王景龍

眾所周知，任何轉(zhuǎn)子在圍繞其軸線旋轉(zhuǎn)時，由于相對于軸線的質(zhì)量分布不均勻而會產(chǎn)生離心力。這種不平衡離心力作用在轉(zhuǎn)子軸承上會引起振動，產(chǎn)生噪聲和加速軸承磨損，嚴重影響產(chǎn)品的性能和壽命。因此，電機轉(zhuǎn)子、機床主軸、內(nèi)燃機曲軸、汽輪機轉(zhuǎn)子，軋機高速接軸等旋轉(zhuǎn)零部件在制造過程中，都需要經(jīng)過平衡試驗校正后才能平穩(wěn)正常地運轉(zhuǎn)。

1 動平衡原理及動平衡機分類

平衡機是測量旋轉(zhuǎn)物體 (轉(zhuǎn)子)不平衡量大小和位置的機器。根據(jù)平衡機測出的數(shù)據(jù)對轉(zhuǎn)子的不平衡量進行校正，可改善轉(zhuǎn)子相對于軸線的質(zhì)量分布，使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的振動或作用于軸承上的振動力減少到允許的范圍之內(nèi)。因此，平衡機是減小振動、改善性能和提高質(zhì)量必不可少的設備。

平衡機的種類有很多，按其機械振動系統(tǒng)的工作狀態(tài)不外乎兩大類（共振型平衡機除外）：軟支撐平衡機和硬支承平衡機。軟支撐平衡機是指平衡轉(zhuǎn)速高于轉(zhuǎn)子—支承系統(tǒng)固有頻率的平衡機，如果平衡轉(zhuǎn)速表示為ω，固有頻率為ωn，則通常取ω＞3ωn。而硬支承平衡機是指平衡轉(zhuǎn)速低于轉(zhuǎn)子—支承系統(tǒng)固有頻率的平衡機，通常取ω＜0.3ωn。

2 問題的提出

棒線材鼓形齒式接軸（見圖1）是鋼廠高速線材、棒材軋機所需的主傳動配套件，該鼓形齒接軸傳遞轉(zhuǎn)矩大、轉(zhuǎn)速高，能夠承受比十字軸式萬向聯(lián)軸器更高沖擊載荷，安全可靠，可實現(xiàn)大伸縮行程，伸縮量200～1 000 mm。由于花鍵軸可伸入到減速器輸出軸軸孔內(nèi)，縮短了分配箱與軋機的間距，節(jié)省空間；由于所有零件均為回轉(zhuǎn)件，動平衡精度要求高，接軸裝配件動平衡精度要求控制在G6.3。因此，該接軸在精加工完成后,其中的1，2，3，4部件必須組裝做動平衡試驗（見圖2）。

在機械旋轉(zhuǎn)部件中，稱具有固定旋轉(zhuǎn)軸的部件為轉(zhuǎn)子。在旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子上，所有質(zhì)量單元產(chǎn)生的慣性力都將使轉(zhuǎn)子變形并使轉(zhuǎn)子撓曲，而如果轉(zhuǎn)子是完全剛性件，則不會產(chǎn)生變形。但實際上真正做到完全剛性的轉(zhuǎn)子并不存在，所以通常所說的剛性轉(zhuǎn)子是指在運轉(zhuǎn)速度范圍內(nèi)產(chǎn)生的變形可以忽略不計的轉(zhuǎn)子，而由于慣性力的影響，其彈性變形已無法忽視的轉(zhuǎn)子則被稱為撓性轉(zhuǎn)子。由于該組裝件是剛性轉(zhuǎn)子，所以必須上硬支撐平衡機做動平衡試驗（見圖 3）。

圖1 棒線材鼓形齒式接軸

圖2 需做動平衡試驗的鼓形齒式接軸部分組裝件

但是大多數(shù)中小型企業(yè)由于受設備投資成本限制，通常只有軟支撐平衡機，而無硬支撐平衡機，以往只有委托有此類設備的企業(yè)做動平衡試驗，這樣就無形中增加了企業(yè)生產(chǎn)成本并會耽誤交貨周期。

3 解決方案及機構設計原理

圖3 硬支撐平衡機為該接軸部分組裝件做動平衡試驗示意圖

針對上述問題，開發(fā)出一種結構簡單，使用安全方便的專用機構，以實現(xiàn)在軟支撐平衡機上為高速棒線材軋機鼓形齒式接軸部分組裝件做動平衡試驗是非常必要的（見圖4）。

3.1 設計原理

（1） 由于剛性轉(zhuǎn)子的平衡一般在低轉(zhuǎn)速下進行，可以不考慮轉(zhuǎn)子的撓度影響，而撓性轉(zhuǎn)子往往工作在一階甚至二、三階彎曲臨界轉(zhuǎn)速之上，所以必須考慮轉(zhuǎn)子的撓度影響。因此在該裝置聯(lián)接套半圓凹槽中心與外齒軸套 (需做動平衡部件之一)的齒槽中心之間嵌入圓柱銷，由于外齒軸套部件齒部為鼓形齒，所以，圓柱銷與該機構聯(lián)接套和外齒軸套的接觸為點接觸，軸線方向可以產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)角。這樣就解決了剛性轉(zhuǎn)子不能上軟支撐平衡機做動平衡的理論問題。

（2）對剛性轉(zhuǎn)子的平衡而言，一般取兩個校正面和一個平衡轉(zhuǎn)速即能達到平衡目的。但對撓性轉(zhuǎn)子，如只選一個平衡轉(zhuǎn)速卻難以保證在整個轉(zhuǎn)速范圍之內(nèi)都達到平衡，為此，必須多選擇幾個平衡轉(zhuǎn)速。在利用該機構做動平衡試驗時，至少應選用3種轉(zhuǎn)速。

3.2 機構組成及主要零部件設計

本機構含有以下主要零部件：聯(lián)接盤、壓蓋、聯(lián)接套、圓柱銷。

（1） 連接盤設計 材料采用45#鋼，調(diào)質(zhì)241～286HB后精加工完成，其內(nèi)孔與軟支撐平衡機主動軸應采用基孔制H8/h7配合。

圖4 軟支撐平衡機為該接軸部分組裝件做動平衡試驗示意圖

（2） 壓蓋設計 材料采用45#鋼，調(diào)質(zhì)241～286HB后精加工完成，螺栓孔在數(shù)控機床上加工，以保證其精度（IT9級公差） 和位置度（0．10 mm），消除對動平衡精度的影響。

（3） 聯(lián)接套設計 材料采用42CrMo，調(diào)質(zhì)269～302HB后精加工，與壓蓋相連接盲孔螺孔也應在數(shù)控機床上加工，以保證其精度和位置度。聯(lián)接套的半圓銷孔個數(shù)應為3或4的倍數(shù)，一般將半圓銷孔設計為3個、4個，或者6個、8個，且在分布圓（分布圓尺寸和圖1中外齒軸套4外齒分度圓尺寸相同）上均勻分布，在加工半圓銷孔時應嚴格保證精度和位置度公差。聯(lián)接套精加工完成后需進行整體離子氮化處理，使硬度達493～589 HV，提高其耐磨性。

(4)圓柱銷設計 因為使用次數(shù)頻繁，為保證圓柱銷尺寸的穩(wěn)定性，其材料采用GCr15。為保證動平衡試驗精度，其外圓與聯(lián)接套半圓銷孔采用基孔制H7/h6配合。

3.3 機構工作原理

在圖3左端，先用螺栓將聯(lián)接盤與該組裝件相連接，再通過螺釘與軟支撐平衡機主動軸相連接，并緊固為一體；然后，確定軟支撐平衡機主動軸端面與從動軸端面之間距離，在右端用螺釘將聯(lián)接套與從動軸相連接，并將試驗組件右端裝入聯(lián)接套，聯(lián)接套半圓凹槽中心與外齒軸套 (需做動平衡部件之一)的齒槽中心對正，嵌入圓柱銷，最后，通過螺栓將壓蓋裝入聯(lián)接套中，防止外齒軸套 (需做動平衡部件之一)在動平衡試驗過程中軸向竄動。組裝好整套試驗機構，設定相關參數(shù)，啟動軟支撐平衡機。最終的試驗結果達到動平衡G6．3精度要求。

4 結語

實踐證明，該機構制造容易，可操作性強，使用安全可靠并且試驗結果也達到了動平衡精度要求，實現(xiàn)了在軟支撐平衡機上為高速棒線材軋機鼓形齒式接軸部分組裝件做動平衡試驗的目的。該機構結構簡單，成本低廉，能為中小型企業(yè)節(jié)省購置設備費用，降低產(chǎn)品加工成本，提高設備利用率和生產(chǎn)效益，值得推廣。