1、刚性转子动平衡实验报告1)()()( zjuuyz一、 实验理论依据1、实验意义：机械传动中离不开转子的旋转运动， 转子旋转时，如果其质量中心偏离旋转中心就会产生振动。机器主轴长期振动会造成磨损, 机械加工中，振动会导致被加工工件的质量劣化，由振动而产生的噪声会造成环境污染。长期以来人们一直致力于降低与消除转子的质量偏心，从而使转子达到动态平衡。动平衡技术是指旋转机械在与其工作状态相同或相近的转速、安装条件、支承条件和负载情况下，对其进行振动测量或平衡校正的一种平衡方法。实践证明，50%以上的机械振动可以归结为“不平衡”造成的。所以，成功地消除或减小转子不平衡是降低机械振动的主要手段。平衡不仅
2、是技术上的要求，也是经济效益的需要。随着科学技术的进步、 计算机、新型传感器、智能仪器等新技术的应用，推动了转子动平衡技术的快速发展。更高的平衡精度， 更便捷的平衡方法是人们追求的目标。本实验正是通过对一阶临界转速的测量来观察振动带来的危害，并设法校正。2、 实验目的：（1）巩固动平衡的理论知识，了解转子不平衡存在的原因及危害。（2）掌握动转子动平衡的工作原理及平衡基本方法。（3）理解一阶临界转速含义及实验方法。3、实验原理： 凡可在两个（任选）校正平面上进行校正，并且校正后在任意转速直至最高工作转速，它的不平衡量不会明显超过平衡允差（相对于轴线） ，其中转子运行条件近于最后支撑系统的条件，这
3、样的转子可认为是刚性转子。一个转子的不平衡分布函数是空间的和随机的，可以表示为式（1-1） ，这个分解可以用图 1.2 来表示（1-1）刚性转子动平衡实验报告20)(iNyyyzWzdui0)(iNzxzzdui图 1 函数分解示意图对上图中两个平面力系分别建立平衡方程： （1-2）（1-3 ）式中 Wx 和 Wy 分别为 x 向与 y 向的校正量， zi 为校正量所在的轴向坐标，N 为校正量个数，下标 i 为校正量序数，这两组方程都只有 N=2 时才有唯一解，所以为了平衡 和 ，必须和只要有 、 、 和 )(zux)(zy 1xW2x1y四个校正量就足够了，只要安排 和 在同一轴截面上， 和
4、 也2yW1xy 2在同一轴截面上，它们就可以合并成两个校正量： （1-4 ）如果将式 1.3 中的二式都乘以 j，然后分别与式 1.2 中的两式相加，整理后即得（ 1-5）这就是刚性转子的动平衡方程，其中第一式称为力平衡方程，第二式称为力偶平衡方程，从这组方程的可容性可知，只有当 N=2 时才有唯一解。由此可见，尽管分布函数 u 是空间任意矢量，但也只要两个校正量就足够了，并且方程并未对校正量的轴向位置提出什么要求，这也是刚性转子定义的理论根据。具体地说，如果 u 是表现在平面 I 和平面 II 上的不平衡量 U1 和 U2，那么在这两个平面上所需要的两个校正量 W1 和 W2 必须满足下列
5、条件：W1+U1=0；W2+U2=0。刚性转子动平衡的目标是使离心惯性力的合力和合力偶矩的值趋近于零。为此，我们可以在转子上任意选定两个截面 I、II- 称校正平面，在离轴心一定距离 r1、r 2 一称校正半径，与转子上某一参考标记成夹角 1、 2 处，分别附加一块质量为 m1、m 2 的重块一称校正质量。如能使两质量 m1 和 m2 的离心惯性力2211yxWj0)(iNizWzdu刚性转子动平衡实验报告3（其大小分别为 m1r12 和 m2r22， 为转动角速度）的合力和合力偶正好与原不平衡转子的离心惯性力系相平衡，那么就实现了刚性转子的动平衡，如下图 2 所示，图 2 转子机构示意图实验
6、中采用两平面影响系数法来使转子达到平衡，其过程如下：在额定的工作转速或任选的平衡转速下，检测原始不平衡引起的轴承或轴颈 A、B 在某方位的振动量 V10=V 10 1 和 V20=V 20 2，其中V 10和V 20是振动位移，速度或加速度的幅值， 1 和 2 是振动信号对于转子上参考标记有关的参考脉冲的相位角。 根据转子的结构，选定两个校正面 I、II 并确定校正半径 r1、r 2。先在平面I 上加一试重 1=mt1 1，其中 mt1= 1为试重质量， 1 为试重相对参考标记的方位角，以顺转向为正。在相同转速下测量轴承 A、B 的振动量 V11 和 V21。矢量关系见图二 a，b。显然，矢量
7、 V11-V10 及 V21-V20 为平面 I 上加试重 1 所引起的轴承振动的变化，称为试重 1 的效果矢量。方位角为零度的单位试重的效果矢量称为影响系数。因而，我们可由下面式子求影响系数。 （1-6）（ 1-7）取走 1，在平面 II 上加试重 2=mt2 2，m t2= 1为试重质量， 2 为试重方位角。同样测得轴承 A、B 的振动量 V12 和 V22，从而求得效果矢量 V12-V10和 V22-V20（见图二 c，d）及影响系数 （1-8 ） 刚性转子动平衡实验报告4（1-9 ）校正平面 I、II 上所需的校正量 p2=m1 1 和 p2=m2 2，可通过解矢量方程组求得： (1-
8、10)(1-11)m1=p1，m 2=p2为校正质量， 1， 2 为校正方位角。 矢量分解示意图为：图 3 两平面影响系数法矢量分解示意图二、实验仪器与装置实验采用南京东大测试仪器厂生产的多功能振动实验台进行实验，按照两平面影响系数法进行动平衡，其主要由以下几部分构成：a.模拟转子振动试验台本体（可对转子轴系的构成型式作不同组合，人为制造各类振动故障）刚性转子动平衡实验报告5b.转子动平衡试验台本体c.ZXP-1600 振动数据采集分析系统或 EMT690C 设备故障综合诊断系统d.各类振动传感器、转速传感器、相位传感器其试 验台实物图如下所 示：图 4 实验系统图表 1 实验材料及仪器统计表
9、仪器名称 数量 技术参数要求转子系统 1 转速：02500临界转速3000电子天平 1 精度 0.001g光电变换器 1 位移：0.12000 m电涡流位移计 2 频率：01000Hz位移：2mm 峰峰值调速计 1 调速：5005000r/min实验台主要有以下两个部分构成：（1）主体骨架转子系统 转子轴上固定有六个圆盘，两端用含油轴承支承。电动机通过轴管拖动转轴，用调速器调节转速。最高工作转速为刚性转子动平衡实验报告65000r/min，高于刚性转子的一阶临界转速。（2）16 通道振动测试分析系统图 5 振动分析测试系统界面由传感器感应到的信号经过测试系统处理分析后，直接显示到图 5 的界面
10、上，方便实验者读取分析。三、实验步骤及故障诊断1、实验步骤 （1）启动机器，均匀调动转子的转速至 5000 r/min，并间隔记录轴承 A的振幅，绘制转速幅值曲线，并确定一阶临界转速。（2）开起并调校好动平衡测试仪，在 A、B 两端轴承上装好测振传感器和相位传感器，接好连线。（3）测试并记录 A、B 两侧原始振动的振幅。（4）停下转子，按经验公式计算一试加重量加工并称量后，先加入 A 侧轮盘燕尾槽中。（5）第二次起动转子达试验转速（5000 r/min） ，测试记录 A、B 两侧新的振动动平衡结束，如果不平衡重新调整加重重量重新实验，直至平衡为止。2、转动机械故障诊断流程旋转机械常见的故障有以
11、下两种：(1)强度不足造成断裂破坏事故(2)产生振动，很多故障的表现形式为机组的振动转动机械故障诊断流程图如下所示：刚性转子动平衡实验报告7是变化后变化前否轴承（或转子）振动过大测定振幅、相位、振动频率或频谱低频、工频、倍频、高频高频低频工频 倍频高频轴瓦自激振动分谐波共振汽流激振检测轴承座动刚度高次谐波共振电磁激振径向刚度不对称引起的振动高次谐波共振电磁激振传动齿轮的撞击或活动式联轴器的磨损确定振源轴承座动刚度正常轴承座动刚度低确定振源确定振动原因 确定振源振动力过大 是振动原因之一轴颈不固、联轴器连接偏心、不对称电磁力、活动式联轴器磨损过大振动原因过大的激振力是转子不平衡力确定哪一个转子不
12、平衡确定转子平衡变化的原因验证试验诊断结束确定振动原因确定振动原因否刚性转子动平衡实验报告8五、实验数据记录和数据处理(1)先寻找转子的一阶临界转速，转子平衡时的转速应小于或大于一阶临界转速。实验过程中先启动转子，均匀调速至 5000 r/min，记录各轴承刚座及转子的幅值变化情况，如下表所示：表 2 转子上有螺钉时各测试点振幅与转速关系振幅转速 n1 2 3 4 9 10 11 161899 1 2 0 1 86 88.5 63 731920 3 3 1 1 94 88 72 782021 4 4 1 1 93 87 75 792208 7 6 2 1 93 78 81 842476 4 5
13、 2 2.5 102 82.5 100 95.52659 7 7 4 5 105 83.5 111 104.52884 4 5 6 8 107 88.5 135 1223043 7 6 14 19 108 86 172 1503159 4 4 10 14 117 90 191 1463260 5 9 4 8 111.1 95 220 1913443 12.5 19 4 5 109.5 97.5 174 328.53552 13 24 5.5 7 139.5 88 235 3893639 7 17.5 6 7 162 116 140 3113973 14 25 7.5 3 113 143.5 7
14、7 1813990 15 27 9 5 136.5 134 85 160.54092 14.5 27 11 6 153 107.5 75 1414355 17 27 11 9 120 70.5 84 97.54448 20 29 12 10 110.5 79 84.5 83.54588 24 33 16 14 129 92 85 95.54715 28 37 19 16 141 109 85 95.54853 25 34 19 18 120 109 78.5 114.55049 20 20 17 17 102 113.5 65 118从上表可以看出，随着转速的提高，刚性转子的振幅 9、10、1
15、1、16 先增加后减少，在 3552 转左右振幅最大，因此一阶转速应该是在 3500 转左右；轴承座的振幅 1、2、3、4 一直在增加，但和转子相比振幅增加很少。而转子径向和轴向的振幅随转速变化相对更加明显，以 16 号为例，图 6 为转子振幅随转速变化关系：刚性转子动平衡实验报告9图 6 转子振幅随转速变化关系为了比较分析转子在不同情况下转子振动情况，我们取下螺钉后再次测试了转子的振动情况，数据记录如表 3：表 3 转子上无螺钉时各测试点振幅与转速关系振幅转速 n1 2 3 4 9 10 11 161783 1 1 0 1 88 83 65 711897 3 2 1 1 92.5 83.5
16、77 822065 7 5 1 1 94 83 82 802270 6 5 2 1 93 75 91 87.52565 4 5 3 3.5 103 83 110.5 98.52670 7 7 4 5 107.5 89 124 1042903 5 6 7 9 104.5 95 161 148.53024 6 6 15 20 111 90 196 1313086 4 5 11 16 112.5 84 225 141.53112 4 5 10 15 112 88 236 1343206 6 9 6 10 113 89 271 193.53289 10 16 2 6 108 89 290 246332
17、6 18 21 4 6 90 93 289 329.53418 33 30 7 6 87 94 316.5 4443478 19 33 8 8 101 83 324 4953619 5 12 4 8 180 122 154 3253641 3 12 4 8 177 110.5 135.5 313.53953 15 23 7 3 104.5 114 102 1934013 18 29 11 5 134 116.5 101.5 173.54085 17 29 11 7 140 100 105 156.54221 19 29 13 10 134 66.5 111 132.54448 21 29.5
18、13 11 110.5 83 107.5 110刚性转子动平衡实验报告104536 24 33 15 12 107.5 94 109.5 1104646 24 33 15 12 107.5 94 109.5 1104761 28 39 20 18 142 110 102 1134848 27 37 21 19 139 111.5 99 135.54938 25 33 20 18 115.5 112.5 89.5 1355186 19 24 11 9 108 115 71.5 131.6图 7 转子振幅随转速变化关系从图 7 可以看出，取下螺钉后转子振幅变化规律与有螺钉时一致，但是最大的振幅却不相同，由图 8 我们可以发现，取下螺钉后在一阶临界转速附近转子振幅比以前明显增大，说明加上螺钉起到了平衡的作用。图 8 转子上有无螺钉时转子振幅与转速关系比较图 8 中上面的一条曲线是去掉螺丝钉时振幅曲线；下面的一条是有螺丝钉时的振幅曲线。从图中可看出，转子转速在 3500r/min 附近，转子的振幅达到最大值，这说明该转子的一阶临界转速在 3500r/min 附近。本次实验只在转子上加上了校正质量也没测相位以及增加试重后转子的振
