【知识目标】

1.了解回转构件的动平衡原理。

2.了解回转构件的动平衡计算方法。

【技能目标】

能使用动平衡机对回转构件进行动平衡。

8.1.1　实验设备

①Y1BK 型硬支承动平衡机。

②刚性转子、普通天平、游标卡尺、橡皮泥。

8.1.2　实验内容

①测量并输入转子参数,在动平衡机上测出需要配重质量的大小和相位。

②对刚性转子进行反复配重,直到动平衡机显示的配重质量达到规定的质量范围。

8.1.3　实验原理

(1)动平衡的原理

对轴向尺寸较大的转子(转子轴向宽度b 与其直径D 之比b/D >0.2),如内燃机曲轴、电机转子和机床主轴等,其偏心质量往往是分布在若干个不同的回转平面内,如图8.1 所示。即使转子的质心在回转轴线上,由于各偏心质量所产生的离心惯性力不在同一回转平面内,因此会形成惯性力偶。该惯性力偶的方向随转子的回转而变化,故引起机器设备的振动。对转子进行动平衡,就是要求其各偏心质量产生的惯性力和惯性力偶矩同时得到平衡。

转子动平衡的条件是各偏心质量(包括平衡质量) 产生的惯性力的矢量和F=0 以及这些惯性力所构成的力矩矢量和M。

图8.1　惯性力的分解

为使转子获得动平衡,必须选定两个回转平面作为平衡基面1 和2,将各离心惯性力分解到选定的平衡基面内。由理论力学可知,力Fi 可分解为与其平行的两个分力Fi1和Fi2,如图8.1 所示。其大小分别为

只要在平衡基面1 和2 内适当地各加一平衡质量mb1和mb2,使两平衡基面内的惯性力之和分别为零,那么转子就可达到动平衡。

(2)转子的许用不平衡量

经过动平衡的转子,不可避免地残存一些不平衡质量,要追求过高的平衡精度,需要付出很大的代价。因此,通常根据转子的工作要求,对转子规定适当的许用不平衡量。转子的许用不平衡量有两种表示方法,即用质径积表示和偏心距表示。对给定的转子,用质径积表示较好,也便于操作。国际标准化组织制订了转子的许用不平衡量,见表8.1。

表8.1　各种典型转子的平衡等级和许用不平衡量

续表

(3)动平衡机的工作原理

1)硬支承动平衡机结构

动平衡机的结构简图如图8.2(a)所示,实物图如图8.2(b)所示。测量时,转子放置在弹性支承上,由电动机通过带传动装置带动转子转动,转子上的偏心质量使弹性支承发生振动,传感器将振动转变为两路电信号,两路电信号同时传递到解算电路,它对这两路信号进行处理以消除两平衡基面之间的相互影响。用选择开关选择图8.1 中的平衡基面,再经选频放大器将信号放大,由显示仪表显示出该平衡基面上的不平衡质径积的大小。放大后的信号又经过整形放大器转变为脉冲信号并被送往鉴相器。鉴相器也同时接收来自光电头和整形放大器的基准信号,基准信号与转子上的反光标记相对应。鉴相器输出的相位差由显示仪表显示,以反光标记为基准就可以确定偏心质量的相位。

图8.2　动平衡机结构简图

1—电动机;2—带传动装置;3—被测转子;4—压电式传感器;5—压电式传感器;6—解算电路;7—选择开关;8—选频放大器;9—显示仪表;10—整形放大器;11—显示仪表;12—鉴相器;13—整形放大器;14—光电头;15—反光标记;16—万向关节

2)转子的形状与支承方式的选择

传感器安装在固定的支承平面内,而不同形状的转子有不同的校正平面。因此,有必要利用静力学原理把支承平面处测量到的不平衡力换算到所选择的两个校正平面上去。转子的形状和支承方式如图8.3 所示。

图8.3　转子的形状和支承方式

按静力学原理可得

式中　FL,FR——左右支承处的支承反力;

FIL,FIR——离心惯性力,FIL=mLω2R1,FIR=mRω2R2;(www.daowen.com)

A——左支承到左平衡基面的距离;

B——左右两平衡基面的距离;

C——右支承到右平衡基面的距离;

mR,mL——左右两个校正平面上的不平衡质量。

由式(8.3)、式(8.4)可得

当转子的几何参数A,B,C,R1,R2 和平衡角速度ω 被确定后,校正平面上应加的平衡质量就可直接测量出来。根据不同形状的转子,按校正平面与支承平面之间的相对位置,有6 种支承方式可选择,见表8.2。

表8.2　不同形状的转子的支承方式

(4)Y1BK 动平衡机的技术性能参数

Y1BK 动平衡机的技术性能参数见表8.3。

表8.3　Y1BK 动平衡机的技术性能参数

8.1.4　实验步骤

①根据转子形状特点,调整两支承架之间的相对位置,调节左右两滚轮架的高度,使转子水平放置。

②选择转子的支承方式,测量尺寸A,B,C 的大小,并确定校正半径R1 和R2。

③调节好传动皮带的松紧,并在转子轴颈和支承滚轮上添加少许润滑油。

④根据转子形状,在转子恰当的位置作上白色或黑色的反光标记,调节光电头与转子之间的距离为30~50 mm,并使光束垂直转子轴线且对准反光标记。

⑤根据转子质量、外径和初始不平衡量来选择转子平衡转速。

⑥打开动平衡机的电源开关,在机器自检通过后,使机器预热5 min。

⑦清零后在电测箱面板上选择转子支承方式,并输入A,B,C,R1 和R2 的数值和平衡转速的大小。

⑧按下电机的电源开关,缓慢顺时针旋动电机调速旋钮,使转子转速达到输入的平衡转速。

⑨记录下电测箱显示面板上显示的配重质量的大小和相位,并逆时针转动调速旋钮使转子停止转动。

⑩用天平称出对应质量的橡皮泥,并加在两校正平面相应的位置上。

⑪再次转动调速旋钮使转子转速达到平衡转速,观察显示的配重质量是否在允许范围内,如果不是,则反复校正几次,直到显示的配重质量进入允许范围以内。

⑫关掉电机电源,关掉动平衡机电源,取下并清理转子,实验结束。

8.1.5　注意事项

①防止转子的轴向窜动而碰撞和损坏光电头。

②光电头周围的环境光不能太强,以免干扰光电头正常工作。如受影响,可调节光电头的位置,使之靠近转子以加强反射和避免面向强光。

③实验过程中,转子的放置要轻拿轻放,严禁轴向移动转子。

④实验过程中,注意人身安全,在打开电机电源之前切记合上安全保护装置。

⑤一定要使橡皮泥与转子贴牢,以免转子转动过程中橡皮泥被甩掉。

8.1.6　思考题

①转子在什么情况下做静平衡?又在什么情况下做动平衡?

②作往复运动或平面运动的构件,能否用动平衡机将其不平衡惯性力平衡?为什么?