實(shí)驗(yàn)三動(dòng)平衡實(shí)驗(yàn)

一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

1．掌握剛性轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡的實(shí)驗(yàn)方法及使用的設(shè)備儀器；

2．驗(yàn)證動(dòng)不平衡和動(dòng)平衡的概念。

二、實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備及用具

1．單點(diǎn)動(dòng)平衡機(jī)

2．磁電式傳感器CD-4型

3．測(cè)振儀GZ-1型

4．自備：計(jì)算器、量角器、鉛筆、尺

三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

1．剛性轉(zhuǎn)子的動(dòng)平衡實(shí)驗(yàn)

2．在剛性轉(zhuǎn)子的不同回轉(zhuǎn)面上進(jìn)行平衡實(shí)驗(yàn)并比較

四、動(dòng)平衡實(shí)驗(yàn)的工作原理及單支點(diǎn)動(dòng)平衡試驗(yàn)機(jī)

轉(zhuǎn)子的動(dòng)平衡實(shí)驗(yàn)一般在動(dòng)平衡試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。動(dòng)平衡試驗(yàn)機(jī)是用來(lái)檢驗(yàn)和校正剛性轉(zhuǎn)子的不平衡量的大小和相角位置的設(shè)備。其基本原理是：當(dāng)待平衡的轉(zhuǎn)子高速回轉(zhuǎn)時(shí)，由于質(zhì)量分布不平衡，產(chǎn)生的離心慣性力的作用而振動(dòng)，測(cè)定所產(chǎn)生的振動(dòng)或利用補(bǔ)償質(zhì)徑積以消除振動(dòng)，從而求出其不平衡量的大小和方位。

動(dòng)平衡實(shí)驗(yàn)機(jī)的種類很多。常見的動(dòng)平衡試驗(yàn)機(jī)大致由三大部分組成：使被支撐轉(zhuǎn)子以一定轉(zhuǎn)速回轉(zhuǎn)的驅(qū)動(dòng)部分；支撐被試轉(zhuǎn)子的左右兩個(gè)彈性支撐架；檢測(cè)不平衡振動(dòng)并由此指示轉(zhuǎn)子校正平面內(nèi)不平衡量大小及相位的電測(cè)部分。

1．單支點(diǎn)平衡試驗(yàn)機(jī)及實(shí)驗(yàn)原理

單支點(diǎn)平衡試驗(yàn)機(jī)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖一所示。被試轉(zhuǎn)子為1；皮帶3由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，皮帶3靠摩擦使轉(zhuǎn)子3回轉(zhuǎn)，組成驅(qū)動(dòng)部分；彈簧6和框架2組成彈性支撐架（注意是單固定支點(diǎn)）；傳感器4和測(cè)振儀5組成電測(cè)部分。

1.被測(cè)轉(zhuǎn)子 2.框架3.驅(qū)動(dòng)皮帶 4.傳感器5.測(cè)振儀 6.彈簧

圖一 單支點(diǎn)動(dòng)平衡實(shí)驗(yàn)機(jī)簡(jiǎn)圖

當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，其上的不平衡質(zhì)量產(chǎn)生的離心慣性力作用到彈性支架上，使框架2繞支點(diǎn)擺動(dòng)，擺角為θ，形成一不平衡激振型的振動(dòng)系統(tǒng)。當(dāng)轉(zhuǎn)子被驅(qū)動(dòng)的初始轉(zhuǎn)速高于框架的固有頻率時(shí)，立即停止驅(qū)動(dòng)。轉(zhuǎn)子由于軸承的摩擦和空氣的阻力作用，轉(zhuǎn)速ω逐漸降低，當(dāng)框架系統(tǒng)的振動(dòng)頻率接近其固有頻率ω₀時(shí)，進(jìn)入共振區(qū)，振幅逐漸增大，在ω=ω₀時(shí)產(chǎn)生共振，振幅達(dá)到最大值。

由于轉(zhuǎn)子的兩個(gè)選定平面中的一個(gè)（工作面）通過支撐點(diǎn)，因此該平衡平面上的等效慣性力對(duì)振動(dòng)系統(tǒng)不起作用。由此可知，振動(dòng)系統(tǒng)只受另一個(gè)待平衡面（Ⅱ）上的等效慣性力的作用。

根據(jù)不平衡激振原理，框架的瞬時(shí)角振幅θ為

式中：λ為頻率比，λ=ω/ω₀；

ω為不平衡激振頻率（即轉(zhuǎn)子的角速度）；

ω₀為振動(dòng)系統(tǒng)固有頻率；

J為振動(dòng)系統(tǒng)繞支點(diǎn)擺動(dòng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；

m 為待平衡面上選定半徑上的等效不平衡質(zhì)量；

R 為待平衡面上的選定半徑；

L 為待平衡面到支點(diǎn)的距離；

ζ 為阻尼率；

φ 為相位角。

共振時(shí)λ=1，振動(dòng)系統(tǒng)的最大角振幅和相位角為：

θ=m RL/2Jζ

φ=90?/FONT>

由于J和L是與結(jié)構(gòu)有關(guān)的參數(shù)，對(duì)于一個(gè)具體的振動(dòng)系統(tǒng)和待平衡的轉(zhuǎn)子來(lái)說(shuō)，二者均為常數(shù)（該實(shí)驗(yàn)裝置J=，L=mm），從上述可以看出，共振時(shí)其振幅與mR成正比，且此時(shí)的不平衡質(zhì)量的相位超前振幅90海謔牽捎貌飭靠蚣苷穹姆椒浣擁胤從吵鱟擁牟黃膠飭俊?/FONT>

但是，由電測(cè)儀器測(cè)得的是框架擺動(dòng)的線位移x，它與框架角振幅θ的關(guān)系為：x=θl=mRLl/2Jζ=GRLl/2Jgζ=KGR

式中：l為測(cè)量點(diǎn)到支點(diǎn)的距離；

g 為重力加速度；

K=Ll/2Jgζ為比例常數(shù)；

GR 為重徑積。

因此，可通過實(shí)驗(yàn)求得K和GR的數(shù)值，并找到不平衡量所在的相位。

2．電測(cè)部分的基本工作原理

為求得轉(zhuǎn)子的不平衡量，需要測(cè)量并顯示出一個(gè)校正平面上的不平衡量的大小和相位角。

現(xiàn)代動(dòng)平衡試驗(yàn)機(jī)的測(cè)量顯示部分幾乎均采用電子技術(shù)

（1）傳感器

傳感器的作用是將振動(dòng)系統(tǒng)的振動(dòng)變換成電信號(hào)，傳感器的測(cè)量桿與振動(dòng)系統(tǒng)的擺桿剛性連接為一體，測(cè)量桿與敏感線圈連接。擺桿振動(dòng)時(shí)帶動(dòng)敏感線圈在磁場(chǎng)中作切割磁力線運(yùn)動(dòng)，在敏感線圈兩端產(chǎn)生與振動(dòng)速度成正比的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。

CD-4傳感器如圖二頻率范圍0～300HZ，最大可測(cè)位移15mm，動(dòng)圈阻抗約30KΩ，運(yùn)動(dòng)部分重量約28克。

圖二CD-4傳感器

（2）測(cè)振儀—測(cè)量指示裝置如圖三

測(cè)振儀的作用是傳感器輸入的電信號(hào)---電動(dòng)勢(shì)，經(jīng)過模擬解算電路輸入放大級(jí)、濾波，然后將轉(zhuǎn)子的不平衡量的數(shù)值和相位顯示出來(lái)。

圖三 CZ-1測(cè)振儀

GZ-1測(cè)振儀將CD-4傳感器輸入的電信號(hào)，經(jīng)積分電路后變成正比于振動(dòng)位移或加速度的電信號(hào)，通過電壓表顯示數(shù)值；測(cè)量選擇——V代表速度，a代表加速度，x代表位移，f₀代表測(cè)振儀固有頻率（f₀=2.5HZ）。

工作選擇——1表示阻尼小，2表示阻尼大。

量程——10μ檔讀表盤上刻度0～10，30μ檔讀表盤上刻度0～30，100μ檔讀表盤上刻度讀數(shù)乘以10，就是實(shí)測(cè)得的位移數(shù)值。

五、測(cè)量方法

1．測(cè)振儀

（1）轉(zhuǎn)子不加任何重量時(shí)，測(cè)得最大振幅A如圖四（a）所示，A是由所選定平衡面上的等效重徑積產(chǎn)生的。

（2）在選定半徑的任意方向加已知重量為Q的磁鐵塊，測(cè)得最大的振幅B如圖四（b）

（3）將磁鐵塊Q取下加在原位置的反方向?qū)ΨQ位置上，即180捍Γ獾米畬笳穹繽妓模╟）。

圖四

設(shè)由磁鐵塊Q本身產(chǎn)生的振幅為D，則振幅A、B、C、D之間的向量關(guān)系為：

在圖4-4（d）中，△acd可求得

cosα=（A²+D²-C²）/2AD

又在△adb中可求得

cos（180?α）=（A²+D²-B²）/2AD

cosα=-cos（180?α）

所以A²+D²-C²=-（A²+D²-B²）=-A²-D²+B²

有：D²=（B²+C²-2A²）/2

KGR=A

KQR=D

得到：K=DR/Q

G=AQ/D

由于加重磁鐵塊Q和位置是已知的，所以不平衡重量與其相位角α可求出。為了方便取B、C振幅中的較小者的加重處為參考位置，圖4-2中C<B。所以選C為參考位置處的振幅，則有

α=cos^-1[（A²+D²-C²）/2AD]

六、實(shí)驗(yàn)步驟

1．第一次動(dòng)平衡實(shí)驗(yàn)

（1）將測(cè)振儀兩旋扭分別放在x（f>1）檔和1檔，量程開關(guān)置于30μ檔；

（2）按下手柄驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子，體會(huì)一下共振值；

（3）測(cè)量出振幅A、B、C；

（4）計(jì)算G、α；

（5）用天平稱出G，按α角加在轉(zhuǎn)子上（這時(shí)Q應(yīng)取下），選擇振幅中B、C較小者為基準(zhǔn)位置，順時(shí)針按α角處加G試，振幅明顯減小位置時(shí)位置正確，否則逆時(shí)針按α角處加G觀察平衡。

（6）第一次動(dòng)平衡試驗(yàn)平衡精度在5μ以內(nèi)（偏心距）。

2．在不同回轉(zhuǎn)面上進(jìn)行動(dòng)平衡比較

實(shí)現(xiàn)剛性轉(zhuǎn)子的動(dòng)平衡，可在剛性轉(zhuǎn)子上任意選擇兩個(gè)回轉(zhuǎn)平面，但是兩個(gè)回轉(zhuǎn)平面間的距離遠(yuǎn)些比近些其平衡重量小。

（1）將第一次所加的平衡重量全部取下，選ⅡⅢ作為平衡回轉(zhuǎn)面重復(fù)作，計(jì)算出G₂、G₃，GL=G₂L₂=G₃L₃；

（2）稱出G₂或G₃，加在平衡回轉(zhuǎn)面上，觀察是否平衡。

圖五 轉(zhuǎn)子尺寸圖

3．注意事項(xiàng)

若測(cè)得的數(shù)據(jù)誤差太大，在計(jì)算D時(shí)根號(hào)內(nèi)可能出現(xiàn)負(fù)值，或計(jì)算α角時(shí)超出值域，則測(cè)得數(shù)據(jù)無(wú)效，須重測(cè)，所以操作方法必須正確。

（1）皮帶手柄下壓時(shí)不得過猛，引起框架振動(dòng)；用手托住手柄，壓力不要太大，防止掉皮帶；

（2）測(cè)試不得晃動(dòng)工作臺(tái)；

（3）不要加速時(shí)的共振值，而要取停止加速后轉(zhuǎn)子減速到其振區(qū)時(shí)的共振值；

（4）正面讀表盤上的數(shù)值；

（5）每次裝取磁鐵塊時(shí)，應(yīng)將測(cè)振儀關(guān)上，防止表針打彎；

（6）配重塊弧面不要反裝。

七、思考題

1．哪些類型的構(gòu)件需要平衡實(shí)驗(yàn)？平衡的條件是什么？

2．為什么在動(dòng)平衡試驗(yàn)時(shí)要使一個(gè)平衡回轉(zhuǎn)面通過框架的振擺軸線？當(dāng)試件的一個(gè)平衡回轉(zhuǎn)面已經(jīng)平衡后，要平衡第二個(gè)平衡回轉(zhuǎn)面時(shí)是否仍需使第一個(gè)平衡回轉(zhuǎn)面通過框架的振擺軸線？

3．為什么要使平衡框架構(gòu)成的振動(dòng)系統(tǒng)在共振時(shí)測(cè)量試件的不平衡重量？怎樣可使一個(gè)振動(dòng)系統(tǒng)共振？

4．動(dòng)平衡機(jī)進(jìn)行動(dòng)平衡實(shí)驗(yàn)的原理是什么？

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