毕业设计（论文）转子动平衡技术的理论研究与应用

1、毕业设计（论文）转子动平衡技术的理论研究与应用 目 录1 绪 论111转子及分类112动平衡113转子做动平衡的条件114转子动平衡标准215转子的平衡精度等级3com 不平衡生成的原因4com 动平衡的作用416不平衡的危害性517动平衡的意义518影响平衡精度的因素519刚性转子的动平衡工艺原理62动平衡技术721动平衡操作技术722校正方法723操作面的选择724不同类型的转子的动平衡注意事项825主轴动平衡的方法与应用926动平衡的力学原理927 现场动平衡的原理及分计算分析10com 现场动平衡技术介绍10com 动平衡计算分析1028刚性回转件的动平衡实验法123 动平衡机的发展1

2、231平衡机的发展史1232动平衡机的结构1333动平衡机的分类1434动平衡机的工作原理1535动平衡机常用术语1536平衡机的一般工作条件1637平衡机选择的知识1738校准原理1739动平衡机的技术革新184 实例应用2041试验用仪器介绍2042实验目的2143实验步骤2144试验结果255 结 论25致 谢26参考文献271 绪 论随着现代工业技术的迅速发展消除转动机械振动的问题日趋重要而转子本身的不平衡在很大程度上是引起机械振动的一项重要因素这一点在高速精密机械中尤为突出据统计旋转机械的振动问题有30 以上都是由于转子不平衡引起的因此可以认为转子不平衡 或简称失衡 是引起旋转机械振

3、动的重要原因对于线性系统而言失衡引起的振动其频率等于转子的旋转频率而当系统具有非线性时失衡将引起以转子旋转频率为基频 带有一系列高阶谐波成分的振动为了消除或减轻由于失衡引起的振动就必须对转子进行平衡随着动平衡技术的发展测量精度高和稳定性好的动平衡机逐步出现解决了机械加工中出现的转子失衡问题动平衡机的出现很大程度上延缓了机器的使用寿命提高了工作效率也保障了机械加工操作者的安全因此对转子的动平衡问题进行深入研究是非常有必要的11转子及分类机器中绕轴线旋转的零部件称为机器的转子按照是否需要动平衡处理转子分为两种平衡转子旋转与不旋转时对轴承只有静压力的转子不平衡转子如果转子在旋转时对轴承除有静压力外附

4、加有动压力则称之为不平衡的转子转子如果是不平衡的附加动压力将通过轴承传达到机器上引起机械振动12 动平衡当刚体的转轴通过质心且为惯性主轴时刚体转动时不出现轴承动约束力称这种现象为动平衡动平衡实际上就是动不平衡运用在旋转部件及精度要求极高的设备上任何转子在围绕其轴线旋转时由于相对于轴线的质量分布不均匀而产生离心力这种不平衡离心力作用在转子轴承上会引起振动产生噪声和加速轴承磨损以致严重影响设备的性能和寿命平衡不好会使旋转部件在运转中飞离出去旋转零部件在制造过程中都需要稳定正常地运转举例如列车车轮制动盘飞机螺旋桨航空轮胎电机转子机床主轴滚筒风机汽轮机增压器齿轮风叶砂轮等13转子做动平衡的条件一个转子

5、究竟要进行静平衡还是动平衡要根据具体情况如转子重量形状转速支座条件及用途等而定一般按下列原则考虑当转子外径d与长度l满足dl5时不论其工作转速高低都只需进行静平衡当ld时只要工作转速大于1000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如人造卫星其转速只不过每分钟几十转也需要进行动平衡如果一个转动的物体质量分布不均匀转动起来就会产生振动不均匀程度越大振动也越大消除振动的方法很简单就是把不均匀的质量点找出来并去掉它或者在它对面人为地加一块相同的质量平衡它基本上要求高一点的转动部件最好是做动平衡因为动平衡回转体震动的一个很主要的原因动不平衡就是说在转动时回转体质点离心力产生的

6、力矩不能在轴中心抵消产生了一个力矩偏差这个偏差会导致轴的弹性变形轴的变形又使这个不平衡力矩进一部加大如此恶性循环知道这个力矩与轴的弹性变形力相互抵消位置这就产生了一个问题轴此时并不是个直的此时的轴受到偏心力的作用使的震动产生了国外的机械运转噪音小跟他们的动平衡调的好有很大的关系14转子动平衡标准对于旋转设备约一半以上的故障都与不平衡有关因此了解设备的残余不平衡量允许值即动平衡标准是非常有必要的动平衡标准是机械行业重要的基础性通用性标准承担动平衡国际标准制订工作的是isotc 108机械振动与冲击技术委员会国家标准则是由全国机械振动与冲击标准化技术委员会csbtstc 53iso 于1940年制

7、定了iso1940平衡等级它将转子平衡等级分为11个级别每个级别间以25倍为增量从要求最高的g04到要求最低的g4000单位为公克毫米公斤 gmmkg 代表不平衡对于转子轴心的偏心距离该标准建立了转子的最高转速与可接受的残余不平衡之间的关系以及各种有代表性的转子与建议的质量不平衡等级之间的关系介绍了质量不平衡等级g等效于一个不受约束的转子所产生的e因为它可用来比较机器在不同速率运转时的物理性能标准中的g值在数字上相当于以9500rmin运转的转子用m来表示的偏心率e转子的质量不平衡等级或不平衡可以用一台已校准的动平衡机进行评定平衡品质或平衡质量等级 g 表示回转体处于不平衡状态时回转体重心的线

8、速度是用来判断回转体动态负载的一种机械比较量g值越小则回转体旋转越是平稳15转子的平衡精度等级表1-1 平衡精度等级与刚性转子组的分组平衡精度等级e mms 转子类型g40004000刚性安装的具有奇数汽缸的低速船用柴油机的曲轴传动装置g16001600刚性安装的大型两行程发动机的曲轴传动装置g630630刚性安装的大型四行程发动机的曲轴传动装置弹性安装的船用柴油机的曲轴传动装置g250250刚性安装的高速四缸柴油机的曲轴传动装置g100100具有六个或更多汽缸的高速柴油机的曲轴传动装置汽车卡车及机车头的整个发动机汽油机或柴油机g4040汽车轮车轮缘轴座传动轴弹性安装的具有六个或更多汽缸的高速

9、4行程发动机汽油机或柴油机的曲轴传动装置g1616具有特殊要求的传动轴推进器万向接头轴压碎机的零件农业机械的零件发动机汽车卡车及机车头的汽油机或柴油机的单个组件在特殊要求下具有6个或更多汽缸的发动机曲轴传动装置g6363炼制厂机械的零件船用主涡轮传动机构商船用离心机鼓轮风扇装配好的飞机的燃气轮机转子飞轮泵式推进器机床和普通的机械零件普通的电枢特殊要求的发动机单个部件g2525燃气和蒸汽涡轮机包括船用的主涡轮机商船用刚性涡轮发电机转子透平轮压缩机机床传动装置有特殊要求的中型和大型电枢小型电枢涡轮传动泵g11磁带记录仪和唱机的传动装置磨床传动装置有特殊要求的小型电枢g0404精密磨床的传动轴研磨盘

10、和电枢陀螺仪12n 60以radsn以rmin为单位时则1102对于具有两个校正平面的刚性转子对于每个平面通常采用建议的残余不平衡量的12此值适用于两个任意选定的平面轴承处的不平衡状态可加以改善对于圆盘形转子所有的残余不平衡量建议在一个平面当转子的平衡精度要求高于g25时必须以自驱或非常接近实际工作状态的驱动支承方式进行平衡才有可能得到较好的平衡效果平衡机的技术指标中有一个精度的参数式中m工件的质量公斤e偏心率 微米m不平衡质量 克r不平衡质量所在半径毫米g平衡级数n工件工作转速转分选择好合适的平衡精度后应将这个指标如g63级具体折算为可操作的一个指标如在某半径处小于多少克平衡精度换算方法实际

11、工作旋转角速度 或 如果转子平衡精度选择63级即毫米秒那么转子允许重心偏移微米由公式推导出在转子指定配重面指定半径的最大允许不平衡量只要将转子平衡至指标m以内即可认为转子已经达到平衡精度要求com 不平衡生成的原因1质量分布不均衡2非均质性材质铸件沙孔气孔3转子安装时偏心或轴承安装时对心不良4转动时引起之材料扭曲变形5键及键槽之设计不良6转子余隙配合误差7转子腐蚀及磨损8热变形9杂志附着com 动平衡的作用1提高转子及其构成的产品质量 2减小噪声3减小振动4提高支承部件轴承的试用寿命5降低使用者的不舒适感6降低产品的功耗16不平衡的危害性转子不平衡引起的危害主要体现在12317动平衡的意义不平

12、衡的转子经过测量其不平衡量和不平衡相位并加以校正以消除其不平衡量使转子在旋转时不致产生不平衡离心力的平衡工艺叫做动平衡平衡是改善转子的质量分布以保证转子在其轴承中旋转时因不平衡而引起的振动或振动力减小到允许范围内的工艺过程利用现有的测量仪器可以把转子的不平衡减少到相当小的范围但对平衡品质要求过高是不经济的也是不必要的因此必须确定不平衡应减小到何种程度从而解决技术可能性与经济合理性的关系18影响平衡精度的因素旋转机械要消除振动和噪音提高产品质量动平衡工艺是必不可少的在机械加工中经常会涉及平衡精度这一指标转子经过平衡校验后如何来理解和确定平衡精度是十分重要的问题要使转子的平衡精度很高 即剩余不平衡

13、量很小 就要尽量排除影响不平衡精度的因素其中传动方式和传动件的不平衡影响最大其它如转子的轴颈精度轴承的精度等亦应严格控制19刚性转子的动平衡工艺原理从平衡技术观点看刚性转子可以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系统的条件下运行其不平衡量均不会超过平衡允差则这种转子可看作是刚性的一般指机械的工作转速不大于70一阶临界转速时可视为刚性转子图1-1 刚性转子系统及简化模型示意图转子装在平衡机上应尽可能支承在工作轴颈处校正平面应选在最靠近轴承处两端以增加校正效应同时也便于试加配重转子不平衡产生的支承振动或振动力由左右传感器转换成相应电信号经过平面分离电路处

14、理后输出信号它分别与左右校正平面上的不平衡量有关同时与转子同轴旋转的参考相位发生器发出参数信号上述两种信号输入测量电路经滤波放大器放大后检测出两校正平面上不平衡量的大小和位置回转件通过平衡试验后可将不平衡惯性力及其引起的动力效应减小至相当低的程度但回转件一般不可能达到完全平衡过高的要求在实际上也是不必要的因此设计回转件时应该根据不同的实际使用要求规定其允许的不平衡量此即许用不平衡量转子的许用不平衡量有两种表示方法即质径积表示法单位为gm和偏心距表示法单位为mm其质心至回转轴线的许用偏心距为而转子的许用不平衡质径积以表示则两者的关系为对于具体给定的转子许用不平衡量以质积径表示较好因为它便于直接平

15、衡操作也比较直观在衡量转子平衡的优劣或衡量平衡的检测精度时为便于直接比较用许用偏心距为好对于具体转子的不平衡量应小于或等于许用不平衡量即刚性转子在平衡试验时应注意的问题选择好平衡精度等级在试验时一般根据校验转子类型和重要程度选取加重还是去重要根据设备本身状况而定2动平衡技术21动平衡操作技术由于做平衡试验的转子种类繁多相应的平衡工艺方法试验装置和校正方法也各不相同应根据转子结构特点和平衡要求选择合适的平衡方法试验装置和校正方法平衡机在近年来迅速普及用途范围越来越广其主要功能为检测并显示转子不平衡量的大小及位置以指导操作者将不平衡量尽量去除以使转子达到平衡精度要求平衡机就是事先把整个寻找的过程写

16、成程序固化在仪器中集成了测振和相关的计算功能帮助我们较快的找出不平衡点的仪器平衡机是测量旋转物体 转子 不平衡量大小和位置的机器测量动平衡的专门设备22校正方法转子的不平衡是因其中心主惯性轴与旋转轴线不重合而产生的平衡就是改变转子的质量分布使其中心主惯性轴与旋转轴线重合而达到平衡的目的当测量出转子不平衡的量值或相位后校正的方法有 1 去重法即在重的一方用钻孔磨削錾削铣削和激光穿孔等方法去除一部分金属 2 加重法即在轻的一方用螺钉连接铆接焊接喷镀金属等方法加上一部分金属 3 调整法通过拧入或拧出螺钉以改变校正重量半径或在槽内调整二个或二个以上配重块位置 4 热补偿法通过对转子局部加热来调整工件装

17、配状态23操作面的选择平衡校正面必须选择垂直于转子轴线的平面 1 对薄盘状转子 ld5 因偶不平衡很小一般只选择一个校正面称为单面平衡或称静平衡 2 对于长轴类转子 ld53 对于初始不平衡量很大旋转时振动过大的转子应先做单面静平衡且校正面最好选择在重心所在的平面上以防偶不平衡量增大或选择在重心两侧的两个校正面上校正或根据要求选择在靠近重心的平面上校正然后再做动平衡 4 曲轴应在专门的曲轴动平衡机上平衡24不同类型的转子的动平衡注意事项1滚动轴承转子的平衡装有滚动轴承的转子平衡时最好带着滚动轴承一起平衡从而消除滚动轴承的内环偏心引起的不平衡带轴承的转子一般在v型支承上进行2无轴颈的转子的平衡无

18、轴颈的转子必须在工艺轴上进行平衡由于工艺轴本身的制造误差径向和轴向跳动工艺轴本身的不平衡以及转子配合时存在的径向间隙使转子在平衡时会带来不可避免的误差为了使工艺轴与零件的配合误差引起的不平衡量与无颈转子的不平衡量分开在工艺轴上只检测转子的不平衡量可采用180转位的平衡方法3组装件的平衡由于组装件是由几个零件组合而成如果不先对单个零件进行平衡则组装件因不平衡量过大而无法平衡或虽然能平衡使组装件达到规定的平衡精度但在实际工作转速 4000500000rmin 12000组装后理论上认为不平衡量虽是各单件不平衡量的矢量和但因装配误差仍会出现新的不平衡量而使组装件达不到要求故仍应对组装件进行平衡平衡好

19、的组装件一般不应拆卸如果工艺要求必须拆卸时应对各零件的相对位置做好标记以便重装时恢复原来的相对位置保证其整体精度由于标记仅对径向转动标识明显有效对轴向标识无作用故组装件拆卸又重装后仍难保证恢复原来的平衡精度例如靠喷丸面配合的转子总成若要想尽可能小地减少装配误差必须对锁紧力严加控制 例如对内支承型转子总成锁紧力作好记录等 对于有些组装件 如带叶片的轴 则可在有测力和力偶的静偶分离的平衡机上先对轴进行平衡找出矢量方向然后有针对性地装上叶片再进行平衡可大大减小不平衡去重量保证外观质量4不平衡量大的转子的平衡可先进行静平衡若在平衡机上进行静平衡则必须在滚轮支承上支承工件利用重力作静平衡或先作低速平衡即

20、降低正常的平衡转速以减小离心力进行初平衡校正然后再进行正常转速平衡25主轴动平衡的方法与应用为了适应目前高速加工的需要主轴单元的动平衡测试和结构设计的合理性起着至关重要的作用主轴单元的动平衡测试其目的就是使回转体质量均匀分布以减少旋转时由于不平衡产生的离心力同时防止主轴高速旋转时产生高温引起主轴轴承温度升高导致主轴轴承润滑油稀释影响了主轴轴承使用寿命如果不做主轴单元的动平衡测试主轴轴承过高的温度会引发主轴轴承配合间隙的增大从而影响主轴精度为了解决上述不利因素设计主轴单元需考虑动平衡测试时去重或增重的合理位置使用最有效的方法使主轴单元达到动平衡的标准要求或设计要求主轴单元的动平衡在动平衡机上进行

21、测试做测试时通过感应器传递信息找出主轴单元不平衡的位置方向然后在显示方向上去重或在反方向上增重最后使主轴单元达到标准要求或设计要求机床高速化的应用和发展要求主轴转速提高但机床主轴组零件在制造过程中不可避免会因材质不均匀形状不对称加工装配误差而导致重心偏离旋转中心使机床产生振动和振动力引起机床噪声轴承发热等随着转速升高不平衡引起的振动越加激烈由于机床主轴组件转动时产生的变形很小为了简化计算故视其作为刚性转子的平衡方法来处理将转子视作绝对刚体且假定工作时不平衡离心力作用下的转轴不会发生显著变形为此在这些条件下刚性转子的许多复杂不平衡状态可简化为力系不平衡来处理即可在任意选定的两个平面上增加或减去两

22、个等效于u和u的动平衡力使其平衡刚性转子动平衡一般为低速动平衡一般选用第一临界转速的13以下 1 进行由不平衡引起的振动力噪声等现场试验或实验室试验确定平衡程度 2 通过计算求得作用到轴承上的不平衡力达到轴承的允许限度时的允许不平衡从而确定不平衡程度26动平衡的力学原理一般来说回转体的动不平衡如多缸发动机的曲轴其各部分质心的偏移方向较复杂但都可以视为多个圆盘组合而成其根据力学等效原理均可把多个圆盘的不平衡惯性力简化到两个平面上如下图轴所示设在与转于轴线垂直的任意两平面上半径分别为rrmm回转过程中两不平衡质量产生的离心力分别为f mrf mr图2-1动平衡力学原理简图平衡机在近年来迅速普及用途

23、范围越来越广其主要功能为检测并显示转子不平衡量的大小及位置以指导操作者将不平衡量尽量去除以使转子达到平衡精度要求27 现场动平衡的原理及分计算分析com 现场动平衡技术介绍所谓现场动平衡是指旋转机械在工作状态下对其进行振动分析并进行平衡校正的一种平衡实验方法现场平衡法的优点是不需要拆卸机器吊出转子不需要平衡机或实验台等设备可以避免因拆卸和重新安装引起的误差 并且可以微量地补偿转子的腐蚀和磨损必须指出作为现场动平衡的指标是将失衡引起的振动控制在允许的范围之内而并不要求完全消除不平衡实际上由于测量误差温度波动磨损以及其他因素的影响要达到完全的平衡几乎是不可能的现场动平衡主要是依据影响系数法其基本思

24、想是转子与轴承组成的振动系统是一线性系统因此轴承的振动响应是各平衡面产生的不平衡量引起的振动响应的线性叠加其振动响应量前后轴承处的振动影响由此确定各影响系数从而求得应该加 减 的平衡校正量com 动平衡计算分析转子被划分为刚性转子和挠性转子如果转子的工作转速远低于一阶临界转速称其为刚性转子反之为挠性转子刚性转子和挠性转子在动力学特性方面有很大的不同因而其相应的平衡方法的差异也很大对于挠性转子在任何情况下都必须进行动平衡动平衡计算包括单面和双面动平衡计算下图为假定的刚性转子在校正面上分别有不平衡量u和u在位置 ab处的传感器测量不平衡量u和u的稳态响应为x和 x表示成图2-2 动平衡计算模型 1

25、 2 式中 ij 1 2 为影响系数斜体部分表示矢量通常情况下现场一般采用单面动平衡法对转子进行单面平衡时只需要考虑转子的不平衡力而不必考虑不平衡力偶令则式 1 和 2 简化为 3 4 如果已知和或和就可以求出u可见单面平衡时只需其中任何一个方程即可求解对于挠性转子其动平衡与刚性转子不同因此对于挠性转子其不平衡离心惯性力所引起的转子弯曲变形不能忽略必须加以考虑在不同的转速下由于离心惯性力的大小不一样因此转子具有不同的弯曲变形另一方面由于转子弯曲改变了原有的质量分布于是也就改变了离心力的分布由此可见挠性转子的不平衡状态是随转速不断变化的即使在某一转速下平衡好的转子转速发生变化原有的平衡状态也可能

26、被破坏从理论上讲要真正对挠性转子进行动平衡只有在沿转子的轴向无穷多个平面上加或减校正质量将转子的各平面全部校正后挠性转子才能够真正地达到平衡 也只有这样转子在任一转速下才能够始终保持平衡然而事实上 这种平衡根本无法实现 因此实际对挠性转子的平衡校正通常只能在几个甚至一个转速下进行 并且也只能在有限的几个或一个校正平面上增加或减少校正质量28刚性回转件的动平衡实验法由动平衡原理可知轴向宽度较大的回转件必须分别在任意两个回转平面内各加一个适当的质量才能使回转件达到平衡将回转件装在动平衡试验机上运转然后在两个选定的平面内确定所需平衡质径的大小和方位从而使回转件达到动平衡的方法称为动平衡实验法当回转体

27、的时以及有特殊要求的重要回转件必须进行动平衡刚性转子的动平衡试验要在动平衡机上进行转子的不平衡而产生的离心惯性力和惯性力偶矩将使转子的支撑产生强迫振动转子支撑处振动的强弱反映了转子的不平衡情况各类平衡机的工作原理都是通过测量转子支撑处的振动强度和相位来测定转子的不平衡量的大小和方位的由于可在两个选定的平面上加重或减重进行动平衡所以通过测量两个支撑处的振动就可以知道两平面的平衡结果3 动平衡机的发展31平衡机的发展史平衡机发展迄今已经有一百多年的历史1866年德国西门子公司发明了发电机4年后加拿大人henry martinson申请了平衡技术的专利拉开了平衡校正产业的序幕1907年franz l

28、awaczek博士把改良的平衡技术提供给了carl schenck先生后者在1915年制作了第一台双面平衡机直到上世纪末40年代所有的平衡工序都是在采用纯机械的平衡设备上进行的转子的平衡转速通常取振动系统的共振转速以使振幅最大在这种方式下测量转子平衡测量误差较大也不安全任何一种仪器仪表产品都会有其精度极限平衡机也不例外目前国产的大多数平衡机其测量精度都在微米级而国内的普通机加工最高水平大都停留在十倍微米丝道级上随着电子技术的发展和刚性转子平衡理论的普及五十年代后大部分平衡设备都采用了电子测量技术平面分离电路技术的平衡机有效的消除了平衡工件左右面的相互影响直到七十年代硬支承平衡机的出现可以认为是

29、平衡机发展史上的一次飞跃它采用静态下的平衡尺寸设定消除了传统软支承平衡机需频繁的动态调整的不便形成了永久定标的平衡机八十年代压电传感器技术又给平衡机的发展带来一次革命采用这种技术的平衡机在不需要非常高速的平衡领域基本取代了软支承平衡机目前随着微机技术的运用将平衡机又带入一个崭新的时代平衡机在性能精度可操作性方面均有了显著的提高平衡机已经集光电机各方面的技术于一身并且在电动工具机械制造风机电机造纸纺织家用电器冶金等领域得到越来越广泛的应用从牛顿运动定律知道任何物体在匀速旋转时旋转体内各个质点都有将产生离心惯性力简称离心力盘状转子转子是以角速度作匀速转动则转子体内任一质点都将产生离心力f则离心力这

30、无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动压力为零即各质量的离心力互相平衡否则将产生动压力尤其在高速旋转时动压力是很大的因此对旋转体特别是高速旋转体进行动平衡校正是必须的32动平衡机的结构转子的不平衡问题简单地说就是由于转子的重心偏离了转子的旋转几何中心线转子旋转时由此产生的离心力随转子一起旋转从而激发转子及转子的安装基础如轴承座机座机箱车身等产生振动所以也可以说平衡机的主要功能就是检测转子重心对转子几何中心线的偏移量平衡机是一种检测旋转体动平衡的检测设备从结构上讲主要是由机械振动系统驱动系统和电气测量系统等三

31、大部件组成 机械振动系统主要功能是支承转子并允许转子在旋转时产生有规则的振动振动的物理量经传感器检测后转换成电信号送入测量系统进行处理驱动系统的主要功能是驱动转子使转子在额定的平衡转速下旋转目前常见的驱动系统主要有万向联轴节驱动和圈带驱动万向联轴节因本身结构中存在间隙和与工件安装时存在安装几何偏差这些误差将直接影响工件的平衡精度在特大工件时和心轴安装时更为突出因此万向联轴节驱动主要用于普通的平衡精度要求不是很高的卧式平衡机 在圈带驱动中由于传动带具有减振作用能减少驱动马达的振动对转子的影响且转子不需要在平衡机上作准备也不需要附加连接件如螺栓插销等转换固定装置因此安装迅速与万向节驱动相比它不存在

32、结构间隙及安装几何偏差能大大的提高测量精度 电气测量系统 是的主要功能是处理由传感器来的电信号显示出转子不平衡量所处的位置和大小它是平衡机中的关键部件其好坏直接影响平衡机的性能型测量系统是在吸收国内外平衡机顶尖技术的基础上和国内多所大中院校联系自行设计开发的平衡机检测系统工业计算机单片机控制系统采用台湾日本美国多种电子元件及芯片用先进的技术制造能保障系统高效率高安全长期稳定运行33动平衡机的分类平衡机的种类很多就其机械振动系统的工作状态分类目前所见的不外乎两大类硬支承平衡机和软支承平衡机硬支承平衡机是指平衡转速远低于参振系统共振频率的平衡机而软支承平衡机则是平衡转速远大于参振系统共振频率的平衡

33、机简单来说硬支承平衡机的机械振动系统刚度大外力不能使其自由摆动软支承平衡机的机械振动系统刚度小一般来说外力可以使其自由摆动平衡机从原理方面可以分为硬支承平衡机软支承平衡机半硬支承平衡机硬支承平衡机是平衡转速远低于参振系统共振频率的平衡机平衡校验时支承摆架相对处于硬状态因此转子可以在接近实际轴承条件下进行平衡校正具有操作简便安全性能好的特点 软支承平衡机是平衡转速大于参振系统共振频率的平衡机平衡校验时支承摆架相对处于软状态因此转子校验平衡时支承条件与实际轴承工作条件不同具有测量精度高的特点半硬支承平衡机是平衡转速在03com动平衡机的工作原理平衡机是测量旋转物体 转子 不平衡量大小和位置的机器何

34、转子在围绕其轴线旋转时由于相对于轴线的质量分布不均匀而产生离心力这种不平衡离心力作用在转子轴承上会引起振动产生噪声和加速轴承磨损以致严重影响产品的性能和寿命电机转子机床主轴内燃机曲轴汽轮机转子陀螺转子和钟表摆轮等旋转零部件在制造过程中都需要经过平衡才能平稳正常地运转 根据平衡机测出的数据对转子的不平衡量进行校正可改善转子相对于轴线的质量分布使转子旋转时产生的振动或作用于轴承上的振动力减少到允许的范围之内因此平衡机是减小振动改善性能和提高质量的必不可少的设备通常转子的平衡包括不平衡量的测量和校正两个步骤平衡机主要用于不平衡量的测量而不平衡量的校正则往往借助于钻床铣床和点焊机等其他辅助设备或用手工

35、方法完成有些平衡机已将校正装置做成为平衡机的一个部分把刚性回转体安装在动平衡机的弹性支承上使回转体转动根椐支承的不同情况 通过回转体的周期性机械振动信号变为电感信号 测量出支承的振动和支反力用分离解算电路计算出回转体的不平衡量再对回转体进行加重或去重直至平衡量达到要求图3-1动平衡工作原理图35动平衡机常用术语1不平衡量转子某平面上不平衡量的量值大小不涉及不平衡的角度位置它等于不平衡质量和其质心至转子轴线的乘积不平衡量com俗称重径积2不平衡相位转子某平面上的不平衡质量相对于给定极坐标的角度值3不平衡度转子单位质量的不平衡量单位是gmmkg在静不平衡时相当于转子的质量偏心距单位为m4初始不平衡

36、量平衡前转子上存在的不平衡量5许用不平衡量为保证旋转机械正常工作所允许的转子剩余不平衡量该指标用不平衡度表示时称为许用不平衡度亦称许用不平衡率6剩余不平衡量平衡校正后转子上的剩余不平衡量7校正半径校正平面上校正质量的质心到转子轴线的距离一般用mm表示8校正平面的干扰相互影响在给定转子某一校正面上不平衡量的变化引起另一校正平面上平衡机指示值的改变有时称为平面分离影响9最小可达剩余不平衡量最小可达剩余不平衡量单位是gmm其意义是指平衡机能使转子达到的剩余不平衡量的最小值是衡量平衡机最高平衡能力的性能指标当该指标用不平衡度表示时称为最小可达剩余不平衡度单位gmmkg10不平衡量减少率经过一次平衡校正

37、所减少的不平衡量与初始不平衡量之比值它是衡量平衡机效率的性能指标以百分数表示式中初始不平衡量一次平衡校正后的剩余不平衡量11不平衡力偶干扰比单面平衡机抑止不平衡力偶影响的性能指标转子单位质量的不平衡量单位是gmmkgm121135110 51650160500kg361室内温度在5352相对湿度不超过853电源电压的波动量不应超过名义值的104安装紧固在稳固的基础上安装水平度在021000以内5平衡机周围无振动源干扰无电磁辐射无腐蚀性介质的车间场地37平衡机选择的知识旋转机械的多样化其产生的振动问题噪声问题机械寿命等的要求日益严格必须针对不同的旋转工件选用适于各自特点的动平衡机并进行相应的不平

38、衡校正选型的一般原则第一步选择动平衡机应该先确定转子的平衡等级根据旋转工件的外形特征选择卧式或立式动平衡机参考前面动平衡机分类当然如果有特殊的要求还可以按照实际需要设计制造第二步根据工件的大小选型如工件的外径长度和重量等特征参数选择动平衡机型号如5165016013到23动平衡效果较好最大或最小值都可做但不一定能满足工件的精度平衡机的测量精度在微米的数量级以上而工件的几何加工精度在1丝-10丝之间也就是说在10微米100微米之间从这个数量级的具体意义来看转子的平衡精度主要决定于工艺轴的几何加工精度下面就几何偏心引起的误差举个简单的例子设转子的质量公斤 工艺轴的加工跳动为550 250 由此看来

39、5 丝的精度有如此大的影响而 5 丝的保证已经有所不易所以平衡工艺轴的加工一定要经过磨削工艺这样才能保证平衡的最终精度目的 38校准原理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是系统不平衡量大小和相位的校准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子时这时仍然有振动信号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转子中不平衡量的来源和表示方法一个转子在设计上一般都使它相对于旋转轴线是轴对称的但是由于工艺上的一系列因素最后装配完毕的转子总是不能做到动力上的完全轴对称也就是存在一定的不平衡量39动平衡机的技术革新由于挠性转子的

40、广泛应用人们研制出了挠性转子平衡机这类平衡机必须在转子工作转速范围内进行无级调速除能测量支承的振动或振动力外还能测量转子的挠曲变形挠性转子平衡机有时安装在真空防护室内以适合汽轮机之类转子的平衡它配备有抽真空系统润滑系统润滑油除气系统和数据处理用计算机系统等庞大的辅助设备动平衡测试技术是随着旋转机械的制造和使用中提出来的计算机的发展为虚拟仪器的应用提供了可能用软件代替硬件的虚拟仪器实现了对动平衡量的测量提高了测试精度同时降低了成本动平衡测试技术是旋转机械故障检测与诊断技术的一个重要分支广泛应用于旋转机械中转子不平衡量的校正已经成为转子动力学中重要的学科据统计在所有旋转机械的故障中约30是由于转子

41、的不平衡引起的它是旋转机械中出现频率最高的故障之一不平衡转子在支承上造成的动载荷将会引起整个旋转机械的振动产生噪音加速轴承磨损造成转子部分高频疲劳破坏和支承部分的部件强迫振动损坏降低旋转机械的寿命甚至使整个机器控制失灵发生严重事故因此对旋转机械系统中的转子进行动平衡 可以极大地提高系统的安全性虽然动平衡机的出现已有100多年的历史但是动平衡机都存在平衡时精度不高无形中延长了动平衡测试的操作周期提高了测试的费用影响了生产的效率计算机的发展为虚拟仪器提供了硬件支持在虚拟技术的冲击下测量仪器和测试技术发生了巨大变革现代测试技术计算机技术电子技术虚拟仪器技术等和动平衡技术相结合研制以计算机为核心的虚拟

42、动平衡测试系统已成为今后发展的方向用labview软件设计的测试系统完成对动平衡的测量和计算提高测试精度的同时降低了生产的成本虚拟动平衡测试系统整个动平衡测试系统是由刚性支承动平衡机传感器信号预处理数据采集卡计算机等五大部分组成测量系统总体框图如图3-3所示左右两支承处的振动传感器将振动信号转变为电压信号经隔直滤波和增益控制后输入到数据采集卡同时由一小型联轴节与试验机车头主轴尾端相连的1个永磁小型基准讯号发电机发出与工件转速同频率的基准相位信号经过预处理后也输入到数据采集卡数据采集卡中的ad转换器将模拟量转变为数字信号送入虚拟仪器软件包进行分析处理平衡解算最后显示出不平衡量的大小和相位据此来实

43、现对转子的不平衡的校正图3-3虚拟动平衡测试系统硬件结构框图硬件由信号调理电路数据采集卡和pc机组成信号调理包括放大和滤波通过调理电路放大传感器输出的微弱信号滤除干扰信号为数据采集卡中ad转换提供适当幅度的输入模拟信号数据采集卡采用pci2003该数据采集卡是一种基于pci总线的数据采集卡可直接插在ibm-pcat或与之兼容的计算机内的任一pci插槽中构成实验室产品质量检测中心等各种领域的数据采集波形分析和处理系统也可构成工业生产过程监控系统计算机采用piii计算机该系统以pc机和数据采集卡为通用硬件平台与传统仪器相比具有便于维护降低成本等优点而且能够实现技术的更新和功能的扩展多功能动平衡测量

44、仪是以mcs-96系列8098单片机为核心的一种基于微电子技术的数字化功能动平衡测量仪该仪器采用16位单片机点阵式液晶显示屏硬件滤波和软件滤波相结合的方法使其具有操作简单显示直观精度高以及性能好的特点该动平衡测量仪总体结构如图3-4所示振动传感器测出支承两端的动载荷信号经光电信号处理电路进行整形经振动信号处理电路仪采用软件滤波和硬件滤波相结合的方法采用开进行信号变换滤波及调整后得到与转子同频率的关电容有源滤波集成电路组成的四阶带通滤波器进正弦信号和方波信号再送给8098放大和倍频等单片机获得不行滤波转速信号经128倍频后作为滤波器的外部处理后分别送振动信号处理电路和8098单片机用于控制跟踪滤

45、波以及振动信号的转速和振动信号的幅值相位测量键盘显示器一方面用来控制动平衡仪的运行一方面显示仪器的运行结果各处理电路之间的信号靠系统总线来传递图3-4多功能动平衡测量仪总体的结构框图4 实例应用41试验用仪器介绍yyw-300a型硬支承平衡机是一种用途广泛的通用动平衡机它具有效率高操作简易直接同时显示不平衡量的克数和相位等特点是一种较为先进的动平衡机硬支承动平衡机的最大特点是根据各种不同类型转子的几何尺寸校正平面和支撑轴承之间的距离进行调整使经一次启动运转后既能正确地显示出不平衡量的克数及相位因此它十分适用于多品种小批量转子的动平衡校验1采用光点矢量瓦特表作为显示仪表显示直观能记忆显示量2测量

46、系统采用线性集成电路性能稳定可靠3机电换能器采用杠杆机械放大式磁电速度传感器其特点是输出不平衡振幅较大性能稳定可靠4采用双通道测量系统操作简单测量迅速5325转分试件轴颈范围较大可达180毫米若备有矢量分解标度盘对校验如曲轴和需作适量分解平衡的转子以及初始不平衡量较大的转子的动平衡提供方便主要技术性能精度指标1每校正平面最小可达剩余不平衡量 2不平衡减少率不平衡力从测量平面到校正平面上的换算在硬支承动平衡机中轴承支架的刚性很大由转子质量分布不均匀所产生的离心力不能使轴承支架产生摆动因而转子和轴承支架几乎不产生振动偏移这样不平衡力就可以被认为是作用在简支梁上的精力因此能用单纯静力学的原理来分析转

47、子的动平衡条件根据刚性转子动平衡原理一个东不平衡的刚性转子总可以在与旋转轴线垂直而不与转子重心重合的两个校正平面上减去或加上适当的重量来达到动平衡转子旋转时支架上的轴承受到了不平衡的交变动压力它包含着动平衡的的大小和相位的信息硬支承动平衡机检测的是不平衡产生的离心力由于采用速度传感器因此它的测量灵敏度与平衡转速成立方比增减而与转子重量或轴承支架重量无关因为速度传感器的输出与速度成正比而离心力与转速平方成正比因而不平衡由传感器输出的讯号与转速成立方比42实验目的根据实验确定平衡品质并加以校正用实验来确定所需平衡品质通常用于大批量生产转子的平衡工艺过程通过试验取得数据确定恰当的平衡品质有利于提高大

48、批量制造转子的技术经济水平有特殊要求的转子有时也需通过试验来确定其平衡品质43实验步骤总电源接通电源后启动按钮指示灯即亮说明机器已通电将车头左侧的变速转换开关拨到中速档此时按下启动按钮电动机即能拖动转子旋转停车时可以按停止按钮也可以直接按下车头右侧的制动手柄制动后需将手柄抬起否则下次不能再启动转子转动方向为由车尾向车头看转子按顺时针方向旋转平衡转子前应先接通电测箱电源预热15分钟后方可开始校平衡面板右下侧为轻重相位开关其位置是按工件平衡的需要来进行调整轻相当于缺重引起的不平衡这个缺重由外加材料来补偿重相当于超重引起的不平衡这个超重由去料钻铣等来补偿平衡的修正量或称校正量为光点在瓦特表标度盘上的

49、指示值读数以格数表示与灵敏度开关按钮所表示的灵敏度克格的乘积偏心距和不平衡量的关系本机所指示的转子不平衡量为克毫米当以偏心距微米来衡量转子的动平衡精度时这两者之间可以相互换算图4-1 试验用yyw-300a型硬支承平衡机电测箱面板上分别有电源开关开速度选择开关灵敏度开关纵向零位调节器横向零位调节器轻重开关测量记忆开关光点矢量瓦特表距离电位器等平面分离旋钮 a b c a 代表转子左校正平面至左支承之间的距离调节范围01000毫米 c 代表转子右校正平面至右支承之间的距离调节范围01000毫米 b 代表转子左右校正平面之间的距离调节范围为1001000毫米校正平面直径旋钮 d d d代表左校正平

50、面修正位置处的直径调节范围1001000毫米 d代表右校正平面修正位置处的直径调节范围1001000毫米必须按照平衡转子量出 d d的实际尺寸来调节旋钮的刻度刻度可以用厘米毫米为单位两者必须一致必须按照工作状态开关按钮所指示的转子装载形式量出 a b c 的实际尺寸来调节旋钮的刻度刻度可以用毫米为单位且三者一致灵敏度开关位于转速开关的右侧瓦特表标度盘每格所表示的不平衡质量由灵敏度开关上的指示数决定灵敏度开关共有四级每级代表不同的灵敏度分别为005克格01克格05克格25克格使用时选择其中一个按下即可以光点指示值不超过瓦特表刻度盘的满刻度为准在对转子校正平衡前必须在所有开关位置与旋钮位置已调整好

51、的情况下先调整电测箱的光点零位此时将灵敏度开关接地即其按钮一个也不按下再按下启动按钮使转子旋转调整光点矢量瓦特表上端左右两只调节螺钉使光点位于标度盘的圆心当变换转速或改变转子的装载形式时需重新检查光点零位若有偏离圆心情况可重新调整由不平衡产生的传感器信号是一个正弦波然而实际上这个正弦波上夹杂着外界振动噪声这些振动噪声有的是机械本身驱动系统产生的有的是支承轴承产生的有的是转子形状引起空气阻流产生的有的是附近的其他机械设备产生的它们通常是一些高频谐波为了有效准确的测出实际不平衡的量测量系统必须滤出传感器信号中的这些外界振动噪声从中摄取反映不平衡量的基波信号选用的瓦特表系统本身的乘法器结构使它具有优良的频率选择特性能自动抑制干扰信号传感器信号经过两次积分模拟运算电路和一次信号功率放大后就可以显示在光点矢量瓦特表的指示屏上1按照上述要求做好平衡试验前的准备工作启动平衡机试验选取中速最大灵敏度005中速650转分表4-1 平衡机调整参数ddabc7272-7272-70其中ac有负号指在0位数以下