3-49  气浮式转子静平衡测量技术

陶继忠  汪法根

针对卫星等特殊产品，采用竖立方式进行静平衡测量与校正是产品装配质量检验的重要环节。通常采用的摆架硬支承测力式结构，虽然可以达到很高精度，但侧面临滚动球轴承的磨损会影响精度，皮带张力和电机转速的波动构成同频或近频干扰，转子质量的增加导致摆架结构日益复杂等问题。气体静压支承具备粘滞系数极低、摩擦力矩极小、环保、结构简单等优势，研究将气体静压支承方法应用于立式转子的静平衡测量，取得了令人满意的结果。

被测转子固定在球面工装上，后者作为气体静压球面轴承的一部分，而且经过校正其静不平衡量可以忽略。假定气体静压球面轴承球心的轴线与球面工装上的测量基准面相互垂直，理想情况下转子平稳悬浮，此时测量基准面处于水平位置。由于空气的粘滞系数极低，悬浮转子的倾覆力矩也极小，若转子存在静不平衡，则测量基准面将偏离水平位置。假定球面工装的静不平衡量经过校正后忽略不计。设转子上存在静不平衡量U_s，相隔90°的位移传感器测得的偏移分别为D₁和D₂，可以计算出偏移最大处的数值D和相位f。已知球面轴承球心至转子与球面工装合成的质心的距离h、位移传感器与转子轴线的距离d。取l=d/h，称之为位移比例系数，它将质心相对轴线的偏心量放大。已知转子与球面工装的总质量为M(g)，则转子的静不平衡量U_s的大小为：|U_s|=M×D/l。据此，研制了气浮式转子静平衡测量装置，开发了测量控制系统，并进行了实验验证。球面工装初始静不平衡量为0.151 g，相位为52°；经过校正，球面工装剩余静不平衡量为0.009 g，相位为97°，不平衡量减少率为94%。将转子固定在球面工装上，其初始静不平衡量的幅值为0.210 g，相位为42°；经过校正，转子剩余静不平衡量的幅值为0.012 g，相位为45°，最小可达剩余不平衡度e_max=0.8 g×mm/kg，不平衡量减少率为94%。

经过计算分析和实验验证可以得出：(1) 测量精度高。文中研制的气悬浮静平衡测量装置的最小可达剩余不平衡度小于0.8 g×mm/kg，不平衡量减少率大于90%。(2)无需校验转子标定。已知转子质量和轴向质心位置可以直接计算静不平衡量，而且与转子转速无关。(3)气体静压球面轴承支承稳定。设计独特的双环形缝球面节流器有效防止了“气锤”振动和气阻现象，而且球面内气压均匀分布。(4)位移比例系数选择要合理。综合考虑转子、气体静压轴承和球面工装等因素，以满足测量要求。(5)承载有限。受承载能力和刚度等的限制，气体静压支承适合于1 000 kg以内的中小型转子。对于大中型转子可以采用液体静压支承方式，而文中提出的测量方法同样适用。