高速主轴动平衡及其在线控制技术
章云1，梅雪松1，2
（1.西安交通大学机械工程学院，西安710049；2.西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室，西安710049）
[摘要]针对机床主轴在线自动平衡控制问题，阐述了高速主轴不平衡识别方法和在线自动平衡技术国内外现状，分析了喷液式在线自动平衡装置原理，设计了喷液式平衡系统，并通过高速主轴实验对该系统的有效性进行了验证。研究结果表明，主轴经过平衡后，不平衡量振动值由1.60mm/s降至0.34mm/s，主轴失衡振动得到了有效抑制。[关键词]高速主轴；在线动平衡；振动控制
[中图分类号]TH113.25[文献标识码]A[文章编号]1009-1742（2013）01-0087-06
1前言
现代化的高速数控加工中心具有主轴转速高、运行精度高、加工效率高的特点。转速和精度的提高是以高精度动平衡为前提的，但对于主轴而言，由于制造、安装误差以及材料的不均匀等因素，不平衡的存在是必然的。由于运转在高速下，主轴对不平衡控制的要求比通常转子更加严格，微小的不平衡都可能导致主轴回转精度的严重丧失乃至轴承支承系统的失稳。只有将主轴残余不平衡量控制在一定范围内，才能抑制主轴在高速运行过程中的失衡振动，保证零件的加工精度。
为减小主轴的不平衡，在设计之初应尽量避免不对称结构，在加工装配过程中尽量减小误差。即便如此，主轴不平衡也不可能被完全消除，因此，主轴出厂时会进行初始动平衡以减小主轴失衡量。然而，主轴刀具微小的不对中、磨损或粘刀仍会破坏原有的动平衡。另外，主轴刀具系统受切削力激励、热变形以及高速旋转离心力等复杂工况的干扰，也会破坏主轴的动平衡，从而使得高速机床主轴系统的稳定性被破坏。显然，若每次都采用传统离线停机动平衡的方式来消除微小失衡量，就意味着自动化环节的中断，破坏了高效加工的原则。因此，开展高速主轴动平衡与其在线控制技术的研究，能充分发挥高速主轴的效能，保障机床的长期稳定和高效运行，进而提高我国机床工业和机械制造业的整体水平。
2高速主轴动平衡及其在线控制技术现状及分析
2.1不平衡识别技术
经典的柔性转子动平衡方法可大致分为两种类型，即模态平衡法[1]和影响系数法[2]。这两种方法各有其局限性。对模态平衡法而言，其不平衡识别受支承特性的影响较大，用于轴系平衡时临界转速附近不易获得的单一振型。对影响系数法而言，在高速下平衡时启动次数多，高阶振型敏感性降低。因此，Parkison等[3]提出了综合平衡的概念，即在影响系数法的基础上利用模态平衡法中的振型分离的特点选择平衡参数。这种方法一定程度上结合了二者优点，但仍需多次试重。
为提高平衡效率和精度，国内外学者近年来在低速动平衡和无试重动平衡等方面展开研究。传统平衡方法平衡柔性转子时必须在高速下进行，否则只能进行刚性转子的动平衡。低速动平衡技术[4～6]正是在这种背景下发展起来的，其通过分析转子在临界转速前后振动特性的变化规律，通过信号处理等方式在低速下获取转子高阶振型信息，并根据一
[收稿日期]2012-10-10
[基金项目]“973”国家重点基础研究发展计划资助项目（2009CB724405）；国家自然科学基金资助项目（51075321）
[作者简介]梅雪松（1963—），男，湖北黄梅县人，教授，博士生导师，主要研究方向为数控技术；E-mail：xsmei@https://www.doczj.com/doc/363842113.html,
定策略将多阶振型不平衡量予以分解及校正，从而达到平衡的目的。无试重平衡技术是一种“不需要对转子添加试重就能得出转子不平衡幅值与相位”的新方法，该技术可主要分为两大类：a.通过建立动力学模型，结合失衡振动数据精确反求出不平衡质量，其本质上属于转子不平衡参数辨识过程。这类方法在平衡效率上有较大优势，得到国内外研究的重点关注[7~9]；b.建立转子不平衡与振动信号间的映射机制，通过优化算法使仿真不平衡响应与测量不平衡响应间的差异达到最小值，从而得到不平衡量。这类方法不受反问题病态程度的影响，但是由于大型转子不平衡未知数多以及相关平面的存在，成为制约这种方法的“瓶颈”[10,11]。
总体来说，不管动平衡技术如何发展，始终要遵循科技促进生产力这一宗旨。因此，如何提高平衡精度、效率是所有动平衡技术的核心所在。虽然无试重平衡方法还远未形成系统化的平衡理论，但无试重平衡技术所体现出来的高平衡效率使其成为国内外研究的热点。同样，现有的低速平衡法虽然还远没有成熟，但低速平衡法可以简化动平衡过程、提高动平衡安全性及效率。因此，如何在低速下更准确地平衡柔性转子也必将成为高速主轴动平衡技术的发展趋势。
2.2在线自动平衡技术现状及分析
转子在线自动平衡技术主要包括被动平衡技术和主动平衡技术。被动平衡技术的原理在于：当柔性转子工作在临界转速以上时，其原始不平衡与振动响应呈钝角，配重块会受离心力作用自动补偿原始不平衡。该技术精度有限，在工业现场较少应用。主动平衡技术采取由外部输入能量的控制方式主动实现转子自动平衡。通常分为两类：一类是直接主动振动控制，它直接在旋转物体上施加外力抵消不平衡导致的离心力，达到抑振的目的，外部力一般通过电磁力、液体冲击力等形式施加。另一类是质量重新分布控制，它利用随转子共同旋转的平衡终端对转子进行平衡，平衡终端内部可以通过调整质量分布改善不平衡状态。
国内外关于自动平衡技术方面的研究较多，加拿大学者Van de Vergte[12]首先研究出一种通过位置可控的配重质量实现平衡调整的主动动平衡装置，质量块由电机驱动，可沿固定于平衡终端的运动路径移动。1998年，浙江大学曾胜等[13]研制了基于电机原理的电磁式，其通过向定子线圈通直流电，驱动平衡盘转动，最高运行转速为3000r/min。1999年，美国学者Dyer等[14]研制出一种由电磁力驱动的平衡装置，该装置中含有配重质量的动环随转子旋转，工作时由固定在主轴法兰位置的静环提供电磁力驱动动环上的质量块旋转，从而改变平衡终端中的质量分布。2006年，韩国学者Moon等[15]基于类似的原理，研制出一种电磁式平衡装置，并通过影响系数法在转速为14400r/min时实现了主轴平衡实验。2006年，北京化工大学高金吉等[16]研究了通过持续喷液产生可控液体冲击力的平衡装置，并仿真验证了其可行性。2008年，日本学者Nakamoto 等[17]设计了一种新型的采用磁流体作为平衡质量的平衡装置（见图1），其通过改变平衡终端外围磁场的分布达到改变终端内磁流体分布的目的，该装置在6000r/min
时进行了验证。
图1磁流体主动平衡装置
Fig.1Active balancing mechanism using magnetic fluid 2011年，西安交通大学梅雪松等[18]提出一种基于压电驱动原理的平衡执行装置原理，通过无线感应变压器驱动压电陶瓷片产生面内驻波振动，进而驱使安装有配重质量块的动环旋转，改变主轴转子质心，该方案具有自锁功能，调整精度较高，适合高速高精度转子平衡，其结构如图2所示。同年，北京化工大学黄立权等[19]研究了转子同频振动的在线抵消策略，对转子同频振动及电磁力可控特性进行了分析。2012年，西安交通大学马石磊等[20]提出一种
基于静磁场的新型电磁动平衡装置，并在5000r/min时在滑动轴承支承主轴中得到验证，该装置仅需在待平衡转子上加工特定形状凸台，即可产生用于抑制失衡振动的同频电磁力，其附加质量较小，在高速
转子平衡方面有一定优势。
图2动平衡调整机构结构图
Fig.2System structure of balancing adjustment
mechanism
从平衡原理可知，直接主动振动控制方式响应迅速，便于实时控制，但其并没有从本质上消除导致振动的不平衡量，而是通过施加外力强行抵消失衡离心力，当主轴运行至超高速时，离心力急剧增大，系统往往难以产生足够大的外力来抑制振动。此外，这种平衡控制方式需要系统始终处于使能模式，对于重型转子而言，相对耗能较大。最为关键的是，若遭遇断电等意外情况，在高速旋转的转子将会瞬间丧失平衡状态，容易发生不可预估的风险。根据上述现状分析同样可知，质量重新分布控制方式相对应用较广，其主要可分为3种类型。
1）通过可控微型电机驱动质量块移动的电机驱动式。这类装置易于实现，平衡状态利于保持，但机械结构复杂，尺寸较大，限制了平衡转速的提高。
2）通过电磁力改变平衡质量块分布的电磁力驱动式。这类装置机械结构及控制系统都比较复杂，且温度过高时，永磁铁容易退磁，同时会受强磁场干扰。
3）通过外部填充质量材料以改变转子质量分布的外部喷液填充式。这类装置是唯一能实现定向质量补偿的控制技术，不用向平衡终端输送驱动控制信号，省略了配重块路径寻优过程，且其结构简单，易于轻量化。但其平衡精度受容腔形状和液束控制精度的共同影响，需要合理设计系统参数。
综合来说，尽管自动平衡技术已取得了较大的进展，并且国外已有较为成熟的产品，但出于商业利益的考虑，这些公司的相关技术研究资料对我国垄断，仅能在相关网站查到产品简要介绍。我国从20世纪80年代开始，对在线动平衡技术也进行了大量的研究，但平衡转速基本都在5000r/min以下，平衡精度也不太高，和世界上先进水平相比仍有较大差距。目前对于在线平衡装置主要还是依靠国外进口，并且价格十分昂贵，甚至与主轴价格持平。因此，有必要研究能满足高速高精度要求的在线自动平衡调整装置，提升我国高速主轴在线动平衡水平。
3喷液式在线动平衡技术
3.1工作原理
西安交通大学在喷液式在线动平衡技术方面开展了深入研究，构建了如图3所示的在线喷液式动平衡系统的原理图。系统主要由平衡终端、液压系统、测控系统等几部分组成。平衡终端由内圈和外圈过盈配合构成，整个结构装配后可形成沿圆周均匀分布的4个容腔，可用于存放平衡液体，改变旋转部件的质量分布。液压系统包括液压泵、稳压阀、电磁阀及喷头等结构，主要用于产生一定压力的液体束，便于喷射入平衡终端径向位置上的液体槽中。测控系统中包括传感器和控制器两部分。传感器主要为振动传感器和速度传感器，用于采集转子振动信息及转速，为控制器提供数据支撑。控制器主要根据转子振动状态的变化，判断失衡方位，通过阀组件控制平衡液体喷射方位、
时间。
图3系统工作原理图
Fig.3Working principle diagram
系统工作过程中，首先由振动传感器拾取由于主轴转子的原始不平衡量导致的振动，并将该振动信号经控制器计算得出相应的喷液质量，再由阀组件控制电磁阀液体注入对应的平衡终端，平衡终端旋转的时候，腔内液体会因为离心力而附着在外侧腔壁上，通过这种方式来调节质量分布，进而进行动平衡，这就是喷液式平衡系统的工作原理。
平衡终端是喷液式动平衡系统中的核心部件，其随转子高速旋转，能否保证平衡液在高速下准确
进入平衡液容腔是整个系统成败的关键。如图4所示，平衡终端结构由两部分组成，包括依靠套筒实现轴向定位的平衡终端内圈，以及通过过盈配合固定在内圈外壁上的平衡终端外圈。整个终端结构的内圈和外圈通过过盈配合装配，整体通过锥面配合安装在主轴上同主轴一起旋转。当4个液体腔充满平衡液时，整个平衡终端重量约为350g。相比较于工业现场常用的几千克甚至几十千克的平衡终端而言，其在同类产品中重量优势非常明显，有利
于该平衡终端在高速下应用。
图4平衡终端结构设计
Fig.4Structural design of balancing terminal
液压系统是给动平衡装置提供精确喷液的装置，在符合产品精度的要求下确定参数，然后根据参数完成部件选型。液压系统主要由液压泵、稳压阀、电磁阀和喷头等组成。其中，液压泵是液压系统的动力元件，其作用是将泵体的机械能转换成液体的压力能，它向整个液压系统提供动力（见图5a）；稳压阀作用在于使系统保持一个稳定并且可调节的压力，保证特定时间内喷嘴所喷射的液量可控（见图5b）；电磁阀用于控制液体通断，其响应时间和响应频率直接影响平衡装置的效率和精度（见图5c）。
系统动平衡测控系统主要完成三部分功能。首先，实现振动数据的滤波、转频提取等处理，得到精确表征失衡量的振动信息；其次，根据内置动平衡控制策略，判断失衡量所在方位、大小；最后，控制器发出控制指令、驱动电磁阀机构，实现平衡液喷射操作。动平衡测控系统如图6
所示。
图5液压系统构成
Fig.5Hydraulic
system
图6动平衡测控系统
Fig.6Measure and control system
3.2实验及分析
为验证喷液式自动平衡装置在高速下的平衡效果，西安交通大学基于150SD40Q7型的电主轴构建高速主轴动平衡实验平台，图7为实验现场。其中，电主轴采用两端伸出设计，电机位于主轴中央，两侧分布支承轴承，主轴两端伸出可用于安装喷液
式自动平衡装置终端。该主轴采用油气润滑方式，内部采用高速陶瓷球轴承支承，振动传感器安装在对应轴承位置的主轴外壳顶端。考虑到高速实验的危险性，
主轴外围安装了防护罩。
图7高速电主轴动平衡实验现场
Fig.7Balancing test platform of high-speed spindle
实验过程中，高转速的动平衡从低速到高速逐步进行。由于转速的增加，在低转速下的不平衡量振动会随着增加，因此对于初始的不平衡量要进行校正，在16500r/min时进行低速粗平衡，在20700r/min 时进行高速精细平衡，然后将主轴升速至工作转速运行，观察主轴振动状态，最后降速至停机。两次自动平衡效果分别如图8和图9所示。
从图8可以看出，主轴升速至16500r/min时进行第一次动平衡，平衡后振动值由2.41mm/s降至0.05mm/s，之后继续增速，同时检测不平衡量振动值，当转速达到20700r/min的时候，失衡振动随着转速升高而增大，此时进行第二次动平衡。从图9可以看出，二次自动平衡后，不平衡量振动值由1.60mm/s降至0.34mm/s。且随着平衡过程的进行，主轴噪音显著降低，基座振动下降亦非常明显。此外，对比图8与图9可以看出，16500r/min时的平衡效果比20700r/min时要好，这主要是由于高转速下，非失衡故障导致的转频振动也会有一定量的增加，这影响了最终振动抑制的效果。总体而言，喷液式自动平衡装置对于机床主轴平衡效果明显，有助于提高主轴运行稳定性，保证主轴回转
精度。
图816500r/min平衡前后效果Fig.8Balancing effect at16500
r/min 图920700r/min平衡前后效果Fig.9Balancing effect at20700r/min
4结语
尽管国内外对在线自动平衡技术进行了深入研究，但现有的在线动平衡装置多数应用在磨床砂轮主轴、风机、航空发动机等大型集中量式旋转机械动平衡中，对用于超高速加工中心主轴的平衡装
置研究较少。显然，待平衡转子质量越小，对在线动平衡装置的轻量化要求就越高；待平衡转子转速越高，对在线动平衡装置的平衡精度就越高。实验结果表明，西安交通大学研制的高速主轴喷液式在线自动平衡装置能在20700r/min时完成自动平衡操作，并将不平衡量振动值由1.60mm/s降至0.34mm/s，有效完成了高速主轴的失衡振动在线抑制，提升了主轴的动态性能。
受复杂支承形式、加工状态、主轴转子结构布局等诸多因素影响，动平衡技术仍有许多值得探索的问题，随着现代加工技术标准的不断提高，在线自动动平衡技术也必须朝低附加质量、高精度、快速响应以及智能化方向发展。总体而言，本文所论述的主轴自动平衡技术能有效保障机床主轴的平稳、精确运行，对于提高国家装备制造业的水平具有一定的理论意义与实用价值。
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Study of online balancing control technique for
high-speed spindles
Zhang Yun1，Mei Xuesong1，2
（1.School of Mechanical Engineering，Xi’an Jiaotong University，Xi’an710049，China；
2.State Key Laboratory for Manufacturing Systems Engineering，Xi’an Jiaotong University，Xi’an710049，China）
[Abstract]To solve the problem of online automatic balance control of machine tool spindle，the balanc-ing methods and the automatic balancing technologies were discussed in this paper，and then an online automatic balance mechanism based on hydrojet-typed mass compensation principle was proposed.The feasibility of this balancing device was verified on a motorized spindle，and the empirical results validated the effectiveness of this mechanism.
[Key words]high-speed spindle；online balancing；vibration control
山东XXXXX 有限公司 32吨动平衡机招标书 一、总则 1.1概述 本次采购的设备将适合对PM3和PM5号机的辘子进行动平衡检 测。 32吨硬支撑动平衡整机1台（4）2800X13000X32吨），本动平 衡机 整机包括床身、支撑摆架、万向节驱动部分、皮带驱动部分、测 量系统、电气设备、配套附件、安装附件、及全套的技术资料等。 其他辐子 13机床技术要求总述 1.3.1设备床身为连接处经龙门铳床铳削齐头，材质为HT250铸铁结 构，床身上有两条用于床头箱移动和固定摆架的T 型槽； 1.2纸机基本数据 1. 2.1车速 传动车速： 动平衡车速： 卷纸辘动平衡： 工作车速： 传动方式： 1.2.2动平衡等级 烘缸、VAC 缸、真空辘 1500m/mi n 1600m/min 2500m/min 1400m/min 交流变频，分部传动 G1.6 G1.0
*1.3.2在床身上安装一套支承摆架：标准支承摆架1组，所有摆架均釆用锻钢线切割工艺，采用模块式结构；滚轮支承，带可锁定和可调节装置的压板安全架，刚度架上装有高精度磁力线圈测力传感器（采用进口件，不带机械放大器），用于检测摆架的振动；摆架的移动齿轮齿条的结构，并装有减速电机，电力驱动。*1.3.3万向节驱动部分床头箱底座1件；六档机械齿轮变速箱1台; DC90KW电机1台；带刻度盘的万向联轴节1套。（可轴向移动50mm 用于安装工件时的微调）；2250Nm和50000Nm的专用万向节2套, 带万向节保护罩；基准信号传感器1套（进口）。 皮带驱动采用气动张紧装置，确保每次工件受力均匀一致；基准信号传感器1套（进口）；DC75KW电机1台。 134所有平衡机设备配套的电器设备、继电器、接触器、空气开关 等电器元件须均采用际知名品牌。 *1.3.5测量系统包括：德国进口产品，触摸屏设计，强大的向导提示, 操作非常容易模块化设计，友好的服务系统，并可远程诊断嵌入式工业计算机，鼠标及外置键盘，强大的扩展功能，实现各种复杂的平衡任务，用Windows标准程序操作，USB接口，网络接口；双开门高档电控柜。 *1.3.6传动处轴承SKP品牌。 *1.3.7电机采用：Z4系列直流电机； *1.3.8圈带传动所使用皮带使用进口品牌; *1.3.9在东北地区有售前售后服务机构，同类型的产品在造纸行业的
现场动平衡原理 §-1 基本概念 1、单面平衡 一般来说，当转子直径比其长度大7～10倍时，通常将其当作单面转子对待。在这种情况下，为使偏离轴心的转子质心恢复到轴心位置，只需在质心所处直径的反向任意位置上安放一个同等力矩的校正质量即可。这个过程称之为“单面平衡”。 2、双面平衡 对于直径小于长度7～10倍的转子，通常将其当作双面转子对待。在双面转子上，若有两块相等的质量配置在轴线两端且轴心对称的位置上，此时转子不存在质心偏离转轴问题，即静态平衡。然而，一旦转动起来，这两块质量各自产生的离心力构成一个力偶，惯性轴与转动轴不再重合，导致轴承受到猛烈振动；或者惯性轴与转动轴相倾斜，并且两块质量也不对称，造成质心偏离轴线，这是双面转子实际中存在的最为普遍的不平衡。这种不平衡必须通过转动时的振动测量并且至少在两个平面上安放校正质量才能消除。这个过程称为“双面平衡”。 §-2 平衡校正原理 为了确定待平衡转子校正质量的大小和位置，现场动平衡情况下，利用安放试探质量的方法，临时性地改变转子的质量分布，测量由此引起的振动幅值和相位的变化，由试探质量的影响效果确定出真正需要的校正质量的大小和安放位置。 轴承上任意一点都以与转速相同的频率，周期性地经历转子不平衡产生的离心力。所以，在振动信号频谱上，不平衡表现在转动频率处振动信号增大。一般在转子轴承外壳上安置一个振动传感器，测量不平衡引起的振动。转频处的振动信号正比于不平衡质量产生的作用力。为了测量相位及转频，还要使用转速传感器。本仪器使用激光光电转速传感器，以反光条位置作为振动信号相位参考点，从而确定出转子的不平衡角度。综上所述，利用不平衡振动的幅值和相位可分别确定平衡校正力矩和相对于试重质心位置的校正角度。校正半径选定后，即可依校正力矩和角度计算出校正质量的大小和安置位置。 §-3 平衡步骤 1、平衡前提 (1)确定转子为刚性转子
张小只智能机械工业网 张小只机械知识库主轴动平衡的方法 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个等效于Ud1，和Ud2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1/3以下。相关术语- 不平衡:由于离心力的作用而在轴承上产生振动或运动原因的转子质量分布状态。- 残留不平衡U:平衡处理后留下来的不平衡。- 相对不平衡e:不平衡除以转子质量得到的值，它等于离心力对于轴中心的位移。- 平衡程度G:是相对不平衡与指定角速度的乘积。- 平衡处理:为使作用在轴承上的与旋转速度同步的振动和力处在指定限定以内，而对转子质量分布进行调整的作业。- 满键:是对具有键槽的旋转轴和配合部件，进行最终装配时用的键或者等同的键。- 半键:是对具有键槽的旋转轴或者配合零件，各自单独进行动平衡处理时使用的键。这种不平衡与最终组装时用的键(埋在旋转轴或配合部件的键槽中的不平衡)相当。刚性转子不平衡且的表达和精度要求1. 转子平街程度G也称偏心速度，它不仅表示了转子不平衡程度，而且还表示了转子质量偏心距与工作转速间的关系。G=e乘以w mm/se相对不平衡，mm;w实际使用的最高角速度rad/s。如果用旋转速度n(r/min)来代替， 则:w=2pn/601.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。在JISBO905-1992标准中列出参考附表1，表中示出了对于
平衡精度等级 考虑到技术的先进性和经济上的合理性，国际标准化组织(ISO)于1940年制定了世界公认的 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2.5倍为增量，从要求最高的G0.4到要求最低的G4000。单位为公克×毫米/公斤(gmm/kg)，代表不平衡对于转子轴心的偏心距离。如下表所示： G4000 具有单数个气缸的刚性安装的低速船用柴油机的曲轴驱动件 G1600 刚性安装的大型二冲程发动机的曲轴驱动件 G630 刚性安装的大型四冲程发动机的曲轴驱动件弹性安装的船用柴油机的曲轴驱动件 G250 刚性安装的高速四缸柴油机的曲轴驱动件 G100 六缸和多缸高速柴油机的曲轴传动件；汽车、货车和机车用的发动机整机 G40 汽车车轮、轮毂、车轮整体、传动轴，弹性安装的六缸和多缸高速四冲程发动机的曲轴驱动件 G16 特殊要求的驱动轴（螺旋桨、万向节传动轴）；粉碎机的零件；农业机械的零件；汽车发动机的个别零件；特殊要求的六缸和多缸发动机的曲轴驱动件 G6.3 商船、海轮的主涡轮机的齿轮；高速分离机的鼓轮；风扇；航空燃气涡轮机的转子部件；泵的叶轮；机床及一般机器零件；普通电机转子；特殊要求的发动机的个别零件 G2.5 燃气和蒸汽涡轮；机床驱动件；特殊要求的中型和大型电机转子；小电机转子；涡轮泵 G1 磁带录音机及电唱机、CD、DVD的驱动件；磨床驱动件；特殊要求的小型电枢 G0.4 精密磨床的主轴；电机转子；陀螺仪 在您选择平衡机之前，应该先确定转子的平衡等级。 举例：允许不平衡量的计算 允许不平衡量的计算公式为： (与JPARC一样的计算 gys)式中m per为允许不平衡量，单位是g； M代表转子的自身重量，单位是kg； G代表转子的平衡精度等级，单位是mm/s； r 代表转子的校正半径，单位是mm； n 代表转子的转速，单位是rpm。 举例如下： 如一个电机转子的平衡精度要求为G6.3级，转子的重量为0.2kg，转子的转速为1000rpm，校正半径20mm，则该转子的允许不平衡量为：
1.工件质量（包括平衡夹具） a.最小500Kg b.最大20000Kg 2.每个支承座最大载荷10500Kg 3.工件最大直径Φ2500mm 4.工件轴径范围 a.小滚轮组Φ50~Φ190mm b.中滚轮组Φ190~Φ300mm c.大滚轮组Φ300~Φ400mm d.大滚轮组Φ190~Φ300mm 5.工件两支承间距离400~4400mm 二、驱动主轴 a.主轴电机：YVF2250M-4/B3 55KW b.平衡转速范围：100~1250r/min 三、使用条件 1.环境温度：-10~50℃ 2相对环境温度不超过85% 3.电源：交流380V、50Hz，允许±10%的波动 4.周围无强磁场及大的振动设备。 5.变速器型号：QJ五档系列变速器QJ805。 四、平衡精度 1.最小可达剩余不平衡量：e mar≤0.4gmm/Kg 2.不平衡量减少率：URR≥95%。
1.工件质量（包括平衡夹具） a.最小500Kg b.最大2000Kg 2.每个支承座最大载荷1050Kg 3.工件最大直径Φ1600mm 4.工件轴径范围 a.小滚轮组Φ15~Φ190mm b.中滚轮组Φ190~Φ290mm 5.工件两支承间距离280~3100mm(圈带驱动) 140~2250 mm(联轴节驱动) 二、驱动 a.联轴节驱动电机：YVF2180L-4/B3 22KW b.圈带驱动电机：YVF2180L-4/B5 22KW c.平衡转速范围：100~1200r/min 三、使用条件 1.环境温度：-10~50℃ 2相对环境温度不超过85% 3.电源：交流380V、50Hz，允许±10%的波动 4.周围无强磁场及大的振动设备。 四、平衡精度 1.最小可达剩余不平衡量：e mar≤0.2gmm/Kg 2.不平衡量减少率：URR≥95%。
实验六转子动平衡 一、实验目的 1．巩固转子动平衡知识，加深转子动平衡概念的理解； 2．掌握刚性转子动平衡实验的原理及基本方法。 二、实验设备与工具 1．CS-DP-10型动平衡试验机； 2．试件（试验转子）； 3．天平； 4．平衡块（若干）及橡皮泥（少许）。 三、实验原理与方法 本实验采用的CS-DP-10型动平衡试验机的简图如图1所示。待平衡的试件1安放在框形摆架的支承滚轮上，摆架的左端与工字形板簧3固结，右端呈悬臂。电动机4通过皮带带动试件旋转，当试件有不平衡质量存在时，则产生的离心惯性力将使摆架绕工字形板簧做上下周期性的微幅振动，通过百分表5可观察振幅的大小。 1. 转子试件 2. 摆架 3. 工字形板簧 4. 电动机 5. 百分表 6. 补偿盘 7. 差速器 8. 蜗杆 图1 CS-DP-10型动平衡试验机简图 试件的不平衡质量的大小和相位可通过安装在摆架右端的测量系统获得。这个测量系统由补偿盘6和差速器7组成。差速器的左端为转动输入端（n1）通过柔性联轴器与试件联接，右端为输出端（n3）与补偿盘联接。 差速器由齿数和模数相同的三个圆锥齿轮和一个蜗轮（转臂H）组成。当转臂蜗轮不转动时：n3＝－n1，即补偿盘的转速n3与试件的转速n1大小相等转向相反；当通过手柄摇动蜗杆8从而带动蜗轮以n H转动时，可得出：n3＝2n H－n1，即n3≠－n1，所以摇动蜗杆可改变补偿盘与试件之间的相对角位移。
图2所示为动平衡机工作原理图，试件转动后不平衡质量产生的离心惯性力F =ω2mr，它可分解为垂直分力F y和水平分力F x，由于平衡机的工字形板簧在水平方向（绕y轴）的抗弯刚度很大，所以水平分力F x对摆架的振动影响很小，可忽略不计。而在垂直方向（绕x轴）的抗弯刚度小，因此在垂直分力产生的力矩M = F y·l =ω2mrlsinφ的作用下，摆架产生周期性上下振动。 图2 动平衡机工作原理图 由动平衡原理可知，任一转子上诸多不平衡质量，都可以用分别处于两个任选平面Ⅰ、Ⅱ内，回转半径分别为rⅠ、rⅡ，相位角分别为θⅠ、θⅡ，的两个不平衡质量来等效。只要这两个不平衡质量得到平衡，则该转子即达到动平衡。找出这两个不平衡质量并相应的加上平衡质量（或减去不平衡质量）就是本试验要解决的问题。 设试件在圆盘Ⅰ、Ⅱ各等效着一个不平衡质量mⅠ和mⅡ，对x轴产生的惯性力矩为： MⅠ=0 ；MⅡ=ω2mⅡrⅡlsin(θⅡ+ωt) 摆架振幅y大小与力矩MⅡ的最大值成正比：y∝ω2mⅡrⅡl ；而不平衡质量mⅠ产生的惯性力以及皮带对转子的作用力均通过x轴，所以不影响摆架的振动，因此可以分别平衡圆盘Ⅱ和圆盘Ⅰ。 本实验的基本方法是：首先，用补偿盘作为平衡平面，通过加平衡质量和利用差速器改变补偿盘与试件转子的相对角度，来平衡圆盘Ⅱ上的离心惯性力，从而实现摆架的平衡；然后，将补偿盘上的平衡质量转移到圆盘Ⅱ上，再实现转子的平衡。具体操作如下： 在补偿盘上带刻度的沟槽端部加一适当的质量，在试件旋转的状态下摇动蜗杆手柄使蜗轮转动（正转或反转），从而改变补偿盘与试件转子的相对角度，观察百分表振动使其达到最小，停止转动手柄。（摇动手柄要讲究方法：蜗杆安装在机架上，蜗轮安装在摆架上，两者之间有很大间隙。蜗杆转动一定角度后，稍微反转一下，脱离与蜗轮的接触，这样才能使摆架自由振动，这时观察振幅。通过间歇性地使蜗轮向前转动和观察振幅变化，最终可找到振幅最小的位置。）停机后在沟槽内再加一些平衡质量，再开机左右转动手柄，如振幅已很小（百分表摆动±1~2格）可认为摆架已达到平衡。亦可将最后加在沟槽内的平衡质量的位置沿半径方向作一定调整，来减小振幅。将最后调整到最小振幅的手柄位置保持不动，停机后用手转动试件使补偿盘上的平衡质量转到最高位置。由惯性力矩平衡条件可知，圆盘Ⅱ上的不平衡质量mⅡ必在圆盘Ⅱ的最低位置。再将补偿盘上的平衡质量m p'按力矩等效的原则转换为位于圆盘Ⅱ上最高位置的平衡质量m p，即可实现试件转子的平衡。根据等效条件有：
机床动平衡测试技术规范 沈阳机床（集团）有限责任公司 “高速/复合数控机床及关键技术创新能力平台”课题组 2012年5月
1 简介 动平衡技术是在转子校正面上进行校正平衡，校正后的剩余不平衡量，以保证转子在动态时是在许用不平衡量的规定范围内，在理想的情况下回转体旋转时与不旋转时，对轴承产生的压力是一样的，这样的回转体是平衡的回转体。 提高精度或精密化，减小振动噪音是制造技术的一个主要发展方向、是各种各类数控机床与基础制造装备在应用中所追求的目标。动平衡技术不但可以用于各类数控机床，而且可用于各类设备包括大型和重型设备，还可用于高档数控装置等等。因此，完成本课题的目标和任务对于国家“高档数控机床与基础制造装备”科技重大专项及其项目目标和任务来说，具有着重大作用和显著意义。 由于动平衡技术可用于各类数控机床、设备和高档数控装置。本课题成果将可以为各类数控机床、设备和高档数控装置的开发提供技术支持，同时为这些数控机床、设备及高档数控装置的设计、制造及安装提供理论依据与保证。 动平衡技术已越来越多地应用于航天航空、国防、飞机制造、汽车制造等行业，其工程意义是非常显著的，这项技术可用于各种各类的机床及装备，而且不但可应用于新机床以提高其技术含量和精度，还可应用于老机床以焕发其新春和加入现代制造行列，提高机床及装备的加工精度是此项技术的目的。 2 试验的目的 （1）对于回转零部件,由于零件结构不对称、材质不均匀、加工或装配误差等因素,不可避免地存在质量不均衡。根据平衡理论,我们把具有一定转速的回转件称为转子。如果转子的质量分布对其轴线而
言不均匀、不对称,即其中心主惯性轴不能与旋转轴线重合,那么旋转时就会产生不平衡离心力,它会对支承架和基础产生作用力,而且还会引起机器振动,振动的大小主要取决于不平衡量大小及支承架和基础的刚度。如果振动严重,则会影响机器的性能和寿命。因此,在几乎所有的回转体零件中,平衡工艺是必不可少的工艺过程,它是减小转子振动的极为重要的手段,它能解决由于自由离心力造成的振动。经过平衡后的转子可以延长机器的寿命,减轻振动和降低噪声分贝值,从而改善机器的性能,使其得到平稳的运转。 （2）掌握系统动平衡的测量方法和计算方法。 （3）根据分析结果，提出机床改进意见，提高机床主轴动平衡品质。 3 主要内容与适用范围 本规范规定了数控车床、数控镗铣床及加工中心动平衡的前期准备、试验内容及程序。 本规范适用于数控车床、数控镗铣床及加工中心的动平衡测试，也可以指导其它普通机床的动平衡试验。 4 引用标准及参考文献 ISO 1940-2-1997 机械振动刚性转子的平衡质量要求第2部分平衡误差 5 基本要求 1）试验前，相关部门需提供机床的性能参数表，精度检验单及机床切削规范。 2）设计部门指定专人负责机床动平衡试验的组织和实施，明确
振动分析及现场动平衡仪技术规范 技术要求 l、本规范只适用于辽宁大唐国际沈东热电振动分析及现场动平衡仪计划。 2、本产品必须适用于各种转动机械的振动状态监测以。拥有机械状态管理系统，可以实施设备资料库管理、状态趋势监控、异常原因分析、报表输出作业等众多状态监测工作。机械状态管理系统内置轴承故障数据库可以用来准确分析轴承初期异常问题，可以提早为轴承磨耗或润滑问题作出研判。 功能要求 2.1适用于各种转动机械的振动状态监测。 2.2 用于旋转设备的单、双面精密动平衡、多通道FFT频谱分析、轴承状态分析以及长时间趋势记录分析。 2.3 设备具有状态自动诊断分析、路径数据采集、时间波形分析、相位分析、电气分析、敲击测试、振动分析自动诊断、Spike Energy 峰值能量测量、振幅测量、包络解调、ISO标准智能评估的功能。2.4 设备应拥有机械状态管理系统，可以实施设备资料库管理、状态趋势监控、异常原因分析、报表输出作业等众多状态监测工作。2.5 设备应可以精确评估轴承的状态和条件，检测轴承和润滑故障，该设备定义了峰值能量的包络谱测量值，用以分析轴承状态和轴承故障频率的值。 2.6 设备可以分析机器的转速，调整设置到ISO10816的需求和根据
规定评估状态。需要的输入数据涉及到标准组中的机器分类。除了输入转速值，仪器系统会显示平衡、对中和机器反冲转速的振动等级。 2.7 设备应允许两个传感器同时分析振动相位，而不用停止机器。有助于更精确地去理解(分析)不平衡、不对中、轴弯曲、基础松动等等。 2.9 拥有6个加速度信号通道，4个AC通道和2个DC通道 2.10 拥有针对相位测量的转速输入口和耳机输出口。 3.0 动平衡功能 适用平衡转速范围: 1~10,0000 RPM 可实施单、双平面动平衡校正 双频道功能可同时执行双平面校正 以极坐标图显示不平衡振幅及相位 内建数位式转速追踪滤波装置 内建转速变化即时监控警示功能 内建试重重量自动估算功能 内建去重钻孔自动计算功能 内建更改半径自动计算功能 内建更改Gain调整功能 平衡配重可以自动换算重量分布点 可随时更改校正半径，重新估算平衡配重 可计算、储存、应用系统平衡反应矩阵 可自动比对平衡等级是否符合1S01940标准
动平衡机使用说明 图8 说明 1.START 键--开始测量如果代码C13设置1, 合上轮罩测量开始, 〈看10 章改变操作模式〉如果在测量完毕轮罩打开的情况下按动START 键, 而定位制动处于工作状态时,这时车轮罩打开的情况下车轮也可转动, 要确保车轮转动不会被工具或其他类似的物件所妨碍。--车轮最多转动半圈就被制动, 从而左侧校正面的平衡块能够安放在主轴的正上方。 2.STOP- 键 (1)中断测量 (2)清除错误代码 (3)如果输入完操作模式后,用STOP键 , 新的状态被自动地删除 ,以前的状态被重新建立
图 9 键盘详细使用说明 1.OP 键开始说明初步化运行 2.精确键,--高分辩度显示总读数1克代替5克或OZ替代(需把精确键按下) (1)显示最小不平衡极限值以下的残余不平衡量 : 只要按下此键 .实际不平衡 值即可显示 (2)标准平衡模式下显示不平衡值如果平衡模式Alu1到ALU5 被选择,按下精确 键 , 然后按下功能键设定平衡模式。 (3)OP 和 UN 程序中精确键作为转换键使用 3.C健 (1)轻轻地按下此键 , 转换不平衡读数的主量单位〈克或盎司〉,用 C3 活动代号设置开机时单位。 (2)长时间按下此键 , 转换操作模式 4. 轮胎类型功能键持续按下这个键旋转车轮 , 即可选择所需轮胎类型 ,松下 此键输入值即被存储。 5. 平衡模式功能键持续按下这个键 ,旋转车轮 ,即可选择所需平衡模式,松开 此键,存储输入值。 6. 动静态不平衡显示功能键 7. 轮圈宽度 , 直径等功能键
图 10 显示板,方向显示,提示操作者 1). 左侧较正面的指示器 2). 左、右校正面的 OK 指示器 3). OP 记号--需要执行最优化运行 4). 轮圈符号和上装平衡块的位置 5). 右侧较正面的方向指示器 6). 轮圈直径符号 7). 距离机器的附号(左侧校正面) 8). 右侧校正面的数字显示 ( 二位数) --轮圈直径 --轮圈 / 机器距离 ( 常用mm) --右侧校正而不平衡值 --调整和操作极限值模式的状态 9).START 键符号当运行使用START时 START 会显示 10). 补偿运行完之后符号 11). 轮圈宽度符号 l2). 左侧校正面的数字显示屏显示； 轮圈宽度 右侧校正面不平衡值 静态不平衡值 错误代码 C 代码 简单语言的平衡模式
动平衡机原理 第一台平衡机的出现乞今已有一百多年的历史。而平衡技术的发展主要还是近四十年的事。它与科学技术的发展密切关联。我国动平衡理论和装置的研究及新产品的开发是从五十年代开始的。 机械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，其对轴承的压力，除重力之外别其它的力，即与转子不旋转时一样，只有静压力。这种旋转与不旋转时对轴承都只有静压力的转子，称为平衡的转子。如果转子在旋转时对轴承除有静压力外还附加有动压力，则称之为不平衡的转子。 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，如图一所示，盘状转子，转子是以角速度ω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 F=mrω2, 这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。
近年来，许多机械制造业都在被迫接受着残酷的市场竞争，特别是 WTO 的加入，简直是内忧外患。价格战、技术战一场接着一场，使得众多企业身心疲累，怨声载道。在激烈的市场竞争环境下，提高产品质量成为致胜的有力武器，而动平衡校正则是产品质量的前提和保证。 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。 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。以下是软、硬支承平衡机的性能比较：
主轴动平衡的方法与应用2 1 前言 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个等效于U d1，和U d2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1/3以下。 2 相关术语 ?不平衡:由于离心力的作用而在轴承上产生振动或运动原因的转子质量分布状态。 ?残留不平衡U:平衡处理后留下来的不平衡。 ?相对不平衡e:不平衡除以转子质量得到的值，它等于离心力对于轴中心的位移。 ?平衡程度G:是相对不平衡与指定角速度的乘积。 ?平衡处理:为使作用在轴承上的与旋转速度同步的振动和力处在指定限定以内，而对转子质量分布进行调整的作业。 ?满键:是对具有键槽的旋转轴和配合部件，进行最终装配时用的键或者等同的键。 ?半键:是对具有键槽的旋转轴或者配合零件，各自单独进行动平衡处理时使用的键。这种不平衡与最终组装时用的键(埋在旋转轴或配合部件的键槽中的不平衡)相当。 3 刚性转子不平衡且的表达和精度要求 1.转子平街程度G
也称偏心速度，它不仅表示了转子不平衡程度，而且还表示了转子质量偏心距与工作转速间 的关系。 G=e×ω mm/s e——相对不平衡，mm; ω——实际使用的最高角速度rad/s。如果用旋转速度n(r/min)来代替，则:ω=2πn/60 e×2πn en 60 9.55 2.平衡程度的等级 我国采纳了IS01940-1986刚性转子平衡质量要求标准，标准将平衡程度分为11个等级(见下 表)。 3.关于平衡程度等级的选择 应根据使用状况决定。 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。 在JISBO905-1992标准中列出参考附表1，表中示出了对于形式、大小以及旋转速度不同的 有代表性刚性转子，按经验得到动平衡程度等级的推荐值。 机床主轴平衡程度等级为G1、G2.5级机床主轴轴系的传动零件平衡程度等级为G6.3、G16。 高速旋转机械以及轴承刚性低的机械通常选用平衡程度值小的，相反选用大值。 另外，旋转部份的质量与机械整体质量之比较小时.通常选用的平衡程度值要大。 4.允许残留不平衡的求法
动平衡机操作规程 水泵的转子部件的动不平衡量对整台泵稳定运行有很大的影响。水泵叶轮由于材料组织不均匀及零件加工后产生的形状、尺寸等误差，致使恒态<刚性>转子在对应的工作转速频率下旋转时产生离心力，所引起的振动或运动作用于轴承时该转子所处状态称为该转子的动不平衡。根据GB/T9239.1-2006/ISO 国标。对恒态(刚性)转子平衡品质分级指南，具体到泵类叶轮为G6.3级。为在动平衡机上求得小于转子允许的剩余不平衡量，特制定叶轮动平衡作业指导规程： 一、使用前的准备工作： 1、根据叶轮实际重量选择适合该机允许试验范围的动平衡机。 2、使用前一定要做好清洁工作，特别是轴颈，滚轮摆架底部与轨道之间，都要进行擦试清洁，并在滚轮上加少许清洁的机油，严禁转子与联轴节未接好就开车。 3、根据转子和联轴节尺寸配好接头，其要求是形状对称，在强度允许的情况下,重量要轻;各挡内外园同心,工件和联轴节凹孔配合精度为D1/d要保证同心和端面垂直。 4、为减少示值晃动，工件轴颈和滚轮外R应避开相同或接近以免干扰，其比例最好在0.8以下或1.2以上。 二、电气控制部分：（控制原理见说明书附图） 1．本机电动机电源采用380V/50HZ。 2．电机通电后“停止”按钮红灯亮，如联轴节与转子联接好，则行程开关2XK闭合，将转速转换开关拨到高速或低速档（中间为停车档），即可启动。停车时可按停止按钮或车头箱右侧的制动手柄，制动后应将制动手柄抬起，为下次开车接通电路。 3．本机规定转子转动方向为：由车尾向车头看，转子应顺时针方向旋转。 三、操作程序： 1．将叶轮过动平衡心轴（或转子轴）上定位装夹。 2．调整好两摆架间距离。 3．放置转子部件. 4．连接好适合的联轴节接头。 5．放下安全架压紧转子（或心轴）。 6．从低速位启动，由低速至中速和高速逐渐调整提速，最后达到该叶轮在工况时最大转速。7．观察显示屏上显示的左右两处不平衡量G左、G右及测量点半径值R左、R右，G左、G右不计相位角只计量值。 8．按(G左×R左)+（G右×R右）≤U许用g.mm 根据U左= G左×R左U右= G右×R右 U许用值为设计允许不平衡值为：U许用=D2/2?G(g.mm) 其中：D2——叶轮最大外径(mm) G——设计允许不平衡重量(g) 注意：U左和U右比值应尽可能接近分别为：0.3U许用＜U左＜0.7U许用 0.3U许用＜U右＜0.7U许用 9、对显示的不平衡量作在相应位去除金属层处理。 10、反复进行上述工步试验和处理，直至合格。 四、维护与保养注意事项： 1．经常保持机器清洁，导轨面上应经常涂油防锈，非常用导规面上涂油后应加贴油纸保护。2．滚轮表面更不准粘有任何灰尘杂物，每次使用前应仔细清洁滚轮表面，移动摆架时应同
实验八 零件设计专项能力训练 ——回转件的动平衡 一、实验目的 1． 熟悉运动平衡机的工作原理及转子动平衡的基本方法 2． 掌握用动平衡机测定回转件动平衡的实验方法。 二、设备和工具 简易动平衡试验机、药架天平。 三、原理和方法 T ?、 ? 内，回转半径分别为r o ?、r o ?的两个不平 G o ?、G o ?所产生，如图8-1所示。因 进行动平衡试验时，只需对G o ?、G o ?进 简易动平衡试验机可以分别测出上述 平衡重径积G o ?r o ?和 o ?r o ?的大小和方位，使回转件达到动平 图8-2是简易动平衡机的工作原理图。 图8-1 图8-2 如图所示，框架1经弹簧2与固定的底座3相联，它只能绕OX 轴线摆动，构成一个振动系统。框架上装有主轴4，由固定在底座上的电动机14通过带和带轮12驱动。主轴4上装有螺旋齿轮6，它与齿轮5齿数相等，并相互啮合，齿轮6可以沿主轴4移动。移动的距离和齿轮的轴向宽度相等，比齿轮5的节圆圆周要大，因此调节手轮18，使齿轮6从左端位置移到右端位置时，齿轮5及和它固定的轴9可以回转一周以上，借此调节φc ，φc 的大小由指针15指示。圆盘7固定在轴9上，通过调节手轮17可以使圆盘8沿轴向9上下移动，以调节两圆盘间的距离l c ，l c 由指针16指示。7、8两圆盘大小、重量完全相等，上面分别
装有一重量为G c的重块，其重心都与轴线相距r c，但相位差180°。 被平衡的回转件10架于两个滚动支承13上，通过挠性联轴器11由主轴4带动，因此回转件10与圆盘7、8转速相等，当选取T?和T?为平衡校正面后，回转件10的不平衡就可以看作平面T?和T?内向径为r o?和r o?的不平衡重量G o?和G o?所产生。平衡时可先令摆架的振摆轴线OX处于平面T?内（如图8-2所示）。当回转构件转动时，不平衡重量G o?的离心力P o?对轴线OX的力矩为零，不影响框架的振动，仅有G o?的离心力P o?对轴线OX形成的力矩M o，使框架发生振动，其大小为 M o＝P o??l?cosφ 这个力矩使整个框架产生振动。 为了测出T?面上的不平衡重量大小和相位，加上一个补偿重径积G c r c，使产生一个补偿力矩，即在圆盘7和8上各装上一个平衡重量G c。当电机工作时，带动主轴4并带动齿轮5、6，因而圆盘7、8也旋转，这时G c的离心力P c，就构成一个力偶矩M c，它也影响到框架绕OX轴的振摆，其大小为 M c＝P c?l c?cosφc 框架振动的合力矩为 M＝M o＝M c＝P o??l?cosφ－P c?l c?cosφc 如果合力为零，则框架静止不动。此时 M＝P o??l?cosφ－P c?l c?cosφc＝0 满足上式条件为 G o?r o?＝G c r c?l c／l（1） φo＝φc（2）在平衡机的补偿装置中G c、r c是已知的，试件的两平衡平面是预先选定的，因而两平衡平面间的距离l也是一定的，因此（1）式可以写成 G o?r o?＝A?l c（3）其中A＝G c?r c／l 为便于观察和提高测量精度，在框架上装有重块19，移动19，可改变整个振动系统的自振频率，使框架接近共振，即振幅放大。 通过调节手轮17和18，使框架静止不动，读出l c和φc的数值，由公式（3）即可计算出不平衡重量G o?的大小为 G o?＝A?l c?r o? 其相位可以这样确定，停车后，使指针15转到图8-2所示与OX轴垂直的虚线位置，此时G o?的位置就在平面T?内回转中心的铅直上方。 测量另一个平衡平面T?上的不平衡重径积，只需将试件调头，使平面T?通过OX轴，测量方法与上述相同。 四、实验步骤 1．在被平衡试件上机以前，先开动电机，调节手轮18，使圆盘8与7的重块G c产生的离心力在一直线上，这时力矩M c＝0，从主轴下的指针可看出框架是静止状态，此时标尺16所示的读数为l c的零点位置。 2．装上试件，试件的一端联轴节应与带轮接好，以免开动电机时发生冲击。 3．移动重块19以改变框架的自振频率，使框架接近共振状态，这时框架振幅放大，以提高平衡精度，调共振后锁紧。 4．先调节手轮17，即加一定的补偿力矩（将圆盘7、8分开一定距离），然后调节手轮18，即移动齿轮6，使齿轮5与圆盘7、8得到附加转动，当调节到框架振动的振幅最小时不平衡重量相位已找到。然后再调节手轮18，即调节l c，使框架最后振动消除，振动系统
高速主轴动平衡及其在线控制技术 章云1，梅雪松1，2 （1.西安交通大学机械工程学院，西安710049；2.西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室，西安710049） [摘要]针对机床主轴在线自动平衡控制问题，阐述了高速主轴不平衡识别方法和在线自动平衡技术国内外现状，分析了喷液式在线自动平衡装置原理，设计了喷液式平衡系统，并通过高速主轴实验对该系统的有效性进行了验证。研究结果表明，主轴经过平衡后，不平衡量振动值由1.60mm/s降至0.34mm/s，主轴失衡振动得到了有效抑制。[关键词]高速主轴；在线动平衡；振动控制 [中图分类号]TH113.25[文献标识码]A[文章编号]1009-1742（2013）01-0087-06 1前言 现代化的高速数控加工中心具有主轴转速高、运行精度高、加工效率高的特点。转速和精度的提高是以高精度动平衡为前提的，但对于主轴而言，由于制造、安装误差以及材料的不均匀等因素，不平衡的存在是必然的。由于运转在高速下，主轴对不平衡控制的要求比通常转子更加严格，微小的不平衡都可能导致主轴回转精度的严重丧失乃至轴承支承系统的失稳。只有将主轴残余不平衡量控制在一定范围内，才能抑制主轴在高速运行过程中的失衡振动，保证零件的加工精度。 为减小主轴的不平衡，在设计之初应尽量避免不对称结构，在加工装配过程中尽量减小误差。即便如此，主轴不平衡也不可能被完全消除，因此，主轴出厂时会进行初始动平衡以减小主轴失衡量。然而，主轴刀具微小的不对中、磨损或粘刀仍会破坏原有的动平衡。另外，主轴刀具系统受切削力激励、热变形以及高速旋转离心力等复杂工况的干扰，也会破坏主轴的动平衡，从而使得高速机床主轴系统的稳定性被破坏。显然，若每次都采用传统离线停机动平衡的方式来消除微小失衡量，就意味着自动化环节的中断，破坏了高效加工的原则。因此，开展高速主轴动平衡与其在线控制技术的研究，能充分发挥高速主轴的效能，保障机床的长期稳定和高效运行，进而提高我国机床工业和机械制造业的整体水平。 2高速主轴动平衡及其在线控制技术现状及分析 2.1不平衡识别技术 经典的柔性转子动平衡方法可大致分为两种类型，即模态平衡法[1]和影响系数法[2]。这两种方法各有其局限性。对模态平衡法而言，其不平衡识别受支承特性的影响较大，用于轴系平衡时临界转速附近不易获得的单一振型。对影响系数法而言，在高速下平衡时启动次数多，高阶振型敏感性降低。因此，Parkison等[3]提出了综合平衡的概念，即在影响系数法的基础上利用模态平衡法中的振型分离的特点选择平衡参数。这种方法一定程度上结合了二者优点，但仍需多次试重。 为提高平衡效率和精度，国内外学者近年来在低速动平衡和无试重动平衡等方面展开研究。传统平衡方法平衡柔性转子时必须在高速下进行，否则只能进行刚性转子的动平衡。低速动平衡技术[4～6]正是在这种背景下发展起来的，其通过分析转子在临界转速前后振动特性的变化规律，通过信号处理等方式在低速下获取转子高阶振型信息，并根据一 [收稿日期]2012-10-10 [基金项目]“973”国家重点基础研究发展计划资助项目（2009CB724405）；国家自然科学基金资助项目（51075321） [作者简介]梅雪松（1963—），男，湖北黄梅县人，教授，博士生导师，主要研究方向为数控技术；E-mail：xsmei@https://www.doczj.com/doc/363842113.html,
技术讲课教案 主讲人：范经伟 技术职称（或技能等级）：高级工所在岗位：锅炉辅机点检员 讲课时间： 2011年 06月24日
培训题目：《转子动平衡——原理、方法和标准》 培训目的： 多种原因会引起转子某种程度的不平衡问题，分布在转子上的所有不平衡矢量的和可以认为是集中在“重点”上的一个矢量，动平衡就是确定不平衡转子重点的位置和大小的一门技术，然后在其相对应的位置处移去或添加一个相同大小的配重。 内容摘要： 动平衡前要确认的条件： 1.振动必须是因为动不平衡引起。并且要确认动不平衡力占 振动的主导。 2.转子可以启动和停止。 3.在转子上可以添加可去除重量。 培训教案： 第一章不平衡问题种类 为了以最少的启停次数，获得最佳的平衡效果，我们不仅要认识到动不平衡问题的类型（静不平衡、力偶不平衡、 动不平衡），而且还要知道转子的宽径比及转速决定了采 用单平面、双平面还是多平面进行动平衡操作。同时也要认识到转子是挠性的还是刚性的。
刚性转子与挠性转子 对于刚性转子，任何类型的不平衡问题都可以通过 任选的二个平面得以平衡。 对于挠性转子，当在一个转速下平衡好后，在另一 个转速下又会出现不平衡问题。当一个挠性转子首 先在低于它的70%第一监界转速下，在它的两端平 面内加配重平衡好后，这两个加好的配重将补偿掉 分布在整个转子上的不平衡质量，如果把这个转子 的转速提高到它的第一临界转速的70%以上，这个 转子由于位于转子中心处的不平衡质量所产生的离 心力的作用，而产生变形，如图10所示。由于转子的弯曲或变形，转子的重心会偏离转动中心线，而 产生新的不平衡问题，此时在新的转速下又有必要 在转子两端的平衡面内重新进行动平衡工作，而以 后当转子转速降下来后转子又会进入到不平衡状 态。为了能在一定的转速范围内，确保转子都能处 在平衡的工作状态下，唯一的解决办法是采用多平 面平衡法。 挠性转子平衡种类 1.如果转子只是在一个工作转速下运转，小量的变 形不会产生过快的磨损或影响产品的质量，那么
动平衡机操作规程
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动平衡机操作规程 水泵的转子部件的动不平衡量对整台泵稳定运行有很大的影响。水泵叶轮由于材料组织不均匀及零件加工后产生的形状、尺寸等误差，致使恒态<刚性＞转子在对应的工作转速频率下旋转时产生离心力,所引起的振动或运动作用于轴承时该转子所处状态称为该转子的动不平衡。根据GB/T9239．1－2006/IＳO国标。对恒态(刚性）转子平衡品质分级指南，具体到泵类叶轮为G6．3级。为在动平衡机上求得小于转子允许的剩余不平衡量,特制定叶轮动平衡作业指导规程： 一、使用前的准备工作： １、根据叶轮实际重量选择适合该机允许试验范围的动平衡机。 2、使用前一定要做好清洁工作，特别是轴颈,滚轮摆架底部与轨道之间，都要进行擦试清洁,并在滚轮上加少许清洁的机油，严禁转子与联轴节未接好就开车。 3、根据转子和联轴节尺寸配好接头,其要求是形状对称,在强度允许的情况下,重量要轻；各挡内外园同心,工件和联轴节凹孔配合精度为D1／d要保证同心和端面垂直。 ４、为减少示值晃动,工件轴颈和滚轮外R应避开相同或接近以免干扰,其比例最好在０.８以下或1.2以上。 二、电气控制部分：(控制原理见说明书附图） １. 本机电动机电源采用380Ｖ／5０HＺ。 2. 电机通电后“停止”按钮红灯亮,如联轴节与转子联接好,则行程开关2ＸK闭合，将转速转换开关拨到高速或低速档（中间为停车档)，即可启动。停车时可按停止按钮或车头箱右侧的制动手柄,制动后应将制动手柄抬起,为下次开车接通电路。 3．本机规定转子转动方向为：由车尾向车头看,转子应顺时针方向旋转。 三、操作程序： 1．将叶轮过动平衡心轴（或转子轴）上定位装夹。 2．调整好两摆架间距离。 3. 放置转子部件. 4. 连接好适合的联轴节接头。 5. 放下安全架压紧转子(或心轴）。 ６. 从低速位启动，由低速至中速和高速逐渐调整提速，最后达到该叶轮在工况时最大转速。７.观察显示屏上显示的左右两处不平衡量G左、Ｇ右及测量点半径值R左、R右，G左、Ｇ右不计相位角只计量值。 ８．按(Ｇ左×R左)+（Ｇ右×R右)≤U许用g.mm 根据U左＝G左×R左Ｕ右= Ｇ右×R右 U许用值为设计允许不平衡值为：U许用＝D2/２?Ｇ（g.mm) 其中：D2——叶轮最大外径(mm) G——设计允许不平衡重量(g) 注意:U左和U右比值应尽可能接近分别为：0．3Ｕ许用 汽车轮毂、制动鼓、制动盘动平衡技术要求 汽车轮毂、制动鼓、制动盘动平衡技术要求 1 范围 本标准规定了汽车用轮毂、制动鼓、制动盘动平衡的技术要求、试验方法、检验规则。 本标准适用于本公司生产的各类汽车。 2 规范性引用文件 下列文件中的条款通过本标准的引用而成为本标准的条款。凡是注日期的引用文件，其随后所有的修改单（不包括勘误的内容）或修订版均不适用于本标准，然而，鼓励根据本标准达成协议的各方研究是否可使用这些文件的最新版本。凡是不注日期的引用文件，其最新版本适用于本标准。 GB/T 4201 平衡机的描述检验与评定 GB/T 9239.1 机械振动恒态（刚性）转子平衡品质要求第1部分：规范与平衡允差的检验 GB/T 9239.2 机械振动恒态（刚性）转子平衡品质要求第2部分：平衡误差 JJG 011 就车式车轮动平衡仪检定规定 3 术语和定义 3.1 平衡：检查并在必要时调整转子质量分布，以保证在对应的工作转速频率下，剩余不平衡或者轴颈振动和（或）作用于轴承的力在规定限值内的工艺过程。 3.2 不平衡：转子旋转产生离心力所引起的振动力或运动作用于轴承时，该转子所处的状态。 3.3 剩余不平衡量：平衡后转子上剩余的不平衡量。 4 技术要求 4.1 轮毂、制动鼓、制动盘应按照经规定程序批准的产品图样及技术文件制造，并应符合本标准要求。 4.2 轮毂、制动鼓、制动盘毛坏应进行抛丸处理，以消除残余应力，以防止变形。 4.3 轮毂、制动鼓、制动盘表面不得有毛刺、碰伤、划伤、裂纹等缺陷。 4.4 轮毂、制动鼓、制动盘必须全部经检验合格并清洗干净后才能装配。 4.5 轮毂、制动鼓、制动盘必须做动平衡试验，动不平衡要求应符合表1的规定。产品的动不平衡量选用参考附录A（资料性附录）的规定。汽车轮毂、制动鼓、制动盘动平衡技术要求
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