（机械电子工程专业论文）巨型船用螺旋桨静平衡检测理论与方法研究.pdf

江苏大学硕_ l - - 学位论文 摘要 螺旋桨大型化的发展趋势对其性能的检测提出了新的要求，为此本文研究 了静平衡检测的理论和方法，为螺旋桨等大型旋转机械的静平衡检测提供具有 实际意义的理论依据。以此为中心，本文进行了下述工作。 首先，基于转子静平衡检测的基本理论，对转子进行了分类，并对不同类 型转子的静平衡检测进行了分析与研究，总结出了影响静平衡检测方法的主要 因素，为全液压高精度静平衡仪的提出提供了理论依据。 其次，建立了全液压高精度静平衡仪机械结构的主要部分对中系统、 锁紧系统、悬浮系统的几何模型和数学模型，对检测系统的灵敏度、稳定性、 检测精度等主要性能指标作了分析，并进行了性能分析试验装置的设计。 然后，通过对定心误差及摩擦力矩等检测影响因素的分析得出了几点结论： 转子定心问题是影响测量精度的首要问题，在静平衡检测过程中对其应予以高 度重视；悬浮支点的位置、摩擦力矩的大小，都与静平衡仪的检测性能有关， 在设计时要重视这些参数；计算机测量系统是静平衡检测的一个误差环节，应 在硬件配置和软件构思时给予重视，同时软件技术有可能为测量系统的误差补 偿提供一个新的途径。 最后，提出了静平衡的计算机检测原理与方法。在此基础上，根据检测系 统的要求，对全液压高精度静平衡仪检测系统进行了硬件配置，应用w i n d o w s 系统平台、v i s u a lc + + 6 0 开发软件进行了测试系统软件设计。并对所设计的静 平衡仪和检测系统进行了现场调试，调试结果表明全液压高精度静平衡仪及其 检测系统对螺旋桨的静平衡检测是有效的。 本文的研究工作为静平衡仪的研究及其应用打下了一定的基础，也为螺旋 桨等大型转子的静平衡检测提供了一些理论依据和检测方法。 关键词：转子，螺旋桨，静平衡，定心误差，测试系统 i i 江苏大学硕- & - 学位论文 a b s t r a c t t h en e wr e q u e s to np r o p e l l e r sm e a s u r i n gp e r f o r m a n c ei sp u tf o r w a r db e c a u s e o ft h em a x i m i z a t i o nt r e n di nd e v e l o p m e n to fp r o p e l l e r t h es t a t i cb a l a n c em e a s u r i n g t h e o r ya n dm e t h o dh a sb e e ns t u d i e da n dt h et h e o r e t i c a lf o u n d a t i o nw i t hp r a c t i c a l m e a n i n gi s o f f e r e df o rt h es t a t i cb a l a n c em e a s u r i n gi nl a r g e s c a l er o t o r s u c ha s p r o p e l l e r , e t ci nt h i sp a p e nt h ef o l l o w i n gw o r ki sc a r r i e do u ti nt h ep a p e r f i r s t l y , t h er o t o rh a sb e e nc l a s s i f i e da c c o r d i n gt ot h eb a s i ct h e o r i e sa b o u ts t a t i c b a l a n c em e a s u r i n ga n dt h es t a t i cb a l a n c em e a s u r i n go fd i f f e r e n tk i n d so fr o t o rh a s b e e na n a l y z e da n ds t u d i e d t h em a i nf a c t o ri n f l u e n c i n gs t a t i cb a l a n c em e a s u r i n g m e t h o di ss u m m a r i z e da n dt h et h e o r e t i c a lf o u n d a t i o no ft h ef u l l yh y d r a u l i cs t a t i c b a l a n c i n gm a c h i n ew i t hh i g ha c c u r a c yi so f f e r e d s e c o n d l y , t h em o d e lo fc e n t e r i n gs y s t e m ，l o c k i n gs y s t e ma n ds u s p e n d i n gs y s t e m t h a ta r et h em a i nm e c h a n i c a lp a r to ft h ef u l l yh y d r a u l i cs t a t i cb a l a n c i n gm a c h i n e w i t hh i g ha c c u r a c yh a v eb e e ns e tu p t h em a i nm e a s u r i n gp e r f o r m a n c ei n d e x e s ， s u c ha ss e n s i t i v i t y , s t a b i l i t y , m e a s u r i n gp r e c i s i o n ，e t c h a v eb e e na n a l y z e d t h i r d l y , s o m ec o n c l u s i o n sa r ed r a w nt h r o u g ha n a l y s i so fm e a s u r i n gi n f l u e n c e f a c t o rs u c ha sc e n t e r i n ge r r o r , f r i c t i o nm o m e n ta n de t c t h ec e n t e r i n gp r o b l e ma b o u t r o t o ri st h ep r i m a r yf a c t o rw h i c hi n f l u e n c et h em e a s u r i n gp r e c i s i o na n dt h ee r r o r m u s tb e e np a i da t t e n t i o nt oi nt h ep r o g r e s so fs t a t i cb a l a n c em e a s u r i n g t h ep o s i t i o n o fs u s p e n d i n gf u l c r u ma n dt h ef r i c t i o nm o m e n ta r ea l lr e l a t e dt o m e a s u r i n g p e r f o r m a n c eo ft h es t a t i cb a l a n c ea p p e a r a n c ea n dt h e s ep a r a m e t e r ss h o u l db ep a i d a t t e n t i o nt ow h e nd e s i g n i n g t h ec o m p u t e rm e a s u r i n gs y s t e mi sa ne r r o rf a c t o ro n t h es t a t i cb a l a n c em e a s u r i n ga n di ts h o u l db ep a i da t t e n t i o nt ow h e nh a r d w a r es e t t i n g a n ds o f t w a r ec o n c e i v i n g a tt h es a m et i m es o f t - w a r ee n g i n e e r i n gm a yo f f e ran e w w a yf o rt h ee r r o rc o m p e n s a t i o no fm e a s u r i n gs y s t e m f i n a l l y , t h ec o m p u t e rm e a s u r i n gp r i n c i p l ea n dm e t h o do ns t a t i cb a l a n c ei sp u t f o r w a r d h a r d w a r es e t t i n ga n ds o f t w a r ed e s i g n i n ga r et a k e nf o r t h em e a s u r i n g s y s t e ma c c o r d i n gt ot h er e q u e s t a n dt e s to nt h es p o ti st a k e nt ot h es t a t i cb a l a n c e i i i 江苏大学硕_ - z - 学位论文 m a c h i n ea n dm e a s u r i n gs y s t e mw h i c ha r ed e s i g n e d t h et e s tr e s u l ts h o w st h a tt h e f u l l yh y d r a u l i cs t a t i cb a l a n c i n gm a c h i n ew i t hh i g ha c c u r a c ya n di t sm e a s u r i n g s y s t e ma r ee f f e c t u a li ns t a t i cb a l a n c em e a s u r i n gf o rp r o p e l l e r t h er e s e a r c hw o r ko f t h i sp a p e ro f f e r sac e r t a i nf o u n d a t i o nf o rt h es t u d yo fs t a t i c b a l a n c em a c h i n ea n da l s oo f f e r ss o m et h e o r e t i c a lf o u n d a t i o n sa n dm e a s u r i n g m e t h o d sf o r t h es t a t i cb a l a n c em e a s u r i n go f h u g er o t o rs u c ha sp r o p e l l e r k e yw o r d s ：r o t o r , p r o p e l l e r , s t a t i cb a l a n c e ，c e n t e r i n ge r r o r , m e a s u r i n gs y s t e m 江苏大学硕士学位论文 符号对照表 爿。一试验装置球面副的有效支承面积 4 。一静平衡仪球面副的有效支承面积 p 一螺旋桨质心偏心距离 ，一摆动副运动界面的摩擦系数 正。一试验装置球面副的当量摩擦系数 庀一静平衡仪球面副的当量摩擦系数 h 一油膜厚度 ，一相对于旋转中心的不平衡力矩 i ，一螺旋桨转动惯量 以一当悬浮支点和螺旋桨质心重合时螺旋桨的转动惯量 a 一内支撑筒弯曲弹性系数 t 一静平衡仪灵敏度 ，一悬浮支点与螺旋桨质心之间的距离 ，。一试验装置加载物重心与球头球心距离 屯一静平衡仪转子重心与球头球心距离 一重心距螺旋桨上端面距离 f 2 一螺旋桨高度 肘，一试验装置所能承受的负载 m 。一静平衡仪所能承受的负载 v l l i 江苏大学硕士学位论文 m 一螺旋桨及静平衡仪可动部分( 转子) 的质量 埘一产生静不平衡的附加质量 以一摆动副可动部分所形成的正压力 p 一内支撑筒所受的横向力 r 一棚的径向分布直径 r 一平衡质量添加或去除位置离轴线的径向距离 心一悬浮球球头半径 r 一运动表面的摆动半径 r ，一试验装置球面副的半径 r 。一静平衡仪球面副的半径 直。一配重的作用力臂 r i p - - 静平衡仪球面副静摩擦力矩的力臂 丁_ 一试验装置支承处的静摩擦力矩 一定心锥临界角 口一定心锥锥角 d 一上下锥锁紧偏差 啶一上下锥偏差引起的重心偏移量 口一螺旋桨相对于直立方向的偏转角 一支点处的粘性阻尼系数 一球头球心与球面套球心的偏心距 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学位保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部内容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和汇编本学位论文。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用本授权书。 不保密囵。 学位论文作者签名：孑挺趣f 訇 2 0 0 6 年；月z 7 日 指导教师签名：能 易川年夕月衫日 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容外，本论文不包 含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全 意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：方长越圜 曰期：z 口口莎年孑月2 7 日 江苏大学硕- - & - 学位论文 第1 章绪论 各类机械设各、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以外，对于般的机械来说，振动是有害的。它将使零部件 承受附加的动载荷，加速轴承、轴颈的磨损，降低精度，甚至使机械过早损坏。 现代机械正朝着高速、高效率、高精度和大型化的方向发展，限制和降低机械振 动就显得更加重要。对于旋转机械而言，这个问题尤为突出。 旋转机械有着悠久的历史，在蒸汽时代以前，旋转机械的旋转速度还很低， 传递的能量也很小。进入现代社会以后，为了满足生产、生活的需要，机械向着 精密化、大型化、高速化的方向发展。在诸如钢铁、石化、航空航天的大型生产 企业中，旋转机械包括了风机、汽轮机、电机、压缩机、航空发动机、泵等关键 设备，其运行状况的好坏直接影响企业的生产，一旦出现故障，将造成巨大的经 济损失。因此，企业对这类设备的状况非常关注。 1 1 课题的背景及来源 1 1 1 大型旋转机械面临的问题 大型旋转机械面临的一个最大的问题是振动问题，由于振动而损害机械的性 能占有相当大的比例。在产生振动的各种原因中，最主要的是由于转子具有不平 衡质量而产生的惯性力或惯性力矩 1 】 2 1 1 3 1 。据统计，旋转机械的振动，有3 0 以 上是由于不平衡所引起的 4 1 。引起转子不平衡的原因是多方面的，如( 1 ) 由于 结构设计不合理而造成的几何尺寸不同心，或几何中心线偏离旋转轴；( 2 ) 制造、 加工和安装误差；( 3 ) 转子材质不均匀或毛坯的缺陷，或受热不均匀；( 4 ) 转子 初始弯曲；( 5 ) 工作介质中的固体杂质在转子上不均匀沉积；( 6 ) 转子在使用过 程中被腐蚀、磨损；( 7 ) 转子上零部件松动、脱落。 在旋转机械中，运动部分质量分布不均匀，就会产生惯性力。这种惯性力如 果没有得到很好的平衡，则与不平衡相应的力就会作为动载荷作用在机械的静止 部分，从而导致如下不良后果：( 1 ) 造成转子的反复弯曲和内应力，从而引起转 予疲劳，甚至引起转子断裂；( 2 ) 使机器在运转过程中产生强烈的振动和噪声， 从而会加速轴承等零件的磨损，降低机器的寿命和效率；( 3 ) 转子的振动会通过 轴承、基座等传递到基础和建筑物上，从而导致工作环境恶化。 江苏大学硕士学位论文 为了消除或降低旋转机械的振动，首先考虑的方法之一是对转子进行平衡。 平衡是通过在转予上去材料或加配重的方法来改变转子的质量分布，使不平衡引 起的转子振动或作用在轴承上的振动力减4 , 至l j 规定的允许范围之内，以达到机器 平稳运行的耳的。在线性系统中，不平衡引起的振动，其频率等于转子回转频率； 当系统具有非线性时，不平衡引起的振动，除了以转子的回转频率作为基频外， 还有一系列的高次谐波分量【5 1 。平衡问题贯穿机械设计、制造和检修的全过程， 是机械设计和制造中的一门重要技术。而且由于转子系统仍存在许多有待解决的 问题。因此，研究平衡理论具有重要的意义。 1 1 2 巨型船用螺旋桨静平衡高精密检测理论与方法研究的意义 随着造船技术的不断进步，各种远洋货轮及船舶的吨位趋于大型化，速度趋 于高速化，这种发展趋势相应的要求船用螺旋桨的尺寸不断加大、运转速度不断 提高，这就给船用螺旋桨的制造、设计及检测提出了新的问题。 螺旋桨是船舶前进的动力。螺旋桨静平衡特性不佳，将使船舶产生剧烈的振 动和噪声。这对船舶的航速、寿命、航行的平稳性、乘员的舒适性产生严重的影 响。螺旋桨运转时的性质是动不平衡。但由于螺旋桨的转速不高，长径比不大， 在实用中除非有特殊要求对其作动平衡试验外，一般只作静平衡检验，将实际存 在的不平衡控制在允许的范围内。所以对于船用螺旋桨检测而言，一个很重要的 检测项目是螺旋桨的静平衡。对于巨型的船用螺旋桨，目前一般只用静平衡的结 果来判断、推测螺旋桨的实际运行状况和动力特性。因此，如何提高其静平衡检 测的质量显得尤为重要。 目前，就船用螺旋桨的静平衡检测而言，国内所采用的方法多数为卧式平衡 检测方式，这种方式使得磨削叶片的工作非常困难，操作人员的安全保护方面也 有一定的难度；另外，这种方式只适用于小型船用螺旋桨；再则，在测试手段上 仍采用挂重法或配重法，作为高精度检测是有缺陷的。 从国外的情况看，据有关专家的实际考察，对于巨型船用螺旋桨，在静平衡 检测方面已经在采用新的高精度、高灵敏度的静平衡检测装置，但由于技术上尚 无公开的报导和相关资料，这需要我们对其进行分析研究。 从现实需要看，随着巨型船用螺旋桨技改项目的启动、运行，迫切需要高精 度的螺旋桨静平衡测量装置，这为开展本课题的研究提供了良好的契机。 2 一 江苏大学硕士学位论文 鉴于上述理由，开展巨型船用螺旋桨静平衡超精密检测理论与方法的研究是 一项非常有意义的工作。 1 2 转子平衡技术的发展概况 1 _ 2 1 平衡机的分类 平衡机是用于测定转子不平衡的机器，按其测量结果进行校正，以改善被平 衡转子的质量分布，使转子运转时的振动或作用于轴承的力减少到规定范围内。 平衡机的主要功能是测量，有时还附有校正装置，以提高平衡效率。 平衡机的种类繁多，可以从应用和原理两方面去划分【”。从应用方面分，有 通用平衡机与专用平衡机；卧式平衡机与立式平衡机：质量定心机与现场平衡仪； 误差式平衡机与可校正式平衡机：微型、小型、中型、重型系列平衡机。从原理 分，有离心式平衡机与重力式平衡机；软支承平衡机与硬支撑平衡机。 通用平衡机是在规定的转子重量和转速范围内，能平衡形状、尺寸不同的多 种转子的平衡机。专用平衡机是在规定的转子重量和转速范围内，只能平衡某一 类型的转子的平衡机。例如曲轴平衡机、传动平衡机、陀螺平衡机等。 卧式平衡机是被平衡转子的旋转轴线在平衡机上呈水平状态的平衡机；而立 式平衡机是被平衡转子的旋转轴线在平衡机上呈竖立状态的平衡机。 质量定心机是在转子毛坯阶段改变转子质量分布使转子的轴线尽量与中心 主惯性轴一致，从而减小转子的初始不平衡量的机器；现场平衡仪是在现场用于 对已安装好的整机或机组进行平衡测试的仪器。由于几乎所有的测振仪均可用于 现场平衡，所以现场平衡仪一般是指专门用于现场平衡的、可同时测量振幅和相 位的仪器，而不包括可用于现场平衡的其他测量仪器。 误差式平衡机校正平面之间的相互影响不能消除，不平衡量值的大小无直观 显示，效率很低，已趋于淘汰；可校正式平衡机能直接显示出校正平面上的不平 衡量的大小和相角的数值，它的缺点是需要花费时间作调整运转来进行标定。 按照平衡机的主要规格之一，即被平衡转予的重量来划分，又可分为微型平 衡机( 转子重量0 0 0 1 1 千克) 、小型平衡机( 转子重量o 3 1 0 0 千克) 、中型 平衡机( 转子重量3 0 3 0 0 0 千克) 、重型平衡机( 转子重量1 1 0 0 吨) 。 从平衡机的结构原理来看，最常见的是离心式平衡机。它是在旋转状态下根 m 3 - - 江苏大学硕士学位论文 据转子的不平衡离心力引起的振动位移或振动力来测定转子不平衡的平衡机。其 中完成双面平衡用的离心式平衡机就是平常所说的动平衡机，而完成单面平衡用 的离心式平衡机则属于静平衡机范畴。另一种平衡机是重力式平衡机，这种平衡 机依赖于转子本身的重力作用，在转子不旋转状态下测量其静不平衡量。重力式 平衡机又可分为滚动式和天平式两种。 按平衡机转子一支撑系统的力学特性又可分为软支承平衡机和硬支承平衡 机。软支承平衡机的平衡转速高于转子一支承系统的固有频率，平衡转速表示为 角速度，固有频率为。，通常取 2 5 。硬支承平衡机的平衡转速低于转 子一支承系统的固有频率，通常取国 o 3 国。 介于软、硬支承平衡机之间还有两种平衡机。一种是谐振式平衡机，它的平 衡转速恰好落于转子一支承系统的固有频率上。这种平衡机的幅频特性及相频特 性很不稳定，但是灵敏度高，具有良好的机械选频性能，利用共振采样技术，可 以提高微型零件的平衡精度。另一种是半硬支承平衡机，它的平衡转速也低于固 有频率，通常取0 3 0 ) 。 1 1 , 3 。，否则系统自锁，不能导向。如果a 取值太大，将导 致锁紧力目太小，锁紧不可靠。因此，只有口取值适中，才能使定心锥有良好 的导向性，锁紧程度适宜，能够满足工程要求 以上讨论了锁紧系统正常工作对定心锥锥角的要求，下面分析上下锥定位偏 差对内支撑筒的影响。 静平衡仪工作时，螺旋桨及静平衡仪可动部分在油压的作用下，悬浮在内支 撑筒的悬浮球上，内支撑筒受力很大，由于内支撑筒具有较大的刚度，如果受到 一定横向力作用后产生挠曲，并产生振荡，使整个系统失稳。 上下锥偏差时的锁紧模型如图3 7 所示，由于螺旋桨的质量很大，可忽略静 平衡仪可动部分质量，假设螺旋桨质量均匀分布，其重心与几何中心重合，由几 何相似关系可得， 鱼：生：三 41 2 2 ( 3 - 6 ) 由于上下锥偏差引起的重心偏角较小，而且相对于上下锥中心的距离来说 悬浮球球心与螺旋桨重心的距离较小，所以疋z 疋，由近似的几何相似关系得 土：軎：善 ( 3 7 ) m g 墨2 一岛，2 岛2 一如2 式中： 点为上下锥锁紧偏差： 覆为上下锥偏差引起的重心偏移量； 最为上下锥偏差引起的重心近似偏移量； 为重心距螺旋桨上端面距离： ，为螺旋桨高度： 江苏大学硕- z - 学位论文 岛为悬浮球球头半径； p 为内支撑筒所受的横向力。 图3 7 上下锥偏差锁紧模型 f i g u r e3 - 7l o c k i n gm o d e lw i t hd e v i a t i o no f u p p e rg o n ea n dl o w e rc o n e 由式( 3 6 ) 、( 3 7 ) 化简可得， 肚蚴降啦南 ( 3 - 8 ) 从式( 3 8 ) 可以看出p 与m 、咒、4 有关，在检测螺旋桨的时候，可以通过 提高上下锥的同心度减小横向力p 的影响。 江苏大学硕- z - 学位论文 3 3 3 支撑系统模型 内支撑简是整个支撑系统的重要组成部分，为了应用振动系统的动力学特性 对其进行分析计算，将内支撑筒简化为如图3 - 8 所示的悬臂梁模型，仅考虑水平 方向的振动，由于水平方向的振动阻尼较小，可视为无阻尼状态，根据机械振动 力学模型简化原则，将图3 - 8 简化成图3 - 9 所示的单自由度无阻尼自由振动系统， 根据机械振动原理得到该力学模型的数学表达式为： z = a s i n ( c o t + 妒)( 3 - 9 ) x = a 0 9 。c o s ( c ot + 妒)( 3 1 0 ) x = 一a 峨2s i n ( c o t + 妒)( 3 1 1 ) 式中：x 为位移：x 为速度；z 为加速度；a 为振幅；峨为固有频率；庐为初相 位。 f b 9 曰 名 图3 - 8 悬臂梁力学模型 f i g u r e3 , 8m e c h a n i c a lm o d e lo f c a n t i l e v e r 江苏大学硕士学位论文 图3 - 9 自由振动力学模型 f i g u r e3 - 9m e c h a n i c a lm o d e lo f f r e ev i b r a t i o n 系统的固有频率是系统本身所固有的特性，决定于系统本身的参数质量m 及 刚度k ，而与初始条件无关。所以，悬臂粱的固有频率 撅2 餍 ( 3 - 1 2 ) 根据初始条件，当t = 0 时，初相位为悬臂梁的最大挠度，又根据材料力 学的计算公式得： ：p133(3-13)xo 3 e = 根据初始条件= 0 ，由式( 3 - 9 ) 、( 3 l o ) 得：妒= 9 0 。，a = x 0 。所以式( 3 9 ) 式( 3 - i1 ) 可用已知参数表示为： x = x oc o s ( c a n t ) ( 3 - 1 4 ) x = 一x o c o 。s i n ( o t )( 3 - 1 5 ) x = 一x 0 0 ) n 2c o s ( t ) f 3 16 ) 对式( 3 8 ) 、( 3 1 2 ) 、( 3 - 1 3 ) 、( 3 - 1 4 ) 进行分析，可得支撑筒顶端位移曲线如图 3 1 0 所示，其参数取值为：内支撑筒密度岛= 7 8 5 1 0 3 够，内支撑筒外径 d f = 1 9 4 m m ，内支撑筒内径4 = 1 4 4 r a m ，内支撑简截面惯性矩 ，= 告( d f 4 4 4 ) = 4 8 4 x 1 0 。m 4 ，内支撑筒材料为4 5 钢，弹性模量e f 双2 0 0 g p a ， o q 螺旋桨质量m = 7 0 1 0 3 堙，球头半径也= 1 2 5 m m ，内支撑筒长度f 3 = 1 4 5 5 m m ， 上下锥偏差反= 1 0 m m 。 图3 1 0 上下锥偏差a = l o m m 时内支撑筒顶端位移曲线 f i g u r e3 - 1 0t o pd i s p l a c e m e n tg r a p ho f s u p p o r t i n gc y l i n d e rw h e nt h ed e v i a t i o no f 1 日 1 6 1 4 1 2 1 0 u p p e rc o n ea n dl o w e rc o n e4i s 1 0 m m 7 z 7 z 051 0162 。2 63 5加4 5 5 0 偏差6 ( m m ) 图3 - 1 1 上下锥偏差与内支撑筒最大挠度关系曲线 f i g u r e3 - 11t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nm a x i m u mf l e x i v i t ya n dd e v i a t i o no f u p p e rc o n ea n dl o w e rc o n e _ 2 8 一 言量摹* 日 6 4 2 0 言昙qj毯鞯k略 江苏大学硕- 3 = - 学位论文 从曲线图3 1 0 可以看出，当上下锥存在偏差时，在忽略阻力的情况下，内 支撑筒顶端作等幅振荡，影响系统的稳定性，对测量系统是有害的，由于振荡不 随时间的推移而衰减，其产生的影响不可忽视。因此，进行平衡检测时，在螺旋 桨的装卡过程中，务必采取一定的措施，保证上下锥的轴线尽可能在一条垂直线 上，这样才能保证检测结果的准确性。 内支撑筒的最大挠度为五2 蠢，结合式( 3 8 ) ，参数取值同上，可以得到 上下锥偏差与内支撑筒最大挠度关系曲线，如图3 1 1 所示。内支撑筒的挠度随 着上下锥偏差的增大而增大，成正比关系，从这个角度来说，也要求尽量减小上 下锥偏差。 从压杆稳定性的角度来看，内支撑简可以作为上端自由端，下端固定端长为 f 3 脏杆，期泳黜临界压力为己2 器或2 5 1 0 7 ，对于承载几十蚴 螺旋桨来说是足够的。 3 3 4 悬浮系统模型 悬浮系统是关系到检测的关键部分，为了分析问题的方便，将其简化为一个 线性模型，如图3 1 2 所示。 图3 1 2 悬浮系统简化模型 f i g u r e3 - 1 2s u s p e n d i n gs y s t e mm o d e l 江苏大学硕士学位论文 根据刚体绕定轴转动的微分方程可得悬浮系统模型微分方程： ，窘小警一m g l s 姗一 p 切 其中： 0 为螺旋桨轴线相对于直立方向的偏转角； ，为悬浮支点与螺旋桨质心之间的距离； ，为螺旋桨转动惯量，j = j o + 刃2 ； 以为当悬浮支点和螺旋桨质心重合时螺旋桨的转动惯量； 为支点处的粘性阻尼系数； k 为内支撑筒弯曲弹性系数。 3 4 本章小结 本章总结了螺旋桨静平衡检测的常用方法平衡轴滚动法的弊端，然后提 出立式摆动法的构想。在此基础上介绍了这种静平衡仪的结构原理和工作过程， 并对对中系统、锁紧系统、支撑系统、悬浮系统等主要组成部分建立了几何模型 与数学模型，为下一章静平衡仪的性能分析作了准备。 江苏大学硕士学位论文 第4 章全液压高精度静平衡仪的性能分析 仪器的性能是衡量仪器优劣的客观准则，本章在上章所建模型的基础上， 将对静平衡仪的性能作详细的分析。 4 1 检测系统的灵敏度分析 4 1 1 不考虑摩擦力矩的作用 灵敏度是评价静平衡仪优劣的一项重要指标，反映了静平衡仪对被测参数变 化的灵敏程度。根据一般仪器对灵敏度的定义，灵敏度常以在被测参数改变时， 经过足够时间仪器指示值达到稳定状态后，仪器输出变化量与引起此变化的输入 变化量之比来表示。对于本课题提出的静平衡仪来说，输入量为产生静不平衡的 附加力矩，输出量为螺旋桨的偏转角o ，所以静平衡仪的灵敏度可表示为 墨：型箬。如果不考虑摩擦力的作用，由式( 3 1 ) 、( 3 3 ) ，可得， 刑 m g l s i n = m g r = i( 4 - 1 ) 其中e = ls i n o 由于螺旋桨作微小摆动，可认为口接近于零，因此s i n o * 臼，将式( 4 1 ) 变化后得， 妒署= 南 ( 4 2 ) 提高巨型螺旋桨的检测的灵敏度，还是一个值得深入研究的问题。从所导出 的灵敏度公式( 4 2 ) 可知，被测螺旋桨质量越小，灵敏度越高。螺旋桨及平衡仪可 动部分重心与支承点的距离越短，平衡仪的灵敏度越高。所以，在设计平衡仪时， 应该尽量缩短螺旋桨重心和悬浮支点的距离，以获得较高的灵敏度。 4 1t 2 考虑摩擦力矩的作用 静平衡仪虽然应用了低摩擦的球面静压支承，摩擦力还是存在的。螺旋桨的 偏转导致球头与球面套之间的张角变化，而且摩擦力矩随着张角的变化而变化， 所以摩擦力矩与偏转角0 有关，假设为t ( p ) ，则式( 4 - 1 ) 变为 蜊s i n o = 一0 ( p ) ( 4 - 3 ) 江苏大学硕士学位论文 同上，s i n o m 0 , 变换后可得，心f 等= 1 一百d r a o ) 面d o ，这种情况下，灵敏度为 蜒虿d o 瓦1 孕 降4 ) 摩擦力的存在使平衡仪的灵敏度降低，所以采用球面静压支承以减小摩擦力 的影响。 4 2 检测系统稳定性分析 检测系统在实际工作中，总会受到外界和内部一些因素的扰动，例如负载变 化、油源压力脉动、系统参数的变化等等，使系统偏离原来的平衡工作状态。经 典控制分析中，关于线性定常系统稳定性的概念是：如果系统受到扰动作用而偏 离平衡状态，当扰动去除后，如能够恢复到平衡状态，系统是稳定的，否则系统 就是不稳定的。稳定性是检测系统正常2 1 2 作的首要条件。 对于稳定的系统来说，测量系统在稳态下的精度是一项重要的指标，通常用 稳态下输出量的要求值与实际值之间的差来衡量。稳态误差必须控制在允许的范 围之内，测量系统才有使用价值。 4 _ 2 1 系统参数的推导 为了研究检测系统的稳定性，可以将平衡仪的悬浮系统简化为一个线性模 型，该模型已经在上一章建立，如图3 - 1 2 所示，螺旋桨及其平衡仪可动部分的 质量等效为集中质量点m ，球面静压支撑简化为铰链联接，内支撑筒等效为刚 性杆，。 g t 式( 3 - 1 7 ) 整理得：，万d 2 0 + 等+ ( 面f + 七) 臼= ( 4 - 5 ) 由拉氏变换得：i s 2 口( s ) + 卵( j ) + ( 4 矿+ 意) 日( s ) = ，( s ) ，由此可得系统闭环传 递函数为 郴) = 篱= 矿丽丽1 丽 ( 4 - 6 ) 其系统结构图如图4 - 1 所示。 江苏大学硕士学位论文 式( 4 6 ) 传递函数的特征多项式为d ( s ) = j s 2 + s + 堙f + 女，其特征根是 吣：-it+、孕,u2-4j(mgt+k) m ) ( 4 - 1 8 1 ( a ) c o ) 图4 - 3 定心系统原理图一 f i g u r e4 - 3p r i n c i p l eo fc e n t e r i n gs y s t e m 在存在定位误差万的情况下，g ：的值可以从静平衡仪摆动的幅度得到。由理 想状态的情况分析可知，q 趋近于零的程度反映被测螺旋桨的平衡程度。所以， 可以通过检测e ：与占的接近程度反映被测螺旋桨的平衡程度。但是，定位误差万 的方向角和大小通常是不可测的，即实际上无法从e ：来判断不平衡状态。若要用 e ：来判断平衡状态，则必须使占趋近于0 ，即p ：“e 。 心轴轴线和螺旋桨中心孔轴线产生水平偏移量d ，且两者之间产生夹角皖， 定心状态如图4 4 所示。 其力矩平衡方程： _ 3 6 江苏大学硕士学位论文 m g ( e 3 一l s i n o k 一占) = m g ( r + l s i n o k + 占) 结合式( 3 4 ) 变换简化后得： 坞= 铂+ m ( 1 s i n o k + j ) + m ( 1 s i n 0 , + 占) 由于只较小，s i n 0 “0 ，所以 岛2 ”( 1 + 嚣) 删+ ( 垓呐( 肘 聊) ( 4 - 1 9 ) r 4 2 0 ) 图4 - 4 定心系统原理图二 f i g u r e4 - 4p r i n c i p l eo f c e n t e r i n gs y s t e m 这是在实际螺旋桨检测中最般的情况，存在定位误差6 、以，根据第二种 情况的分析及结合式( 4 一1 8 ) 、式( 4 2 0 ) 的对比可以知道，若要用岛来判断平衡状态， 则必须使魄+ 占趋近于0 ，这不仅要求对中系统定位精确，而且应该尽量缩短螺 旋桨及平衡仪可动部分重心与支承点间的距离。 通过以上情况的分析，我们不难发现，由于定位对测量产生的误差是随机的， 所以，在实际检测中，装卡螺旋桨的芯轴时，要保证与其轴线尽量重合，这样才 能保证测量结果的精确性。 4 3 2 消除定心误差采取的措施 为了提高测量精度，消除对中系统的定位误差，可以采用如图4 - 5 所示的浮 江苏大学硕士学位论文 动定心结构。 工作时，采用上下双锥导向的功能，以尽量使螺旋桨对中；由于一次粗定位 不能完全保证其定位精度，装卡时应用调整法二次定位；为了使芯轴能够自动找 正，该结构采用了浮动定心支撑。以上措施可实现将定心误差减少到允许的工作 范围内。 图4 - 5 浮动定心结构图 f i g u r e4 - 5s t r u c t u r eo f f l o a t i n gc e n t e r i n gd e v i c e 1 传感器2 ，支撑油缸3 被检螺旋桨4 上锥块5 锁紧、对中油缸 6 球面静压支承7 下锥块 通过以上分析可以看出： 将传统的卧式结构改为立式结构，采用球面静压支撑，既提高了检测装置的 安全性和方便性，又使螺旋桨处于低摩擦的静压悬浮状态，提高了静平衡仪的检 测精度。 在静平衡检测中，心轴轴线和螺旋桨中心孑l 轴线往往会产生偏移、偏角，因 此转子的定心问题对测量精度的影响很大。在静平衡仪的设计制造以及螺旋桨的 吊装过程中，应尽量采取有效的措施减小定心误差。 采用双锥导向的浮动定心结构及二次定位的工艺，对消除对中系统的定心误 差是一项有效的措施，从而减小了其对测量精度的影响。 江苏大学硕士学位4 & - 文 4 3 3 悬浮系统摩擦力矩对测量精度的影响 前面是对摆动副的摩擦力矩忽略不计的情况下而言的，事实上，尽管采用静 压支撑的滑动摩擦副，摩擦力矩可以大大降低，但由于大型螺旋桨的重量很大， 摩擦力矩在某些情况下对；贝 j 量精度的影响很大，设摆动副的摩擦力矩为l ，则 弓= ，风= 哟( 4 - 2 1 ) 式中： ，为摆动副可动部分所形成的正压力，与m 相等； ，为摆动副运动界面的摩擦系数； 风为运动表面的摆动半径。 参照完全定心状态下的力矩平衡方程式( 3 4 ) ，平衡方程可表示为： m e l 均= m r el万m胄千风(4-22) 在具有偏心占的情况下，参照式( 4 - l8 ) ，力矩平衡方程可表示为： m e 2 + + m f r o = m e i ( m + m ) 6 p 2 = p l ( 1 + 万m ) 卵f r o ( 4 - 2 3 ) 在具有偏心占和夹角o k 的情况下，参照式( 4 - 2 0 ) ，力矩平衡方程可表示为： m e 3 + - m ：g o = m e , + m ( i s i n o k + 万) + m ( 1 s i n 8 k + 占) e 3 = e l + ( 1 + 旁( a ) - v - f r o ( 4 - 2 4 ) 式( 4 2 2 ) 、( 4 2 3 ) 、( 4 2 4 ) 可以看出，考虑了摆动副的摩擦力矩后，表达式有 附加项f r o ，f 越小，r 越小，摩擦项对平衡条件的影响也就越小，也就是说， 采用低摩擦、小球径的滑动摩擦副有利于提高静平衡检测的精度。 4 3 4 电子测量系统对静平衡检仪性能的影响 电子测量系统是静平衡检测的一个重要环节，对静平衡仪性能的影晌主要与 所选的硬件有关，这里包含传感器、变送器的误差，数据采集系统的精度等。 江苏大学硕士学位论文 其次与电磁干抗有关，由于检测系统中的元器件和电子线路具有工作信号电 平低、速度快、元器件安装密度高等特点，因而对电子干扰比较敏感。这就要求 在现场安装与调试中采取适当的抗干扰措施，保证实际使用中静平衡检测系统的 正常工作。 最后与测量方法和相应的数据处理、数值分析及结果评判软件有关，这恰好 为我们提供了一个误差补偿的空间，即如果对静平衡检测主要环节的误差规律有 比较清晰的了解，可通过软件补偿的方法来消除测量误差，提高测量精度，这是 一个需要继续探讨的问题。 4 。4 本章小结 本章详细分析了全液压高精度静平衡仪的灵敏度、稳定性、检测精度等性能 指标，总结了悬浮系统摩擦力矩、悬浮支点位置、电子测量对静平衡仪检测性能 的影响。 通过对定心误差及摩擦力矩等影响因素的分析可以得出以下结论。 1 转子定心问题是影响测量精度的首要闯题，在静平衡检测过程中对其应 予以高度重视。 2 悬浮支点的位置、摩擦力矩的大小，都与静平衡仪的检测性能有关，在 设计时要重视这些参数。 3 计算机测量系统是静平衡检测的一个误差环节，应在硬件配置和软件构 思时给予重视，同时软件技术有可能为测量系统的误差补偿提供一个新的途径。 关于此静平衡仪的特性还有待于进一步的试验研究。 江苏大学硕士学位论文 第5 章静平衡仪性能分析试验装置设计 前面两章从理论上研究了精度、灵敏度、稳定性等平衡仪的检测特性及摩擦 力矩、定心等问题对检测性能的影响，由于受相关领域尤其是检测理论发展水平 的限制，在理论建模和分析中作了某些假设和简化，因此理论分析的正确与否需 要通过试验进一步验证。本章主要设计了摩擦力矩的测量方案，同时给出负载重 心高低对灵敏度的影响程度的测定。 5 1 引言 虽然静平衡仪采用了低摩擦的球面静压支承，减小了摩擦力对测量的影响， 但螺旋桨的质量很大，整个系统是个大惯性系统，球面静压支承的静摩擦力矩仍 是影响检测系统灵敏度、稳定性等性能指标的重要因素之一。然而，球面副的静 摩擦力矩是个比较复杂的问题，它不仅与球面副本身的结构尺寸、材料及热处理 方式有关，还与承载载荷、油腔压力、润滑条件及环境参数有关。鉴于摩擦力矩 的不确定性、复杂性，用理论分析的方法难以求得其精确值，因此，对摩擦力矩 实验研究有着重要的实际意义。 理想的情况是在额定工况条件下直接从静平衡仪的球面支承中测得静摩擦 力矩、油腔压力等摩擦副的有关参数，分析其对测量精度的影响。但由于被测螺 旋桨不平衡质量的影响，导致直接从静平衡仪中测得在承载情况下的静平衡力矩 相当困