 动平衡机是用于测定转子不平衡的机器，按其测量结果进行校正，以改善被 平衡转子的质量分布。它主要由支承系统、驱动系统、校正系统等组成。支承系 统的主要功用是支承转子，产生包含转予不平衡信息的振动信号，并将该振动信 号传递给测量系统，从而起到信息传递的桥梁作用；驱动系统的主要功用是驱动 转子，使转子在额定的平衡转速下旋转，从而使转子处于能够表征其不平衡状态 的环境中；校正系统包括称重系统和去重系统。测量系统( 称重系统) 的主要功用 是采集和处理由传感器获取的信号，并给出转子上不平衡量所处的方位和大小； 去重系统的主要功能是去除不平衡量。以上各部分共同作用，就形成一个有机的 整体动平衡机。图2 1 是s h i m a d z u 公司研制生产的用于平衡小型转子的软 支承动平衡机，它的测量范围是0 0 1 地至3 0 k ，精度可达0 1 m 。图2 2 是上 海申曼平衡机有限公司研制的适用于小型转子的硬支承动平衡机，它的测量范围 是0 5 k g 至3 0 k g ，平衡精度可达1 埘。 图2 - ls u bs e r i e ss o f tb e a r i n g 图2 2s a 5 型硬支承平衡机 浙江大学硕士学位论文 二、平衡机的分类 平衡机的种类有很多，但是按其机械振动系统的工作状态分类，目前所见的 不外乎两大类( 共振型平衡机除外) ：软支承平衡机和硬支承平衡机。软支承平衡 机指平衡转速高于转子一支承系统固有频率的平衡机，平衡转速表示为，固有 频率为峨，通常取国 2 5 c o 。硬支承平衡机指平衡转速低于转子一支承固有频 率的平衡机，通常取珊 o 3 0 9 。在这两大类平衡机中，若再按其他方式分类， 又分为多种不同类别的平衡机，它们主要有： 1 、带校正装置的平衡机和不带校正装置的平衡机 带校正装置平衡机是不带校正装置平衡机的发展，这类机器的构成除了前面 介绍过的三种主要部件外，机器还带有钻孔或焊接装置、传送带等自动校正装置。 因此根据校正装置功能的不同，这类机器又可以进一步分为手动、半自动和全自 动三种。 2 、立式与睇式平衡机 立式平衡机适于平衡不带轴颈的工件，如飞轮、离合器以及人造卫星等宇航 飞行器。工作时可以用在主轴上带安装板或夹具等办法来固定工件。卧式平衡机 可平衡带轴颈的曲轴、涡轮机转子等工件，工作时，工件两轴安置在平衡机两支 承轴承上。 卧式平衡机通常是测量两个面内的不平衡，即动不平衡；而多数立式平衡机 只能测量一个面内的不平衡，即静不平衡。若要求立式平衡机测量两个面内的动 不平衡，则要求更加复杂的主轴支承系统，因为它不仅要能支承转子( 工件) ，而 且要将不平衡产生的更复杂的力传给机器的敏感元件( 传感器) 。 3 、通用型平衡机和专用平衡机 通用型平衡机的工作重量适用范围和转速适用范围都较广，因此用途大；专 用型平衡机通常只是针对某重量或某一、二个转速的转子设计的，如陀螺转子 平衡机( 小型高速) 、宇航平衡机( 大型低速) 等。 4 、小型、中型和大型平衡机 这是按平衡转子的重量不同而划分的。小型机的平衡转子重量通常在几公 斤；而大型机的平衡转子重量范围从几吨到几百吨。 5 、单校正面平衡机和双校正面平衡机 这是按转子校正面的多少来区分的。单校正面动平衡机属力型机；双校正面 动平衡机属力型和力偶型机。此外还有少量的多校正面动平衡机( 如专用的曲轴 平衡机等) 。 6 、重力型平衡机和离心力式平衡机 这是按测量原理区分的一种分类方式。重力型平衡机只能完成转子不旋转时 浙江大学硕士学位论文 的静不平衡校正；而离心力式平衡机可对旋转转子进行动不平衡校正。 此外，若按机器转速的不同，我们平常还有低速机和高速机的说法，这里不 再赘述。总之，平衡机的品种是很多的，而且随着工业生产的不断发展、工件转 速范围的延伸( 极低与极高) 和生产规模的扩大，平衡机的新品种还将会不断涌 现、功能也必将进一步完善。 2 1 2 刚性回转体的平衡力学原理1 4 机器中绕轴线旋转的零部件，称为机器的转子。如果一个转子的质量分布 均匀，制造和安装都合格，则运转是平衡的。理想情况下，其对支承的压力，除 重力之外别无其他的力，即与转子不旋转时一样，只有静压力。这样无论旋转与 不旋转时对轴承都只有静压力的转子成为平衡转子。如果转子在旋转时对轴承除 有静压力外还有附加动压力，则称之为不平衡的转子。任何一个转子作匀速转动 时，体内无数个质点都将产生惯性力，组成一个惯性力系，如下图2 3 所示。假 设这个转子是绝对两4 性的，即剐体，在任何力作用下都不会产生变形。设转子以 角速度0 3 作匀速转动，则体内任一质点 m 。将产生一个离心惯性力只，又设m 至 转动轴心的距离为r j ，e = m 。脚2 ( 方向 为离心力方向) ，转子产生的所有f 组成 一个惯性力系；要确定这个转子是否为 平衡转子，必须根据其惯性力系合成的 结果而定。 进一步假设该转子是不平衡的，其质 量为m ，取转轴上任一点。为坐标原点， 转轴为z 轴，并作出相应的o x 及砂轴。 转子质心的坐标为c ( x 。，y 。，z 。) ，沿坐标 z 图2 - 3 转子平衡力学原理图 方向单位矢量为i ，_ ，k 。设质心对旋转轴：的矢径为，则 = x c i + y 。j 同样，设转子中任一质点垅，的坐标为m ( t ，y 。，丑) 对转轴的矢径为i ，则 r 。= x l i + y 。j 浙江大学硕士学位论文 当转子以等角速度脚旋转时，质点强产生的离心力为耳= m ，一r i c 0 2 ，其指向为 离心力方向，即为矢径的方向，故可写成 瓦= m 。动2m 。0 9 2 ( 墨i + _ y 。乃 它在坐标轴上的投影为 f , x = m 国2 x r = , , t ，脚2 y f ，= 0 ( 2 - 1 ) ( 2 2 ) 式中，i = 1 , 2 ，3 ，珂。 诸f 构成一个惯性力系，由力学原理可知，将这个惯性力系坐标原点。简化( o 点 称为简化中心) ，一般可得到一个力r 。( 称为力系的主矢) 和一个力偶m 。( 称为力 系向0 点简化的主矩) ，这个主矢作用于0 点并等于力系中所有各力的矢量和，而 主矩等于力系所有各力对0 点的矩矢的矢量和，即 再= 可 ( 2 - 3 ) 瓦= m ( 动 ( 2 4 ) 将式( 2 - 1 ) 代入式( 2 - 3 ) 得 再= 喜脚2 ( t ；+ 只) = 国2 蔫镌一+ 2 了喜啊只纶。) = 2 她。+ 国2 两。= 0 0 2 m ( x 。一i + y 。_ ) = m 0 9 2 i 由此可见，简化的主矢r 。的大小和方向和转予质心的离心惯性力相等，只 不过作用于。点即爵i 其大小与方向和简化中心d 的位置无关。 惯性力系向0 点简化的主矩可写为 面= 窆材西= m ；i + m ，了+ m ：i 式中，m ，肘，m ：为主矩吖。在坐标轴上的投影，其大小等于力系所有各力对该 轴之矩的代数和，显然，它们都和0 的位置有关。 浙江大学硕士学位论文 m ，= 卅，( i ) = ( y 。吒一t ) = o - e t 小珊2 y ，= 一脚2 m ，y ，= 一曲2 ， m ，= e m ，( f ) = e t 瓦= e 研，国2 x ，= 2 ，。 m ：= 他( 可) = 0 ( f 通过z 轴) 式中，d ，；e m ；y 。互和j 。= m 。0 x ，均称为转子的惯性积或转子的离心转动惯 量，于是 m 。= 肘：+ m ；+ m ：= ( 0 2 ，嘉+ ，三 ( 2 6 ) 因此，转子的惯性力向任一点简化一般得到一个力( 即主矢：r 。= m 脚2 ，c ，作用 于。点，方向和i 平行) 和一个力偶( 即主矩：m 。= 2 坛+ 圯) 。 转子在旋转时，主矢和主矩的方向都在变化，其矢量随同转子一同旋转成为 引起轴承振动的激发源，所以，转子平衡的必要和充分条件是惯性力系向任一点 简化的主矢和主矩都为零，即 2 。誊蠢：。 口， m 。= 2 j 刍+ j 三= o i 、。 由r 。= 0 ，则，c = 0 ，这说明旋转轴必定通过质心c ；由m o = 0 ，则，。= 厶= 0 ， 满足此条件的转轴z 在力学中称为惯性主轴，通过质心的惯性主轴称为中心惯性 主轴。因此，欲消除转子对轴承的动压力必须也只需旋转轴是中心惯性主轴，虽 然任何形状的转子通过其质心都存在着三个 互相垂直的中心惯性主轴，但不一定和旋转轴 重合，除非转子对旋转轴为中心的质量分布均 匀对称。所以，一般转子几乎都是不平衡的， 要使一个不平衡转子变为平衡转子，就要重新 调整转子质量的分布，即在某个局部加重或去 重，使转子的中心惯性主轴和旋转轴一致，这时， 转子成为平衡转子。 图2 4 主矢不为零主矩为零 其惯性力系能够满足式( 2 7 ) ， 根据转子惯性力系简化的结果不同，转子不平衡的可能情况有下列四种： 、主矢不为零主矩为零 即一r o = 魄2 0 ：瓦= 0 ，d 。= j 。= 0 。 主矢r 。就是惯性力系的合力，而且这个合力一r o 通过质心c ，这时0 ，转轴z 与中心惯性主轴平行，这种不平衡相当于把一个不平衡质量加在一个质量为m 、 浙江大学硕士学位论文 半径为r 的平衡转子的中心平面上。如图2 - 4 所示，这时转子新的的重心位于原 重心平面内，离原来重心的距离为e ( e = _ f f l f 为偏心距) ，新的中心惯性主轴和转 朋 动轴线始终平行，当转子旋转时，由偏心距引起离心惯性力使轴承产生振动，要 使这个转子平衡，只需在中心平面内m 的对称位置上加一相等的质量或将原先加 的州除去，转子就平衡了，这种惯性力系简化为一通过质心的合力的不平衡称为 静不平衡。 二、主矢和主矩均不为零但互相垂直 这时，主矢r 在合力偶的作用面内，由 于r 。0 ，儿0 ，但r 。上m 。，故可在进一 步向d 点简化，使肘o ，而r 巧0 ，这 样，新的主矢r 。便是惯性力系的合力，作用 于0 。点( 不是质心) ，这种不平衡相当于在平衡 图2 - 5 主矢主矩均不为零 但互相垂直 转子吖的过0 点的平面上加上不平衡量m ，这时中心惯性主轴和转动轴线相交， 如上图2 - 5 所示。由于转子的惯性力系最后的简化仍可得到一个单独的合力r ：， 这种不平衡称为准静不平衡。平衡这种转子也只需在某一个特定平面上加上或除 去一定的质量便可达到平衡。 三、主矢为零主矩不为零 即一r o = t o r e r 0 2 = o ，= o ，故转动线通过 质心。 所以 t o ，惯0 ，j 盟0 。 , g z 矗 z ， 席i 图2 - 6 主矢为零主矩不为零 这说明惯性力系合成为一个力偶可以 用两个等重量的不平衡分别加至平衡转子的两个平面上来表示，如图2 - 6 所示。 因不平衡为力偶，故称偶不平衡。中心惯性 主轴通过质心而与转动轴线成口角。要平衡 这种转子不能单独用一个力来平衡，即不能 在一个平面上加重或去重，而必须在两个平 面上加重或去重。 四、主矢和主矩均不为零且不相互垂直 、 、上 z f t 静 l 。 芸、 图2 - 7 主矢和主矩均不为零且 不相互垂直 浙江大学硕士学位论文 即r 。0 ，m 。0 其凡。和m 。不垂直，这是最普遍的不平衡现象，如图2 7 所示。这相当于静不平衡和偶不平衡的组合，称为动不平衡，转子的中心惯性主 轴和转动轴线既不平行也不相交，这种不平衡不可能再进一步简化，即不可能只 在菜一个平面上、而必须在两个或多个平面上加重或去重才能使转子平衡。 从前面四种转子不平衡情况可得，对r 0 ，m = o 的转子进行的平衡称为静 不平衡：r = o ，m 0 的转子进行的平衡称为偶不平衡；r o ，m 0 的转子进行 的平衡称为动不平衡，转子的不平衡在一般情况下，都是动不平衡。 2 1 3 动平衡机的振动分析【4 】 由于转于的运动是由随同质心的半动和绕质心的转动趵台成，故转子上( 或 转子的延伸部分) 必有一点是不振动的。这个不振动点称为转子的振动中心。如 图2 - 9 中的点0 1 。n 为转子半径，设振动中心至质心的距离为l 则 三= 詈= 端 p s ， 其中 儿= _ 竺鳟笔c o s c o t ( 2 9 ) 2 k 一材c 0 2 、 口= 鹅c o s c o t ( 2 。1 0 ) 2 k 1 2 一 、 ( 2 - 1 1 ) 其中，山：赤道转动惯量，m ：转子质量，嚷：转子在y 平面上绕质心 转动的固有频率，饥：转子在，啦平面上作平动振动的固有频率。可见振动中心 的位置与j r 、m 、哝、哆、z i 和国等因素有关，但对给定系统以、m 、q 和 气等因素都是定值，只有平衡转速脚对振动中心位置的稳定有影响。现在分析振 动中心的位置和转速的关系。由( 2 _ 8 ) 式可得一关系曲线如图2 - 8 所示。 1 1 谨厣 豇 k 浙江大学硕士学位论文 从图中可以看出，当转速在o ( q 和哆 校正面数目 通常动平衡的校正面有单面校正、双面校正和多面校正，下面简单介绍以下 各自的确定方法。 ( 1 ) 单面平衡 在只校正静不平衡和一些其它的情况下，校正平面有一个就够了。我们称这 种平衡为单面平衡。在下列情况下可进行单面平衡。 1 ) 径比轴向长度长的转子( 一般指转子直径d 与轴向长度，满足d i 5 的 情况下) 的平衡，例如飞轮、离合器、风扇叶轮、皮带轮等即属于此类转子。由 于可以认为这类转子的偶不平衡很小，所以从实际角度来讲进行单面平衡就足够 了。 2 ) 不平衡非常大的转子的预备平衡，这类转子如使它突然旋转起来即会发 生危险。在这种情况下，往往在动平衡之前首先进行静不平衡的校正。校正平面 不论选在什么位置都可用个校正平面使静不平衡减少。但是，还应考虑初始不 平衡的分状态，通常选择靠近质心处的校正平面，这样校正后可以使残余偶不平 衡小。在质心平面附近不能进行校正时，可将校正量分配到左右两校正平面上分 别进行校正。 ( 2 ) 双面平衡 为了使刚性转子达到动平衡，消除偶不平衡，必须在转子上选择轴向位置不 同的两个平面并分别在这两个平面上校正其不平衡。这种平衡称为双面平衡。 从理论上说，这两个平面往往是由转予的结构自然决定的。但是，还是希望 两个校正平面的间距尽可能大些，这时因为考虑到一般的不平衡中都包含有偶不 平衡，两校正平面距离越大，校正量越小，同时，不平衡测量时的校正平面分离 精度也高，从而使得校正精度和平衡效率都能提高。 ( 3 ) 多面平衡 只要转予是刚体，当其轴向长度短时，如上述可进行单面平衡，轴向长度不 短( 一般指转子直径d 与轴向长度，满足d i s l 的情况) 的转子则进行双面平衡。 但是即使是刚性转子，如6 缸曲轴，有时要进行4 面或6 面平衡。这种平衡就其 本质来说，是双面平衡的一种组合。对于挠性转子有必要进行多面平衡，由低速 直到阶临界转速存在不平衡问题时，需要选择( + 2 ) 个校正平面。 不平衡的校正方法 不平衡的具体校正方法有两种：1 ) 在不平衡轻点方向附加质量；2 ) 在不平 衡的重点方向除去质量。不论采用何种方法，在校正时都不应损坏转予性能，而 且要采用适合转予结构的合理方法，同时校正误差应该小，为施行所作的准备及 浙江大学硕士学位论文 校正操作应该简单并且有高的效率。两种校正方法的归纳如表2 一l 所示 表2 - 1 校正方法 在不平衡轻点方向附加质量的方法从重点方向除去质量的方法 l 、焊接：2 、锡接：3 、铆接：1 、钻削；2 、镗削；3 、磨削； 4 、螺钉；5 、专用重块 4 、錾削；5 、铣削 以上各方法中，不管采用哪种方法，必须注意做到：校正时不破坏转子的性 能；采用适合于转子结构的合理方法，以减少校正误差；包括校正的准备工作在 内，操作要简单且效率高。 2 1 5 测振支承对动平衡精度的影响1 1 1 3 _ 7 一、平衡精度 目前国内基本上都采用“最小检测量”作为动平衡机的“精度”指标。最小 检测量是指对某一重量的校验转予实验机所能检测的最小偏心距。选用时，动平 衡机的最小检测量必须小于转子的许用不平衡量，否则无法保证转子校验的平衡 精度要求。 平衡精度也许称许用不平衡量，可用重径积g r ( g m m ) 、偏心距e ( a n ) 和平衡 精度级g ( m m s ) 表示。重径积用来表示具体给定回转体的不平衡量，便于平衡 操作。偏心距用来衡量回转体平衡程度和动平衡机检测精度，便于直接比较。平 衡精度级用来建立平衡精度等级。 转子的剩余不平衡量u 越小，则转子平衡的就越好，然而相等的不平衡量， 对于质量不同的转子，当转子以同样的转速旋转时，所产生的不良影响是不同的， 转子的质量越大其不良影响就越小，换句话说，转子的质量越大，则许用不平衡 量u ，也越大，也就是许用不平衡量u ，与转子质量有关，而我们在评价这个转 子平衡的优劣程度时，希望用一个与转子质量m 无关的量，因此引起许用不平 衡度( e 。，) 的概念，许用不平衡度是转子单位质量的许用不平衡量，即 lt e p e r = 普( g m m k g ) i 垤 很明显，对于静不平衡转子，转子的许用不平衡度等于转子的许用偏心距。 另一方面，不平衡对转子所产生的不良影响与转子转速有关，转子的转速越高， 在所产生的不良影响也越大。这就是说，转子的转速越高，在其许用不平衡度就 应该越小。众所周知，转子不平衡离心力与转速6 0 的平方成正比，但是，对于几 浙江大学硕士学位论文 何相似的转子，在相等的圆周速度下旋转时，如果使转子及其支承在不平衡离心 力的作用下，具有相等的应力时，在应具有相等的p 甜值。同时考虑到对于在通 常速度下运行的旋转机械，只要振动速度相同，在人对于振动的感觉也是相同的， 因此，对于具有相等的e 值的转子可划为同一精度等级，换言之，可用乘积8 国 评价转子的平衡精度和划分精度等级，国