回转构件动平衡实验指导书优化

一、实验目的

（1）巩固和验证回转构件动平衡的理论知识。

（2）掌握智能动平衡机的基本原理和操作方法。

（3）培养操作先进设备的动手能力和实践能力。

二、实验仪器和设备

DPH-I型智能动平衡机、微型计算机等。

三、实验要求

（1）预习动平衡的理论知识、传感器原理知识等。

（2）实验前，了解实验设备的使用规定和安全事项，熟悉动平衡测试软件的应用。

（3）实验中，实验设备开启后不许触碰，严格按照操作步骤要求，认真记录有关数据。

（4）实验后，写出实验报告。

四、实验系统组成及工作原理

1.实验系统组成

该实验系统由动平衡机实验台、计算机、数据采集器、高灵敏度有源压电力传感器和光电相位传感器等组成。如图18-1所示为智能动平衡机基本结构示意图。

2.实验原理

转子动平衡检测一般用于轴向宽度B与直径D的比值大于0.2的转子（小于0.2的转子适用于静平衡）。转子动平衡检测时，必须同时考虑其惯性力和惯性力偶的平衡，即Pi=0，Mi=0。如图18-2所示，设一回转构件的偏心重Q1及Q2分别位于平面1和平面2内，r1及r2为其回转半径。当回转体以等角速度回转时，它们将产生离心惯性力P1及P2，形成一个空间力系。

图18-1　智能动平衡机基本结构示意图

1—光电传感器；2—被试转子；3—硬支承摆架组件；4—压电力传感器；5—减振底座；6—传动带；7—电动机；8—零位标志

图18-2　智能动平衡机转子动平衡工作原理示意图

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，可以根据该回转体的结构，选定两个平衡基面Ⅰ和Ⅱ作为安装配重的平面。将上述离心惯性力分别分解到平面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）。这样就可以把空间力系的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和平面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，这个构件也就平衡了。

实验时，当被测转子在部件上被拖动旋转后，由于转子的中心惯性主轴与其旋转轴线存在偏移而产生不平衡离心力，迫使支承做强迫振动，安装在左右两个硬支承机架上的两个有源压电力传感器感受此力而发生机电换能，产生两路包含有不平衡信息的电信号，输出到数据采集装置的两个信号输入端；与此同时，安装在转子上方的光电相位传感器产生与转子旋转同频同相的参考信号，通过数据采集器输入到计算机。如图18-3所示为智能动平衡实验系统信号处理原理框图。

图18-3　智能动平衡实验系统信号处理原理框图

计算机通过采集器采集此三路信号，由虚拟仪器进行前置处理、跟踪滤波、幅度调整、相关处理、FFT变换、校正面之间的分离解算、最小二乘加权处理等。最终算出左右两面的不平衡量（g）、校正角（°），以及实测转速（r/min）。与此同时，给出实验过程的数据处理方法、FFT方法的处理过程及曲线的变化过程，使同学们加深印象，一目了然。

该设备是一种创新的基于虚拟测试技术的智能化动平衡实验系统，能在一个硬支承的机架上不经调整即可实现硬支承动平衡的A、B、C尺寸法解算和软支承的影响系数法解算，既可进行动平衡校正也可进行静平衡校正，本系统利用高精度的压电晶体传感器进行测量，采用先进的计算机虚拟测试技术、数字信号处理技术和小信号提取方法，达到智能化检测的目的。本系统不但能得出实验结果，而且通过动态实时检测曲线了解实验的过程，通过人机对话的方式生动形象地完成检测过程，因而非常适用于教学动平衡实验。

五、实验方法与步骤

1.系统的连线和开启

（1）接通实验台和计算机USB通信线，此时应先关闭实验台电源。

（2）打开“测试程序界面”，然后打开实验台电源开关，并打开电动机电源开关，单击“开始测试”按钮，此时电脑屏幕上应看到绿、白、蓝三路信号曲线。如没有测试曲线，应检查传感器的位置是否放好。

（3）三路信号正常后单击“退出测试”按钮，退出测试程序。

然后双击“动平衡实验系统界面”进入实验状态，电脑屏幕出现“动平衡实验系统”的虚拟仪器操作前面板，如图18-4所示。

2.平衡模式的选择

选择平衡模式及测量相关尺寸，并将尺寸输入各自窗口。

（1）单击左上“设置”菜单功能键的“模式设置”功能，屏幕进入“模式选择”界面，出现A、B、C、D、E、F六种模式，如图18-5所示。

（2）根据动平衡元件的形状，在“模式选择”界面中，选择一种模式，如模式-A。

（3）单击“确定”按钮，在“动平衡测试系统”的虚拟仪器操作前面板上，显示所选定的模型形态。

（4）根据所要平衡转子的实际尺寸，将相应的数值输入到A、B和C的文本框内。

（5）单击“保存当前配置”按钮，仪器就能记录、保存这批数据，作为平衡件相应平衡公式的基本数据。

图18-4　智能动平衡机实验系统虚拟仪器操作前面板

1—测试结果显示区；2—转子结构显示区；3—转子参数输入区；4—原始数据显示区；5—数据分析曲线按钮；6—滚子平衡状态指示；7—不平衡量角度指示；8—自动采集按钮；9—手动采集按钮；10—复位按钮；11—工作尺寸保存按钮

3.系统标定

（1）单击“设置”框的“系统标定”功能键，进入“仪器标定”窗口，如图18-6所示。

（2）将两块2g的磁铁分别放置在标准转子（已经动平衡了的转子）左、右两侧的0°位置上。(www.xing528.com)

（3）在标定数据输入窗口，输入左右不平衡量及左右方位度数。左不平衡量（克）：2；左方位（度）：0；右不平衡量（克）：2；右方位（度）：0。

（4）数据输入后，启动动平衡试验机，待转子转速平稳运转后，单击“开始标定采集”按钮开始采集。下方的红色进度条会作相应的变化，上方显示框显示当前转速及正在标定的次数，标定值是多次测试的平均值。这时可以单击“详细曲线显示”按钮，显示曲线动态过程。等测试10次后自动停止测试。

（5）标定结束后，单击“保存标定结果”按钮。

（6）完成标定过程后，单击“退出标定”按钮，如图18-6所示，回到原始实验界面，开始实验。

注：标定测试时，在仪器标定面板“测试原始数据”框内显示的四组数据，是左右两个支承输出的原始数据。如在转子左右两侧，同一角度，加入同样重量的不平衡块，而显示的两组数据相差甚远，应适当调整两面支承传感器的顶紧螺丝，可减少测试的误差。

4.动平衡测试

（1）手动（单次）。手动测试为单次检测，检测一次系统自动停止，并显示测试结果。

图18-5　模式选择界面

图18-6　仪器标定窗口

（2）自动（循环）。自动测试为多次循环测试，操作者可以看到系统动态变化。单击“自动采集”按钮，如图18-4所示，采集35次数据，当数据比较稳定后，单击“停止测试”按钮，单击“数据分析曲线”按钮，可以看到测试曲线变化情况。需要注意的是：要进行加重平衡时，在停止转子运转前，必须先单击“停止测试”按钮，使软件系统停止运行，否则会出现异常。

5.实验曲线分析

在数据采集过程中，或在停止测试时，都可在前面板区单击“数据分析曲线”按钮，计算机屏幕会切换到“采集数据分析”窗口，如图18-7所示。该窗口有“滤波后曲线”、“频谱分析图”、“实际偏心量的分布图”和“实际相位分布图”四个图形显示区，及转速、左右偏心量及偏心角五个数字显示窗口。

该分析窗口的功能主要是将实验数据进行系统的处理。整个处理过程是将一个混杂着许多干扰信号的原始信号，通过数字滤波、FFT信号频谱分析等数学手段提取有用的信息。该窗口不仅显示了处理的结果，还交代了信号处理的演变过程，这对培养学生解决问题、分析问题的能力是很有意义的。在自动测试情况下（即多次循环测试），从“实际偏心量的分布图”和“实际相位分布图”可以看到每次测试过程当中的偏心量和相位角的动态变化。如果曲线变化波动较大，说明系统不稳定需要进行调整。

6.平衡过程

本实验装置在做动平衡实验时，为了方便起见一般是用永久磁铁配重，作加重平衡实验，根据左、右不平衡量显示值（显示值为去重值），加重时根据左、右相位角显示位置，

图18-7　采集数据分析窗口

在对应其相位180°的位置，添置相应数量的永久磁铁，使不平衡的转子达到动态平衡的目的。在自动检测状态时，先在主面板单击“停止测试”按钮，待自动检测进度条停止后，关停动平衡实验台转子，根据实验台转子所标刻度，按左、右不平衡量显示值，添加平衡块，其质量可等于或略小于面板显示的不平衡量；然后，起动实验装置，待转速稳定后，再单击“自动测试”按钮，进行第二次动平衡检测；如此反复多次，系统提供的转子一般可以将左、右不平衡量控制在0.1g以内。在主界面中的“允许偏心量”栏中输入实验要求偏心量（一般要求大于0.05g）。当“转子平衡状态”指示灯由灰色变蓝色时，说明转子已经达到了所要求的平衡状态。

由于动平衡数学模型计算理论的抽象理想化和实际动平衡器件及其所加平衡块的参数多样化的区别，因此动平衡实验的过程是个逐步逼近的过程。

7.转子平衡步骤

这里以加1.2g配重的方法为例，说明对一个新转子进行动平衡的步骤。

（1）在转子的左边0°处放置1.2g的磁铁，在右边270°处放置1.2g磁铁。

（2）启动动平衡试验机，待转子转速平稳运转后，单击“自动采集”按钮，采集35次。

（3）数据比较稳定后单击“停止测试”按钮，这时数据测量结果如图18-8所示。

图18-8　不平衡数据测量结果（一）

（4）在左边180°处放1.2g磁铁，在右边280°的对面，即100°处放1.2g磁铁，单击“自动采集”按钮。采集35次后单击“停止测试”按钮，这时数据测量结果如图18-9所示。

图18-9　不平衡数据测量结果（二）

若设定左右不平衡量≤0.3g时即为达到平衡要求。这时左边还没平衡，而右边已平衡。

（5）在左边283°的对面，即103°处放0.4g磁铁，单击“自动采集”按钮，采集35次后单击“停止测试”按钮，这时数据测试结果如图18-10所示。

图18-10　不平衡数据测量结果（三）

从图18-10可以看出，此时转子左右两边的不平衡量都小于0.3g，“滚子平衡状态”窗口出现红色标志。

（6）单击“停止测试“按钮。

（7）打开“打印实验结果”窗口，出现“动平衡实验报表”，可以看到整个实验结果。

重要提示：

1.动平衡实验台与计算机连接前必须先关闭实验台电机电源，插上USB通信线时再开启电源。在实验过程中要插拔USB通信线前同样应关闭实验台电机电源，以免因操作不当而损坏计算机。

2.系统提供一套测试程序，实验之前进行测试，特别是装置进行搬运或进行调整后，请运行安装程序中提供的“测试程序”。运行转子机构，从曲线面板中可以看到三条曲线（一条方波曲线、两条振动曲线），如果没有方波曲线（或曲线不是周期方波），则应调整相位传感器使其出现周期方波信号。如果没有振动信号（或振动信号为一直线没有变化），则应调整左右支架上的测振压电传感器预紧力螺母，使其产生振动信号，三条曲线缺一不可。

六、思考题

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.试件经动平衡后是否还需要进行静平衡？为什么？

3.为什么偏心量太大需要进行静平衡？

4.指出影响平衡精度的一些因素。