超微型转子动平衡测试机不平衡量提取

　　由于现代旋转机械转子转速的不断提高,作为直接影响旋转机械工作效率和可靠性的振动问题越来越突出,解决这一问题最有效的方法就是对其旋转部分进行高精度的平衡。特别是近年来,由于电子、信息、控制等其它领域技术的发展,各种动平衡机的研究开始了一个新阶段[1]。对超微型转子(质量小于10 g,直径小于4cm)的动平衡机[2]而言,测试系统的设计是至关重要的。离心式平衡机通常由驱动装置、桥架系统和电测箱三大部分组成。平衡机最重要的技术指标是最小剩余不平衡量和不平衡量减少率。

　　1　动平衡机转子振动力学模型

　　超微型转子(专用于汽车仪表)动平衡测试机结构见图1。由于微型转子是较薄的圆盘,轴承间距较大,平衡效果虽然与转子不平衡量的轴向分布有一定关系,但影响不大。同时,力偶不平衡对轴承的动压力影响也较小,只需进行单面平衡即可。图1c为转子支承系统振动简化力学模型。在不平衡量m1e的激励下,振动运动微分方程为

　　式(1)的稳态解为

　　由于m、k、c以及阻尼引起的相位滞后角ψ0是固定量,因此通过检测最大位移A0、模拟角频率Ω0以及θ0+ψ0,便可以确定不平衡量m1e及其相位θ0。在实际动平衡测试机中,由加速度传感器获得连续变化的振动信号,转速传感器测量转速Ω0,光电基准信号确定采样的起始时刻,从而间接获得不平衡量的大小和位置。

　　2　不平衡量信号采集及处理流程

　　除自驱动方式外,通用动平衡机都有驱动装置。驱动被测试转子高速旋转,转子有不平衡量,旋转时产生离心力,通过装在支架上的振动传感器转换为电信号。当不平衡量很小时,离心力很小,它所产生的电信号也很小;当不平衡量增大时,离心力增大,由振动所产生的电信号也相应增大。在理想情况下,由不平衡量引起振动,通过传感器转换后有用信号形式为A0sin[Ω0t - (θ0+ψ0)],其中A0与不平衡量成正比,θ0为不平衡量相角,去重机构根据A0的大小在位置θ0处进行相应去重,从而使转子动不平衡量减小。然而,当被测试转子高速旋转时,平衡机的驱动装置、传动装置、支承部件以及外部环境都会产生各种频率的振动,这些振动同样经传感器转换为各种频率的干扰电信号。通常干扰按频率分为同频干扰、高频干扰和低频干扰。

　　同频干扰主要是由于驱动主轴箱内的主轴存在较大不平衡量,旋转时产生同频振动。同频干扰与转子旋转频率相同,电测箱电路对此无能为力,只能通过改进机械系统结构、反复标定测试系统减少这种干扰。高频干扰主要有支承系统固有频率(300~400 Hz)振动干扰,如电机轴承润滑不良、疲劳损伤、滚轮外圆磨损、齿轮箱传动等引起及其它各种瞬态高频干扰。这种不平稳的高频干扰很大时,会大大降低平衡机测试精度。低频干扰的来源是由于外界的冲击振动,如去重机构去重引起的冲击,这种低频振动经传感器输出表现为干扰电信号。此外,电子电路静态工作点的温漂,也是一种低频干扰的来源。