精密离心机动平衡测试新方法的研究精密离心机是国家重点工程项目，是标定加速度表的高精度的惯导测试设音，为了达到标定高精度加速度表的目的必须对主轴进行现场动平衡以防止动不平衡引起振动的振幅超出所标定加速度表要求的半径精度。精密离心机的主轴采用高刚度的闭式气体静压轴承，其转子属于硬支承条件下的刚性转子。精密离心机动平衡的精度远高于一般转子的动平衡精度，这给动平衡的测试带来困难，原设计采用二个测试面上的四个电容测微仪理论上电容测微仪的量程和分辨率能够满足要求，但由于电容测微仪的稳定性较差难以保证长期稳定工作决定采取一个保险措施，使用地脚测力传感器来测试精密离心机的动不平衡。从 1！- 5 中所介绍动平衡测试方法看来本文的测试方法属于动平衡领域的一个新方法。2 精密离心机动平衡系统 2.1 精密离心机动平衡系统*基金项目：“九五”国防重点预研项目资助，项目代号 9.5.1A966000-15 来稿日期 1999-08-23 修回日期 2000-1|0：18.第一李顺利男，1968 年生，博士生，助理研究员哈尔滨工业大学惯导中心研究方向：惯导测试设备研制。应用力学学报精密离心机动平衡系统由上下两个校正面上的八个动平衡执行机构、地脚测力传感器及测角元件中未画出粗成。精密离心机动平衡系统如圄 1，说明如下）m 表示整个转子的质量，m”表示整个转子的质心；”）在精密离心机机座下放置三个地脚的布在某一周上）用一个测力传感器代替其中一个地脚。地脚采用球和球窝滑动结构在球两侧的两个地脚螺钉把机座固连在地基上，以防止过大的不平衡及离心机突然刹车时，造成离心机倾倒的事故。2.2 坐标系的建立-xyz 是固定坐标系，0 点为地脚上两个球球心连线的中点，地脚上两个球球心的连线为 y 轴。上校正面坐标系i-工 131 之 1 和下校正面坐标系-是旋转坐标系。1 平衡块 2 下径向气体静压轴承 3 上径向气体静压轴承 4 轴向止推气体静压轴承 5 地脚测力传感器圄 1 精密离心机动平衡系统2.3 动平衡执行机构及测试系统如圄 2，每个动平衡执行机构由一个步进电机、一个丝杠、二个光杠和一个平衡块组成。步进电机的步距角 0”0.75丝杠的螺距 s 平衡块的质量 W”2kg，动平衡执行机构设置的最小平衡量 U 为精密离心机动平衡测试系统由测角元件和 1 光杠 2 平衡块 3 丝杠 4 步进电机一个地脚测力传感器组成。圄 2 动平衡执行机构测角元件由光敏元件和旋转变压器组成。在转子上建立一个靶标，由光敏元件输出角度零位，由和转子同时旋转的旋转变压器每转提供 3600 个脉冲）提供一个角度增量采用 1 分频，即可以达到 0.5 的精度。地脚测力传感器的量程为 49000N 分辨率为 10N，零点漂移 3 动不平衡在动平衡测试系统中的输出精密离心机采用闭式气体静压轴承其转子属于硬支承条件下的刚性转子。精密离心机转子上的动不平衡是由静不平衡和偶不平衡组成的，静不平衡和偶不平衡在地脚测力传感器中都有输出，下面分别研究静不平衡和偶不平衡作用下地脚测力传感器的输出。3.1 静不平衡在动平衡测试系统中的输出由静不平衡时在转速下所产生的离心力为 m2 其对 y 轴的力矩为 m”2c4”）转子的重量为 m 其对 y 轴的力矩为 mgcos”t1a） ，测力传感器处的支反力李顺利等箱密离心机动平衡测试新方法的研究 h 对 y 轴的力矩为，因此地脚测力传感器输出一次谐波的表达式为 3.2 偶不平衡在动平衡测试系统中的输出只有偶不平衡作用下地脚测力传感器输出一次谐波的表达式为 33 动不平衡在动平衡测试系统中的输出动不平衡在地脚测力传感器中的输出为静不平衡和偶不平衡造成一次谐波的和，即 4静、偶不平衡的分离从式）知，使用地脚测力传感器进行动平衡时，按照一般的方法难以进行静、偶不平衡的分离。但式）有其特殊性，即当！=0 时式）变为可根据式 4）对精密离心机的静、偶不平衡在双校正面上进行分离。4.1 静态测试静不平衡静态曲主轴大电机驱动在最低转速，每5测力传感器的分辨率为 10N 当 p0 =10N 雁据已知 R=i.2m 转子的偏心距为从上述分析知，当转子的偏心距 e！40Mm 其造成的支反力通过地脚测力传感器能够测得当转子的偏心距 e40Mm 其造成的支反力通过地脚测力传感器不能够测得这时需要移动任意一个动平衡执行机构上的平衡块人为设置一个不平衡使转子的偏心距 e！40Mm.通过地脚测力传感器测得支反力及静不平衡的相位雁据式*）求得转子的偏心距。测得转子的偏心距，也就等于测得转子的静不平衡。按式 6）移动上下校正面上的平衡块小静不平衡。一 42 动态测试偶不平衡静态测试得到的静不平衡按式 6）减小后当离心机以某一转速旋转时动态测试测得不应用力学学平衡造成的一次谐波，该一次谐波是残余静不平衡和偶不平衡造成一次谐波的矢量和。从动态测得的一次谐波中减去残余静不平衡造成的一次谐波，得到偶不平衡造成的一次谐波通过式！）可以求得转子上的偶不平衡胺式”）移动上下校正面上的平衡块减小偶不平衡。通过上述计算分析，使用地脚测力传感器作为动平衡测试仪器霜密离心机的动平衡精度能够达到静不平衡小于 0.12kgm，偶不平衡小于 0.lkgm2，并且只要在地脚测力传感器的灵敏域内通过式6）和”）可以使静不平衡远远小于 0.12kgm，偶不平衡远远小于0.1kgm.精密离心机为达到标定高精度加速度表的目的要求静不平衡小于 0.15kgm，偶不平衡小于 0.15kgm2 所要求的剩余不平衡造成的振幅非常小使用电容测微仪前国内最高分辨率为 0.002pm）测试主轴回转轴线的径向位移时，则难以测得所要求的剩余不平衡，而上述提供的方法能够测得。5 动平衡测试系统的动力学特性在精密离心机动平衡系统中使用地脚测力传感器，相当于在离心机结构中增加了一个弹性环节该弹性环节直接影响到离心机动力学特性，有必要对增加地脚测力传感器后离心机的一阶固有频率进行计算。地脚测力传感器的刚度=7.85x109Nm，在不平衡作用下共输出的最大的支反力不包括机座和转子的质量）为离心机机座绕轴的最大倾斜角为地脚测力传感器的支反力作用在机座上的最大力矩为）代入式 10）得精密离心机动平衡测试系统绕轴的一阶固有频率为） ，计算得 f=140Hz 离心机的最高转速为 104 转/分（小于）离共振区很远，说明动平衡测试系统的动力学特性能够满足要求。李顺利等箱密离心机动平衡测试新方法的研究 6 测试算例由于精密离心机正处于研制中还无法进行实验观应用本文所介绍的方法对单轴气浮台进行测试实验转子质量为 90kg.与本文不同的是，传感器的量程为 1000N，移动平衡块是在指定坐标轴上加质量块其达到的动平衡精度要低于在精密离心机上进行实验的精度。实际测试实验中，分别测得静态和动态两点 0 和 90）地脚支反力通过计算得到静不平衡矢量和偶不平衡矢量（幅值及相角）测 I 试数据如表 1.表 1 地脚支反力测试数据及不平衡量计算值计配重前算配重后得计配重前算配重后得从表 1 知静不平衡的一次降低率为 1%53642=91.7%，偶不平衡的一次降低率为 1-0.1/.8=94%.需要说明的是，当单轴台以w=15.7rad/旋转时重前后测得的地脚支反力中都含有残余静不平衡的作用，当测得 W =0 配重后的偏心距及相位后继续配重按照静不平衡的一次降低率可预测到最终残余不平衡（此时地脚测力传感器已经测不到） ，即偏心距为 53 %53x91.7%=4.4！m.同样，预测残余偶不平衡可达到 1.0x10-3%1.0x94%=6x10/2 这一动平衡精度远高于 1中所介绍的典型刚性转子的平衡精度。由于测力传感器经过严格的标定测 I 试实验是在恒温的条件下，并且实验是在传感器开机两小时后开始进行的传感器的零点漂移、温漂、时漂、非线性及滞环等因素带来的测试误差可以忽略。7 结论在精密离心机上使用一个地脚测力传感器作为动平衡测试仪器。测试测得静不平衡，并通过动平衡执行机构来消除。在此基础上动态测试测得偶不平衡，并通过动平衡执行机构来消除。该方法简单、方便且大大地提高了转子的动平衡精度，解决了硬支承刚性转子达到动平衡高精度的难题。