光电式陀螺静平衡测试仪设计

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1、哈尔滨工业大学工学硕士学位论文第1章绪论1.1课题背景旋转机械广泛应用于电力、石化、冶金、航空、航天、机械制造等各部门，它们大部分属动机械，又属于工厂中的关键设备。大量的工程实践表明，旋转机械设备的过大振动将导致很多后果，它会产生噪声，降低工作效率，引起配合松动和元件断裂，从而导致事故发生。这类设备一旦事故停机，就会影响整个工厂的正常生产流程，带来巨大的经济损失和不良的社会影响。转子的不平衡是旋转机械的主要激振源，也是许多种自激振动的触发因素。因此，研究转子的不平衡问题，已经成为消除旋转机械振动问题的重要手段。转子的不平衡可分为两类：静不平衡和动不平衡。当转子（

2、回转件）的宽度与直径之比（宽径比）小于0.2时，其所有的质量都可以看作分布在垂直于轴线的同一个平面内。这种转子的不平衡是因为其质心位置不在回转轴线上，且不平衡现象在转子静止时就能显示出来，故称静不平衡。其平衡条件是：不平衡惯性力的矢量和为零，即∑pG=0（1-1）或表示为：mωGωG（1-2）0∑i2r+m2r=ibb消去ω得mGG（1-3）irmr+=0∑ibb其中，irmG叫做质径积（mass-radiusproduct），它相对的表示各个质量在imG为调整质量产生的质径积矢量。静同一转速下离心惯性力的大小和方向，brb平衡又称单面平衡。对于轴向尺寸较大的转

3、子（宽径比大与等于0.2），其质量就不能被认为分布在同一个平面内。这种转子的不平衡，除了存在静不平衡外，还会存在力偶的不平衡。如图1-1所示两个相同的偏心轮以相似的位置安装在轴o上，此时回转件的总质心S位于轴线，已达到静平衡。但是，这两个偏心轮回转时产生的惯性力F与F不在同一回转平面内，从而产生惯性力偶矩（Inertiamoment）1112M=Fl,将在轴中引起动压力。该回转件已静平衡，但未达到动平衡。这种不11平衡在转子运动的情况下才能完全显示出来，故称为动不平衡。对于动不平衡-1-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文的转子，必须选择两个垂直于轴线的平衡基面，并在

4、这两个面上加上（或减去）两个平衡质量，使转子所产生的惯性力矩和惯性力偶矩达到平衡，这种平Fi2S2Sr1r2S1Fi1l图1-1动不平衡示意图衡称为动平衡。动平衡为双面平衡。由此，动平衡的的条件是：(1)其惯性力的矢量和等于零，即∑pG=0；(2)其惯性力矩的矢量和叶等于零，即∑MG=0。针对静不平衡和动不平衡的特点，目前有静平衡机、动平衡机、现场平衡机等，分别用在不同的场合。平衡机是测量旋转物体(转子)不平衡量大小和位置的机器，可以反应出转子在围绕其轴线旋转时，由于相对于轴线的质量分布不均匀而产生离心力。这种不平衡离心力作用在转子轴承上会引起振动，产生噪声和加

5、速轴承磨损，以致严重影响产品的性能和寿命。电机转子、机床主轴、陀螺转子和钟表摆轮等旋转零部件在制造过程中，都需要经过平衡才能平稳正常地运转。平衡机[1]的问世大大地消除了由不平衡所造成的影响，进一步地推动了工业生产的发展。第一台动平衡机的出现迄今已有一百多年的历史，而动平衡技术的发展主要还是近六十年的事，它与科学技术的发展密切关联。直到二十世纪四十年代，几乎所有的平衡工序都在纯机械式的平衡设备上进行，一般用千分表观测振幅以估算不平衡量，利用机械系统谐振增加灵敏度和判断不平衡相位。同时，电子技术的发展也促进了平衡技术的大变革，到上世纪五十年代，90%以上的平衡设备

6、都利用了电子测量技术。我国对动平衡理论和装置的研制及新产品开发是从1958年开始的，当时华中工学院动平衡科研组研制成功国内第一台采用电子测量技术的DS-500型通用动平衡机。除此之外，还有相当数量-2-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文的诸如转速不太高，长径比较小的盘类回转件采用静平衡测量来满足机器的设计要求。在众多转子中，陀螺仪中的陀螺浮子有着特殊的地位。陀螺仪在惯性技术中作为惯性敏感器，不仅是运载体航行驾驶的重要仪表，也是运载体控制系统、惯性导航系统和惯性制导系统的核心部件，其工作寿命、性能指标、稳定可靠性等直接关系到惯性系统的控制精度和寿命。陀螺转子是陀螺仪的

7、心脏，其质量好坏、运行状况直接影响陀螺仪表的性能。理想情况下，根据力学静平衡原理，陀螺转子的质心与几何轴心共线，工作时转子绕自身轴转动，不会产生不平衡量。但实际的转子，由于加工材质不均匀、制造精度不高、结构不对称等原因，其质量中心与轴心有微小偏移，在绕自身轴转动的过程中，由于偏移的原因将产生不平衡力矩，这不仅会使陀螺仪运行不平稳，振动加大，降低工作性能，同时也会加速旋转零件的磨损，缩短工作寿命。随着我国航天技术的发展，对陀螺的寿命、精度和可靠性要求也越来越高，迫切需要一种高精度的陀螺转子静不平衡量测试方法，测量出不平衡力矩的大小和方向。根据平衡机测出的数据对转子

8、的不平衡量进行校正，以改