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实验二刚性转子动平衡实验

2005010682热动52阚瑞

一、实验目的

（1）掌握刚性转子动平衡的基本原理和步骤；

（2）掌握虚拟基频检测仪和相关测试仪器的使用；

（3）了解动静法的工程应用。

二、实验内容

采用两平面影响系数法对一多圆盘刚性转子进行动平衡

三、实验原理

工作转速低于最低阶临界转速的转子称为刚性转子，反之称为柔性转子。

本实验采取一种刚性转子动平衡常用的方法—两平面影响系数法。

该方法可以不使用专用平衡机，只要求一般的振动测量，适合在转子工作现场进行平衡作业。

根据理论力学的动静法原理，一匀速旋转的长转子，其连续分布的离心惯性力系，可向质心C简化为过质心的一个力（大小和方向同力系的主向量）和一个力偶（等于力系对质心的主矩），见图一。

如果转子的质心在转轴上且转轴恰好是转子的惯性主轴，即转轴是转子的中心惯性主轴，则力和力偶矩M的值均为零。

这种情况称转子是平衡的；反之，不满足上述条件的转子是不平衡的。

不平衡转子的轴与轴承之间产生交变的作用力和反作用力，可引起轴承座和转轴本身的强烈振动，从而影响机器的工作性能和工作寿命。

图一转子系统与力系简化

刚性转子动平衡的目标是使离心惯性力系的主向量和主矩的值同时趋近于零。

为此，先在转子上任意选定两个截面I、II（称校正平面），在离轴线一定距离、（称校正半径），与转子上某一参考标记成夹角、处，分别附加一块质量为、的重块（称校正质量）。

如能使两质量和的离心惯性力（其大小分别为和，为转动角速度）正好与原不平衡转子的离心惯性力系相平衡，那么就实现了刚性转子的动平衡。

两平面影响系数法的过程如下；

（1）在额定的工作转速或任选的平衡转速下，检测原始不平衡引起的轴承或轴颈A、B在某方位的振动量和，其中和是振动位移（也可以是速度或加速度）的幅值，和是振动信号对于转子上参考标记有关的参考脉冲的相位角。

（2）根据转子的结构，选定两个校正面I、II并确定校正半径、。

先在平面I上加一“试重”（试质量），其中为试重质量，为试重相对参考标记的方位角，以顺转向为正。

在相同转速下测量轴承A、B的振动量和。

矢量关系见图二a，b。

显然，矢量及为平面I上加试重所引起的轴承振动的变化，称为试重的效果矢量。

方位角为零度的单位试重的效果矢量称为影响系数。

因而，我们可由下式求得影响系数。

（1）

（2）

图二矢量关系图

（3）取走，在平面II上加试重，为试重质量，为试重方位角。

同样测得轴承A、B的振动量和，从而求得效果矢量和（见图二c，d）及影响系数

（3）

（4）

（4）校正平面I、II上所需的校正质量和，可通过解下列矢量方程组求得：

（5）

（6）

，为校正质量，，为校正质量的方位角。

求解矢量方程最好能使用计算机。

本试验采用专用的动平衡计算程序dynbalance。

（5）根据计算结果，在转子上安装校正质量，重新起动转子，如振动已减小到满意程度，则平衡结束，否则可重复上面步骤，再进行一次修正平衡。

四、实验装置

序号

名称

数量

主要技术指标

参考型号

生产厂家

1

转子系统

1

转速：

0~4000r/min

临界转速≥5000r/min

自制

2

调速器

1

调速：

500~4100r/min

定制

中科院生物所

3

光电变换器

1

位移：

0.1~2000m

通用型

自制

4

电涡流位移计

2

频率：

0~1000Hz

位移：

2mm峰峰值

85811

扬州无线电二厂

清华桑拓研究所

5

电子天平

1

200±0.01g

ES-200A

长沙湘平公司

6

微型计算机

1

通用型

测试系统如图三所示。

部分设备的原理和功用说明如下：

（1）转子系统

转子轴上固定有四个圆盘，两端用含油轴承支承。

电动机通过橡胶软管拖动转轴，用调速器调节转速。

最高工作转速为4000r/min，远低于转子一轴承系统的固有频率。

（2）光电变换器、电涡流位移计及计算机虚拟动平衡仪

图三测试系统示意图

图四测试虚拟设备连线图

图五计算机虚拟动平衡仪显示界面

图六计算机虚拟动平衡仪通道选择设置

与计算机虚拟动平衡仪相连接的光电探头，给出入射光和反射光。

在转子任一圆盘的外缘贴上一宽度约5mm的黑纸。

调整探头方位使入射光束准确指向圆盘中心。

当圆盘转动时，由于反射光的强弱变化，光电变换器产生对应黑带的电脉冲，馈入计算机虚拟动平衡仪（图四）作为转速测量和相位测量的基准信号。

电涡流位移计包括探头和前置器。

探头前端有一扁形线圈，由前置器提供高频（2MHz）电流。

当它靠近金属导体测量对象时，后者表面产生感应电涡流。

间隙变化，电涡流的强弱随之变化，线圈的供电电流也发生变化，从而在串联于线圈的电容上产生被调制的电压信号，此信号经过前置器的解调、检波、放大后，成为在一定范围内与间隙大小成比例的电压信号。

本实验使用两个电涡流位移计，分别检测两个轴承座的水平振动位移。

两路位移信号通过切换开关依次馈入计算机虚拟动平衡仪，以光电变换器给出的电脉冲为参考，进行同频检测（滤除谐波干扰）和相位比较后，在计算机虚拟动平衡仪面板上显示出振动位移的幅值、相位及转速数据（图五）。

同频检测前后的振动位移波形，通过计算机虚拟电子示波器随时观察（图五）。

（3）动平衡计算软件

两平面影响系数法的核心是通过求解矢量方程（5）或方程（6）计算平衡校正量，求解方程涉及复数的矩阵运算。

本实验采用专用动平衡计算软件dynbalance。

实验者也可用MATLAB等语言自行编制解算程序。

（4）电子天平

用以量测平衡加重的质量。

五、实验步骤

（1）按图四所示用鼠标左键连接虚拟测试仪器，如连线错误，可将鼠标放在该连线上，双击鼠标右键删除。

确认无误后，用鼠标左键单击工具栏上▲（Showalldisplaywindows）按钮，可获得与图五相同的虚拟动平衡仪应用程序界面；单击▼（Hidealldisplaywindows）按钮则可回到图四状态。

鼠标左键双击“812PG：

A1A/D”模块出现图六设置框，用左键双击“1”按钮使该按钮被按下，并用右键双击“2”按钮使该按钮被弹起，然后按下“OK”按钮回到图四状态，此时请确认“812PG：

A1A/D”模块右端显示的是0、1，此时代表系统0、1通道工作，测试的是A轴承座的振动。

如要选择0、2，可采用上述操作方法按下“2”弹起“1”按钮，此时代表系统0、2通道工作，测试的是B轴承座的振动。

（2）将转速控制器转速设定为1500r/min，起动转子3至5分钟使转速保持稳定。

（3）在图五的状态下，用鼠标左键按下工具栏左边第一个按钮“Start”启动虚拟动平衡仪，待读数基本稳定后，记录转子原始不平衡引起左（A）轴承座振动位移的幅值和相位角。

然后用鼠标左键按下工具栏左边第三个按钮“Stop”停止虚拟动平衡仪的测试工作，采用

（1）中介绍的方法将“812PG：

A1A/D”模块设置为0、2通道工作，在图五的状态下，用鼠标左键按下工具栏左边第一个按钮“Start”启动虚拟动平衡仪，待读数基本稳定后，记录转子原始不平衡引起右（B）轴承座振动位移的幅值和相位角。

注意：

此过程系统如弹出对话框，均可按“确定”按钮继续试验，如发现工具栏上左边第二个按钮处于按下状态则表明系统处于停止测试状态，必须用鼠标左键单击它使该按钮弹起，使系统激活。

（4）转速回零。

在I平面（1号圆盘）上任选方位加一试重，记录的值（用天平测量，可取其在3～8克间）及固定的相位角（从黑带参考标记前缘算起。

顺转向为正）。

注意：

在加试重时，不要触碰参考面（2号圆盘）上的探头，启动转子之前先用手慢慢转动圆盘，确认转子与探头没有碰触现象，间隙在1mm左右，否则报告教师重新调整探头位置。

（5）启动转子，重新调到平衡转速，测出I平面加重后，两个轴承座振动位移的幅值和相位角（和）。

（6）转速回零。

拆除，在II平面（4号圆盘）上任选方位加一试重。

测量记录的值及其固定方位角。

（7）转速重新调到。

测出II平面加试重后，两个轴承座振动位移的幅值和相位角（和）。

（8）转速回零。

取走，在计算机上调出已装在机内的动平衡计算程序dynbalance，根据程序运行过程的提示，输入上述测量记录的数据。

在CRT显示计算结果后，抄录有关数据及运算结果。

（9）根据求出的校正质量（平衡质量）、及校正质量的相位角、，在校正平面I、II重新加重。

然后将转速重新调到，再测量记录两个轴承座振动的幅值和相位角。

（10）转速回零。

计算平衡率（即平衡前后振动幅值的差与未平衡振幅的百分比），如高于70%，实验可结束。

否则应寻找平衡效果不良原因重做。

（11）停机、关仪器电源、拉电闸。

拆除平衡质量，使转子系统复原。

六、实验数据的记录与整理

平衡转速=1500r/min实验日期：

2006-12-21

A轴承I平面

B轴承II平面

幅值

相位

幅值

相位

原始振动,

27.1m

282deg

16.4m

289deg

I平面试重

9.80克

23deg

，

15.9m

301deg

14.2m

296deg

II平面试重

9.84克

213deg

，

29.4m

282deg

25.9m

278deg

计算校正量

18.76克

42.76deg

10.75克

70.01deg

实际加重质量

18.78克

42.0deg

10.67克

69.0deg

平衡后振动，

2.7m

25deg

0.9m

328deg

平衡率

90.03%

94.51%

分析讨论：

总看该实验的准确性较高，但引起误差的因素主要有：

1，实际校正量与计算校量不等，主要是由于仪器精确程度不够（无法凑出所需重量），并受安装者安装的水平影响；2，幅值和相位不断波动，读取时有一定误差。

本实验中我们组由不同的同学试读了两组值，第二组值如下：

A轴承I平面

B轴承II平面

幅值

相位

幅值

相位

原始振动,

27.1m

282deg

16.4m

291deg

I平面试重

9.80克

23deg

，

15.9m

301deg

14.3m

295deg

II平面试重

9.84克

213deg

，

29.5m

279deg

25.9m

280deg

计算校正量

17.75克

46.78deg

11.60克

62.14deg

实际加重质量

17.74克

47deg

11.46克

62deg

平衡后振动，

1.9m

284deg

1.8m

16deg

平衡率

92.98%

89.02%

可见，尽管之前我们的估读数据基本一致（红色字体表示有微小的差异）（而且本次试验我们已经尽量使实际校正量与理论值相符）两次最后算出的理论校正量和最终准确度仍然有明显差别，证明不同的估读值对结果的影响还是不小的，这一点使得试验测得的平衡率存在一定的随机性，如能由机器估读可能更好。

此外，即使是同一组仪器，在使用的过程中，它的状态也是随时间而变化的，第一组与最后一组的实验条件是不同的。

这也是造成误差的原因之一。

（教师签名）

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