CN110082032A - 一种转子静平衡测量与装调的装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明的提供了一种转子静平衡测量与装调装置，包括安装定位机构、移动定位机构、振动扭摆机构、激励机构；安装定位机构包括标准力矩杠杆，标准力矩杠杆与固定的转子转轴固定连接；移动定位机构包括两组传动机构；振动扭摆机构包括左移动板和右移动板，左移动板和右移动板分别与相应的传动机构连接且在传动机构的驱动下做直线运动，左移动板和右移动板之间设置标准力矩杠杆，标准力矩杠杆长轴方向两端分别通过弹簧与左移动板和右移动板连接；激励机构包括滚轮、凸轮、驱动装置，滚轮为带柄轴承且柄与标准力矩杠杆一端固定连接，凸轮下端通过转轴与驱动装置固定连接，凸轮上端面与滚轮接触。

Description

一种转子静平衡测量与装调的装置及方法
技术领域
本发明涉及一种专利测试与装调技术，特别是一种转子静平衡测量与装调的装置及方法。
背景技术
在国防和民用工业产品中，存在大量的转子类产品，该类产品在绕自身转轴转动过程中，受到摩擦阻尼和质量偏心的影响，导致其转动过程中受到摩擦力矩和平衡力矩的影响。转子的摩擦力矩对转子和产品的性能具有重要影响，若转子的摩擦阻尼过大，必然增大转子的驱动力矩，影响转子的灵活性、机动性、降低产品的传动效率；同时若同类型产品中转子的摩擦力矩不一致，必然对产品的驱动系统或伺服系统的运行带来困难，进而影响产品的性能。
在传统的转子类产品的装调过程中，通常根据装配工的装调经验进行装调，转子自身摩擦阻尼难以量化测量，对于转子自身的摩擦力矩难以实现定量定性的把控。如何尽可能的降低转子的摩擦力矩，提高转子的灵活性，保证转子装调的一致性，是转子类产品静平衡测试与装调中需要突破的技术难点。目前国内对于转子类产品的摩擦阻尼和摩擦力矩的测量与装调技术还处于起步阶段，大量的转子类产品静平衡装调还处于经验阶段，缺乏有效的技术手段实现对转子静平衡参数的测量，导致转子类产品的装配精度低，稳定性差，从而制约了转子的工作寿命。
发明内容
本发明的目的在于提供一种转子静平衡测量与装调的装置及方法，可以实现转子类产品摩擦力矩和不平衡力矩的有效测量。
实现本发明目的的装置技术方案为：一种转子静平衡测量与装调装置，包括安装定位机构、移动定位机构、振动扭摆机构、激励机构；安装定位机构包括标准力矩杠杆，标准力矩杠杆与固定的转子转轴固定连接；移动定位机构包括两组传动机构；振动扭摆机构包括左移动板和右移动板，左移动板和右移动板分别与相应的传动机构连接且在传动机构的驱动下做直线运动，左移动板和右移动板之间设置标准力矩杠杆，标准力矩杠杆长轴方向两端分别通过弹簧与左移动板和右移动板连接；激励机构包括滚轮、凸轮、驱动装置，滚轮为带柄轴承且柄与标准力矩杠杆一端固定连接，凸轮下端通过转轴与驱动装置固定连接，凸轮上端面与滚轮接触。
作为本发明装置的一种改进，还包括力矩测量机构，力矩测量机构包括滑台、传感器、传感器测力杆，滑台做面向或背向括标准力矩杠杆的运动，传感器设置于滑台上，传感器测力杆一端与传感器连接且另一端与标准力矩杠杆一端连接。
实现本发明目的的方法技术方案为：一种转子静平衡测量与装调的方法，包括以下步骤：
步骤1，驱动装置驱动凸轮转动，凸轮挤压滚轮驱动滚轮绕竖直转轴转动，滚轮带动标准力矩杠杆和转子转轴转动，为标准力矩杠杆和转子转轴提供一个确定的初始振幅；
步骤2，释放滚轮，转子和标准力矩杠杆在弹簧的作用下进行单自由度有阻尼的自由振动，记录振动次数，经过计算得到转子的摩擦阻力与扭摆次数之间的关系，以及摩擦力与摩擦阻尼比之间的关系。
作为本发明方法的一种改进，还包括步骤3，释放振动扭摆机构，将标准力矩杠杆上的弹簧取下，通过滑台的进给运动，实现传感器测力杆与标准力矩杠杆的相互作用，在滑台的进给过程中，标准力矩杠杆和转子绕转子轴线缓慢转动，通过测量作用在传感器上的作用力，获取转子摩擦力矩的测量。
本发明与现有技术相比，具有以下优点：(1)本发明实现对转子摩擦阻尼和摩擦力的自动量化精确测量；(2)本发明能够通过精确测量转子的扭摆振动次数，得到不同摩擦力矩状态下扭摆机构的振动次数，测试精度高，重复性好；(3)本发明通过测量转子的扭摆振动次数，得到摩擦力与扭摆次数关系的曲线图，形成工艺数据和工艺技术规范，指导转子的装调过程，实现了转子摩擦力矩的量化精确测量，有利于保障转子类产品装调的一致性。
下面结合说明书附图对本发明作进一步描述。
附图说明
图1是本发明转子静平衡测量与装调装置的结构示意图。
图2是图1的俯视图。
图3是图1的左视图。
图4是图1的轴测图。
图5是图1中安装定位机构的结构详图。
图6是图1中激励机构的结构详图。
图7是振动系统工作原理。
图8是F-N函数关系图，其中F为预紧力，N为摆动次数。
图9是F-ξ函数关系图，其中F为预紧力，ξ为阻尼比。
具体实施方式
结合图1至图4，一种转子静平衡测量与装调装置，包括安装定位机构1、移动定位机构3、振动扭摆机构2、激励机构4。安装定位机构1用于夹持定位转子，振动扭摆机构2用于使转子转轴产生绕垂直轴的扭摆运动，移动定位机构3用于定位振动扭摆机构2，激励机构4用于为振动扭摆机构2提供动力源，是转子能够在初始预紧载荷的作用下自由扭摆运动，力矩测量机构5用于测量转子的启动力矩，测试平台6用于承载安装定位机构1、振动扭摆机构2、移动定位机构3、激励机构4和力矩测量机构5。
结合图5，安装定位机构1包括安装定位座11，活动夹具12、标准力矩杠杆13，安装定位座11用于安装转子，实现对转子外壳的固定。在安装定位座11 上方安装有活动夹具12，活动夹具12的尺寸与待测转子外表面相配合，用以保障转子安装定位精度。活动夹具12可拆卸，当安装转子是用于辅助安装，当安装完毕后，拆卸，以避免对标准力矩杠杆13转动的阻碍。在待测转子12上方，设置有标准力矩杠杆13，标准力矩杠杆13不与安装定位座11，活动夹具12连接，标准力矩杠杆13与转子的转轴固定配合，两者在振动扭摆机构2的作用下自由振动，用于实现转子摩擦力的测量。
结合图2，扭摆振动机构2包括左移动板21、4个弹簧安装座22、4个弹簧 23、右移动板24、4个导向套25、4根导向轴26。左移动板21、右移动板24 相向设置，左移动板21长轴方向两端右侧(图2所示)各安装有一弹簧安装座 22，每个弹簧安装座22上各连接一弹簧23。右移动板24与左移动板21对称布置，右移动板24长轴方向两端左侧(图2所示)各安装有一弹簧安装座22，每个弹簧安装座22上各自连接一根弹簧23。弹簧23一端连接弹簧安装座22，另一端连接安装定位机构1中的标准力矩杠杠13。所示导向轴26前后平行排列，与左移动板21和有移动板24垂直，为了实现左移动板21和右移动板24的可靠平稳运动，在左移动板21和右移动板24上各安装固定有2个导向套25，导向轴26沿着导向套25的轴向运动，扭摆振动机构在外力作用下振动过程中，带动安装定位机构1中的标准力矩杠杆和转自转轴扭摆振动，实现对转子静平衡参数的测量与装调，
移动定位机构3为对称布置的结构，包括2套电机减速器31、左安装座32、左传动螺杆33、左传动螺母34、右传动螺母35、右传动螺杆36、右安装座37。传动螺母固定于扭摆振动机构2的左、右移动板上，传动螺杆穿过安装座和传动螺母，传动螺杆在电机驱动下转动，通过传动螺杆与传动螺母之间的配合关系，实现振动扭摆机构3中左右移动板的运动，
激励机构4包括滚轮41、凸轮42、转轴43、轴承44、轴承座45、驱动装置46。滚轮41为带柄轴承，滚轮41的柄安装在安装定位机构1的标准力矩杠杆13上。转轴43穿过轴承44和轴承座45，一端与凸轮42固定配合，另一端与驱动装置46固定配合。轴承座45固定于测试平台6上。轴承44安装在轴承座45的安装孔内，用于减小轴承与轴承座之间的摩擦，轴承座45安装固定在平台61上，驱动装置46由电机减速器构成，用于输出驱动力矩。
激励机构4工作过程中，由驱动装置46驱动转轴43转动，转轴43同时带动凸轮42转动，在凸轮42在转动过程中紧贴滚轮41，由于凸轮42与滚轮41 之间的挤压力，使标准力矩杠杆13绕其转动中心转动，给标准力矩杠杆13提供初始作用力，当凸轮转过一定角度后释放滚轮，凸轮与滚轮脱离，标准力矩杠杆 13在振动扭摆机构的作用下自由振动，通过测量标准力矩杠杆13的振动次数，可以获得待测转子的摩擦阻尼。
力矩测量机构5包括滑台51、传感器安装座52、传感器53、传感器测力杆 54。滑台51为标准工业产品，安装在平台61上，其移动部件在电机作用下可以缓慢进给运动.在滑台的移动部件上安装有传感器安装座52，传感器53安装在传感器安装座53上，为了实现传感器53与标准力矩杠杆的连接，在传感器53上安装有传感器测力杆54。当滑台51的移动部件在电机作用下缓慢进给的过程中，传感器测力杆54逐渐与标准力矩杠杆13接触并推动标准力矩杠杆转动，实现对转子摩擦力矩的测量。
测试平台6包括平台61、机架62和调水平地脚63，所述平台61用于承载装置所有的零部件，是装置的安装测试操作平台，机架62位于平台下方，通过螺栓与平台61固定，在机架下方安装有4个调水平地脚，用于保障装置平台的水平。
采用上述装置的一种转子静平衡测量与装调方法，包括准备工作、测试工作和收尾工作。
1、准备工作：
1.1、调整调水平地脚使平台达到水平；
1.2、启动移动定位机构中的驱动装置运动，通过传动螺杆使左右移动板向相靠近的方向移动确定的距离，松开振动扭摆机构，取下标准力矩杠杆；
1.3、安装转子，通过安装定位座11和活动夹具12实现待测转子的可靠定位，安装位置准确定位后将转子外壳体与安装定位座11相对固定，取下活动夹具12；
1.4、安装标准力矩杠杆13，安装好振动扭摆机构2，启动移动定位机构3 中的电机减速器31，通过传动螺杆使左右移动板反向移动，直到振动扭摆机构2 中的弹簧23达到预定的弹簧变形量，停止驱动装置，移动定位机构具有自动锁止功能，此时振动扭摆机构、转子与标准力矩杠杆构成一扭振系统
2、测试工作：
2.1、启动激励机构4中的驱动装置46，使凸轮42转动，通过凸轮42与滚轮41之间的挤压力使转子和标准力矩杠杆13绕转子中心转过特定角度，给扭振系统提供一个确定的初始振幅；
2.2、凸轮42继续转动释放滚轮43，转子和标准力矩杠杆13在振动扭摆机构2的作用下进行单自由度有阻尼的自由振动，通过光电传感器记录振动次数，经过计算得到转子的摩擦阻力与扭摆次数之间的关系图及摩擦力与摩擦阻尼比之间的关系图，用于形成工艺数据和工艺技术规范，直到转子的装调工艺，实现对转子装配摩擦力大小的控制；
2.3、为了进一步实现对转子摩擦力矩的测量，调整移动定位机构3，释放振动扭摆机构2，将标准力矩杠杆上13的4个弹簧取下，通过驱动滑台51的进给运动，实现传感器测力杆54与标准力矩杠杆13的相互作用，在滑台的进给过程中，标准力矩杠杆13和转子绕转子缓慢轴线转动，通过测量作用在传感器上的作用力，可以实现对转子摩擦力矩的测量。
(3)收尾工作：
测试完毕，拆下转子，振动扭摆机构和激励机构回到初始工作位置。
结合图9，本发明的测试原理详述如下：
1、测试原理：针对转子建立其等效模型，将转子转动过程等效为有阻尼振动模型，建立其振动运动微分方程，给出动值装调效果评价指标、静平衡启动力矩及评价值。
(1)等效模型
根据摩擦力Ff、转子的转动惯量J、转子的质量M之间的关系推导出转子阻尼系数c、阻尼比ξ、振动系统刚度K、J和M之间关系，并由此可以推导得到振动扭摆系统转动次数D与摩擦力Ff和ξ之间的关系。
(2)等效处理
将摩擦力Ff等效为一个等效粘性阻尼。等效原则是等效粘性阻尼与其他类型的阻尼在一个简谐振动周期内消耗的能量相等。摩擦力的变化将影响到自由振动次数的变化，从而可通过测量振动次数来定量确定预紧力大小。
(3)单自由度有阻尼振动模型
将被测转子振动过程中受到的结构摩擦力结构简化为单自由度有阻尼扭振系统。根据牛顿第二运动定律、运动微分方程和测试传感器，可以得到阻尼比、振动周期、振幅和振动次数等技术参数，通过这些技术参数来评价系统(在特定配合面光洁度的情况下)预紧力和摩擦阻尼的关系，给出预紧力与扭摆次数关系的曲线图、预紧力与摩擦阻尼比关系的曲线图，形成工艺数据和工艺技术规范，指导动密封装调工艺，实现对装配预紧力大小的控制。同时，通过记录振动次数来显示扭摆灵活度。
同时通过采用标准力矩杠杆，可以获得转子转轴与传感器之间的安装距离，通过滑台进给使传感器通过传感器传力杆与标准力矩杠杆接触，标准力矩杠杆转动在传感器进给过程中，将作用力传递到传感器上，由此实现将转子的摩擦力矩转换为传感器受到的载荷，由此实现摩擦力矩的测量。
2、摩擦力及摩擦阻尼计算方法
转子在有阻尼状态下振动微分方程：
其中，Jo为物体的转动惯量，Kt为弹簧常数，θ为物体的角位移，ξ为阻尼比，转子自身由于摩擦力引起的等效阻尼比ξ，由转子其转动部件与其固定部件之间的摩擦力引起，ωd为振动周期，Ct为转子的摩擦阻尼和弹簧的阻尼总体阻尼系数。
(1)在欠阻尼的情况下，转子的转动角度的表达式如下所示：
其中， 为振动过程初始相位角。
(2)在欠阻尼作用下阻尼比和振动次数的关系及摩擦力和振动次数的关系为：
其中，D为转子的转动次数，r为转子的摩擦力作用半径，ce为弹簧自身阻尼系数。由此可以通过测量转子的转动次数，确定同一类型的不同转子的装调后摩擦力是否一致，通过摩擦力矩测量机构对摩擦力矩的测量，可以得到摩擦力与扭摆次数关系的曲线图、摩擦力与摩擦阻尼比关系的曲线图。
3、摩擦力矩的计算方法：根据力矩测量机构在进给过程中作用在传感器上载荷的大小，得到载荷在进给过程中的变化曲线，其变化曲线为一初始迅速增大并快速保持稳定的曲线，其稳定后参数与力矩的乘积即为转子的摩擦力矩。
T＝FL＝Ffr
其中，F是传感器的载荷，L为传感器的力臂，Ff为转子的摩擦力，r为摩擦力力臂。

Claims (10)

1.一种转子静平衡测量与装调装置，其特征在于，包括安装定位机构(1)、移动定位机构(3)、振动扭摆机构(2)、激励机构(4)；其中
安装定位机构(1)包括标准力矩杠杆(13)，
标准力矩杠杆(13)与固定的转子转轴固定连接；
移动定位机构(2)包括两组传动机构；
振动扭摆机构(2)包括左移动板(21)和右移动板(24)，
左移动板(21)和右移动板(24)分别与相应的传动机构连接且在传动机构的驱动下做直线运动，
左移动板(21)和右移动板(24)之间设置标准力矩杠杆(13)，
标准力矩杠杆(13)长轴方向两端分别通过弹簧(23)与左移动板(21)和右移动板(24)连接；
激励机构(4)包括滚轮(41)、凸轮(42)、驱动装置(46)，
滚轮(41)为带柄轴承且柄与标准力矩杠杆(13)一端固定连接，
凸轮(42)下端通过转轴(42)与驱动装置(46)固定连接，
凸轮(42)上端面与滚轮(41)接触。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括力矩测量机构(5)，力矩测量机构(5)包括滑台(51)、传感器(53)、传感器测力杆(54)，
滑台(51)做面向或背向括标准力矩杠杆(13)的运动，
传感器(53)设置于滑台(51)上，
传感器测力杆(54)一端与传感器连接且另一端与标准力矩杠杆(13)一端连接。
3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，振动扭摆机构(2)还包括弹簧安装座(22)、导向轴(26)；其中
弹簧安装座(22)设置四个且分别位于左移动板(21)和右移动板(24)长轴方向两端侧壁上，
导向轴(26)穿过左移动板(21)和右移动板(24)的导向套(25)且导向轴(26)两端固定，
弹簧(23)一端固定于弹簧安装座(22)且另一端与标准力矩杠杆(13)抵压接触。
4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，移动定位机构(3)中每一组传动机构包括电机减速器(31)、传动螺杆、传动螺母；其中
电机减速器(31)旋转轴与传动螺杆固定连接，
传动螺母设置于左移动板(21)或右移动板(24)上，
传动螺杆与传动螺母螺纹配合。
5.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，激励机构(4)还包括转轴(43)、轴承(44)、轴承座(45)；其中
轴承座(45)固定，
轴承(44)设置于轴承座(45)上，
转轴(43)下端与驱动装置(46)转轴连接且上端穿过轴承(44)凸轮(42)下端固定连接。
6.一种根据权利要求1所述装置实现转子静平衡测量与装调的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，驱动装置(46)驱动凸轮(42)转动，凸轮(42)挤压滚轮(41)驱动滚轮(41)绕竖直转轴转动，滚轮(41)带动标准力矩杠杆(13)和转子转轴转动，为标准力矩杠杆(13)和转子转轴提供一个确定的初始振幅；
步骤2，释放滚轮(41)，转子和标准力矩杠杆(13)在弹簧(23)的作用下进行单自由度有阻尼的自由振动，记录振动次数，经过计算得到转子的摩擦阻力与扭摆次数之间的关系，以及摩擦力与摩擦阻尼比之间的关系。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，转子的摩擦阻力与扭摆次数之间的关系为
摩擦力与摩擦阻尼比之间的关系为
其中，
D为转子的扭摆次数，K为振动系统刚度，振动系统包括转子、标准力矩杠杆(13)、弹簧(23)，θ(t)为转子的转动角度，c为转子阻尼系数，ce为弹簧(23)自身阻尼系数，A为振动系统的振幅，Ff为转子的摩擦力，t为时间，ωd为有阻尼状态下的振动圆频率，ωn为自然振动圆频率，Kt为弹簧常数，Jo为转子的转动惯量，ξ为阻尼比。
8.一种根据权利要求2所述装置实现子静平衡测量与装调的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，驱动装置(46)驱动凸轮(42)转动，凸轮(42)挤压滚轮(41)驱动滚轮(41)绕竖直转轴转动，滚轮(41)带动标准力矩杠杆(13)和转子转轴转动，为标准力矩杠杆(13)和转子转轴提供一个确定的初始振幅；
步骤2，释放滚轮(41)，转子和标准力矩杠杆(13)在弹簧(23)的作用下进行单自由度有阻尼的自由振动，记录振动次数，经过计算得到转子的摩擦阻力与扭摆次数之间的关系，以及摩擦力与摩擦阻尼比之间的关系；
步骤3，释放振动扭摆机构(1)，将标准力矩杠杆(13)上的弹簧(23)取下，通过滑台(51)的进给运动，实现传感器测力杆(54)与标准力矩杠杆(13)的相互作用，在滑台(51)的进给过程中，标准力矩杠杆(13)和转子绕转子轴线缓慢转动，通过测量作用在传感器(53)上的作用力，获取转子摩擦力矩的测量。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，步骤2中，转子的摩擦阻力与扭摆次数之间的关系为
步骤2中，摩擦力与摩擦阻尼比之间的关系为
其中，
D为转子的扭摆次数，K为振动系统刚度，振动系统包括转子、标准力矩杠杆(13)、弹簧(23)，θ(t)为转子的转动角度，c为转子阻尼系数，ce为弹簧(23)自身阻尼系数，r为转子的摩擦力作用半径，A为振动系统的振幅，Ff为转子的摩擦力，t为时间，ωd为有阻尼状态下的振动圆频率，ωn为自然振动圆频率，Kt为弹簧常数，Jo为转子的转动惯量，ξ为阻尼比。
10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，步骤3中转子摩擦力矩为
T＝FL＝Ffr
其中，F是传感器的载荷，L为传感器的力臂，Ff为转子的摩擦力，r为摩擦力力臂。
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