硬支承平衡机原理误差的消除及新型平衡机的构想

　　自上个世纪60年代硬支承动平衡机问世以来,由于其永久性标定的巨大优势,在越来越广泛的应用领域逐步取代了软支承平衡机。但硬支承平衡机存在着原理误差并且灵敏度较低。为了消除原理误差并提高测量灵敏度,我们必须基于新的工作原理设计出新一代动平衡机。根据其工作原理,我们暂将其称为高频比硬支承动平衡机。

　　1动平衡机发展的回顾

　　自上世纪初第一台动平衡机问世以来,从工作原理上进行粗略划分则可分为共振型平衡机、软支承平衡机和硬支承平衡机三代。最早期的平衡机是共振型平衡机,测量是在转子/支承摆架组成的振动系统的共振频率附近进行的。

　　由于振幅很大,当时的机械型测量仪表就可测量,用试错(try and error)法进行平衡。由于共振区振幅对转速及系统阻尼非常敏感,所以平衡过程复杂,精度低,效率差。

　　在共振频率以上远离共振区处,振幅虽然较共振区明显减小,但它近似等于转子的偏心距,是转子不平衡的直观指示。软支承平衡机就工作在这个区域。电动式传感器问世实现了振动的电子测量。具有平面分离功能的电子电路的出现,使得测量结果可直接给出不平衡量而不再仅为振动量。至今仍有许多软支承平衡机工作着,而且在某些领域具有独特的优势。

　　在上个世纪60年代,由于电子测量技术的迅猛发展,十分微小的振动量和较差的信噪比的信号也可进行满意的测量。基于此技术条件硬支承平衡机诞生了。它工作在远离共振频率的亚共振区,振幅非常小。在这个区域振幅近似正比于转子不平衡的离心力,在满足一定精度要求的条件下可直接将其乘以标定系数得出离心力,并可按静力平衡原理进行平面分离。这样硬支承平衡机就具备了永久性标定的优势。平衡每个转子时不必再像软支承平衡机那样需要首先进行几次标定运转,因此操作简单,通用性强。硬支承平衡机已在诸多领域取代了软支承平衡机,成为当今普遍应用的主要机型。近10多年来计算机技术已在平衡机上得到应用,但基本上是仅增加了一些附加功能和提高了操作方便性,从平衡机工作原理上讲,并未发生革命性变革。

　　2硬支承平衡机的原理误差

　　刚性转子支承在平衡机两摆架上形成一个二自由度振动系统。但为简化问题,我们以单自由度系统模型来讨论。图1为无阻尼单自由度系统幅频特性响应曲线。横轴为角频率ω,也即转子的角速度。纵轴为转子不平衡量所产生的离心力F和振动幅值X。其中离心力F为角频率ω的二次函数。

式中m为转子质量,e为质量偏心距,而设U=me为转子的不平衡量。