刚性转子动平衡实验

刚性转子动平衡实验

一、实验目的

1．掌握刚性转子动平衡的基本原理和步骤。

2．掌握虚拟基频检测仪和相关测试仪器的使用。

3．熟悉动静法的工程应用。

二、实验性质

设计性实验

三、实验装置（图5-1）

1．动平衡机

2．电涡流传感器

3．前置器

4．接线盒

5．调速器

6．电子天平

7．配重

8．微型计算机 图

5-1

四、实验背景与基本原理

工程中许多高速转动的机器：气轮机、发电机、电动机、陀螺马达等其转子都不是理想的对称刚体，在轴承上安装时也存在着误差（既有偏心又有偏角）。所以工作时会产生不平衡的惯性力系，引起很大的轴承动约束力。这种交变的动约束力可引起轴承支座和转轴本身的强烈振动，从而影响机器的工作性能和工作寿命。消除动约束力的方法是对转子进行动平衡，即通过在转子上适当的地方附加（或除去）小块质量，用其产生的惯性力去平衡原来不平衡的惯性力系，使转轴成为有一定精度的中心惯性主轴。

本实验采用两平面影响系数法对一多圆盘刚性转子进行动平衡。这是刚性转子动平衡操作的一种常用方法，其目标是使惯性力系的主矢和主矩同时趋近于零。为此，先在转子上任意选定两个截面I、II（称校正平面），见图3-2。在离轴一定距离r1、r2（称校正半径），与转子上某一参考标记成夹角θ1、θ2处，分别附加一块质量为m1、m2的重块（称校正质量）。如能使两质量m1和m2的惯性力（其大小分别为m1r1ω和m2r2ω，ω为转动角速度）正好与原不平衡转子的惯性力系相平衡，那么就实现了刚性转子的动平衡。该方法可以不使用专用平衡机，只要求一般的振动测量，适合在转子工作现场进行动平衡作业。

本实验装置中，动平衡机的转子是工作转速低于最低阶临界转速的转子，称为刚性转子，反之称为柔性转子。转子由调速器设定转速，由涡流传感器测量轴承的水平振动，经前置器、接线盒送给计算机，由专用程序进行处理。

22

图5-2转子系统与惯性力系简化

两平面影响系数法的过程如下：

1．在额定的工作转速或任选的平衡转速下，检测原始不平衡引起的轴承A、B在水平方ψA和ψB向的振动量A0=VA0∠ψA其中VA0和VB0是振动位移的幅值，B0=VB0∠ψB，

是振动信号对于转子上参考标记有关的参考脉冲的相位角。

2．选定两个校正面I、II并确定校正半径r。先在平面I上加一“试重”（试质量） 1=mt1∠β1，这里mt1、β1 分别为“试重”质量及其相对参考标记的方位角，以顺转向为正。“试重”可在配重盒里选择，用电子天平确定其质量。再在相同转速下测量轴承A、B的振动量A1和B1。定义该“试重”的影响系数为

A1=A1-A0-B0 B1=B1 11图5-1

式中的分子称为“试重”的效果矢量，方位角为零度的单位试重的效果矢量称为影响系数。

图5-1

3．取走平面I上的“试重”，在平面II上加“试重”2=mt2∠β2，在相同转速下测量轴承A、B的振动量A2和B2，由此可以定义该“试重”的影响系数为

A2=A2-A0-B0 B2=B2 22

4．校正平面I、II上所需的校正质量1=m1∠θ1和2=m2∠θ2，可通过解下列矢量方程组求得：

⎧A11+A22=-A0 ⎨⎩B11+B22=-B0

求解矢量方程使用计算机，本试验采用专用的动平衡计算程序。

在按上式求出的校正质量进行动平衡后，在同一转速下测量不平衡量，求出新的矫正质量进行新的动平衡，直到将不平衡量降低到规定的范围内为止。

该实验需要集体合作，互相帮助，共同完成。不仅能培养学生自己动手解决工程设计能力，也有助于培养学生的科研协作能力和团队精神。

五、实验内容、实验步骤及注意事项

实验内容：

（1）采用两平面影响系数法在校正平面I与II上反复加质量块，使转子系统的惯性力系逐渐达到平衡。

（2）测试由于转子偏心引起两端支座的动约束力。

实验步骤：

1．按图3-3所示用鼠标左键单击虚拟测试仪器，如连线错误，用鼠标左键单击“重新连接”按钮。确认无误后用鼠标左键单击“连接完毕”按钮，如果出现“连接错误”的提示，则连接有错，需要按“确定”，再按“重新连接”。如果出现“连接正确”的提示，按“确定”后，可获得与图3-4相同的虚拟动平衡仪应用程序界面。

2．将转速控制器转速nb设定为1500r/min，起动转子3至5分钟使转速保持稳定。

3．在图3-4的状态下，用鼠标左键按下左上角按钮“开始”启动虚拟动平衡仪，点击“A通道”、“B通道”进行通道切换。待读数基本稳定后，记录转子原始不平衡引起左（A）、

（B）轴承座振动位移基频成份的幅值和相位角VA0∠ψA、VB0∠ψB。鼠标左击“暂停”按钮，自动调出已装在机内的动平衡计算程序，此时要输入测出的初始不平衡量。

4．转速回零。在I平面（1号圆盘）上任选方位加一试重mt1（要拧紧），记录mt1的值（用天平测量，可取其在6～10克之间）及固定的相位角β1（从黑带参考标记前缘算起，顺转向为正）。

注意：在加“试重”时，不要触碰轴承座上的探头，启动转子之前先用手慢慢转动圆盘，确认转子与探头没有碰触现象，间隙在1mm左右，否则报告教师重新调整探头位置，盖上有机玻璃挡板。

5．启动转子，重新调到平衡转速nb，测出I平面加重后，两个轴承座振动位移的幅值和相位角（A1和B1）。同样将值输入到动平衡计算程序中。

6．转速回零。拆除mt1，在II平面（4号圆盘）上任选方位加一试重mt2。测量记录mt2的值及其固定方位角β2。

7．转速重新调到nb。测出II平面加“试重”后，两个轴承座振动位移的幅值和相位角（A2和B2）。

8．转速回零。取走mt2，调出已装在机内的动平衡计算程序，根据程序运行过程的提示，输入上述测量记录的数据。在CRT显示计算结果后，抄录有关数据及运算结果。

9．根据求出的校正质量（平衡质量）m1、m2及校正质量的相位角θ1、θ2，在校正平面I、II重新加重。然后将转速重新调到nb，再测量记录两个轴承座振动的幅值和相位角。