[发明专利]一种不完整球形超导转子气浮法平衡测定方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种不完整球形超导转子平衡测定的方法。

背景技术

针对带有机械支持轴的传统转子，一般采用动平衡机实现其平衡测定和校正。目前，为了彻底消除机械摩擦对仪器装置工作性能的影响，开发出一系列无机械支撑轴的新型、高精度的特殊转子，如静电悬浮转子、磁悬浮转子(细分为永磁、电磁悬浮转子，高温超导磁浮转子和低温超导磁浮转子)，气浮转子等等。这些无机械支撑轴的转子的平衡问题往往不能采用现有的平衡技术和装置解决。

高精度的超导转子是极高精度超导重力计等以超导磁悬浮为基本特征的测量仪器中的关键核心部件，其平衡精度直接决定仪器的工作性能和测量精度。一种超导转子的结构如图1。如图1所示，该超导转子为一个不完整的空心薄壁球体，在薄壁球壳正中穿有一个中心管1，其回转轴线过转子外球面的球心；管的一端开口，一端封闭，在转子外表面形成一个端面2和一个孔口3。中心管1的中部有四个对称分布的窗口4。四个窗口的对称中心线7与转子球心O在同一个平面内，并且该平面垂直于中心管1的回转轴线，如图2所示。中心管窗口的棱边8都是向心的。

在超导转子上设定如下直角坐标系：坐标系的原点O设定在转子外球面的球心，Z轴平行中心管1的回转轴线，正方向指向转子端面2，X轴、Y轴分别通过中心管四个窗口的对称中心线7。在转子的内腔面上有一个圆柱面6，其回转轴线为Z轴，在XOY平面上下对称分布。转子球壳5的壁厚不均匀，在XOY平面最厚，向两侧逐渐减薄，接近中心管1时又逐渐变厚，壁厚在0.5～3.5mm之间变化。超导转子设计的质心在转子外球面的球心O处，使转子在任意位置都是平衡的。但在超导转子的实际制造过程中不可避免地存在偏差，导致转子不平衡，其偏心距大小一般在20～200μm之间。

图1和图2所示超导转子是一种高精度的不完整球形超导转子，外球面球度达到0.5～1.5μm，工作在1.8～4.2K的极低温环境中，无机械接触地超导磁悬浮，自由地高速旋转，因此要求该转子具有高的平衡精度，偏心距大小达到1.0μm以下。另外，该转子由单一的高纯超导金属铌材料制成，其外型面和中心管内壁面均为高精度的超导和电磁工作面，具有高的加工精度和表面光洁度，并且金属纯铌的熔点高(2400℃以上)、硬度低(与纯铜类似)，容易变形和划伤。平衡过程的一个基本要求是不能破坏超导转子的加工精度，不能影响超导转子的电磁特性、超导特性等。

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。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。

采用动平衡机或静平衡测试仪法测定转子不平衡量的大小和方位，需要在转子中心管内配做一根高平衡精度的机械轴，带动转子转到每分钟数千转的转速。这一方法存在几个难以克服的困难：(1)转子的质量较小(80～120克)，机械轴的质量必须与之比较接近才能形成共振，同时要求机械轴的刚度、平衡精度非常好，造成机械轴的选材和加工困难；(2)转子的中心管是薄壁管(壁厚＜1mm)，并且开有窗口，刚度较小，金属铌材料的强度也小，机械轴与中心管的装配如果不够紧密和牢固，则不能带动转子高速旋转，平衡测定不准确，如果追求紧密和牢固则不可避免地破坏中心管的加工精度和表面光洁度。因此，不能直接采用现有的动平衡机技术测定该转子的平衡精度。

气体悬浮法、液体悬浮法和静电悬浮法一般适用于外形完整的球形转子的平衡测定。以气浮法为例说明，其测静平衡的基本原理是，首先气浮装置的球腔和待测球体的外球面具有好的球度，且直径差值小，通过气孔吹气在气浮装置的球腔和待测球体的外球面之间形成一个厚度均匀、对称分布的气膜；这样，待测球体受到的气膜压力均指向球体外球面的球心，形成的合力为一个垂直向上的力，用以抵消重力；其余方向的力相互抵消为零，从而实现待测球体的稳定气浮。在外界干扰很小的条件下，待测球体的质心自然垂直向下达到稳定状态，由此确定测球体的不平衡量方位；不平衡量的大小通过测定摆动周期，由下式计算得到：