动不平衡及车轮动平衡机不平衡量的测量

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1、动 不 平 衡 及 车 轮 动 平 衡 机 不 平 衡 量 的 测 量刘 美 生 王 蛟 茹 姜 爱 军(中国测试技术研究院 ,成都 610021)摘要 本文叙述了高速旋转体客观存在的动不平衡现象 、 产生的原因 、 危害 、 平衡原理及消 除 的 方 法 ,并 着 重 在 动 不 平 衡量的数学表征和测量方法 、 车轮动平衡机的不平衡量及最小可达剩余不平衡量的测量等方面进行了探讨 。关键词 转子 车轮动平衡机 动不平衡量 最小可达剩余不平衡量 测量Dyna mic unbalance and mea surement of a mount of unbalancef or wheel dyn

2、a mic balancerAbstract : This paper has recounted the appearance 、 cause of occurrence 、 harm 、 principle of balance and method of clear up of dynamic unbalance which exists in a high speed rotative body. Especially. the mathematical express and measurement method of amount of dynamic unbalance and

3、the measurement of minimum achievable residual unbal2 ance and amount of dynamic unbalance of the wheel dynamic balancer are emphatically discussed.Key words :rotator ;wheel dynamic balancer ;amount of dynamic unbalance ;minimum achievable residual unbalance ;measurement1 动 不 平 衡 的 概 念飞 轮 、 转盘 、 风 扇

4、 、 离 合 器 等 一 些 高 速 旋 转 的 运 动 体 ,由于其材料品质 、 加工工艺和装配质量等 诸 方 面 的问题所致 ,必然会存在或多或少的不均匀的质 量 分 布 、偏离设计值的加工水平 、 不期望的装配间隙 等 等 ,从 而 造成旋转体 (机械转子 ) 的质心所在中心惯性主 轴 与 实际 的旋转中心所 代 表 的 转 动 轴 不 重 合 ,在 旋 转 时 就 有一 个离心力作用 于 转 动 轴 上 ,这 个 惯 性 离 心 力 幼 必 然 通过转轴作用到它的支承体 (轴承等 ) 上并由此 传 递 到 机体上 。 由于这 些 作 用 力 是 旋 转 力 系 ,所 以 机 体 上 任

5、何 部位受到的该 泪 作 用 力 都 将 是 一 种 交 变 负 荷 ,而 交 变 负荷的 存 在 必 然 引 起 机 体 振 动 。 由 此 可 见 ,旋 转 体的 支承轴承除了 承 受 正 常 的 工 作 载 荷 之 外 ,还 要 承 受 交 变的惯性离心 力 ,从 而 造 成 轴 承 过 度 摩 擦 磨 损 及 疲劳损坏 。 若交变离心力引发的振动频率与机体 的 固 有 频率相同或具有整数倍关系时将发生共振现象 而 产 生严重后果 。 我们称以上所述旋转体在旋转时由 于 其 中心惯性主轴与转动轴不重合而产生的惯性离心 力 的 失 衡 现象为 动 不 平 衡 ,否 则 为 动 平 衡 。

6、理 论 和 实 践 都 已 充分证明 ,旋转体动不平衡状况的危害是极 大 的 ,有 时 后果不堪设想 。 如这种交变的受迫振动 ,将使 轴 承 、 轴 瓦 、 轴 、 杆 、 齿轮等产生过大的磨损 ,最终导致其 完 全 破 坏 ,大 大 降 低 它 们 的 工 作 寿 命 ,若 产 生 共 振 ,可 能 发 生机 器损毁 、 甚至人身伤亡的大事故 ;不希望的 振 动 会 使能量被支承 结 构 所 吸 收 , 其 结 果 是 能 源 浪 费 、 效 能 降 低 ;振动在容易引起电气设备 、 机械装置产生 一 系 列 故障 的同时 ,与之 相 伴 的 是 影 响 人 们 身 体 健 康 的 噪 声

7、 污 染 ,等等 。 所以 ,对 于 旋 转 体 的 设 计 、 加 工 、 装 配 ,以 及 在 运行中 ,都要进行动平衡校正 ,使其实际的 动 不 平 衡 量 满足所规 定 的 允 许 量 限 。 因 此 ,动 平 衡 技 术 就 发 展 成 为一种专门技术 。 尤其是科学技术不断进 步 和 工 业飞 速发展的今天 ,各类机械转子的转速越 来 越 高 ,从 而 对转子的动平衡 性 能 的 要 求 也 越 来 越 苛 刻 ,动 平 衡 技 术已成为机械制 造 领 域 中 一 个 非 常 重 要 的 内 容 ,特 别 是汽车 、 机床 、 电机 、 发动机等制造行业更是如此 。我国的动平衡 技

8、 术 发 展 起 步 较 晚 ,尤 其 是 在 形 成一个规范的技术 体 系 方 面 进 展 较 慢 ,其 科 学 的 技 术 支 撑 和规范的 行 业 管 理 有 待 于 逐 步 完 善 。 尽 管 如 此 ,我 国 还是较为重 视 该 技 术 的 发 展 ,于 1984 年 发 布 了 “通 用 卧式平 衡 机 校 验 法 ”( GB4201 - 84) ,于 1988 年 等 效 采 用国际标准 ISO1940/ 1 - 1986 ( E) 并 结 合 我 国 实 际 情 况 制定 、 颁布了 关 于 动 平 衡 精 度 等 级 和 许 用 不 平 衡 量的国家技术标准 ( GB9239

9、 - 88) ,1995 年又在机械振动 、 平衡术语定义方面等效 采 用 了 国 际 标 准 ISO1925 :1990 而制定了国家标准 GB/ T6444 - 1995 。我 国动平衡机的生产起于 50 年 代 ,其 技 术 进 步 大3 致经历了 50 年代由真空管构成的 RC 带通滤波器的闪光 式动平衡机 、 60 年 代 以 晶 体 管 为 核 心 元 件 的 电 子 管 式 动平衡机 、 70 年代 由 集 成 电 路 取 而 代 之 的 瓦 特 表 式动 平衡机 、 80 年代基 于 数 字 电 路 的 电 子 解 算 电 路 动 平 衡机 。 从带通 滤 波 发 展 为 跟

10、踪 滤 波 ,计 算 机 技 术 和 数 字技术已广泛用于动平衡机的不平衡量测量和 系 统 控 制 。 随着平衡理 论 及 实 践 日 趋 成 熟 ,动 平 衡 机 的 制 造 水平已有了较大提高 。 新一代动平衡机研发所 追 求 的 目 标是将机械工 程 、 电 气 工 程 和 计 算 机 技 术 融 合 为 一体 ,从而构成 智 能 化 程 度 极 高 的 机 械 电 子 产 品 。 在 美 国 ,这类产品被称为 “信息驱动的机械系 统 ”,而 在 英 国 则 被称为贯穿产 品 设 计 、 制 造 加 工 和 运 行 全 过 程 的 机 械 + 电 子 学 + 智 能 计 算 机 的 有

11、机 集 成 系 统 。 可 以 预 见 ,在 不 远 的 将 来 ,对 那 些 高 度 智 能 化 的 动 平 衡 机 ,关于信息的采集 、 处理 、 传输和综合利用将渗透 于 从 动 平 衡机 的 设 计 、 制 造 、 运 行 、 维 修 直 至 报 废 等 整 个 全 寿 命 周期过程中 。2 动 不 平 衡 量 的 测 量 方 法211 不平衡程度最基础的表示方法根据国家标准 GB/ T6444 - 1995 的 定 义 ,动 不 平 衡 是旋转体的中心惯性主轴与旋转轴线既不平衡 又 不 相交的不平衡状态 ,即旋转体的质心与旋转中心 不 重 合 , 存 在一个距离 e ,称为偏心距 。

12、 正是这个偏心距 e 的存 在 导致了交变地 作 用 于 转 轴 上 的 离 心 力 的 产 生 ,并 进 而 引发一 系 列 的 不 平 衡 危 害 。 所 以 从 本 质 上 讲 ,旋 转 体 的总质量偏心距 e 的大小就是度 量 其 不 平 衡 程 度 的绝 对量值 , 它 既 与 旋 转 体 的 质 量 无 关 , 也 与 其 转 速 无 关 ,是旋转 体 的 不 平 衡 程 度 的 最 基 础 的 表 示 方 法 。 一 般 的 机 械 转 子 ( 旋 转 体 ) 的 偏 心 距 e 值 大 约 在 0 -100 m 范围内 。212 不平衡量的应用性表示方法尽 管偏心 距 e 是

13、旋 转 体 的 不 平 衡 程 度 的 绝 对 量 值 ,但要直接准确地测得 e 值是非常 困 难 的 ,必 须 寻 求 实用的数学表征和可行的测量方法 。若偏心距为 e (mm) 、 总质量为 M (g) 的 旋 转 体 以 角 速度 旋转 ,就会在转动轴上产生惯性离心力 f :图 1 配重去不平衡原理所产生的 离 心 力 相 等 。 这 样 , 就 可 以 通 过 配 重 ( 或 去 重 ) 的方法产生一个大小相等 、 方向相反的配 重 离 心 力 抵消原有的离心 力 ,从 而 使 该 旋 转 体 的 失 衡 现 象 被 去 除而达到平衡 。 (2) 式可约化为 :Me = mr (3)(

14、3) 式的左边 是 旋 转 体 的 总 质 量 M 与 偏 心 距 e 的乘 积 ,是 质 径 积 ( g. mm) ,而 它 又 可 以 用 右 边 的 任 意 两 个 变量 m 和 r 的 等 量 乘 积 代 替 ,这 为 旋 转 体 的 动 不 平 衡 的校正和其量值的测量带来了极大的方 便 。 所 以 通 常称质径积 M. e (或 mr) 为旋转体的不平衡量 ,即 :不平衡量 U = Me ( g . mm) = mr ( g . mm) (4)从 (3) 式和 (4) 式可以 看 出 ,由 于 总 质 量 M 是 已 知 的 常量 ,未知量仍是偏心距 e ,尽管 e 值很小 、 在

15、运转情况下 难 以准确测量 ,但它 可 通 过 两 个 任 意 变 量 m 和 r 放 大 了 若干倍而得到测量值 。 所以可 以 认 为 不 平 衡 量 U =Me (或 mr ) 实 际 上 是 不 平 衡 程 度 最 基 础 的 表 示 方 法偏心 距 e 的 一 种 数 学 变 型 。 在 国 家 标 准 GB/ T6444 - 1995 中也明确定义为 :不平衡量是转 子 某 平 面 上 不平衡的量值大小 ,不涉及不平衡的相 角 位 置 ,它 等 于不平衡质量与 其 质 心 至 轴 线 距 离 的 乘 积 ,不 平 衡 量的单位如 :g. mm 等 。 所以 ,质径积 Me (或 m

16、r) 就是不平 衡量的应用性表 示 ,在 旋 转 体 的 不 平 衡 量 测 量 与 校 正 中经常用到 。213 动不平衡测量的数学模型旋 转体在旋转时的动不平衡将使旋转中 心 线 上 的 任意一点都在振 动 平 面 内 的 规 定 方 向 上 来 回 摆 动 ,即转 轴产生与 转 速 同 频 率 的 一 定 幅 度 的 往 复 位 移 变 化 ,这可简化为单自 由 度 的 强 迫 振 动 ,而 强 迫 振 动 的 持 续 激 发力就是转动时所产生的惯性离心力在 这 个 规 定 方 向上的投影 :f cos t 。根据动力学理 论 ,该 受 迫 简 谐 振 动 的 运 动 微 分 方 程为 :f ( N ) = Me 2 (1)这个离心力是 我 们 不 希 望 出 现 的 ,所 以 要 想 方 设法把它去掉 。 我们 假 设 ,在 旋 载 体 质 心 0 点 的 反 方 向0 处加一个质量为 m (g) 的配重 ,距轴心 0 点为 r (mm) , 以 同样的角速度