刚性转子动平衡实验

刚性转子动平衡实验

一、实验目的

1．加深对转子动平衡概念的理解； 2．掌握刚性转子动平衡试验的原理及方法； 二、实验设备

1．CS-DP-10型动平衡试验机（西安交大监造）； 2．刚性转子试件； 3．平衡块；

4．百分表：0.01～5MM 、磁性表座。

5． 平衡块

三、CS-DP-10型动平衡试验机的结构与工作原理

1． 动平衡机的结构

动平衡机原理简图如图1、图2所示。如图1所示，待平衡试件3安装在

框形摆架2的支承滚动上，摆架左端固结在工字形板簧1中，右端悬臂。电机动9通过O 型皮带10拖动试件旋转；当试件存在不平衡质量时，通过转子的旋转，则产生离心惯性力使摆架绕工字形板簧上下周期性地振动。通过百分表5观察振幅大小，即测量不平衡量的大小，而不平衡量的相位测量系统由差速器4和补偿盘6组成。差速器4安装在摆架右端，它的左端为转动输入端（N 1）通过柔性联轴器与试件联接；右端为输出端（N 3）与补偿盘固联。

差速器由齿数和模数相同的三个圆锥齿轮①②③和一个蜗轮（转臂

H ）组成一

个周转轮系。

（1）当差速器的转臂蜗轮H 不转动时即0 H n ，则差速器为定轴轮系，其传动比为

13

11331

-=-==

Z Z

n n i H

即 13

n n -= （1）

这时补偿盘6的转速3n 与试件的转速1n 大小相等转向相反。

（2）当1n 和H n 都转动时则差速器为速度合成的差动轮系，由传动比公式

13

11331

-=-=--=

Z Z

n n n n i H H H

得132n n n H -= （2）

蜗轮的转速H n 是通过手柄摇动蜗杆，经蜗杆蜗轮副大速比的减速后蜗轮的转速

1n n H 〈〈。当H n 与1n 同向时由（2）式可知13n n 〈-，这时3n 仍与1n 反向转动但速度减小。

当H n 与1n 反向时由（2）式可知13n n -〉，这时3n 转向仍不就但速度增加。因此可见当手柄不动时补偿盘的转速与试件的转速大小相等转向相反；正向摇动手柄（蜗轮与试件转动方向相同）补偿盘减速；反向摇动手柄则补偿盘加速。这样可改变补偿盘与试件圆盘之间的相对角位移。为作平衡工艺时确定平衡相位提供了结构保证。

2．转子动平衡的力学条件

对于质量分布不在同一回转面内的转子，当转子存在有材料不均匀、制造有误差、结构不对称等诸因素使转子存在 不平衡质量。当转子旋转后就会产生离心惯性力F 组成一个合力不为零的空间力系，使转子动不平衡。要使转子达到动平衡（完全平衡），则必须使其各质量产生的离心力的合力和合力偶矩都等于零。即

⎪⎩⎪⎨⎧==∑∑0

M F （3）

如图2所示，如果像该动平衡机的两个不平衡面1、2均在支点x 轴的同一侧时，要使转子达到动平衡，则必须使由不平衡质量产生的惯性力偶矩等于零，即

⎪⎩⎪⎨⎧==∑∑0

21M M （4）

3．动平衡机的工作原理

当试件上距x 轴为1的圆盘内有平衡质量M 存在时，试件转动后则产生离心惯性力

mr F 2ω=（图2），随着试件转动此力在垂直轴平面上时设为Y F ，在水平轴平面上时设为

X F 。由于动平衡机的工字形板簧和摆架在水平方向（绕Y 轴）的抗弯刚度很大，所以X F 力

对摆架的振动影响很小可忽略不计。而垂直方向（绕X 轴）的讥弯刚度小，因此在Y F 力产生的惯性力偶矩ψωcos 2

mrl l F M Y =⋅=的作用下，使摆架产生周期性的上下振动。摆架振幅大小就取决于这个力偶矩的大小。

设试件圆盘1、2上各有一个不平衡质量M 1和M 2，由于试件圆盘1平面与工字形板簧中性面共面即11=0，则由M 1和M 2产生的对X 轴的惯性力矩为：

01=M

222222

cos ψωl r m M =

要使摆架不振动必须要平衡力矩2M 。在试件上选择圆盘2作为平衡平面，在其半径p r 上加平衡质量p m 则绕 X 轴的惯性矩p p p p p l r m M ψωcos 2

=；要使这些力矩得到平衡可根据公式（4）写成：

21

=+=∑p M M M

即0cos cos 2

22222

=⋅+p p p p l r m l r m ψωψω （5）

（5）工消去2ω得

0cos cos 2222=+p p p p l r m l r m ψψ （6）

要使（6）式为零必须满足

⎩

⎨⎧

+=-==)180cos(cos cos 0

2222p p p p p l r m l r m ψψψ （7） 满足（7）式的条件摆架就达到了动平衡。M （质量）和R （矢径）之积称为质径积，MRL 称为质径矩，ψ称为相位角。

满足公式（5）至（7）的平衡情况，如图3（A ）所示为平衡质量M P 与不平衡质量M 2在同一径向截面上，且在试件旋转时M P 与M 2始终在一个轴平面（平衡平面）内，但矢径方向相反即 p ψψ+=0

2180。

转子不平衡质量分布是有很大的随机性，无法直观判断它的大小和相位。然而可以用实验的方法测得在平衡平面2上应加的平衡质量M P 的大小和相位角p ψ，在该试验机上就是利用差速器和补偿盘来完成这个测量。

如图2示，当试件圆盘2上不平衡质量M 2处在垂直轴平面上正下方时，则由此不平衡质量产生的对X 轴顺时针质径矩最大。如果用补偿盘平面作平衡平面时，由于补偿盘平面在试件圆盘2右侧，谨小慎微须使加在补偿盘平面内的平衡质量p m '处在垂直轴平面且p m '在正上方时（与M 2相差1800

）产生一个对X 轴兼管时针的质径矩，以平衡圆盘2的不平衡质径