靜電平衡

1、處于靜電平衡狀態(tài)的導(dǎo)體其內(nèi)部場強(qiáng)為零。

2、處于靜電平衡的導(dǎo)體，其外部表面附近任何一點的場強(qiáng)方向跟該點的表面垂直。

3、處于靜電平衡狀態(tài)的整個導(dǎo)體是個等勢體，它的表面是個等勢面。地球是一個極大的導(dǎo)體，可以認(rèn)為處于靜電平衡狀態(tài)，所以它是一個等勢體。

4、處于靜電平衡的導(dǎo)體內(nèi)部電荷密度處處為零（可由高斯定理證明）。

5、處于靜電平衡的導(dǎo)體上電荷只能存在于導(dǎo)體表面。

無論導(dǎo)體是否帶電，一旦其處于外電場中，在外電場E的作用下，導(dǎo)體內(nèi)的自由電子受到電場力的作用，將向著電場的反方向做定向移動，因而產(chǎn)生的感應(yīng)電荷所附加的感應(yīng)電場

靜電平衡時，導(dǎo)體上的電荷分布有以下三個特點：

1.導(dǎo)體內(nèi)部沒有凈電荷，正負(fù)凈電荷只分布在導(dǎo)體的外表面。

2.導(dǎo)體內(nèi)部無場強(qiáng)，表面場強(qiáng)垂直于表面且滿足E=σ/ε。

3.在導(dǎo)體表面，越尖銳的地方，電荷的密度（單位面積的電荷量）越大，凹陷的位置幾乎沒有電荷。稱為尖端放電現(xiàn)象。2100433B

在金屬導(dǎo)體內(nèi)部有可以任意移動的自由電荷，這些電荷在做無規(guī)則熱運動。如果無外力作用，整個導(dǎo)體呈電中性。當(dāng)導(dǎo)體周圍加上電場。電荷受到恒定外力時，自由電荷會發(fā)生定向移動，導(dǎo)體就會出現(xiàn)一端帶正電一端帶負(fù)電的現(xiàn)象。我們把導(dǎo)體中的電荷在外電場作用下發(fā)生重新分布的現(xiàn)象叫做靜電感應(yīng)。導(dǎo)體上因感應(yīng)而產(chǎn)生的電荷叫做感應(yīng)電荷。

導(dǎo)體的特點是它具有可以自由移動的電荷，這些自由電荷在電場中受力后會做定向運動，而“靜電平衡”指的是導(dǎo)體中的自由電荷所受的力達(dá)到平衡而不再做定向運動的狀態(tài)。

沉淀平衡判斷沉淀的溶解與生成

利用溶度積K_sp可以判斷沉淀的生成、溶解情況以及沉淀溶解平衡移動方向。

（1）當(dāng)Q_c>K_sp時是過飽和溶液，反應(yīng)向生成沉淀方向進(jìn)行，直至達(dá)到沉淀溶解平衡狀態(tài)（飽和為止）；

（2）當(dāng)Q_c=K_sp時是過飽和溶液時是飽和溶液，達(dá)到沉淀溶解平衡狀態(tài)；

（3）當(dāng)Q_c sp時是不飽和溶液，反應(yīng)向沉淀溶解的方向進(jìn)行，直至達(dá)到沉淀溶解平衡狀態(tài)（飽和為止）。

以上規(guī)則稱為溶度積規(guī)則。沉淀的生成和溶解這兩個相反的過程它們相互轉(zhuǎn)化的條件是離子濃度的大小，控制離子濃度的大小，可以使反應(yīng)向所需要的方向轉(zhuǎn)化。

沉淀平衡判斷沉淀的轉(zhuǎn)化

所謂沉淀的轉(zhuǎn)化，是指在含有一種難溶物沉淀的溶液中，加入另一種沉淀劑，是原來的沉淀轉(zhuǎn)化成另一種沉淀。例如，在有AgCrO ₄（磚紅色）沉淀的溶液中，滴加NaCl溶液，AgCrO4沉淀迅速地轉(zhuǎn)化成AgCl（白色）沉淀。

根據(jù)平衡移動原理，利用難溶物質(zhì)的溶解度使沉淀進(jìn)行轉(zhuǎn)化。即由一種難溶的物質(zhì)（溶解濃度大）轉(zhuǎn)化成更難溶的物質(zhì)（溶解濃度?。┎拍馨l(fā)生，反之，就難以使沉淀轉(zhuǎn)化，這就是沉淀轉(zhuǎn)化的條件。

因此，沉淀轉(zhuǎn)化的過程，實際上也是平衡移動原理的體現(xiàn)，其中包含兩個過程：舊沉淀的溶解和新沉淀的生成。舊沉淀的溶解度越大，新沉淀的溶解度越小，沉淀的轉(zhuǎn)化越容易進(jìn)行，反之，就難于進(jìn)行，甚至不可能。但是，在新沉淀和舊沉淀的溶解度相差不大的時候，兩個方向的轉(zhuǎn)化都有可能，這是轉(zhuǎn)化過程的方向取決于兩種沉淀例子濃度的大小。

根據(jù)平衡頭產(chǎn)生不平衡量方式的不同，可以把已研制的平衡頭分為質(zhì)量變分布式、質(zhì)量變化式和作用力式等，現(xiàn)分類列出如下，如圖1所示:

質(zhì)量變分布式平衡頭

不改變平衡面處質(zhì)量的數(shù)量，而是改變質(zhì)量分布來調(diào)整平衡頭產(chǎn)生的不平衡量的方法稱之為質(zhì)量變分布式平衡頭。該型平衡頭可分為固體質(zhì)量分布和液體質(zhì)量分布兩不中。

華中理工大學(xué)張鴻海等人研制的智能式砂輪在線平衡儀、哈爾濱工業(yè)大學(xué)和浙江大學(xué)的電磁式平衡頭及美國LORD公司的自動平衡頭都屬于固體質(zhì)量分布類型，其優(yōu)勢在于根據(jù)電動機(jī)原理，采用電磁力這種非接觸方式去拖動平衡頭內(nèi)質(zhì)量不對稱的圓環(huán)，平衡盤都是屬于這一類型。

電磁式的自動平衡頭往往不能精確地使不平衡質(zhì)量沿周向連續(xù)地微調(diào)，只能以“步”為單位移動或鎖定，由于受其位置調(diào)節(jié)分度的制約，在最大平衡能力和最小可調(diào)量之間通常有矛盾。

典型的使用兩個配重塊周向調(diào)節(jié)的方案里，在調(diào)節(jié)時，單向移動的配重塊在質(zhì)量塊周向移動的過程中往往會有短時的轉(zhuǎn)子不平衡量增大的情況?？呻p向移動的配重塊的設(shè)計只能部分解決這個問題。但同時這個設(shè)計造成平衡頭結(jié)構(gòu)復(fù)雜化。

此外，在很強(qiáng)的離心力和振動下長時間運行時，自動平衡裝置的可靠性如何是影響實際工業(yè)應(yīng)用的最主要因素之一，機(jī)械活動部件的磨損和疲勞也是一個需要考慮的問題。

平衡盤屬于液體質(zhì)量分布類型，該類平衡頭存在調(diào)節(jié)速度或精度受到一定限制;此外，液體或蒸汽可能會泄漏;并且較難測得平衡頭內(nèi)各個室里的液體量，等等問題。但是造價低廉，結(jié)構(gòu)簡單，容易推廣。

質(zhì)量變化式

這類平衡頭主要分為增重/減重和注液/釋液兩類。

通過在轉(zhuǎn)子某個位置在線增重或減重來實現(xiàn)不停機(jī)自動平衡。例如，Gusarov等人通過在轉(zhuǎn)子某個位置較輕的相位噴涂快速凝固的流態(tài)物質(zhì)來平衡轉(zhuǎn)子。moue在一種用于自動動平衡機(jī)的專利里，用電火花加工方式在轉(zhuǎn)子某個區(qū)域用電火花刻蝕去重。此外，也有用激光在線去重的。

注液式平衡頭通常有3個以上的儲液室，其調(diào)節(jié)配重方式是不停機(jī)在線地向儲液室里注入液體；平衡盤都屬于這一類。由于轉(zhuǎn)盤上沒有活動機(jī)械部件，相比較而言，注液式平衡頭加工制造簡單、動作可靠。

作用力式一“虛擬”平衡頭

產(chǎn)生虛擬力的手段通常是采用電磁的方式，例如1992年Chen等人的專利就利用主動電磁軸承的電磁力來實現(xiàn)對轉(zhuǎn)子偏心造成的振動的控制。2001年北京工業(yè)大學(xué)黃曉蔚等人對利用主動電磁軸承實現(xiàn)自動平衡的方法進(jìn)行了實驗研究。

作用力式的平衡頭具有非接觸、無活動機(jī)械部件的優(yōu)點，然而電磁軸承的承載力是有限的；同時由于電磁力支承具有副剛度，它實現(xiàn)穩(wěn)定懸浮就已經(jīng)比較困難，具有一定的不穩(wěn)定性，需要閉環(huán)控制才可以克服。電磁力是一個隨磁間隙增大而非線性地迅速減小的力，這種非線性也使電磁力的大小比較難以精確控制。

注液式轉(zhuǎn)子振動平衡系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)

這種平衡系統(tǒng)的設(shè)計以德國Hofmann公司和德國Dittel公司的產(chǎn)品應(yīng)用最為廣泛，下面分別予以介紹。

Hofmann公司的產(chǎn)品，以砂輪噴液型主動平衡裝置最為常用。該裝置采用計算機(jī)微處理系統(tǒng)實現(xiàn)閉環(huán)控制，其平衡砂輪最高轉(zhuǎn)速為60000 r /min，平衡所需時間為10秒到300秒，若需要重新平衡其時間大約為5秒，其平衡精度能達(dá)到。該平衡系統(tǒng)已在高速和超高速磨床上得到了廣泛應(yīng)用，框圖如圖2所示。

Dittel公司的H6000平衡系統(tǒng)主要由被控轉(zhuǎn)子、信號采集器、控制器和執(zhí)行器四部分組成，主要應(yīng)用在高精度的磨床機(jī)械，結(jié)構(gòu)如圖5所示。

從這兩套系統(tǒng)來看，注液式振動平衡系統(tǒng)一般包括:振動檢測單元、振動信號處理單元、控制單元、液體流量控制單元和平衡盤等。系統(tǒng)開始工作后，振動傳感器會實時檢測轉(zhuǎn)子的振動信號，系統(tǒng)中的控制單元會根據(jù)算法實時判斷當(dāng)前轉(zhuǎn)子的振動是否超限，并計算超限情況下需注入平衡盤內(nèi)的液體量，并根據(jù)振動反饋情況實時調(diào)整注液量，將振動控制在安全范圍內(nèi)。在實際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)這一類系統(tǒng)存幾個問題需要研究解決:

(1)平衡盤的結(jié)構(gòu)設(shè)計制約，使系統(tǒng)在長期工作后，由于腔內(nèi)液體注滿而失去平衡能力;

(2)采用電磁閥進(jìn)行液體流量控制，當(dāng)單個電磁閥發(fā)生故障時，系統(tǒng)將無法正常工作;而且電磁閥在設(shè)備運行過程中，開關(guān)頻繁，易發(fā)生故障;

(3)平衡算法原因造成首次噴液振動增大，對設(shè)備安全有一定程度危害。

為解決第一個問題，克服前述注液式平衡頭的缺點，賀世正提出了一種釋液式平衡系統(tǒng)。在該系統(tǒng)增加了一個電磁閥，通過電磁閥，儲液室滿了以后可釋放其中液體。但這種方式增加了平衡頭的制造難度，降低了可靠性。由于無法測量儲液室的液體量，只能通過是否有調(diào)節(jié)能力來判斷儲液室狀態(tài)，因此會造成某段時間調(diào)節(jié)效果較差。

2006年北京化工大學(xué)高金吉、張鵬設(shè)計了一種新型的可連續(xù)注液、排液的自動平衡頭，該平衡頭利用液位自衡原理，設(shè)計了不受控制的排液孔，只控制注液流速，通過連續(xù)不斷的注液在平衡頭內(nèi)形成的動態(tài)液體實現(xiàn)轉(zhuǎn)子的不平衡補(bǔ)償。而且該平衡盤設(shè)計安裝簡單方便，而且由于不受控的連續(xù)排液，因此腔體不會因注滿而失去平衡能力，從而為解決第一個問題提供了新的辦法。

振動信號采集與處理技術(shù)

旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動控制的研究主要還是集中在不平衡振動方面，因而關(guān)于旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動信號數(shù)字處理方法的研究與應(yīng)用的報道也主要集中在轉(zhuǎn)頻振動信號處理方面，所采用的核心算法主要是DFT(Discrete Foutier Tansform，簡寫成DFT)和FFT(FastFoutier Tansform，簡寫成FFT)，該部分的成果對于轉(zhuǎn)子振動主動控制系統(tǒng)的實現(xiàn)具有很重要的借鑒意義，相關(guān)的應(yīng)用報道主要有:

• 報道基于FFT的軟件算法在動平衡試驗機(jī)上的應(yīng)用。

• 鄭建彬采用基于DFT的動平衡機(jī)不平衡量提取算法，在頻域提取不平衡量的幅度和相位，不平衡幅度測試精度達(dá)4m，相角小于2°。

• 提出了基于FFT的數(shù)字信號處理方法，根據(jù)測定的車輪動平衡轉(zhuǎn)速求解出與車輪不平衡量有關(guān)的振動信號的振幅和相位，把時域離散振動信號轉(zhuǎn)化到頻域進(jìn)行分析處理。

• 白志剛，唐貴基為了提取出轉(zhuǎn)子動不平衡信號的幅值和相位特征，首先采用鎖相倍頻電路控制A心進(jìn)行整周期采樣，然后利用FFT進(jìn)行頻譜分析。

• 首先列舉了互相關(guān)和傅立葉變換兩種算法的應(yīng)用及特點，而后通過試驗從精度和計算時間兩方面進(jìn)行了比較。認(rèn)為采用傅立葉變換求解不平衡量的幅值和相位可以獲得良好的效果

• 通過對相位差校正法的仿真計算及誤差分析，基于頻譜校正理論開發(fā)了虛擬動平衡測試儀，該測試儀可準(zhǔn)確計算出不平衡質(zhì)量的幅值及相位。

• 董永貴提出一種整周期采樣的軟件實現(xiàn)方法來解決信號采樣問題。對鍵相信號與振動信號進(jìn)行同步采樣，而對振動信號的整周期截取則利用軟件實現(xiàn)。其優(yōu)點在于可利用通用數(shù)據(jù)采集卡實現(xiàn)整周期采樣。

• 徐晶，于向軍引入現(xiàn)代數(shù)字信號處理技術(shù)，基于快速傅立葉變換算法對球磨機(jī)軸承振動信號進(jìn)行頻譜分析，實現(xiàn)了存煤量的監(jiān)測，并對采集的試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行了處理與分析。

• 耿慧論述了在旋轉(zhuǎn)機(jī)械的動平衡檢測中，采用轉(zhuǎn)速脈沖信號觸發(fā)A/ D進(jìn)行整周期采樣，然后通過對采集到的整周期信號進(jìn)行離散傅里葉變換，從而得到不平衡信號的幅值與相位。