精密旋转设备静、动平衡量测试方法研究

　　1 引言

　　精密气浮旋转设备中, 如果转动件各部分质量不对称, 在不平衡离心力作用下不仅会造成转轴圆跳动, 还会导致回转轴线产生偏转, 严重影响运行精度和平稳性。

　　在不平衡离心力和重力作用下转轴的变形可以忽略, 不平衡离心力所造成的振动频率与机械转速一致。根据测出振动响应, 求得不平衡量, 在失衡转子相应位置加( 或减) 配重, 使配重产生的离心力和原有不平衡量产生的离心力抵消, 这就是平衡过程。对精密旋转设备进行静、动平衡是满足工作要求的关键步骤之一。

　　本文针对常用的立式气浮主轴系统进行动、静平衡过程分析, 带有双轴台的主轴部件处于气浮轴承的内端, 如图 1 所示。为了使气浮主轴系统在工作过程中满足力矩平衡和力偶平衡, 需要选取两个校正平衡面, 其中气浮轴承作为旋转部件的支承。

　　2 气浮支承系统的静平衡分析

　　不平衡仅作用在质心所在的横截面上, 不平衡离心力偶为零。这时由偏心距引起的离心惯性力使轴承产生振动, 只需在平面内对称位置加上相等的质量, 转轴便能够实现平衡。这种情况属于静平衡过程。

　　在系统静平衡中, 三个地脚支架 A、B、C 采用力传感器作为不平衡量敏感元件, 若各转动部件和基座等固定件的总体质量为 W, 每个传感器的量程应大于 W/3。

　　假设传感器本身精度( 包括非线性、滞后、不重复性等) 为 0.05%, 同时考虑后续信号处理电路及驱动系统的精度, 测力系统的总精度为 0.1%, 则每只传感器能敏感的最小不平衡力为(W/3)×0.1%。由图2 得出测力系统所能敏感的最小支反力矩为(W·l/3)×0.1%。

　　装配过程中, 基于测力传感器的输出值比较相位和大小, 就可以通过在转轴上加平衡块的方法实现初步静平衡的目的, 最小能达到 (W·l/3)×0.1%的不平衡力矩。

　　由于角度呈轴对称分布, 所以只需在 XOZ 和YOZ 两个面进行静平衡就能够满足整个系统的静平衡要求, 两个面的耦合情况也需要考虑。图 3 为静平衡过程的力学分析。

　　假设原系统是平衡的:

　　式中: m1———被测对象质量;

　　S1———被测对象距离回转轴距离;

　　m2———对称块质量;

　　S2———对称块距离回转轴距离。

　　当被测对象的质量分布发生变化, 如质心外移距离 ΔS1时, 为保持轴系平衡需将对称质量块 m2增加 Δm2, 这时:

　　根据被测对象的质量分布, 就可以计算出调整质量 Δm2及位置 ΔS2, 从而在 XOZ 面内重新达到静平衡, YOZ 面内的平衡方法相同。