实验三  刚性转子动平衡测试与分析（试行）

一、实验目的

1.掌握刚性转子动平衡设计的原理和方法；

2.掌握在动平衡机上对刚性转子进行动平衡的原理和方法。

二、实验预习内容

1. 预习与动平衡相关的知识；掌握动平衡设计的原理和方法；了解动平衡机的结构、工作原理和使用方法；了解动平衡实验的原理和方法。

2.      动平衡设计原理

在转子的设计阶段，尤其在设计高速转子及精密转子结构时，必须进行平衡计算，以检查惯性力和惯性力矩是否平衡。若不平衡则需要在结构上采取措施，以消除不平衡惯性力的影响，这一过程称为转子的平衡设计。转子的平衡设计分为静平衡设计和动平衡设计，静平衡设计指对于径宽比的盘状转子，近似认为其不平衡质量分布在同一回转平面内，忽略惯性力矩的影响；动平衡设计指径宽比的转子（如多缸发动机的曲轴、汽轮机转子等），其特点是轴向宽度较大，偏心质量可能分布在几个不同的回转平面内，因此不能忽略惯性力矩的影响。此时，即使不平衡质量的惯性力达到平衡，惯性力矩仍会使转子处于不平衡状态。由于这种不平衡只有在转子运动的情况下才能显示出来，因此称为动不平衡。为了避免动不平衡现象，在转子设计阶段，根据转子功能要求设计了转子后，需要确定出各个不同回转平面内偏心质量的大小和位置，然后运用理论力学中平行力合成与分解的原理将每一个离心惯性力分解为分别作用于选定的两平衡基面内的一对平行力，并在每个平衡基面内按平面汇交力系求解，从而得出两个平衡基面分别所需的平衡配重的质径积大小和位置，然后在转子设计图纸上加上这些平衡质量，使设计出来的转子在理论上达到平衡。

3.  预习作业

（1）静平衡实验适用于何种回转构件？动平衡实验适用于何种回转构件？

（2）刚性转子静平衡和动平衡的条件各是什么？经动平衡后的转子是否满足静平衡要求？

（3）在需要平衡的转子上如何选择平衡面？

三、实验设备和工具

1. 动平衡实验机。

2. 平衡用钢块若干。

3. 笔、纸等文具。

四、DPH-I型动平衡机的结构及其工作原理

1. 动平衡机的工作原理

把被平衡的转子置于支承系统左右摆架上，电机通过带传动方式驱动转子旋转,其不平衡质量将产生离心惯性力，支承系统摆架在该力的作用下产生振动，左右压力传感器通过转换装置将振动信号转换成电信号输入到DPH-I电测系统，光电传感器则为系统提供一个频率/相位基准信号。DPH-I电测系统硬件完成振动信号处理任务，使系统具有良好的实时性，其软件完成数据采集和计算、平面分离运算、过程控制等任务，最后通过计算机屏幕显示或打印机输出左右不平衡质量大小和相位以及数据分析曲线。

2.      动平衡机的构造

动平衡机主要是由计算机、数据采集器、高灵敏度有源压电力传感器和光相位传感器等组成。现以DPH-I型智能动平衡机为例，介绍其主要结构(力传感器在3后面)，如图3-1所示。

          1. 光电传感器;  2. 转子;  3. 硬支承摆架组件;   4.减振底座

5. 传动带; 6.  电机  7. 零位标志     

五、动平衡实验步骤

经过平衡设计的转子在理论上是完全平衡的，但是由于制造和装配上的误差及材质不均匀等原因，实际生产出来的转子在运转时还会出现不平衡现象，由于这种不平衡现象在设计阶段是无法确定和消除的，因此需要用试验的方法对其做进一步平衡。这种平衡通常都是在动平衡机上进行的，通过动平衡机测量出平衡基面上不平衡质量的大小和相位，然后进行配重或去重最终达到所要求的平衡精度。下面介绍实验用DPH-I型智能动平衡机进行测量的实验步骤：

1． 平衡件模式选择

  点击“动平衡实验系统”，出现“动平衡实验系统”的虚拟仪器操作前面板，点击“设置”菜单功能键的“模式设置”功能，屏幕上出现模型ABCDEF六种模型。根据动平衡元件的形状，选择其模型格式。选中的模型右上角的指示灯变红，点击“确定”，回到虚拟仪器操作前面板。在前面板右上角就会显示所选定的模型形态。量出所要平衡器件的具体尺寸，并根据图示平衡件的具体尺寸，将数字输入相应的A、B、C框内。点击“保存当前配置”键，仪器就能记录、保存这批数据，作为平衡件相应平衡公式的基本数据。只要不重新输入新的数据。此格式及相关数据不管计算机是否关机或运行其他程序，始终保持不变。

2．系统标定

 （1）点击“设置”框的“系统标定”功能键，屏幕上出现仪器标定窗口。将两块2g重的磁铁分别放置在标准转子左右两侧的零度位置上，在标定数据输入窗口框内，将相应的数值分别输入“左不平衡量”、“左方位”；“右不平衡量”及“右方位”的数据框内（按以上操作，左、右不平衡量均为2g，左右方位均是零度），启动动平衡试验机，待转子转速平稳运转后，点击“开始标定采集”，下方的红色进度条会作相应变化，上方显示框显示当前转速，及正在标定的次数，标定值是多次测试的平均值。

 （2）平均次数可以在“测量次数”框内人工输入，一般默认的次数为10次。标定结束后应按“保存标定结果”键，完成标定过程后，按“退出标定”键，即可进入转子的动平衡实际检测。标定测试时，在仪器标定窗口“测试原始数据”框内显示的四组数据，是左右两个支撑输出的原始数据。如在转子左右两侧，同一角度，加入同样重量的不平衡块，而显示的两组数据相差甚远，应适当调整两面支撑传感器的顶紧螺丝，可减少测试的误差。

3．动平衡测试

   （1） 手动（单次）

    手动测试为单次检测，检测一次系统自动停止，并显示测试结果。

   （2）自动（循环）

    自动测试为多次循环测试，操作者可以看到系统动态变化。按“数据分析曲线”键，可以看到测试曲线变化情况。需要注意的是：要进行加重平衡时，在停止转子运转前，必须先按“停止测试”键，使软件系统停止运行，否则会出现异常。

4．实验曲线分析

在数据采集过程中，或在停止测试时，都可以在前面板区按“数据分析曲线”键，计算机屏幕会切换到“采集数据分析窗口”，该窗口有四个图形显示区和5个数字显示窗口，它们分别是“滤波后曲线”、“频谱分析图”、“实际偏心量分布图”和“实际相位分布图”四个图形显示区和转速，左右偏心量及偏心角五个数字显示窗口，该分析窗口的功能主要是将实验数据的整个处理过程，详细地展示，可进一步认识到如何从一个混杂着许多干扰信号的原始信号中，通过数字滤波、FFT信号频谱分析等数学手段提取有用的信息，该窗口不仅显示了处理的结果，还交代了信号处理的演变过程。在自动测试情况下（即多次循环测试），从“实际偏心量分布图”和“实际相位分布图”可以看到每次测试过程当中的偏心量和相位角的动态变化，曲线变化波动较大说明系统不稳定要进行调整。

5．平衡过程

本实验装置在做动平衡实验时，为了方便起见一般是用永久磁铁配重，作加重平衡实验，根据左、右不平衡量显示值（显示值为去重值），加重时根据左、右相位角显示位置，在对应其相位180^o的位置，添置相应数量的永久磁铁，使不平衡的转子达到动态平衡的目的。在自动检测状态时，先在主面板按“停止测试”键，待自动检测进度条停止后，关停动平衡实验台转子，根据实验转子所标刻度，按左、右不平衡量显示值，添加平衡块，其质量可等于或略小于面板显示的不平衡量，然后，启动实验装置，待转速稳定后，再按“自动测试，进行第二次动平衡检测，如此反复多次，系统提供的转子一般可以将左、右不平衡量控制在0.1g以内。在主界面中的“允许偏心量”栏中输入实验要求偏心量（一般要求大于0.05g）。当“转子平衡状态”指示灯由灰色变蓝色时，说明转子已经达到了所要求的平衡状态。

由于动平衡数学模型计算理论的抽象理想化和实际动平衡器件及其所加平衡块的参数多样化的区别，由此动平衡实验的过程是个逐步逼近的过程。

六、实验报告内容

按实验报告三的要求，完成实验报告。

七、实验问题思考

1. 影响转子动平衡精度的主要因素有哪些？

2. 经过动平衡的刚性转子是否会有残留的动平衡？若有，应如何解决？

实验报告三的要求

一、实验目的

二、实验设备及用具

三、原始数据

1、转子的结构及尺寸

2、仪器标定

四、实验结果

五、实验问题思考

1、  观察频谱分析图，分析左右支撑处振动的频率和幅值变化情况。

2、  经过动平衡的刚性转子，是否有残留的动不平衡？若有，根据工作需要应该怎样解决？

第二篇：刚性转子动平衡设计与实验

实验五  刚性转子动平衡设计与实验

一、实验目的

1、掌握刚性转子动平衡设计的原理和方法；

2、掌握在动平衡机上对刚性转子进行动平衡的原理和方法。

二、实验预习的内容

1、预习与动平衡相关的知识；掌握动平衡设计的原理和方法；了解动平衡机的结构、工作原理和使用方法；了解动平衡实验的原理和方法。

2、动平衡设计

1）动平衡设计原理

在转子的设计阶段，尤其在设计高速转子及精密转子结构时，必须进行平衡计算，以检查惯性力和惯性力矩是否平衡。若不平衡则需要在结构上采取措施，以消除不平衡惯性力的影响，这一过程称为转子的平衡设计。转子的平衡设计分为静平衡设计和动平衡设计，静平衡设计指对于D/b≥5的盘状转子，近似认为其不平衡质量分布在同一回转平面内，忽略惯性力矩的影响。动平衡设计指径宽比D/b＜5的转子（如多缸发动机曲轴、汽轮机转子等），其特点是轴向宽度较大，偏心质量可能分布在几个不同的回转平面内，因此，不能忽略惯性力矩的影响。此时，即使不平衡质量的惯性力达到平衡，惯性力矩仍会使转子处于不平衡状态。由于这种不平衡只有在转子运动时才能显示出来，因此称为动不平衡。为避免动不平衡现象，在转子设计阶段，根据转子的功能要求设计转子后，需要确定出各不同回转平面内偏心质量的大小和位置，然后运用理论力学中平行力的合成与分解的原理，将每一个离心惯性力分解为分别作用于选定的两平衡基面内的一对平行力，并在每个平衡基面内按平面汇交力系求解，从而得出两个平衡基面分别所需的平衡配重的质径积大小和位置，然后在转子设计图纸上加上这些平衡质量，使设计出来的转子在理论上达到平衡。

2）转子动平衡设计的方法及步骤

A：根据转子的结构确定出偏心质量所在的平面，并计算出各个偏心质量m₁、

m₂、…、m_i，向径r₁、r₂、…、r_i，方位角θ₁、θ₂、…、θ_i和惯性力F₁、F₂、…、F_i；

B：选定平衡基面Ⅰ、Ⅱ，将惯性力F₁、F₂、…、F_i分解到所选定的平衡基面

Ⅰ、Ⅱ，其分力分别为F^＇₁、F^＇₂、…、F^＇_i和F^″₁、F^″₂、…、F^″_i，设在Ⅰ、Ⅱ面上所加的配重为m_Ⅰ、m_Ⅱ，其向径为r_Ⅰ、r_Ⅱ，其方位角为θ_Ⅰ、θ_Ⅱ；确定两个平衡基面Ⅰ、Ⅱ的距离L和各个偏心质量分别到平衡基面Ⅰ的距离l^＇₁、l^＇₂、…、l^＇_i和到平衡基面Ⅱ的距离l^″₁、l^″₂、…、l^″_i，；

C：分别列出平衡基面Ⅰ、Ⅱ动平衡方程式

 

D：求解m_Ⅰ、θ_Ⅰ和m_Ⅱ、θ_Ⅱ。

解法一：

（1）取质径积（m_ir_i）比例μ_mr；

（2）分别作出平衡基面Ⅰ、Ⅱ质径积矢量多边形，求出m_Ⅰr_Ⅰ、θ_Ⅰ和m_Ⅱr_Ⅱ、

θ_Ⅱ；

    （3）分别选取平衡质量m_Ⅰ、m_Ⅱ在平衡基面Ⅰ、Ⅱ的向径为r_Ⅰ、r_Ⅱ，计算出m_Ⅰ、m_Ⅱ。

解法二：

（1）列出平衡基面Ⅰ、Ⅱ的动平衡方程式分别在x、y方向上的投影方程式

       

计算出m_Ⅰr_Ⅰ、m_Ⅱr_Ⅱ和θ_Ⅰ、θ_Ⅱ；

（2）选取m_Ⅰ、m_Ⅱ在平衡基面的向径r_Ⅰ、r_Ⅱ，计算出m_Ⅰ、m_Ⅱ。

3、动平衡设计报告

1）转子结构图

2）转子动平衡设计参数：

平衡基面的位置、转子材料密度ρ、不平衡质量所在回转平面位置、不平衡质量所在的向径r_i和方位角θ_i、不平衡质量m_i、平衡基面之间的距离L、平衡质量m_Ⅰ、m_Ⅱ在平衡基面上的向径r_Ⅰ、r_Ⅱ。

3）动平衡设计计算

    要求列出平衡基面动平衡方程式，用图解法和解析法分别进行计算。

三、实验设备和工具

1、实验用刚性转子（同动平衡设计）；

2、平衡用钢块及橡皮泥；

3、天平；

4、动平衡机如下图所示。

a）RYQ-30

b）YYH-500 图5-1动平衡机