PAGE1PAGE2剛性轉子動平衡實驗一、實驗目的掌握剛性轉子動平衡的基本原理和步驟；掌握虛擬基頻檢測儀和相關測試儀器的使用；了解動靜法的工程應用。二、實驗內容采用兩平面影響系數法對一多圓盤剛性轉子進行動平衡。三、實驗原理工作轉速低于最低階臨界轉速的轉子稱為剛性轉子，反之稱為柔性轉子。本實驗采取一種剛性轉子動平衡常用的方法—兩平面影響系數法。該方法可以不使用專用平衡機，只要求一般的振動測量，適合在轉子工作現場進行平衡作業。根據理論力學的動靜法原理，一勻速旋轉的長轉子，其連續分布的離心慣性力系，可向質心C簡化為過質心的一個力（大小和方向同力系的主向量）和一個力偶（等于力系對質心的主矩），見圖一。如果轉子的質心在轉軸上且轉軸恰好是轉子的慣性主軸，即轉軸是轉子的中心慣性主軸，則力和力偶矩M的值均為零。這種情況稱轉子是平衡的；反之，不滿足上述條件的轉子是不平衡的。不平衡轉子的軸與軸承之間產生交變的作用力和反作用力，可引起軸承座和轉軸本身的強烈振動，從而影響機器的工作性能和工作壽命。圖一轉子系統與力系簡化剛性轉子動平衡的目標是使離心慣性力系的主向量和主矩的值同時趨近于零。為此，先在轉子上任意選定兩個截面I、II（稱校正平面），在離軸線一定距離、（稱校正半徑），與轉子上某一參考標記成夾角、處，分別附加一塊質量為、的重塊（稱校正質量）。如能使兩質量和的離心慣性力（其大小分別為和，為轉動角速度）正好與原不平衡轉子的離心慣性力系相平衡，那么就實現了剛性轉子的動平衡。 兩平面影響系數法的過程如下；（1）在額定的工作轉速或任選的平衡轉速下，檢測原始不平衡引起的軸承或軸頸A、B在某方位的振動量和，其中和是振動位移（也可以是速度或加速度）的幅值，和是振動信號對于轉子上參考標記有關的參考脈沖的相位角。（2）根據轉子的結構，選定兩個校正面I、II并確定校正半徑、。先在平面I上加一“試重”（試質量），其中為試重質量，為試重相對參考標記的方位角，以順轉向為正。在相同轉速下測量軸承A、B的振動量和。矢量關系見圖二a，b。顯然，矢量及為平面I上加試重所引起的軸承振動的變化，稱為試重的效果矢量。方位角為零度的單位試重的效果矢量稱為影響系數。因而，我們可由下式求得影響系數。 (1) (2)圖二矢量關系圖（3）取走，在平面II上加試重，為試重質量，為試重方位角。同樣測得軸承A、B的振動量和，從而求得效果矢量和（見圖二c，d）及影響系數 (3) (4)（4）校正平面I、II上所需的校正質量和，可通過解下列矢量方程組求得： (5) (6)，為校正質量，，為校正質量的方位角。求解矢量方程最好能使用計算機。本試驗采用專用的動平衡計算程序。（5）根據計算結果，在轉子上安裝校正質量，重新起動轉子，如振動已減小到滿意程度，則平衡結束，否則可重復上面步驟，再進行一次修正平衡。四、實驗裝置序號名稱數量主要技術指標參考型號生產廠家1轉子系統1轉速：0~4000r/min臨界轉速≥5000r/minR4A清華大學振動實驗室2調速器1調速：500~4100r/min定制清華大學振動實驗室3光電變換器1位移：0.1~2000m通用型清華大學振動實驗室4電渦流位移計2頻率：0~1000Hz位移：2mm峰峰值85811清華桑拓研究所5電子天平1200±0.01gES-200A長沙湘平公司6微型計算機1通用型測試系統如圖三所示。部分設備的原理和功用說明如下：（1）轉子系統轉子軸上固定有四個圓盤，兩端用含油軸承支承。電動機通過橡膠軟管拖動轉軸，用調速器調節轉速。最高工作轉速為4000r/min，遠低于轉子一軸承系統的固有頻率。（2）光電變換器、電渦流位移計及計算機虛擬動平衡儀圖三測試系統示意圖圖四測試虛擬設備連線圖圖五計算機虛擬動平衡儀顯示界面與計算機虛擬動平衡儀相連接的光電探頭，給出入射光和反射光。在轉子的測速圓盤貼上一定寬度的黑紙。調整探頭方位使入射光束準確指向圓盤中心。當圓盤轉動時，由于反射光的強弱變化，光電變換器產生對應黑帶的電脈沖，饋入計算機虛擬動平衡儀（圖四）作為轉速測量和相位測量的基準信號。電渦流位移計包括探頭和前置器。探頭前端有一扁形線圈，由前置器提供高頻（2MHz）電流。當它靠近金屬導體測量對象時，后者表面產生感應電渦流。間隙變化，電渦流的強弱隨之變化，線圈的供電電流也發生變化，從而在串聯于線圈的電容上產生被調制的電壓信號，此信號經過前置器的解調、檢波、放大后，成為在一定范圍內與間隙大小成比例的電壓信號。本實驗使用兩個電渦流位移計，分別檢測兩個軸承座的水平振動位移。兩路位移信號通過切換開關依次饋入計算機虛擬動平衡儀，以光電變換器給出的電脈沖為參考，進行同頻檢測（濾除諧波干擾）和相位比較后，在計算機虛擬動平衡儀面板上顯示出振動位移的幅值、相位及轉速數據（圖五）。同頻檢測前后的振動位移波形，通過計算機虛擬電子示波器隨時觀察（圖五）。（3）動平衡計算軟件兩平面影響系數法的核心是通過求解矢量方程（5）或方程（6）計算平衡校正量，求解方程涉及復數的矩陣運算。本實驗采用專用動平衡計算軟件。實驗者也可用MATLAB等語言自行編制解算程序。（4）電子天平用以量測平衡加重的質量。實驗步驟(1)按圖四所示用鼠標左鍵連接虛擬測試儀器，如連線錯誤，用鼠標左鍵單擊“重新連接”按鈕。確認無誤后，用鼠標左鍵單擊“連接完畢”按鈕，如果出現“連接錯誤”的提示，則連接有錯，需要按“確定”，再按“重新連接”。如果出現“連接正確”的提示，按“確定”后，可獲得與圖五相同的虛擬動平衡儀應用程序界面。（2）將轉速控制器轉速設定為1500r/min，起動轉子3至5分鐘使轉速保持穩定。（3）在圖五的狀態下，用鼠標左鍵按下左上角按鈕“開始”啟動虛擬動平衡儀，點擊“A通道”、“B通道”進行通道切換。待讀數基本穩定后，記錄轉子原始不平衡引起左（A）、（B）軸承座振動位移基頻成份的幅值和相位角、。鼠標左擊“暫停”按鈕，自動調出已裝在機內的動平衡計算程序，此時要輸入測出的初始不平衡量。（4）轉速回零。在I平面（1號圓盤）上任選方位加一試重，記錄的值（用天平測量，可取其在6～10克間）及固定的相位角（從黑帶參考標記前緣算起。順轉向為正）。注意：在加試重時，不要觸碰軸承座上的探頭，啟動轉子之前先用手慢慢轉動圓盤，確認轉子與探頭沒有碰觸現象，間隙在1mm左右，否則報告教師重新調整探頭位置。（5）啟動轉子，重新調到平衡轉速，測出I平面加重后，兩個軸承座振動位移的幅值和相位角（和）。同樣將值輸入到動平衡計算程序中。（6）轉速回零。拆除，在II平面（4號圓盤）上任選方位加一試重。測量記錄的值及其固定方位角。（7）轉速重新調到。測出II平面加試重后，兩個軸承座振動位移的幅值和相位角（和）。（8）轉速回零。取走，調出已裝在機內的動平衡計算程序，根據程序運行過程的提示，輸入上述測量記錄的數據。在CRT顯示計算結果后，抄錄有關數據及運算結果。（9）根據求出的校正質量（平衡質量）、及校正質量的相位角、，在校正平面I、II重新加重。然后將轉速重新調到，再測量記錄兩個軸承座振動的幅值和相位角。（10）轉速回零。計算平衡率（即平衡前后振動幅值的差與未平衡振幅的百分比），如高于70%，實驗可結束。否則應尋找平衡效果不良原因重做。（11）停機、關儀器電源、拉電閘。拆除平衡質量，使轉子系統復原。六、實驗報告要求簡述實驗目的、原理、裝置和簡要步驟；實驗原始數據整理；參考圖二畫出實測數據的矢量關系圖；對實驗方法和實驗結果的分析和討論；七、實驗數據的記錄與整理（供參考）平衡轉速=r/min實驗日期：A軸承I平面B軸承II平面幅值相位幅值相位原始振動,mdegmdegI平面試重克deg，mdegmdegII平面試重克deg，mdegmdeg計算校正量克