CN204630693U - 大型旋转机械叶片静平衡装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种大型旋转机械叶片静平衡装置，克服现有静平衡装置存在调试麻烦、精度差的缺陷，提供一种方便准确快速的静平衡装置。包括电测箱，有一底座，底座的中间固定有支撑立柱，支撑立柱的上端连接有用于固定叶片的夹具，支撑立柱上位于夹具下面的部位对称地粘贴有四片特性相同的电阻应变片R₁、R₂、R₃、R₄，电阻应变片R₁、R₂、R₃、R₄的电阻值相等，四片电阻应变片R₁、R₂、R₃、R₄按桥形电路连接，桥形电路的一桥臂连接电源，另一桥臂为输出端，输出端与电测箱的输入端连接。本实用新型具有利用电测法自动快速测出叶片对于轴心的偏心力矩值，快速、准确地实现大型叶轮整体的静平衡以及避免损伤叶片的优点。

Description

大型旋转机械叶片静平衡装置

技术领域

本实用新型属于测试仪器技术领域，具体涉及一种测试及调整旋转机械的叶片静平衡装置，尤其是大型叶轮的叶片的静平衡。

背景技术

现有技术的机械设备对高速旋转的刚性回转部件，都必须进行静平衡，例如砂轮、叶轮、各类型转子等，以防止回转部件振动影响工作性能，防止产生疲劳损伤和噪声，延长轴承等零部件的寿命，确保运行安全。所谓转子的静平衡就是在转子上选定适当的校正平面，在其上加上适当的校正质量或质量组，使得转子的振动减少到某个允许值以下。例如使用单面校正去掉静不平衡量，首先要找出静不平衡量的大小和方向。对于砂轮一类的连续体构件，静平衡调整相对较简单，常见的是在砂轮的夹具体侧面沿周向设平衡槽，平衡槽中设奇数个平衡块就可以，这类调整，对于懂行的技工，不用两分钟就能保证完成。而对于非连续体构件，如水泵的叶轮，则无法应用沿周向设平衡槽的方法解决，叶轮的静平衡常用的方法是在叶轮的叶片上某些部位加重或减重的方法解决，俗称配重，但要知道在何处加或减，加多少减多少，首先就得找准叶轮的静不平衡量方位及其大小，尤其是对于大型叶轮，如此操作是存在很大的困难的，而且大型叶轮一般是转配式的结构，比不得小叶轮可以整体浇铸或注塑完成。 但是现有技术的找准叶轮静不平衡量的方法基本上都是采用传统的方法，即将转子或叶轮套在芯轴上再架在静平衡架上通过摆动法以找准，查阅相应的有关装置和经专利检索，也只是见到考虑芯轴结构的改进，更谈不上有大型叶轮如何静平衡的资料可供参考。

例如申请号为201320305678.1，名称为“水泵叶轮动平衡试验工装”的中国专利，公开一种叶轮直径超过2000mm以上的大型的水泵叶轮动平衡试验工装。其结构为，芯轴中间部位设有锥形台，芯轴锥形台装配在轴套里孔内，并通过键径向固定，轴套的两端设置轴向锁紧装置。这种装置并没有在静平衡方法上有所改进,只是将芯轴改为多用结构以利于节约，其测试方法依旧是摆动法，摆动法的不足在于操作调试麻烦、计算繁琐以及花费的时间较长，也难以适应于大型叶轮。

又如申请号为201110262941.9，名称为“水轮机转轮三支点称重式静平衡装置及静平衡工艺”的中国专利，公开了一种水轮机转轮三支点称重式静平衡装置,包括均匀设在转轮底部的三个压力传感器,所述三个压力传感器位于同一均布节圆上,所述任意相邻两个压力传感器之间的夹角为120度,所述三个压力传感器的均布节圆圆心位于转轮的中心线上,所述三个压力传感器支撑于一平衡座上,所述平衡座通过调整垫铁支撑于地面平台上,所述地面平台上还设有将转轮升起的同步顶升机构。该装置及方法的最大不足之处在于支承需要一定的面积，面积太小接触强度不够且易变形，面积大了又使测试精度不够。安装及调试操作不便，计算方法复杂，平衡周期较长。

实用新型内容

本实用新型需要解决的技术问题是，克服现有技术的静平衡装置存在的调试麻烦、花费时间多、计算繁琐、精度差的缺陷，并提供一种方便准确快速的大型旋转机械叶片静平衡装置。

本实用新型的目的是通过下述技术方案予以实现的：一种大型旋转机械叶片静平衡装置，包括电测箱，有一底座，底座的中间固定有支撑立柱，支撑立柱的上端连接有用于固定叶片的夹具，支撑立柱上位于夹具下面的部位对称地粘贴有四片特性相同的电阻应变片R₁、R₂、R₃、R₄，电阻应变片R₁、R₂、R₃、R₄的电阻值相等，四片电阻应变片R₁、R₂、R₃、R₄按桥形电路连接，桥形电路的一桥臂连接电源，另一桥臂为输出端，输出端与电测箱的输入端连接。

利用电阻应变片因为受到应力而产生的应变与电阻变化率dR/R成线性关系，以测量构件应变，电阻应变片R₁、R₂、R₃、R₄按规定的要求粘贴在支撑立柱的上端位于接近夹具的下面部位，并按桥形电路连接要求连接引线，然后将待平衡叶轮的叶片固定在夹具上，由于叶片通过夹具产生的偏心力对支撑立柱的弯矩作用，引起电阻应变片R₁、R₂、R₃、R₄的电阻值发生不同的变化，使桥形电路输出变化电压，该变化电压经电测箱检测、放大、运算以求得应变，进而得知应力，则可求得弯矩M，由此，再由电测箱自动得出叶片的偏心力矩值并在数值显示装置上显示。

优选方案，所述桥形电路的输出端电压为

V＝E(ΔR₁–ΔR₂+ΔR₃–ΔR₄)/4R

式中V——桥形电路的输出端电压  (V)；

E——桥形电路的电源电压        (V)；

R——电阻应变片R₁、R₂、R₃、R₄的电阻值     (Ω)；

ΔR₁、ΔR₂、ΔR₃、ΔR₄——分别为四片电阻应变片R₁、R₂、R₃、R₄相对应的电阻值变化量(Ω)。

所述支撑立柱为圆柱形结构，支撑立柱上端位于夹具下面的部位有对称的四处用于粘贴电阻应变片的平面。

优选方案，所述电阻值R＝R₁＝R₂＝R₃＝R₄＝120Ω。

优选方案，所述电源为恒压源。恒压源可视为内电阻近似等于零，如此则能够排除因回路电流变化引起端电压变化，保证测量精确度。

优选方案，所述固定叶片的夹具与叶轮的轮毂相同，其周边有连接并固定叶片的机构，所述机构包括叶片的定位和紧固的结构。

优选方案，所述夹具经静平衡，夹具静平衡的等级高于叶轮静平衡的等级。

优选方案，电测箱包括放大电路、微处理器以及数值显示装置，所述桥形电路的输出端连接放大电路的输入端，放大电路输出端与微处理器连接，微处理器的输出端连接数值显示装置；放大电路的输入端由高阻抗的射极输出器或源极输出器构成。

优选方案，叶轮的叶片装配为选配制，即根据叶片偏心的力矩值的测试结果，从若干已经测试的叶片中挑选力矩值相差小于一定值的叶片为一组零件进行装配。

优选方案，底座及支撑立柱的外面连接有轮壳。轮壳起保护作用。

本实用新型的有益效果是：

1、通过叶片对支撑立柱的弯矩转化为支撑立柱上的应变电阻片电阻变化，利用电测法自动快速测出叶片对于轴心的偏心力矩值，从而为装配后的叶轮静不平衡量达标打下可靠的基础；

2、夹具直接采用叶轮轮毂或模拟轮毂，实用性强；

3、夹具静平衡等级高于叶轮静平衡等级，消除工艺误差；

4、电阻应变片粘贴在支撑立柱的上端位于夹具的下面部位，灵敏度高；

5、电阻应变片的输出量不受环境温度变化干扰和影响；

6、自动测量、自动显示测量结果；

7、避免了常规的用摆动法求静不平衡量的方法费时以及计算的麻烦，尤其是静平衡大型叶轮。

附图说明

图1是本实用新型一种实施例的结构示意图；

图2是本实用新型实施例的原理示意图；

图3是桥形电路连接示意图；

图4是图2中A-A剖面示意图；

图5是另一个实施例的图2中A-A剖面示意图。

图中，电测箱1；桥形电路11；放大电路12；微处理器13；数值显示装置14；底座2；支撑立柱3；夹具4；电阻应变片5；叶片6；电源E；Ρ表示叶片6的质量力；χ表示叶片的质心与支撑立柱3的轴线之间的距离。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方案对本实用新型作进一步描述。

实施例1：

如图1所示，一种大型旋转机械叶片静平衡装置，包括电测箱1，有一底座2，底座2的中间固定有支撑立柱3，支撑立柱3的上端连接有用于固定叶片的 夹具4，支撑立柱3上位于夹具4下面的部位对称地粘贴有四片特性相同的电阻应变片5，即电阻应变片R₁、R₂、R₃、R₄，电阻应变片R₁、R₂、R₃、R₄的电阻值相等，四片电阻应变片R₁、R₂、R₃、R₄按桥形电路连接，桥形电路的一桥臂连接电源，另一桥臂为输出端，输出端与电测箱的输入端连接。

如图2所示，支撑立柱3固定在底座2上，夹具4和叶片6，Ρ表示叶片6的质量力，χ表示叶片的质心与支撑立柱3的轴线之间的距离。

将已经过静平衡的夹具4固定在支撑立柱3的上端，接着将叶片6固定在夹具4上。

桥形电路11的连接如图3所示。

利用电阻应变片受到应力所产生的应变与电阻变化率dR/R成线性关系，以测量构件应变，电阻应变片R₁、R₂、R₃、R₄按规定的对称要求粘贴在支撑立柱3的上端位于夹具4的下面部位，并按桥形电路连接要求连接引线，然后将待平衡叶轮的叶片6固定在夹具4上，由于叶片6通过夹具4产生的偏心力对支撑立柱3的弯矩作用，引起电阻应变片R₁、R₂、R₃、R₄的电阻值发生不同的变化，使桥形电路输出变化电压，该变化电压经电测箱1检测、放大、运算，可求得应变及应力，而应力

σ＝M/W   (Ρa)，

由此即可求得弯矩M，

M＝σ·W   (N·m)，

式中W＝bh²/6，

W——抗弯截面模量         (m³)；

b——支撑立柱截面宽度     (m)；

h——支撑立柱截面高度             (m)。

然后由电测箱1自动得出叶片的偏心力矩值并在数值显示装置上显示。

支撑立柱3的截面形状如图4所示。

桥形电路的输出端电压为

V＝E(ΔR₁–ΔR₂+ΔR₃–ΔR₄)/4R

式中V——桥形电路的输出端电压(V)；

E——桥形电路的电源电压(V)；

R——电阻应变片R₁、R₂、R₃、R₄的电阻值，且R₁＝R₂＝R₃＝R₄＝R＝120Ω；

ΔR₁、ΔR₂、ΔR₃、ΔR₄——分别为四片电阻应变片R₁、R₂、R₃、R₄相对应的电阻值变化量(Ω)。

选取R＝120Ω，可有利于综合考虑导线电阻、读数应变的修正、应变计灵敏系数的修正。

支撑立柱3为圆柱形结构，支撑立柱3上端位于夹具4下面的部位有对称的四处用于粘贴电阻应变片5的平面。

之所以将电阻应变片粘贴在支撑立柱3的上端接近夹具4下面的部位，其原理简述如下，将支撑立柱3视为底端固定的悬臂梁，悬臂梁的上端由于叶片偏心的不平衡量的作用而受到弯矩，在弯矩的作用下，悬臂梁的挠度设为y，对y求一次和二次导数并代入曲率公式，再取极值，可求得最大曲率处于悬臂梁的最上端，也即最上端处的曲率半径最小，或者说该处弯曲最厉害，因之，将电阻应变片粘贴在该处，有利于各应变片的应变差别最大，有利于提高测量灵敏度。

电阻应变片5的电阻值变化量ΔR₁、ΔR₂、ΔR₃、ΔR₄不仅包含了叶片静不平衡量对支撑立柱3作用的弯矩所产生的电阻值变化量，也包含了叶片6质量力通过对支撑立柱3的压力使电阻应变片所产生的电阻值变化量，以及包含了温度变化所产生的电阻值变化量。

设各片电阻应变片5通过支撑立柱3所受到的弯矩分别为ΔR_1m、ΔR_2m、ΔR_3m、ΔR_4m；所受到的压力分别为ΔR_1P、ΔR_2P、ΔR_3P、ΔR_4P；温度t对各片电阻应变片5引起的电阻增量分别为ΔR_1t、ΔR_2t、ΔR_3t、ΔR_4t。

其中ΔR_1P、ΔR_2P、ΔR_3P、ΔR_4P数值一样符号全部为负；ΔR_1t、ΔR_2t、ΔR_3t、ΔR_4t数值一样符号全部为正。

由此得：

ΔR₁＝ΔR_1m-ΔR_1P+ΔR1t

ΔR₂＝ΔR_2m-ΔR_2P+ΔR2t

ΔR₃＝ΔR_3m-ΔR_3P+ΔR3t

ΔR₄＝ΔR_4m-ΔR_4P+ΔR4t

所以，

V＝E(ΔR₁–ΔR₂+ΔR₃–ΔR₄)/4R

＝E(ΔR_1m–ΔR_2m+ΔR_3m–ΔR_4m)/4R

以上所述的电阻应变片5受到应力所产生的应变与电阻变化率成线性关系的原理，故可以通过叠加原理进行计算，以求得构件的应变，进而求得力矩值。夹具4及叶片6的质量力对芯轴支撑立柱3的压力所产生的四片电阻应变片5的电阻值变化量大小相同、符号相同，因此差值为零；环境温度变化所产生的四片电阻应变片5的电阻值变化量同样是大小相同、符号相同，因此差值也为 零；对四片电阻应变片的电阻值变化唯一作用并在数值显示装置上显示的只有夹具4和叶片6静不平衡量对支撑立柱3的弯矩所起到的作用。

所述电源E为恒压源。恒压源可视为内电阻近似等于零，如此则能够排除因回路电流变化引起端电压的变化，保证测量精确度。由于电源内电阻近似等于零，再加上与桥形电路输出端连接的放大电路的输入端一般都由高阻抗的射极输出器或源极输出器构成，因此可以将桥形电路的输出端视为断路，即只是仅仅输出电压而无电流输出，这样就使得转换桥形电路的计算，例如Δ—-Y的转换和化简大为简便。

所述固定叶片6的夹具4与叶轮的轮毂相同，其周边有连接并固定叶片6的机构，所述机构包括叶片6的定位和紧固的结构。

所述夹具4经过静平衡，夹具4静平衡的等级高于叶轮静平衡的等级，例如本实施例对一款通风机转子做静平衡试验，试验时应按刚性转子平衡精度等级取G 6.3级，同时选取夹具静平衡的等级为G 2.5级。

电测箱1包括放大电路12、微处理器13以及数值显示装置14，桥形电路11的输出端连接放大电路12的输入端，放大电路12输出端与微处理器13连接，微处理器13的输出端连接数值显示装置14。

叶轮的叶片6装配采用选配制，即根据叶片6偏心的力矩值的测试结果，从若干已经测试的叶片6中挑选力矩值相差小于一定值的叶片6为一组零件进行装配。此种装配方法还有两点优点，一是无需对叶片6采用减料或加料。省却了许多麻烦，因为减料或加料还得知道具体位置和准确的料重；二是经减料或加料后，叶片的表面状态变得不规整、强度受损、流体力学性能变劣，使叶轮的性能下降，甚至偏离设计标准。

底座2及支撑立柱3的外面连接有轮壳。轮壳起保护作用。

本实用新型通过实验验证，以下是一组实验数据。

一：试验项目

GB/T7190.1.2-2008玻璃纤维增强塑料冷却塔1.中小型冷却塔。2.大型冷却塔。

JB/T9101-2014.通风机转子平衡。风机应做静平衡试验，试验时应按刚性转子平衡精度等级取G6.3级。

G＝ωe/1000

式中：G为平衡品质等级  (mm/s)

e为转子偏心距          (μm)

ω为角速度，

ω＝2πn/60              (弧度)

n为风机转速。           (转/分)

二：试验辅助仪器

HW-500型硬支承平衡机电测箱、电子天称、试验砝码

三：试验数据：

本试验由仓库中任抽六片2400#的叶片，用应变式力矩仪测出叶片X方向及Y方向的力矩值(应变数据)

取表格中X、Y值相近的3#与6#两片叶片，固装于已平衡好的轮毂上，用动平衡机运行测试。测试结果为，距离R＝1170mm处2g，然后将3#与6#叶片对换180度，固装后再次测量，结果为1170mm处3g。

四：试验结论

2400#风机转速为408转/分，由6.3＝408e/1000得知，允许偏心距e＝154.41μm；

轮毂与叶片、轴的总质量为27.3Kg，而1170*3＝3510(g·mm)，1170*2＝2340(g·mm)；

因此，3g时e＝128.57μm，2g时e＝85.71μm；

故这一组叶片经力距仪测出的值用于风机上能满足G 6.3级的精度要求。

实施例2：

将实施例1中关于图2中A-A剖面改为正方形，四片电阻应变片分别对称地粘贴在正方形的四个侧面，而且宽度b与高度h相等，即b＝h,如图5所示，其余结构同实施例1。

本实用新型尤其适用于装配式叶片的大型叶轮的叶片静平衡，具有利用电测法自动快速测出叶片对于轴心的偏心力矩值，快速、准确地实现大型叶轮整体的静平衡以及避免损伤叶片的优点，本领域的技术人员如果对上述实用新型内容作简单的修改或替换，这样的改变不能认为是脱离本实用新型的范围，所有这样对所属领域的技术人员显而易见的修改将包括在本实用新型的权利要求 的范围之内。

Claims (9)

1.一种大型旋转机械叶片静平衡装置，包括电测箱，其特征是，有一底座，底座的中间固定有支撑立柱，支撑立柱的上端连接有用于固定叶片的夹具，支撑立柱上位于夹具下面的部位对称地粘贴有四片特性相同的电阻应变片R₁、R₂、R₃、R₄，电阻应变片R₁、R₂、R₃、R₄的电阻值相等，四片电阻应变片R₁、R₂、R₃、R₄按桥形电路连接，桥形电路的一桥臂连接电源，另一桥臂为输出端，输出端与电测箱的输入端连接。

2.根据权利要求1所述的大型旋转机械叶片静平衡装置，其特征是，所述桥形电路的输出端电压为

V＝E(ΔR₁–ΔR₂+ΔR₃–ΔR₄)/4R

式中V——桥形电路的输出端电压V；

E——桥形电路的电源电压V；

R——电阻应变片R₁、R₂、R₃、R₄的电阻值Ω；

ΔR₁、ΔR₂、ΔR₃、ΔR₄——分别为四片电阻应变片R₁、R₂、R₃、R₄相对应的电阻值变化量Ω。

3.根据权利要求2所述的大型旋转机械叶片静平衡装置，其特征是，所述电阻值R＝R₁＝R₂＝R₃＝R₄＝120Ω。

4.根据权利要求1或2所述的大型旋转机械叶片静平衡装置，其特征是，所述电源为恒压源。

5.根据权利要求4所述的大型旋转机械叶片静平衡装置，其特征是，所述固定叶片的夹具与叶轮的轮毂相同，其周边有连接并固定叶片的机构，所述机构包括叶片的定位和紧固的结构。

6.根据权利要求5所述的大型旋转机械叶片静平衡装置，其特征是，所述夹具经静平衡，夹具静平衡的等级高于叶轮静平衡的等级。

7.根据权利要求6所述的大型旋转机械叶片静平衡装置，其特征是，电测箱包括放大电路、微处理器以及数值显示装置，所述桥形电路的输出端连接放大电路的输入端，放大电路输出端与微处理器连接，微处理器的输出端连接数值显示装置；放大电路的输入端由高阻抗的射极输出器或源极输出器构成。

8.根据权利要求7所述的大型旋转机械叶片静平衡装置，其特征是，叶轮的叶片装配为选配制，即根据叶片偏心的力矩值的测试结果，从若干已经测试的叶片中挑选力矩值相差小于一定值的叶片为一组零件进行装配。

9.根据权利要求8所述的大型旋转机械叶片静平衡装置，其特征是，底座及支撑立柱的外面连接有轮壳。