張仕海 伍良生 周大帥 李 俊

(①北京工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程與應(yīng)用電子技術(shù)學(xué)院，北京100022；①天津海運(yùn)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，天津 300457)

旋轉(zhuǎn)機(jī)械廣泛應(yīng)用于電力、石化、冶金、航空、航天、機(jī)械制造等部門。旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備的過大振動(dòng)將導(dǎo)致噪聲過大，降低工作效率，引起配合松動(dòng)和元件斷裂，進(jìn)而引發(fā)事故的發(fā)生。據(jù)資料統(tǒng)計(jì)，旋轉(zhuǎn)機(jī)械由于振動(dòng)原因?qū)е略O(shè)備失效的大約為60% ～70%，其中由于轉(zhuǎn)子不平衡失效的比例為30%左右［1］?？梢?，開展對高速精密轉(zhuǎn)子系統(tǒng)平衡理論和技術(shù)的研究、開發(fā)高精度全自動(dòng)的動(dòng)平衡系統(tǒng)，對提高高速精密旋轉(zhuǎn)機(jī)械的加工和運(yùn)行質(zhì)量等方面具有重大意義。

轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡技術(shù)通常分為工藝動(dòng)平衡、現(xiàn)場動(dòng)平衡和在線動(dòng)平衡。在線動(dòng)平衡具有避免頻繁開關(guān)機(jī)，提高平衡效率和精度，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)機(jī)械工作過程中的自動(dòng)平衡等優(yōu)點(diǎn)［2］。因此在線動(dòng)平衡具有其它平衡方法不可替代的優(yōu)勢。從動(dòng)平衡方法提出至今，國內(nèi)外研究人員在此領(lǐng)域進(jìn)行了大量的研究。本文在對盤式動(dòng)平衡裝置進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，提出幾點(diǎn)結(jié)構(gòu)問題及設(shè)計(jì)方法，并通過實(shí)例分析了該方法的平衡效果及優(yōu)化選擇的實(shí)現(xiàn)。

1 雙平面影響系數(shù)法在線動(dòng)平衡理論

設(shè)剛性轉(zhuǎn)子的兩支承面分別為A、B面，平衡校正面分別為Ⅰ面和Ⅱ面。當(dāng)兩校正面的校正量為零時(shí)，設(shè)在平衡轉(zhuǎn)速上測得A、B面初始不平衡振動(dòng)分別為

當(dāng)在校正面Ⅰ上施加不平衡量為P1，Ⅱ面校正量為零，則平衡轉(zhuǎn)速上測得A、B面振動(dòng)分別為

則校正面Ⅰ對A、B面的影響系數(shù)分別為

當(dāng)在校正面Ⅱ上施加不平衡量為P2，Ⅰ面校正量為零，則平衡轉(zhuǎn)速上測得A、B面振動(dòng)分別為

則校正面Ⅱ?qū)、B面的影響系數(shù)分別為

設(shè)欲將原始不平衡量引起A、B面的振動(dòng)平衡掉，需在Ⅰ、Ⅱ面施加的校正量分別為Q1和Q2。則Q1和Q2滿足方程：

根據(jù)Q1和Q2的計(jì)算結(jié)果，并在校正面Ⅰ、Ⅱ上施加對應(yīng)大小的不平衡量，理論上可將A、B面的振動(dòng)消除。

2 基于平衡盤的轉(zhuǎn)子雙面在線動(dòng)平衡系統(tǒng)原理與構(gòu)成

2.1 不平衡量的合成

正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，平衡盤通過牙簽形齒與嚙合齒座(與主軸固定，如圖1b)嚙合，以防止平衡盤相對主軸的徑向滑移。同時(shí)通過彈簧片的壓力防止平衡盤軸向滑移。當(dāng)平衡盤相對主軸基準(zhǔn)的相位需要調(diào)整時(shí)，由驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)克服彈簧彈力使平衡盤與主軸脫離，通過平衡盤與主軸的差速運(yùn)動(dòng)或其它驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)平衡盤位置的調(diào)整。位置調(diào)整后，撤銷驅(qū)動(dòng)力，平衡盤在彈簧片彈力作用下重新與主軸嚙合，同步運(yùn)轉(zhuǎn)。兩平衡盤在一個(gè)平面內(nèi)不平衡量的合成如圖1a所示。設(shè)兩平衡盤的不平衡量大小相等，則由圖中幾何關(guān)系可知：

式中：A為平衡盤與主軸同步旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的不平衡量大?。沪?，α分別為兩平衡盤相對主軸基準(zhǔn)的相位；P為全成的不平衡量大小，其相位為(β+α)/2，當(dāng)β-α＜180°時(shí)取正，當(dāng) β-α ＞180°時(shí)取負(fù)。

設(shè)，計(jì)算所得某平面所需施加不平衡量為Q=q∠φ，則由方程

可計(jì)算出β及α的大小。即為平衡盤相對主軸基準(zhǔn)的徑向位置。

2.2 系統(tǒng)構(gòu)成

根據(jù)雙平面影響系數(shù)法的基本原理，可采用4個(gè)平衡盤，兩兩組合，配以相應(yīng)的檢測、控制、執(zhí)行系統(tǒng)等，可以實(shí)現(xiàn)剛性轉(zhuǎn)子的雙平面在線動(dòng)平衡。其系統(tǒng)構(gòu)成如圖2所示。

正常情況下，兩平衡盤均與主軸嚙合，同步運(yùn)轉(zhuǎn)。電渦流傳感器v1，v2分別測取前后軸承的振動(dòng)位移信號；光電傳感器s1、s2、s3、s4用于監(jiān)測4個(gè)平衡盤位置信號；光電傳感器st1作為基準(zhǔn)信號。各傳感器測量信號經(jīng)信號采集儀進(jìn)行初步處理(A/D轉(zhuǎn)換，電荷放大，低通濾波等)送入計(jì)算機(jī)在線動(dòng)平衡測量、分析與控制系統(tǒng)軟件。計(jì)算機(jī)對實(shí)時(shí)監(jiān)測信號進(jìn)行分析。當(dāng)v1、v2檢測的不平衡振動(dòng)量超過允許范圍時(shí)，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)根據(jù)雙平面影響系數(shù)法計(jì)算Ⅰ、Ⅱ面的不平衡校正量及對應(yīng)平衡盤的位置，輸出控制信號，經(jīng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)對各不平衡盤位置進(jìn)行調(diào)整。當(dāng)s1、s2、s3、s4監(jiān)測的位置信號達(dá)到調(diào)整位置時(shí)，撤銷驅(qū)動(dòng)力，各平衡盤重新與主軸嚙合，系統(tǒng)重新進(jìn)入監(jiān)測與控制狀態(tài)。

3 平衡盤的結(jié)構(gòu)問題分析

3.1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來源

為對系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、平衡效果及優(yōu)化等方面的問題進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)，這里采用文獻(xiàn)［3］中的部分實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)的計(jì)算和分析。選取數(shù)據(jù)如表1所示［3］。其中最大振幅量為原始實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，影響系數(shù)為筆者計(jì)算數(shù)據(jù)。

表1 參考數(shù)據(jù)

3.2 平衡盤與主軸嚙合齒距的問題

基于以上理論可知，根據(jù)實(shí)際監(jiān)測的不平衡振動(dòng)量的大小和相位，利用雙平面影響系數(shù)法可以計(jì)算出在Ⅰ、Ⅱ平面上需要施加的不平衡量大小和相位。通過4個(gè)平衡盤相位的調(diào)整，即可實(shí)現(xiàn)Ⅰ、Ⅱ平面上需要施加的不平衡量大小和相位的要求。然而，在對平衡盤位置進(jìn)行調(diào)整時(shí)，由于受齒距的限制，平衡盤位置只能調(diào)整到某些確定的位置。如，當(dāng)嚙合齒圓有72個(gè)齒時(shí)，平衡盤可達(dá)到 0°，5°，10°…355°共 72 個(gè)位置。因而產(chǎn)生平衡盤的實(shí)際位置與理論計(jì)算位置之間的誤差。齒距越小，平衡盤的實(shí)際位置與理論計(jì)算位置的誤差越小，平衡精度越高。然而，齒距越小，加工越困難，同時(shí)容易產(chǎn)生齒斷裂等故障。需綜合考慮設(shè)計(jì)以后分析采用72齒結(jié)構(gòu)，平衡盤角度最大調(diào)整誤差為2.5°。

3.3 平衡盤不平衡質(zhì)量的選取

由2.1不平衡量合成原理可知，平衡盤不平衡質(zhì)量的大小對系統(tǒng)的平衡效果影響較大。質(zhì)量太小，不足以將測點(diǎn)的不平衡振動(dòng)平衡掉；質(zhì)量太大，合成不平衡量對平衡盤角度調(diào)整誤差較敏感，當(dāng)角度調(diào)整誤差較大時(shí)，平衡效率較低?？梢栽谠O(shè)計(jì)階段通過試重實(shí)驗(yàn)求出影響系數(shù)，然后對不同質(zhì)量的平衡效果進(jìn)行理論計(jì)算，最終設(shè)計(jì)出較理想的不平衡質(zhì)量。表2為在表1影響系數(shù)的基礎(chǔ)上，不同的不平衡質(zhì)量對三次實(shí)驗(yàn)平衡效果的計(jì)算。

表2 平衡盤不平衡量大小對平衡效果的影響計(jì)算

表3 對測點(diǎn)1優(yōu)化前后平衡效率比較

由表2可以看出，隨測點(diǎn)1、2不平衡振動(dòng)的改變，理論上均能達(dá)到較好平衡效果的平衡盤不平衡質(zhì)量為5 g，其理論計(jì)算平衡效果均達(dá)95%以上。

4 雙平面在線動(dòng)平衡的單點(diǎn)優(yōu)選問題

以上分析表明，平衡盤可達(dá)到位置與理論計(jì)算位置之間存在偏差。進(jìn)而理論上不能將測點(diǎn)的不平衡振動(dòng)完全平衡掉。然而，在實(shí)際應(yīng)用中，并不一定要求每一點(diǎn)的平衡效果均能達(dá)到最佳，而是對某些關(guān)鍵部位的不平衡振動(dòng)比較關(guān)注。例如某部位的附件較多，振動(dòng)對系統(tǒng)的性能影響較大；某部位結(jié)構(gòu)相對薄弱，振動(dòng)對部位損壞較大；機(jī)床主軸前端夾裝刀具，振動(dòng)對工件的加工精度、表面質(zhì)量影響較大等。針對這些情況，可以考慮在其它測點(diǎn)的振動(dòng)不超過某一極限的情況下，使關(guān)鍵部位測點(diǎn)的不平衡振動(dòng)盡可能的小，即剛性轉(zhuǎn)子雙平面動(dòng)平衡的單點(diǎn)優(yōu)選問題。一種優(yōu)選方法是采用某種查找方法，針對4個(gè)平衡盤位置的不同組合進(jìn)行計(jì)算，查找符合要求的最佳位置。如果每個(gè)平衡盤有72個(gè)位置，4個(gè)平衡盤的不同組合達(dá)2600多萬種，查找和計(jì)算的時(shí)間較長，不適合快速平衡的要求。筆者將多篇文獻(xiàn)中的相關(guān)數(shù)據(jù)，分別采用以上方法查找計(jì)算，實(shí)踐表明，單點(diǎn)優(yōu)選后，平衡盤的最佳位置均處于理論計(jì)算值±50°的范圍內(nèi)。以此為依據(jù)，可使查找的范圍大大縮小，實(shí)現(xiàn)快速平衡。表3、4為平衡盤不平衡量為5 g，對測點(diǎn)1優(yōu)選的結(jié)果。

表3的理論計(jì)算表明，在剛性轉(zhuǎn)子雙平面影響系數(shù)法動(dòng)平衡技術(shù)的基礎(chǔ)上，采用單點(diǎn)優(yōu)選的方法可以提高轉(zhuǎn)子系統(tǒng)中某些關(guān)鍵部位的平衡效果，同時(shí)其它部位的動(dòng)平衡效果也可以保持在一定的水平。進(jìn)而提高整個(gè)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的工作性能。

5 結(jié)語

(1)采用盤式平衡頭的轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單，軸向尺寸小，在旋轉(zhuǎn)機(jī)械上容易實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)。平衡盤上嚙合齒的齒距越小，平衡盤的實(shí)際位置與理論計(jì)算位置的誤差越小，平衡精度越高。然而齒距越小，加工越困難，同時(shí)容易產(chǎn)生齒斷裂等故障，需綜合考慮設(shè)計(jì)。

(2)平衡盤不平衡質(zhì)量的大小對平衡效果的影響較大。質(zhì)量太小，不足以將測點(diǎn)的振動(dòng)平衡掉；質(zhì)量太大，合成不平衡量對平衡盤角度調(diào)整誤差較敏感，當(dāng)角度調(diào)整誤差較大時(shí)，平衡效率較低?？梢栽谠O(shè)計(jì)階段通過試重實(shí)驗(yàn)求出影響系數(shù)，然后對不同質(zhì)量的平衡效果進(jìn)行理論計(jì)算，最終設(shè)計(jì)出較理想的不平衡質(zhì)量。

(3)受齒距影響，平衡盤位置存在調(diào)整誤差，難以保證各測點(diǎn)的平衡效果同時(shí)達(dá)到最佳。采用雙面平衡、單點(diǎn)優(yōu)選的方法可以提高轉(zhuǎn)子系統(tǒng)中某些關(guān)鍵部位的平衡效果，同時(shí)其它部位的動(dòng)平衡效果也可以保持在一定的水平。進(jìn)而提高整個(gè)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的工作性能。

［1］伍良生，賀江波，張?jiān)旗?，?高速主軸在線動(dòng)平衡機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)［J］.北京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，33(12)：1233-1238.

［2］歐陽紅兵，曾勝，汪希萱.轉(zhuǎn)子系統(tǒng)在線動(dòng)平衡綜述及展望［J］.機(jī)械強(qiáng)度，1997，19(4)：20-24.

［3］孫延添.剛性轉(zhuǎn)子現(xiàn)場動(dòng)平衡理論分析及實(shí)驗(yàn)研究：［碩士學(xué)位論文］［D］.北京：清華大學(xué)，2005(6)：46-50.

［4］葉能安，余汝生.動(dòng)平衡原理與動(dòng)平衡機(jī).武漢：華中工學(xué)院出版社，1985.

［5］周保堂，賀世正，王宇，等.在線自動(dòng)平衡的平衡頭研究［J］.石油化工設(shè)備技術(shù)，1994，15(3)：42-45.