（机械制造及其自动化专业论文）盘片在线动平衡装置研究.pdf

摘要 摘要 在旋转机械中，由转子部件的加工精度、材料缺陷及安装误差产生的偏离旋 转轴线的质量偏心，会导致旋转机械产生振动，影响装置运行平稳性及部件的磨 损。针对这个问题人们提出了对转子进行动平衡检测及控制以达到减少振动的目 的。然而目前大多数的动平衡方式都需要旋转机械起停机数次，干扰了设备的运 行。随着科技的发展，对于生产效率及精度的要求不断提高，不需停机就能调节 动平衡的在线动平衡检测与控制系统，成为了动平衡领域中研究的热点之一。 在对目前在线动平衡的方法进行研究后，本文以计算机硬盘盘片旋转系统为 研究对象，针对目前的各种在线平衡方式存在着元件多、结构复杂，控制困难等 缺点，提出了采用只需一个测振传感器的平行四边形法来检测计算偏心质量的大 小及位置，并使用机械磨削去重的方式对转子的偏心质量进行调整，精简了机构， 并在此设计思想的基础上制作了盘片在线动平衡装置。 为了提高平衡效率及避免破坏转子，装置采用预置易磨削质量块的方式，对 这些质量块进行磨削去重以调节偏心质量。对比了不同的材质后，选取了合适的 磨头及质量块，对于提高磨削速度、减少磨削时的振动起了一定的作用。 为了实现自动动平衡的目的，以单片机作为控制核心，对传感器的振动信号 进行采样、分析，并通过控制步进电机带动磨头进给，自动去除偏心质量。 论文最后对制作的在线动平衡装置进行初步的实验研究。实验包括：1 来自 外界的噪声对不平衡量的信号的提取有干扰作用，本文通过对比在相同的外界振 动干扰情况下不同隔振材的隔振实验效果，选取隔振效果较好的隔振材，减少了 外界的振动干扰。2 对传感器与硬盘的相对放置位置进行了研究，对比在相同振 动条件下传感器在不同位置测得信号的大小，确定了最佳检测位置，有效地提高 了信噪比。3 对硬盘盘片旋转系统进行动平衡实验，验证了该盘片在线动平衡装 置的实验效果，动平衡后残留的不平衡量为1 9 5 m g m m ，接近最小振动时的不平 衡量1 3 2 m g m m ，实验结果表明该装置对于减少硬盘的振动有较好的效果。 广东工业大学工学硕士学位论文 关键词：在线动平衡；振动；平行四边形法 a b s t r a c t a bs t r a c t i nt h er e v o l v i n gm a c h i n e ，t h ee c c e n t r i cm a s sw h i c hc a u s e db yt h ei n s t a l l m e n t e r r o r so rr o t o rp a r t sm a n u f a c t u r ep r e c i s i o nw i l lm a k et h er e v o l v i n gm a c h i n ev i b r a t i n g ， w h i c hm a yi n f l u e n c em a c h i n es t a b i l i z a t i o na n d p a r ta t t r i t i o n s ot h ed y n a m i cb a l a n c e d e x a m i n a t i o na n dc o n t r o li sa p p l i e dt or o t o rf o rr e d u c i n gv i b r a t i o n h o w e v e r ，t h e r e v o l v i n gm a c h i n eh a v et or u na n ds t o po f fs e v e r a lt i m e st od oi tb yu s i n gt h em a jo r i t y d y n a m i cb a l a n c em e t h o d s ，w h i c hd i s t u r b se q u i p m e n t sw o r k 。a l o n gw i t ht h et e c h n i c a l d e v e l o p m e n t ，t h er e q u i r eo fp r o d u c t i o ne f f i c i e n c ya n dt h ep r e c i s i o ni su n c e a s i n g l y r a i s i n g t h eo n l i n ed y n a m i cb a l a n c ee x a m i n a t i o na n dt h ec o n t r o ls y s t e mw i t h o u t s t o p p i n gm a c h i n eh a sb e c o m eo n eo fh o tf o c u si nt h ed y n a m i cb a l a n c ed o m a i n a f t e rr e s e a r c h i n gp r e s e n to n l i n ed y n a m i cb a l a n c em e t h o d s ，ao n l i n ed y n a m i c b a l a n c ee q u i p m e n ti sd e s i g n e dt h a td e t e c t st h ee c c e n t r i cm a s sq u a l i t ya n dp o s i t i o n o n l yw i t ho n es e n s o ru s i n gp a r a l l e l o g r a mp r i n c i p l ei nt h er o l l i n gd i s ks y s t e mo ft h e h a r dd i s kd r i v e r ( h d d ) t h i se q u i p m e n tc o n t r o l st h ee c c e n t r i cm a s sb y g r i n d i n g ， w h i c hs i m p l i f i e se q u i p m e n ta n da v o i d so fm a n yc o m p o n e n t s ，c o m p l e xs t r u c t u r e ， d i f j f i c u l tc o n t r o la n ds oo n i no r d e rt or a i s et h eb a l a n c e de f f i c i e n c ya n da v o i dd e s t r o y i n gt h er o t o r ，t h e p r e f a s t n e s se a s i l yg r i n d i n gb l o c ki sp l a c e di nd i s kt ob eg r i n d e df o rc o n t r o l l i n g e c c e n t r i cm a s s t h eb l o c ka n dw h e e l h e a da r es e l e c t e dt h r o u g hc o n t r a s t i n gd i f f e r e n t m a t e r i a l s i tr a i s e sg r i n d i n gs p e e da n dr e d u c e sg r i n d i n gv i b r a t i o n i no r d e rt or e a l i z et h ea u t o m a t i cd y n a m i cb a l a n c e ，t h ee q u i p m e n tu s e ss i n g l e c h i pm i c y o c o ( s c m ) t os a m p l ea n da n a l y s i st h es e n s o r sv i b r a t i o ns i g n a la n dc o n t r o l s t e pm o t o rt of e e dw h e e l h e a df o rr e m o v i n gt h ee c c e n t r i cm a s s e x p e r i m e n t so ft h eo n l i n ed y n a m i cb a l a n c ee q u i p m e n ta r ec a r r i e do u ti nt h ee n d o ft h i sp a p e r t h ee x p e r i m e n t si n c l u d e ：1 t h eo u t s i d en o i s ed i s t u r b st h eu n b a l a n c e s i g n a l se x t r a c t i o n b yc o n t r a s t i n gt h ev i b r a t i o ni s o l a t i o ne f f e c to fs e v e r a lm a t e r i a l s i i i 广东工业大学工学硕士学位论文 o n eo ft h e mi su s e dt or e d u c et h eo u t s i d ev i b r a t i o nd i s t u r b a n c e 2 c o m p a r i n gt h e s i g n a l so fs e n s o ri nd i f f e r e n td i s t a n c et oh d d ，t h eb e s tl o c a t i o no fs e n s o ri sf o u n d w h e r es i g n a lt on o i s er a t i oi se f f i c i e n t l yi n c r e a s e d 3 t h ee x p e r i m e n ti sc a r r i e do u tt o b a l a n c eh d d r o l l i n gd i s ks y s t e mu s i n go n l i n ed y n a m i cb a l a n c e f i n a l l y , t h er e m a i n s o fv i b r a t i o ni s 19 5 m g 。m mt h a ta p p r o a c h e st h em i n i m u mv i b r a t i o n13 2 m g m m ，w h i c h i n d i c a t e st h a tt h eo n l i n ed y n a m i cb a l a n c ee q u i p m e n tc o u l dr e d u c eh d d sv i b r a t i o n e f f e c t i v e l y k e yw o r d s - o n l i n ed y n a m i cb a l a n c e ；v i b r a t i o n ；p a r a l l e l o g r a mp r i n c i p l e i v 广东工业大学工学硕士学位论文 独创性说明 秉承学习严谨的学风与优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，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，不包 含本人或其他用途使用过的成果。与我一同工作过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，并表示了谢意。 本学位论文成果是本人在广东工业大学读书期间在导师的指导下取得的，论 文成果归广东工业大学所有。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任，特此声明。 指导老师签字： 论文作者签字：乏趁鸟 枷8 年。彳月厶ie t 第一章绪论 1 1 本课题的研究意义 第一章绪论 材料密度分布不均匀、加工毛坯的缺陷、加工误差、装配误差和设计误差等 众多原因引起的转子不平衡，附加动载荷将通过轴承传到机器上，轻则引起整个 机器的振动，产生噪音，加速轴承的磨损，降低机器寿命，重则使机器失控，发 生严重事故。在生产中，许多旋转机械如风机【1 1 、高速水泵【2 1 、汽轮发电机组【3 】 等都对振动有严格的要求。随着旋转机械的大型化、高速化、连续化、集中化、 自动化的发展，生产系统中各设备的联系越来越紧密，某些机械一旦出现故障， 可能导致整个设备甚至整个生产过程无法正常工作。 动平衡是旋转类产品生产、制造过程中必须解决的一个基本的共性问题，其 优劣程度直接决定产品的工作性能、使用寿命，对产品的质量产生巨大的影响。 仅就电机而言，据统计1 9 9 8 年我国微电机行业生产企业约5 0 0 家，工业总产值近 2 0 0 亿元，2 0 0 0 年仅永康市电动工具行业总产值就超过1 0 0 亿元，全国电动工具 总产值超过3 0 0 亿元，需要动平衡校正系统近1 0 0 0 台。其它中小型电机产业也需 要动平衡校正系统，因此此类产品具有巨大的市场需求和广阔的市场前景【4 】。现 代工业及科学技术迅猛发展，无论是航空航天等高科技领域，还是机械制造、交 通运输、动力及纺织机械等基础工业，甚至于医疗器械、家用电器行业，都在向 高速度、高效率、高精度的方向发展。与此同时，如何抑制和减少振动噪声、节 约能源、提高工作和生活环境的舒适度也引起了人们的高度重视。解决这些问题 的主要途径是提高高速旋转机械的平衡精度。如汽车、电动工具等行业，其电机 向高速化、轻量化方向发展，对此类产品的振动、噪声等性能要求也越来越高， 对高精度动平衡技术的需求也越来越强烈【5 】。特别是目前设备向高速化、高效化 和高精化方向发展，动平衡问题已日益突出，在一些领域成为了制约整个行业产 品质量提升一个的关键因素。可见，高科技的发展离不开先进的动平衡校正技术 及其设备的应用，并且具有越来越强烈的需求【6 】。 1 广东工业大学工学硕士学位论文 对于生产效率的要求使得人们不满足于每次进行动平衡就需起停机数次的局 限，实时的检测，快速的调节，使得在线动平衡技术越来越受到更多关注。因此， 在旋转机械逐步向大型化、精密化、高速化的方向发展的同时，高精度，高效率 的在线动平衡技术的开发就具有非常重要的现实意思。 1 2 动平衡技术的发展及国内外研究现状 本节对与本研究密切相关的动平衡技术的发展做了简介，并概括说明了在线 动平衡技术的国内外研究现状 1 2 1 动平衡理论及技术发展 1 2 1 1 动平衡的理论 机器中回转体的质量分布不平衡是引起机器振动的主要原因之一。引起不平 衡的基本原因，可归结为如下四个方面【_ 7 】： ( 1 ) 设计方面：旋转体几何形状设计的不对称，或尺寸参数选择的不合理；旋 转体上有未加工的毛面( 质量面不均匀) ；结构上用挠性轴，因微小不平衡引起弹 性弯曲变形，或因局部受热( 磨碰) 引起的热弯曲破坏原有的平衡。 ( 2 ) 材料方面：组织不均匀( 铸造缩孔等) ；性能差，因变形磨损，疲劳断裂造 成零件飞落。 ( 3 ) n 造工艺：加工误差造成重心偏移；装配造成质量偏心，或引起松动；整 机安装时，轴承偏心引起旋转轴线偏移。 ( 4 ) 运转中平衡状态的改变：叶片上附着物或不均匀腐蚀，组织不均匀，热膨 胀不均匀；组装件松动或裂纹造成热阻不均匀，受热不均匀或冷却不均匀；热弯 曲；零件松动、飞落。 上述原因都会使转子质量分布不均匀而形成一定的偏心，导致在旋转时因受 到惯性的作用而产生一定的离心力，从而产生不平衡现象。 从平衡的角度来划分，转子可分为平衡转子和不平衡转子。一个转子的平衡 2 第一苹绪论 与否，主要是由转子的质量相对于旋转轴的分布状态决定的。根据牛顿运动定律， 任何物体在匀速旋转时，体内的各质点都将产生离心力。如果转子的质量分布相 对于转轴是均匀的，那么这些离心力相对转轴也是对称分布的，可以相互抵消、 相对平衡，不会对转子的支承产生动压力，系统不会产生振动，此时的转子称为 平衡转子，于是转子处于平衡状态。反之，若转子质量分布不均，则转子在旋转 时就会有不平衡的离心力作用于转子的支承上，此时，转子处于不平衡状态，称 为不平衡转子。 转子不平衡的存在是由于离心力没有消除，振动负荷或者振动位移传给轴承 所造成的。 f = m r6 02 ( 1 1 ) 可见，与转速有关，当转速发生变化时，其离心力随之发生变化，所以离心 力并非转子本身所固有的量。除与转速有关以外，离心力还与m r 有关，当转速 一定时，离心力完全由m r 确定。因此在平衡技术中，用m r 来表示转子的不平衡 量，用疗表示 u = m r ( 1 2 ) 式( 1 2 ) 中盯为一矢量，其方向与半径矢量r 相同，单位为( g - m m ) ，m 为 不平衡质量，r 为不平衡质量的重心与轴间的距离。 如果用系统的质量去除转子的不平衡量，即得到转子的单位质量的不平衡 量，叫做转子的比不平衡量，也称为不平衡率，一般以符号e 来表示 u ，拜r e 等一z 埘材 ( 1 3 ) e 所表示的是转子的不平衡程度。 一般说来，转子上的不平衡是分布式的，但可以简化为某一平面上的当量不 平衡或者某两平面上的当量不平衡，根据惯性力系的简化结果可以分为如图1 1 所示的四种情况： 广东工业大学工学硕士学位论文 一 写；斧 图1 1 不平衡的四种基本类型 f i g 1 1f o u rb a s i ct y p e so f u n b a l a n c e ( a ) 主矢不为零主矩为零，这时相当于在完全平衡的转子上，有不平衡作用在 重心所在的径向平面上，称为静不平衡。 ( b ) 主矢和主矩均不为零，但相互垂直。这时相当于在完全平衡的转子上，不 平衡作用在非重心平面上，称为准静不平衡。 ( c ) 主矢为零主矩不为零。这时相当于在完全平衡的转子上，施加两个同等大 小的不平衡量，使它们在两个不同的径向平面的方向相反，称为力偶不平衡。 ( d ) 主矢和主矩均不为零，且不相互垂直。这时相当于静不平衡与力偶不平衡 的组合，称为动不平衡。 图1 。1 中( a ) ( b ) 情况下仅需在一个平面上施加反向不平衡矢量即可使转子平 衡，而( c ) ( d ) 所示情况需在两个或多个平面上施加反向不平衡矢量才能使转子平 衡。所以也有人据此将前两种情况成为静不平衡，后两种情况成为动不平衡。 平衡是一种通过改善转子质量分布，使转子旋转时不致产生惯性力的工作。 在平衡科学中，根据转子的工作状态和力学特性，转子可分为刚性转子和挠性转 子。从平衡技术的观点，刚性转子是这样定义的可在任意选定的两个平面内校正， 校正后，在直到最高工作转速的任何转速下以及在接近最后支承条件下运行，其 不平衡量均不会显著超过平衡允差，则这种转子可看作是刚性的。通常，工作转 速不大于转子一阶弯曲临界转速7 0 的转子，都属于刚性转子而把工作转速接近 或超过转子的一阶弯曲临界转速的转子视为挠性转子。刚性转子在旋转时，质量 4 第一罩绪论 单元产生的惯性力引起的转子的变形及转轴挠曲均可以忽略不计，而对于挠性转 子，这种弹性变形不能忽视。 本文着重研究的硬盘盘片动平衡平衡是属于刚性转子平衡的范畴。 对于轴向距离较大的刚性转子来说，可以人为地把辊筒转子分为许多与轴线 垂直的圆盘，将其不平衡量的离心力换算到两个指定的平面上，如图1 2 所示。 图中，任意平面上的不平衡力都可以分解到平面q 和平面1 3 上，如惯性力f 1 和 f 2 分别分解到平面q 上为f 1 l 和f 2 1 、分解到平面1 3 上为f 1 2 和f 2 2 ，其它平面上的 力相类似。因此，对于任意不平衡情况，可以得到两个指定平面上的不平衡大小 及相位。当然，不平衡矢量的大小和相位与校正平面的位置有关，随校正平面位 置的变化而变化。 图1 2柱形刚性转子不平衡力分解图 f i g 1 2d i a g r a mo fc o l u m nr i g i d i t yr o t o r su n b a l a n c ed i s a s s e m b l ef o r c e 由此可知无论转子的不平衡质量如何分布，总可以在任意选定的两个校正平 面内对其进行平衡校正。 对于一个具有质量的转子最简单的情况便是与轴线垂直的盘形转子，如图 1 3 所示，假设非常薄的圆盘以角速度( 1 ) 绕轴转动，设( ) 为常数，由式( 1 3 ) 可 知转子的比不平衡等于转子的偏心距，则离心力的合力即 f = c 0 2 m e即f = u c 0 2( 1 4 ) 式( 1 4 ) 中e 为转子的偏心矩，不平衡量所引起的离心力，在支承处必然产 生相应的力，引起振动，由于转子为非常薄的圆盘，所以没有必要考虑离心力的 广东工业大学工学硕士学位论文 力矩。 图1 3盘形刚性转子不平衡 f i g 1 - 3r i g i d i t yd i s kr o t o r su n b a l a n c e 由此可知盘形刚性转子( 垂直位置) 的不平衡状态完全可以用不平衡矢量来表 示，且不平衡校正只需在一个面上进行。 1 2 1 2 动平衡理论的发展 现代平衡技术，是在本世纪初随着蒸汽透平的出现而发展起来的。由于生产 需要，转子平衡理论发展迅速。本世纪初，大部分转子系统工作在第一阶临界转 速以下，转子挠度变形可忽略不计，转子属于刚性的，这方面的研究相对简单， 故在3 0 年代后期刚性转子平衡理论已近成熟。但刚性转子的平衡受某一速度限 制，如果转速超过这一限制转速，已经平衡了的转子会又不平衡。特别是当转子 工作在临界转速以上时，这种平衡方法己失去作用。1 9 5 6 年k f e d e r n 提出判断 转子刚柔性指标。他认为高于某一转速工作的转子系统必须考虑转子挠度的影响， 转子属于柔性转子。 随着生产技术的发展，柔性转子的动平衡越来越重要，于是人们相继提出了 各种平衡理论及平衡方法，归纳起来可分为两大类【引。第一类是以t h e a r l e 、b a k e r 、 g o o d m a n 为代表坚持使用的影响系数法，该方法是刚性转子动平衡的两平面向量 法在柔性转子系统中的推广。第二类是以m e l d a l 、b i s h o p 、g l a d w e l l 、f e d e r n 为 代表坚持使用的振型平衡法，或称模态平衡法，该方法是按旋转轴的振动理论把 某转速下转子振型分解为各阶主振型，对这些主振型分别加以平衡，从而达到整 个转子系统的平衡。这两类平衡理论都试图把转子的挠曲和振动降到尽可能低的 6 第一苹绪论 程度。它们有各自不同的目标函数，影响系数法是在各选定的平衡转速下，使转 子上各测振点的振动值为零，它并不能保证在全部转速范围内转子各点的振动都 很小；而振型平衡法要求消除引起前n 阶振型的不平衡量，而n 阶以上的各高阶 不平衡量在平衡后仍残留，只是高阶不平衡一般都较小，对转子系统正常工作影 响不显著。这两类平衡方法都不能使转子振动完全消除。为了提高平衡精度，相 继出现了各种修正方法。1 9 6 4 年g o o d m a n 提出最小二乘法及加权最小二乘法， 是对影响系数方法的一种修正。这种方法的物理意义是寻求一组校正质量，使各 测振点在各平衡转速下的残余振动值的平方和最小。1 9 9 4 年刘正士等人提出转子 动平衡的相对系数法，该方法是在影响系数法的基础上提出一种可通过双( 多) 通 道动态信号分析仪直接测量相对系数，提高了平衡效率。k e n n e d y 、b i s h o p 和白 木万博等人采用影响系数法与振型平衡法相结合的一种动平衡技术即所谓“振型 圆 平衡方法，它可以判别主要不平衡量的大体分布情况，大大减少开停车次数， 提高了效益及平衡精度。后来又有人提出了平行四边形法【9 】，是对影响系数法的 特殊应用，一般用于单盘刚性转子的动平衡，由于单盘刚性转予的不平衡状态较 为简单，平衡时只需对一个面进行校正，可以只需测得振动信号的幅值即可推算 出不平衡量。到目前为止，动平衡的理论已经基本成熟。随着研究的不断深入， 动平衡理论及方法将不断发展和完善。评价一种平衡方法、比较各种平衡技术的 常规准则是：平衡精度高，也就是平衡后转子残余不平衡量小，在工作转速下( 或 在工作转速范围内) 转子挠曲和内应力小，轴承振幅及动反力小，起动时转子容易 通过临界转速。易于自动控制，测试仪器简单。如果采用a n ( 去) 重方法，则 应使校正质量数目少、重量轻【l0 1 。 1 2 2 在线动平衡的研究现状 转子的动平衡就是通过改变转子本身的质量分布来达到其主惯性轴与旋转轴 相重合的工艺过程。 人工平衡是将转子卸下，放于专门的平衡机上进行平衡，使转子在平衡机上 的任何位置都能停转就算达到平衡，这种平衡叫做即静平衡。通常新转子在安装 7 广东工业大学工学硕士学位论文 前，一般都要在专用平衡机上做人工离线平衡。离线平衡可以消除转子很大一部 分初始不平衡量。但是，由于静平衡时受到平衡机本身的精度，还有静平衡后安 装到旋转机械上的安装误差等原因，在安装转子后运行时还是会存有一定的不平 衡量，而且转子在工作过程中不断地随机磨损，又会使转子出现新的不平衡。 在此基础上人们提出半自动平衡装置。这种平衡装置是直接在旋转机械运行 中利用传感器测出转子不平衡量的大小和相位，停机后人工在转子上调整偏心质 量，以实现转子的平衡。由于这种平衡装置，平衡工作直接在磨床上进行，因此 能同时校正砂轮本身与转轴系统的固有不平衡量。国内己有在这方面作了一些工 作，但由于都是采用了通用平衡仪作为测量工具，测精度低，现场应用不便，并 且不平衡的识别计算由人工完成，对操作者的技术要求很高，推广应用受到限制。 日本开发出一种称为b a l a n c ee y e n o r i l a k e 半自动平衡装置，通过振动测定和分 析，指示平衡块的安放位置，停机后人工移动平衡配重块，再开车进行平衡测定。 国际竞争、现代质量管理需要高精度的动平衡技术，以往，无论是在制造厂 还是在运行现场都是采用计算和不断地试加重的办法。比如目前国内电机制造厂 的转子动平衡，除了少数厂家一家引进国外全自动动平衡校正系统外，大多数厂 家仍为手工去重。手工去重一般需要去重几次，不仅生产效率低、校正质量差， 而且对转子的破坏大。单是操作人员经验所引起的重量偏差就达1 0 5 0 ，对 转子电气性能的削弱造成电机性能退化，不能满足高效生产优质电机【，1 2 】。这就 带来两方面的问题：一方面要达到一定的平衡精度，必须进行多次启停机加试重， 工作量大、效率低，且需熟练的平衡技巧单是操作人员经验所引起的重量偏差就 有很大的影响；另一方面当平衡后转子在运行过程中平衡状态变化时，需再次平 衡，这不仅增加了停机损失，而且在有些情况下是不允许的。此外，手工去重还 存在以下几个问题【l3 1 。自动化程度低，人为因数影响太大，转子动平衡精度低 和一致性差，生产质量难以保证，己成为了制约我国电机和机电设备质量提高的 重要因素，严重地影响了我国机电产品的性价比和出日效益；操作人员强度大， 技能要求高，带来生产成本上升；效率低，精度差，己无进一步挖掘生产潜力 的可能。为了避免上述缺点，人们自然会想到采用一种合理的工艺方法和手段使 平衡过程自动完成，这就是旋转机械在线平衡技术发展的初衷。 在线动平衡主要有两大设计思路：根据柔性转子在超临界状态下转子挠曲 8 第一章绪论 变形响应滞后于不平衡激振力一个钝角的特性，采用补偿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。即分为无源控制和有源控制，前者又称被动 控制，后者也就是主动控制【1 4 1 。前一种方法始于上个世纪末，后一种方法始于本 世纪6 0 年代。两种方法各有其自身的优点，同时也都存在着技术上和经济上的 局限性。直到现在，一种合理的、可靠的、适应现代技术发展的在线动平衡装置 还不多见，这也说明该装置制造是一个非常复杂的问题【8 】。 1 2 2 1 带自由移动补偿质量的被动式自动平衡装置 这种装置是根据柔性转子和弹性支承的特性设计的，并根据所采用的能自由 移动补偿质量的形式分为液体式、环式、摆锤式、球式等几类。其基本原理是， 当柔性转子在超临界状态下运行时，其初始不平衡会超前挠曲变形响应一个钝角 或近18 0 。此时能自由移动的补偿质量在离心力作用下就会向转子挠曲“低点” 移动，其结果会抵消或部分抵消转子初始不平衡，从而达到降低振动的效果。这 一类平衡装置具有结构简单、可靠、不需提供外部能源的优点，但因其具有在亚 临界状态会加大转子的不平衡量的特性，增加了其设计难度和应用局限性。因此 如何解决在一阶临界以下频段减小或至少不增大转子初始不平衡的问题，就成了 此类自动平衡装置设计中的技术关键。 早在1 8 8 7 年就有人建议在离心机上安装3 个自由环来降低其振动，到本世纪 4 0 年代已诞生了几种典型的液体式、环式、摆锤式及球式自动平衡装置。在技术 上采取了一些措施，通过不同转速下离心力的调节作用，避免了在转子升速到一 阶临界转速过程中初始不平衡的增大，有的甚至可以使其减小。比如有种液体式 平衡装置，在圆锥筒形液体式平衡装置上采用了钻孔的方法，使得在低转速下， 由于离心力较小，液体不会进入平衡装置内，即保持其初始状态不起平衡作用， 当达到一阶临界转速时液体进入平衡装置内起自动平衡作用。前苏联学者也设计 了能够在一阶临界以下频段减小其振动的液体式平衡装置，安装在垂直旋转轴一 端的平衡装置具有内外两个腔室，外腔直接和转子相连并装满压力液体，内腔装 有少量平衡液体且可与外腔做相对滑动。在低转速下，内腔中的液体及初始不平 衡与振动方向相同，此时外腔内的液体受到内腔的压力作用向振动的反向移动， o 厂东工业大学：r 学硕士学位论文 皇= 鲁詈宣暑暑暑詈! ! 詈詈鼍i , m 。 m n 鼍詈皇皇暑詈詈詈鲁詈昔皇詈= 皇= 詈皇皇皇鼍詈昌暑暑暑暑詈詈喜皇暑皇詈詈 从而降低了转子的振动。当转速超过一阶临界时，内腔中的液体移向初始不平衡 的反向起到平衡的作用。美国学者t h e a r l ee l 也有类似的设计【”】，两者都在大 型洗衣机上得到了应用。1 9 8 8 年苏联学者对液体式平衡装置进行了进一步的研 究，在模拟实验台上进行了平衡精度实验，其精度可达2 0um 。这些方法较适合 具有垂直旋转轴的机械中。对摆锤式、环式、球式自动平衡装置，同样在结构上 利用离心力大小来确定补偿质量的动作时刻，其结构各异，理论上使其在低转速 下不增大转子的不平衡，或当满足一定条件时还可使其减小。但在设计上要求对 被平衡转子系统有足够的了解，特别是准确的一阶临界转速。另外，即便在转子 升速到一阶临界转速过程中初始不平衡量增大，转子的振动可能已经很大。这又 要求转子系统具有较低的一阶临界转速或足够大的支承弹性，因而其应用的广泛 性受到限制。虽然如此，但因上述这些被动式自动平衡装置具有较好的可靠性和 经济性，在一定场合仍有其应用价值和前景【l 引。 1 2 2 2 强迫移动、加重和减重补偿质量的主动式自动平衡装置 为了能够使自动平衡在各种转速下进行，在6 0 年代初各国学者开始了主动式 自动平衡的研究，当时的研究对象是圆锯和计算机硬盘，目的是通过抑制它的横 向振动来减少切割木材时由于锯缝而产生的木材浪费以及降低计算机硬盘的磁道 跟踪误差。据统计，只要能减小切割锯缝“千分之一英寸”，美国的木材公司每 年可以节省4 0 0 万美元【l7 。到目前为止已经产生了许多形式的主动式自动平衡装 置。这类自动平衡装置一般由信号采集器、控制器、执行器等几部分组成，其控 制器根据信息采集器获得瞬时振动信号的变化对执行器进行有效控制，自动完成 补偿质量的移动、合成或去掉等操作。设计主动式自动平衡装置时必须综合考虑 如下几方面的因素：信息准确测量、可靠的控制策略、合理的执行器结构。其中 执行器的结构最为关键，它直接影响到自动平衡装置的平衡精度、可靠性、效率 乃至在被平衡转子系统上的安装。合理的执行器结构应该具有结构简单、可靠、 灵敏度高及不受被平衡转子系统空间位置限制的特点。特别是最近几年，由于结 构材料、电物理、电化学及电子控制技术的发展，使得兼有测量、处理和消除不 平衡质量操作的主动式自动平衡装置的设计制造越来越成为可能，国内外也相继 集中对此进行研究【”】。根据执行器的工作方式不同，主要有加重型或去重型及补 l o 第一章绪论 偿质量自动分布型两大类，每一类型又有其不同的具体形式。 ( 1 ) 加重型自动平衡装置通过增加转子某部分的重量来实现动平衡的目 的。比如通过脉冲磁场的作用向转子表面“轻点”喷涂快速固化物质方式，或者 向执行器腔内喷液方式。第一种方式结构简单，控制方便且具有较高的精度。但 因固化物质性能和喷射方式特性上的限制，对周围介质有一定特殊要求，更不适 合高温条件【s j 。第二种方式通过不同的喷水嘴向不同的储液腔注入一定量的液体， 实现转子的平衡【1 9 ，2 0 1 ，平衡精度高，常常用于砂轮的在线动平衡2 1 1 ，德国h o f f m a n n 公司的砂轮液体式自动平衡装置在超高速磨床上有广泛的应用【2 2 1 ，在很大程度上 提高了磨床的效率和磨削精度。其缺点是液体不能再释放，平衡能力随着平衡次 数的增加而下降，对液体校正质量控制困难，灵敏度下降，精度降低，而且由于 液体不能再释放，平衡能力随着平衡次数的增加而下降，灵敏度也下降。 ( 2 ) 去重自动平衡装置近年来有了较大的发展，有采用机械、电腐蚀、电 子光束、激光、电化学方法，通过去除偏心质量来减少振动。电机就经常使用铣 削的方式的去除转子部分质量达到动平衡【2 3 1 。 ( 3 ) 补偿质量自动分布型自动平衡装置是将带有可控制移动的补偿质量的 执行器安装在转子上作为补偿平面，在转子运行过程中，根据振动信号来调整补 偿质量的位置，从而产生方向、大小可控的补偿力矢，以抵消转子本身的不平衡 博j 。补偿力矢的产生方法有两种：一种是用两个补偿质量做周向移动来合成，称 直角坐标式；另一种是用一个补偿质量做圆周和半径方向移动来产生，称极坐标 式。由于补偿质量的移动方法导致其补偿力矢是一个连续变化的量，因此补偿质 量移动的控制策略就显得尤为重要。同时为其提供合理的动力和传动方式也是此 类自动平衡装置设计的关键。 早在1 9 6 3 年苏联学者就提出随机寻找自动寻优的补偿质量移动方案，随后 产生了几种典型设计，如加拿大的d e v e g t ejv 设计的极坐标式和苏联学者设计 的直角坐标式自动平衡装置。但随机寻找自动寻优控制策略对于多补偿平面柔性 转子平衡具有收敛上的问题。鉴于此，各国学者对执行器结构，动力能源提供及 控制策略进行了广泛的研究。d e v e g t ejv 基于转子轴振通频幅值、幅值和、幅值 平方和等目标函数的控制策略进行了理论研究，并在多圆盘挠性转子上进行了实 广东工业大学工学硕七学位论文 验验证【24 1 ，但平衡速度较慢，不利于适应转子不平衡的时变性。韩国学者c w l e e 提出了基于模态平衡的自动平衡控制策略【2 5 ，2 6 1 ，并实现了挠性转子模态自动平 衡的计算机控制，使得平衡速度得到了提高，但由于转子系统的非线性等原因使 得计算有一定的误差，平衡精度有所下降。到目前为止补偿质量自动分布型平衡 装置的应用实例还不多见。 对于补偿质量移动的能源供给，早先是通过滑环供电【2 7 】，。其控制简单，传 动比大，平衡能力大，精度和灵敏度高，克服了其它自动平衡装置的缺点。在理 论上能够适应任何条件下各种类型的机械，且可实现在线自动平衡。它的最大缺 点是结构复杂，轴向尺寸大，不利于在转子系统上安装，且滑环供电寿命短。后 来设计了通过电池供电、无线电装置反馈补偿质量位置的平衡装置【2 引，还有使用 电磁力进行驱动的平衡装置【2 9 ，3 0 1 和带红外线控制自发电式平衡装置【3 1 1 。这种方式 结构复杂，供电困难，安装麻烦，控制策略要求较高。 1 3 本课题的来源与主要研究内容 1 3 1 课题来源 实时可控纳米加工技术研究 1 3 2 课题研究的主要目标 探讨盘片在线动平衡装置对减少因旋转体质量偏心引起的振动的可能性，并 通过试验研究分析此种方法的特点。 1 3 3 课题研究的主要内容 设计制作盘片在线动平衡实验装置。 通过试验和分析，对盘片在线动平衡装置的平衡效果进行验证及改进。 1 2 第二章盘片在线动甲衡原理、装置设计 第二章盘片在线动平衡原理、装置设计 前文介绍，在线动平衡就是在平衡过程中旋转机械可以不需停机，不影响 旋转机械的运行的条件下进行动平衡，其中包含在线检测和在线调整偏心质量两 个方面。由于对不平衡量的检测需要在旋转机械运行中进行，故检测不平衡量都 是属于在线检测，目前的问题都集中在如何进行偏心质量的调整上。不平衡量调 整偏心质量的方法有去重、加重及补偿质量移动型三种方式。使用补偿质量移动 型的装置中质量块移动机构比较复杂，包括电机及传动装置，电机能源供给困难， 不适用于小型旋转机构。使用加重方式的机构也较复杂，对环境要求高，或者需 要特殊的喷涂物，或者转子上需要特殊的结构。去重方式就比较简单，只要能对 转子上的质量进行相应的去除就可以调整偏心质量。由于通常使用的旋转体都是 不易加工的材料，如直接对其进行材料去除则效率很差，且有可能影响旋转体的 刚度。如果在旋转体上预先固定易被去除的材料，进行平衡时只用去除这部分质 量便可以达到需要的平衡状态，则可以很好地提高效率，在参考其中各种方式后， 本文提出了使用简单易行的磨削去重方式，通过预先固定易磨削的平衡质量块， 再对这些质量块进行相应的磨削，从而达到减少振动的目的。这种方法简单可靠， 不需复杂的结构或工具就可以实现。 工作原理为：通过传感器检测到硬盘盘片旋转系统旋转时的振动信号大小， 通过相应的不平衡量检测方法检测转子的不平衡量，通过试重，检测振动量的变 化，进而计算现有旋转系统的不平衡量。去重的方法是将磨头固定在可以垂直方 向移动的装置上，再在基座上加入水平进给装置让磨头可以移动到需要的盘片半 径位置处，对准所需去重的质量块，当盘片旋转时，控制磨头垂直移动就可以对 在盘片上预置的质量块进行磨削去除。通过去除试重，计算出现有旋转系统的不 平衡量，就可以利用去重装置对相应的质量块进行去除而达到动平衡的目的。 广东工业大学t 学硕士学位论文 2 1 盘片旋转系统不平衡量的振动分析 在视硬盘主轴支承刚度为无穷大的情况下，盘片旋转系统可简化为图2 1 所 示的力学模型。 图2 1 盘片旋转系统的力学模型 f i 9 2 1m e c h a n i c sm o d e lo fp l a t er o t a t i n gs y s t e m 图2 1 中： m 一硬盘的总质量；m 一盘片质量； k 一刚度；c 一阻尼系数； 由盘片不平衡量所产生的离心力为 p = m e ( - ) 2 该离心力在x 方向上的分力为： p = m e ( 1 ) 2 s i n ( 1 ) t 而盘片旋转系统的运动微分方程为 mx + cx + k x 篇p t d 一盘片旋转的角速度； p 一盘片偏心质量产生的离心力 对上式两边取傅氏变换得【拼( 汹2 + c 砌+ 鬈拉( 渊= 只j 妫 故脚) = 器 1 4 ( 2 1 ) ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) ( 2 5 ) 第二章盘片在线动平衡原理、装置设计 令。”厝( 系统固有，善2 蕊c( 阻尼率) 系统增益为：一l 雕tj ( f m 2 因此上式可以简化为：a ( ( ) ) = i k ( 2 6 ) ( 2 7 ) 由上式可知，系统为线性系统，所以，盘片相对与底座的位移幅值为： ，力，| 彩2 u o a 7 五= 一= 一 鬈k ( 2 8 ) 则盘片不平衡量所引起的盘片系统对底座的变化规律为： x 嚣丝c o s 倒 置 ( 2 9 ) 上式说明硬盘的振动幅值与盘片的不平衡量成正比，因此我们可以通过测 量硬盘的振动来实现对盘片不平衡量的测量。 对上式求二阶导可得 x 一= 一x6 0 z ；x = 一x 一( i ) z ( 2 1 0 ) h 十斗kl 卡叫 所以，等等 设初始不平衡量为u 。，则：矽。2 羔j 妥l 故v = 誓灶u 。 如果把盘片旋转系统的振动加速度x 转化为电信号，则有 u z 缸 ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) 厂东工业大学工学坝士学位论文 其中v 为砂轮的不平衡量u 所对应的数字电压，v o 为砂轮的初始不平衡量 u o 所对应的初始数字电压值。 这样，我们便可以通过测量盘片旋转系统的振动加速度来实现对砂轮不平 衡量的测量。 2 2 动平衡的原理 要实现转子动平衡就必须检测不平衡量的大小和位置，可以通过传感器测量 硬盘振动的电信号的值来分析计算转子的不平衡量，进而去除不平衡量使转子达 到动平衡。目前对于单盘刚性转子的不平衡量的检测计算方法使用的较多的是影 响系数法和平行四边形法，这两种方法都可以实现在线检测，下面介绍这两种方 法。 2 2 1 影响系数法 影响系数法需要一个测振传感器和一个相位传感器，测振传感器用来测得转 子偏心产生的振动信号，相位传感器用于测得偏心质量的相位。 图2 2 为双面硬支承动平衡振动系统模型，取系统质心为坐标原点，转子的 旋转轴为z 轴，与x 轴互相垂直。设转子质量为m ，绕轴的惯性矩j ，左、右两 支承的刚度分别为k l 和k 2 ，h l 为校正平面1 的z 坐标( 有正负之分) ，h 2 为校