转子动平衡机原理

・９６・　《测控技术））２００８年第２７卷第７期　

提高两工位钻削动平衡机转子校正精度的方法　

李莉，蔡萍，赵鼎鼎　

（上海交通大学测试计量技术与仪器系，上海２００２４０）　

摘要：介绍了研制的两工位半自动动平衡机去重系统的组成、工作过程，重点对动平衡转子二次平面分离技术以及系统的　误差进行了研究，提出了校正环节闭环系统的设计，通过相应的计算，为提高平衡机去重精度提出了实用的方法。　

关键词：去重；平面分离；闭环系统；校正误差　

中图分类号：ＴＰ８７７　文献标识码：Ａ　文章编号：１０００—８８２９（２００８）０７—００９６—０３　

Ｍｅｔｈｏｄｓ　ｏｆ　Ｉｍｐｒｏｖｉｎｇ　Ｂａｌａｎｃｉｎｇ　Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ　ｏｆ　Ｔｗｏ—Ｓｔａｔｉｏｎ　

Ｂｏｒｉｎｇ　Ｂａｌａｎｃｉｎｇ　Ｍａｃｈｉｎｅ　

Ｕ　Ｌｉ，ＣＡＩ　Ｐｉｎｇ，ＺＨＡＯ　Ｄｉｎｇ—ｄｉｎｇ　

（Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ　ｏｆ　Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｓｈａｎｇｈａｉ　Ｊｉａｏｔｏｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ　２００２４０，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｄｅ—ｗｅｉｇｈｒｉｎｇ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｔｗｏ—ｓｔａｔｉｏｎ　ｓｅｍｉａｕｔｏｍａｔｉｃ　ｂａｌａｎｃｉｎｇ　ｍａｃｈｉｎｅ　ａｒｅ　ｄｅｓｃｒｉｂｅｄ．Ｉｎ　ｏｒｄｅｒ　ｔｏ　

ｉｍｐｒｏｖｅ　ｔｈｅ　ｅｍｅｎｄａｔｉｏｎ　ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｒｏｔｏｒ，ａ　ｓｅｃｏｎｄａｒｙ　ｐｌａｎｅ　ｓｅｐａｒａｔｉｎｇ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ａｎｄ　ａ　ｃｌｏｓｅ　ｌｏｏｐ　ｓｙｓｔｅｍ　ａｒｅ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｔｈｅ　

ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ　ｈａｓ　ｂｅｅｎ　ｉｍｐｒｏｖｅｄ　ａｃｃｏｒｄｉｎｇ　ｔＯ　ｔｈｅ　ｍｅｔｈｏｄｓ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｄｅ・－ｗｅｉｇｈｔ；ｓｅｃｏｎｄａｒｙ　ｐｌａｎｅ　ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ；ｃｌｏｓｅｄ・－ｌｏｏｐ　ｓｙｓｔｅｍ；ｅｍｅｎｄａｔｉｏｎ　ｅｒｒｏｒ　

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：

转子动平衡的基本原理及现场动平衡技术

一不平衡问题种类

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，关注修心养身密码，学习安全和养生知识，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，那么可以在任意二个平面内进行平衡，使轴承的振动降低到最小即可。

2. 如果一个挠性转子，只是在一个工作转速下工作，但是将转子的变形量降低到最小是极其重要的，这时最好采用多平面动平衡修正。

3. 如果一个转子必须在一个宽广的转速范围内都能平稳地工作，即该转子在低转速时是刚性的，在高转速时是挠性的，这时最好采用多平面动平衡修正。

临界转速

当转子的转速达到自身产生弯曲共振时的转速，称为临界转速。

转子经过临界转速时，关注修心养身密码，学习安全和养生知识，转子产生的弯曲振型数，取决转子转速与转子自振频率相一致的数量。一般来说转子的转速低于它的自振频率的70%时，认为它是一个刚性转子，而高于它的自振频率的70%时，认为它是一个挠性转子。由于转子的转速升高通过它的自振频率而产生弯曲或变形时，转子的重心就会偏离转子的转子的转动中心线，产生新的不平衡状态。

实验原理与方法

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nH转动时，可得出：n3＝2nH－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Fy和水平分力Fx，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Fx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 = Fy·l =ω2mrlsinφ 的作用下，摆架产生周期性上下振动。 1

2

3

4 7 6 5

Z1 n1 n3

8 Z3 Z2 H Ⅰ Ⅱ 1 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。