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新型立式动平衡机的研制与工件动不平衡量的测量

作　者: 李顶根
导　师: 陈传尧
学　校: 华中科技大学
专　业: 工程力学
关键词: 立式动平衡机振动结构静不平衡量偶不平衡量模态分析动态仿真优化设计质量特性
分类号: TH877
类　型: 博士论文
年　份: 2004年
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内容摘要

本文依托于2002年度国家自然科学基金项目——“多自由度摆架模态分析与工件的动不平衡量测量(批准号为10176011)”。课题的中心任务是要研制出具有静偶分离特征的新型立式动平衡机的摆架结构,并实现在低转速下的高精度动不平衡量测量。为此,在摆架机械结构上进行创新设计,做到平动刚度与扭动刚度匹配、平动固有频率与扭动固有频率接近,并提高摆架系统的振动中心位置;在测量系统方面,改进电路设计、减小外界干扰和误差以提高测量精度。本文首先建立了一般立式动平衡机的数学模型。详细分析了立式动平衡机的振动特性;讨论了系统振动中心位置同工作频率的关系、系统静偶分离特性同工作频率的关系;阐明了传统的双面立式动平衡机静偶不平衡量分离不佳的主要原因。分析得出的各种立式动平衡机平动固有频率和扭动固有频率的取值要求,为后续新型立式动平衡机的研制打下了基础。为实现静不平衡和偶不平衡的有效分离,设计了HVB1-30、HMVB2、HVB3-30三种新的硬支承立式动平衡机摆架结构并对其振动结构进行了深入分析。由于新的摆架结构采用变截面结构,平动刚度与扭动刚度相匹配,且采用多只传感器相互垂直地布置于测量点处,这样新的动平衡机可以直接测量静不平衡和偶不平衡,两者相互影响极小。采用新摆架结构的动平衡机特别适合于飞行物体的惯性测量,且克服了传统的双面立式动平衡机长期以来平面分离不佳的缺点。对HVB1-30、HMVB2两种摆架进行了有限元模态分析、谐振响应分析和试验模态分析。结果表明摆架平动固有频率与扭动固有频率相差较近,在同一数量级上,这对实现静偶不平衡量分开测量提供了直接的依据,且为摆架结构的优化设计提供了参考指导。新摆架的振动中心位置较传统的立式动平衡机有所提高,说明其平面分离效果有所提高。在HVB1-30型摆架的模态分析中,分析了关键几何尺寸对振动模态的影响,并分析了关键测点处的传递函数,表明摆架具有强烈的静偶分离特征。在MATLAB平台上,还对HVB1-30型振动结构进行了详细的动态仿真计算,分析<WP=5>了静偶不平衡量测量的幅频特性和相频特性。通过给出详细的刚度计算公式,说明了关键几何尺寸对动平衡机振动特性的影响。应用振动理论和最优化原理与方法,建立了摆架振动结构参数的优化数学模型,并在MATLAB平台上采用序列二次规划解法,求解数学模型,得到一个较好的综合评定结果。结合机械CAD软件的参数化设计功能,直接给出了HVB1-30型摆架设计的参考图纸。本文还分析了皮带、轴承等对动平衡测量的影响,也分析了系统误差。基于现在应用很广的DSP(数字信号处理器)器件,采用FFT算法开发出新的测量电路。这省去构建高Q值的带通滤波器等复杂模拟电路,并提高了测量精度。对三种新型振动结构的立式动平衡机均制造了样机,从静偶分离特性、最小可达剩余不平衡量和一次不平衡量减少率等方面进行了实验验证。本文研制的新型立式动平衡机,可以准确地测量工件的静不平衡与偶不平衡,可以更精确地了解工件的质量特性。可以预见,新型立式动平衡机在我国国防与航天航空领域必将得到广泛地应用。另外,本文研制的新型立式动平衡机无疑成为我国动平衡机生产上的新品种,可适用多种工件的立式动平衡测试,这对我国立式动平衡机的推广应用也具有重要意义。

新型立式动平衡机的研制与工件动不平衡量的测量

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