新动平衡实验

实验五机械转子动平衡

一、实验目的

1. 掌握机械转子动平衡的基本原理。

2. 熟悉机械转子动平衡的操作方法。

3. 了解机械转子振动信号的数据采集与分析处理。

二、实验设备

　实验设备为DPH－I型智能动平衡机（见图１），由机械系统、计算机系统、机械与计算机接口三个部分组成。

图１

1.机械系统

机械系统（见图２），主要由被试转子、硬支承摆架、传动带、电动机、减振底座等组成。

1.光电传感器 2. 被试转子 3.硬支承摆架组件 4.压力传感器

5.减振底座 6.传动带 7.电动机 8.零位标志

图２

2.计算机系统

计算机系统由标准配置计算机软硬件与动平衡实验应用程序组成。

动平衡实验应用程序由振动信号采集、选频滤波、动平衡分析计算等子程序组成。其主界面见图3。

图3

３．机械与计算机接口

机械与计算机接口，由光电传感器、压力传感器，与数据采集卡组成。光电传感器安装在转子上方，用于测量转子转速。2只压力传感器分别安装在左右支承摆架，用于测量转子振动信号。数据采集卡嵌入在平衡机底座里面，通过信号数据线，从光电传感器、压力传感器接收信号，向计算机输出数据。

三、实验原理

在机械设备中，做旋转运动的零部件都可以称为机械转子。机械转子由于几何形状的不对称，材料的内部缺陷，不均匀的磨损与积尘，受力、受热变形等原因，都可能造成转子的中心惯性主轴与旋转轴线不重合，也即转子的不平衡。不平衡转子由于偏重的存在，做旋转运动时，将产生惯性力与惯性力偶，作用在支承上为交变载荷，使机械发生强迫振动。机械振动会导致机器运动不平稳，机械零件疲劳破坏，严重时会造成人员设备事故。

机械转子平衡，就是要重新调整不平衡转子的质量发布，使转子的中心惯性主轴与旋转轴线相重合。机械转子的平衡方法，根据转子的几何形状，可以分为静平衡和动平衡二种方法。对于轴向宽度ｂ较小，直径ｄ较大的盘状转子（ｂ∕d＜0.2），只需要进行静平衡就可以了。对于轴向宽度ｂ较大，直径ｄ较小的柱状转子（b∕d＞0.2），必须进行动平衡。

1. 动平衡力学原理

对于柱状转子（ｂ∕d＞0.2）做动平衡，必须使转子的惯性力和惯性力偶都能得到平衡，即∑Pi=0，∑Mi=0。设一转子有偏重Q1及Q2分别位于平面1和平面2内，r1及r2为偏重的回转半径(见图4)。当转子以等角速度回转时，Q1及Q2将产生惯性力P1及P2，形成一空间力系。由理论力学可知，一个力可以分解为与它平行的两个分力。因此可以根据转子的结构，选定两个平衡基面I和II，作为安装配重的平面。将惯性力P1及P2分别分解到平衡基面I和II内，即将力P1及P2分解为P1I及P2I（在平面I内）及P1II及P2II（在平面II内）。这样就把空间力系平衡问题转化为两个平面汇交力系的平衡问题了。显然，只要在平面I和II内各加入一个合适的配重QI和QII，使两平面内的惯性力之和均等于零，构件也就平衡了。

图 4

2. 平衡机工作原理

当支承在摆架上的不平衡转子,被电机通过皮带拖动旋转后, 转子的偏重会产生惯性力, 迫使支架做强迫振动。安装在左右支架上的两个压力传感器，感受支承摆架的振动，产生两路包含有不平衡信息的压电信号，通过信号连接线，传输到数据采集卡。同时，安装在转子上方的光电传感器，接收转子上预贴光标的反射光，产生与转子旋转同频同相的脉冲信号，也传输到数据采集卡。（见图５）。

图 5

安装在计算机里面的动平衡实验应用程序，调用进入数据采集卡的三路信号，进行前置处理，跟踪滤波，幅度调整，相关处理，FFT变换，校正平面分离解算，最终算出左右两面的不平衡质量（g）、不平衡角度（°），显示在动平衡实验应用程序的主界面上。

３. 应用程序界面介绍

　　动平衡应用程序主界面（见图３），主要由参数输入区域、数据显示区域、操作命令按钮等组成。

（１）．测试结果显示区。显示转子转速，左右不平衡质量、不平衡角度。

（２）．转子结构显示区。显示设置→模式设置（见图６）菜单下，选择的转子结构图。

（３）．转子参数输入区。用于输入转子轴向尺寸与转子半径。

（４）．振动原始数据显示区。显示当前采集到的原始振动信号曲线。

（５）．数据分析曲线按钮。点击按钮可以对原始振动信号进行深入分析（见图７）。

（６）．转子平衡程度显示图标。灰色为没有达到平衡，兰色为已经达到平衡。

（７）．左右不平衡角度指示表盘。指针指示的角度为转子偏重的角度。

（８）．自动采集按钮。

（９）．单次采集按钮。

（10）．复位按钮。　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

图６

图７

图8

四、实验步骤

1 ．进入动平衡实验系统。打开计算机，双击动平衡实验系统图标，进入动平衡实验系统主界面（图３）。

２．选择转子支承模式。点击主界面上的设置→模式设置，在出现的图６中，选择一种合适的转子支承模式。本实验可以点击模型Ａ，确定选择的两端支承模式。

３．确定转子几何参数。用测量工具量出转子的各轴向尺寸、转子半径，输入并且保存在转子参数输入区。

４．标定测试系统。选择两块任意质量的磁铁（如1.2ｇ），分别安放在标准转子左右两侧的任意角度（如０°）上，作为标定测试系统的不平衡量。点击主界面上的设置→系统标定，在图８的标定数据窗口，输入两个不平衡矢量的四个数据。打开实验台电源，打开电机开关。待机器运转平稳后（５分钟以上），点击开始标定采集按钮（见图8），测量数次（如10次）后，点击保存标定结果按钮。然后点击退出标定按钮，退出标定系统，回到主界面。

５．构造不平衡转子。关闭电机开关，停止机器运转。选择若干块任意质量的磁铁，任意安放在标准转子上，构造出实验用不平衡转子。也可以把做标定用的转子，直接作为实验用不平衡转子。

6 ．预设允许不平衡质量。点击主界面右下方的平衡质量输入框，输入预设的允许不平衡质量（建议0.3g）。允许不平衡质量是由转子的使用条件，平衡精度，偏心距等估算出来的（此时可以不做深究）。

7 ．动平衡测试。打开电机开关。待机器运转平稳后（５分钟以上），点击自动采集按钮，观察进入测试结果显示区的不平衡数据。待左右不平衡质量、不平衡角度，测试３~５次，稳定后，点击停止测试按钮。此时测试结果显示区的，左右不平衡质量为偏重质量﹔左右不平衡角度为偏重角度。

8 ．动平衡校正。关闭电机开关，停止机器运转。选择两块略小于左右不平衡质量的磁铁，作为转子左右两个平衡基面的配重。在左右不平衡角度（偏重角度）的对面，分别把两块配重磁铁，添加到两个平衡基面上。

9 ．检查动平衡校正结果。打开电机开关。待机器运转平稳后，点击自动采集按钮，继续观察测试结果显示区的不平衡数据。如果左右两面的不平衡质量，都小于预设的允许不平衡质量（如0.3g），就可以认为转子平衡好了。如果左右两面都没有小于预设的允许不平衡质量，就继续对两面进行动平衡校正。如果是一面没有小于允许的不平衡质量，就对该面继续校正。

五、实验数据分析

1 ．转子偏心距估算

根据质径积不变公式： M .e = m .r

有 e = m .r ／ M

式中：M 为转子质量，e 为转子偏心距，m 为估算的偏心质量，r 为偏心质量半径

其中：M 可由称重或计算得出，

m = m左＋ m右； m左、m右为左、右两面剩余不平衡质量

2 ．平衡精度估算

根据国际标准组织制定的转子平衡等级，转子平衡精度A,可由下式计算

A = e .ω

式中：ω为转子转动的角速度（rad／s）

机械转子动平衡实验报告