專利名稱：一種不完整球形超導(dǎo)轉(zhuǎn)子氣浮法平衡測(cè)定方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種不完整球形超導(dǎo)轉(zhuǎn)子平衡測(cè)定的方法。
背景技術(shù)：
針對(duì)帶有機(jī)械支持軸的傳統(tǒng)轉(zhuǎn)子，一般采用動(dòng)平衡機(jī)實(shí)現(xiàn)其平衡測(cè)定和校正。目 前，為了徹底消除機(jī)械摩擦對(duì)儀器裝置工作性能的影響，開發(fā)出一系列無機(jī)械支撐軸的新 型、高精度的特殊轉(zhuǎn)子，如靜電懸浮轉(zhuǎn)子、磁懸浮轉(zhuǎn)子(細(xì)分為永磁、電磁懸浮轉(zhuǎn)子，高溫超 導(dǎo)磁浮轉(zhuǎn)子和低溫超導(dǎo)磁浮轉(zhuǎn)子)，氣浮轉(zhuǎn)子等等。這些無機(jī)械支撐軸的轉(zhuǎn)子的平衡問題往 往不能采用現(xiàn)有的平衡技術(shù)和裝置解決。高精度的超導(dǎo)轉(zhuǎn)子是極高精度超導(dǎo)重力計(jì)等以超導(dǎo)磁懸浮為基本特征的測(cè)量?jī)x 器中的關(guān)鍵核心部件，其平衡精度直接決定儀器的工作性能和測(cè)量精度。一種超導(dǎo)轉(zhuǎn)子的 結(jié)構(gòu)如圖1。如圖1所示，該超導(dǎo)轉(zhuǎn)子為一個(gè)不完整的空心薄壁球體，在薄壁球殼正中穿有 一個(gè)中心管1，其回轉(zhuǎn)軸線過轉(zhuǎn)子外球面的球心；管的一端開口，一端封閉，在轉(zhuǎn)子外表面 形成一個(gè)端面2和一個(gè)孔口 3。中心管1的中部有四個(gè)對(duì)稱分布的窗口 4。四個(gè)窗口的對(duì) 稱中心線7與轉(zhuǎn)子球心0在同一個(gè)平面內(nèi)，并且該平面垂直于中心管1的回轉(zhuǎn)軸線，如圖2 所示。中心管窗口的棱邊8都是向心的。在超導(dǎo)轉(zhuǎn)子上設(shè)定如下直角坐標(biāo)系坐標(biāo)系的原點(diǎn)0設(shè)定在轉(zhuǎn)子外球面的球心，Z 軸平行中心管1的回轉(zhuǎn)軸線，正方向指向轉(zhuǎn)子端面2，x軸、Y軸分別通過中心管四個(gè)窗口的 對(duì)稱中心線7。在轉(zhuǎn)子的內(nèi)腔面上有一個(gè)圓柱面6，其回轉(zhuǎn)軸線為Z軸，在XOY平面上下對(duì) 稱分布。轉(zhuǎn)子球殼5的壁厚不均勻，在XOY平面最厚，向兩側(cè)逐漸減薄，接近中心管1時(shí)又 逐漸變厚，壁厚在0. 5 3. 5mm之間變化。超導(dǎo)轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)的質(zhì)心在轉(zhuǎn)子外球面的球心0處， 使轉(zhuǎn)子在任意位置都是平衡的。但在超導(dǎo)轉(zhuǎn)子的實(shí)際制造過程中不可避免地存在偏差，導(dǎo) 致轉(zhuǎn)子不平衡，其偏心距大小一般在20 200 μ m之間。圖1和圖2所示超導(dǎo)轉(zhuǎn)子是一種高精度的不完整球形超導(dǎo)轉(zhuǎn)子，外球面球度達(dá)到 0. 5 1. 5 μ m，工作在1. 8 4. 2K的極低溫環(huán)境中，無機(jī)械接觸地超導(dǎo)磁懸浮，自由地高速 旋轉(zhuǎn)，因此要求該轉(zhuǎn)子具有高的平衡精度，偏心距大小達(dá)到1. 0 μ m以下。另外，該轉(zhuǎn)子由 單一的高純超導(dǎo)金屬鈮材料制成，其外型面和中心管內(nèi)壁面均為高精度的超導(dǎo)和電磁工作 面，具有高的加工精度和表面光潔度，并且金屬純鈮的熔點(diǎn)高(2400°C以上)、硬度低(與純 銅類似)，容易變形和劃傷。平衡過程的一個(gè)基本要求是不能破壞超導(dǎo)轉(zhuǎn)子的加工精度，不 能影響超導(dǎo)轉(zhuǎn)子的電磁特性、超導(dǎo)特性等。超導(dǎo)轉(zhuǎn)子不平衡量的產(chǎn)生有兩方面的因素(1)由轉(zhuǎn)子材料組織不均勻等形成 的不平衡量，如由于材料加工、熱處理、焊接等造成的密度不均勻、組織缺陷、組織微結(jié)構(gòu)不 一致等；(2)由轉(zhuǎn)子加工誤差形成的不平衡量，如轉(zhuǎn)子加工處理過程中存在的尺寸公差、形 位公差、表面粗糙度等。轉(zhuǎn)子的平衡精度采用偏心距指標(biāo)衡量，偏心距是一個(gè)向量，其大小 定義為單位質(zhì)量的轉(zhuǎn)子質(zhì)心偏離形心的距離，單位為米，其方向從轉(zhuǎn)子外球面球心指向轉(zhuǎn) 子質(zhì)心?？梢?，測(cè)定超導(dǎo)轉(zhuǎn)子的平衡精度包含兩個(gè)內(nèi)容，即不僅要確定轉(zhuǎn)子不平衡量的大小，還要確定其方位。采用動(dòng)平衡機(jī)或靜平衡測(cè)試儀法測(cè)定轉(zhuǎn)子不平衡量的大小和方位，需要在轉(zhuǎn)子中 心管內(nèi)配做一根高平衡精度的機(jī)械軸，帶動(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到每分鐘數(shù)千轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速。這一方法存在 幾個(gè)難以克服的困難⑴轉(zhuǎn)子的質(zhì)量較小(80 120克)，機(jī)械軸的質(zhì)量必須與之比較 接近才能形成共振，同時(shí)要求機(jī)械軸的剛度、平衡精度非常好，造成機(jī)械軸的選材和加工困 難；(2)轉(zhuǎn)子的中心管是薄壁管(壁厚< 1mm)，并且開有窗口，剛度較小，金屬鈮材料的強(qiáng)度 也小，機(jī)械軸與中心管的裝配如果不夠緊密和牢固，則不能帶動(dòng)轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)，平衡測(cè)定不 準(zhǔn)確，如果追求緊密和牢固則不可避免地破壞中心管的加工精度和表面光潔度。因此，不能 直接采用現(xiàn)有的動(dòng)平衡機(jī)技術(shù)測(cè)定該轉(zhuǎn)子的平衡精度。氣體懸浮法、液體懸浮法和靜電懸浮法一般適用于外形完整的球形轉(zhuǎn)子的平衡測(cè) 定。以氣浮法為例說明，其測(cè)靜平衡的基本原理是，首先氣浮裝置的球腔和待測(cè)球體的外球 面具有好的球度，且直徑差值小，通過氣孔吹氣在氣浮裝置的球腔和待測(cè)球體的外球面之 間形成一個(gè)厚度均勻、對(duì)稱分布的氣膜；這樣，待測(cè)球體受到的氣膜壓力均指向球體外球面 的球心，形成的合力為一個(gè)垂直向上的力，用以抵消重力；其余方向的力相互抵消為零，從 而實(shí)現(xiàn)待測(cè)球體的穩(wěn)定氣浮。在外界干擾很小的條件下，待測(cè)球體的質(zhì)心自然垂直向下達(dá) 到穩(wěn)定狀態(tài)，由此確定測(cè)球體的不平衡量方位；不平衡量的大小通過測(cè)定擺動(dòng)周期，由下式 計(jì)算得到 其中， g 轉(zhuǎn)子偏心距，從幾何中心指向質(zhì)心為偏心距的大小，單位m ；I 轉(zhuǎn)子擺動(dòng)軸方向的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，單位kg m2 ；m 轉(zhuǎn)子質(zhì)量，單位kg ；g 重力加速度，單位m/s2 ；n :擺動(dòng)幅角，定義為e與重力方向夾角，單位° ；nm:擺動(dòng)最大幅角，單位° ；T:擺動(dòng)周期，單位s。氣浮法由于氣流阻力、干擾較小，平衡測(cè)定精度較高，理論測(cè)定精度可達(dá)0. lym。 為了獲得較高的測(cè)量精度，要求氣浮裝置和待測(cè)球體的加工精度盡量高，并且兩者的尺寸 配合盡量好。清華大學(xué)[賀曉霞，高鐘毓，孫新民，李樹文.球形轉(zhuǎn)子不平衡量的一種自動(dòng) 測(cè)量方法.機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2004，40 (2) 50-54]采用傳統(tǒng)的氣浮法測(cè)定了金屬鈹轉(zhuǎn)子的平 衡精度，可以測(cè)出的金屬鈹轉(zhuǎn)子最小偏心距達(dá)到5X10_7m。所測(cè)金屬鈹轉(zhuǎn)子為一個(gè)完整球 體，氣浮裝置的正下方有一個(gè)氣孔，底吹氣浮。由于所述不完整球形超導(dǎo)轉(zhuǎn)子的不平衡量方位是隨機(jī)的，轉(zhuǎn)子球面上不完整的部 分，如端面2與孔口 3轉(zhuǎn)到氣孔處將破壞氣浮過程的連續(xù)性和穩(wěn)定性，導(dǎo)致氣浮失敗。由該 轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，如圖1所示，可以發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)子球面上不完整的部分集中在中心管的兩端， 即端面2與孔口 3，與Z軸垂直。采用單個(gè)氣孔的底吹氣浮法，很難控制端面2與孔口 3不
6碰到氣孔造成氣浮失敗，或不影響氣浮的連續(xù)性、穩(wěn)定性。因此，氣體懸浮法、液體懸浮法和 靜電懸浮法等方法都不能直接用于所述不完整球形超導(dǎo)轉(zhuǎn)子的平衡測(cè)定。不完整球心超導(dǎo)轉(zhuǎn)子可以采用稱重法平衡測(cè)定[任凱龍，王暉，曹志強(qiáng)，王厚生， 王秋良.特殊結(jié)構(gòu)陀螺轉(zhuǎn)子稱重法測(cè)靜平衡裝置的研究.機(jī)械制造，2008，(2) :57-60]，其 基本原理是，將轉(zhuǎn)子放在一個(gè)三角架上，由于存在不平衡量，轉(zhuǎn)子在三角架的三個(gè)支腳上產(chǎn) 生的壓力不同；通過有規(guī)律地轉(zhuǎn)到轉(zhuǎn)子，采用天平稱重并記錄這個(gè)壓力值的變化，就可以計(jì) 算出轉(zhuǎn)子不平衡量的大小和方位。稱重法平衡測(cè)定技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是適應(yīng)性強(qiáng)，對(duì)轉(zhuǎn)子球體外 形的完整程度、轉(zhuǎn)子加工精度的要求不高，缺點(diǎn)是測(cè)定過程復(fù)雜，在轉(zhuǎn)子平衡測(cè)定過程中轉(zhuǎn) 子的夾持、松開和旋轉(zhuǎn)、調(diào)整同軸度等操作引入的誤差較大，且很難有效消除，實(shí)際測(cè)定得 到的轉(zhuǎn)子不平衡量大小的波動(dòng)>5iim，不平衡量方位的波動(dòng)> 1度。稱重法平衡測(cè)定的精 度較低，不能滿足超導(dǎo)轉(zhuǎn)子高精度平衡測(cè)定的需要。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)對(duì)于空心薄壁不完整球形超導(dǎo)轉(zhuǎn)子平衡測(cè)定精度 較低的缺點(diǎn)，針對(duì)空心薄壁不完整球形超導(dǎo)轉(zhuǎn)子，提出一種控制轉(zhuǎn)子不平衡量方位的氣浮 平衡測(cè)定方法。本發(fā)明能夠提高這種超導(dǎo)球形轉(zhuǎn)子平衡測(cè)定的精度，不破壞轉(zhuǎn)子的加工精 度，不影響轉(zhuǎn)子的電磁特性、超導(dǎo)特性等。本發(fā)明可有效提高超導(dǎo)重力計(jì)等基于該類型超導(dǎo) 轉(zhuǎn)子的儀器的工作性能和測(cè)量精度，對(duì)于其它無機(jī)械支撐軸轉(zhuǎn)子的平衡測(cè)定也有一定借鑒
眉、o本發(fā)明不完整球形超導(dǎo)轉(zhuǎn)子氣浮法平衡測(cè)定的方法為首先在不完整球形超導(dǎo)轉(zhuǎn) 子的中心管內(nèi)底面定向添加增重片，人為增大轉(zhuǎn)子在+Z軸方向的不平衡分量，控制轉(zhuǎn)子總 的不平衡量的方位靠近+Z軸；然后采用側(cè)向吹氣的氣浮裝置，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子的連續(xù)、穩(wěn)定氣浮， 以解決不完整球形轉(zhuǎn)子的氣浮連續(xù)性、穩(wěn)定性難題。通過改變?cè)鲋仄闹亓?，測(cè)定出轉(zhuǎn)子添 加不同重量增重片后的不平衡量方位角…e，計(jì)算得到轉(zhuǎn)子本身不平衡量的大小和方位。本發(fā)明方法包括A、B、C三大步驟A.控制不完整球形超導(dǎo)轉(zhuǎn)子不平衡量方位，實(shí)現(xiàn)連續(xù)、穩(wěn)定氣浮。本發(fā)明利用高精度側(cè)向吹氣氣浮裝置、增重片、增重片定位工裝、高精度圓柱度儀 和氣源系統(tǒng)等裝置，控制轉(zhuǎn)子不平衡量方位，實(shí)現(xiàn)連續(xù)、穩(wěn)定氣浮，以測(cè)定超導(dǎo)轉(zhuǎn)子不平衡 量大小和方位。所述的高精度的側(cè)向吹氣氣浮裝置采用高強(qiáng)度、高穩(wěn)定性的模具鋼精加工制造， 其球腔直徑與超導(dǎo)轉(zhuǎn)子的直徑差值為6 8 ym，可以達(dá)到良好的氣浮穩(wěn)定性；球腔球度達(dá) 到0. 3 0. 6 iim，高于超導(dǎo)轉(zhuǎn)子外球面的球度。在氣浮裝置的側(cè)壁上均布有六個(gè)向心的、 小0. 15mm的小氣孔，氣孔與重力方向的夾角在40 60度之間。氣浮裝置的上端面平面度 優(yōu)于l.Oym。超導(dǎo)轉(zhuǎn)子放置在氣浮裝置的高精度球腔內(nèi)，氣浮裝置接通氣源后將超導(dǎo)轉(zhuǎn)子 浮起。在不完整球形超導(dǎo)轉(zhuǎn)子的中心管內(nèi)底面定向放置增重片，人為增大轉(zhuǎn)子在+Z軸 方向的不平衡分量。增重片為一個(gè)中心有孔的扁圓金屬片，采用高強(qiáng)度、耐磨性好的、組 織成分和密度均勻的金屬材料制成，如模具鋼、鈦合金或硬鋁合金等，通過高精度的機(jī)械加 工、精密研磨嚴(yán)格控制其尺寸精度(如厚度、中心孔直徑等)和形位公差(如兩個(gè)端面的CN 101839791 A
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平面度，內(nèi)孔與外圓的同軸度等)，采用精密電子天平稱量、螺旋測(cè)微尺測(cè)量厚度，并記錄測(cè)量的數(shù)據(jù)。由于不同轉(zhuǎn)子的不平衡量的大小與方位是不同的，同一個(gè)轉(zhuǎn)子的不平衡量的大 小與方位在平衡校正過程中也是不斷變化的，因此需要設(shè)計(jì)和制造一系列不同重量的增重 片。所有增重片的材質(zhì)、外圓和內(nèi)孔直徑都相同，只通過改變?cè)鲋仄暮穸葋砀淖兤渲亓?。采用增重片定位工裝控制增重片在超導(dǎo)轉(zhuǎn)子中心管內(nèi)底面的放置精度，以獲得良 好的測(cè)量精度。增重片定位工裝為一個(gè)精密加工的、一端帶有圓形凸臺(tái)的圓柱體，采用高強(qiáng) 度、耐磨性好的金屬材料制成，其圓柱直徑與轉(zhuǎn)子的中心管內(nèi)徑為動(dòng)配合，圓形凸臺(tái)的外徑 與增重片的中心孔直徑為動(dòng)配合，配合間隙約10 20pm;嚴(yán)格控制定位工裝的圓柱和圓 形凸臺(tái)的同軸度，從而能夠?qū)⒃鲋仄瑴?zhǔn)確地定位在轉(zhuǎn)子中心管的內(nèi)底面，控制增重片的回 轉(zhuǎn)軸與轉(zhuǎn)子Z軸的同軸度。增重片定位工裝上有三個(gè)平行的豎直通孔，中心的孔用于通氣， 兩側(cè)的孔可插入兩根金屬棒，用于減小定位工裝退出時(shí)對(duì)增重片放置精度的干擾。采用高精度圓柱度儀與氣浮裝置配合測(cè)定轉(zhuǎn)子的不平衡量方位。高精度圓柱度 儀主要由一個(gè)精密的氣浮轉(zhuǎn)臺(tái)，一個(gè)精密的氣浮立柱和一個(gè)高精度的紅寶石探針傳感器組 成，可以實(shí)現(xiàn)優(yōu)于0. lym精度的平面度、圓度、圓柱度和直線度等的測(cè)量。轉(zhuǎn)子的不平衡量 方位氣浮測(cè)定時(shí)，氣浮裝置放置在圓柱度儀的氣浮轉(zhuǎn)臺(tái)上，并與氣浮轉(zhuǎn)臺(tái)同軸，隨氣浮轉(zhuǎn)臺(tái) 一同轉(zhuǎn)動(dòng)。氣源系統(tǒng)要求可控制和調(diào)節(jié)氣體流量、壓力，并且潔凈、干燥，可以采用瓶裝的高 壓氮?dú)庾鰵庠?。氣源系統(tǒng)可以分別向氣浮裝置和圓柱度儀供氣?？刂撇煌暾蛐纬瑢?dǎo)轉(zhuǎn)子的不平衡量方位，實(shí)現(xiàn)連續(xù)、穩(wěn)定氣浮的基本原理為超 導(dǎo)轉(zhuǎn)子外球面上不完整的部分有兩處，端面和中心孔的孔口，集中在中心管的兩端，并且與 Z軸垂直。在轉(zhuǎn)子中心孔內(nèi)底面定向添加增重片，人為地增大超導(dǎo)轉(zhuǎn)子+Z軸方向的不平衡 分量，從而減小轉(zhuǎn)子不平衡量與+Z軸的夾角p ；這樣轉(zhuǎn)子氣浮后不平衡量方位垂直向下，轉(zhuǎn) 子+Z軸是向下的，并且傾斜的角度為識(shí)。只要增重片的重量足夠大，就可以保證p角足夠小， 從而保證轉(zhuǎn)子氣浮時(shí)端面不會(huì)碰到氣浮裝置的側(cè)吹氣氣孔。這樣，通過定向添加增重片控 制不完整球形超導(dǎo)轉(zhuǎn)子的不平衡量方位，就可以實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)轉(zhuǎn)子的連續(xù)、穩(wěn)定氣浮?？刂撇煌暾蛐纬瑢?dǎo)轉(zhuǎn)子的不平衡量方位，實(shí)現(xiàn)連續(xù)、穩(wěn)定氣浮的步驟如下(1)首先將增重片的中心孔套入增重片定位工裝的圓形凸臺(tái)，在增重片的下端面 涂少量的膠，可選擇能夠比較快粘結(jié)固定又較容易被有機(jī)溶劑溶解、軟化的膠，如雙面膠；(2)利用增重片定位工裝帶著增重片插入超導(dǎo)轉(zhuǎn)子的中心孔，將增重片送到超導(dǎo) 轉(zhuǎn)子的中心管的內(nèi)底面并壓緊、粘結(jié)；從增重片定位工裝兩側(cè)的孔插入兩根金屬棒頂住增 重片，輕輕拔起增重片定位工裝并將其退出超導(dǎo)轉(zhuǎn)子的中心管，盡量減小定位工裝退出時(shí) 對(duì)增重片放置精度的干擾；(3)采用精密電子天平稱量放置增重片后的超導(dǎo)轉(zhuǎn)子的重量；采用深度尺測(cè)量超 導(dǎo)轉(zhuǎn)子中心管孔口到增重片上端面的深度，根據(jù)超導(dǎo)轉(zhuǎn)子中心管尺寸和增重片厚度計(jì)算得 到增重片質(zhì)心到坐標(biāo)原點(diǎn)0的距離r ；(4)調(diào)整氣浮裝置上端面的水平度將氣浮裝置放在圓柱度儀的氣浮轉(zhuǎn)臺(tái)上，采 用圓柱度儀調(diào)節(jié)氣浮裝置與氣浮轉(zhuǎn)臺(tái)同軸；采用水平尺檢測(cè)氣浮裝置上端面的水平度，調(diào) 節(jié)氣浮轉(zhuǎn)臺(tái)的傾角使氣浮裝置上端面的水平度達(dá)到0. 1 0. 05mm/m精度；(5)將添加了增重片的超導(dǎo)轉(zhuǎn)子放入氣浮裝置的球腔中，超導(dǎo)轉(zhuǎn)子的孔口向上；
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緩慢通入氣體使超導(dǎo)轉(zhuǎn)子處于氣浮狀態(tài)，觀察轉(zhuǎn)子浮起后的擺動(dòng)情況；輕微地觸動(dòng)超導(dǎo)轉(zhuǎn)子，反復(fù)觀察轉(zhuǎn)子的擺動(dòng)情況，若超導(dǎo)轉(zhuǎn)子連續(xù)、穩(wěn)定地小幅擺動(dòng)，即表明超導(dǎo)轉(zhuǎn)子實(shí)現(xiàn)連 續(xù)、穩(wěn)定的氣浮。需要從轉(zhuǎn)子的中心管內(nèi)底面取出增重片時(shí)，可滴加少量的有機(jī)溶劑溶解、軟化膠， 取出增重片并清理干凈轉(zhuǎn)子內(nèi)底面。通過多次添加、取出增重片，檢測(cè)有關(guān)數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性、 可靠性，證明在轉(zhuǎn)子的+Z軸方向添加增重片的精度可以較好控制，增重片取出、替換方便， 并且這些操作過程對(duì)轉(zhuǎn)子的加工精度、重量等沒有明顯破壞和改變。B.測(cè)定轉(zhuǎn)子添加增重片后不平衡量方位角…9給不完整球形超導(dǎo)轉(zhuǎn)子定向添加適當(dāng)重量的增重片后，實(shí)現(xiàn)連續(xù)、穩(wěn)定的氣浮，便 測(cè)定轉(zhuǎn)子添加增重片后不平衡量的方位…e，其測(cè)定步驟如下(1)控制轉(zhuǎn)子+Z軸方向垂直向下，標(biāo)記平行轉(zhuǎn)子X0Y面的截面圓采用圓柱度儀 的探針檢測(cè)轉(zhuǎn)子中心孔內(nèi)底面中增重片端面的平面度，輕輕觸動(dòng)轉(zhuǎn)子使探針的擺動(dòng)最小， 此時(shí)認(rèn)為轉(zhuǎn)子+Z軸方向垂直向下；以氣浮裝置上端面為基準(zhǔn)，在超導(dǎo)轉(zhuǎn)子外球面上畫出平 行轉(zhuǎn)子X0Y面的截面圓，稱為X0Y平行截面線。X0Y平行截面線與轉(zhuǎn)子的Z軸垂直；(2)測(cè)定超導(dǎo)轉(zhuǎn)子不平衡量方位緩慢開啟閥門通氣，使轉(zhuǎn)子起??；當(dāng)轉(zhuǎn)子不平衡 量方位不在垂直向下的方位時(shí)，轉(zhuǎn)子會(huì)自然擺動(dòng)并逐漸停止。通過控制氣浮裝置、轉(zhuǎn)子的加 工精度、配合精度，氣體流量等實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定氣浮，不擺動(dòng)、不轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)超導(dǎo)轉(zhuǎn)子自然垂 直向下的方位即為超導(dǎo)轉(zhuǎn)子添加增重片后不平衡量的方位；(3)標(biāo)記垂直超導(dǎo)轉(zhuǎn)子不平衡量方位的截面圓當(dāng)超導(dǎo)轉(zhuǎn)子穩(wěn)定氣浮，轉(zhuǎn)子不平 衡量的方位自然垂直向下時(shí)，緩慢關(guān)閉氣體閥門使超導(dǎo)轉(zhuǎn)子原位落下，以氣浮裝置上端面 為基準(zhǔn)，在超導(dǎo)轉(zhuǎn)子外球面上畫出一個(gè)截面圓，這個(gè)截面圓與超導(dǎo)轉(zhuǎn)子的不平衡量方位垂 直，稱為平衡水平線；平衡水平線與X0Y平行截面線相交，產(chǎn)生一個(gè)夾角和兩個(gè)交點(diǎn)；(4)測(cè)定超導(dǎo)轉(zhuǎn)子不平衡量&與+Z軸方向的夾角^ 采用照相機(jī)拍攝轉(zhuǎn)子球面上 平衡水平線與X0Y平行截面線的夾角，即爐角，然后測(cè)量所拍攝照片上平衡水平線與X0Y平 行截面線的夾角得到P角的大??；(5)測(cè)定超導(dǎo)轉(zhuǎn)子不平衡量在X0Y平面投影的分量與+X方向的夾角0 首先 在超導(dǎo)轉(zhuǎn)子的端面(2)上標(biāo)記出X軸，然后采用球面曲尺在轉(zhuǎn)子球面上畫出過X0Y平行截 面線與平衡水平線的兩個(gè)交點(diǎn)并垂直X0Y平面的截面線，延伸到超導(dǎo)轉(zhuǎn)子的端面上形成一
條直線，稱為擺動(dòng)軸平行線；擺動(dòng)軸平行線與+X軸方向的夾角為角；采用照相機(jī)拍攝
轉(zhuǎn)子的端面，然后測(cè)量所拍攝照片上擺動(dòng)軸平行線與x軸的夾角得到e角的大小。關(guān)于平衡水平線與X0Y平行截面線的夾角為p角的說明沖角為轉(zhuǎn)子不平衡量[7與 +Z軸的夾角，而平衡水平線與轉(zhuǎn)子的不平衡量方位垂直，X0Y平行截面線與轉(zhuǎn)子的Z軸垂 直，所以平衡水平線與X0Y平行截面線夾角即為(P角。關(guān)于擺動(dòng)軸平行線與+X方向的夾角為角的說明由于超導(dǎo)轉(zhuǎn)子初始起擺時(shí)
控制+Z軸方向垂直向下，氣浮后轉(zhuǎn)子自然擺動(dòng)的平面為轉(zhuǎn)子不平衡量與z軸構(gòu)成的平面， 擺動(dòng)軸垂直該平面并且過轉(zhuǎn)子外球面球心0，即擺動(dòng)軸在X0Y平面內(nèi)，并且與^^相互垂直。
因此，擺動(dòng)軸與+X方向的夾角為沒角。X0Y平行截面線與平衡水平線的兩個(gè)交點(diǎn)的連線
9平行擺動(dòng)軸，成為擺動(dòng)軸平行線。通過畫出過X0Y平行截面線與平衡水平線的兩個(gè)交點(diǎn)并 垂直X0Y平面的截面線，延伸到超導(dǎo)轉(zhuǎn)子的端面上形成一條直線，相當(dāng)于將擺動(dòng)軸平行線
平移到超導(dǎo)轉(zhuǎn)子的端面上。所以，擺動(dòng)軸平行線與+X軸方向的夾角為沒角。轉(zhuǎn)子球面畫線采用極細(xì)的彩色油性筆完成，畫線可以方便地用有機(jī)溶劑擦除，并 且對(duì)轉(zhuǎn)子的加工精度、表面光潔度沒有損傷。C.處理超導(dǎo)轉(zhuǎn)子不平衡量測(cè)定數(shù)據(jù)對(duì)于一個(gè)剛性轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子不平衡量&可分解為0XYZ坐標(biāo)系三個(gè)坐標(biāo)軸上不平衡分 其中，u為轉(zhuǎn)子的不平衡質(zhì)量(g)，F(xiàn)為轉(zhuǎn)子的不平衡質(zhì)量質(zhì)心與形心的距離 (ym)，m為轉(zhuǎn)子的質(zhì)量(g) i為轉(zhuǎn)子單位質(zhì)量的偏心距(um)0
；仍為^與+Z軸方向的夾角，Qi*。與+X軸的夾角；增重片1
的質(zhì)量為(mrnO，增重片1的質(zhì)心到坐標(biāo)原點(diǎn)0的距離為巧；通過氣浮法測(cè)量得到超導(dǎo)轉(zhuǎn) 子添加增重片1后不平衡量的方位角約和e 10 超導(dǎo)轉(zhuǎn)子添加增重片2后的質(zhì)量為m2，不平衡量為。，。在X0Y平面的投影
為0xy2，偏心距為 2，4在X0Y平面的投影為‘2，&在Z軸上的分量為€2，其大小分別為
和‘I;外為《與+Z軸方向的夾角，02為|‘2|與+X軸的夾角。增重
片2的質(zhì)量為(n^-nO，增重片2的質(zhì)心到坐標(biāo)原點(diǎn)0的距離為r2。通過氣浮法測(cè)量得到超導(dǎo)轉(zhuǎn)子添加增重片2后不平衡量的方位角P2和O，。
不同增重片的外徑、內(nèi)徑和材料都相同，只有厚度不同，導(dǎo)致重量不同。增重片l和2重量差值為厶m—m2-m、，高度差為厶h，相當(dāng)于一個(gè)質(zhì)量厶1171、厚度為厶h的虛擬的增重片，r為這個(gè)虛擬增重片的質(zhì)心到坐標(biāo)原點(diǎn)0的距離。
在超導(dǎo)轉(zhuǎn)子+Z軸方向分別加入增重片l和2后，轉(zhuǎn)子在Z軸的不平衡分量大小變?yōu)?2；FJll、!Z>。，!，而轉(zhuǎn)子在X、Y軸不平衡分量的大小和方向都不改變，即
另外，Z軸的不平衡分量大小的變化|△U2|真廳中
由式(7)，(8)聯(lián)立求解可以得到J示／jF0鼻／，進(jìn)而得到轉(zhuǎn)子本身的偏，C~,iTVA4、阮申方位角甲。例如，采用!瓦!和P1值，可以得到一組轉(zhuǎn)子本身的偏，C,iT~A4、J孔．，jF0方位角％，數(shù)據(jù) 類似地，采用[毛，jF0甲，值也以得到一組轉(zhuǎn)子本身的偏，c,17~4、eo，IjF0方位角P0，數(shù)據(jù)，一般取平均值作為最終結(jié)果，即同I÷0孔，0+彫，[)，P0÷‘P0、+甲0，’。由于O。角是恒定不變的，也取兩次測(cè)量的平均值作為最終結(jié)果，即p信=÷(6＼+6＼)。
這樣，由所述氣浮法測(cè)定出不完整球形超導(dǎo)轉(zhuǎn)子添加增重片后的不平衡量方位角等數(shù)據(jù)，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理得到不完整球形超導(dǎo)轉(zhuǎn)子本身的偏心距大小剛，以及轉(zhuǎn)子不平衡量在OXYZ坐標(biāo)系中的兩個(gè)方位角P0和O。，完成了不完整球形超導(dǎo)轉(zhuǎn)子不平衡量大小和方位的測(cè)宇。


圖1超導(dǎo)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)示意圖，1中心管，2端面，3孔口，4中心管窗口，5球殼，6轉(zhuǎn)子 內(nèi)腔面上的圓柱面；圖2超導(dǎo)轉(zhuǎn)子中心管窗口結(jié)構(gòu)示意圖，7窗口對(duì)稱中心線，8窗口棱邊；圖3不完整球形超導(dǎo)轉(zhuǎn)子側(cè)向吹氣氣浮示意圖，9高精度側(cè)向吹氣氣浮裝置，10不 完整球形超導(dǎo)轉(zhuǎn)子，11增重片，12氣浮裝置上端面；圖4坐標(biāo)系中轉(zhuǎn)子不平衡量的方位角和X、Y、Z軸上不平衡分量的示意圖；圖5超導(dǎo)轉(zhuǎn)子+Z軸定向添加增重片控制轉(zhuǎn)子不平衡量方位示意圖；圖6轉(zhuǎn)子+Z軸方向增重片定位精度控制示意圖，13增重片定位工裝。
具體實(shí)施例方式圖1和圖2為所述空心薄壁不完整球形超導(dǎo)轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖1所示該轉(zhuǎn) 子外球面上有兩處不完整，一處為端面2，另一處為孔口 3，其余部位是完整的球面。端面2 和孔口 3位于轉(zhuǎn)子中心管1的兩側(cè)，且與中心管回轉(zhuǎn)軸線垂直。如圖2所示，超導(dǎo)轉(zhuǎn)子中心管1上有四個(gè)對(duì)稱分布的窗口 4。四個(gè)窗口的對(duì)稱中心 線7與轉(zhuǎn)子外球面球心0在同一個(gè)平面內(nèi)，并且該平面垂直于中心管1的回轉(zhuǎn)軸線，中心管 窗口的棱邊8都是向心的。以超導(dǎo)轉(zhuǎn)子外球面球心0為原點(diǎn)設(shè)立直角坐標(biāo)系，Z軸平行轉(zhuǎn)子中心管1的回轉(zhuǎn) 軸線，正方向指向轉(zhuǎn)子端面2 ;X軸、Y軸分別與轉(zhuǎn)子中心管四個(gè)窗口的對(duì)稱中心線7重合。 由所述超導(dǎo)轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)可知，要實(shí)現(xiàn)該轉(zhuǎn)子連續(xù)、穩(wěn)定氣浮，必須控制轉(zhuǎn)子的端面2和孔口 3在氣浮時(shí)不碰到氣浮裝置的吹氣孔。采用側(cè)向吹氣，并設(shè)法控制氣浮時(shí)超導(dǎo)轉(zhuǎn)子的Z軸靠 近豎直方向，就能夠?qū)崿F(xiàn)該轉(zhuǎn)子的連續(xù)、穩(wěn)定氣浮。圖3為不完整球形超導(dǎo)轉(zhuǎn)子側(cè)向吹氣氣浮示意圖，9為高精度的側(cè)向吹氣氣浮裝 置、10為不完整球形超導(dǎo)轉(zhuǎn)子，11為在轉(zhuǎn)子中心孔內(nèi)底面添加的增重片，12為氣浮裝置9的 上端面。氣浮裝置9采用高強(qiáng)度、高穩(wěn)定性的模具鋼制成，球腔的球度0. 3 0. 6 y m，球腔 直徑與超導(dǎo)轉(zhuǎn)子直徑的差值控制在6 8 y m。在氣浮腔的側(cè)壁上均布有六個(gè) 0. 15mm的 向心的小氣孔，氣孔與重力方向的夾角在40 60度之間。氣浮裝置上端面12的平面度優(yōu) 于l.Oym。超導(dǎo)轉(zhuǎn)子10放置在氣浮裝置9的高精度球腔內(nèi)，氣浮裝置接通氣源后，通過側(cè) 向氣孔吹氣將超導(dǎo)轉(zhuǎn)子浮起。為了實(shí)現(xiàn)不完整球形超導(dǎo)轉(zhuǎn)子的連續(xù)、穩(wěn)定氣浮，在超導(dǎo)轉(zhuǎn)子 10的中心管內(nèi)底面添加一個(gè)增重片11。圖4示出0XYZ坐標(biāo)系中超導(dǎo)轉(zhuǎn)子10的不平衡量方位角…0，口角為轉(zhuǎn)子10的不 平衡量g與+z軸方向的夾角，e角為‘與+x軸方向的夾角，‘為g在XOY平面的投影。在 超導(dǎo)轉(zhuǎn)子10的中心管內(nèi)底面添加一個(gè)增重片11后，轉(zhuǎn)子不平衡量的變化如圖5所示添加 增重片前，超導(dǎo)轉(zhuǎn)子本身的不平衡量為‘ Z軸不平衡分量為，‘與+Z軸方向的夾角為外， 在X0Y平面的投影為；添加增重片后，相當(dāng)于在轉(zhuǎn)子+Z軸方向定點(diǎn)增重，超導(dǎo)轉(zhuǎn)子添加 增重片后的不平衡量增大為‘ Z軸不平衡分量增大為I，6與+Z軸方向的夾角減小為仍； 在X0Y平面的投影不變，為‘Q，所以e角不變?？梢?，通過在超導(dǎo)轉(zhuǎn)子10的中心管內(nèi)底面添加適當(dāng)重量的增重片11，可以控制超 導(dǎo)轉(zhuǎn)子的不平衡量方位角P靠近+Z軸。這樣，超導(dǎo)轉(zhuǎn)子10在側(cè)向吹氣氣浮裝置9中氣吹起浮后，轉(zhuǎn)子不平衡量方位自然垂直向下，轉(zhuǎn)子Z軸會(huì)靠近豎直方向，確保轉(zhuǎn)子的端面2和中 心孔的孔口 3在氣浮時(shí)不會(huì)碰到側(cè)向吹氣的氣孔，從而實(shí)現(xiàn)不完整球形超導(dǎo)轉(zhuǎn)子的連續(xù)、 穩(wěn)定氣浮。待測(cè)的不完整球形超導(dǎo)轉(zhuǎn)子A的質(zhì)量約為115g，直徑約50mm，球度優(yōu)于1. 5iim。 高精度的側(cè)向吹氣氣浮裝置9采用模具鋼制成，球腔的直徑與超導(dǎo)轉(zhuǎn)子A差值約6 8 y m， 球度優(yōu)于1. 0 y m，上端面12的平面度優(yōu)于1. 0 y m。通過添加多個(gè)不同重量增重片后的氣 浮嘗試，選定兩個(gè)適當(dāng)重量的增重片增重片1質(zhì)量1. 1932g，增重片2質(zhì)量0. 9834g，采用 鈦合金制成，其上下端面的平行度優(yōu)于0. 1度，外圓直徑小于超導(dǎo)轉(zhuǎn)子中心管內(nèi)徑。采用一個(gè)增重片定位工裝13控制增重片在超導(dǎo)轉(zhuǎn)子中心管內(nèi)底面的放置精度， 如圖6所示。增重片定位工裝13的基本形狀為一個(gè)銅合金精密加工而成的圓柱體，插入超 導(dǎo)轉(zhuǎn)子的一端帶有一個(gè)圓形凸臺(tái)；其圓柱直徑與轉(zhuǎn)子的中心管內(nèi)徑為動(dòng)配合，圓形凸臺(tái)的 外徑與增重片的中心孔直徑為動(dòng)配合，配合間隙約10 20i!m。定位工裝13上有三個(gè)平行 的豎直通孔，中間的孔用于通氣，兩側(cè)的孔可插入兩根金屬棒，用于減小定位工裝13退出 時(shí)對(duì)增重片放置精度的干擾。通過嚴(yán)格控制增重片定位工裝13的圓柱和圓形凸臺(tái)的同軸度，以及增重片的外 圓與中心孔的同軸度，均小于3 ym，將增重片準(zhǔn)確地定位在轉(zhuǎn)子中心管的內(nèi)底面，增重片的 回轉(zhuǎn)軸與超導(dǎo)轉(zhuǎn)子Z軸的同軸度可控制在3 y m左右。采用高精度圓柱度儀配合側(cè)向吹氣氣浮裝置9測(cè)定轉(zhuǎn)子的不平衡量方位。高精度 圓柱度儀主要由一個(gè)精密的氣浮轉(zhuǎn)臺(tái)，一個(gè)精密的氣浮立柱和一個(gè)高精度的紅寶石探針傳 感器組成，可以實(shí)現(xiàn)優(yōu)于0. lym精度的平面度、圓度、圓柱度和直線度等的測(cè)量。轉(zhuǎn)子的不 平衡量方位氣浮測(cè)定時(shí)，首先將氣浮裝置放置在圓柱度儀的氣浮轉(zhuǎn)臺(tái)上，并與氣浮轉(zhuǎn)臺(tái)同 軸，隨氣浮轉(zhuǎn)臺(tái)一同轉(zhuǎn)動(dòng)。氣源系統(tǒng)要求可控制和調(diào)節(jié)氣體流量、壓力，并且潔凈、干燥，采 用瓶裝的高壓氮?dú)庾鰵庠?。氣源系統(tǒng)可以分別向氣浮裝置和圓柱度儀供氣。下面以不完整球形超導(dǎo)轉(zhuǎn)子A定向放置增重片1進(jìn)行測(cè)量為例，說明本發(fā)明方法 的操作步驟A.控制不完整球形超導(dǎo)轉(zhuǎn)子A的不平衡量方位，實(shí)現(xiàn)連續(xù)、穩(wěn)定氣浮(1)首先將增重片1的中心孔套入增重片定位工裝13的圓形凸臺(tái)，在增重片的下 端面粘一層薄的雙面膠；(2)利用增重片定位工裝13帶著增重片1插入超導(dǎo)轉(zhuǎn)子A的中心孔，將增重片送 到轉(zhuǎn)子的中心管內(nèi)底面并壓緊、粘結(jié)；從增重片定位工裝13兩側(cè)的孔插入兩根金屬棒頂住 增重片1，輕輕拔起增重片定位工裝13并將其退出超導(dǎo)轉(zhuǎn)子的中心管，盡量減小定位工裝 13退出時(shí)對(duì)增重片放置精度的干擾；(3)采用精密電子天平稱量轉(zhuǎn)子A放置增重片1后的重量；采用深度尺測(cè)量轉(zhuǎn)子 中心管孔口到增重片1上端面的深度，根據(jù)超導(dǎo)轉(zhuǎn)子A的中心管尺寸和增重片1厚度計(jì)算 得到增重片1質(zhì)心到坐標(biāo)原點(diǎn)0的距離ri ；(4)調(diào)氣浮裝置上端面12的水平將氣浮裝置9放在圓柱度儀的氣浮轉(zhuǎn)臺(tái)上，采 用圓柱度儀調(diào)節(jié)氣浮裝置9與氣浮轉(zhuǎn)臺(tái)同軸；采用水平尺檢測(cè)氣浮裝置上端面12的水平 度，調(diào)節(jié)氣浮轉(zhuǎn)臺(tái)的傾角使氣浮裝置上端面的水平度達(dá)到0. 1 0. 05mm/m精度；(5)將添加了增重片的超導(dǎo)轉(zhuǎn)子放入氣浮裝置的球腔中，超導(dǎo)轉(zhuǎn)子的孔口向上；緩慢通入氣體使超導(dǎo)轉(zhuǎn)子處于氣浮狀態(tài)，觀察轉(zhuǎn)子浮起后的擺動(dòng)情況；輕微地觸動(dòng)超導(dǎo)轉(zhuǎn) 子，反復(fù)觀察轉(zhuǎn)子的擺動(dòng)情況，若超導(dǎo)轉(zhuǎn)子連續(xù)、穩(wěn)定地小幅擺動(dòng)，即表明超導(dǎo)轉(zhuǎn)子實(shí)現(xiàn)連 續(xù)、穩(wěn)定的氣浮。B.測(cè)定超導(dǎo)轉(zhuǎn)子A添加增重片1后不平衡量方位角灼、0 ！(1)控制超導(dǎo)轉(zhuǎn)子A添加增重片1后+Z軸方向垂直向下，標(biāo)記平行轉(zhuǎn)子X0Y面的 截面圓采用圓柱度儀的探針檢測(cè)轉(zhuǎn)子中心孔內(nèi)底面中增重片端面的平面度，輕輕觸動(dòng)轉(zhuǎn) 子使探針的擺動(dòng)最小，此時(shí)認(rèn)為轉(zhuǎn)子+Z軸方向垂直向下；以氣浮裝置上端面為基準(zhǔn)，在轉(zhuǎn) 子外球面上畫出平行轉(zhuǎn)子X0Y面的截面圓，稱為X0Y平行截面線。X0Y平行截面線與轉(zhuǎn)子的 Z軸垂直；(2)測(cè)定超導(dǎo)轉(zhuǎn)子A添加增重片1后不平衡量方位緩慢開啟閥門通氣，使轉(zhuǎn)子起 ??；當(dāng)轉(zhuǎn)子不平衡量方位不在垂直向下的方位時(shí)，轉(zhuǎn)子會(huì)自然擺動(dòng)并逐漸停止。通過控制氣 浮裝置、轉(zhuǎn)子的加工精度、配合精度，氣體流量等實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定氣浮，不擺動(dòng)、不轉(zhuǎn)動(dòng)，此 時(shí)超導(dǎo)轉(zhuǎn)子自然垂直向下的方位即為超導(dǎo)轉(zhuǎn)子A添加增重片1后不平衡量的方位；(3)標(biāo)記超導(dǎo)轉(zhuǎn)子A添加增重片1后垂直轉(zhuǎn)子不平衡量方位的截面圓當(dāng)超導(dǎo)轉(zhuǎn) 子穩(wěn)定氣浮，轉(zhuǎn)子不平衡量的方位自然垂直向下時(shí)，緩慢關(guān)閉氣體閥門使超導(dǎo)轉(zhuǎn)子原位落 下，以氣浮裝置上端面12為基準(zhǔn)，在超導(dǎo)轉(zhuǎn)子外球面上畫出一個(gè)截面圓，這個(gè)截面圓與超 導(dǎo)轉(zhuǎn)子的不平衡量方位垂直，稱為平衡水平線；平衡水平線與X0Y平行截面線相交，產(chǎn)生一 個(gè)夾角和兩個(gè)交點(diǎn)；(4)測(cè)定超導(dǎo)轉(zhuǎn)子A添加增重片1后不平衡量[7與+Z軸方向的夾角仍角采用照 相機(jī)拍攝轉(zhuǎn)子球面上平衡水平線與X0Y平行截面線的夾角，即夠角，然后測(cè)量所拍攝照片上 平衡水平線與X0Y平行截面線的夾角得到鞏角的大小；(5)測(cè)定超導(dǎo)轉(zhuǎn)子A添加增重片1后不平衡量在X0Y平面投影的分量0_與+X軸 方向的夾角9工首先在超導(dǎo)轉(zhuǎn)子的端面2上標(biāo)記出X軸，然后采用球面曲尺在轉(zhuǎn)子球面上 畫出過X0Y平行截面線與平衡水平線的兩個(gè)交點(diǎn)并垂直X0Y平面的截面線，延伸到超導(dǎo)轉(zhuǎn)
子的端面上為一條直線，稱為擺動(dòng)軸平行線；擺動(dòng)軸平行線與+X軸方向的夾角即為
角；采用照相機(jī)拍攝轉(zhuǎn)子的端面，然后測(cè)量所拍攝照片上擺動(dòng)軸平行線與X軸的夾角得到 工角的大小。測(cè)量完成后，向超導(dǎo)轉(zhuǎn)子A中心管內(nèi)底面滴加少量的有機(jī)溶劑溶解、軟化雙面膠， 用塑料鑷子輕輕夾出增重片1，并清理干凈轉(zhuǎn)子內(nèi)底面。轉(zhuǎn)子球面畫線采用極細(xì)的彩色油性 筆完成，用有機(jī)溶劑輕輕擦除即可。類似地，可以完成超導(dǎo)轉(zhuǎn)子A定向放置增重片2的放置、測(cè)量過程。通過多次添加、取出增重片，檢測(cè)有關(guān)數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性、可靠性，證明在轉(zhuǎn)子的+Z軸 方向添加增重片的精度可以較好控制，增重片取出、替換方便，并且這些操作過程對(duì)轉(zhuǎn)子的 加工精度、重量等沒有明顯破壞和改變。轉(zhuǎn)子球面的彩色油性筆畫線可以方便地用有機(jī)溶 劑擦除，并且對(duì)轉(zhuǎn)子的加工精度、表面光潔度沒有損傷。C.處理超導(dǎo)轉(zhuǎn)子不平衡量測(cè)定數(shù)據(jù)對(duì)于一個(gè)剛性轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子不平衡量可分解為0XYZ坐標(biāo)系三個(gè)軸上不平衡分量Ux,Uy,Uz.[oiii] = = ，單位g y 其中，u為轉(zhuǎn)子的不平衡質(zhì)量(g)，F(xiàn)為轉(zhuǎn)子的不平衡質(zhì)量質(zhì)心與形心的距離 (ym)，m為轉(zhuǎn)子的質(zhì)量(g)，g為轉(zhuǎn)子單位質(zhì)量的偏心距(um)0
= pl+ul+u]u.
sinp
U,
U,u.
cos
sin ^ cos 6*
sin ^ sin 6*
(5)
(6)式中為&在XOY平面投影的分量…角為與+Z軸方向的夾角，e角為c/q與+X 軸方向的夾角。設(shè)轉(zhuǎn)子的偏心距為4，不平衡量為質(zhì)量為nv如果在+Z軸方向加入增重片1，轉(zhuǎn)子與增重片1整體的偏心距為‘不平衡量為《 ，質(zhì)量為IV增重片1的質(zhì)量為(mfm。)，增重片1的質(zhì)心到坐標(biāo)原點(diǎn)0的距離為；通過氣 浮法測(cè)量得到仏與坐標(biāo)軸的方位角0和、。如果在+Z軸方向加入增重片2，轉(zhuǎn)子與增重片2整體的偏心距為 2，不平衡量為
，質(zhì)量為m2，增重片2的質(zhì)量為(n^-nO，增重片2的質(zhì)心到坐標(biāo)原點(diǎn)0的距離為r2。通過氣 浮法測(cè)量得到02與坐標(biāo)軸的方位角朽和e2。不同增重片的外徑、內(nèi)徑和材料都相同，只有厚度不同，導(dǎo)致重量不同。增重片1 和2重量差值為Am = m2-mi，高度差為Ah，相當(dāng)于一個(gè)質(zhì)量Am、厚度為Ah的、虛擬的增 重片，r為這個(gè)虛擬增重片的質(zhì)心到坐標(biāo)原點(diǎn)0的距離。在轉(zhuǎn)子Z軸方向分別加入增重片1和2后，轉(zhuǎn)子Z軸不平衡分量大小變?yōu)?br> Uz
z2
，而轉(zhuǎn)子X、Y軸不平衡分量的大小和方向都不改變，即
Uxyi = Uxy2 = Uxy0 , 0 = 0, = 02
Ux sin 夠=U2 sin
|g2 丨=ml sin 灼 | m2 sin (p2
另外，Z軸的不平衡分量大小的變化為
(7) 由式(7)，(8)聯(lián)立求解可以得到陣|和| 2|，進(jìn)而得到轉(zhuǎn)子本身的偏心距大小和方
位角^例如，采用陣|和約值，可以得到一組轉(zhuǎn)子本身的偏心距大小|4|和方位角&數(shù)據(jù) 類似地，采用和朽值也以得到一組轉(zhuǎn)子本身的偏心距大小和方位角祝數(shù)據(jù)， 一般取平均值作為最終結(jié)果，即舊=1(^1 + 1^1)，^)+外2)。由于9。角是恒定不變
的，取兩次測(cè)量的平均值作為最終結(jié)果，即代=+e2)a超導(dǎo)轉(zhuǎn)子A分別定向添加增重片1和2后，氣浮測(cè)定的爐角值見下表。由表可見， 重復(fù)測(cè)量三次的爐角波動(dòng)在士0. 15度之內(nèi)，具有較好的重復(fù)性。 超導(dǎo)轉(zhuǎn)子A分別定向添加增重片1和2后，轉(zhuǎn)子添加增重片的偏心距大小、超導(dǎo) 轉(zhuǎn)子A本身的偏心距大小等數(shù)據(jù)如下表所示。由表可見，轉(zhuǎn)子A偏心距大小的波動(dòng)范圍在 士 6 ii m之內(nèi)，偏心距的Z軸分量的波動(dòng)在士 8 ii m之內(nèi)。
如果要在X、Y軸進(jìn)行定點(diǎn)平衡校正，需要進(jìn)一步求出轉(zhuǎn)子X、Y軸的不平衡分量時(shí)， 可以通過測(cè)定轉(zhuǎn)子不平衡量的方位角e計(jì)算獲得。
權(quán)利要求
一種不完整球形超導(dǎo)轉(zhuǎn)子的平衡測(cè)定方法，其特征在于，所述的測(cè)定方法是通過在所述的超導(dǎo)轉(zhuǎn)子的中心管內(nèi)底面添加增重片(11)，人為增大轉(zhuǎn)子+Z軸方向的不平衡分量，控制轉(zhuǎn)子總的不平衡量的方位靠近+Z軸，實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)轉(zhuǎn)子的連續(xù)、穩(wěn)定氣??；然后改變?cè)鲋仄闹亓?，測(cè)定超導(dǎo)轉(zhuǎn)子添加不同增重片后的不平衡量方位角、θ，計(jì)算得到超導(dǎo)轉(zhuǎn)子本身不平衡量的大小和方位。FSA00000134788000011.tif
2.按照權(quán)利要求1所述的不完整球形超導(dǎo)轉(zhuǎn)子的平衡測(cè)定方法，其特征在于，控制所 述的超導(dǎo)轉(zhuǎn)子總的不平衡量的方位靠近+Z軸，實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)轉(zhuǎn)子連續(xù)、穩(wěn)定氣浮的操作步驟 為(1)首先將增重片的中心孔套入增重片定位工裝的圓形凸臺(tái)，在增重片的下端面涂少 量的膠；(2)利用增重片定位工裝帶著增重片插入超導(dǎo)轉(zhuǎn)子的中心孔，將增重片送到超導(dǎo)轉(zhuǎn)子 的中心管(1)的內(nèi)底面并壓緊、粘結(jié)；從增重片定位工裝兩側(cè)的孔插入兩根金屬棒頂住增 重片，輕輕拔起增重片定位工裝并將其退出超導(dǎo)轉(zhuǎn)子的中心管，盡量減小定位工裝退出時(shí) 對(duì)增重片放置精度的干擾；(3)采用精密電子天平稱量放置增重片后的超導(dǎo)轉(zhuǎn)子的重量；采用深度尺測(cè)量超導(dǎo)轉(zhuǎn) 子中心管孔口到增重片上端面的深度，根據(jù)超導(dǎo)轉(zhuǎn)子中心管尺寸和增重片厚度計(jì)算得到增 重片質(zhì)心到坐標(biāo)原點(diǎn)O的距離r ；(4)調(diào)整氣浮裝置上端面的水平度將氣浮裝置放在圓柱度儀的氣浮轉(zhuǎn)臺(tái)上，采用圓 柱度儀調(diào)節(jié)氣浮裝置與氣浮轉(zhuǎn)臺(tái)同軸；采用水平尺檢測(cè)氣浮裝置上端面的水平度，調(diào)節(jié)氣 浮轉(zhuǎn)臺(tái)的傾角使氣浮裝置上端面的水平度達(dá)到0. 1 0. 05mm/m ；(5)將添加了增重片的超導(dǎo)轉(zhuǎn)子放入氣浮裝置的球腔中，超導(dǎo)轉(zhuǎn)子的孔口(3)向上；緩 慢通入氣體使超導(dǎo)轉(zhuǎn)子處于氣浮狀態(tài)，觀察轉(zhuǎn)子浮起后的擺動(dòng)情況；輕微地觸動(dòng)超導(dǎo)轉(zhuǎn)子， 反復(fù)觀察轉(zhuǎn)子的擺動(dòng)情況，若超導(dǎo)轉(zhuǎn)子連續(xù)、穩(wěn)定地小幅擺動(dòng)，即表明超導(dǎo)轉(zhuǎn)子實(shí)現(xiàn)連續(xù)、 穩(wěn)定的氣浮。
3.按照權(quán)利要求1所述的不完整球形超導(dǎo)轉(zhuǎn)子的平衡測(cè)定方法，其特征在于，測(cè)定超 導(dǎo)轉(zhuǎn)子添加增重片后不平衡量的方位角仏θ的操作步驟為(1)控制超導(dǎo)轉(zhuǎn)子+Z軸方向垂直向下，標(biāo)記平行轉(zhuǎn)子XOY面的截面圓采用圓柱度儀 的探針檢測(cè)轉(zhuǎn)子中心孔內(nèi)底面中增重片端面的平面度，輕輕觸動(dòng)轉(zhuǎn)子使探針的擺動(dòng)最小， 此時(shí)認(rèn)為轉(zhuǎn)子+Z軸方向垂直向下；以氣浮裝置上端面為基準(zhǔn)，在超導(dǎo)轉(zhuǎn)子外球面上畫出平 行轉(zhuǎn)子XOY面的截面圓，稱為XOY平行截面線；XOY平行截面線與轉(zhuǎn)子的Z軸垂直；(2)測(cè)定超導(dǎo)轉(zhuǎn)子不平衡量方位緩慢開啟閥門通氣，使超導(dǎo)轉(zhuǎn)子起浮；當(dāng)超導(dǎo)轉(zhuǎn)子不 平衡量方位不在垂直向下的方位時(shí)，轉(zhuǎn)子會(huì)自然擺動(dòng)并逐漸停止，此時(shí)超導(dǎo)轉(zhuǎn)子自然垂直 向下的方位即為超導(dǎo)轉(zhuǎn)子添加增重片后不平衡量的方位；(3)標(biāo)記垂直超導(dǎo)轉(zhuǎn)子不平衡量方位的截面圓當(dāng)超導(dǎo)轉(zhuǎn)子穩(wěn)定氣浮，轉(zhuǎn)子不平衡量 的方位自然垂直向下時(shí)，緩慢關(guān)閉氣體閥門使超導(dǎo)轉(zhuǎn)子原位落下，以氣浮裝置上端面為基 準(zhǔn)，在超導(dǎo)轉(zhuǎn)子外球面上畫出一個(gè)截面圓，這個(gè)截面圓與超導(dǎo)轉(zhuǎn)子的不平衡量方位垂直，稱 為平衡水平線；平衡水平線與XOY平行截面線相交，產(chǎn)生一個(gè)夾角和兩個(gè)交點(diǎn)；(4)測(cè)定超導(dǎo)轉(zhuǎn)子不平衡量J與+Z軸方向的夾角ρ采用照相機(jī)拍攝轉(zhuǎn)子球面上平衡 水平線與XOY平行截面線的夾角，即P角，然后測(cè)量所拍攝照片上平衡水平線與XOY平行截面線的夾角得到P角的大??；(5)測(cè)定超導(dǎo)轉(zhuǎn)子不平衡量在XOY平面投影的分量Gjcy與+X軸方向的夾角θ 首先在 超導(dǎo)轉(zhuǎn)子的端面(2)上標(biāo)記出X軸，然后采用球面曲尺在轉(zhuǎn)子球面上畫出過XOY平行截面 線與平衡水平線的兩個(gè)交點(diǎn)并垂直于XOY平面的截面線，延伸到超導(dǎo)轉(zhuǎn)子的端面上形成一條直線，稱為擺動(dòng)軸平行線；擺動(dòng)軸平行線與+χ軸方向的夾角為角；采用照相機(jī)拍攝超導(dǎo)轉(zhuǎn)子的端面，然后測(cè)量所拍攝照片上擺動(dòng)軸平行線與X軸的夾角得到θ角的大小。
4.按照權(quán)利要求1所述的不完整球形超導(dǎo)轉(zhuǎn)子的平衡測(cè)定方法，其特征在于，所述的 根據(jù)所測(cè)得的超導(dǎo)轉(zhuǎn)子添加不同增重片后的不平衡量方位角化θ，計(jì)算超導(dǎo)轉(zhuǎn)子本身不平 衡量的大小和方位的步驟如下超導(dǎo)轉(zhuǎn)子分別添加增重片1、2后的不平衡量的大小|《|、由下列關(guān)系式得到 對(duì)于添加增重片ι的情況，超導(dǎo)轉(zhuǎn)子本身的偏心距大小IA1I和方位角Pw由下列關(guān)系式 得到 類似地，對(duì)于添加增重片2的情況，也得到一組轉(zhuǎn)子本身的偏心距大小|‘|和方位角& 數(shù)據(jù)，一般取平均值作為最終結(jié)果，即Kh^il+fcl)，外=去(徹+外2); Θ。角是恒定不變的，取兩次測(cè)量的平均值作為最終結(jié)果，即 其中，超導(dǎo)轉(zhuǎn)子添加增重片1后的質(zhì)量為Hi1，總的偏心距為司，6在XOY平面的投影為 ‘，&在ζ軸上的分量為。其大小分別為間|、I‘^和IU;灼為 ,與+ζ軸方向的夾角，Q1 為‘與+X軸的夾角；超導(dǎo)轉(zhuǎn)子添加增重片2后的質(zhì)量為m2，總的偏心距為，A在XOY平 面的投影為‘2，&在Z軸上的分量為‘，其大小分別為|引、|‘2|和|‘|;灼為4與+Z軸方 向的夾角，θ 2為丨‘21與+X軸的夾角。巧、<分別為增重片1、2的質(zhì)心到坐標(biāo)原點(diǎn)0的距離。增重片1和2重量差值為Am = Hi2-Hi1，高度差為Ah，相當(dāng)于一個(gè)質(zhì)量Δπι、厚度為Ah的、虛擬的增重片，r為這個(gè)虛擬增重 片的質(zhì)心到坐標(biāo)原點(diǎn)0的距離。超導(dǎo)轉(zhuǎn)子本身的質(zhì)量為IV偏心距為&，&在XOY平面的投影為Ι,ο，A在Z軸上的分量為‘，其大小分別為、|‘。|和|‘|;外為 。與+Z軸方向的夾角，Qtl為‘。與+X軸的夾角。Pm卜K^l、|《m|和外i為采用超導(dǎo)轉(zhuǎn)子添加增重片1的測(cè)量數(shù)據(jù)計(jì)算得到超導(dǎo)轉(zhuǎn)子本身不平衡特性的一組數(shù)據(jù)，依次為不平衡量大小、不平衡量在XOY平面投影分量的大小、不 平衡量在Z軸的分量大小，以及不平衡量與Z軸的夾角；類似地，|‘|、I^021, |《。2|和徹為 采用超導(dǎo)轉(zhuǎn)子添加增重片2的測(cè)量數(shù)據(jù)計(jì)算得到超導(dǎo)轉(zhuǎn)子本身不平衡特性的一組數(shù)據(jù)。
全文摘要
一種不完整球形超導(dǎo)轉(zhuǎn)子的平衡測(cè)定方法，通過在所述的超導(dǎo)轉(zhuǎn)子的中心管內(nèi)底面添加增重片(11)，人為增大轉(zhuǎn)子+Z軸方向的不平衡分量，控制轉(zhuǎn)子總的不平衡量的方位靠近+Z軸，實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)轉(zhuǎn)子的連續(xù)、穩(wěn)定氣浮。通過改變?cè)鲋仄闹亓?，測(cè)定超導(dǎo)轉(zhuǎn)子添加不同增重片后的不平衡量方位角、θ，計(jì)算得到超導(dǎo)轉(zhuǎn)子本身不平衡量的大小和方位。
文檔編號(hào)G01M1/16GK101839791SQ20101018204
公開日2010年9月22日 申請(qǐng)日期2010年5月19日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月19日
發(fā)明者嚴(yán)陸光, 戴銀明, 王暉, 王秋良, 高霏 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院電工研究所