刚性转子的动平衡实验

2.5 刚性转子的动平衡实验
2.5.1 实验目的
由于制造误差、转子内部物质分布的不均匀性，刚性转子的转动轴线不一定位于中心惯性主轴上，因而在两端支撑的轴承上产生附加的动压力，为了消除附加的动压力，需要找到刚性转子上不平衡质量的大小、位置与方位，寻找刚性转子上不平衡质量的大小、位置与方位是动平衡实验的目的。

同时，了解动平衡试验机的组成、工作原理与转子不平衡质量的校正方法，通过参数化与可视化的方法，观察刚性转子动平衡虚拟实验的平衡效果。

2.5.2 实验原理
刚性转子动平衡试验机如图2.8(a)所示，原理简图如图2.8(b)所示。

当刚性转子转动时，若刚性转子上存在不平衡质量，它将产生惯性力，其水平分量将在左、右两个支撑ZC 1、ZC 2上分别产生水平振动，只要拾取左、右两个支撑上的水平振动信号，经过一定的转换、变换与标定，就可以获得刚性转子左、右两个校正平面Ⅰ、Ⅱ上应增加或减少的质量的大小与相位。

由机械原理知道，刚性转子上任意不平衡质量m i 将产生惯性力P i ，P i ＝m i ω2r i ，m i 与左、右两
个校正平面Ⅰ、Ⅱ上的m i Ⅰ、m i Ⅱ等效，m i Ⅰ＝m i L Ⅱ/L Z ，m i Ⅱ＝m i L Ⅰ/L Z ；P i 与左、右两个校正平面Ⅰ、Ⅱ上的P i Ⅰ、P i Ⅱ等效，P i Ⅰ＝P i L Ⅱ/L Z ＝m i Ⅰω2r i Ⅰ，P i Ⅱ＝P i L Ⅰ/L Z ＝m i Ⅱω2r i Ⅱ；P i 在左、右两个支撑ZC 1、ZC 2上的水平分量分别为P i1、P i2，P i1＝P i cos θi L 2/L ，P i2＝P i cos θi L 1/L 。

将所有的P i1、P i2作矢量相加，得左、右两个支撑ZC 1、ZC 2上总的惯性力的水平分量分别为∑P i1、∑P i2。

∑P i1、∑P i2在左、右支撑ZC 1、ZC 2上产生振动的振幅分别为x 1、x 2，在安装传感器的位置上产生振动的振幅分别为x C1、x C2，x C1、x C2对应的电压信号分别为V 1、V 2。

若将V 1、V 2与左、右两个校正平面Ⅰ、Ⅱ上的m Ⅰr Ⅰ、m Ⅱr Ⅱ建立起联系，则得到m Ⅰr Ⅰ与m Ⅱr Ⅱ的大小；若设置一个基准信号作为判断惯性力所在的相位，则得到m Ⅰr Ⅰ、m Ⅱr Ⅱ的相位分别为θⅠ、θⅡ，于是，在两个校正平面Ⅰ、Ⅱ上沿θⅠ、θⅡ方位去掉m Ⅰr Ⅰ、m Ⅱr Ⅱ或沿θⅠ＋π、θⅡ＋π方位增加m Ⅰr Ⅰ、m Ⅱr Ⅱ，即可实现刚性转子的动平衡。

动平衡试验机就是将V 1、V 2反演到m Ⅰr Ⅰ、m Ⅱr Ⅱ，借助于基准信号，判断m Ⅰr Ⅰ、m Ⅱr Ⅱ的相位θⅠ、θⅡ。

当然，需要通过分离与解算电路使左、右两个校正平面上的惯性力相互独立并转化为两个校正平面上应增加或减少的质量的大小，需要通过基准信号判断应增加或减少的质量的相位，需要经过信号放大、选频、A /D 变换以及标定等过程，最后，通过数码管或显示器将左右两个校正平面上应增加或减少的质量的大小与相位显示出来。

(a) 刚性转子动平衡试验机 (b) 刚性转子动平衡试验机的原理简图
Ⅱ ω Ⅰ
V 1
V 2
i P i ⅠP ZC 1
ZC 2 Ⅱi P 1i P
2i P
L
L Ⅰ
L Ⅱ θi
L 1
L 2
θi
θi
L Z
x 1 x 2
图2.8 刚性转子动平衡试验机的结构与原理简图
2.5.3实验设备
刚性转子动平衡实验机由被测转子的安装与传动单元、双速异步电动机驱动与制动单元、磁电式速度传感器与信号传输单元、基准信号发生单元与电测箱数据数字处理单元组成。

转子的形状与安装方式可以是任意的，图2.9(a)为锥形转子在支承内安装，若支承上测量出的惯性力分别为FⅠ、FⅡ，则对应左、右平衡面上的惯性力PⅠ、PⅡ分别为PⅠ＝FⅡC/B＋FⅠ(A＋B)/B，PⅡ＝FⅠA/B＋FⅡ(B＋C)/B。

由于PⅠ＝mⅠR1ω2、PⅡ＝mⅡR2ω2，所以，一旦选定了半径R1、R2，就可以知道不平衡的质量mⅠ与mⅡ。

实验时，首先打开动平衡实验机电控箱上的总电源开关，指示灯亮，电测箱开始自检，显示“test E”表明自检测结束。

其次选择增重、减重中的增重状态，输入转子数据A、B、C、R1、R2，将速度旋钮转至低速，按启动旋纽启动电机，转子进入测量状态。

等显示屏不再闪烁，则表示测量完毕，按停止按钮，电机处于能耗制动，松开停止按钮，电机制动结束。

于是，显示屏显示左、右平衡面上应增加的不平衡质量的大小与相位。

最后，在天平上称得同等质量的胶泥补充在相应的角度位置上，再启动电机，反复校正，直至最小剩余不平衡度检测量e max≤1gmm/kg为止。

刚性转子动平衡虚拟实验是将转子上的不平衡质量与位置通过参数来调节，如图2.9(b)所示，通过理论计算得到左右支承上的不平衡惯性力F L、F R的大小与相位，若在转子左右端面上分别增加两个质量，它们的效果与F L、F R的大小相等、相位相反，则刚性转子的动平衡得到实现。

通过参数化与可视化，可以观察到刚性转子动平衡虚拟实验的平衡效果，如不平衡惯性力F L、F R的大小与相位，F L、F R在支承上的变化曲线，转速对F L、F R的影响，不平衡质量与位置变化对F L、F R的影响。