（机械制造及其自动化专业论文）发动机飞轮动平衡微机测试系统研究.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 本论文结合发动机飞轮动平衡微机测试系统的丌发过程，就如何提高动平衡 测试精度进行了研究，主要包括以下内容： 第一章阐述了动平衡的一些基本情况，包括转子动平衡的意义和原理，动平 衡机的发展概况和发展前景及动平衡机的基本构成和分类，提出本文研究内容。 第二章介绍了飞轮动平衡机结构原理及对其动力学模型的分析，飞轮动平衡 机的平衡工艺，并结合厂方提出的要求设计动平衡系统测试整体方案。 第三章从提高测试精度的角度论述了飞轮动平衡测试原理、校准原理以及数 据处理方法。 第四章介绍了飞轮动平衡测试系统硬件的选取和设计，结合系统方案在分析 传感器、数据采集卡、工控机特性参数基础上完成选型工作，并介绍信号预处理 部分的设计，重点是对传感器振动信号的预处理。 第五章介绍了飞轮动平衡测试系统软件设计，主要介绍信号采集卡驱动程序 设计、校准部分功能的程序设计、测试部分功能的程序设计及波形显示部分功能 的程序设计。 第六章对实验测试数据和现场测试数据进行了分析，并根据分析结果提出产 生系统误差因素及其处理措施。 第七章对本课题进行了总结和展望。 关键词：飞轮，动平衡机，微机，f f t ，校准 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h et h e s i sc o n c e r n so nh o wt oi m p r o v et h ep r e c i s i o no f t h em e a s u r e m e n to ft h e f l y w h e e ld y n a m i cb a l a n c i n g m a c h i n ei nt h ed e v e l o p m e n to f t h ei n s t n l m e n t ss o f t w a r e a n dh a r d w a r e i ti n c l u d e ss e v e nc h a p t e r sa n dt h ec o n t e n t sa r ea sf o l l o w ： i n c h a p t e r 1 ，s o m e b a s i c t h i n g s a b o u t d y n a m i cb a l a n c i n g m a c h i n ei s i n t r o d u c e d ，i n c l u d i n gw h a t u n b a l a n c ei s ，t h eb a s i ct h e o r y , t h es i g n i f i c a n c e ，s o m eg e n e r a l d e v e l o p m e n th i s t o r ya n di t sp r o s p e c t ，b a s i ce l e m e n ta n dt h e k i n d so ft h ed y n a m i c b a l a n c i n gm a c l f i n e f i n a l l y , t h ei n t e n t i o na n d t h et a s ko f t h i sp a p e ra r e p u tf o r w a r d i n c h a p t e r2 , t h e s m l c t u r eo ft h e f l y w h e e ld y n a m i cb a l a n c i n gm a c h i n e i s p r e s e n e d b a s e do n i t sa c t u r a ls t r u c t u r e ，s o m ec e r t a i na n a l y s i so ni t sd y n a m i c sm o d e l i sm a d e t h en e x ts t e pi so nb a l a n c ep r o c e d u r e ，a tl a s tt h eb l u e p r i n to ft h es y s t e m s m e a s u r e m e n ti sp u tf o r w a r d i n c h a p t e r 3 , t h e s c h e m ew h i c hi n t h e o r y c o u l de n s u r et h eu n b a l a n c e m e a s u r e m e n t p r e c i s i o n o ft h ef l y w h e e li sr e s e a r c h e d ，i n c l u d i n gh o wt om e a s u r et h e a m o u n to fu n b a l a n c ea n dt h ep h a s eo fu n b a l a n c eo f t h ef l y w h e e l ，h o wt oc a l i b r a t et h e d y n a m i cb a l a n c i n ga n d h o wt or e s o v l et h es a m p l e dd a t a i n c h a p t e r4 , t h e c h o i c ea n dt h e d e s i g n o ft h ei n s t r u m e n t sh a r d w a r ei s i n t r o d u c e d b e f o r ed e c i d et h et y p eo ft h es e n s o lt h ed a t aa c q u i s i t i o nc a r da n dt h e i n d u s t r yc o m p u t e r f o rt h es c h e m et h ec h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e ro f t h e ma r ea n a l y s e d a t l a s tt h ed e s i g no f t h ep r e t r e a t m e n tc i r c u i tf o rc u t t i n gt h ed i r e c tv o l t a g ea n dt h ed e s i g n o f t h el o w p a s sf i l t e ra r ei n t r o d u c e d i n c h a p t e r5 ，t h e s o f t w a r eo ft h em e a s u r e m e n t s y s t e md e s i g n i s i n t r o d u c e d ，i n c l u d i n gt h ed e s i g no ft h ed r i v e rw h i c hs u p p o r t st h ea c q u i s i o nc a r d ，t h e d e s i g no fc a l i b r a t i o nf u n c t i o n ，t h ed e s i g no fm e a s u r e m e n tf u n c t i o na n dw a v es h o w f u n c t i o n i nc h a p t e r6 ，t h ed a t af r o mt h el a ba n dt h et e s ts p o ta r ea n a l y s e d ，ac o n c l u s i o n b a s e do nt h ea n a l y s i si sd r a w n a tl a s tt h eb a s i ci n f l u e n c ew h i c hc o u l dd e b a s et h e m e a s u r e m e n t p r e c i s i o n i sa n a l y s e da n dh o w t or e d u c et h ei n f l u e n c ei sr e f e r e d f i n a l l y , t h ec o n c l u s i o na n de x p e c t a t i o n f o rt h ef u t u r es t u d ya r es h o w n k e yw o r d s ：f l y w h e e l ，d y n a m i cb a l a n c i n gm a c h i n e ，c o m p u t e r , f f t , c a l i b r a t i o n i i 浙江人学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 动平衡的意义和回转体的平衡原理 1 1 1 动平衡的意义2 1 3 m 3 随着工业生产和科学技术的飞速发展，各种旋转机械的工作转速愈来愈高。 因此，转动零件及转动机械的平衡校正问题就越发显得重要。在漫长的生产实践 中，平衡技术也逐渐形成了一门独立的学科。 旋转机械的历史比古希腊还要早，甚至可以追溯到埃及前王朝时代陶工用的 轱辘及双轮战车。但是直到上世纪中叶产生实用的蒸汽机以前，旋转机械的旋转 速度还很低，传递的能量还很小。进入现代社会后，为满足生产的需要，机械逐 步向精密化、大型化、高速化的方向发展，这时出现的最大障碍就是振动问题。 与过去的低速小输出的机械相比，现代高速高精密的机械由于振动而损坏机械性 能的比例要大得多，如何克服这一障碍，对现在的技术人员来说是一个关键问题。 在产生振动的各种原因中，无论是过去还是现在最主要的是“不平衡力”。 在机械中必然存在运动的部分，这一部分的质量如果具有加速度，就会产生惯性 力。这种惯性力如果在机械的运动部分内部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于机械的静止部分，从而引起振动、噪声或者性能的 下降。据资料统计表明，各类旋转机械由于不平衡而失效的约占3 0 。一些设 备，特别是流程式的大型设备，一旦发生故障，将会引起链锁反应，造成巨大的 经济损失甚至灾难性后果，如1 9 8 6 年4 月2 7 日前苏联切尔诺贝利核电站四号机 组发生严重振动造成核泄漏，致使2 0 0 0 多人死亡，经济损失达3 0 亿美元，引起 国际社会的普遍关注。为了避免产生这种现象，就需要改善运动部分的质量分布， 消除不平衡力，这就要做动平衡。 机器中转子不平衡是引起机器振动的主要原因之一，因此也是一种最常见的 机械故障因素。当回转体的质量对其轴线不均匀，不对称分布( 即中心惯性轴与 旋转轴线不重合) 时，则其转动时就会产生不平衡离心惯性力，使机器产生振动 和噪声。引起转子不平衡的原因很多，具体情况要具体分析，大致有以下几点： f 1 1 由于材质不均匀、制造精度较差( 如内外圆不同心) 以及结构特点( 键 槽等) 均可造成转子不平衡： f 2 ) 由于安装不良造成偏心( 如斜键) 而导致不平衡； f 3 ) 由于配合松动而导致不平衡； f 4 1 由于轴弯f f i 或轴变形而导致不平衡； 浙江大学硕十学位论文 ( 5 ) 由于转子运行过程中旋转零件( 如叶片、齿轮等) 的磨损、腐蚀、剥落 或介质沉积不均而导致不平衡； ( 6 ) 由于旋转零件的断裂( 如崩齿、叶片脱落等) 而导致的不平衡。 需要强调的一点是引起转子不平衡的原因虽说很多，但是第一点却是首要 的，因为如果转子刚一制造出来就不平衡的话，想通过做动平衡以外的方式使转 予平衡几乎都是徒劳的，因此转子在装配之前的动平衡这一步骤非常关键。 转子的不平衡会产生下列不良后果： ( 1 ) 引起转子的反复弯曲和内应力。这种弯曲和内应力会引起转子疲劳，甚 至会引起转子断裂。 ( 2 ) 引起机器振动噪声，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、基座传递到基础和建筑物上，恶化了工作环境。 发动机飞轮是装的曲轴后端的较大圆盘状零件，它具有较大的转动惯量，起 着以下的功能： ( 1 ) 将发动机做功行程的部分能量储存起来以克服其他的行程的阻力，使曲 轴均匀稳定旋转； ( 2 ) 通过安装在飞轮上的离合器，把发动机和汽车传动系统连接起来； ( 3 1 装有与起动机接合的齿圈，便于发动机起动。 发动机可以说是各动力机械的心脏，其质量好坏、运行状态直接影响整个机 械系统的性能，而飞轮作为发动机中质量最大的运动部件其动平衡的精度对发动 机性能起着关键作用，因此要使发动机运行在平稳的状态下，就要尽可能提高其 飞轮的动平衡精度。 随着科学技术的发展，为满足机械在高速度，高质量和高应力状态下的工作 要求，控制机械振动已成为机械设计，制造中的重要课题。其中平衡技术在机械 振动的控制中起到了非同小可的作用，它广泛运用于机械电机、建筑冶金、汽车、 船舶、火车、航空航天、轻工纺织、风机空调、核电站等行业及相关科学研究机 构，因此搞好动平衡技术有着深远的意义。 1 1 2 转子平衡的力学原理及分析n 1 机器中绕轴线旋转的零部件，称为机器的转子。如果一个转子的质量分布均 匀，制造和安装都合格，则运转是平衡的。理想情况下，其对支承的压力，除重 力之外别无其他的力，即与转子不旋转时一样，只有静压力。这样无论旋转与不 旋转时对轴承都只有静压力的转子成为平衡转子。如果转子在旋转时对轴承除有 静压力外还有附加动压力，则称之为不平衡的转子。任何一个转子作匀速转动时， 体内无数个质点都将产生惯性力，组成一个惯性力系，如下图1 1 2 - 1 所示。假 浙江大学硕士学位论文 设这个转子是绝对刚性的，即刚体，在任何力作用下都不会产生变形。设转子以 角速度作匀速转动，则体内任一质点将产 ： 生一个离心惯性力f ，又设m ，至转动轴心的距 离为l ，f = 川。r , o j 2 ( 方向为离心力方向) ，转子 产生的所有f 组成一个惯性力系；要确定这个 转子是否为平衡转子，必须根据其惯性力系合 成的结果而定。 进一步假设该转子是不平衡的，其质量为 m ，取转轴上任一点0 为坐标原点，转轴为： 轴，并作出相应的o x 及缈轴。转子质心的坐标 为c ( x 。，y 。，l ) ，沿坐标方向单位矢量为i ， 。设质心对旋转轴z 的矢径为一，则 图1 1 2 - - 1 转子平衡力学原理图 同样，设转子中任一质点卅，的坐标为m ，( x ，y 。，z ，) 对转轴的矢径为，则 咒= m i o ) 2 tl 譬由j 。1 。2 1 诸f 构成一个惯性力系，由力学原理可知，将这个惯性力系坐标原点d 简化( 。 点称为简化中心) ，一般可得到一个力再( 称为力系的主矢) 和一个力偶瓦( 成为 浙江大学硕士学位论文 而主矩等于力系所有各力对o 点的矩矢的矢量和，即 瓦= 耳 i = 1 瓦= m ( 耳) = l 将式( 1 1 2 1 ) 代入式( 1 1 2 3 ) 得 再= m ；c 0 2 ( t i + y ，了) = 0 9 2 ；m 。_ + 脚2 了m ，y ， = 2 i m x 。+ 棚2 j m y 。= 脚2 m ( x 。i + y 。了) = m 0 0 2 i 由此可见，简化的主矢一r o 的大小和方向和转子质心的离心惯性力相等，只 不过作用于d 点即r 。其大小与方向和简化中心d 的位置无关。 惯性力系向0 点简化的主矩可写为 瓦= 吖( 可) = m ，；+ 吖，7 + 吖：石 i = 1 式中，m ；，m ，m ：为主矩m 。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o 的位置有关。 m ，= m ，( 耳) = ( y ，疋- - z i ) = o 一毛2 y 。= - - c 0 2 m ，y ，气= 一国2 ， m ，= ( 可) ；z ：咒= 毛m ，c 0 2 一= 2 t ，。 m ：= 聊：( 耳) = o ( e 通也轴) 式中，j ，= y ，z j 和j 。= m ；z 。置均称为转子的惯性积或转子的离心转动惯 量，于是 m 。= m ：+ m ；+ m ；= 6 02 t ，刍+ j 三 ( 11 2 6 ) 因此，转子的惯性力向任一点简化一般得到一个力( 即主矢：r 。= m 0 0 2 ，作 i 喟y o 点，方向和平行) 和一个力偶( 即主矩：m 。= c 0 2 j 嘉+ ，三) 。 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，转子平衡的必要和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 4 浙江大学硕士学位论文 ro。=：mc：o孵2rc=0：(h1,2-7)m 0 。= 2 + j 三= f 由r 。= 0 ，则r c = 0 ，这说明旋转轴必定通过质心c ；由m 。= 0 ，则 l ，。= ，：。= 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旋转轴是中 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均匀对称。 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，使转子的中心惯性主轴和旋 转轴一致，这时，其惯性力系能够满足式( 1 _ 1 2 7 ) ，转子成为平衡转子。 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： 一、主矢不为零主矩为零 即r 。= 蛾2 0 ；m 。= 0 ，t ，。= j 。= 0 。 主矢r o 就是惯性力系的合力，而且这个合力再通过质心c ，这时0 ，转 轴z 与中，i i , 惯性主轴平行，这种不平衡相当于把一个不平衡质量加在一个质量为 m 、半径为r 的平衡转子的中心平面上。如图1 1 2 2 所示，这时转子新的的重 心位于原重心平面内，离原来重心的距离为 e ( e = ! ! 为偏心距) ，新的中心惯性主轴和转动 朋 轴线始终平行，当转子旋转时，由偏心距引起 离心惯性力使轴承产生振动，要使这个转子平 衡，只需在中心平面内l , n 的对称位置上加一相 等的质量或将原先加的i n 除去，转予就平衡了， 图1 1 2 2 主矢不为零主矩为零 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。 二、主矢和主矩均不为零但互相垂直 这时，主矢一r o 在合力偶的作用面内，由 于r 。0 ，m 。0 ，但r 。j _ m 。，故可在进一 步向。点简化，使m o = o ，而置夏0 ，这 样，新的主矢万便是惯性力系的合力，作用 于。点( 不是质心) ，这种不平衡相当于在平 垂直 衡转子肼的过。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 浙江大学硕士学位论文 交，如上图1 1 2 3 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r 。，这种不平衡称为准静不平衡。平衡这种转子也只需在某1 个特定平面 上加上或除去定的质量便可达到平衡。 三、主矢为零主矩不为零 即r 。= 加k 2 = 0 ，t = 0 ，故转动线通过质心。 所以m 。0 ，j 。o ，。0 。 这说明惯性力系合成为一个力偶，可以用两 个等重量的不平衡分别加至平衡转子的两个平面 上来表示，如图1 1 2 4 所示。因不平衡为力偶， 故称偶不平衡。中心惯性主轴通过质心而与转动 z 扩 。蟊4 z 秽 ， 脚j ，p p 图1 1 2 4 主矢为零主矩不为零 轴线成口角。要平衡这种转予不能单独用一个力来平衡，即不能在一个平面上 加重或去重，而必须在两个平面上加重或 去重。 四、主矢和主矩均不为零且不相互垂 直 即瓦o ，瓦0 其一r o 年r l 瓦不垂直， 这是最普遍的不平衡现象，如图1 1 2 5 所示。这相当于静不平衡和偶不平衡的组 、 j z 一 露、- t z e ， 万 ! 。叫、 图1 1 2 5 主矢和主矩均不为零 且不相互垂真 合，称为动不平衡，转子的中心惯性主轴和转动轴线既不平行也不相交，这种不 平衡不可能再进一步简化，即不可能只在某一个平面上、而必须在两个或多个平 面上加重或去重才能使转子平衡。 1 2 动平衡机的发展概况和发展前景曙儿7 3 1 2 1 动平衡机的发展概况 现代的平衡技术是在本世纪初随着蒸汽透平机的出现而发展起来的。1 9 0 7 年德国的拉瓦切克( l a w a c z e c k ) 首先制造出平筏机，随后，黑曼( h e y m a n ) 将 其改进。在这台平衡机上，支撑试验旋转体的轴承是由安装在底座上的弹簧支撑 起来的。运动中的旋转体产生振动，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，将校正块加到旋转体上， 平衡操作即告完成。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， 6 浙江大学硕士学位论文 但对高速旋转机械性能的提高做出了很大贡献。就是在这种平衡机的基础上，各 种各样的平衡机在世界各国相继制造出来了，如阿基莫夫( a k m o f f ) 式( 1 9 1 6 年) ，索德伯格( s o d e r g e r g ) 式( 1 9 2 3 年) 以及直到现在仍在使用德催伯勒( r e b e l ) 平衡机等。 几乎在同一时期，日本由末宏恭二，久野五十男制造出了一一种独特的平衡机。 1 9 2 5 年问世的末宏恭二式平衡机是平衡转速高于转子支撑系统共振频率的最早 的平衡机，由于这一原因，使支承震动的测量以及平衡精度大大提高了一步。久 野式平衡机又作了进一步的改进。1 9 3 5 年久野将同步电机与光学放大装置结合 起来应用于测量机梅，通过在屏幕上显示出如李沙育图形那样的振动图像来读取 支承振动相位和大小，其测量方法简单而且精度高。由于这种平衡机的性能较好， 所以制造出容量不同的各种机型。久野于1 9 3 6 年进一步设计了采用交流发电机 的瓦特计式测量装置，在德国和美国得到了迅速发展。因此可以说，由于洛依特 林格( r e u t l i n g e r ) 的可动线圈式振动传感器的发明，以及在以德国的申克公司 ( s c h e n c k ) 和美国的吉肖特公司( g i s h o l t ) 的瓦特计式为基础的电气测量机构 发展的基础上，现代平衡机问世了。 从5 0 年代开始，随着电子工业，电子测量技术的迅速发展，不平衡量的电 测系统才迅速的取代了机械测量系统，使平衡机的机械机构简单了。5 0 年代初 期的动平衡机的测量系统还在使用机械谐振式滤波和l c 谐振式滤波方式。5 0 年代中期开始使用有源滤波器，这一时期有代表性的产品就是用r c 带通滤波器 配合闪光测相装置，构成闪光测相式平衡机，闪光式平衡机具有较好的幅值和相 位测量精度，相对机械式平衡机来说，闪光式平衡机的出现标志着平衡机制造技 术有了很大的提高。 5 0 年代末到6 0 年代初，动平衡机的滤波技术又有了新的发展，这一时期同 时出现了瓦特表式滤波器和同步检波式滤波器，使平衡机的性能提高了一大步， 平衡机幅值和相位测量精度都有了显著的提高。使平衡机进入了一个新的，现代 化的发展阶段。 从机械式平衡机到发展到使用电气测量系统以来，平衡机的组成系统也在不 断改进和完善，但从工作原理上讲，并无本质上的改变。可以说基本上都是软支 承平衡机。到6 0 年代末和7 0 年代初期，研制成功了带电子运算电路的通过测量 振动力确定转子不平衡量的硬支承平衡机，由于硬支承平衡机是测量转子的不平 衡离心力，可实现永久性定标，操作简单，使用方便，因此得到越来越广泛的应 用，硬支承平衡机的出现是平衡机支承系统和平衡机工作原理上的改变。它使传 统软支承动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外( 如高速，微型外) ，这 种型式将取代软支承动平衡机。 浙江人学硕士学位论文 1 2 2 动平衡机的发展前景 随着传感器技术和电子计算机技术的进一步发展，测试技术和控制技术也发 生着日新月异的深刻变化。动平衡机的测试系统将全部实现数字化，替代原有的 模拟测试系统，控制的精度也越来越高，最后必然导致动平衡测试和校正一体化 机的出现，即测量和加工都由计算机控制，这种一体化平衡机目前国内还没有， 其平衡过程有双工位( 测量、校正) 或六工位( 测量、校正、测量、 浙江大学硕士学位论文 平衡机指平衡转速高于转子一支承系统固有频率的平衡机，平衡转速表示为0 9 ， 固有频率为，通常取缈 2 5 a j 。硬支承平衡机指平衡转速低于转子支承固 有频率的平衡机，通常取国 缈。( 3 ( d o ) ，或者c o 1 ，式( 2 1 2 - 5 ) 中的阻尼很小可忽略不计， 故有 x ：一i mp c o s 耐 一12 1 0 ) ( 2 1 2 - - l o ) ”一万0 8 础 即振幅和质量偏心成正比。 在硬支承的情况下，因为c o c o 。 6 5 ， 因此只要做单面平衡就可以了。 2 3 2 不平衡的校正方法 不平衡的具体校正方法有两种：1 ) 在不平衡轻点方向附加质量；2 ) 在不平 衡的重点方向除去质量。不论采用何种方法，在校正时都不应损坏转子性能，而 且要采用适合转子结构的合理方法，同时校正误差应该小，为施行所作的准备及 校正操作应该简单并且有高的效率。两种校正方法的归纳如下表2 3 2 1 所示 表2 3 2 - 1 平衡校正方法列表 在不平衡轻点方向附加质量的方法从重点方向除去质量的方法 1 焊接；2 锡接；3 铆接；1 钻削；2 镗削；3 磨削； d 螺钉；5 专用：6 专用重块4 錾削；5 铣削 浙江大学硕士学位论文 以上各方法中，不管采用哪种方法，必须注意做到：校正时不破坏转子的性 能；采用适合于转子结构的合理方法，以减少校正误差；包括校正的准备工作在 内，操作要简单且效率高。 由于我们的动平衡机的主要平衡对象是薄圆形飞轮转子，因此校正面只有一 个。动平衡机是通过比较常用的通过对被平衡工件去重而达到平衡目的的，去重 使用万向摇臂钻床钻削，对现有的飞轮有水平方向或垂直方向钻孔去重。采用钻 削校正具有以下特点：( 1 ) 有利于飞轮可靠运转，因为飞轮工作在高速运转状态 下，通过加重的方式可能会使被加质量意外飞出造成事故；( 2 ) 去重很方便，由 于飞轮表面都是很光滑的，采用加重方式要么很难进行，要么会损坏飞轮的美观 性。 2 4 转子的平衡精度及平衡等级h q 1 1 1 目前国内基本上都采用“最小检测量”作为动平衡机的“精度”指标。最小 检测量指对某一重量的校验转子试验机所能检测的最小偏心距。选用时，动平衡 机的最小检测量必须小于转子的许用不平衡量，否则无法保证转子校验的平衡精 度要求。 平衡精度也许称许用不平衡量，可用重径积g r ( g m m ) 、偏心距p ( 朋) 和平衡 精度级g ( m m s ) 表示。重径积用来表示具体给定回转体的不平衡量，便于平衡 操作。偏心距用来衡量回转体平衡程度和动平衡机检测精度，便于直接比较。平 衡精度级用来建立平衡精度等级。 转子的剩余不平衡量u 越小，则转子平衡的就越好，然而相等的不平衡量， 对于质量不同的转子，当转子以同样的转速旋转时，所产生的不良影响是不同的， 转子的质量越大其不良影响就越小，换句话说，转子的质量越大，则许用不平衡 量 ，。，也越大，也就是许用不平衡量u 。与转予质量有关，而我们在评价这个转 子平衡的优劣程度时，希望用一个与转子质量m 无关的量，因此引起许用不平 衡度( e 。) 的概念，许用不平衡度是转子单位质量的许用不平衡量，即 = 鲁( g m m k g ) 很明显，对于静不平衡转子，转子的许用不平衡度等于转子的许用偏心距。 另一方面，不平衡对转子所产生的不良影响与转子转速有关，转子的转速越高， 在所产生的不良影响也越大。这就是说，转子的转速越高，在其许用不平衡度就 应该越小。众所周知，转子不平衡离心力与转速的平方成正比，但是，对于几 浙江大学硕士学位论文 何相似的转子，在相等的圆周速度下旋转时，如果使转子及其支承在不平衡离心 力的作用下，具有相等的应力时，在应具有相等的e 值。同时考虑到对于在通 常速度下运行的旋转机械，只要振动速度相同，在人对于振动的感觉也是相同的， 因此，对于具有相等的e 值的转子可划为同一精度等级，换言之，可用乘积p 国 评价转子的平衡精度和划分精度等级，国际标准化组织所制定的“刚性转子平衡 精度”标准i s 0 1 9 4 0 ，就是以p 划分精度等级的。我国制定的“刚性转子平衡 精度”国家标准，我国仪器仪表专业标准z b y 0 3 3 8 2 “试验机名词术语”和国 家标准“平衡词汇”中，都明确地给出了转子平衡精度等级的定义公式，即 g ：旦 1 0 0 0 式中，e 一一转子的不平衡度( g m m 堙) ； 一一转子的旋转角速度( 1 s ) ： g 一一转子的平衡精度( m m s ) 。 如果试图解释g 的物理概念的话，g 便是转子静不平衡状态时，转子重心 的线速度。很明显，如果转子重心的线速度越大，则转子的振动也越强烈，如果 转子重心的线速度越小，在转子的旋转也越平稳，这是与力学概念相吻合的。这 也说明，用g 值作为评价转子的优劣程度的指标是合适的。 如果确定了转子的平衡精度等级，就可以利用公式( 2 4 1 1 ) 计算出转子 的许用不平衡度p 。，对于给定的m 的转子，则转子的许用不平衡量u ，由下式 求出 u r = m e r 国际标准化组织在制定刚性转子平衡精度标准i s 0 1 9 4 0 时，把g 值划分为 1 1 级，g 值范围从0 1 6 到4 0 0 0 m m s ，公比为2 5 ，并以g 的上限命名。由高 到低，平衡精度等级分为：g0 4 ，g 1 ，g 1 2 5 ，g6 3 ，g 1 6 ，g4 0 ，g 1 0 0 ， g2 5 0 ，g6 3 0 ，g1 6 0 0 ，g4 0 0 0 十一级，作为确定刚性转子平衡品质的参考。 2 5 动平衡测试系统方案的确定 根据上述分析，在一定工作频率下振动位移量与偏心质量引起的不平衡力是 成f 比的，所以测得位移量就可以间接知道不平衡力的大小。当然为了去重，不 平衡力的也必须测出来，这些工作必须在动平衡机上进行。浦江鼓风机厂+ 本来已 浙江大学硕上学位论文 经有了一个通用型平衡机，属8 0 年代初期产品，多年的运行使得有些部件的精 度有所下降，从而会动平衡机的本身就存在很大的不平衡。如主轴支承轴承的精 度下降会直接使主轴回转精度下降，电动机通过皮带带动传动轴，当传动轴支承 轴承不对中时会使传动轴产生振动，这个振动也会通过连轴器传到主轴上去。另 外从联轴器这方面来说，如果联轴器本身已经不平衡或者安装的不够好，这个不 平衡也会影响主轴的振动。总之由于上述种种因素的存在，使得动平衡机本身的 不平衡量比较大，我们通过最后的校验转子估算的动平衡机的不平衡量已经超过 了飞轮的最小允许不平衡量。再从原平衡机测量系统来看，原有的测试系统采用 的是光点矢量瓦特计测量系统，由于采用模拟电路，测得不平衡量的误差也比较 大。传感器用的是质量较大的接触式速度传感器，灵敏度本身就较低，但即使用 这个灵敏度很低的传感器我们观察得到的信号依然很复杂。总之由于平衡机固有 的机械系统加上测量系统的限制，使得飞轮在该动平衡机做过动平衡后仍然存在 很大不平衡量，不能满足合格品的要求。 为了改善原动平衡机测试精度太低的状况，满足飞轮动平衡高精度的要求， 我们重新为该动平衡机定制新的测试系统方案，如下图2 5 1 所示。 信 号 预 处 理 电 路 图2 5 1 测试系统方案 新方案的总体思想是将原有的模拟测试系统改为数字化测试系统，由于时间 的关系，硬件上面我们尽量采用已经很成熟的产品，而将主要精力集中在如何通 过合适的算法提高测试精度上面。因此计算机采用高可靠的工业控制计算机，实 现a d 转换的是p c l8 1 8i s a 总线高性能采集卡，为了保证有用信号的质量以 及数据采集和数据处理的要求，采集之前对传感器信号和测速电机信号进行了滤 波等相关处理。通过2 1 2 节的介绍我们知道传感器测得的则是一个振幅与不平 衡量成正比、频率与主轴同频的正弦信号，测速电机的信号是与传感器信号同频 的正弦信号，它们的相位差固定。对采得的两路信号分别做频谱分析，可以分别 得到幅值和相位角，通过求得的传感器信号的幅值可以得出去重大小信息，通过 传感器信号和测速电机信号的相位差可以得到去重的位置信息。 浙江大学硕士学位论文 2 6 本章小结 本章是建立整个测试系统起来的理论基础，通过对飞轮动平衡机结构原理及 其动力学模型进行分析，得出飞轮动平衡机振动系统振幅和不平衡量质量成正比 的关系，通过对不平衡的几种表达方式的介绍，得出偏心质量在半径一定的情况 下与振动系统的振幅成正比关系，结合厂方现有动平衡机及其平衡工艺提出动平 衡测试方案。 浙江大学硕士学位论文 第三章动平衡机测试原理 3 1 基于动平衡系统误差修正的测试原理 前面讲过我们的动平衡机经过多年的运行整体精度有所下降，本身的不平衡 量比较大，实际上我们通过最后的校验转子估算的动平衡机的不平衡量比较接近 飞轮的最小允许不平衡量。因此引起动平衡机的振动系统的振动的因素不仅仅有 转子的不平衡，还和系统不平衡有关，传感器测到的信号就是这两个因素作用下 振动系统振动的合成的结果。很显然如果我们不考虑动平衡机本身的不平衡量， 直接将飞轮放在上面进行平衡去重，则每个平衡之后的飞轮实际上可能是不合格 的，因为这时是把一个相对飞轮来说比较大的系统不平衡量当作飞轮的不平衡量 去掉了。为了避免这种情况的发生，我们必须把 系统不平衡量测出并分离出来。 如右图3 1 1 所示，传感器信号代表的是系 统不平衡量j i 。和飞轮不平衡量豆两个矢量的合 矢量五，而需要去掉的只是飞轮的不平衡，因此 我们会想如果能将系统不平衡量这个分矢量直接 或间接测出来，那么飞轮的不平衡量也就出来了。 即： _ 、妒 账氐 r 4 1 = r 4 一r 一。：( 3 1 1 ) 图3 1 1 动平衡测试原理示意图 合矢量五可以通过传感器直接测出，可以用一个值r 和一个相角去表征，在 没有人为干扰的条件下系统不平衡量j i n 一般是一个固定不变的矢量。一般如果 飞轮一次动平衡都没做过，则j i o 比起豆来要小的多。不管j i 0 大还是小，上式( 3 1 1 ) 都是成立的，最关键的是如何将其准确测量出来，如果民测的不准确，则无 论五测的多精确，经过计算而得到的飞轮不平衡量豆都是不精确的，k o 偏差越 大，则豆偏差也越大，因此测量凰的方法的好坏直接影响飞轮的动平衡精度。 需要注意的是这个系统不平衡量露，我们不能直接测出，关于屈的测量方法将 在下面的动平衡校准中介绍过校验转子后在作介绍。 浙江大学硕士学位论文 3 2 动平衡校准 动平衡机的机械系统的参量随着时问改变是在改变的，再加上一些人为因 素，这些人为因素主要是对动平衡机的维护，如动平衡机内部某些零部件的更换， 则动平衡机需要拆卸，测速电机皮带会重新调整，这样必然导致系统不平衡量的 变化，测速电机的皮带每一个装配方法都会有一个新的系统不平衡量。因此，为 了保证测量精度，我们必须定期对平衡机进行校准，在这儿校准的概念是指通过 某种方法确定系统灵敏度、系统不平衡量和去重零点位置的过程，因为从上面的 测试原理我们知道如果动平衡机的系统不平衡量瓦改变了，如果还当作没用变 的情况去计算，很明显算出的值是不准确的。平衡机的主要性能指标在国际标准 中已做了明确的规定，在这儿主要讲我们用到的校验转子和校准实现。 3 2 1 校验转子m 妇 平衡机常常要用到校验转子。因为对通用平衡机而言，它的适用工件范围较 广，所以被平衡工件的重量、几何形状以及转动惯量等都有很大的差别。实践证 明，用不同的转子检准平衡机时将得到不同的结果，所以必须用统一规格的校验 转子对平衡机进行校验。 国际标准中对各种校验转子的技术要求，诸如转子质量、材料、尺寸、公差 和锥度孔等都做了具体规定。校验转子不必向制造厂购买，使用单位可以根据相 应标准( i s o 标准或我国制定的相应标准) 自己加工。 i s o 中规定的校验转子的重量、形状、尺寸等并非任意的，而都是基于设计 考虑的它们是： 1 _ 系列是按一定的重量比划分的。因平衡机的容量系列是按承载比例排列 的，故校验转子也应按重量等比的原则排列。 2 不同系列的校验转子的外形尺寸应形状相似。为取得统一的校验标准，就 必须保证不同系列校验转子的转动惯量也基本按比例相似。这样虽重量不同，但 形状就应相似。所以校验转子的外形尺寸都是先给定外径d ，其余尺寸都是按比 例求得。外径d ( m m ) 和重量m ( k g ) 的关系，在钢件的比重为7 8 9 c m 3 时为： m 9 5 + 1 0 “d 4 ( k 曲 3 转子校正面离重心平面的距离应等于或接近于转子的回转半径。( 针对卧式 平衡机) 4 在运转速度下要求校验转子呈刚性，显然如果呈挠性则用它来校验平衡机 就不可能得到正确的结果。 浙江大学硕士学位论文 我们在动平衡机校验转子主要是在上面的1 、2 两点的指导下设计的，就是 校验转子质量取得和被平衡飞轮质量接近，外形尽量被平衡飞轮相似。在设计砝 码时，主要是使由最小砝码引起的不平衡量能刚好满足合格品的要求，然后在设 计几个质量是最小砝码倍数的砝码。因为动平衡机的工作转速比较低，而且校验 转子形状又是比较薄的，满足刚度要求。校准盘和砝码如下图3 2 1 1 所示。 蕾 l 簟嘲 玎堋柚x 瑚司 l 懋 ，n嘲矗蝴羹3 矗7 l 置l 铀谢l 黯瑚趟泌鞠慧 i 觚 i墓 岔 意 图3 2 1 1 校准盘和校准砝码 3 2 2 校准原理n 1 在我们这儿平衡机的校准包括三项内容：系统不平衡量大小和相位的校准， 灵敏度的校准，零点相位校准，首先讲系统不平衡量大小和相位的校准。 我们假设经过高精度平衡的校验转子不平衡量为零，当仅仅放上校验转予 时，这时仍然有振动信号，由前面的分析可知振动信号是在系统不平衡矢量和校 验转子不平衡矢量的合矢量作用下产生的，而此时校验转子的不平衡量为零，这 就是说系统不平衡量会反应到校验转子或飞轮上来是一个固定的大小和固定相 位的量，下面我们借用确定转子实际剩余不平衡量的方法来测量系统不平衡量。 如下图3 2 2 1 所示，假设6 点的黑圈表示系统不平衡量反映到校验转子上 时所在的位置，当然这个位置是任意的，我们为了分析说明以方便假设刚好图示 的位置，将一“个相当于系统不平衡量1 0 2 0 倍的砝码( 其重径积为m r ( 克毫米) ) 依次加在序号为从1 ( 0 。) 到1 2 的位置，可测得1 2 个测量值，这1 2 个测量值是 砝码和系统不平衡量合矢量大小的量值。结合图3 1 1 可以知道，砝码在各位 置的测得值表达式为： 浙江大学硕士学位论文 r 铡= 属可再面鬲面i 丽( 3 2 2 1 ) 越公 涮 一一一j_ _ 瓢m f 霸ih e - 啃 -_- _ 一_ 一 p 一 _ 、- 一 - _ * _- 一 1 色3 珥567 9t o1 1i 已 校准盘上对应f 立置 图3 2 2 1 砝码的位置顺序图3 2 2 - - 2 砝码在各位置测得值曲线 在位置6 上时，b - 0 0 = 0 。，测得最大值：在位置1 2 上时，q - o o = 1 8 0 。， 测得最小值，随着试重点远离位置6 ，测得的值会越来越小，绘出的曲线如图3 2 2 2 所示，它是一个近似的正弦曲线，而且从式( 3 2 2 1 ) 我们知道这条曲线形状 不随砝码位置是否能和不平衡量重合而不符合这个规律。 1 系统不平衡量的校准原理 因为实际的系统不平衡量在哪个位置都有可能，上图只是一种特殊情况， 其实这种情况很少发生，怎样通过测量直接或间接求出露。 如图3 1 1 所示假设j i 0 为系统不平衡量，五。的大小用r o 表示，试重砝码 放在校准盘上时产生的不平衡量的大小为足，砝码质量知道还有砝码离旋转中 心的距离为已知，第一次就放在如图所示的位置，然后我们的测试程序会测出第 一个合矢量j 湖，其实就是j i ，其大小用r 翻，还会得到一个相对于某个点( 这个 点就是0 。参考点) 的测量相位臼靴，也就是拶；设五的大小为r 。，与这个参考点 夹角为0 1 ；赢与这个参考点的夹角为o o ，民的大小用r 。，这两个值为我们想要 得到的值。由矢量三角形法则可得： r ；o l = r ；+ r ? + 2 r o r lc o s ( o , - 0 0 ) ( 3 2 2 - - 2 ) 另外，为了和，联系起来，根据图3 1 1 有以下关系： s i n ( 岛一o o ) 一 r 测l s i n ( o l 一氏0 1 ) 浙江大学硕士学位论文 将试重砝码按顺时针旋进下一个位置，0 。参考点不变，这时凰仍不变，而瓦的 相角变为( 0 1 + 3 0 。) ，由式( 3 2 2 - - 2 ) 、( 3 2 2 - 3 ) 可以得到： 碡9 2 = 月；+ 砰+ 2 r o r lc o s ( 0 1 一吼+ 3 0 。) 1 r ir 靴 ( 3 2 2 - - 4 ) s i i “2 0 0 ) s i i ( 0 1 一岛0 2 + 3 0 。) 联立式( 3 2 2 - - 2 ) 和式( 3 2 2 - - 4 ) 可以得到关于r 。