新型静偶分离摆架研究

　　双面立式动平衡机用于测量垂直安装的转子旋转时产生的不平衡量大小和相位，如导弹、卫星、空调风叶等需要在垂直方向进行动平衡测量的转子，在航空航天部门有广泛的应用前景[1 -4]。动平衡机通过弹性摆架将不平衡量产生的振动放大，以产生独立干净的不平衡量信号，普通立式动平衡机因为其摆架系统无法实现静偶有效分离，不能满足双面立式测量的实际需要，其在双面立式工作方式下，其测量精度低、平动信号和偶动信号互相影响、独立性差、上下面分离比不佳[5 -7]。静偶有效分离作为双面立式动平衡摆架的关键技术，是实现高精度测量的前提，但长期以来还未被很好的解决。传统立式动平衡机摆架一般采用簧板为弹性元件，要实现静偶分离，就要使簧板的扭转刚度与平动刚度在同一数量级上，但在结构设计上，簧板难以到达一要求[8 -11]。目前国内外双面立式动平衡机在不同程度存在静偶无法有效分离的问题，致使测量精度不高，制约了双面立式动平衡机的发展和应用。作者提出了一 种有效解决该问题的方法，从原理结构上实现了完全独立的平动运动与偶动运动，具有广泛的应用前景。

　　1 传统立式动平衡摆架静偶特性分析

　　图 1 为传统立式动平衡摆架结构，摆架由两平行簧板固定与机座上，摆架内装有主轴，工件置于主轴上端，当主轴以角速度 ω 绕 Z 轴旋转时，工件的静不平衡量 m1和偶不平衡量 mA 产生的离心惯性力将引起摆架系统的振动。整个摆架系统可视为 2个自由度的振动系统[12]。

　　根据刚体的力学原理，转子的振动分解为质心的平动和绕质心的转动。设振动系统质心为 O ，则当忽略系统阻尼时，得运动方程为:

式中，平动固有频率 摆动固有频率M 为摆架系统总质量，Iy为摆架系统绕轴Y 的转动惯量，K1为簧板的平动刚度，K2为簧板的扭转刚度，φ 为静不平量 m1与偶不平衡量 mA 之间的相位差。

　　如图 2 所示，对于双测量面有:

　　由于转子的运动是由随同质心的平动和绕质心的转动的合成，故转子上( 或者转子的延伸部分) 必有一点是不振动的，这个不振动的点称为动平衡系统的振动中心。传统的立式动平衡机的振动中心一般都在其轴线方向上，但离工件很远。如图 2 所示，虚线 2 为工件静不平衡质量产生的离心力引起主轴发生横偏的位置，线 3 为在静不平衡和偶不平衡量共同作用下，主轴发生倾斜后的位置，O2为工件主轴系统的振动中心位置。

　　设振动中心 O2到质心 O 的距离对于传统的硬支撑双面立式动平衡机，由于，所以扭转角 θ 很小，振动中心 O2离工件很远，直线 3 斜率较大。这就造成了式( 2) 中的第 1 项值非常大，当工件的不平衡量至系统质心的距离 h 变化时，检测支反力的两传感器的值变化不大，即 x1与 x2的值几乎没有变化，这说明传感器对于偶不平衡量变化反应不敏感。如果振动中心 O2的位置能够上移，则平面分离效果会大大改善。而且在忽略转子惯性力的条件下，硬支承动平衡机被简化为一个支座上的转子单自由度系统，即忽略了式( 2) 中的后 2 项，这种静力学的处理大大降低了问题的复杂性，但造成高达 10% ～50% 的误差，所以，传统的双面立式动平衡机的静偶分离效果差、精度不高[13]。