技术领域
[0001] 本
发明涉及一种超导转子静平衡检测的设备及其检测方法，特别涉及一种用于特殊结构超导转子静平衡检测的装置及其检测方法。
背景技术
[0002] 转子的
质量不平衡是指转子质心和转子的几何中心不重合。在转子旋转过程中，该不平衡质量会产生不平衡
力矩，使转子产生振动从而造成惯性系统中转子的漂移，降低仪表
精度，这是精密仪表所不允许的。因此精确测量转子不平衡量再调整转子的质量分布使不平衡量达到一定的精度要求是很有必要的。
[0003] 超导转子不平衡量的产生有两方面的因素：(1)由转子材料、组织不均匀等形成的不平衡量，如由于材料加工、
热处理、
焊接等造成的
密度不均匀、组织
缺陷、组织微结构不一致等；(2)由转子加工误差形成的不平衡量，如转子加工处理过程中存在的尺寸公差、形位公差、表面粗糙度等。
[0004] 转子的平衡精度采用偏心距指标衡量，偏心距是一个向量，其大小定义为单位质量的转子质心偏离形心的距离，单位为米，其方向从转子外球面球心指向转子质心。可见，测定超导转子的平衡精度包含两个内容，即不仅要确定转子不平衡量的大小，还要确定其方位。
[0005] 传统的静平衡测试法都难以适用或达不到足够的平衡精度。采取三点
支撑传感器称重的方式也可以对该转子进行测量，但是，这种装置是对运行中有固定空间回
转轴的转子进行轴对称静平衡测量，测出的偏心
位置是相对于回转轴的，是过垂直于回转轴投影面的二维静平衡，而对相对于球心有三维空间静平衡要求的球形转子的测量无能为力；其次三点式平衡测量对三个传感器安装位置精度、自身加工精度和弹性应变线性度的统一性要求很高。质量小、球体带有小平台和圆柱孔，其特殊的结构和工作环境的特殊性，决定了这种超导转子不能采用传统测量静平衡的方法。
[0006] 特殊结构超导转子的静平衡可以采用简单的气浮测量法[高霏，王晖，胡新宁，王秋良.不完整球形超导转子静平衡的气浮测量方法.光学精密工程,2012,20（7）:1566-1572]，但通过拍照、划线等方式确定
角度大小，精度偏低，不能满足超导转子高精度平衡测定的需要。
[0007] 三点拾取法是测量转子不平衡量方位角的一种方法。三点拾取法是利用相互间隔120°的三个电
涡流位移传感器采集转子位移信息，所述的三个电涡流位移传感器与检测工装的薄壁半球腔球心距离为R。设三个电涡流位移传感器的初始示数为w01，w02，w03；转子气浮后，在重力的作用下自由偏转。转子停止摆动后，位移传感器的示数分别为w1，w2，w3；此时转子端面的法向向量为：
[0008]
[0009] 因此，检测工装的偏转角度即转子的偏转角度，转子的偏转角度可用检测工装的环形端面与Z轴的夹角 表示，以及环形端面在
水平面上的投影与X轴的夹角θ表示。
[0010]
[0011]
[0012] 上述算式中，w01，w02，w03为三个电涡流位移传感器的初始示数，w1，w2，w3为工装气浮摆动稳定后位移传感器的示数，向量{a,b,c}为工装气浮摆动稳定后环形端面的法向向量，为检测工装的环形端面与Z轴的夹角，θ为检测工装的环形端面在水平面上的投影与X轴的夹角。
发明内容
[0013] 本发明的目的是克服
现有技术的缺点，提出一种用于特殊结构超导转子静平衡检测的装置及其检测方法。本发明用于一种特殊结构的不完整球形超导转子的静平衡检测。
[0014] 本发明采用高精度电涡流位移传感器，采用三点拾取法对超导转子不平衡量的方位角进行测量，计算得出超导转子自身的不平衡量的大小和方位。
[0015] 本发明检测装置包括检测工装和六孔侧吹式静压气浮
轴承。其中，六孔侧吹式静压气浮轴承位于本装置的最下方，起支撑检测工装的作用。检测工装位于六孔侧吹式静压气浮轴承的气浮腔内。待检测的特殊结构的超导转子置于检测工装的薄壁半球腔内。
[0016] 所述的检测工装由薄壁半球腔，凸台和环形端面组成，薄壁半球腔，凸台和环形端面三者具有同轴性，三者为一体。凸台为圆柱形，位于薄壁半球腔底部的中央。环形端面作为超导转子端面的延展面，与薄壁半球腔相连接，环形端面的表面与超导转子赤道面为同一平面；待检测的超导转子的中心孔套在凸台上，凸台的外圆柱面与超导转子的中心管相配合。薄壁半球腔与六孔侧吹式静压气浮轴承相配合，实现气浮摆动。凸台对超导转子进行
定位，保证检测工装的环形端面与超导转子端面平行，保证装配精度。三个电涡流位移传感器相互间隔120°布置在环形端面上，以测量转子的偏移角度。检测工装的轴线与超导转子的轴线重合。检测工装的环形端面作为转子端面的延展面，环形端面具有一定的厚度，与凸台和薄壁半球腔具有同轴性。
[0017] 本发明的检测对象：特殊结构的超导转子为薄壁空心非完整球形转子，在薄壁球壳正中穿有一个中心管，该中心管的回转轴线过超导转子外球面的球心。中心管的一端开口在超导转子表面形成孔口，另一端封闭形成端面，旋转时，中心管的端面在上，孔口在下。中心管的中部有四个对称分布的窗口。四个窗口的对称中心线与超导转子球心在同一个平面内，并且该平面垂直于中心管的回转轴线。
[0018] 本发明使用三个均匀分布的电涡流传感器，采用三点拾取法对超导转子不平衡量的方位角进行测量。
[0019] 本发明根据检测工装的尺寸参数，利用AUTO-CAD的面域功能可以得出检测工装的质心位置为rn。
[0020] 本发明的基本原理和工作过程如下述：
[0021] 将待检测超导转子的中心孔套入检测工装的凸台，控制超导转子总的不平衡量的方位靠近转子中
心轴线，采用精密
电子天平称量装配有待检测超导转子的检测工装的总重量。由六孔侧吹式静压气浮轴承实现超导转子的连续、稳定气浮。将同一个待检测超导转子分别与两套不同质量的检测工装装配，测定安装在不同质量检测工装上的超导转子的不平衡量方位角 θ，方位角 为检测工装的环形端面与Z轴的夹角，方位角θ为检测工装的环形端面在水平面上的投影与X轴的夹角。计算得到超导转子自身不平衡量的大小和方位。
[0022] 本发明测量转子不平衡量的步骤为：
[0023] 1、首先计算得出两套不同质量的检测工装质心r1和r2，两个检测工装的质心之间的距离r＝|r1-r2|；
[0024] 2、将同一个待检测超导转子分别安装在两套不同质量的检测工装上。采用精密电子天平称量装有待检测超导转子的第一套检测工装的质量为m1，装有待检测超导转子的第二套检测工装的质量为m2，转子质量为m0，两套装有待检测超导转子的检测工装的质量差为Δm＝|m1-m2|。
[0025] 3、测量时，将待检测超导转子安装在第一套检测工装上，放置于六孔侧吹式静压气浮轴承内，使用高精度圆柱度仪调整超导转子的端面，使超导转子处于水平状态。此时记录下三个电涡流位移传感器的示数为w01，w02，w03。打开气源，缓慢调整减压
阀开关，向六孔侧吹式静压
气体轴承通入气体，使超导转子处于气浮状态，观察超导转子浮起后的摆动情况；轻微地触动超导转子，反复观察超导转子的摆动情况，若超导转子连续、稳定地小幅摆动，即表明超导转子实现了连续、稳定的气浮。当转子停止摆动后，超导转子的质心垂直向下，记录三个电涡流位移传感器的示数为w1，w2，w3。根据三点拾取法即可得出此时超导转子不平衡量的方位角 θ1；其中超导转子与第一套检测工装装配后的总偏心距为 总偏心距 与Z轴夹角为 总偏心距 在XOY平面的投影与X轴的夹角为θ1。
[0026] 4、类似的，将待检测超导转子安装在另外一套检测工装上，此检测工装与第一套检测工装形状相同，环形端面厚度不同，因而质量不同。采用与上述步骤3相同的操作方法得出此时待检测超导转子不平衡量的方位角 θ2；待检测超导转子与第二套检测工装装配后总偏心距为 总偏心距 与Z轴夹角为 在XOY平面的投影与X轴的夹角为θ2。
[0027] 5、根据偏心距计算公式可得：
[0028]
[0029] 式中： 分别为装有待检测超导转子的两套检测工装的总偏心距，Δm为两套检测工装的质量差，r为两套检测工装的质心位置差。
[0030] 对于待检测超导转子与质量为m1的第一套检测工装相装配的情况，超导转子自身的偏心距大小 和方位角 由下列关系式得到：
[0031]
[0032]
[0033]
[0034]
[0035] 式中，m1为第一套检测工装的质量，m0为待检测超导转子的质量，r为两套检测工装的质心位置差， 为安装在第一套检测工装上的待检测超导转子自身的偏心距 在Z轴的投影， 为安装在第一套检测工装上的待检测超导转子自身的偏心距 在XOY平面的投影。
[0036] 类似地，对于待检测超导转子与质量为m2的第二套检测工装相装配的情况，也得到一组待检测超导转子自身的偏心距大小 和方位角 数据。
[0037] 取上述两组待检测超导转子自身的偏心距 和方位角φ01、 数据的平均值作为待检测超导转子的偏心距大小和方位角的最终值，即
因θ0角是恒定不变的，因此取两次测量得到的θ0角值θ1、θ2的平均值作为待
检测超导转子的方位角θ0的最终值，即 偏心距大小 为待检测超导转子的
不平衡量。
[0038] 其中，超导转子的质量为m0，偏心距为
[0039] 待检测超导转子与第一套检测工装装配后的总质量为m1，待检测超导转子与第一套检测工装装配后的总偏心距为 总偏心距 与Z轴夹角为 在XOY平面的投影与X轴的夹角为θ1。采用此组数据通过公式（2）、（3）、（4）、（5）计算得到待检测超导转子自身的偏心距为 待检测超导转子自身的偏心距 在Z轴的投影为 待检测超导转子自身的偏
心距 与Z轴的夹角为 待检测超导转子自身的偏心距 在XOY平面的投影为 待检
测超导转子自身的偏心距 在XOY平面的投影与X轴夹角为θ1；
[0040] 待检测超导转子与第二套检测工装装配后的总质量为m2，待检测超导转子与第二套检测工装装配后总偏心距为 总偏心距 与Z轴夹角为 在XOY平面的投影与X轴的夹角为θ2。采用此组数据通过公式（2）、（3）、（4）、（5）计算得到待检测超导转子自身的偏心距为 待检测超导转子自身偏心距 在Z轴的投影为 待检测超导转子自身偏心距
与Z轴的夹角为 待检测超导转子自身偏心距 在XOY平面的投影为 待检测超导
转子自身偏心距 在XOY平面的投影与X轴夹角为θ2；
[0041] 两个检测工装的质量差为Δm，两个检测工装的质心位置差为r。
附图说明
[0042] 图1超导转子结构示意图，图中：1转子端面，2孔口，3中心管的窗口；
[0043] 图2本发明检测装置结构示意图，图中：4超导转子，5检测工装，6六孔侧吹式静压气体轴承；
[0044] 图3检测工装结构示意图，图中：7薄壁半球腔，8凸台，9环形端面；
[0045] 图4三个电涡流位移传感器位置分布图，图中：10电涡流位移传感器W1，11电涡流位移传感器W2，12电涡流位移传感器W3。
具体实施方式
[0046] 下面结合附图及具体实施方式对本发明进一步说明。
[0047] 图1为本发明检测对象特殊结构的超导转子的结构示意图。如图1所示，在超导转子薄壁球壳正中穿有一个中心管，该中心管回转轴线过转子外球面的球心；中心管的一端开口，在超导转子表面形成孔口2，中心管的另一端封闭，形成端面1。旋转时，中心管的端面在上，孔口在下。中心管的中部有四个对称分布的窗口3。四个窗口的对称中心线与超导转子球心O在同一个平面内，并且该平面垂直于中心管的回转轴线；以超导转子球心为原点建立如图1所示的转子
坐标系：以超导转子的球心为原点，轴线方向为Z轴，赤道面为XOY面，中心管中部的窗口，两两相对的窗口中心点相连接的方向分别为X轴和Y轴。
[0048] 图2为本发明检测装置示意图，所述的装置包括检测工装和5六孔侧吹式静压气浮轴承6。其中，六孔侧吹式静压气浮轴承6位于本检测装置的最下方，起支撑检测工装5的作用。检测工装5位于六孔侧吹式静压气浮轴承6的气浮腔内。待检测的特殊结构的超导转子4置于检测工装5的薄壁半球腔7内。
[0049] 如图3所示，检测工装5由薄壁半球腔7，凸台8和环形端面9组成，薄壁半球腔7，凸台8和环形端面9三者具有同轴性，三者为一体。凸台8为圆柱形，位于薄壁半球腔7底部的中央。环形端面9作为转子端面的延展面，与薄壁半球腔7相连接，环形端面9的表面与超导转子赤道面为同一平面。薄壁半球腔7与六孔侧吹式静压气浮轴承6相配合，实现气浮摆动。检测的超导转子4的中心孔套在凸台8上，凸台8的外圆柱面与超导转子4的中心管相配合，凸台8对超导转子4进行定位，保证检测工装5的环形端面9与超导转子4的端面平行，保证装配精度。如图4所示，三个电涡流位移传感器10、11、12相互间隔120°布置在环形端面9上，测量超导转子4的偏移角度。检测工装5的中心轴线与超导转子4的中心轴线重合。检测工装5的环形端面9作为超导转子4的端面的延展面，环形端面9具有一定的厚度，与凸台8和薄壁半球腔7具有同轴性。
[0050] 所述的特殊结构超导转子4为薄壁空心非完整球形转子，通过凸台8进行定位和装配，使特殊结构超导转子4与检测工装5同轴，转子端面1和检测工装5的环形端面9平行。
[0051] 如图4所示，所述的三个电涡流位移传感器10、11、12相互间隔120°置于检测工装5的环形端面9的下表面，与六孔侧吹式静压气浮轴承6相对，三个电涡流位移传感器10、11、12与检测工装5的薄壁半球腔7的球心距离为R。
[0052] 电涡流位移传感器10、11、12输出的电
信号通过
数据处理转换成位移值，并且通过计算得出超导转子4不平衡量的方位角。
[0053] 转子不平衡量的方位角的测量方法为：
[0054] 将待检测超导转子4的中心孔套入检测工装5的凸台8，控制待检测超导转子4总的不平衡量的方位靠近超导转子4的中心轴线，采用精密电子天平称量装配有待检测超导转子的检测工装的总重量。由六孔侧吹式静压气浮轴承6实现超导转子4的连续、稳定气浮。将同一个待检测超导转子4分别与两套不同质量的检测工装装配，测定安装在不同质量的检测工装上的待检测超导转子4的不平衡量方位角 θ，方位角 为检测工装的环形端面与Z轴的夹角，方位角θ为检测工装环形端面在水平面上的投影与X轴的夹角。计算得到待检测超导转子4自身不平衡量的大小和方位。
[0055] 具体的测量步骤如下：
[0056] 1、首先计算得出两套不同质量的检测工装的质心为r1和r2，两套检测工装的质心之间的距离r＝|r1-r2|；
[0057] 2、将同一个待检测超导转子4分两次安装在两套不同质量的检测工装上。采用精密电子天平称量装有超导转子4的第一套检测工装的质量为m1，装有超导转子4的第二套检测工装的装配质量为m2，转子质量为m0，两套装有超导转子4的检测工装的质量差为Δm＝|m1-m2|。
[0058] 3、测量时，将待检测超导转子4安装在第一套检测工装上，放置于六孔侧吹式静压气浮轴承6内，使用高精度圆柱度仪调整超导转子4的端面，使超导转子4处于水平状态。此时记录下三个电涡流位移传感器的示数为w01，w02，w03。打开气源，缓慢调整减压阀开关，向六孔侧吹式静压气体轴承6通入气体，使超导转子4处于气浮状态，观察超导转子4浮起后的摆动情况；轻微地触动超导转子4，反复观察超导转子4的摆动情况，若超导转子4连续、稳定地小幅摆动，即表明超导转子4实现了连续、稳定的气浮。当超导转子4停止摆动后，超导转子4的质心垂直向下，记录三个电涡流位移传感器的示数为w1，w2，w3。根据三点拾取法即可得出此时不平衡量的方位角 θ1，方位角 为第一套检测工装的环形端面与Z轴的夹角，方位角θ1为第一套检测工装的环形端面在水平面上的投影与X轴的夹角。
[0059] 4、类似的，将待检测超导转子4安装在另外一套检测工装上，此测量工装与上一次的测量工装形状相同，环形端面厚度不同，因而质量不同，采用与上述步骤3相同的操作方法得出此时待检测超导转子4的不平衡量的方位角 θ2，方位角 为第二套检测工装的环形端面与Z轴的夹角，方位角θ2为第二套检测工装的环形端面在水平面上的投影与X轴的夹角。
[0060] 5、根据偏心距计算公式可得：
[0061]
[0062] 式中： 分别为装有待检测超导转子4的两套检测工装的总偏心距，Δm为两套检测工装的质量差，r为两套检测工装的质心位置差。
[0063] 对于待检测超导转子4与质量为m1的第一套检测工装相装配的情况，待检测超导转子4自身的偏心距大小 和方位角 由下列关系式得到：
[0064]
[0065]
[0066]
[0067]
[0068] 式中，m1为第一套检测工装的质量，m0为待检测超导转子4的质量，r为两套检测工装的质心位置差， 为安装在第一套检测工装上的待检测超导转子4自身的偏心距 在Z轴的投影， 为安装在第一套检测工装上的待检测超导转子4自身的偏心距 在XOY平面的投影。
[0069] 类似地，对于待检测超导转子4与质量为m2的第二套检测工装相装配的情况，也得到一组转子本身的偏心距大小 和方位角 数据。
[0070] 取上述两组待检测超导转子4的偏心距大小 和方位角φ01、 数据的平均值作为待检测超导转子的偏心距大小和方位角的最终值，即
θ0角是恒定不变的，取两次测量的θ0角的值θ1、θ2的平均值作为待检测超
导转子的方位角θ0的最终值，即 偏心距大小 为待检测超导转子4的不平
衡量。
[0071] 其中，超导转子的质量为m0，偏心距为
[0072] 待检测超导转子4与第一套检测工装装配后的总质量为m1，待检测超导转子4与第一套检测工装装配后的总偏心距为 总偏心距 与Z轴夹角为 总偏心距 在XOY平面的投影与X轴的夹角为θ1。采用此组数据通过公式（2）、（3）、（4）、（5）计算得到超导转子4的偏心距为 待检测超导转子4自身的偏心距 在Z轴的投影为 待检测超导转子4自身的偏心距 与Z轴的夹角为 待检测超导转子4自身的偏心距 在XOY平面的投影为
[0073] 待检测超导转子4与第二套检测工装装配后的总质量为m2，待检测超导转子4与第二套检测工装装配后的总偏心距为 总偏心距 与Z轴夹角为 总偏心距 在XOY平面的投影与X轴的夹角为θ2。采用此组数据通过公式（2）、（3）、（4）、（5）计算得到待检测超导转子自身的偏心距为 待检测超导转子4在Z轴的投影为 待检测超导转子4自身偏心距与Z轴的夹角为 待检测超导转子4自身偏心距 在XOY平面的投影为
