实验3刚性转子动平衡

1实验三刚性转子动平衡实验2016年9月一、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；(4)了解国家标准(GB)对转子动平衡性能评价方式和相关要求。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R（大小和方向同力系的主向量iR=S）和一个力偶M（等于力系对质心C的主矩CiCM=m(S)=Μ），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R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1r、2r（称校正半径），与转子上某一参考标记成夹角1、2处，分别附加一块质量为1m、2m的重块（称2校正质量）。如能使两质量1m和2m的离心惯性力（其大小分别为211rm和222rm，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实现过程如下：（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00AAVA0V和000BBBVV，其中0AV和0BV是振动位移（也可以是速度或加速度）的幅值，0A和0B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1r、2r。先在平面I上加一“试重”（试质量）111tmQ，其中1tm为试重质量，1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1VA和1VB。矢量关系见图二a，b。显然，矢量01VVAA及01VVBB为平面I上加试重1Q所引起的轴承振动的变化，称为试重1Q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。1A0A1A1Q-VVα(1)1B0B1B1Q-VVα(2)图二矢量关系图3（3）取走1Q，在平面II上加试重222tmQ，2tm为试重质量，2为试重方位角。同样测得轴承A、B的振动量A2V和B2V，从而求得效果矢量A0A2VV和B0B2VV（见图二c，d）及影响系数2A0A2A2QVVα-(3)2B0B2B2QV-Vα(4)（4）校正平面I、II上所需的校正质量111mp和222mp，可通过解下列矢量方程组求得：B02B21B1A02A21A1VpαpαVpαpα(5)B2B1A2A1ααααB0A021VVpp(6)1m，2m为校正质量，1，2为校正质量的方位角。（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（平衡率70%），则平衡结束，否则可重复上面步骤，再进行一次修正平衡。事实上，除计算得到的平衡率以外，还有更科学的方式描述动平衡实验的精确程度。我们知道，转子达到完全平衡的状态仅存在理论上的可能性，实际工作中的转子多少会存在一定的不平衡量。根据GB/T9239.1-2006中的规定，转子的不平衡量被定义为不平衡质量与其质心到轴线距离的乘积；同时规定，当转子的剩余不平衡量resU不大于许用不平衡量perU时，转子可以保证良好地运转。同时，对于不同类型、不同用途的转子，其平衡品质的要求也不尽相同，对于不同体量、用途的转子，需要选定不同的平衡品质级别，。根据国内外的相关经验，可以给出对一些典型机械的平衡品质要求如表1所示。平衡品质级别G是根据()e的取值大小规定的，彼此之间以系数2.5来划分。其计算公式为：MUe)((7)式中：M代表转子的总质量，代表转子工作时的角速度，U代表转子在质心处的剩余不平衡量。对于使用两面影响系数法平衡的转子，转子在质心处的剩余不平衡量U与两个平面上的剩余不平衡量AU、BU满足以下关系：4BAABULULULUL(8)式(8)中各物理量的含义见图三所示。对于实验中使用的高度对称的转子，有0.5ABLLL且实验中的转子校正半径R是固定值，因此式(7)可以改写为：MRmmerr2,max)(21(9)其中1rm、2rm是两个校正平面上的剩余不平衡质量。图三剩余不平衡量的分配对于表1中给出的各个平衡品质级别G，如果通过实验结果计算得出的()e满足()()peree，则说明经过平衡的转子已经达到该级平衡品质级别。对于本实验中使用的转子，转子总质量M=4500g，校正半径R=40mm。四、实验装置表2实验设备清单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：0~1630r/min临界转速≥5000r/min自制2调速器1调速：600~1630r/minAQMD6010成都爱控电子3光电变换器1位移：0.1~2000m通用型自制4电涡流位移计2频率：0~1000Hz位移：2mm峰峰值85811清华桑拓研究所5电子天平1200±0.01gES-200A长沙湘平公司6微型计算机1通用型清华同方公司5表1恒态（刚性）转子平衡品质分级指南机械类型：一般示例平衡品质级别G量值mm/s固有不平衡的大型低速船用柴油机（活塞速度小于9m/s）的曲轴驱动装置G40004000固有平衡的大型低速船用柴油机（活塞速度小于9m/s）的曲轴驱动装置G16001600弹性安装的固有不平衡的曲轴驱动装置G630630刚性安装的固有不平衡的曲轴驱动装置G250250汽车、卡车和机车用的往复式发动机整机G100100汽车车轮、轮箍、车轮总成、传动轴、弹性安装的固有平衡的曲轴驱动装置G4040农业机械刚性安装的固有平衡的曲轴驱动装置粉碎机驱动轴（万向传动轴、螺桨轴）G1616航空燃气轮机离心机（分离机、倾注洗涤器）最高额定转速达950r/min的电动机和发动机（轴中心高不低于80mm）轴中心高小于80mm的电动机风机齿轮通用机械机床造纸机流程工业机器泵透平增压机水轮机G6.36.3压缩机计算机驱动装置最高额定转速大于950r/min的电动机和发动机（轴中心高不低于80mm）燃气轮机和蒸汽轮机机床驱动装置纺织机械G2.52.5声音、图像设备磨床驱动装置G11陀螺仪高精密系统的主轴和驱动件G0.40.4测试系统如图四所示。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。电动机通过橡胶联轴节拖动转轴，用调速器调节转速。最高工作转速为1630r/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6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（图三）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。（3）刚性转子基频检测及动平衡计算软件两路位移信号及光电转速信号同时接入计算机内A/D上，进行采样处理，在“刚性转子动平衡程序中，可以观察检测振动位移波形及测量转速的波形（图五）。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）。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。本实验在“动平衡计算”（图六）部分中进行。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。图四测试系统示意图7图五设备虚拟连线图图六基频检测部分8图七动平衡计算部分五、实验步骤（1）进入“刚性转子动平衡”程序。点击“设备虚拟连接”图标，进入试验设备的虚拟连接部分，根据实际实验设备的连接情况，参照图四进行连接。连接完毕后点击“连接完毕”按钮，如连接正确，即可进行下一步测试阶段。如连线错误，点击“重新连接”按钮，重新连接直至连接正确为止。（2）将转速控制器转速bn设定为1500r/min，起动转子1至2分钟使转速保持稳定。（3）点击“基频检测”图标，进入基频检测部分，如图五。用鼠标左键按下工具栏左边第一个按钮“开”启动基频检测，用光标可以进行A、B两通道的显示切换，待读数基本稳定后，分别记录转子原始不平衡引起（A、B）两轴承座初始不平衡振动的幅值和相位角10VA和20VB。（4）转速回零。在I平面（1号圆盘）上任选方位加一试重1tm，记录1tm的值（用天平测量，可取值在8～10克之间）及固定的相位角1（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。若加试重后支座的振幅明显超过初始振动，应调整试重的相位。（5）启动转子，重新调到平衡转速bn，测出I平面加重后，两个轴承座剩余不平衡振动的幅值和相位角（A1V和B1V）。（6）转速回零。拆除1tm，在II平面（4号圆盘）上任选方位加一试重2tm。测量记录2tm的值及其固定方位角2。9（7）转速重新调到bn。测出II平面加试重后，两个轴承座剩余不平衡振动的幅值和相位角（A2V和B2V）。若加试重后支座的振幅明显超过初始振动，应调整试重的相位。（8）转速回零。取走2tm，单击“动平衡计算”图标进入动平衡计算部分，根据程序运行过程的提示，输入上述测量记录的数据。在CRT显示计算校正质量。（9）根据求出的校正质量（平衡质量）1m、2m及校正质量的相位角1、2，在校正平面I、II重新加重。然后将转速重新调到bn，再测量记录两个轴承座剩余振动的幅值和相位角。（10）转速回零。再返回“动平衡计算”部分，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）、剩余不平衡质量以及达到的平衡精度等级。（11）进入“校正质量合成”界面，将“校正质量”和“剩余不平衡质量”输入，计算得到两个校正平面上的“合成校正质量”。（12）使用“合成校正质量”代替“校正质量”，重复步骤（9）和（10）。（13）停机、关仪器电源。拆除平衡质量，使转子系统复原。六、实验报告要求(1)简述实验目的、内容、装置及实验步骤，叙述实验原理，实验报告的文字部分必须手写。本次实验报告中叙述实验目的、内容、原理、装置及实验步骤的部分不建议超过3页。严禁照抄实验指导书和往届实验报告！(2)参考图二画出A、B两支座实测数据的矢量关系图。(3)计算本组进行转子动平衡和平衡迭代时达到的)(pere量值，并给出达到的平衡品质级别，要求写清计算过程。（注：实验成绩与达到的平衡品质级别高低无关！）(4)结合自己的认识，试比较实际工程中应用的动平衡装置与实验室使用装置在配重安装方面的区别（按自己