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1、1 绪 论随着现代工业技术的迅速发展，消除转动机械振动的问题日趋重要，而转子本身的不平衡在很大程度上是引起机械振动的一项重要因素，这一点在高速、精密机械中尤为突出。据统计,旋转机械的振动问题有30 %以上都是由于转子不平衡引起的。因此,可以认为转子不平衡(或简称失衡)是引起旋转机械振动的重要原因。对于线性系统而言,失衡引起的振动,其频率等于转子的旋转频率。而当系统具有非线性时,失衡将引起以转子旋转频率为基频 ,带有一系列高阶谐波成分的振动。为了消除或减轻由于失衡引起的振动,就必须对转子进行平衡。随着动平衡技术的发展，测量精度高和稳定性好的动平衡机逐步出现，解决了机械加工中出现的转子失衡问题。动
2、平衡机的出现很大程度上延缓了机器的使用寿命，提高了工作效率，也保障了机械加工操作者的安全，因此对转子的动平衡问题进行深入研究是非常有必要的。1.1转子及分类机器中绕轴线旋转的零部件，称为机器的转子。按照是否需要动平衡处理转子分为两种：平衡转子，旋转与不旋转时对轴承只有静压力的转子;不平衡转子,如果转子在旋转时对轴承除有静压力外，附加有动压力，则称之为不平衡的转子。转子如果是不平衡的，附加动压力将通过轴承传达到机器上，引起机械振动。1.2 动平衡当刚体的转轴通过质心且为惯性主轴时，刚体转动时不出现轴承动约束力，称这种现象为动平衡。动平衡实际上就是动不平衡，运用在旋转部件及精度要求极高的设备上。任
3、何转子在围绕其轴线旋转时，由于相对于轴线的质量分布不均匀而产生离心力。这种不平衡离心力作用在转子轴承上会引起振动，产生噪声和加速轴承磨损，以致严重影响设备的性能和寿命，平衡不好会使旋转部件在运转中飞离出去。旋转零部件在制造过程中，都需要稳定正常地运转。举例：如列车车轮制动盘、飞机螺旋桨、航空轮胎、电机转子、机床主轴、滚筒、风机、汽轮机、增压器、齿轮、风叶、砂轮等。1.3转子做动平衡的条件一个转子究竟要进行静平衡还是动平衡，要根据具体情况如转子重量、形状、转速、支座条件及用途等而定。一般按下列原则考虑。当转子外径D与长度L满足D/L5时，不论其工作转速高低都只需进行静平衡。当LD时，只要工作转速
4、大于1000转/分，都要进行动平衡。 以上只是一般原则，有特殊要求的转子必须特殊考虑，如人造卫星，其转速只不过每分钟几十转，也需要进行动平衡。如果一个转动的物体质量分布不均匀，转动起来就会产生振动。不均匀程度越大，振动也越大。消除振动的方法很简单，就是把不均匀的质量点找出来并去掉它，或者在它对面人为地加一块相同的质量平衡它。基本上要求高一点的转动部件最好是做动平衡，因为动平衡回转体震动的一个很主要的原因。动不平衡就是说在转动时回转体质点离心力产生的力矩不能在轴中心抵消，产生了一个力矩偏差，这个偏差会导致轴的弹性变形，轴的变形又使这个不平衡力矩进一部加大，如此恶性循环知道这个力矩与轴的弹性变形力
5、相互抵消位置，这就产生了一个问题：轴此时并不是个直的，此时的轴受到偏心力的作用使的震动产生了。国外的机械运转噪音小跟他们的动平衡调的好有很大的关系。1.4转子动平衡标准对于旋转设备，约一半以上的故障都与不平衡有关。因此，了解设备的残余不平衡量允许值，即动平衡标准是非常有必要的。动平衡标准是机械行业重要的基础性、通用性标准。承担动平衡国际标准制订工作的是ISO/TC 108机械振动与冲击技术委员会，国家标准则是由全国机械振动与冲击标准化技术委员会（CSBTS/TC 53）负责。任何转子都存在不平衡量，而动平衡的目的就是要转子在其工作转速范围内运转平稳，而转子在工作转速范围内过临界转速时不至于引起
6、较大振动，就要做动平衡，即想办法将不平衡量降低，以其达到某一精度。考虑到技术的先进性和经济上的合理性，国际标准化组织(ISO)于1940年制定了ISO1940平衡等级，它将转子平衡等级分为11个级别，每个级别间以2.5倍为增量，从要求最高的G0.4到要求最低的G4000。单位为公克毫米/公斤(g.mm/kg)，代表不平衡对于转子轴心的偏心距离。该标准建立了转子的最高转速与可接受的残余不平衡之间的关系，以及各种有代表性的转子与建议的质量不平衡等级之间的关系；介绍了质量不平衡等级G（等效于一个不受约束的转子所产生的e），因为它可用来比较机器在不同速率运转时的物理性能。标准中的G值在数字上相当于以9
7、500r/min运转的转子用m来表示的偏心率e。转子的质量不平衡等级或不平衡可以用一台已校准的动平衡机进行评定。平衡品质或平衡质量等级(G)表示回转体处于不平衡状态时回转体重心的线速度，是用来判断回转体动态负载的一种机械比较量。G值越小，则回转体旋转越是平稳。1.5转子的平衡精度等级表1-1 平衡精度等级与刚性转子组的分组平衡精度等级e (mm/s)转子类型G40004000刚性安装的具有奇数汽缸的低速船用柴油机的曲轴传动装置G16001600刚性安装的大型两行程发动机的曲轴传动装置G630630刚性安装的大型四行程发动机的曲轴传动装置，弹性安装的船用柴油机的曲轴传动装置G250250刚性安装
8、的高速四缸柴油机的曲轴传动装置G100100具有六个或更多汽缸的高速柴油机的曲轴传动装置，汽车、卡车及机车头的整个发动机（汽油机或柴油机）G4040汽车轮、车轮缘、轴座、传动轴，弹性安装的具有六个或更多汽缸的高速4行程发动机（汽油机或柴油机）的曲轴传动装置G1616具有特殊要求的传动轴（推进器、万向接头轴），压碎机的零件，农业机械的零件，发动机（汽车、卡车及机车头的汽油机或柴油机）的单个组件，在特殊要求下具有6个或更多汽缸的发动机曲轴传动装置G6.36.3炼制厂机械的零件，船用主涡轮传动机构（商船用），离心机鼓轮、风扇装配好的飞机的燃气轮机转子，飞轮，泵式推进器，机床和普通的机械零件，普通的电
9、枢。特殊要求的发动机单个部件G2.52.5燃气和蒸汽涡轮机，包括船用的主涡轮机（商船用），刚性涡轮发电机转子，透平轮压缩机，机床传动装置，有特殊要求的中型和大型电枢、小型电枢，涡轮传动泵G11磁带记录仪和唱机的传动装置，磨床传动装置，有特殊要求的小型电枢G0.40.4精密磨床的传动轴，研磨盘和电枢，陀螺仪（1）2n /60，当以rad/s，n以r/min为单位时，则1/10。（2）对于具有两个校正平面的刚性转子，对于每个平面通常采用建议的残余不平衡量的1/2；此值适用于两个任意选定的平面。轴承处的不平衡状态可加以改善，对于圆盘形转子，所有的残余不平衡量建议在一个平面。当转子的平衡精度要求高于G
10、2.5时，必须以自驱或非常接近实际工作状态的驱动、支承方式进行平衡，才有可能得到较好的平衡效果。平衡机的技术指标中，有一个精度的参数：式中：M工件的质量（公斤）e偏心率 （微米）m不平衡质量 （克）r不平衡质量所在半径（毫米）G平衡级数n工件工作转速（转/分）选择好合适的平衡精度后，应将这个指标（如G6.3级）具体折算为可操作的一个指标（如：在某半径处小于多少克）。平衡精度换算方法:实际工作旋转角速度 或 ；如果转子平衡精度选择6.3级，即毫米/秒，那么，转子允许重心偏移（微米）。由公式推导出：在转子指定配重面指定半径的最大允许不平衡量。只要将转子平衡至指标m以内，即可认为转子已经达到平衡精度
11、要求。1.5.1 不平衡生成的原因（1）质量分布不均衡（2）非均质性材质，铸件沙孔、气孔（3）转子安装时偏心，或轴承安装时对心不良（4）转动时引起之材料扭曲变形（5）键及键槽之设计不良（6）转子余隙配合误差（7）转子腐蚀及磨损（8）热变形（9）杂志附着1.5.2 动平衡的作用（1）提高转子及其构成的产品质量 （2）减小噪声（3）减小振动（4）提高支承部件（轴承）的试用寿命（5）降低使用者的不舒适感（6）降低产品的功耗1.6不平衡的危害性转子不平衡引起的危害主要体现在：（1）耗能振动要消耗原能量以维持其往复性的运动。（2）破坏振动产生有损于机械或结构的动载荷，影响机械设备或结构物的工作性能，降低
12、机床加工精度，缩短设备使用寿命严重时会使零件失效甚至破坏而造成事故。（3）噪声振动会产生损害人体健康的噪声。一个不平衡的转子在其旋转过程中对其支承结构和转子本身产生一个压力，并导致振动。因此，对转子的动平衡是十分必须的。1.7动平衡的意义不平衡的转子经过测量其不平衡量和不平衡相位，并加以校正以消除其不平衡量，使转子在旋转时，不致产生不平衡离心力的平衡工艺叫做动平衡。平衡是改善转子的质量分布，以保证转子在其轴承中旋转时因不平衡而引起的振动或振动力减小到允许范围内的工艺过程。利用现有的测量仪器可以把转子的不平衡减少到相当小的范围，但对平衡品质要求过高是不经济的，也是不必要的。因此必须确定不平衡应减
13、小到何种程度，从而解决技术可能性与经济合理性的关系。1.8影响平衡精度的因素旋转机械要消除振动和噪音，提高产品质量，动平衡工艺是必不可少的。在机械加工中，经常会涉及平衡精度这一指标。转子经过平衡校验后，如何来理解和确定平衡精度，是十分重要的问题。要使转子的平衡精度很高(即剩余不平衡量很小)就要尽量排除影响不平衡精度的因素，其中传动方式和传动件的不平衡影响最大，其它如转子的轴颈精度，轴承的精度等亦应严格控制。1.9刚性转子的动平衡工艺原理从平衡技术观点看，刚性转子可以在任意选定的两个平面内校正，校正后，在直到最高工作转速的任何转速下以及在接近最后支承系统的条件下运行，其不平衡量均不会超过平衡允差
14、，则这种转子可看作是刚性的。一般指机械的工作转速不大于70%一阶临界转速时，可视为刚性转子。图1-1 刚性转子系统及简化模型示意图转子装在平衡机上，应尽可能支承在工作轴颈处，校正平面应选在最靠近轴承处两端，以增加校正效应，同时也便于试加配重。转子不平衡产生的支承振动或振动力，由左右传感器转换成相应电信号，经过平面分离电路处理后输出信号，它分别与左右校正平面上的不平衡量有关。同时，与转子同轴旋转的参考相位发生器发出参数信号。上述两种信号输入测量电路，经滤波放大器放大后，检测出两校正平面上不平衡量的大小和位置。回转件通过平衡试验后可将不平衡惯性力及其引起的动力效应减小至相当低的程度。但回转件一般不
15、可能达到完全平衡，过高的要求在实际上也是不必要的。因此设计回转件时，应该根据不同的实际使用要求，规定其允许的不平衡量，此即许用不平衡量。转子的许用不平衡量有两种表示方法，即质径积表示法（单位为gm）和偏心距表示法（单位为m）。设回转件的质量为m，其质心至回转轴线的许用偏心距为，而转子的许用不平衡质径积以表示，则两者的关系为对于具体给定的转子，许用不平衡量以质积径表示较好，因为它便于直接平衡操作，也比较直观。在衡量转子平衡的优劣或衡量平衡的检测精度时，为便于直接比较，用许用偏心距为好。对于具体转子的不平衡量，应小于或等于许用不平衡量，即。刚性转子在平衡试验时应注意的问题:选择好平衡精度等级，在试
16、验时一般根据校验转子类型和重要程度选取；加重还是去重要根据设备本身状况而定。2动平衡技术2.1动平衡操作技术由于做平衡试验的转子种类繁多，相应的平衡工艺方法，试验装置和校正方法也各不相同，应根据转子结构特点和平衡要求，选择合适的平衡方法，试验装置和校正方法。平衡机在近年来迅速普及、用途范围越来越广。其主要功能为：检测并显示转子不平衡量的大小及位置，以指导操作者将不平衡量尽量去除，以使转子达到平衡精度要求。平衡机就是事先把整个寻找的过程写成程序固化在仪器中，集成了测振和相关的计算功能，帮助我们较快的找出不平衡点的仪器。平衡机是测量旋转物体(转子)不平衡量大小和位置的机器，测量动平衡的专门设备。2
17、.2校正方法转子的不平衡是因其中心主惯性轴与旋转轴线不重合而产生的。平衡就是改变转子的质量分布，使其中心主惯性轴与旋转轴线重合而达到平衡的目的。当测量出转子不平衡的量值或相位后，校正的方法有：(1)去重法即在重的一方用钻孔，磨削，錾削，铣削和激光穿孔等方法去除一部分金属。(2)加重法即在轻的一方用螺钉连接，铆接，焊接，喷镀金属等方法，加上一部分金属。(3)调整法通过拧入或拧出螺钉以改变校正重量半径，或在槽内调整二个或二个以上配重块位置。(4)热补偿法通过对转子局部加热来调整工件装配状态。2.3操作面的选择平衡校正面必须选择垂直于转子轴线的平面。(1)对薄盘状转子(L/D5)，因偶不平衡很小，一
18、般只选择一个校正面，称为单面平衡或称静平衡。(2)对于长轴类转子(L/D5)，必需选择二个或二个以上校正面，称双面平衡或多面平衡亦称动平衡。(3)对于初始不平衡量很大，旋转时振动过大的转子，应先做单面静平衡，且校正面最好选择在重心所在的平面上，以防偶不平衡量增大;或选择在重心两侧的两个校正面上校正，或根据要求，选择在靠近重心的平面上校正，然后再做动平衡。(4)曲轴应在专门的曲轴动平衡机上平衡。2.4不同类型的转子的动平衡注意事项（1）滚动轴承转子的平衡装有滚动轴承的转子，平衡时最好带着滚动轴承一起平衡，从而消除滚动轴承的内环偏心引起的不平衡，带轴承的转子一般在V型支承上进行。（2）无轴颈的转子
19、的平衡无轴颈的转子必须在工艺轴上进行平衡。由于工艺轴本身的制造误差:径向和轴向跳动。工艺轴本身的不平衡以及转子配合时存在的径向间隙，使转子在平衡时会带来不可避免的误差。为了使工艺轴与零件的配合误差引起的不平衡量与无颈转子的不平衡量分开，在工艺轴上只检测转子的不平衡量，可采用180转位的平衡方法。（3）组装件的平衡由于组装件是由几个零件组合而成，如果不先对单个零件进行平衡，则:组装件因不平衡量过大而无法平衡。或虽然能平衡，使组装件达到规定的平衡精度，但在实际工作转速(4000500000r/min)时，由于叶轮的不平衡力和力偶的影响，使轴局部弯曲产生振动而不能工作。所以，必须在低转速下(1200
20、0转/分)先对各零件进行单件平衡，平衡允许值可根据组装件不平衡允许值来分配。组装后理论上认为不平衡量虽是各单件不平衡量的矢量和，但因装配误差仍会出现新的不平衡量而使组装件达不到要求，故仍应对组装件进行平衡。平衡好的组装件一般不应拆卸，如果工艺要求必须拆卸时，应对各零件的相对位置做好标记，以便重装时，恢复原来的相对位置，保证其整体精度。由于标记仅对径向转动标识明显有效，对轴向标识无作用，故组装件拆卸又重装后，仍难保证恢复原来的平衡精度，例如靠喷丸面配合的转子总成，若要想尽可能小地减少装配误差，必须对锁紧力严加控制(例如对内支承型转子总成锁紧力作好记录等)。对于有些组装件(如带叶片的轴)则可在有测
21、力和力偶的静偶分离的平衡机上先对轴进行平衡，找出矢量方向，然后有针对性地装上叶片再进行平衡，可大大减小不平衡去重量，保证外观质量。（4）不平衡量大的转子的平衡可先进行静平衡，若在平衡机上进行静平衡，则必须在滚轮支承上支承工件，利用重力作静平衡。或先作低速平衡，即降低正常的平衡转速，以减小离心力进行初平衡校正，然后再进行正常转速平衡。2.5主轴动平衡的方法与应用为了适应目前高速加工的需要，主轴单元的动平衡测试和结构设计的合理性起着至关重要的作用。主轴单元的动平衡测试其目的就是使回转体质量均匀分布，以减少旋转时由于不平衡产生的离心力。同时，防止主轴高速旋转时产生高温，引起主轴轴承温度升高，导致主轴
22、轴承润滑油稀释，影响了主轴轴承使用寿命。如果不做主轴单元的动平衡测试，主轴轴承过高的温度，会引发主轴轴承配合间隙的增大，从而影响主轴精度。为了解决上述不利因素，设计主轴单元需考虑动平衡测试时去重或增重的合理位置，使用最有效的方法，使主轴单元达到动平衡的标准要求或设计要求。主轴单元的动平衡在动平衡机上进行测试，做测试时通过感应器传递信息，找出主轴单元不平衡的位置方向，然后在显示方向上去重或在反方向上增重，最后使主轴单元达到标准要求或设计要求。机床高速化的应用和发展，要求主轴转速提高。但机床主轴组零件在制造过程中，不可避免会因材质不均匀、形状不对称、加工装配误差而导致重心偏离旋转中心，使机床产生振
23、动和振动力，引起机床噪声、轴承发热等。随着转速升高，不平衡引起的振动越加激烈。由于机床主轴组件转动时产生的变形很小，为了简化计算，故视其作为刚性转子的平衡方法来处理。将转子视作绝对刚体，且假定工作时，不平衡离心力作用下的转轴不会发生显著变形。为此在这些条件下刚性转子的许多复杂不平衡状态，可简化为力系不平衡来处理，即可在任意选定的两个平面上增加或减去两个等效于U和U的动平衡力使其平衡。刚性转子动平衡一般为低速动平衡，一般选用第一临界转速的1/3以下。(1)进行由不平衡引起的振动、力、噪声等现场试验或实验室试验，确定平衡程度。(2)通过计算求得作用到轴承上的不平衡力，达到轴承的允许限度时的允许不平
24、衡，从而确定不平衡程度。2.6动平衡的力学原理一般来说，回转体的动不平衡，如多缸发动机的曲轴，其各部分质心的偏移方向较复杂，但都可以视为多个圆盘组合而成，其根据力学等效原理，均可把多个圆盘的不平衡惯性力简化到两个平面上。如下图轴所示，设在与转于轴线垂直的任意两平面上半径分别为r、r处存在不平衡质量m、m，则转于在以角速度回转过程中，两不平衡质量产生的离心力分别为：F=mrF=mr图2-1动平衡力学原理简图平衡机在近年来迅速普及、用途范围越来越广。其主要功能为：检测并显示转子不平衡量的大小及位置，以指导操作者将不平衡量尽量去除，以使转子达到平衡精度要求。2.7 现场动平衡的原理及分计算分析2.7
25、.1 现场动平衡技术介绍所谓现场动平衡是指旋转机械在工作状态下,对其进行振动分析,并进行平衡校正的一种平衡实验方法。现场平衡法的优点是:不需要拆卸机器、吊出转子,不需要平衡机或实验台等设备,可以避免因拆卸和重新安装引起的误差 ,并且可以微量地补偿转子的腐蚀和磨损。必须指出,作为现场动平衡的指标是将失衡引起的振动,控制在允许的范围之内,而并不要求完全消除不平衡。实际上,由于测量误差、温度波动、磨损以及其他因素的影响,要达到完全的平衡几乎是不可能的。现场动平衡,主要是依据影响系数法。其基本思想是:转子与轴承组成的振动系统是一线性系统,因此轴承的振动响应是各平衡面产生的不平衡量,引起的振动响应的线性
26、叠加,其振动响应量前后轴承处的振动影响,由此确定各影响系数,从而求得应该加(减)的平衡校正量。2.7.2 动平衡计算分析转子被划分为刚性转子和挠性转子。如果转子的工作转速远低于一阶临界转速,称其为刚性转子,反之为挠性转子。刚性转子和挠性转子在动力学特性方面有很大的不同,因而其相应的平衡方法的差异也很大。对于挠性转子,在任何情况下都必须进行动平衡。动平衡计算,包括单面和双面动平衡计算。下图为假定的刚性转子,在校正面、上分别有不平衡量U和U,在位置 A、B处的传感器,测量不平衡量U和U的稳态响应为X和 X,表示成:图2-2 动平衡计算模型 (1) (2)式中(i,j = 1 ,2)为影响系数,斜体
27、部分表示矢量。通常情况下,现场一般采用单面动平衡法。对转子进行单面平衡时,只需要考虑转子的不平衡力,而不必考虑不平衡力偶。令则式(1)和(2)简化为： (3) (4)如果已知和或和就可以求出U。可见,单面平衡时只需其中任何一个方程即可求解。对于挠性转子,其动平衡与刚性转子不同,因此对于挠性转子,其不平衡离心惯性力所引起的转子弯曲变形不能忽略,必须加以考虑。在不同的转速下,由于离心惯性力的大小不一样,因此转子具有不同的弯曲变形。另一方面,由于转子弯曲改变了原有的质量分布,于是也就改变了离心力的分布。由此可见,挠性转子的不平衡状态是随转速不断变化的,即使在某一转速下平衡好的转子,转速发生变化,原有
28、的平衡状态也可能被破坏。从理论上讲,要真正对挠性转子进行动平衡,只有在沿转子的轴向无穷多个平面上,加或减校正质量,将转子的各平面全部校正后,挠性转子才能够真正地达到平衡 ,也只有这样,转子在任一转速下,才能够始终保持平衡。然而,事实上 ,这种平衡根本无法实现 ,因此,实际对挠性转子的平衡校正通常只能在几个甚至一个转速下进行 ,并且也只能在有限的几个或一个校正平面上增加或减少校正质量。2.8刚性回转件的动平衡实验法由动平衡原理可知，轴向宽度较大的回转件，必须分别在任意两个回转平面内各加一个适当的质量，才能使回转件达到平衡。将回转件装在动平衡试验机上运转，然后在两个选定的平面内确定所需平衡质径的大
29、小和方位，从而使回转件达到动平衡的方法称为动平衡实验法。当回转体的时，以及有特殊要求的重要回转件必须进行动平衡。刚性转子的动平衡试验要在动平衡机上进行。转子的不平衡而产生的离心惯性力和惯性力偶矩，将使转子的支撑产生强迫振动，转子支撑处振动的强弱反映了转子的不平衡情况。各类平衡机的工作原理都是通过测量转子支撑处的振动强度和相位来测定转子的不平衡量的大小和方位的。由于可在两个选定的平面上加重或减重进行动平衡，所以通过测量两个支撑处的振动就可以知道两平面的平衡结果。3 动平衡机的发展3.1平衡机的发展史平衡机发展迄今已经有一百多年的历史。1866年，德国西门子公司发明了发电机。4年后，加拿大人Hen
30、ry Martinson申请了平衡技术的专利，拉开了平衡校正产业的序幕。1907年，Franz Lawaczek博士把改良的平衡技术提供给了Carl Schenck先生，后者在1915年制作了第一台双面平衡机。直到上世纪末40年代，所有的平衡工序都是在采用纯机械的平衡设备上进行的。转子的平衡转速通常取振动系统的共振转速，以使振幅最大。在这种方式下测量转子平衡，测量误差较大，也不安全。任何一种仪器仪表产品都会有其精度极限，平衡机也不例外。目前，国产的大多数平衡机，其测量精度都在微米级，而国内的普通机加工最高水平大都停留在十倍微米（丝、道）级上。随着电子技术的发展和刚性转子平衡理论的普及，五十年代
31、后大部分平衡设备都采用了电子测量技术。平面分离电路技术的平衡机有效的消除了平衡工件左右面的相互影响。直到七十年代，硬支承平衡机的出现可以认为是平衡机发展史上的一次飞跃。它采用静态下的平衡尺寸设定，消除了传统软支承平衡机需频繁的动态调整的不便，形成了永久定标的平衡机。八十年代，压电传感器技术又给平衡机的发展带来一次革命。采用这种技术的平衡机在不需要非常高速的平衡领域基本取代了软支承平衡机。目前，随着微机技术的运用，将平衡机又带入一个崭新的时代，平衡机在性能、精度、可操作性方面均有了显著的提高。平衡机已经集光、电、机各方面的技术于一身。并且在电动工具、机械制造、风机、电机、造纸、纺织、家用电器、冶
32、金等领域得到越来越广泛的应用。从牛顿运动定律知道，任何物体在匀速旋转时，旋转体内各个质点，都有将产生离心惯性力，简称离心力，盘状转子，转子是以角速度作匀速转动，则转子体内任一质点都将产生离心力F，则离心力，这无数个离心力组成一个惯性力系作用在轴承上，形成转子对轴承的动压力，其大小则决定于转子质量的分布情况。如果转子的质量对转轴对称分布，则动压力为零，即各质量的离心力互相平衡。否则将产生动压力，尤其在高速旋转时动压力是很大的。因此，对旋转体特别是高速旋转体进行动平衡校正是必须的。3.2动平衡机的结构转子的不平衡问题，简单地说，就是由于转子的重心偏离了转子的旋转几何中心线。转子旋转时由此产生的离心
33、力随转子一起旋转，从而激发转子及转子的安装基础（如：轴承座、机座、机箱、车身等）产生振动。所以，也可以说：平衡机的主要功能就是检测转子重心对转子几何中心线的偏移量。平衡机是一种检测旋转体动平衡的检测设备。从结构上讲，主要是由机械振动系统、驱动系统和电气测量系统等三大部件组成。 机械振动系统主要功能是支承转子，并允许转子在旋转时产生有规则的振动。振动的物理量经传感器检测后转换成电信号送入测量系统进行处理。驱动系统的主要功能是驱动转子，使转子在额定的平衡转速下旋转。目前常见的驱动系统主要有万向联轴节驱动和圈带驱动。万向联轴节因本身结构中存在间隙和与工件安装时存在安装几何偏差，这些误差将直接影响工件
34、的平衡精度，在特大工件时和心轴安装时更为突出。因此，万向联轴节驱动主要用于普通的、平衡精度要求不是很高的卧式平衡机。 在圈带驱动中，由于传动带具有减振作用，能减少驱动马达的振动对转子的影响，且转子不需要在平衡机上作准备，也不需要附加连接件如螺栓、插销等转换固定装置，因此安装迅速。与万向节驱动相比，它不存在结构间隙及安装几何偏差，能大大的提高测量精度。 电气测量系统 是的主要功能是处理由传感器来的电信号，显示出转子不平衡量所处的位置和大小。它是平衡机中的关键部件，其好坏直接影响平衡机的性能。型测量系统是在吸收国内外平衡机顶尖技术的基础上和国内多所大中院校联系自行设计、开发的平衡机检测系统，工业计
35、算机（单片机）控制系统，采用台湾、日本、美国多种电子元件及芯片，用先进的技术制造，能保障系统高效率、高安全、长期稳定运行。3.3动平衡机的分类平衡机的种类很多，就其机械振动系统的工作状态分类，目前所见的不外乎两大类：硬支承平衡机和软支承平衡机。硬支承平衡机是指平衡转速远低于参振系统共振频率的平衡机。而软支承平衡机则是平衡转速远大于参振系统共振频率的平衡机。简单来说，硬支承平衡机的机械振动系统刚度大，外力不能使其自由摆动。软支承平衡机的机械振动系统刚度小，一般来说，外力可以使其自由摆动。平衡机从原理方面可以分为硬支承平衡机、软支承平衡机、半硬支承平衡机。硬支承平衡机是平衡转速远低于参振系统共振频
36、率的平衡机。平衡校验时，支承摆架相对处于“硬”状态，因此转子可以在接近实际轴承条件下进行平衡校正。具有操作简便、安全性能好的特点。 软支承平衡机是平衡转速大于参振系统共振频率的平衡机。平衡校验时，支承摆架相对处于“软”状态，因此转子校验平衡时。支承条件与实际轴承工作条件不同。具有测量精度高的特点。半硬支承平衡机是平衡转速在0.30.5倍参振系统共振频率之间的平衡机。同时具有有硬支承平衡机支承刚度高的特点，又有软支承平衡机精度高的优点。平衡机从应用方面分可分为立式平衡机和卧式平衡机；专用平衡机和通用平衡机 (含万向节传动平衡机)。卧式平衡机是被平衡转子的旋转轴在平衡机上呈水平状态的平衡机。适用于
37、有转轴或可装配工艺轴的转子，如机床主轴、滚筒、风机、增压器、电机转子、汽轮机等等。平衡机从应用方面分可分为立式平衡机和卧式平衡机；通用平衡机和专用平衡机。立式平衡机是被平衡转子的旋转轴在平衡机上呈垂直状态下的平衡机。适用于转子本身不具转轴的盘状工件如齿轮、风叶、水泵叶轮、汽车飞轮、皮带轮、砂轮等盘类零件。通用平衡机是指能对形状和支承形式比较规则的转子进行动平衡的平衡机。通用平衡机操作简单，效率也较高。专用平衡机是能对支承形式和外观与一般转子不同的转子进行平衡的平衡机，例如特别针对发动机的曲轴，汽车的传动轴进行设计的平衡机，功能专一。3.4动平衡机的工作原理平衡机是测量旋转物体(转子)不平衡量大
38、小和位置的机器。何转子在围绕其轴线旋转时，由于相对于轴线的质量分布不均匀而产生离心力。这种不平衡离心力作用在转子轴承上会引起振动，产生噪声和加速轴承磨损，以致严重影响产品的性能和寿命。电机转子、机床主轴、内燃机曲轴、汽轮机转子、陀螺转子和钟表摆轮等旋转零部件在制造过程中，都需要经过平衡才能平稳正常地运转。 根据平衡机测出的数据对转子的不平衡量进行校正，可改善转子相对于轴线的质量分布，使转子旋转时产生的振动或作用于轴承上的振动力减少到允许的范围之内。因此，平衡机是减小振动、改善性能和提高质量的必不可少的设备。通常，转子的平衡包括不平衡量的测量和校正两个步骤，平衡机主要用于不平衡量的测量，而不平衡
39、量的校正则往往借助于钻床、铣床和点焊机等其他辅助设备，或用手工方法完成。有些平衡机已将校正装置做成为平衡机的一个部分。把刚性回转体安装在动平衡机的弹性支承上，使回转体转动。根椐支承的不同情况，(通过回转体的周期性机械振动信号变为电感信号)测量出支承的振动和支反力。用分离解算电路，计算出回转体的不平衡量，再对回转体进行加重或去重，直至平衡量达到要求。图3-1动平衡工作原理图3.5动平衡机常用术语（1）不平衡量转子某平面上不平衡量的量值大小，不涉及不平衡的角度位置。它等于不平衡质量和其质心至转子轴线的乘积。不平衡量单位是g.mm或者g.cm，俗称“重径积”。（2）不平衡相位：转子某平面上的不平衡质
40、量相对于给定极坐标的角度值。（3）不平衡度：转子单位质量的不平衡量，单位是gmm/kg。在静不平衡时相当于转子的质量偏心距，单位为m。（4）初始不平衡量：平衡前转子上存在的不平衡量。（5）许用不平衡量：为保证旋转机械正常工作所允许的转子剩余不平衡量。该指标用不平衡度表示时，称为许用不平衡度（亦称许用不平衡率）。（6）剩余不平衡量：平衡校正后转子上的剩余不平衡量。（7）校正半径：校正平面上校正质量的质心到转子轴线的距离，一般用mm表示。（8）校正平面的干扰（相互影响）：在给定转子某一校正面上不平衡量的变化引起另一校正平面上平衡机指示值的改变（有时称为平面分离影响）（9）最小可达剩余不平衡量（）：
41、最小可达剩余不平衡量（）。单位是g.mm。其意义是指平衡机能使转子达到的剩余不平衡量的最小值。是衡量平衡机最高平衡能力的性能指标。当该指标用不平衡度表示时，称为最小可达剩余不平衡度。（单位g.mm/kg）（10）不平衡量减少率（）经过一次平衡校正所减少的不平衡量与初始不平衡量之比值。它是衡量平衡机效率的性能指标，以百分数表示：式中：初始不平衡量一次平衡校正后的剩余不平衡量（11）不平衡力偶干扰比单面平衡机抑止不平衡力偶影响的性能指标。转子单位质量的不平衡量，单位是g.mm/kg。在静不平衡时相当于转子的质量偏心距，单位为m。（12）校验转子为校验平衡机性能而设计的刚性转子。其质量、大小、尺寸均
42、有规定，分立式和卧式两种。立式转子质量为11、35、110 kg。卧式转子质量为5、1.6、50、160、500kg。3.6平衡机的一般工作条件（1）室内温度在535范围内； （2）相对湿度不超过85；（3）电源电压的波动量不应超过名义值的10；（4）安装紧固在稳固的基础上，安装水平度在0.2/1000以内；（5）平衡机周围无振动源干扰、无电磁辐射、无腐蚀性介质的车间场地。3.7平衡机选择的知识旋转机械的多样化，其产生的振动问题、噪声问题、机械寿命等的要求日益严格，必须针对不同的旋转工件选用适于各自特点的动平衡机，并进行相应的不平衡校正。选型的一般原则:第一步：选择动平衡机，应该先确定转子的平
43、衡等级。根据旋转工件的外形特征，选择卧式或立式动平衡机，参考前面动平衡机分类，当然，如果有特殊的要求，还可以按照实际需要设计制造。第二步：根据工件的大小选型，如工件的外径、长度和重量等特征参数，选择动平衡机型号，如5、16、50、160型等，数字表示工件最大质量，一般选定数字1/3到2/3动平衡效果较好，最大或最小值都可做，但不一定能满足工件的精度。平衡机的测量精度在微米的数量级以上，而工件的几何加工精度在1丝-10丝之间，也就是说在10微米100微米之间。从这个数量级的具体意义来看，转子的平衡精度主要决定于工艺轴的几何加工精度。下面就几何偏心引起的误差举个简单的例子：设：转子的质量公斤， 工
44、艺轴的加工跳动为5丝50微米 转子的校正半径为 250 毫米 那么，由工艺轴的跳动引起的不平衡质量 由此看来，5 丝的精度有如此大的影响，而 5 丝的保证已经有所不易，所以平衡工艺轴的加工一定要经过磨削工艺，这样才能保证平衡的最终精度目的。 3.8校准原理平衡机的校准包括三项内容系统不平衡量大小和相位的校准灵敏度的校准零点相位校准，首先是系统不平衡量大小和相位的校准。假设经过高精度平衡的校验转子不平衡量为零，当仅仅放上校验转子时，这时仍然有振动信号，分析可知振动信号是在系统不平衡矢量和校验转子不平衡矢量的合矢量转子中不平衡量的来源和表示方法。一个转子在设计上一般都使它相对于旋转轴线是轴对称的。
45、但是由于工艺上的一系列因素，最后装配完毕的转子总是不能做到动力上的完全轴对称，也就是存在一定的不平衡量。3.9动平衡机的技术革新由于挠性转子的广泛应用，人们研制出了挠性转子平衡机。这类平衡机必须在转子工作转速范围内进行无级调速；除能测量支承的振动或振动力外，还能测量转子的挠曲变形。挠性转子平衡机有时安装在真空防护室内，以适合汽轮机之类转子的平衡，它配备有抽真空系统、润滑系统、润滑油除气系统和数据处理用计算机系统等庞大的辅助设备。动平衡测试技术是随着旋转机械的制造和使用中提出来的。计算机的发展为虚拟仪器的应用提供了可能，用“软件代替硬件”的虚拟仪器实现了对动平衡量的测量，提高了测试精度同时降低了
46、成本。动平衡测试技术是旋转机械故障检测与诊断技术的一个重要分支，广泛应用于旋转机械中转子不平衡量的校正，已经成为转子动力学中重要的学科。据统计在所有旋转机械的故障中，约30%是由于转子的不平衡引起的，它是旋转机械中出现频率最高的故障之一。不平衡转子在支承上造成的动载荷，将会引起整个旋转机械的振动，产生噪音，加速轴承磨损，造成转子部分高频疲劳破坏和支承部分的部件强迫振动损坏，降低旋转机械的寿命，甚至使整个机器控制失灵，发生严重事故。因此对旋转机械系统中的转子进行动平衡， 可以极大地提高系统的安全性。虽然动平衡机的出现已有100多年的历史，但是动平衡机都存在平衡时精度不高，无形中延长了动平衡测试的
47、操作周期，提高了测试的费用，影响了生产的效率。计算机的发展为虚拟仪器提供了硬件支持，在虚拟技术的冲击下，测量仪器和测试技术发生了巨大变革。现代测试技术、计算机技术、电子技术、虚拟仪器技术等和动平衡技术相结合，研制以计算机为核心的虚拟动平衡测试系统，已成为今后发展的方向。用LabVIEW软件设计的测试系统完成对动平衡的测量和计算，提高测试精度的同时降低了生产的成本。虚拟动平衡测试系统整个动平衡测试系统是由刚性支承动平衡机、传感器、信号预处理、数据采集卡、计算机等五大部分组成。测量系统总体框图如图3-3所示。左、右两支承处的振动传感器将振动信号转变为电压信号，经隔直滤波和增益控制后输入到数据采集卡。同时由一小型联轴节与试验机车头主轴尾端相连的1个永磁小型基准讯号发电机发出与工件转速同频率的基准相位信号经过预处理后也输入到数据采集卡，数据采集卡中的A/D转换器将模拟量转变为数字信号送入虚拟仪器软件包进行分析处理、平衡解算，最后显示出不平衡量的大小和相位，据此来实现对转子的不平衡的校正。振动传感器隔直滤波增益控制基准信号传感器参考通道PC2003数据采集卡PC机虚拟仪器平台图3-3虚拟动平衡测试系统硬件结构框图