在工程机械中,常常要对绕固定轴线转动的工件进行动态平衡的测量,即当刚体绕固定轴线转动时,为了使其转动时运行平稳和可靠,必须在设计时进行计算,加工后进行动平衡测量。以确定在每一微小截面上其单位薄片截面的质心是否确好在轴心上即转动轴轴线上。这样,工件在绕由各单位薄片质心组成的轴线转动时,就能使其转动平稳,受力均匀。
1 测量原理与方法[1,2]
绕固定轴线转动的刚体的质心与其组成材料的均匀性及形状和对称性有关。在机械设计中,将刚体中质点的相对位置在受力较小时看作固定不变。在设计绕固定轴线转动的簿片工件时,由于工程设计人员已经考虑到平衡问题,因此在对称性、配重作了充分的考虑。出现的失衡问题一般由材料的不均匀和加工误差所引起。
绕固定轴线转动的刚性簿片零件加工完后,为了使零件转动中更平稳可靠,减少噪声、震动和不平衡力所引起的应力,必须对轴类刚体进行动、静平衡测试。以确定其质心的偏心半径r和偏心质量Δm。现以质量分布在同一回转面内的刚性片类回转件为例进行分析测量。如图1所示:设1个轴向宽度很小的回转件,如叶轮、飞轮、砂轮和盘形凸轮等。其质量分布可以近似地认为在同一回转面内。因此,当该回转件等速转动时,这些由微小质量组成的惯性力表现为离心力,这些离心力在这一回转平面内构成汇交于回转中心的力系。若该受力系统不平衡时,该力系的合力就不等于零,而相当于在平衡力系上附加了一个半经为r不平衡质量Δm。如图1中的4。在实际中,往往由于材料的均匀性差异和加工误差,均可引起转动轴的静、动态不平衡。为了消除这种不平衡就必需在其相反的方向上附加一同质量Δm、距中心为r的附加质量,且质心与原质心相反,并在相应的位置进行失衡量的增重(或切除),以消除失衡问题。
在一绕固定轴线转动的刚性片类回转件上,假设片类回转工件上有一不平衡质量(偏心块Δm),其偏心半径为r。由于工件其质心并不在中心O上,而是有一偏心半径r和偏心质量是Δm,即相当于在质心O点的基础上,附加一个质量为Δm、距离质心O距离为r的附加量。由于合力不为零,绕着固定转轴线转动的回转件在转动时就产生震动和噪音。为了消除这些震动和噪音,就必须首先测量不平衡质量Δm和半径r。
为了解决这一问题。首先要测量片类回转工件绕固定转轴转动的质心和失衡量Δm和位置r。磁悬浮刚性片类回转件动态测量仪就是为解决这一问题设计的,如图2所示。
将待测刚体片类回转件安装在测量转轴上,并用磁悬浮轴承支撑,以减少刚体在转动中的摩擦力,使偏心位置测量的更精确。在磁悬浮轴承的左右方向(X方向)与压电传感器相联,这样,待测量工件转动中,由于偏心的位置在转动中不断变化,从而使磁悬浮轴承所受的压力(对轴的支承力)不断变化。测量时,先给转动刚体轴施加一个外力矩,使其在一定速度v1转动起来。
此时设偏心量Δm与偏心位置r,据
Δm所产生的偏心力为
当转速为v2,此时所施的附加力
则有:
由公式(1)和(2)可得Δm与r的值。(由于ΔF1、ΔF2、v1、v2已知)
为了使测量更加精确,减少摩擦对测量的影响。该测量装置采用磁悬浮轴承支撑。如图2所示。
两端都端采用了双磁悬浮支撑方式即轴与磁力轴承的支撑、磁力轴承与水平方向的平面磁悬浮支撑。从而使待测件在转动过程中能以最小的摩擦自由地转动,在水平方向上能随刚性轴不平衡的振动而左右移动,使由偏心引起的左右位移能更精确。当刚性待测量件随着转动轴左右振动时,在弹簧的压力下压电传感器产生电信号。这样,通过测量压电信号的大小就可以测量出待测量工件的水平位移量。从而测量出偏心质量、偏心半径及其位置。
由于采用磁悬浮轴承,在刚体轴静止于测量装置时,其由于重力的作用,此时若有偏心,其偏心质量将会自动处于最低位置(正下方)。
如图3所示:此时,刚性轴静止时Δm的质心的位置恰好地处于磁悬浮轴重力方向上。当刚性轴与片类回转工件以相同的转速转动时,在左右压电传感器每转过1周,在压电感器上输出了一个脉冲电压信号,同时产生一个压电电压脉冲,将压电电压信号经过电路变换后输入测试仪器,就可测出在转速为v1时的附加离心力ΔF1;同时在速度变为v2时,也可测出压电电压和输出的附加力ΔF2。这样,在测量装置转动的情况下,就可以测量出片类工件其动态的质心偏移量和偏移位置,当在外加力矩除去以后,刚体待测量工件将自由转动,由于采用磁悬浮结构,刚体最后必然使附加质量的质心正好处于重力垂下方的位置。过刚性待测工件转动轴的轴心作1条垂直线,则附加质量m的质心必在垂线的正下方,且距转轴中为r处,附加质量为Δm。此时,可在附加质量的反向增加同样的附加质量物,且其位置在距转轴中心的正上方r处,就可抵消其附加质量对待测量件的平衡、对称的影响。
测量时,先使刚体静止在磁悬浮轴承中,由于刚体本身质量,刚性轴处于图3的状态。左右压电晶体不受力,不产生压电电压,调节平衡电路,使输出电压为0,即静态电压为0。
当待测量片类回转工件以一定速度转动时,其磁悬浮轴承及压电传感器所受的力为附加质量在动态下产生的不平衡离心力,而作用在左右压电传感器的冲击力随转动的速度变化而变化,与刚性轴本身的质量无关,只与失衡量Δm成正比。且当质心转动到水平的位置时,对左(或右)的压电传感器的压力最大。
将压电传感器的电压输入到测量电路,通过测量压电电压就可测出相关的F1、F2,同时可测出r和Δm。将压电传感器来的电压,经电路变换和传感器标定输入显示器,通过单片机计算就可测量显示出片类回转件转动的失衡量和失衡位置。然后再进行机械处理。图4为压电传感器的电测量原理图。图4
由压电传感器来的压电电压经过放大、模数转换后,在测量显示器上就可显示出刚性回转件的失衡量和位置。
2 结论
这样测量的结果比用普通装置测量的结果更精确、快捷。其测量优点是能够进行动态测量,能够最大限度地消除由摩擦力产生的测量误差。是其他传统测量方法所无可比拟的。
参考文献:
[1] 李文彬.磁力应用工程[M].北京:兵器工业出版社,1991·
[2] 郑文纬.机械原理[M].北京:高等教育出版社,1996·
本文作者：曹美珍,高永全
