转子动平衡实验原理与方法

实验原理与方法

实验采用的CS-DP-10型动平衡试验机的简图如图1所示。待平衡的试件1安放在框形摆架的支承滚轮上，摆架的左端与工字形板簧3固结，右端呈悬臂。电动机4通过皮带带动试件旋转，当试件有不平衡质量存在时，则产生的离心惯性力将使摆架绕工字形板簧做上下周期性的微幅振动，通过百分表5可观察振幅的大小。

1. 转子试件

2. 摆架

3. 工字形板簧

4. 电动机

5. 百分表

6. 补偿盘

7. 差速器

8. 蜗杆

图1 CS-DP-10型动平衡试验机简图

试件的不平衡质量的大小和相位可通过安装在摆架右端的测量系统获得。这个测量系统由补偿盘6和差速器7组成。差速器的左端为转动输入端（n1）通过柔性联轴器与试件联接，右端为输出端（n3）与补偿盘联接。

差速器由齿数和模数相同的三个圆锥齿轮和一个蜗轮（转臂H）组成。当转臂蜗轮不转动时：n3＝－n1，即补偿盘的转速n3与试件的转速n1大小相等转向相反；当通过手柄摇动蜗杆8从而带动蜗轮以n H转动时，可得出：n3＝2n H－n1，即n3≠－n1，所以摇动蜗杆可改变补偿盘与试件之间的相对角位移。

图2所示为动平衡机工作原理图，试件转动后不平衡质量产生的离心惯性力F =ω2mr，它可分解为垂直分力F y和水平分力F x，由于平衡机的工字形板簧在水平方向（绕y轴）的抗弯刚度很大，所以水平分力F x对摆架的振动影响很小，可忽略不计。而在垂直方向（绕x轴）的抗弯刚度小，因此在垂直分力产生的力矩M = F y·l =ω2mrlsinφ的作用下，摆架产生周期性上下振动。

1

图2 动平衡机工作原理图

由动平衡原理可知，任一转子上诸多不平衡质量，都可以用分别处于两个任选平面Ⅰ、Ⅱ内，回转半径分别为r Ⅰ、r Ⅱ，相位角分别为θⅠ、θⅡ，的两个不平衡质量来等效。只要这两个不平衡质量得到平衡，则该转子即达到动平衡。找出这两个不平衡质量并相应的加上平衡质量（或减去不平衡质量）就是本试验要解决的问题。

设试件在圆盘Ⅰ、Ⅱ各等效着一个不平衡质量m Ⅰ和m Ⅱ，对x 轴产生的惯性力矩为：

M Ⅰ=0 ；M Ⅱ=ω2m Ⅱr Ⅱlsin (θⅡ+ωt )

摆架振幅y 大小与力矩M Ⅱ的最大值成正比： y ∝ω2m Ⅱr Ⅱl ；而不平衡质量m Ⅰ产生的惯性力以及皮带对转子的作用力均通过x 轴，所以不影响摆架的振动，因此可以分别平衡圆盘Ⅱ和圆盘Ⅰ。

本实验的基本方法是：首先，用补偿盘作为平衡平面，通过加平衡质量和利用差速器改变补偿盘与试件转子的相对角度，来平衡圆盘Ⅱ上的离心惯性力，从而实现摆架的平衡；然后，将补偿盘上的平衡质量转移到圆盘Ⅱ上，再实现转子的平衡。具体操作如下：

在补偿盘上带刻度的沟槽端部加一适当的质量，在试件旋转的状态下摇动蜗杆手柄使蜗轮转动（正转或反转），从而改变补偿盘与试件转子的相对角度，观察百分表振动使其达到最小，停止转动手柄。（摇动手柄要讲究方法：蜗杆安装在机架上，蜗轮安装在摆架上，两者之间有很大间隙。蜗杆转动一定角度后，稍微反转一下，脱离与蜗轮的接触，这样才能使摆架自由振动，这时观察振幅。通过间歇性地使蜗轮向前转动和观察振幅变化，最终可找到振幅最小的位置。）停机后在沟槽内再加一些平衡质量，再开机左右转动手柄，如振幅已很小（百分表摆动±1~2格）可认为摆架已达到平衡。亦可将最后加在沟槽内的平衡质量的位置沿半径方向作一定调整，来减小振幅。将最后调整到最小振幅的手柄位置保持不动，停机后用手转动试件使补偿盘上的平衡质量转到最高位置。由惯性力矩平衡条件可知，圆盘Ⅱ上的不平衡质量m Ⅱ必在圆盘Ⅱ的最低位置。再将补偿盘上的平衡质量m p '按力矩等效的原则转换为位于圆盘Ⅱ上最高位置的平衡质量m p ，即可实现试件转子的平衡。根据等效条件有：

p p p p p l r m l r m '

'=

l

r l r m

m p p

p p

p ''

= (1)

式中各半径和长度含义见图2 ，其中r p = 70 mm，l = 210 mm，l p = 550 mm。而r p' 由补偿盘沟槽上的刻度读出。补偿盘上若有多个平衡质量，且装加半径不同，可将每一平衡质量分别等效后求和。

在平衡了圆盘Ⅱ后，将试件转子从平衡机上取下，重新安装成以圆盘Ⅱ为驱动轮，再按上述方法求出圆盘Ⅰ上的平衡质量，整个平衡工作才算完成。

平衡后的理想情况是不再振动，但实际上总会残留较小的残余不平衡质量m' 。通过对平衡后转子的残留振动振幅y' 测量，可近似计算残余不平衡质量m'。残余不平衡质量的大小在一定程度上反映了平衡精度。残余不平衡质量可由下式求出：

ｙ＇

m' ≈───×平衡质量（2）

ｙ0

2