转子动平衡实验：原理、方法及应用

【实验目的】

（1）巩固转子动平衡知识，加深对转子动平衡概念的理解；

（2）掌握刚性转子动平衡实验的原理及基本方法；

（3）掌握平衡精度的基本概念。

【实验仪器与设备】

（1）CQP-A型动平衡实验机；

（2）试件（实验转子）；

（3）天平；

（4）平衡块（若干）及橡皮泥（少许）。

【实验原理与方法】

本实验采用的动平衡实验机的结构简图如图2.2.1所示。待平衡的试件1安放在框形摆架2的支承滚轮上，摆架的左端与工字形板簧3固结，右端呈悬臂。电动机4通过皮带带动试件旋转，当试件有不平衡质量存在时，则产生的离心惯性力将使摆架绕工字形板簧做上下周期性的微幅振动，通过百分表5可观察振幅的大小。

图2.2.1　动平衡实验机结构简图

1—转子试件；2—摆架；3—工字形板簧；4—电动机；5—百分表；6—补偿盘；7—差速器；8—蜗杆。

试件的不平衡质量的大小和相位可通过安装在摆架右端的测量系统获得。这个测量系统由补偿盘6和差速器7组成。差速器的左端为转动输入端（n1），通过柔性联轴器与试件连接，右端为输出端（n3），与补偿盘连接。

差速器由齿数和模数相同的3个圆锥齿轮和1个蜗轮（转臂H）组成。当蜗轮不转动时：n3=-nl，即补偿盘的转速n3与试件的转速nl大小相等转向相反；当通过手柄摇动蜗杆8从而带动蜗轮以转速nH转动时，可得出：n3=2nH-nl，即n3≠n1。所以，摇动蜗杆可改变补偿盘与试件之间的相对角位移。

图2.2.2为动平衡机工作原理，试件转动后不平衡质量产生的离心惯性力F=ω2mr，它可分解为垂直分力Fy和水平分力Fx。由于平衡机的工字形板簧在水平方向（绕y轴）的抗弯刚度很大，所以水平分力Fx对摆架的振动影响很小，可忽略不计；而在垂直方向（绕x轴）的抗弯刚度小，因此在垂直分力产生的力矩M=Fy·l=ω2mr l sinφ的作用下，摆架产生周期性上下振动。由动平衡原理可知，任一转子上诸多不平衡质量，都可以用分别处于两个任选平面Ⅰ、Ⅱ内，回转半径分别为rⅠ、rⅡ，相位角分别为θⅠ、θⅡ的两不平衡质量来等效。只要这两不平衡质量得到平衡，则该转子达到动平衡。找出这两不平衡质量并相应地加上平衡质量（或减去不平衡质量）就是本实验要解决的问题。

设试件在圆盘Ⅰ、Ⅱ各等效着一不平衡质量mⅠ和mⅡ，对x轴产生的惯性力矩分别为

摆架振幅y大小与力矩MⅡ的最大值成正比，即y∝ω2mⅡrⅡl；而不平衡质量mⅠ产生的惯性力以及皮带对转子的作用力均通过x轴，不影响摆架的振动，因此可以分别平衡圆盘Ⅱ和圆盘Ⅰ。

本实验的基本方法是：首先，用补偿盘作为平衡平面，通过加平衡质量和利用差速器改变补偿盘与试件转子的相对角度，来平衡圆盘Ⅱ上的离心惯性力，从而实现摆架的平衡；然后，将补偿盘上的平衡质量转移到圆盘Ⅱ上，再实现转子的平衡。

图2.2.2　动平衡机工作原理

具体操作如下。

在补偿盘上带刻度的沟槽端部加一适当的质量，在试件旋转的状态下摇动蜗杆手柄使蜗轮转动（正转或反转），从而改变补偿盘与试件转子的相对角度，观察百分表振动并使其达到最小，停止转动手柄。摇动手柄要讲究方法：蜗杆安装在机架上，蜗轮安装在摆架上，两者之间有很大间隙。蜗杆转动一定角度后，稍微反转一下，脱离与蜗轮的接触，这样才能使摆架自由振动，然后观察振幅。通过间歇性地使蜗轮向前转动和观察振幅变化，最终可找到振幅最小的位置。停机后在沟槽内再加一些平衡质量，再开机左右转动手柄，如振幅已很小[百分表摆动±（1～2）格]可认为摆架已达到平衡。亦可将最后加在沟槽内的平衡质量的位置沿半径方向作一定调整来减小振幅。保持最后调整到最小振幅的手柄位置不动，停机后用手转动试件使补偿盘上的平衡质量转到最高位置。由惯性力矩平衡条件可知，圆盘Ⅱ上的不平衡质量mⅡ必在圆盘Ⅱ的最低位置。再将补偿盘上的平衡质量mp′按力矩等效的原则转换为位于圆盘Ⅱ上最高位置的平衡质量mp，即可实现试件转子的平衡。根据等效条件有

上式中各半径和长度含义见图2.2.2，其中rp=70mm，l=210mm，lp=550 mm。而rp′由补偿盘沟槽上的刻度读出。若补偿盘上有多个平衡质量，且装夹半径不同，则可将每一平衡质量分别等效后求和。

在平衡了圆盘Ⅱ后，将试件转子从平衡机上取下，重新安装并以圆盘Ⅱ为驱动轮，再按同样方法求出圆盘I上的平衡质量，整个平衡工作才算完成。

平衡后的理想情况是不再振动，但实际上总会残留较小的残余不平衡质量m′。通过对平衡后转子的残留振动振幅y′的测量，可近似计算残余不平衡质量m′。残余不平衡质量的大小在一定程度上反映了平衡精度。残余不平衡质量可由下式求出(www.xing528.com)

【实验步骤】

（1）将试件转子安装到摆架的滚轮上，把试件右端的法兰盘与差速器轴端的法兰盘用线绳稍微捆绑在一起组成一个柔性联轴器。装上传动皮带。

（2）用手转动试件和摇动蜗杆上的手柄，检查各部分转动是否正常。松开摆架最右边的两对锁紧螺母，轻压一下摆架，观察摆架振动和百分表摆动是否灵活。在摆架平衡位置将百分表指针调零。

（3）开机前卸下试件上和补偿盘上多余的平衡块。起动电动机，待摆架振动稳定后，记录原始振幅大小y0（单位：格）后，停机。

（4）在补偿盘的槽内距轴心最远处加上适当的平衡质量（两块平衡块）。开机后摇动蜗杆上的手柄，观察百分表振幅变化，当摇动到百分表振幅最小时，记录振幅的大小yl和蜗轮的位置角βl（差速器外壳上有刻度指示），停机。

（5）按试件转动方向用手转动试件，使补偿盘上的平衡块转到最高位置，取下平衡块将其安装到试件圆盘Ⅱ中相对应的最高位置槽内（先找平衡质量的安装相位角，平衡质量的大小最后一并在天平上量出）。

（6）在补偿盘中上次装加平衡块的位置再加一定的平衡质量（1块平衡块），开机。微调蜗杆上的手柄观察振幅，如振幅小于y1，记录此时振幅y2和蜗轮的位置角β2，若β2与β1相同或仅是略有改变，则表示实验进行正确；如振幅大于y1，可在停机状态下调节平衡质量的装加半径，直到振幅减小。

（7）当调整到振幅很小时[百分表摆动±（1～2）格]可视为已达平衡，停机。读出平衡质量的装加半径，利用公式2.2.3计算圆盘Ⅱ中应加的等效质量，在天平上量出后按步骤（5）方法加到圆盘Ⅱ中，并取下补偿盘中的质量。

（8）开机检测转子振动，若还存在一些振动可适当调节平衡块的相位。记下残留振动振幅y′，停机。

（9）在实验报告的实验结果表格中，记录圆盘Ⅱ上平衡质量的装加相位（直接读圆盘Ⅱ上的刻度）；取下平衡质量，在天平上量出数值，并记录；由式（2.2.4）计算残余不平衡质量m′。

（10）将试件转子掉头，重复上面步骤（1）～（9），完成对圆盘I的平衡。

【实验报告】

1.振动测量

将实验数据记录在表2.2.1中。

表2.2.1　动平衡实验记录

续表

2.计算

残余不平衡质量

3.实验结果

将实验结果记录在表2.2.2中。

表2.2.2　动平衡实验结果

【分析与思考】

（1）哪些类型的试件需要进行动平衡实验？实验的理论依据是什么？

（2）影响平衡精度的因素有哪些？