畢業(yè)論文-轉子動平衡技術的理論研究與應用

1、論文題目：轉子動平衡技術的理論研究與應用目 錄1 緒 論11.1轉子及分類11.2動平衡11.3轉子做動平衡的條件11.4轉子動平衡標準21.5轉子的平衡精度等級31.5.1 不平衡生成的原因41.5.2 動平衡的作用41.6不平衡的危害性51.7動平衡的意義51.8影響平衡精度的因素51.9剛性轉子的動平衡工藝原理62動平衡技術72.1動平衡操作技術72.2校正方法72.3操作面的選擇72.4不同類型的轉子的動平衡注意事項82.5主軸動平衡的方法與應用92.6動平衡的力學原理92.7 現場動平衡的原理及分計算分析102.7.1 現場動平衡技術介紹102.7.2 動平衡計算分析102.8剛性回

2、轉件的動平衡實驗法123 動平衡機的發(fā)展123.1平衡機的發(fā)展史123.2動平衡機的結構133.3動平衡機的分類143.4動平衡機的工作原理153.5動平衡機常用術語153.6平衡機的一般工作條件163.7平衡機選擇的知識173.8校準原理173.9動平衡機的技術革新184 實例應用204.1試驗用儀器介紹204.2實驗目的214.3實驗步驟214.4試驗結果255 結 論25致 謝26參考文獻271 緒 論隨著現代工業(yè)技術的迅速發(fā)展，消除轉動機械振動的問題日趨重要，而轉子本身的不平衡在很大程度上是引起機械振動的一項重要因素，這一點在高速、精密機械中尤為突出。據統(tǒng)計,旋轉機械的振動問題有30

3、%以上都是由于轉子不平衡引起的。因此,可以認為轉子不平衡(或簡稱失衡)是引起旋轉機械振動的重要原因。對于線性系統(tǒng)而言,失衡引起的振動,其頻率等于轉子的旋轉頻率。而當系統(tǒng)具有非線性時,失衡將引起以轉子旋轉頻率為基頻 ,帶有一系列高階諧波成分的振動。為了消除或減輕由于失衡引起的振動,就必須對轉子進行平衡。隨著動平衡技術的發(fā)展，測量精度高和穩(wěn)定性好的動平衡機逐步出現，解決了機械加工中出現的轉子失衡問題。動平衡機的出現很大程度上延緩了機器的使用壽命，提高了工作效率，也保障了機械加工操作者的安全，因此對轉子的動平衡問題進行深入研究是非常有必要的。1.1轉子及分類機器中繞軸線旋轉的零部件，稱為機器的轉子。

4、按照是否需要動平衡處理轉子分為兩種：平衡轉子，旋轉與不旋轉時對軸承只有靜壓力的轉子;不平衡轉子,如果轉子在旋轉時對軸承除有靜壓力外，附加有動壓力，則稱之為不平衡的轉子。轉子如果是不平衡的，附加動壓力將通過軸承傳達到機器上，引起機械振動。1.2 動平衡當剛體的轉軸通過質心且為慣性主軸時，剛體轉動時不出現軸承動約束力，稱這種現象為動平衡。動平衡實際上就是動不平衡，運用在旋轉部件及精度要求極高的設備上。任何轉子在圍繞其軸線旋轉時，由于相對于軸線的質量分布不均勻而產生離心力。這種不平衡離心力作用在轉子軸承上會引起振動，產生噪聲和加速軸承磨損，以致嚴重影響設備的性能和壽命，平衡不好會使旋轉部件在運轉中飛

5、離出去。旋轉零部件在制造過程中，都需要穩(wěn)定正常地運轉。舉例：如列車車輪制動盤、飛機螺旋槳、航空輪胎、電機轉子、機床主軸、滾筒、風機、汽輪機、增壓器、齒輪、風葉、砂輪等。1.3轉子做動平衡的條件一個轉子究竟要進行靜平衡還是動平衡，要根據具體情況如轉子重量、形狀、轉速、支座條件及用途等而定。一般按下列原則考慮。當轉子外徑d與長度l滿足d/l5時，不論其工作轉速高低都只需進行靜平衡。當ld時，只要工作轉速大于1000轉/分，都要進行動平衡。以上只是一般原則，有特殊要求的轉子必須特殊考慮，如人造衛(wèi)星，其轉速只不過每分鐘幾十轉，也需要進行動平衡。如果一個轉動的物體質量分布不均勻，轉動起來就會產生振動。不

6、均勻程度越大，振動也越大。消除振動的方法很簡單，就是把不均勻的質量點找出來并去掉它，或者在它對面人為地加一塊相同的質量平衡它?；旧弦蟾咭稽c的轉動部件最好是做動平衡，因為動平衡回轉體震動的一個很主要的原因。動不平衡就是說在轉動時回轉體質點離心力產生的力矩不能在軸中心抵消，產生了一個力矩偏差，這個偏差會導致軸的彈性變形，軸的變形又使這個不平衡力矩進一部加大，如此惡性循環(huán)知道這個力矩與軸的彈性變形力相互抵消位置，這就產生了一個問題：軸此時并不是個直的，此時的軸受到偏心力的作用使的震動產生了。國外的機械運轉噪音小跟他們的動平衡調的好有很大的關系。1.4轉子動平衡標準對于旋轉設備，約一半以上的故障都

7、與不平衡有關。因此，了解設備的殘余不平衡量允許值，即動平衡標準是非常有必要的。動平衡標準是機械行業(yè)重要的基礎性、通用性標準。承擔動平衡國際標準制訂工作的是iso/tc 108機械振動與沖擊技術委員會，國家標準則是由全國機械振動與沖擊標準化技術委員會（csbts/tc 53）負責。任何轉子都存在不平衡量，而動平衡的目的就是要轉子在其工作轉速范圍內運轉平穩(wěn)，而轉子在工作轉速范圍內過臨界轉速時不至于引起較大振動，就要做動平衡，即想辦法將不平衡量降低，以其達到某一精度?？紤]到技術的先進性和經濟上的合理性，國際標準化組織(iso)于1940年制定了iso1940平衡等級，它將轉子平衡等級分為11個級別，

8、每個級別間以2.5倍為增量，從要求最高的g0.4到要求最低的g4000。單位為公克毫米/公斤(g.mm/kg)，代表不平衡對于轉子軸心的偏心距離。該標準建立了轉子的最高轉速與可接受的殘余不平衡之間的關系，以及各種有代表性的轉子與建議的質量不平衡等級之間的關系；介紹了質量不平衡等級g（等效于一個不受約束的轉子所產生的e），因為它可用來比較機器在不同速率運轉時的物理性能。標準中的g值在數字上相當于以9500r/min運轉的轉子用m來表示的偏心率e。轉子的質量不平衡等級或不平衡可以用一臺已校準的動平衡機進行評定。平衡品質或平衡質量等級(g)表示回轉體處于不平衡狀態(tài)時回轉體重心的線速度，是用來判斷回轉

9、體動態(tài)負載的一種機械比較量。g值越小，則回轉體旋轉越是平穩(wěn)。1.5轉子的平衡精度等級表1-1 平衡精度等級與剛性轉子組的分組平衡精度等級e (mm/s)轉子類型g40004000剛性安裝的具有奇數汽缸的低速船用柴油機的曲軸傳動裝置g16001600剛性安裝的大型兩行程發(fā)動機的曲軸傳動裝置g630630剛性安裝的大型四行程發(fā)動機的曲軸傳動裝置，彈性安裝的船用柴油機的曲軸傳動裝置g250250剛性安裝的高速四缸柴油機的曲軸傳動裝置g100100具有六個或更多汽缸的高速柴油機的曲軸傳動裝置，汽車、卡車及機車頭的整個發(fā)動機（汽油機或柴油機）g4040汽車輪、車輪緣、軸座、傳動軸，彈性安裝的具有六個或更

10、多汽缸的高速4行程發(fā)動機（汽油機或柴油機）的曲軸傳動裝置g1616具有特殊要求的傳動軸（推進器、萬向接頭軸），壓碎機的零件，農業(yè)機械的零件，發(fā)動機（汽車、卡車及機車頭的汽油機或柴油機）的單個組件，在特殊要求下具有6個或更多汽缸的發(fā)動機曲軸傳動裝置g6.36.3煉制廠機械的零件，船用主渦輪傳動機構（商船用），離心機鼓輪、風扇裝配好的飛機的燃氣輪機轉子，飛輪，泵式推進器，機床和普通的機械零件，普通的電樞。特殊要求的發(fā)動機單個部件g2.52.5燃氣和蒸汽渦輪機，包括船用的主渦輪機（商船用），剛性渦輪發(fā)電機轉子，透平輪壓縮機，機床傳動裝置，有特殊要求的中型和大型電樞、小型電樞，渦輪傳動泵g11磁帶記錄

11、儀和唱機的傳動裝置，磨床傳動裝置，有特殊要求的小型電樞g0.40.4精密磨床的傳動軸，研磨盤和電樞，陀螺儀（1）2n /60，當以rad/s，n以r/min為單位時，則1/10。（2）對于具有兩個校正平面的剛性轉子，對于每個平面通常采用建議的殘余不平衡量的1/2；此值適用于兩個任意選定的平面。軸承處的不平衡狀態(tài)可加以改善，對于圓盤形轉子，所有的殘余不平衡量建議在一個平面。當轉子的平衡精度要求高于g2.5時，必須以自驅或非常接近實際工作狀態(tài)的驅動、支承方式進行平衡，才有可能得到較好的平衡效果。平衡機的技術指標中，有一個精度的參數：式中：m工件的質量（公斤）e偏心率 （微米）m不平衡質量 （克）r

12、不平衡質量所在半徑（毫米）g平衡級數n工件工作轉速（轉/分）選擇好合適的平衡精度后，應將這個指標（如g6.3級）具體折算為可操作的一個指標（如：在某半徑處小于多少克）。平衡精度換算方法:實際工作旋轉角速度 或 ；如果轉子平衡精度選擇6.3級，即毫米/秒，那么，轉子允許重心偏移（微米）。由公式推導出：在轉子指定配重面指定半徑的最大允許不平衡量。只要將轉子平衡至指標m以內，即可認為轉子已經達到平衡精度要求。1.5.1 不平衡生成的原因（1）質量分布不均衡（2）非均質性材質，鑄件沙孔、氣孔（3）轉子安裝時偏心，或軸承安裝時對心不良（4）轉動時引起之材料扭曲變形（5）鍵及鍵槽之設計不良（6）轉子余隙配

13、合誤差（7）轉子腐蝕及磨損（8）熱變形（9）雜志附著1.5.2 動平衡的作用（1）提高轉子及其構成的產品質量 （2）減小噪聲（3）減小振動（4）提高支承部件（軸承）的試用壽命（5）降低使用者的不舒適感（6）降低產品的功耗1.6不平衡的危害性轉子不平衡引起的危害主要體現在：（1）耗能振動要消耗原能量以維持其往復性的運動。（2）破壞振動產生有損于機械或結構的動載荷，影響機械設備或結構物的工作性能，降低機床加工精度，縮短設備使用壽命嚴重時會使零件失效甚至破壞而造成事故。（3）噪聲振動會產生損害人體健康的噪聲。一個不平衡的轉子在其旋轉過程中對其支承結構和轉子本身產生一個壓力，并導致振動。因此，對轉子的

14、動平衡是十分必須的。1.7動平衡的意義不平衡的轉子經過測量其不平衡量和不平衡相位，并加以校正以消除其不平衡量，使轉子在旋轉時，不致產生不平衡離心力的平衡工藝叫做動平衡。平衡是改善轉子的質量分布，以保證轉子在其軸承中旋轉時因不平衡而引起的振動或振動力減小到允許范圍內的工藝過程。利用現有的測量儀器可以把轉子的不平衡減少到相當小的范圍，但對平衡品質要求過高是不經濟的，也是不必要的。因此必須確定不平衡應減小到何種程度，從而解決技術可能性與經濟合理性的關系。1.8影響平衡精度的因素旋轉機械要消除振動和噪音，提高產品質量，動平衡工藝是必不可少的。在機械加工中，經常會涉及平衡精度這一指標。轉子經過平衡校驗后

15、，如何來理解和確定平衡精度，是十分重要的問題。要使轉子的平衡精度很高(即剩余不平衡量很小)就要盡量排除影響不平衡精度的因素，其中傳動方式和傳動件的不平衡影響最大，其它如轉子的軸頸精度，軸承的精度等亦應嚴格控制。1.9剛性轉子的動平衡工藝原理從平衡技術觀點看，剛性轉子可以在任意選定的兩個平面內校正，校正后，在直到最高工作轉速的任何轉速下以及在接近最后支承系統(tǒng)的條件下運行，其不平衡量均不會超過平衡允差，則這種轉子可看作是剛性的。一般指機械的工作轉速不大于70%一階臨界轉速時，可視為剛性轉子。圖1-1 剛性轉子系統(tǒng)及簡化模型示意圖轉子裝在平衡機上，應盡可能支承在工作軸頸處，校正平面應選在最靠近軸承處

16、兩端，以增加校正效應，同時也便于試加配重。轉子不平衡產生的支承振動或振動力，由左右傳感器轉換成相應電信號，經過平面分離電路處理后輸出信號，它分別與左右校正平面上的不平衡量有關。同時，與轉子同軸旋轉的參考相位發(fā)生器發(fā)出參數信號。上述兩種信號輸入測量電路，經濾波放大器放大后，檢測出兩校正平面上不平衡量的大小和位置。回轉件通過平衡試驗后可將不平衡慣性力及其引起的動力效應減小至相當低的程度。但回轉件一般不可能達到完全平衡，過高的要求在實際上也是不必要的。因此設計回轉件時，應該根據不同的實際使用要求，規(guī)定其允許的不平衡量，此即許用不平衡量。轉子的許用不平衡量有兩種表示方法，即質徑積表示法（單位為gm）和

17、偏心距表示法（單位為m）。設回轉件的質量為m，其質心至回轉軸線的許用偏心距為，而轉子的許用不平衡質徑積以表示，則兩者的關系為對于具體給定的轉子，許用不平衡量以質積徑表示較好，因為它便于直接平衡操作，也比較直觀。在衡量轉子平衡的優(yōu)劣或衡量平衡的檢測精度時，為便于直接比較，用許用偏心距為好。對于具體轉子的不平衡量，應小于或等于許用不平衡量，即。剛性轉子在平衡試驗時應注意的問題:選擇好平衡精度等級，在試驗時一般根據校驗轉子類型和重要程度選取；加重還是去重要根據設備本身狀況而定。2動平衡技術2.1動平衡操作技術由于做平衡試驗的轉子種類繁多，相應的平衡工藝方法，試驗裝置和校正方法也各不相同，應根據轉子結

18、構特點和平衡要求，選擇合適的平衡方法，試驗裝置和校正方法。平衡機在近年來迅速普及、用途范圍越來越廣。其主要功能為：檢測并顯示轉子不平衡量的大小及位置，以指導操作者將不平衡量盡量去除，以使轉子達到平衡精度要求。平衡機就是事先把整個尋找的過程寫成程序固化在儀器中，集成了測振和相關的計算功能，幫助我們較快的找出不平衡點的儀器。平衡機是測量旋轉物體(轉子)不平衡量大小和位置的機器，測量動平衡的專門設備。2.2校正方法轉子的不平衡是因其中心主慣性軸與旋轉軸線不重合而產生的。平衡就是改變轉子的質量分布，使其中心主慣性軸與旋轉軸線重合而達到平衡的目的。當測量出轉子不平衡的量值或相位后，校正的方法有：(1)去

19、重法即在重的一方用鉆孔，磨削，鏨削，銑削和激光穿孔等方法去除一部分金屬。(2)加重法即在輕的一方用螺釘連接，鉚接，焊接，噴鍍金屬等方法，加上一部分金屬。(3)調整法通過擰入或擰出螺釘以改變校正重量半徑，或在槽內調整二個或二個以上配重塊位置。(4)熱補償法通過對轉子局部加熱來調整工件裝配狀態(tài)。2.3操作面的選擇平衡校正面必須選擇垂直于轉子軸線的平面。(1)對薄盤狀轉子(l/d5)，因偶不平衡很小，一般只選擇一個校正面，稱為單面平衡或稱靜平衡。(2)對于長軸類轉子(l/d5)，必需選擇二個或二個以上校正面，稱雙面平衡或多面平衡亦稱動平衡。(3)對于初始不平衡量很大，旋轉時振動過大的轉子，應先做單面

20、靜平衡，且校正面最好選擇在重心所在的平面上，以防偶不平衡量增大;或選擇在重心兩側的兩個校正面上校正，或根據要求，選擇在靠近重心的平面上校正，然后再做動平衡。(4)曲軸應在專門的曲軸動平衡機上平衡。2.4不同類型的轉子的動平衡注意事項（1）滾動軸承轉子的平衡裝有滾動軸承的轉子，平衡時最好帶著滾動軸承一起平衡，從而消除滾動軸承的內環(huán)偏心引起的不平衡，帶軸承的轉子一般在v型支承上進行。（2）無軸頸的轉子的平衡無軸頸的轉子必須在工藝軸上進行平衡。由于工藝軸本身的制造誤差:徑向和軸向跳動。工藝軸本身的不平衡以及轉子配合時存在的徑向間隙，使轉子在平衡時會帶來不可避免的誤差。為了使工藝軸與零件的配合誤差引起

21、的不平衡量與無頸轉子的不平衡量分開，在工藝軸上只檢測轉子的不平衡量，可采用180轉位的平衡方法。（3）組裝件的平衡由于組裝件是由幾個零件組合而成，如果不先對單個零件進行平衡，則:組裝件因不平衡量過大而無法平衡。或雖然能平衡，使組裝件達到規(guī)定的平衡精度，但在實際工作轉速(4000500000r/min)時，由于葉輪的不平衡力和力偶的影響，使軸局部彎曲產生振動而不能工作。所以，必須在低轉速下(12000轉/分)先對各零件進行單件平衡，平衡允許值可根據組裝件不平衡允許值來分配。組裝后理論上認為不平衡量雖是各單件不平衡量的矢量和，但因裝配誤差仍會出現新的不平衡量而使組裝件達不到要求，故仍應對組裝件進行

22、平衡。平衡好的組裝件一般不應拆卸，如果工藝要求必須拆卸時，應對各零件的相對位置做好標記，以便重裝時，恢復原來的相對位置，保證其整體精度。由于標記僅對徑向轉動標識明顯有效，對軸向標識無作用，故組裝件拆卸又重裝后，仍難保證恢復原來的平衡精度，例如靠噴丸面配合的轉子總成，若要想盡可能小地減少裝配誤差，必須對鎖緊力嚴加控制(例如對內支承型轉子總成鎖緊力作好記錄等)。對于有些組裝件(如帶葉片的軸)則可在有測力和力偶的靜偶分離的平衡機上先對軸進行平衡，找出矢量方向，然后有針對性地裝上葉片再進行平衡，可大大減小不平衡去重量，保證外觀質量。（4）不平衡量大的轉子的平衡可先進行靜平衡，若在平衡機上進行靜平衡，則

23、必須在滾輪支承上支承工件，利用重力作靜平衡。或先作低速平衡，即降低正常的平衡轉速，以減小離心力進行初平衡校正，然后再進行正常轉速平衡。2.5主軸動平衡的方法與應用為了適應目前高速加工的需要，主軸單元的動平衡測試和結構設計的合理性起著至關重要的作用。主軸單元的動平衡測試其目的就是使回轉體質量均勻分布，以減少旋轉時由于不平衡產生的離心力。同時，防止主軸高速旋轉時產生高溫，引起主軸軸承溫度升高，導致主軸軸承潤滑油稀釋，影響了主軸軸承使用壽命。如果不做主軸單元的動平衡測試，主軸軸承過高的溫度，會引發(fā)主軸軸承配合間隙的增大，從而影響主軸精度。為了解決上述不利因素，設計主軸單元需考慮動平衡測試時去重或增重

24、的合理位置，使用最有效的方法，使主軸單元達到動平衡的標準要求或設計要求。主軸單元的動平衡在動平衡機上進行測試，做測試時通過感應器傳遞信息，找出主軸單元不平衡的位置方向，然后在顯示方向上去重或在反方向上增重，最后使主軸單元達到標準要求或設計要求。機床高速化的應用和發(fā)展，要求主軸轉速提高。但機床主軸組零件在制造過程中，不可避免會因材質不均勻、形狀不對稱、加工裝配誤差而導致重心偏離旋轉中心，使機床產生振動和振動力，引起機床噪聲、軸承發(fā)熱等。隨著轉速升高，不平衡引起的振動越加激烈。由于機床主軸組件轉動時產生的變形很小，為了簡化計算，故視其作為剛性轉子的平衡方法來處理。將轉子視作絕對剛體，且假定工作時，

25、不平衡離心力作用下的轉軸不會發(fā)生顯著變形。為此在這些條件下剛性轉子的許多復雜不平衡狀態(tài)，可簡化為力系不平衡來處理，即可在任意選定的兩個平面上增加或減去兩個等效于u和u的動平衡力使其平衡。剛性轉子動平衡一般為低速動平衡，一般選用第一臨界轉速的1/3以下。(1)進行由不平衡引起的振動、力、噪聲等現場試驗或實驗室試驗，確定平衡程度。(2)通過計算求得作用到軸承上的不平衡力，達到軸承的允許限度時的允許不平衡，從而確定不平衡程度。2.6動平衡的力學原理一般來說，回轉體的動不平衡，如多缸發(fā)動機的曲軸，其各部分質心的偏移方向較復雜，但都可以視為多個圓盤組合而成，其根據力學等效原理，均可把多個圓盤的不平衡慣性

26、力簡化到兩個平面上。如下圖軸所示，設在與轉于軸線垂直的任意兩平面上半徑分別為r、r處存在不平衡質量m、m，則轉于在以角速度回轉過程中，兩不平衡質量產生的離心力分別為：f=mrf=mr圖2-1動平衡力學原理簡圖平衡機在近年來迅速普及、用途范圍越來越廣。其主要功能為：檢測并顯示轉子不平衡量的大小及位置，以指導操作者將不平衡量盡量去除，以使轉子達到平衡精度要求。2.7 現場動平衡的原理及分計算分析2.7.1 現場動平衡技術介紹所謂現場動平衡是指旋轉機械在工作狀態(tài)下,對其進行振動分析,并進行平衡校正的一種平衡實驗方法?，F場平衡法的優(yōu)點是:不需要拆卸機器、吊出轉子,不需要平衡機或實驗臺等設備,可以避免因

27、拆卸和重新安裝引起的誤差 ,并且可以微量地補償轉子的腐蝕和磨損。必須指出,作為現場動平衡的指標是將失衡引起的振動,控制在允許的范圍之內,而并不要求完全消除不平衡。實際上,由于測量誤差、溫度波動、磨損以及其他因素的影響,要達到完全的平衡幾乎是不可能的?，F場動平衡,主要是依據影響系數法。其基本思想是:轉子與軸承組成的振動系統(tǒng)是一線性系統(tǒng),因此軸承的振動響應是各平衡面產生的不平衡量,引起的振動響應的線性疊加,其振動響應量前后軸承處的振動影響,由此確定各影響系數,從而求得應該加(減)的平衡校正量。2.7.2 動平衡計算分析轉子被劃分為剛性轉子和撓性轉子。如果轉子的工作轉速遠低于一階臨界轉速,稱其為剛性

28、轉子,反之為撓性轉子。剛性轉子和撓性轉子在動力學特性方面有很大的不同,因而其相應的平衡方法的差異也很大。對于撓性轉子,在任何情況下都必須進行動平衡。動平衡計算,包括單面和雙面動平衡計算。下圖為假定的剛性轉子,在校正面、上分別有不平衡量u和u,在位置 a、b處的傳感器,測量不平衡量u和u的穩(wěn)態(tài)響應為x和 x,表示成:圖2-2 動平衡計算模型 (1) (2)式中(i,j = 1 ,2)為影響系數,斜體部分表示矢量。通常情況下,現場一般采用單面動平衡法。對轉子進行單面平衡時,只需要考慮轉子的不平衡力,而不必考慮不平衡力偶。令則式(1)和(2)簡化為： (3) (4)如果已知和或和就可以求出u?？梢?

29、單面平衡時只需其中任何一個方程即可求解。對于撓性轉子,其動平衡與剛性轉子不同,因此對于撓性轉子,其不平衡離心慣性力所引起的轉子彎曲變形不能忽略,必須加以考慮。在不同的轉速下,由于離心慣性力的大小不一樣,因此轉子具有不同的彎曲變形。另一方面,由于轉子彎曲改變了原有的質量分布,于是也就改變了離心力的分布。由此可見,撓性轉子的不平衡狀態(tài)是隨轉速不斷變化的,即使在某一轉速下平衡好的轉子,轉速發(fā)生變化,原有的平衡狀態(tài)也可能被破壞。從理論上講,要真正對撓性轉子進行動平衡,只有在沿轉子的軸向無窮多個平面上,加或減校正質量,將轉子的各平面全部校正后,撓性轉子才能夠真正地達到平衡 ,也只有這樣,轉子在任一轉速下

30、,才能夠始終保持平衡。然而,事實上 ,這種平衡根本無法實現 ,因此,實際對撓性轉子的平衡校正通常只能在幾個甚至一個轉速下進行 ,并且也只能在有限的幾個或一個校正平面上增加或減少校正質量。2.8剛性回轉件的動平衡實驗法由動平衡原理可知，軸向寬度較大的回轉件，必須分別在任意兩個回轉平面內各加一個適當的質量，才能使回轉件達到平衡。將回轉件裝在動平衡試驗機上運轉，然后在兩個選定的平面內確定所需平衡質徑的大小和方位，從而使回轉件達到動平衡的方法稱為動平衡實驗法。當回轉體的時，以及有特殊要求的重要回轉件必須進行動平衡。剛性轉子的動平衡試驗要在動平衡機上進行。轉子的不平衡而產生的離心慣性力和慣性力偶矩，將使

31、轉子的支撐產生強迫振動，轉子支撐處振動的強弱反映了轉子的不平衡情況。各類平衡機的工作原理都是通過測量轉子支撐處的振動強度和相位來測定轉子的不平衡量的大小和方位的。由于可在兩個選定的平面上加重或減重進行動平衡，所以通過測量兩個支撐處的振動就可以知道兩平面的平衡結果。3 動平衡機的發(fā)展3.1平衡機的發(fā)展史平衡機發(fā)展迄今已經有一百多年的歷史。1866年，德國西門子公司發(fā)明了發(fā)電機。4年后，加拿大人henry martinson申請了平衡技術的專利，拉開了平衡校正產業(yè)的序幕。1907年，franz lawaczek博士把改良的平衡技術提供給了carl schenck先生，后者在1915年制作了第一臺雙

32、面平衡機。直到上世紀末40年代，所有的平衡工序都是在采用純機械的平衡設備上進行的。轉子的平衡轉速通常取振動系統(tǒng)的共振轉速，以使振幅最大。在這種方式下測量轉子平衡，測量誤差較大，也不安全。任何一種儀器儀表產品都會有其精度極限，平衡機也不例外。目前，國產的大多數平衡機，其測量精度都在微米級，而國內的普通機加工最高水平大都停留在十倍微米（絲、道）級上。隨著電子技術的發(fā)展和剛性轉子平衡理論的普及，五十年代后大部分平衡設備都采用了電子測量技術。平面分離電路技術的平衡機有效的消除了平衡工件左右面的相互影響。直到七十年代，硬支承平衡機的出現可以認為是平衡機發(fā)展史上的一次飛躍。它采用靜態(tài)下的平衡尺寸設定，消除

33、了傳統(tǒng)軟支承平衡機需頻繁的動態(tài)調整的不便，形成了永久定標的平衡機。八十年代，壓電傳感器技術又給平衡機的發(fā)展帶來一次革命。采用這種技術的平衡機在不需要非常高速的平衡領域基本取代了軟支承平衡機。目前，隨著微機技術的運用，將平衡機又帶入一個嶄新的時代，平衡機在性能、精度、可操作性方面均有了顯著的提高。平衡機已經集光、電、機各方面的技術于一身。并且在電動工具、機械制造、風機、電機、造紙、紡織、家用電器、冶金等領域得到越來越廣泛的應用。從牛頓運動定律知道，任何物體在勻速旋轉時，旋轉體內各個質點，都有將產生離心慣性力，簡稱離心力，盤狀轉子，轉子是以角速度作勻速轉動，則轉子體內任一質點都將產生離心力f，則離

34、心力，這無數個離心力組成一個慣性力系作用在軸承上，形成轉子對軸承的動壓力，其大小則決定于轉子質量的分布情況。如果轉子的質量對轉軸對稱分布，則動壓力為零，即各質量的離心力互相平衡。否則將產生動壓力，尤其在高速旋轉時動壓力是很大的。因此，對旋轉體特別是高速旋轉體進行動平衡校正是必須的。3.2動平衡機的結構轉子的不平衡問題，簡單地說，就是由于轉子的重心偏離了轉子的旋轉幾何中心線。轉子旋轉時由此產生的離心力隨轉子一起旋轉，從而激發(fā)轉子及轉子的安裝基礎（如：軸承座、機座、機箱、車身等）產生振動。所以，也可以說：平衡機的主要功能就是檢測轉子重心對轉子幾何中心線的偏移量。平衡機是一種檢測旋轉體動平衡的檢測設

35、備。從結構上講，主要是由機械振動系統(tǒng)、驅動系統(tǒng)和電氣測量系統(tǒng)等三大部件組成。 機械振動系統(tǒng)主要功能是支承轉子，并允許轉子在旋轉時產生有規(guī)則的振動。振動的物理量經傳感器檢測后轉換成電信號送入測量系統(tǒng)進行處理。驅動系統(tǒng)的主要功能是驅動轉子，使轉子在額定的平衡轉速下旋轉。目前常見的驅動系統(tǒng)主要有萬向聯(lián)軸節(jié)驅動和圈帶驅動。萬向聯(lián)軸節(jié)因本身結構中存在間隙和與工件安裝時存在安裝幾何偏差，這些誤差將直接影響工件的平衡精度，在特大工件時和心軸安裝時更為突出。因此，萬向聯(lián)軸節(jié)驅動主要用于普通的、平衡精度要求不是很高的臥式平衡機。 在圈帶驅動中，由于傳動帶具有減振作用，能減少驅動馬達的振動對轉子的影響，且轉子不需

36、要在平衡機上作準備，也不需要附加連接件如螺栓、插銷等轉換固定裝置，因此安裝迅速。與萬向節(jié)驅動相比，它不存在結構間隙及安裝幾何偏差，能大大的提高測量精度。 電氣測量系統(tǒng) 是的主要功能是處理由傳感器來的電信號，顯示出轉子不平衡量所處的位置和大小。它是平衡機中的關鍵部件，其好壞直接影響平衡機的性能。型測量系統(tǒng)是在吸收國內外平衡機頂尖技術的基礎上和國內多所大中院校聯(lián)系自行設計、開發(fā)的平衡機檢測系統(tǒng)，工業(yè)計算機（單片機）控制系統(tǒng)，采用臺灣、日本、美國多種電子元件及芯片，用先進的技術制造，能保障系統(tǒng)高效率、高安全、長期穩(wěn)定運行。3.3動平衡機的分類平衡機的種類很多，就其機械振動系統(tǒng)的工作狀態(tài)分類，目前所見

37、的不外乎兩大類：硬支承平衡機和軟支承平衡機。硬支承平衡機是指平衡轉速遠低于參振系統(tǒng)共振頻率的平衡機。而軟支承平衡機則是平衡轉速遠大于參振系統(tǒng)共振頻率的平衡機。簡單來說，硬支承平衡機的機械振動系統(tǒng)剛度大，外力不能使其自由擺動。軟支承平衡機的機械振動系統(tǒng)剛度小，一般來說，外力可以使其自由擺動。平衡機從原理方面可以分為硬支承平衡機、軟支承平衡機、半硬支承平衡機。硬支承平衡機是平衡轉速遠低于參振系統(tǒng)共振頻率的平衡機。平衡校驗時，支承擺架相對處于“硬”狀態(tài)，因此轉子可以在接近實際軸承條件下進行平衡校正。具有操作簡便、安全性能好的特點。 軟支承平衡機是平衡轉速大于參振系統(tǒng)共振頻率的平衡機。平衡校驗時，支承

38、擺架相對處于“軟”狀態(tài)，因此轉子校驗平衡時。支承條件與實際軸承工作條件不同。具有測量精度高的特點。半硬支承平衡機是平衡轉速在0.30.5倍參振系統(tǒng)共振頻率之間的平衡機。同時具有有硬支承平衡機支承剛度高的特點，又有軟支承平衡機精度高的優(yōu)點。平衡機從應用方面分可分為立式平衡機和臥式平衡機；專用平衡機和通用平衡機 (含萬向節(jié)傳動平衡機)。臥式平衡機是被平衡轉子的旋轉軸在平衡機上呈水平狀態(tài)的平衡機。適用于有轉軸或可裝配工藝軸的轉子，如機床主軸、滾筒、風機、增壓器、電機轉子、汽輪機等等。平衡機從應用方面分可分為立式平衡機和臥式平衡機；通用平衡機和專用平衡機。立式平衡機是被平衡轉子的旋轉軸在平衡機上呈垂直

39、狀態(tài)下的平衡機。適用于轉子本身不具轉軸的盤狀工件如齒輪、風葉、水泵葉輪、汽車飛輪、皮帶輪、砂輪等盤類零件。通用平衡機是指能對形狀和支承形式比較規(guī)則的轉子進行動平衡的平衡機。通用平衡機操作簡單，效率也較高。專用平衡機是能對支承形式和外觀與一般轉子不同的轉子進行平衡的平衡機，例如特別針對發(fā)動機的曲軸，汽車的傳動軸進行設計的平衡機，功能專一。3.4動平衡機的工作原理平衡機是測量旋轉物體(轉子)不平衡量大小和位置的機器。何轉子在圍繞其軸線旋轉時，由于相對于軸線的質量分布不均勻而產生離心力。這種不平衡離心力作用在轉子軸承上會引起振動，產生噪聲和加速軸承磨損，以致嚴重影響產品的性能和壽命。電機轉子、機床主

40、軸、內燃機曲軸、汽輪機轉子、陀螺轉子和鐘表擺輪等旋轉零部件在制造過程中，都需要經過平衡才能平穩(wěn)正常地運轉。 根據平衡機測出的數據對轉子的不平衡量進行校正，可改善轉子相對于軸線的質量分布，使轉子旋轉時產生的振動或作用于軸承上的振動力減少到允許的范圍之內。因此，平衡機是減小振動、改善性能和提高質量的必不可少的設備。通常，轉子的平衡包括不平衡量的測量和校正兩個步驟，平衡機主要用于不平衡量的測量，而不平衡量的校正則往往借助于鉆床、銑床和點焊機等其他輔助設備，或用手工方法完成。有些平衡機已將校正裝置做成為平衡機的一個部分。把剛性回轉體安裝在動平衡機的彈性支承上，使回轉體轉動。根椐支承的不同情況，(通過回

41、轉體的周期性機械振動信號變?yōu)殡姼行盘?測量出支承的振動和支反力。用分離解算電路，計算出回轉體的不平衡量，再對回轉體進行加重或去重，直至平衡量達到要求。圖3-1動平衡工作原理圖3.5動平衡機常用術語（1）不平衡量轉子某平面上不平衡量的量值大小，不涉及不平衡的角度位置。它等于不平衡質量和其質心至轉子軸線的乘積。不平衡量單位是g.mm或者g.cm，俗稱“重徑積”。（2）不平衡相位：轉子某平面上的不平衡質量相對于給定極坐標的角度值。（3）不平衡度：轉子單位質量的不平衡量，單位是gmm/kg。在靜不平衡時相當于轉子的質量偏心距，單位為m。（4）初始不平衡量：平衡前轉子上存在的不平衡量。（5）許用不平衡量

42、：為保證旋轉機械正常工作所允許的轉子剩余不平衡量。該指標用不平衡度表示時，稱為許用不平衡度（亦稱許用不平衡率）。（6）剩余不平衡量：平衡校正后轉子上的剩余不平衡量。（7）校正半徑：校正平面上校正質量的質心到轉子軸線的距離，一般用mm表示。（8）校正平面的干擾（相互影響）：在給定轉子某一校正面上不平衡量的變化引起另一校正平面上平衡機指示值的改變（有時稱為平面分離影響）（9）最小可達剩余不平衡量（）：最小可達剩余不平衡量（）。單位是g.mm。其意義是指平衡機能使轉子達到的剩余不平衡量的最小值。是衡量平衡機最高平衡能力的性能指標。當該指標用不平衡度表示時，稱為最小可達剩余不平衡度。（單位g.mm/k

43、g）（10）不平衡量減少率（）經過一次平衡校正所減少的不平衡量與初始不平衡量之比值。它是衡量平衡機效率的性能指標，以百分數表示：式中：初始不平衡量一次平衡校正后的剩余不平衡量（11）不平衡力偶干擾比單面平衡機抑止不平衡力偶影響的性能指標。轉子單位質量的不平衡量，單位是g.mm/kg。在靜不平衡時相當于轉子的質量偏心距，單位為m。（12）校驗轉子為校驗平衡機性能而設計的剛性轉子。其質量、大小、尺寸均有規(guī)定，分立式和臥式兩種。立式轉子質量為11、35、110 kg。臥式轉子質量為5、1.6、50、160、500kg。3.6平衡機的一般工作條件（1）室內溫度在535范圍內； （2）相對濕度不超過85

44、；（3）電源電壓的波動量不應超過名義值的10；（4）安裝緊固在穩(wěn)固的基礎上，安裝水平度在0.2/1000以內；（5）平衡機周圍無振動源干擾、無電磁輻射、無腐蝕性介質的車間場地。3.7平衡機選擇的知識旋轉機械的多樣化，其產生的振動問題、噪聲問題、機械壽命等的要求日益嚴格，必須針對不同的旋轉工件選用適于各自特點的動平衡機，并進行相應的不平衡校正。選型的一般原則:第一步：選擇動平衡機，應該先確定轉子的平衡等級。根據旋轉工件的外形特征，選擇臥式或立式動平衡機，參考前面動平衡機分類，當然，如果有特殊的要求，還可以按照實際需要設計制造。第二步：根據工件的大小選型，如工件的外徑、長度和重量等特征參數，選擇動

45、平衡機型號，如5、16、50、160型等，數字表示工件最大質量，一般選定數字1/3到2/3動平衡效果較好，最大或最小值都可做，但不一定能滿足工件的精度。平衡機的測量精度在微米的數量級以上，而工件的幾何加工精度在1絲-10絲之間，也就是說在10微米100微米之間。從這個數量級的具體意義來看，轉子的平衡精度主要決定于工藝軸的幾何加工精度。下面就幾何偏心引起的誤差舉個簡單的例子：設：轉子的質量公斤， 工藝軸的加工跳動為5絲50微米 轉子的校正半徑為 250 毫米 那么，由工藝軸的跳動引起的不平衡質量 由此看來，5 絲的精度有如此大的影響，而 5 絲的保證已經有所不易，所以平衡工藝軸的加工一定要經過磨

46、削工藝，這樣才能保證平衡的最終精度目的。 3.8校準原理平衡機的校準包括三項內容系統(tǒng)不平衡量大小和相位的校準靈敏度的校準零點相位校準，首先是系統(tǒng)不平衡量大小和相位的校準。假設經過高精度平衡的校驗轉子不平衡量為零，當僅僅放上校驗轉子時，這時仍然有振動信號，分析可知振動信號是在系統(tǒng)不平衡矢量和校驗轉子不平衡矢量的合矢量轉子中不平衡量的來源和表示方法。一個轉子在設計上一般都使它相對于旋轉軸線是軸對稱的。但是由于工藝上的一系列因素，最后裝配完畢的轉子總是不能做到動力上的完全軸對稱，也就是存在一定的不平衡量。3.9動平衡機的技術革新由于撓性轉子的廣泛應用，人們研制出了撓性轉子平衡機。這類平衡機必須在轉子

47、工作轉速范圍內進行無級調速；除能測量支承的振動或振動力外，還能測量轉子的撓曲變形。撓性轉子平衡機有時安裝在真空防護室內，以適合汽輪機之類轉子的平衡，它配備有抽真空系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)、潤滑油除氣系統(tǒng)和數據處理用計算機系統(tǒng)等龐大的輔助設備。動平衡測試技術是隨著旋轉機械的制造和使用中提出來的。計算機的發(fā)展為虛擬儀器的應用提供了可能，用“軟件代替硬件”的虛擬儀器實現了對動平衡量的測量，提高了測試精度同時降低了成本。動平衡測試技術是旋轉機械故障檢測與診斷技術的一個重要分支，廣泛應用于旋轉機械中轉子不平衡量的校正，已經成為轉子動力學中重要的學科。據統(tǒng)計在所有旋轉機械的故障中，約30%是由于轉子的不平衡引起的，

48、它是旋轉機械中出現頻率最高的故障之一。不平衡轉子在支承上造成的動載荷，將會引起整個旋轉機械的振動，產生噪音，加速軸承磨損，造成轉子部分高頻疲勞破壞和支承部分的部件強迫振動損壞，降低旋轉機械的壽命，甚至使整個機器控制失靈，發(fā)生嚴重事故。因此對旋轉機械系統(tǒng)中的轉子進行動平衡， 可以極大地提高系統(tǒng)的安全性。雖然動平衡機的出現已有100多年的歷史，但是動平衡機都存在平衡時精度不高，無形中延長了動平衡測試的操作周期，提高了測試的費用，影響了生產的效率。計算機的發(fā)展為虛擬儀器提供了硬件支持，在虛擬技術的沖擊下，測量儀器和測試技術發(fā)生了巨大變革?，F代測試技術、計算機技術、電子技術、虛擬儀器技術等和動平衡技術

49、相結合，研制以計算機為核心的虛擬動平衡測試系統(tǒng)，已成為今后發(fā)展的方向。用labview軟件設計的測試系統(tǒng)完成對動平衡的測量和計算，提高測試精度的同時降低了生產的成本。虛擬動平衡測試系統(tǒng)整個動平衡測試系統(tǒng)是由剛性支承動平衡機、傳感器、信號預處理、數據采集卡、計算機等五大部分組成。測量系統(tǒng)總體框圖如圖3-3所示。左、右兩支承處的振動傳感器將振動信號轉變?yōu)殡妷盒盘?，經隔直濾波和增益控制后輸入到數據采集卡。同時由一小型聯(lián)軸節(jié)與試驗機車頭主軸尾端相連的1個永磁小型基準訊號發(fā)電機發(fā)出與工件轉速同頻率的基準相位信號經過預處理后也輸入到數據采集卡，數據采集卡中的a/d轉換器將模擬量轉變?yōu)閿底中盘査腿胩摂M儀器軟

50、件包進行分析處理、平衡解算，最后顯示出不平衡量的大小和相位，據此來實現對轉子的不平衡的校正。振動傳感器隔直濾波增益控制基準信號傳感器參考通道pc2003數據采集卡pc機虛擬儀器平臺圖3-3虛擬動平衡測試系統(tǒng)硬件結構框圖硬件由信號調理電路、數據采集卡和pc機組成，信號調理包括放大和濾波，通過調理電路，放大傳感器輸出的微弱信號，濾除干擾信號，為數據采集卡中a/d轉換提供適當幅度的輸入模擬信號。數據采集卡采用pci2003，該數據采集卡是一種基于pci總線的數據采集卡，可直接插在ibm-pc/at或與之兼容的計算機內的任一pci插槽中，構成實驗室、產品質量檢測中心等各種領域的數據采集、波形分析和處理

51、系統(tǒng)，也可構成工業(yè)生產過程監(jiān)控系統(tǒng)。計算機采用piii計算機。該系統(tǒng)以pc機和數據采集卡為通用硬件平臺，與傳統(tǒng)儀器相比具有便于維護，降低成本等優(yōu)點，而且能夠實現技術的更新和功能的擴展。多功能動平衡測量儀是以mcs-96系列8098單片機為核心的一種基于微電子技術的數字化功能動平衡測量儀。該儀器采用16位單片機、點陣式液晶顯示屏、硬件濾波和軟件濾波相結合的方法,使其具有操作簡單、顯示直觀、精度高以及性能好的特點。該動平衡測量儀總體結構如圖3-4所示。振動傳感器測出支承兩端的動載荷信號,經光電信號處理電路進行整形,經振動信號處理電路儀采用軟件濾波和硬件濾波相結合的方法,采用開進行信號變換、濾波及調

52、整后得到與轉子同頻率的關電容有源濾波集成電路組成的四階帶通濾波器進正弦信號和方波信號,再送給8098放大和倍頻等單片機,獲得不行濾波,轉速信號經128倍頻后作為濾波器的外部處理后,分別送振動信號處理電路和8098單片機,用于控制跟蹤濾波以及振動信號的轉速和振動信號的幅值、相位測量。鍵盤、顯示器一方面用來控制動平衡儀的運行,一方面顯示儀器的運行結果。各處理電路之間的信號靠系統(tǒng)總線來傳遞。圖3-4多功能動平衡測量儀總體的結構框圖4 實例應用4.1試驗用儀器介紹yyw-300a型硬支承平衡機是一種用途廣泛的通用動平衡機，它具有效率高、操作簡易、直接同時顯示不平衡量的克數和相位等特點，是一種較為先進的

53、動平衡機。硬支承動平衡機的最大特點是根據各種不同類型轉子的幾何尺寸，校正平面和支撐軸承之間的距離進行調整。使經一次啟動運轉后既能正確地顯示出不平衡量的克數及相位，因此它十分適用于多品種小批量轉子的動平衡校驗。（1）采用光點矢量瓦特表作為顯示儀表，顯示直觀，能記憶顯示量；（2）測量系統(tǒng)采用線性集成電路，性能穩(wěn)定、可靠；（3）機電換能器采用杠桿機械放大式磁電速度傳感器，其特點是輸出不平衡振幅較大，性能穩(wěn)定可靠；（4）采用雙通道測量系統(tǒng)，操作簡單、測量迅速；（5）設計有較低的轉速（325轉/分），試件軸頸范圍較大可達180毫米，若備有矢量分解標度盤，對校驗如曲軸和需作適量分解平衡的轉子，以及初始不平

54、衡量較大的轉子的動平衡提供方便。主要技術性能精度指標：（1）每校正平面最小可達剩余不平衡量 （2）不平衡減少率不平衡力從測量平面到校正平面上的換算：在“硬支承動平衡機”中，軸承支架的剛性很大，由轉子質量分布不均勻所產生的離心力，不能使軸承支架產生擺動，因而轉子和軸承支架幾乎不產生振動偏移，這樣“不平衡力”就可以被認為是作用在簡支梁上的“精力”，因此能用單純靜力學的原理來分析轉子的動平衡條件。根據剛性轉子動平衡原理，一個東不平衡的剛性轉子總可以在與旋轉軸線垂直而不與轉子重心重合的兩個校正平面上減去或加上適當的重量來達到動平衡，轉子旋轉時，支架上的軸承受到了“不平衡”的交變動壓力，它包含著“動平衡

55、”的的大小和相位的信息?！坝仓С袆悠胶鈾C”檢測的是不平衡產生的離心力，由于采用速度傳感器，因此它的測量靈敏度與平衡轉速成立方比增減，而與轉子重量或軸承支架重量無關（因為速度傳感器的輸出與速度成正比，而離心力與轉速平方成正比，因而不平衡由傳感器輸出的訊號與轉速成立方比）。4.2實驗目的根據實驗確定平衡品質并加以校正。用實驗來確定所需平衡品質通常用于大批量生產轉子的平衡工藝過程。通過試驗取得數據，確定恰當的平衡品質，有利于提高大批量制造轉子的技術經濟水平。有特殊要求的轉子有時也需通過試驗來確定其平衡品質。4.3實驗步驟總電源接通電源后，“啟動”按鈕指示燈即亮，說明機器已通電，將車頭左側的變速轉換開

56、關撥到中速檔，此時按下“啟動”按鈕，電動機即能拖動轉子旋轉。停車時，可以按“停止”按鈕，也可以直接按下車頭右側的制動手柄，制動后需將手柄抬起，否則下次不能再啟動。轉子轉動方向為：由車尾向車頭看，轉子按順時針方向旋轉。平衡轉子前，應先接通電測箱電源，預熱15分鐘后方可開始校平衡。面板右下側為輕重相位開關，其位置是按工件平衡的需要來進行調整，“輕”相當于缺重引起的不平衡，這個缺重由外加材料來補償。“重”相當于超重引起的不平衡，這個超重由去料（鉆、銑等）來補償。平衡的修正量（或稱校正量）為光點在瓦特表標度盤上的指示值讀數（以格數表示）與靈敏度開關按鈕所表示的靈敏度（克/格）的乘積。偏心距和不平衡量的關系：本機所指示的轉子不平衡量為克.毫米，當以偏心距（微米）來衡量轉子的動平衡精度時，這兩者之間可以相互換算。圖4-1 試驗用yyw-300a型硬支承平衡機電測箱面板上分別有電源開關開、速度選擇開關、靈敏度開關、縱向零