文章作者 ：费尔德曼-瓦列里-达维多维奇
编辑和翻译：尼古拉-安德列耶维奇-谢尔科文科和 chatGPT
亲手平衡机器
目录
部门 | 页次 |
|---|---|
1.导言 | 3 |
2.平衡机（架）的类型及其设计特点 | 4 |
2.1.软轴承机器和支架 | 4 |
2.2.硬轴承机床 | 17 |
3.平衡机基本单元和机构的构造要求 | 26 |
3.1.轴承 | 26 |
3.2.平衡机的轴承单元 | 41 |
3.3.床架 | 56 |
3.4.平衡机的驱动 | 60 |
4.平衡机的测量系统 | 62 |
4.1.选择振动传感器 | 62 |
4.2.相位角传感器 | 69 |
4.3.处理振动传感器信号的特点 | 71 |
4.4.平衡机 "Balanset 2 "测量系统的功能方案 | 76 |
4.5.转子平衡所用校正砝码参数的计算 | 79 |
4.5.1.平衡双支撑转子的任务及其解决方法 | 80 |
4.5.2.多支架转子的动平衡方法 | 83 |
4.5.3.多支架转子平衡计算器 | 92 |
5.检查平衡机操作和精度的建议 | 93 |
5.1.检查机器的几何精度 | 93 |
5.2.检查机器的动态特性 | 101 |
5.3.检查测量系统的运行能力 | 103 |
5.4.根据 ISO 20076-2007 标准检查机器的精度特性 | 112 |
文学 | 119 |
附录 1：计算三根支撑轴平衡参数的算法 | 120 |
附录 2：计算四根支撑轴平衡参数的算法 | 130 |
附录 3：平衡计算器使用指南 | 146 |
1.导言 (为什么需要写这部作品？）
对 "Kinematics "有限责任公司生产的平衡装置的消费结构进行分析后发现，约有 30% 的平衡装置被购买用于平衡机和/或支架的固定测量和计算系统。可以确定我们设备的两类消费者（客户）。
第一类包括专门从事平衡机批量生产并对外销售的企业。这些企业聘用的高素质专家在设计、制造和操作各类平衡机方面具有深厚的知识和丰富的经验。在与这部分客户的互动中，我们所面临的挑战通常是如何将测量系统和软件与现有或新开发的机器相匹配，而不涉及机器的结构执行问题。
第二类是根据自己的需要开发和制造机器（支架）的消费者。这种方法主要是因为独立制造商希望降低自己的生产成本，在某些情况下，生产成本可以降低两到三倍或更多。这部分消费者通常缺乏制造机器的经验，在工作中通常依赖于常识、互联网信息和任何可用的类似物。
与他们的交流会产生许多问题，这些问题除了有关平衡机测量系统的补充信息外，还涉及到机器的结构执行、在地基上的安装方法、驱动装置的选择以及实现适当的平衡精度等一系列问题。
考虑到广大消费者对独立制造平衡机问题的浓厚兴趣，"Kinematics "有限责任公司的专家就最常见的问题编写了评论和建议汇编。
2.平衡机（架）的类型及其设计特点
平衡机是一种技术设备，设计用于消除转子的静态或动态不平衡，以达到各种目的。它包含一个将平衡转子加速到指定旋转频率的机构，以及一个专门的测量和计算系统，用于确定补偿转子不平衡所需的纠正砝码的质量和位置。
机器机械部分的结构通常包括一个床架，上面安装有支撑柱（轴承）。这些支柱用于安装已平衡的产品（转子），包括一个用于转子旋转的驱动装置。在平衡过程中，当产品旋转时，测量系统的传感器（其类型取决于机器的设计）会记录轴承中的振动或轴承上的力。
通过这种方式获得的数据可以确定补偿不平衡所需的校正砝码的质量和安装位置。
目前，最普遍的平衡机（台架）设计有两种类型：
2.1.软轴承机器和支架 软轴承平衡机（台架）的基本特征是具有相对灵活的支撑，支撑的基础是弹簧悬架、弹簧架、平面或圆柱形弹簧支撑等。这些支架的固有频率至少比安装在其上的平衡转子的旋转频率低 2-3 倍。图 2.1 所示为 DB-50 型机器的支座，它是柔性软支承结构的经典范例。
图 2.1.DB-50 型平衡机的支架。
如图 2.1 所示，活动架（滑块）2 通过条形弹簧 3 悬挂在支架的固定柱 1 上。在安装在支架上的转子不平衡所产生的离心力的影响下，滑架（滑块）2 可以相对于固定支柱 1 进行水平摆动，而这种摆动是通过振动传感器测量的。
该支架的结构设计可确保实现较低的转子振荡固有频率（约为 1-2 赫兹）。这样，转子就能在很宽的旋转频率范围内（从 200 RPM 开始）保持平衡。这一特点以及制造这种支架的相对简单性，使得这种设计对我们的许多客户很有吸引力，他们根据自己的需要制造各种用途的平衡机。
图 2.2.马哈奇卡拉 "聚合物有限公司 "制造的平衡机软轴承支架
图 2.2 是马哈奇卡拉 "聚合物有限公司 "为满足内部需求而制造的软轴承平衡机的照片，该平衡机的支架由悬挂弹簧制成。该机器用于平衡聚合物材料生产中使用的辊子。
图 2.3 照片中的平衡机配有类似的条形悬挂架，用于平衡专用工具。
图 2.4.a 和 2.4.b 展示了用于平衡传动轴的自制软轴承机器的照片，该机器的支架也是用条形悬挂弹簧制成的。
图 2.5 展示了为平衡涡轮增压器而设计的软轴承机器的照片，该机器的支架也悬挂在条形弹簧上。该机器为 A. Shahgunyan（圣彼得堡）私人使用，配备了 "Balanset 1 "测量系统。
根据制造商提供的信息（见图 2.6），该设备能够平衡残余不平衡度不超过 0.2 g*mm 的涡轮机。
图 2.3.用于平衡工具的软轴承机，带条形弹簧支撑悬架
图 2.4.a. 用于平衡传动轴的软轴承机（机器组装完毕）
图 2.4.b. 用于平衡传动轴的软轴承机，带悬挂在带状弹簧上的滑架支撑。 (带弹簧条悬挂装置的主轴支座）
图 2.5.A. Shahgunyan（圣彼得堡）制造的用于平衡带状弹簧支撑涡轮增压器的软轴承机
图 2.6.Balanset 1 "测量系统屏幕拷贝，显示 A. Shahgunyan 机器的涡轮转子平衡结果
除了上文讨论的经典版软轴承平衡机支架外，其他结构解决方案也得到了广泛应用。
图 2.7 和 2.8 展示了传动轴平衡机的照片，这些平衡机的支架是用平（板）弹簧制成的。这些机器分别为私营企业 "德尔加切娃 "和 "塔特卡丹 "有限责任公司（"Kinetics-M"）的专有需求而制造。
由于这种软轴承平衡机相对简单，易于制造，业余制造商经常仿制这种机器。这些原型机通常是 "K. Schenck "的 VBRF 系列机器或类似的国产机器。
图 2.7 和 2.8 所示的机器是为平衡双支撑、三支撑和四支撑传动轴而设计的。它们具有类似的结构，包括
图 2.7.私营企业 "Dergacheva "生产的用于平衡传动轴的软轴承机，带平板（板式）弹簧支座
图 2.8.Tatcardan" （"Kinetics-M"）有限责任公司生产的用于平衡传动轴的软轴承机，带扁平弹簧支架
振动传感器 8 安装在所有支架上，用于测量支架的横向摆动。安装在支座 2 上的主轴 5 由电机通过皮带驱动旋转。
图 2.9.a 和 2.9.b 展示了平衡机支架的照片，该支架以扁平弹簧为基础。
图 2.9.带扁平弹簧的软轴承平衡机支架
鉴于业余制造商在设计中经常使用这种支架，因此有必要对其结构特点进行更详细的研究。如图 2.9.a 所示，这种支架由三个主要部件组成：
为了防止在平衡转子加速或减速时可能出现的运行过程中支架振动加剧的风险，支架可包括一个锁定机构（见图 2.9.b）。该装置包括一个刚性支架 5，可通过一个偏心锁 6 与支架的一个扁平弹簧连接。当锁 6 和支架 5 啮合时，支架被锁定，消除了加速和减速时振动加剧的风险。
在设计平板弹簧支架时，机器制造商必须评估其自然振荡频率，该频率取决于弹簧的刚度和平衡转子的质量。了解了这一参数，设计人员就可以有意识地选择转子的工作旋转频率范围，避免在平衡过程中支撑件产生共振振动的危险。
第 3 节讨论了关于计算和实验确定支撑件以及平衡机其他部件的自然振荡频率的建议。
如前所述，使用平板弹簧的支撑设计的简易性和可制造性吸引了平衡机的业余开发者，包括用于平衡曲轴、汽车涡轮增压器转子等的平衡机。
例如，图 2.10.a 和 2.10.b 展示了为平衡涡轮增压器转子而设计的机器的全景草图。这台机器由奔萨的 "SuraTurbo "有限责任公司制造并用于内部需求。
2.10.a. 用于平衡涡轮增压器转子的机器（侧视图）
2.10.b. 用于平衡涡轮增压器转子的机器（从前端支撑侧看）
除了前面讨论过的软轴承平衡机外，有时也会制造相对简单的软轴承支架。这些支架能以最低的成本为各种用途的旋转机构提供高质量的平衡。
下面介绍几种此类支架，它们都是以安装在圆柱形压缩弹簧上的平板（或框架）为基础建造的。这些弹簧的选择通常是，安装有平衡机构的平板的固有振动频率比平衡时该机构转子的旋转频率低 2 到 3 倍。
图 2.11 显示的是 P. Asharin 为内部生产制造的砂轮平衡支架的照片。
图 2.11.用于平衡砂轮的支架
展台由以下主要部分组成：
该支架的一个主要特点是配备了一个脉冲传感器 5，用于测量电动马达转子的旋转角度，该传感器是支架测量系统（"Balanset 2C"）的一部分，用于确定从砂轮上移除矫正质量的角度位置。
图 2.12 显示的是用于平衡真空泵的支架照片。该支架由 JSC "Measurement Plant "根据订单开发。
图 2.12.测量设备 "股份公司平衡真空泵的支架
该展台的基础还采用了 图版 1安装在圆柱形弹簧 2 上。在板 1 上安装了一个真空泵 3，它有自己的电力驱动装置，转速范围从 0 到 60,000 转/分钟。振动传感器 4 安装在泵壳上，用于测量两个不同高度部分的振动。
为了使振动测量过程与泵转子的旋转角度同步，支架上使用了激光相位角传感器 5。尽管这种支架的外部结构看似简单，但却能实现泵叶轮的高质量平衡。
例如，在次临界旋转频率下，泵转子的残余不平衡度符合 ISO 1940-1-2007 "振动 "规定的平衡质量等级 G0.16 的要求。刚性转子平衡质量要求。第 1 部分。允许不平衡度的确定"。
在转速高达 8000 转/分的情况下进行平衡时，泵壳的残余振动不超过 0.01 毫米/秒。
根据上述方案制造的平衡支架也能有效地平衡风扇等其他机械装置。图 2.13 和 2.14 显示了为平衡风扇而设计的支架示例。
图 2.13.用于平衡风扇叶轮的支架
在这种支架上实现的风机平衡质量相当高。据 "Atlant-project "有限责任公司的专家称，在他们根据 "Kinematics "有限责任公司的建议设计的支架上（见图 2.14），风机平衡时达到的残余振动水平为 0.8 毫米/秒。这比 ISO 31350-2007 "振动。工业风扇。对产生的振动和平衡质量的要求"。
图 2.14.用于平衡防爆设备风扇叶轮的支架，"Atlant-project "有限责任公司，波多尔斯克
利桑风机厂 "股份公司获得的类似数据显示，这种用于批量生产管道风机的支架始终能确保残余振动不超过 0.1 毫米/秒。
2.2.硬轴承机械。
硬轴承平衡机与前面讨论过的软轴承平衡机的不同之处在于其支架的设计。它们的支架是由带有复杂槽口（切口）的刚性板制成的。这些支架的自然频率大大超过（至少 2-3 倍）在机器上平衡的转子的最大旋转频率。
硬轴平衡机比软轴平衡机用途更广，因为硬轴平衡机可以在更大的质量和尺寸范围内对转子进行高质量的平衡。这些机器的一个重要优势是可以在相对较低的转速（200-500 RPM 或更低）下对转子进行高精度平衡。
图 2.15 所示为 "K. Schenk "公司生产的典型硬轴承平衡机的照片。从图中可以看出，由错综复杂的槽形成的支架的各个部分具有不同的刚度。在转子不平衡力的影响下，这会导致支座的某些部分相对于其他部分发生变形（位移）。(在图 2.15 中，支座较硬的部分用红色虚线标出，相对较软的部分用蓝色标出）。
为了测量上述相对变形，硬轴承机床可以使用力传感器或各种类型的高灵敏度振动传感器，包括非接触式振动位移传感器。
图 2.15. K. Schenk 制造的硬轴承平衡机
从客户对 "Balanset "系列仪器的需求分析中可以看出，客户对生产自用硬轴承机器的兴趣在不断增加。这得益于有关国产平衡机设计特点的广告信息的广泛传播，业余制造商将其作为自己开发产品的样机（或原型）。
让我们来看看为满足 "Balanset "系列乐器众多消费者的内部需求而制造的硬轴承机床的一些变体。
图 2.16.a - 2.16.d 图 2.16.a 展示了 N. Obyedkov（马格尼托哥尔斯克市）制造的用于平衡传动轴的硬轴承机床的照片。如图 2.16.a 所示，机器由一个刚性框架 1 组成，框架上安装有支架 2（两个主轴和两个中间支架）。机床的主轴 3 由异步电动机 4 通过皮带传动旋转。频率控制器 6 用于控制电动机 4 的转速。机床配有 "Balanset 4 "测量和计算系统 5，其中包括一个测量单元、一台计算机、四个力传感器和一个相位角传感器（图 2.16.a 中未显示传感器）。
图 2.16.a. N. Obyedkov（马格尼托哥尔斯克）制造的用于平衡传动轴的硬轴承机
图 2.16.b 如前所述，主轴 3 由异步电动机 4 的皮带传动。该支架刚性安装在机架上。
图 2.16.b. 前（前）主轴支架。
图 2.16.c 图中是机器两个可移动中间支架之一的照片。该支架安装在滑轨 7 上，可沿机架导轨纵向移动。该支架包括一个特殊装置 8，用于安装和调整平衡传动轴中间轴承的高度。
图 2.16.c. 机器的中间活动支架
图 2.16.d 显示的是主轴后支撑（从动）的照片，与中间支撑一样，主轴后支撑可沿机床机架的导轨移动。
图 2.16.d. 后（驱动）主轴支架。
上面讨论的所有支架都是安装在平面基座上的垂直板。板上有 T 形槽（见图 2.16.d），将支架分为内侧部分 9（刚度较大）和外侧部分 10（刚度较小）。支架内部和外部的不同刚性可能会导致这些部分在平衡转子的不平衡力作用下产生相对变形。
力传感器通常用于测量自制机器支架的相对变形。如图 2.16.e 所示，力传感器 11 通过螺栓 12 被压在支座内部的侧表面上，螺栓 12 穿过支座外部的螺纹孔。
为确保螺栓 12 在力传感器 11 的整个平面上受力均匀，在螺栓 12 和传感器之间放置了一个平垫圈 13。
图 2.16.d. 力传感器在支架上的安装示例。
在机器运行过程中，来自平衡转子的不平衡力通过支撑装置（主轴或中间轴承）作用于支撑装置的外部，支撑装置开始以转子旋转的频率相对于其内部进行周期性移动（变形）。这就在传感器 11 上产生了与不平衡力成比例的可变力。受其影响，力传感器的输出端会产生与转子不平衡力大小成比例的电信号。
安装在所有支架上的力传感器发出的信号被输入机器的测量和计算系统，用于确定矫正砝码的参数。
图 2.17.a. 照片显示的是一台用于平衡 "螺杆 "轴的高度专业化硬轴承机器。这台机器是 "Ufatverdosplav "有限责任公司为内部使用而制造的。
如图所示，机器的旋转机构结构简化，由以下主要部件组成：
图 2.17.a. "Ufatverdosplav" LLC 制造的用于平衡螺杆轴的硬轴承机
机器的支架 2 是垂直安装的钢板，带有 T 形槽。每个支架的顶部都有使用滚动轴承制造的支撑辊，平衡轴 5 在支撑辊上旋转。
为了测量在转子不平衡作用下支架的变形，使用了安装在支架槽中的力传感器 6（见图 2.17.b）。这些传感器与 "Balanset 1 "装置相连，该装置在该机器上用作测量和计算系统。
如图 2.17.a 所示，螺杆具有复杂的螺旋表面。
据 "Ufatverdosplav "有限责任公司称，在平衡过程中，螺杆的初始不平衡减少了近 50 倍。
图 2.17.b. 用于平衡带力传感器螺杆轴的硬轴承机床支架
达到的残余不平衡度为 3552 g毫米（半径为 185 毫米时为 19.2 克），螺杆第一平面为 2220 克毫米（半径 185 毫米时为 12.0 克）。对于重量为 500 千克、转速为 3500 转/分的转子而言，这一不平衡度符合 ISO 1940-1-2007 标准中的 G6.3 等级，满足其技术文件中规定的要求。
S.V. 莫罗佐夫（S.V. Morozov）提出了一种独创的设计方案（见图 2.18），即使用一个底座同时为两台不同尺寸的硬轴承平衡机安装支架。这种技术方案的明显优点是可以最大限度地降低制造商的生产成本，其中包括
图 2.18.硬轴承平衡机（"串联式"），S.V. Morozov 制造