（动力机械及工程专业论文）硬支承刚性转子现场动平衡测试系统的研究.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 针对硬支承刚性转子，在查阅文献资料和实验研究的基础上， 分析了不平衡产生的原因及其危害，论述了各类不平衡转子的平衡 方法。为满足现场微机化动平衡的需要，设计开发了一套数据采集 和数据处理分离的现场动平衡测试系统。使用m s p 4 3 0 为基础的下 位机进行数据采集。使用台式机或笔记本为上位机进行数字信号处 理及数据分析处理。上下位机之间通过u s b 通讯。运用乘法运算进 行同频滤波。利用影响系数法进行不平衡量的解算。采用了先进的 硬件软件技术，努力实现高精度，低成本，易操作的现场平衡系统。 转子不平衡结果在显示器上显示，示值稳定，读数方便，还可以存 储转子档案以及将测试结果打印为文档。 关键词：动平衡现场硬支承刚性转子 乘法运算同频滤波数字信号处理 影响系数法m s p 4 3 0u s b 数据传输 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t hf o c u so nh a r d - b e a r i n gr i g i dr o t o r , v a r i o u sr e a s o n sa n dd a n g e r s c a u s e db yu n b a l a n c e dr o t o r sw e r ea n a l y z e da c c o r d i n gt oi n f o r m a t i o na n d e x p e r i m e n t s a p p r o p r i a t eb a l a n c i n gm e t h o d sf o rd i f f e r e n tt y p e so f u n b a l a n c i n gr o t o r sw e r ed i s c u s s e d i no r d e rt om e e tt h er e q u i r e m e n to f c o m p u t e r i z e do n - t h e - s p o tb a l a n c i n g ，am e a s u r i n gs y s t e mc o n s i s t e do f s e p a r a t e dd a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m a n dd a t a p r o c e s s i n gs y s t e mw a s d e v e l o p e d s l a v eb a s e do nm s p 4 3 0w a su s e da sd a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m h o s tb a s e do nd e s k t o po rn o t e b o o kp cw a su s e da sd i g i t a ls i g n a l p r o c e s s i n ga n dd a t ap r o c e s s i n gs y s t e m u s bw a su s e dt ot r a n s f e rd a t a m u l t i p l yo p e r a t i o n w a su s e df o r s a m e f r e q u e n c yf i l t e r i n g t h e u n b a l a n c i n gv a l u ew a sr e s o l v e d w i t hi n f l u e n c ec o e f f i c i e n tm e t h o d l a t e s th a r d w a r ea n dr i p es o t h v a r ew a su s e di no r d e rt or e a l i z eh i g h p r e c i s i o n , e a s y - t o - o p e r a t ea n dl o wc o s ts y s t e m t h eu n b a l a n c i n gv a l u ei s s h o w e ds t e a d i l yo nv g as c r e e na n de a s i l yg o t t e n t h er e s u l tc a na l s ob e s a v e do rp r i n t e dt of i l e k e yw o r d s ：d y n a m i cb a l a n c i n g ，o n - t h e - s p o t ，h a r db e a t i n g ， r i g i dr o t o r ，m u l t i p l yo p e r a t i o n ，m s p 4 3 0 ， u s bd a t a - t r a n s f e r , s a m e f r e q u e n c yf i l t e r , d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ，i n f l u e n c ec o e f f i c i e n tm e t h o d 学号 之皇z ! 正丕z 独创性声明 y - 9 9 5 7 8 5 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得迸望盘鲎或其他教育机 构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：铜渭寸妖 签字日期：护石年歹月，日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盘婆盘生有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借阅。本人授权盘望盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：铜溯彳蒯r 导师签名： 签字日期：妒。6 年) 月9 日 签字日期： 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电话 邮编 月，日 浙江大学硕士学位论文 前言 各类机器设备、交通工具、仪表装置等的振动是一种常见的现象。除了一 些利用振动工作的机器外，对于一般的机器来说，振动是有害的。它将使机器 的零件承受附加的动载荷，明显地加速轴承、轴颈的磨损，影响机器的工作性 能，降低机器的精度，甚至使机器过早地损坏。 造成机器振动的原因是多种多样的。因此消除或限制机器振动的方法也各 不相同。但是，使旋转机械产生振动的主要原因之一是由于转子不平衡原因所 引起的机械振动，约占2 4 ，对于高速旋转机械，由于不平衡原因引起的振动 更为显著。不平衡惯性离心力与机器转速平方成正比，容易被检测，也容易采 取消除措施。因此，消除或减小机器振动首先考虑的主要方法是对转子进行平 衡，消除或限制机器旋转零部件或往复机构的不平衡惯性力，以使机器的振动 限制在允许的范围内。u l 所谓平衡即是根据转予支承系统的动力学特性，通过测量转子支承系统有 关测点与转速同频分量的幅值大小和相位信息来判断不平衡大小和位置，以便 采取措施进行平衡的一门技术。它包括对旋转机械、部件、平面或空间机构的 平衡，也包括整机和机组的平衡。另外，还应该指出，平衡不单纯是工艺问题， 而是从机器设计开始就应该予以考虑和研究的问题。如设计时应该考虑转子平 衡精度要求、校正平面的位置和数量、转子校正平面上的许用不平衡量大小及 校正方法等。必要时，还应该设计出校正重块的大小、形状和安装方法。如果 机器设计时对平衡问题没有予以考虑，平衡时可能会出现各种困难。因此平衡 问题贯穿机器设计、制造和检修的全过程，是机器设计、制造中很重要的一门 技术。 平衡技术的发展和平衡机的生产是随着旋转机器的制造和使用提出来的， 并且随着电动机、发电机、汽轮机等的出现，且转速越来越高而变得更为重要。 旋转机器出现的初期，由于机器的转速低，平衡精度要求不高，所以初期阶段 也只需要对转子进行静平衡，使用的各种装置也属于静平衡机一类。随着转子 平衡精度要求的不断提高，只对转子进行静平衡己满足不了工业生产的实际需 要，人们才对动平衡技术发生浓厚的兴趣，动平衡机的研制也就提到日程上来 了。 第一台动平衡机的出现迄今已有一百多年的历史。有关平衡机的第一个专 浙江大学硕士学位论文前言 利是1 8 7 0 年马丁生( m a r t i n s o n ) 在加拿大提出申请的。1 9 0 7 年德国的拉瓦切 克( l a w a c z e c k ) 制造出平衡机，随后，黑曼( h e y m a n n ) 将其改进。在这台平 衡机上，支承试验旋转体的轴承是安装在底座上的弹簧支承上的。运动中的转 子所产生的离心力使轴承产生振动，振动波形由地震仪一类的装置记录下来。 平衡操作所需的校正块的位置及大小根据这一记录确定。拉瓦切克一黑曼式平 衡机的结构是原始的，操作也比较麻烦，但对高速旋转机械性能的提高做出了 很大贡献。【4 】动平衡技术的发展主要还是近四十年的事，它与科学技术的发展 密切关联。直到二十世纪四十年代，几乎所有的平衡工序都在纯机械式的平衡 设备上进行，一般用千分表观测振幅以估算不平衡量，利用机械系统谐振增加 灵敏度和判断不平衡相位。电子技术的发展促进了平衡技术的大变革。到五十 年代，在刚性转子平衡理论基本完善的同时，百分之九十以上的平衡设备都利 用了电予测量技术，平面分离电路有效地消除了左右面的相互影响，电气“标 准转子”提高了高速平衡机的效率；这期间，除通用机形成系列化产品外，测 量与校正装置组合为一体的平衡装置及供大批量生产( 如汽车曲轴、电机转子) 用的平衡自动线在工业发达国家发展起来，测量方式也在不断改进。七十年代 出现的硬支承平衡机可认为是平衡机发展史上的一次飞跃，它使传统软支承平 衡机上麻烦的动态调整代之以静态下的尺寸设定，从而形成永久标定式的平衡 机。从发展趋势看，除一些特殊情况需要( 如高速、微型) 外，这种型式将取代软 支承平衡机。心 我国对动平衡理论和装置的研制及新产品开发是从1 9 5 8 年开始的，目前已 形成一支基本的科研力量和一定的生产能力。多年来，在刚性和挠性转子平衡 理论与方法上，作了大量的研究，在平衡装置方面填补了一系列的空白。目前， 我国已有自己的平衡机系列产品，从几克的微型机到2 0 0 吨的重型机、高效率 的自动机和自动线、精度在1 0 q 微米数量级的高精度平衡机和特殊要求的人造 卫星、导弹等专用平衡机，都能自己研制和生产。【3 】 2 浙江大学硕士学位论文转子不平衡的原因与危害 第一章转子不平衡的原因与危害 1 1 转子及其不平衡的概念 在各种机器、仪器、设备和交通工具中旋转零件是最常见的，并且人们习 惯地把一些旋转部件称为转子。例如电机转子、陀螺转子、水泵转子、汽轮机 和燃气轮机转子等。但是，在平衡技术中“转子”是指“能够旋转的物体”的 总称，一般带有轴颈，也可泛指不带轴颈的各种旋转体，如制动鼓、飞轮和圆 盘等。被平衡的转子可以是机器的零件，如机床的主轴、曲轴、飞轮和叶轮等， 也可以是装配好的部件，如电机转子、陀螺转予、汽轮机转子等。 转子是否平衡是由转子质量相对于旋转轴的分布状态所决定的。当转子旋 转时，转子上不在旋转轴线上的每个质点都产生一个离心力。如果转子上这些 离心力对于旋转轴线是对称分布的，亦即转子质量是轴对称分布的，则这些离 心力彼此互相平衡，这时转子支承上将只受转子自重和外载荷的作用，而没有 不平衡离心力所引起的振动。这时我们称转子是平衡的。如果转子旋转时，不 平衡离心力作用到转子支承上，称该转子是不平衡的。 虽然转子是否平衡是由转子质量相对旋转轴线的分布状态所决定的，但是 转子的不平衡往往只能根据转子的支承是否振动或转子支承是否承受附加动载 荷才能判断。这里说明，造成旋转机械支承系统振动的原因是很多的，诸如润 滑不良、轴承的磨损或不清洁、联接部分松动等。而转子不平衡离心力所引起 的振动或支承附加动载荷与其它原因引起的振动或动载荷不同，它具有固有特 征，即动载荷与转速平方成正比，频率与转速同频等。并且由于转子质量分布 特性不同，支承所受动载荷也不同。因此，可根据支承的振动或支承所受动载 荷的不同确定转予的不平衡状态。 1 2 转子不平衡的原因 转子产生不平衡的原因是很多的，但大致可归纳为以下几种基本原因：【5 1 1 )转子结构的不对称。 最典型的例子是曲轴，随着发动机气缸排列方式的不同，发动机气缸工 3 浙江大学硕士学位论文 转子不平衡的原因与危害 作顺序的不同，以及气缸数目的不同，设计人员设计方案的不同，曲轴的结 构是多种多样；曲轴结构上的不对称是由其工作特点所决定的。因此设计上 要求必须为曲轴设计配重，出厂前还必须对每根曲轴做平衡试验，剩余不平 衡量只有满足要求才可以投入使用。 2 )原材料或毛坯的缺陷。 由于材料的缺陷，引起转子的不平衡而导致零部件的失效是机械工程中 常遇到的现象，如原材料密度不均匀，毛坯有气孔、砂眼、缩孔和组织疏松 等，焊缝不均匀等都会引起转子的不平衡或零件的失效。 3 )转子加工和装配有误差。 如果转子在加工或装配过程中存在误差，也就改变了转子绕轴线的质量 分布，也就破坏了转子的平衡状态。如转子与轴颈轴线的不同轴，装配时径 向间隙不均匀或不同轴，联接螺钉拧紧程度不同或由于热压配合和焊接所引 起的挠曲交形等都会引起转子的不平衡。 4 )机器在运转过程中所产生的不平衡。 如砂轮、泵、离心机分离钵等工作时的不均匀磨损，运行过程中温度变 化产生的变形，运行中离心力引起的零件间的微小移动或弹性变形等都会破 坏转子原来的平衡状态。 5 )机器在维修过程中产生的不平衡。 不同行业的机械部门有不同的标准，在不同环境条件下，工作机械还有 不同的精度要求，维修部门一般设备落后，技术力量差，在维修过程中排除 了主要故障的同时，却引发出潜在的隐患也是常见的，特别是对于转子的动 平衡是人眼观察不到，手也感觉不到的，必须通过动平衡试验才能定结论， 这也是容易被人们忽视的原因之一。在汽车维修行业中，由于发动机曲轴动 不平衡过大，而使飞轮壳碎裂报废数个却使一些维修人员找不到原因的现象 也不是罕见的。原因是上次维修过程中传动系组件装配中出现了错误。因此 随着机械运转速度的不断提高，转子的平衡问题，必须引起足够重视。 由于好多大型旋转机械在维修后运到专门场地做平衡非常困难，这就为 现场动平衡技术的发展带来机遇。现在借助科技的发展，国内外对现场动平 衡已经作了较为深入的研究。 4 浙江大学硕士学位论文转子不平衡的原因与危害 1 3 转子不平衡的危害 对于旋转轴线有约束的不平衡转子，动不平衡在支承上造成动载荷，引起 机器振动，产生下列不良后果。1 6 1 1 ) 引起转子反复弯曲和内应力。这种弯曲和内应力会引起转子疲 劳，甚至会引起转子断裂。由于不平衡引起大型汽轮发电机组 转子断裂现象在我国就发生过。 2 ) 引起机器产生振动和噪声，加速轴承等零件的磨损，降低机器 的使用寿命和效率。 3 ) 转予的振动会通过轴承、基座传递到基础和建筑物上，恶化工 作环境。 为了研究动不平衡对振动的影响，研究人员做了曲轴飞轮组动平衡校正前 后的发动机振动试验。1 5 1 先对曲轴在6 5 0 r r a i n 转速下进行动平衡校正，然后再在3 2 5 r r a i n 低速下进 行动平衡校正，曲轴在进行动平衡校正前后的不平衡量如表所示： 表1 1曲轴不平衡量表 单位：g c m 须平衡校正前平衡校正后 7 曲轴曲轴飞轮组曲轴曲轴飞轮组 曲轴号 前端后端前端后端前端后端前端后端 4 1 1 8 33 0 0 03 2 0 04 1 0 03 5 0 0 3 0 o4 0 08 0 o5 0 o 4 5 2 8 43 4 53 1 1 34 0 8 93 7 5 08 7 o9 0 o5 2 21 1 2 5 发动机在不同转速下的振动数据见表1 - 2 5 浙江大学硕士学位论文转子不平衡的原因与危害 表1 - 2发动机振动数据 曲 澍试方 缸盖后上方飞轮上方曲轴箱 曲 轴 位 垂直水平垂直水平垂直水平 轴 转 项目及速 位 速位速位 速位 速 位 速 位 号 速 数据度移度移度移 度移 度移度移 前端5 0 1 1 09 0 1 1 0 1 3 01 帅1 70 2 05 0o 8 04 00 6 5 4 1 - 1 8 3 后端3 00 74 00 7 56 00 81 00 1 72 5o 5 81 80 2 9 l o 前端 6 01 2 01 3 0l 2 0 01 4o 2 4，|4 00 6 6 4 5 - 2 8 4 后端5 0 0 6 6 5 0o 6 0 8 0 o ，9 2 3o 2 01 40 43 00 4 0 前端3 20 8 57 82 4 0“2 4 02 10 7 04 20 9 47 01 9 0 4 1 - 1 8 3 后靖 3 0 o 7 2 3 41 5 05 01 5 0 2 6 0 ，8 42 50 8 46 5i ，7 0 2 0 0 0 前端5 21 2 01 3 03 o o1 3 03 7 61 3 60 9 07 02 4 5 - 2 8 4 后靖5 0 o 8 4 7 0i 7 01 0 02 2 5o 6 02 10 卯 7 01 7 0 前端 1 3 04 4 05 02 1 07 43 4 06 01 7 07 82 5 02 1 09 0 0 4 1 - 1 8 3 后端 9 04 2 063 0 09 04 4 62 3 07 02 3 01 3 04 6 0 3 0 0 0 前靖1 1 04 加6 23 柏i 5 6 0 2 4 06 03 4 01 5 06 4 5 2 8 4 后靖 1 5 0 5 0 0 7 02 柏8 0 4 2 0 3 01 7 07 22 6 01 3 05 4 0 从以上测试数据可以看出曲轴经过动平衡校正后，发动机振动有明显改善。 为了验证曲轴动不平衡的磨损影响，采用两次平衡与不平衡的试验。其中 配合间隙、供油压力、皮带的张紧力等外界条件相同。 从表l - 3 、i - 4 数据可知，除1 、6 号轴瓦外，不平衡曲轴的磨损量都大于平 衡曲轴的磨损量。l 、6 号轴瓦的特殊情况，是由于轴瓦与曲轴主轴颈间隙失控 和调整不当( 发现垫片丢失) 等原因所致，通过计算发现，不平衡曲轴轴瓦的 磨损量是平衡曲轴轴瓦磨损量的2 9 2 5 倍。 6 浙江大学硕士学位论文 转子不平衡的原因与危害 表格1 3平衡曲轴轴瓦的磨损量 单位：m g 轴瓦号新轴瓦质量磨损后轴瓦质量磨损量 l7 1 8 5 0 1 0 7 1 ，2 4 7 1 0 6 0 3 o o 2 6 0 。6 9 1 3 56 0 ，5 0 0 4 0 1 9 0 8 5 3 6 0 。6 9 3 5 06 0 4 9 9 6 0 1 9 3 9 0 4 1 2 4 2 6 0 3 51 2 3 5 2 8 2 07 3 2 1 5 5 6 0 ，6 1 1 8 5 6 0 4 4 0 8 5 1 7 1 0 0 6 6 1 ，4 9 0 7 06 0 ，9 4 3 1 0 5 4 7 6 0 79 9 。6 6 9 5 0 9 9 ，2 1 3 3 0 4 5 6 2 0 表1 - 4不平衡曲轴轴瓦的磨损量 单位：m g 轴瓦号新轴瓦质量磨损后轴瓦质量 磨损量 l 6 9 ，7 7 8 2 0 6 9 ，3 9 3 7 0 3 8 4 5 0 26 0 。9 0 8 1 3 5 9 ，7 9 2 1 0 9 6 0 2 3 3 6 1 ，3 0 4 3 06 0 ，9 4 7 9 0 3 5 6 4 0 4 1 2 2 8 5 6 5 51 2 1 3 7 6 3 51 4 8 0 1 5 5 5 9 ，3 0 4 7 1 5 9 0 9 3 4 52 1 1 7 l 6 6 0 ，3 0 0 1 0 5 9 ，8 2 6 1 0 4 7 4 o o 7 9 7 ，6 0 6 6 0 9 6 6 7 8 2 09 2 8 4 0 在研究磨损的拖动试验过程中，还做了铁谱分析。 7 浙江大学硕士学位论文转子不平衡的原因与危害 表1 5平衡曲轴的铁谱分析结果单位：粒数佰万升 沁项目 大磨粒浓度见小磨粒浓度喀 l7 0 14 2 0 28 8 3 4 9 2 38 8 64 9 9 表1 6不平衡曲轴的铁谱分析结果单位：粒数厝万升 队2 大磨粒浓度见小磨粒浓度凤 l1 7 7 41 3 6 1 21 7 4 41 4 3 3 31 7 9 11 5 7 5 因此，无论是大磨粒浓度还是小磨粒浓度，不平衡曲轴都远大于平衡曲轴， 由于曲轴的不平衡加快了曲轴的磨损速度。 在不同的领域，转子的不平衡特别是动不平衡都是一种潜在的危险，其后 果有时很难预料。不仅会引起整个旋转机械的振动，产生噪音，增加能耗，还 会加快轴承的磨损，造成转子部件的高频疲劳破坏和支承机匣及某些部件强迫 振动损坏，降低旋转机械的寿命。汽车、船舶、飞机等发动机的振动，除使乘 坐者和驾驶员感到不舒服和容易疲劳外，还会影响行驶的安全。如汽车车轮不 平衡会导致行驶中转向不稳定，可操纵性变差，车身振动与颠簸加剧，影响行 车安全；传动系不平衡会引起发动机抖动，磨损加剧，燃油消耗增加。而高速 转子的不平衡则有可能引起重大事故，造成生命财产的重大损失。 综上所述，我们应该对动平衡理论和技术展开积极研究，并将它们和科学 技术结合，开发先进的动平衡设备，以最大程度消除旋转机械中的不平衡问题。 8 浙江大学硕士学位论文国内外动平衡概况 第二章国内外动平衡概况 2 1 动平衡机发展概况 以汽车工业为例，安全、舒适、迅速、高效已成为人们对汽车的期望和要 求；与此同时，随着我国公路交通运输业的不断发展，高速交通已成为一种必 然趋势；因此，汽车在高速条件的操纵稳定性、乘坐舒适性以及安全性已成为 汽车业必须解决的关键性问题。车辆在行驶中的振动不仅与道路状况有关，而 且也与车辆本身的技术有关，车辆中各种旋转部件动不平衡是造成振动的重要 因素。因此，在汽车生产与维修中，特别是目前条件下，对转子的不平衡状态， 应给予足够的重视。 在生产实践中，解决动不平衡问题的手段是通过各种测试仪器进行测试， 然后确定不平衡的大小和相位，通过配重或去重予以解决，对于不同应用环境 的转子，对剩余不平衡量还有一定的要求，只有那些通过校正，剩余不平衡量 满足一定精度要求的转子才可以投入使用。 动平衡技术的发展，是随着工业技术的发展而为断发展，并逐渐完善起来。 工业发达国家如美国、德国、日本等国家，对转子动平衡理论及测试装置很早 就做过较为深入的研究。同时，此项技术为本国工业技术的发展做出了重大贡 献。动平衡问题涉及到工业技术的每一个领域，如：微型电机转子、砂轮转子、 传动轴、陀螺转子、曲轴、飞轮、风扇、卫星、火箭、导弹等。这些设备，使 用前都需进行部件的平衡，整机装配完毕后，还需对整机进行平衡，以保证机 器能正常、平衡运转。 根据转子振动时振动系统的固有频率与测量时转子的旋转速度之间的关 系，动平衡机可以分为软支承和硬支承两类。硬支承动平衡机是自7 0 年代初迅 速发展起来的一种用途广泛的通用动平衡机。由于其标定与转子的质量和转动 惯量无关，因此只需要一次标定。而软支承动平衡机的标定系数随转子的质量 和转动惯量而异，故对于不同类型的转子要一一重新标定。近年来，由于结构 上的不断改进，电测系统也日益完善，平衡精度不断提高，加上通用性强，目 前除了超高速不、高精度、小转子的平衡仍用软支承动平衡机以外，其余已多 改用硬支承动平衡机。 动平衡机一般由以下几部分组成：机械测振系统( 含振动传感器和相位传 g 浙江大学硕士学位论文田内外动平衡概况 感器) 、驱动系统、电子测量系统、校正装置和安全防护装置。其中，机械测振 系统等变化相对缓慢，而电测系统发展却十分迅速。由于微机的日益普及，微 机化的电测系统已经成为国内外动平衡机设计的潮流。 目前世界上生产制造平衡机的著名公司有：德国的霍夫曼公司和卡尔申 克公司，以及美国的公司。其中霍夫曼公司的产品特点是侧重于电机和汽 车构件用平衡机，研制的自动平衡机及生产自动线较多，此外也生产标准通用 平衡机和专用平衡机。专用平衡机主要是针对纺织机械和发动机构件以及其它 转子。霍夫曼公司生产的用于电机转子的自动平衡生产线有a w s f a 及a w s - e 6 等，同时，霍夫曼公司研制的用于平衡汽车构件的平衡机品种规格也较多，如 飞轮自动平衡线a w s s 和曲轴自动平衡生产线a w s k 都有很高的生产效率， 并按需要设计，此外还有轮胎，轮毂自动平衡生产线、曲轴自动平衡机。霍夫 曼公司生产的标准通用平衡机，早期为e 系列软支承型，后来主要是生产硬支 承型通用平衡机，即h l 系列，其测量也多用电表指示，目前测量系统多用单 片机或微机自动化测量，体积小，精度高，示值稳定。其专用平衡机也有一些 性能较好的典型产品，其中k a m 型陀螺平衡机使用频率变换方法实现同步检 波测量，较有特色，还有k a m - a m m 型激光陀螺平衡机也具有很优良的性能。 卡尔申克公司的平衡机一向以其特有的专利产品光点矢量瓦特表为基 础，发展了一系列的瓦特表测量系统的平衡机系列；八十年瓦末，随着集成化 技术及计算机技术的发展，卡尔申克公司开发研制了微机电测系统，使动平 衡技术得到了较大的发展，1 9 9 1 年卡尔申克公司和上海试验机厂合资成立上 海申克试验机有限公司。目前，上海申克试验机有限公司生产的电测系统有 c a b 5 9 0 、c a b 6 4 1 、c a b 6 4 2 及c a b 6 0 等，对传统平衡机电测系统只需稍加改 造，便可以应用这些电测系统。但是无论德国还是上海合资生产的这些带电测 系统的平衡机，在价格上远高于传统的瓦特表式测量系统的平衡机。然而卡 尔申克公司的平衡机系列品种比较齐全，其中通用平衡机有r 和h 系列产品， 具有各种规格的卧式机和立式机，适用于不同的平衡对象。此外，还发展了各 种专用系列，如m 系列陀螺平衡机和d h 系列硬支承高速平衡机，都著称于国 际市场。 i r d 公司对软支承平衡机了深入的研究。在表的测量技术水平条件下，该 公司采用了高灵敏度、线性响应好、并且比较牢固耐用的软支承“摆形”支架； 同时还开发研制了一种只要一次启动就可完成分离、定标运算关系的测量系统。 国内动平衡理论及设备的研究始于1 9 5 8 年，与国外相比有较大差距。经过 l0 浙江大学硕士学位论文田内外动平衡概况 几十年的努力，也取得了可喜的成就。不仅在刚性和挠性转子平衡理论与方法 上作了大量研究，而且还开发了自己的平衡机系列产品。 平衡技术、平衡机的产生和发展随着转子转速越来越高变得更为重要。在 当今，随着科技的迅猛发展，计算机技术的日新月异，人们对机器设备精度要 求的不断提高，转子的动平衡问题必将引起人们的广泛关注，也必将得以进一 步的发展。 2 2 动平衡理论与技术 目前，动平衡理论已基本成熟，根据转子是否为刚性而分为两大类：一类 是刚性转子的动平衡方法，另一类是挠性转子的动平衡方法。刚性转子平衡主 要利用刚性转子动平衡及校正解算原理，挠性转子的动平衡方法主要有影响系 数法和振型平衡法。近年来，通过国内外动平衡工作者的不断努力，有许多新 的理论和技术问世。 1 、为了提高轴系动平衡精度，通过大量试验提出了一些方法，1 5 1 如：振型影响 系数法、d a r l o w m s 等人提出的联合平衡法( u b a ) 等。它们的共同点是： 将振型平衡法和影响系数法的优点相结合，把振型平衡法中的由低到高逐阶 平衡改为同时平衡，将临界转速与工作转速的振动同时列入方程组求解。这 些轴系动平衡方法在一定程度上提高了轴系动平衡精度，但在进行柔性转子 轴系动平衡时，结合动不平衡的特点还显得不足，存在着许多问题，如启动 次数较多，计算误差大，平衡精度不高等。因此，要更好地提高轴系动平衡 技术，必须充分考虑柔性转子轴系的动不平衡的特点，并结合现代测试技术、 现代信号处理技术、计算机技术和现代数学理论，集中在以下几方面进行深 入研究。 ( 1 ) 用新的数学方法小波分析进行振动信号数据的处理与分析、振型分离 以及借助神经网络方法求解影响系数矩阵等。并采用计算机准确地计 算出轴系振型和加重效应即转子动力响应，从而避免了影响系数法的 逐个加重的办法。并且当振动加大需平衡时，由计算机根据预先存储 的不平衡响应数据，随时提供应加重的位置和大小。 ( 2 ) 结合轴系动不平衡的特点，特别是对轴系不平衡振动的振幅传递特性 和相位传递特性，以及相关量、机组结构等的分析和研究，对提高平 衡精度有很大的指导作用。 浙江大学硕士学位论文国内外动平衡概况 ( 3 ) 实现测试手段和测试方法现代化。目前很多在现场的测试手段和测试 方法还比较落后，造成振动测试数据误差大，精度不够等。这必然会 给数据的分析和处理带来困难，可能计算出错误的加重位置和大小， 甚至可能会造成机组运行的损坏。 ( 4 ) 一般都以轴承振动为标准对转子计算动力响应，但有时不是很准确。 因为轴振动与轴承振动之间的关系不是单一的，所以我们应根据具体 情况选择不同的标准进行转子动力响应的计算，从而获取更准确的加 重效应。 2 、西安交通大学屈梁生、邱海、徐光华将全息谱技术应用于动平衡领域，【9 】提 出基于三维全息谱的力、力偶分解三维全息平衡方法：( 1 ) 能快速地辨明转 子的不平衡状态，为我们制订平衡方案作指导；( 2 ) 应用全息谱参数来表征 平衡平面的振动，集成了多传感器的信息，能充分考虑到转子刚性的各向差 异；( 3 ) 全息动平衡技术可广泛用于现场动平衡和现有动平衡机的改造。转 子在工作转速下实现在线自动平衡。以电磁执行器作为施力装置，运用傅里 叶分析和线性系统的叠加原理，对不停车的情况下转子不平衡振动的识别和 抑制的算法进行了推导，并通过在一滚珠轴承支承的转子系统上进行了试验 研究，证明了该方法和装置能够使工作频率下旋转转子的不平衡振动大大减 小。 3 由于传统动平衡方法有不足之处，提出旋转机械自动平衡技术方法： 【1 0 ，1 1 ，1 2 , 1 3 ，1 4 j ( 1 ) ( 2 ) 根据柔性转子在超质量自由移动的方法来改变转子内部质量分布以 达到平衡的目的。 利用合理、有效的执行机构自动强迫移动、合成或去掉补偿力的方法。 自动平衡的发展过程实际上就是平衡技术与其它领域技术有效结合 的过程。目前，合理的、可靠的、高效的、高精度的自动平衡装置还 很少见。由于旋转机械的种类繁多，自动平衡装置的设计不可能干篇 一律。因此，如何让自动平衡装置适合不同机械结构要求，是设计的 关键，在线不停机自动平衡对装置的要求更为苛刻。根据各类自动平 衡装置的特点和平衡机械的要求，为了大幅度提高生产效率和平衡精 度，自动平衡的发展应遵循批量离线化( 中小型精密转子) 、停机损 失大且易时变的机械实现在线化的原则。同时更应注意解决自动平衡 的效率和精度、结构和安装，以及是否产生附加不平衡等方面技术问 12 浙江大学硕士学位论文国内外动平衡概况 题。 4 、现场动平衡技术。o s j 6 , 1 7 , 1 8 】动平衡在旋转机械维修中的一般做法是把转子从 设备中取出，然后运到实验场地在动平衡机上进行平衡，平衡好后，再运到 厂里安装运转。这样做不但浪费时间，影响生产，而且由于平衡机的条件和 现场条件有很大差别，不可避免地要引起误差。而现场平衡技术是在现场设 备上不用吊出转子而直接进行动平衡，所以现场动平衡技术的研究和应用就 非常有意义。由于现场条件的限制，不可能采取振型平衡法，随着测试技术 和计算机技术的发展，影响系数法和它们结合，可以实现旋转机械的现场动 平衡。 5 、现代测试技术、计算机技术、电子技术、控制技术等和动平衡技术相结合， 研制以计算机为核心的动平衡电测系统，实现智能动平衡，利用软件和先进 算法改善硬件的不足，提高动平衡精度，改善人机界面，做成专家平衡系统 的动平衡数据库后，能支持多种动平衡类型，可以将每个动平衡转子的平衡 结果保存，动态跟踪。利用计算机技术和现代通讯技术，可以实现远程现场 动平衡等。0 9 , 2 0 , 2 1 ，2 2 t 2 3 聊5 l 整机动平衡、自动平衡设备理论及技术。随着生产生活对旋转机械的要求 越来越高，整机动平衡的重要性是渐体现。为了提高动平衡的生产效率，全自 动平衡设备就成为必要。自动平衡设备包括全自动平衡机和平衡自动线，根据 平衡零件的结构形状、生产率、初试不平衡量、许用不平衡量、工艺过程和车 间布局等情况，实际上是平衡试验机和不平衡校正机对特定的零件进行校正的 设备。主要包括以下几个部分：测量装置、校正装置、检验装置、输送装置、 控制装置、辅助装置等。 13 浙江大学硕士学位论文刚性转子的平衡 第三章刚性转子的平衡 根据转子的工作状态和力学特性、从平衡的观点出发，通常把转子分为两 类，即刚性转子和柔性转子。一般来说，凡是工作转速远远低于转子的一阶弯 曲临界转速的转子视为刚性转子；工作转速接近或超过转子一阶弯曲临界转速 的转子视为柔性转子。乜“” 所谓刚性转子就是把转子视为刚体，认为转子在工作和平衡时，都不产生 弹性变形。实际上，任何转子都不可能是绝对刚性的，转子在不平衡离心力的 作用下( 有时也要考虑其他外载荷的作用) 都要产生一定的弹性变形。在静载 荷作用下，任何零件产生单位弹性变形所需加的静力称为零件的静刚度。与此 相应，把转子产生单位动挠度( 单面) 时所需加的动载荷称为转子的动风度。 因此所谓刚性转子是指动刚度相当大，转子在不平衡离心力作用下所产生的动 挠度( 弹性变形) 很小，在转子工作和平衡过程中可忽略不计的转子。 在国际标准化组织制定的“平衡词汇”标准i s 0 1 9 2 5 一1 9 8 1 和我国“试验 机名词术语”z b y 0 3 3 - - 8 2 中，定义刚性转子为“可以在一个或任意选定的两个 校正平面上，以低于转子工作转速的任意转速进行平衡校正，且校正之后，在 直至最高工作转速的任意转速和接近实际的工作条件下，其不平衡量均不明显 地超过所规定的平衡要求”的转子。 3 1 刚性转子平衡的力学原理 从牛顿运动定律知道，任何物体在匀速旋转 时，体内各个质点都将产生离心惯性力简称离心 力。如图3 - 1 所示的盘状转子。如果转子是以角 速度作匀速转动，则体内任一质点4 至转动轴 心o 之距离为 ，则丘= 五彩2 数个篓窟凳：曩! 罘衾藿妻蓁崔箸襄蠹塞1 # 翥 图，- 数个离心力组成一个惯性力系作用在轴承上，形 成转子对轴承的动压力，其大小如何，则决定于转子质量的分布情况。如果转 子的质量对转轴对称分布，则整个转子虽有无数质点，但由于对称关系，各质 点引起离心力对称，所组成的惯性力系是个平衡力系，对轴承并未引起任何动 l4 浙江大学硕士学位论文刚性转子的平衡 压力，只引起转子材料中的内应力 若转子作变速转动，其角加速度为s ，则各质点产生的惯性力便不是离心方 向的了。从图3 - 2 可以看出，在质点4 处惯性力为： 户”- - - m l a 2 ，( 离心方向，仍称离心惯性力) 户7 ，= 鸭稿，( 切线方向，称为切向惯性力) 同样在对称点省处有曰= 户”t + 户”- 可见，当转子作变速转动时，这两个对称图3 - 2 的质点所产生的惯性力不会相互抵消，它们形 成一个力偶，其方向与占相反。这个合力偶对轴承不会引起动压力。因此，无 论转子是作匀速或变速转动，只要转动轴线是转子的对称轴，转子对轴承便不 会引起动压力。这种对轴承不产生动压力的转子称为平衡的转子。反之，便是 不平衡的转子。 3 2 转子不平衡的几种情况 设有一个不平衡的刚性转子，如图3 - 3 所示，其质量为m ，以等角速度绕一固定 轴旋转，取转轴上任一点o 为坐标原点，转 轴为z 轴，并作出相应的o x 及0 y 轴。转子 质心的坐标为c ( 屯，儿，乙) ，沿坐标轴方向 单位矢量为7 ，7 ，f 。质心c 对旋转轴z 的矢 径为，则 瓦= x i + y j 图3 - 3 15 浙江大学硕士学位论文 剐性转子的平衡 同样，设转子中任一质点脚。( ，y ；，毛) 对转轴的矢径为亏，则亏；而 + 弘了 其产生的离心力为 丘= 埘，国2 ( 而7 + 只力 ( 3 2 1 ) 它在坐标轴上的投影为 f 。= m l 矿x 1 名= 所j 国2 只 ( 3 2 - 2 ) 最= 0 诸丘构成一个惯性力系。由力学原理可知，将这个惯性力系向坐标原点0 简化，一般可得到一个力j 。( 称为力系的主矢) 和一个力偶见( 称为力系向0 点 简化的主矩) ，这个主矢作用于0 点并等于力系中所有各力的矢量和，而主矩等 于力系所有各力对0 点的矩矢的矢量和，即 j d = 丘 j - i 矾= ( j 1 ) l - i 将式( 3 2 1 ) 代入式( 3 2 3 ) 得 ( 3 2 - 3 ) ( 3 2 - 4 ) 尼2 喜谚2 瓴7 + 咒歹) = 口2 嘻为+ 毋2 嘻嘲乃 ( ，二，) = m 2 f 玩+ 2 7 织= 坳2 尹 由此可见，简化的主矢r o 的大小与方向和转子质心的离心惯性力相等，只 不过作用于0 点即r o ，乏，其大小与方向和简化中心0 点的位置无关。 惯性力系向o 点简化的主矩可写为 蔬o = m o l 、= m j + m 0 + m i j = i 16 浙江大学硕士学位论文 刚性转子的平衡 式中，肘，m ，m ，为主矩矾在坐标轴上的投影，其大小等于力系所有 各力对该轴之矩的代数和，显然，它们都和0 点的位置有关。 丝= m ，( 丘) = ( 乃兀一互乃) = o 一刁m 。2 y ， = 砌2 z , m l y t z j = 叼2 厶 屿= ( j i ：) = 互瓦= z , m j a ，2 五= 2 厶 m ：= ( 丘) = o ( 亏通过z 轴) 式中，厶= 竹乃弓和t ，。= m 。乙x ，均称为转子的惯性积或转子的离心 转动惯量。于是 ：扛可而而= z 扣而( 3 2 6 ) 因此，转子的惯性力向任一点简化的结果一般得到一个力( 即主矢： r o = 讹国2 ，作用于0 点，方向和露平行) 和一个力偶( 即主矩： mo =m 2 0 j2 * + j 24 ) 。 转子在旋转时，主矢和主矩的方向都在变化，其矢量随同转子一同旋转成 为引起轴承振动的激发源。所以转子平衡的必要条件与充分条件是惯性力系向 任一点简化的主矢和主矩都为零，即 肛2 麓鲁 ( 3 二7 ) 【= 国2 ，2 胆+ ，2 盘= 0 。 由r o = o ，则= 0 这说明旋转轴必定通过质心c ；由m o = 0 ，则 ，。= 厶= 0 ，满足此条件的转轴z 在力学中称为惯性主轴，通过质心的惯性主 轴称为中心惯性主轴。因此，欲消除转子对轴承的动压力必须也只需转轴是中 心惯性主轴。虽然任何形状的转子通过其质心都存在着三个互相垂直的中心惯 性主轴，但不一定和旋转轴重合，除非转子对旋转轴为中心的质量分布对称。 所以，一般转子几乎都是不平衡的。要使一个不平衡转子变为平衡转子，就要 重新调整转子质量的分布，即在某个局部加重或去重，使转子中心惯性主轴和 l7 浙江大学硕士学位论文刚性转子的平衡 旋转轴一致，这时，其惯性力系能够满足( 3 2 - 7 ) 式，转子成为平衡的转子。 根据转子惯性力系简化的结果不同，转子不平衡的可能情况有下列四种： 3 2 1 主矢不为零主矩为零 即j i 0 = m r , c 0 2 0 m o = 0 ，j | = j 。= 0 纺甥 c i 2 o f 显然，主矢露。便是惯性力系的图3 4 合力。而且这个合力豆。通过质心c ，这时0 ，转轴z 与中心惯性轴平行， 这种不平衡相当于把一个不平衡质量m 加在一质量m 、半径为r 的平衡转子的 中心平面上。如图3 - 4 所示，这时转子新的重心位于原重心平面内，离原来重 心的距离为p ( p ；等称为偏心距) ，新的中心惯性轴和转动轴线始终平行，当转 肘 子旋转时，由偏心距引起离心惯性力使轴承产生振动，要使这种转子平衡，只 需在中心平面内m 的对称位置上加一相等的质量，转子便平衡了。当然，将原 先加的m 除去，结果也是一样。这种惯性力系简化为一通过质心的合力的不平 衡称为静不平衡。 3 2 2 主矢和主矩均不为零但相互垂直 这时，主矢r o 在合力偶的作用面 内，由于豆d o ，风0 j 但j i 。上也， 故可再进一步向0 点简化，使m ；= 0 ， 而冠= 孟d o ，这样，新的主矢豆d 便是 图3 - 5 惯性力系的合力，作用于d r 点( 不是质心) ，这种不平衡相当于在平衡转子m 的过d ，点的平面上加上不平衡量m ，这时中心惯性主轴和转动轴线相交，如图 3 5 所示。由于转子的惯性力系最后的简化仍可得到一个单独的合力露，这种 l8 浙江大学硕士学位论文 刚性转子的平衡 不平衡称为准静不平衡。平衡这种转子也只需在某一个特定平面上加上或去除 一定的质量便可达到平衡。 3 2 3 主矢为零主矩不为零 即r o = 纸街2 0 ，= 0 ，故转动 线通过质心。 而o 0 ，j 。事o ，j 。0 。 这说明惯性力系合成为一个力偶， 可以用两个等重量的不平衡量分别加在 平衡转子的两个平面上来表示，如图3 - 6 ， 2 ) 时，偶不平衡对轴承的动压力 影响较小，往往也只需要静平衡。 2 ) 当，d 时，只要工作转速大于1 0 0 0 转分，都要进行动平衡。 以上只是一般原则，有特殊要求的转子必须特殊考虑。