剛性轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡實(shí)驗(yàn)

PAGE1PAGE2剛性轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康恼莆談傂赞D(zhuǎn)子動(dòng)平衡的基本原理和步驟；掌握虛擬基頻檢測(cè)儀和相關(guān)測(cè)試儀器的使用；了解動(dòng)靜法的工程應(yīng)用。二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容采用兩平面影響系數(shù)法對(duì)一多圓盤剛性轉(zhuǎn)子進(jìn)行動(dòng)平衡。三、實(shí)驗(yàn)原理工作轉(zhuǎn)速低于最低階臨界轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)子稱為剛性轉(zhuǎn)子，反之稱為柔性轉(zhuǎn)子。本實(shí)驗(yàn)采取一種剛性轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡常用的方法—兩平面影響系數(shù)法。該方法可以不使用專用平衡機(jī)，只要求一般的振動(dòng)測(cè)量，適合在轉(zhuǎn)子工作現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行平衡作業(yè)。根據(jù)理論力學(xué)的動(dòng)靜法原理，一勻速旋轉(zhuǎn)的長(zhǎng)轉(zhuǎn)子，其連續(xù)分布的離心慣性力系，可向質(zhì)心C簡(jiǎn)化為過質(zhì)心的一個(gè)力（大小和方向同力系的主向量）和一個(gè)力偶（等于力系對(duì)質(zhì)心的主矩），見圖一。如果轉(zhuǎn)子的質(zhì)心在轉(zhuǎn)軸上且轉(zhuǎn)軸恰好是轉(zhuǎn)子的慣性主軸，即轉(zhuǎn)軸是轉(zhuǎn)子的中心慣性主軸，則力和力偶矩M的值均為零。這種情況稱轉(zhuǎn)子是平衡的；反之，不滿足上述條件的轉(zhuǎn)子是不平衡的。不平衡轉(zhuǎn)子的軸與軸承之間產(chǎn)生交變的作用力和反作用力，可引起軸承座和轉(zhuǎn)軸本身的強(qiáng)烈振動(dòng)，從而影響機(jī)器的工作性能和工作壽命。圖一轉(zhuǎn)子系統(tǒng)與力系簡(jiǎn)化剛性轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡的目標(biāo)是使離心慣性力系的主向量和主矩的值同時(shí)趨近于零。為此，先在轉(zhuǎn)子上任意選定兩個(gè)截面I、II（稱校正平面），在離軸線一定距離、（稱校正半徑），與轉(zhuǎn)子上某一參考標(biāo)記成夾角、處，分別附加一塊質(zhì)量為、的重塊（稱校正質(zhì)量）。如能使兩質(zhì)量和的離心慣性力（其大小分別為和，為轉(zhuǎn)動(dòng)角速度）正好與原不平衡轉(zhuǎn)子的離心慣性力系相平衡，那么就實(shí)現(xiàn)了剛性轉(zhuǎn)子的動(dòng)平衡。 兩平面影響系數(shù)法的過程如下；（1）在額定的工作轉(zhuǎn)速或任選的平衡轉(zhuǎn)速下，檢測(cè)原始不平衡引起的軸承或軸頸A、B在某方位的振動(dòng)量和，其中和是振動(dòng)位移（也可以是速度或加速度）的幅值，和是振動(dòng)信號(hào)對(duì)于轉(zhuǎn)子上參考標(biāo)記有關(guān)的參考脈沖的相位角。（2）根據(jù)轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)，選定兩個(gè)校正面I、II并確定校正半徑、。先在平面I上加一“試重”（試質(zhì)量），其中為試重質(zhì)量，為試重相對(duì)參考標(biāo)記的方位角，以順轉(zhuǎn)向?yàn)檎?。在相同轉(zhuǎn)速下測(cè)量軸承A、B的振動(dòng)量和。矢量關(guān)系見圖二a，b。顯然，矢量及為平面I上加試重所引起的軸承振動(dòng)的變化，稱為試重的效果矢量。方位角為零度的單位試重的效果矢量稱為影響系數(shù)。因而，我們可由下式求得影響系數(shù)。 (1) (2)圖二矢量關(guān)系圖（3）取走，在平面II上加試重，為試重質(zhì)量，為試重方位角。同樣測(cè)得軸承A、B的振動(dòng)量和，從而求得效果矢量和（見圖二c，d）及影響系數(shù) (3) (4)（4）校正平面I、II上所需的校正質(zhì)量和，可通過解下列矢量方程組求得： (5) (6)，為校正質(zhì)量，，為校正質(zhì)量的方位角。求解矢量方程最好能使用計(jì)算機(jī)。本試驗(yàn)采用專用的動(dòng)平衡計(jì)算程序。（5）根據(jù)計(jì)算結(jié)果，在轉(zhuǎn)子上安裝校正質(zhì)量，重新起動(dòng)轉(zhuǎn)子，如振動(dòng)已減小到滿意程度，則平衡結(jié)束，否則可重復(fù)上面步驟，再進(jìn)行一次修正平衡。四、實(shí)驗(yàn)裝置序號(hào)名稱數(shù)量主要技術(shù)指標(biāo)參考型號(hào)生產(chǎn)廠家1轉(zhuǎn)子系統(tǒng)1轉(zhuǎn)速：0~4000r/min臨界轉(zhuǎn)速≥5000r/minR4A清華大學(xué)振動(dòng)實(shí)驗(yàn)室2調(diào)速器1調(diào)速：500~4100r/min定制清華大學(xué)振動(dòng)實(shí)驗(yàn)室3光電變換器1位移：0.1~2000m通用型清華大學(xué)振動(dòng)實(shí)驗(yàn)室4電渦流位移計(jì)2頻率：0~1000Hz位移：2mm峰峰值85811清華桑拓研究所5電子天平1200±0.01gES-200A長(zhǎng)沙湘平公司6微型計(jì)算機(jī)1通用型測(cè)試系統(tǒng)如圖三所示。部分設(shè)備的原理和功用說明如下：（1）轉(zhuǎn)子系統(tǒng)轉(zhuǎn)子軸上固定有四個(gè)圓盤，兩端用含油軸承支承。電動(dòng)機(jī)通過橡膠軟管拖動(dòng)轉(zhuǎn)軸，用調(diào)速器調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。最高工作轉(zhuǎn)速為4000r/min，遠(yuǎn)低于轉(zhuǎn)子一軸承系統(tǒng)的固有頻率。（2）光電變換器、電渦流位移計(jì)及計(jì)算機(jī)虛擬動(dòng)平衡儀圖三測(cè)試系統(tǒng)示意圖圖四測(cè)試虛擬設(shè)備連線圖圖五計(jì)算機(jī)虛擬動(dòng)平衡儀顯示界面與計(jì)算機(jī)虛擬動(dòng)平衡儀相連接的光電探頭，給出入射光和反射光。在轉(zhuǎn)子的測(cè)速圓盤貼上一定寬度的黑紙。調(diào)整探頭方位使入射光束準(zhǔn)確指向圓盤中心。當(dāng)圓盤轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，由于反射光的強(qiáng)弱變化，光電變換器產(chǎn)生對(duì)應(yīng)黑帶的電脈沖，饋入計(jì)算機(jī)虛擬動(dòng)平衡儀（圖四）作為轉(zhuǎn)速測(cè)量和相位測(cè)量的基準(zhǔn)信號(hào)。電渦流位移計(jì)包括探頭和前置器。探頭前端有一扁形線圈，由前置器提供高頻（2MHz）電流。當(dāng)它靠近金屬導(dǎo)體測(cè)量對(duì)象時(shí)，后者表面產(chǎn)生感應(yīng)電渦流。間隙變化，電渦流的強(qiáng)弱隨之變化，線圈的供電電流也發(fā)生變化，從而在串聯(lián)于線圈的電容上產(chǎn)生被調(diào)制的電壓信號(hào)，此信號(hào)經(jīng)過前置器的解調(diào)、檢波、放大后，成為在一定范圍內(nèi)與間隙大小成比例的電壓信號(hào)。本實(shí)驗(yàn)使用兩個(gè)電渦流位移計(jì)，分別檢測(cè)兩個(gè)軸承座的水平振動(dòng)位移。兩路位移信號(hào)通過切換開關(guān)依次饋入計(jì)算機(jī)虛擬動(dòng)平衡儀，以光電變換器給出的電脈沖為參考，進(jìn)行同頻檢測(cè)（濾除諧波干擾）和相位比較后，在計(jì)算機(jī)虛擬動(dòng)平衡儀面板上顯示出振動(dòng)位移的幅值、相位及轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)（圖五）。同頻檢測(cè)前后的振動(dòng)位移波形，通過計(jì)算機(jī)虛擬電子示波器隨時(shí)觀察（圖五）。（3）動(dòng)平衡計(jì)算軟件兩平面影響系數(shù)法的核心是通過求解矢量方程（5）或方程（6）計(jì)算平衡校正量，求解方程涉及復(fù)數(shù)的矩陣運(yùn)算。本實(shí)驗(yàn)采用專用動(dòng)平衡計(jì)算軟件。實(shí)驗(yàn)者也可用MATLAB等語(yǔ)言自行編制解算程序。（4）電子天平用以量測(cè)平衡加重的質(zhì)量。實(shí)驗(yàn)步驟(1)按圖四所示用鼠標(biāo)左鍵連接虛擬測(cè)試儀器，如連線錯(cuò)誤，用鼠標(biāo)左鍵單擊“重新連接”按鈕。確認(rèn)無誤后，用鼠標(biāo)左鍵單擊“連接完畢”按鈕，如果出現(xiàn)“連接錯(cuò)誤”的提示，則連接有錯(cuò)，需要按“確定”，再按“重新連接”。如果出現(xiàn)“連接正確”的提示，按“確定”后，可獲得與圖五相同的虛擬動(dòng)平衡儀應(yīng)用程序界面。（2）將轉(zhuǎn)速控制器轉(zhuǎn)速設(shè)定為1500r/min，起動(dòng)轉(zhuǎn)子3至5分鐘使轉(zhuǎn)速保持穩(wěn)定。（3）在圖五的狀態(tài)下，用鼠標(biāo)左鍵按下左上角按鈕“開始”啟動(dòng)虛擬動(dòng)平衡儀，點(diǎn)擊“A通道”、“B通道”進(jìn)行通道切換。待讀數(shù)基本穩(wěn)定后，記錄轉(zhuǎn)子原始不平衡引起左（A）、（B）軸承座振動(dòng)位移基頻成份的幅值和相位角、。鼠標(biāo)左擊“暫停”按鈕，自動(dòng)調(diào)出已裝在機(jī)內(nèi)的動(dòng)平衡計(jì)算程序，此時(shí)要輸入測(cè)出的初始不平衡量。（4）轉(zhuǎn)速回零。在I平面（1號(hào)圓盤）上任選方位加一試重，記錄的值（用天平測(cè)量，可取其在6～10克間）及固定的相位角（從黑帶參考標(biāo)記前緣算起。順轉(zhuǎn)向?yàn)檎?。注意：在加試重時(shí)，不要觸碰軸承座上的探頭，啟動(dòng)轉(zhuǎn)子之前先用手慢慢轉(zhuǎn)動(dòng)圓盤，確認(rèn)轉(zhuǎn)子與探頭沒有碰觸現(xiàn)象，間隙在1mm左右，否則報(bào)告教師重新調(diào)整探頭位置。（5）啟動(dòng)轉(zhuǎn)子，重新調(diào)到平衡轉(zhuǎn)速，測(cè)出I平面加重后，兩個(gè)軸承座振動(dòng)位移的幅值和相位角（和）。同樣將值輸入到動(dòng)平衡計(jì)算程序中。（6）轉(zhuǎn)速回零。拆除，在II平面（4號(hào)圓盤）上任選方位加一試重。測(cè)量記錄的值及其固定方位角。（7）轉(zhuǎn)速重新調(diào)到。測(cè)出II平面加試重后，兩個(gè)軸承座振動(dòng)位移的幅值和相位角（和）。（8）轉(zhuǎn)速回零。取走，調(diào)出已裝在機(jī)內(nèi)的動(dòng)平衡計(jì)算程序，根據(jù)程序運(yùn)行過程的提示，輸入上述測(cè)量記錄的數(shù)據(jù)。在CRT顯示計(jì)算結(jié)果后，抄錄有關(guān)數(shù)據(jù)及運(yùn)算結(jié)果。（9）根據(jù)求出的校正質(zhì)量（平衡質(zhì)量）、及校正質(zhì)量的相位角、，在校正平面I、II重新加重。然后將轉(zhuǎn)速重新調(diào)到，再測(cè)量記錄兩個(gè)軸承座振動(dòng)的幅值和相位角。（10）轉(zhuǎn)速回零。計(jì)算平衡率（即平衡前后振動(dòng)幅值的差與未平衡振幅的百分比），如高于70%，實(shí)驗(yàn)可結(jié)束。否則應(yīng)尋找平衡效果不良原因重做。（11）停機(jī)、關(guān)儀器電源、拉電閘。拆除平衡質(zhì)量，使轉(zhuǎn)子系統(tǒng)復(fù)原。六、實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求簡(jiǎn)述實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、原理、裝置和簡(jiǎn)要步驟；實(shí)驗(yàn)原始數(shù)據(jù)整理；參考圖二畫出實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的矢量關(guān)系圖；對(duì)實(shí)驗(yàn)方法和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析和討論；七、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的記錄與整理（供參考）平衡轉(zhuǎn)速=r/min實(shí)驗(yàn)日期：A軸承I平面B軸承II平面幅值相位幅值相位原始振動(dòng),mdegmdegI平面試重克deg，mdegmdegII平面試重克deg，mdegmdeg計(jì)算校正量克