潘 鑫，吳海琦，高金吉

（北京化工大學(xué)診斷與自愈工程研究中心，北京 100029）

氣壓液體式磨床在線自動(dòng)平衡裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與性能研究

潘 鑫，吳海琦，高金吉

（北京化工大學(xué)診斷與自愈工程研究中心，北京 100029）

砂輪不平衡是磨床振動(dòng)的主要原因。為了在線調(diào)整砂輪的平衡狀態(tài)，提高磨床的磨削精度，介紹一種新型的氣壓液體式在線自動(dòng)平衡系統(tǒng)。該平衡系統(tǒng)利用壓縮空氣驅(qū)動(dòng)平衡液在位置相對(duì)的儲(chǔ)液腔間進(jìn)行質(zhì)量轉(zhuǎn)移，改變平衡盤中的液體分布，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)砂輪平衡狀態(tài)的在線調(diào)整。通過(guò)對(duì)裝置平衡性能的分析，認(rèn)為該類裝置具有平衡速度快、平衡能力線性度好的優(yōu)點(diǎn)。最后經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該裝置在5 500 r／min的轉(zhuǎn)速下，將系統(tǒng)不平衡振動(dòng)從10．2 μm降至0．37 μm，振幅下降比例達(dá)95%以上。

砂輪；磨床；自動(dòng)平衡；氣壓液體式

在機(jī)械加工過(guò)程中，機(jī)床自身的振動(dòng)會(huì)嚴(yán)重影響機(jī)床的加工精度和加工效率。對(duì)磨床而言，振動(dòng)會(huì)使被磨工件產(chǎn)生表面波紋和增大工件的表面粗糙度，影響工件質(zhì)量；且振動(dòng)會(huì)加劇砂輪自身的磨損，導(dǎo)致砂輪頻繁地修整與更換，影響加工周期。

砂輪不平衡是導(dǎo)致磨床振動(dòng)的主要原因。即使在磨削前預(yù)先對(duì)砂輪進(jìn)行過(guò)動(dòng)平衡，但在磨削過(guò)程中，冷卻液的不均勻吸附和砂輪的不均勻磨損均會(huì)導(dǎo)致砂輪不平衡量的再次產(chǎn)生，且該不平衡量隨著磨削過(guò)程逐漸增大。不平衡量所產(chǎn)生的離心力與砂輪轉(zhuǎn)速的平方成正比，對(duì)于高速和超高速的磨床，即使極小的不平衡量，也會(huì)產(chǎn)生非常大的離心力，嚴(yán)重影響磨床的正常運(yùn)行。因此，為了獲得更高的加工精度和加工效率，在磨床上加裝在線自動(dòng)平衡系統(tǒng)是非常必要的。目前，該類產(chǎn)品主要有電機(jī)式［1］、電磁式［2－3］和注液式［4－5］三種，由國(guó)外的Schmitt和Dittel等公司生產(chǎn)；國(guó)內(nèi)也有很多學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究，但均尚處于研發(fā)階段，未見(jiàn)到成熟產(chǎn)品［6－8］。在本文中，重點(diǎn)介紹了一種新型的氣壓液體式在線自動(dòng)平衡系統(tǒng)［9］，并對(duì)該系統(tǒng)的平衡性能進(jìn)行了理論分析，最后通過(guò)實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了該類系統(tǒng)的性能。

1 平衡原理

氣壓液體式平衡裝置屬于液體式平衡裝置中的一種。在設(shè)備安裝前，需要在兩組位置相對(duì)的儲(chǔ)液腔中預(yù)先充入平衡液體。平衡過(guò)程中，通過(guò)向指定儲(chǔ)液腔充入壓縮氣體，驅(qū)動(dòng)平衡液在相對(duì)儲(chǔ)液腔間轉(zhuǎn)移，改變平衡盤中液體的質(zhì)量分布，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)砂輪的在線自動(dòng)平衡。整個(gè)平衡過(guò)程中，不需要外界注入或向外界排出平衡液，平衡液僅在密閉的儲(chǔ)液腔間進(jìn)行定向轉(zhuǎn)移。

與已有的注液式平衡裝置相比，該氣壓液體式平衡裝置因擺脫了注排液這一過(guò)程，具有以下幾點(diǎn)優(yōu)勢(shì)：

（1）在整個(gè)平衡過(guò)程中，因平衡過(guò)程可逆，所以整個(gè)裝置可以始終保持最大的平衡能力；

（2）平衡液在封閉的環(huán)境中工作，損耗接近于零，因此可以根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的需要任意選擇適用的平衡液；

（3）采用高穩(wěn)定性平衡液做到長(zhǎng)期潔凈無(wú)沉積，可以使用更細(xì)的管徑，從而減小液體的最小可控轉(zhuǎn)移量，使得平衡精度更高；

（4）選用高密度平衡液，在平衡盤體積一定的情況下，可以得到更大的平衡能力；

（5）平衡狀態(tài)具備停機(jī)保持功能。

從大學(xué)生創(chuàng)業(yè)目的和意圖的調(diào)研選項(xiàng)來(lái)看，過(guò)半數(shù)的學(xué)生認(rèn)為創(chuàng)業(yè)可以選擇做自己喜歡做的事情；最大限度實(shí)現(xiàn)自我價(jià)值；崇尚彈性工作時(shí)間。29.7%的學(xué)生認(rèn)為是為了賺更多的錢，17.75%表示是為了就業(yè)。由此可以看出，當(dāng)前高職學(xué)生選擇創(chuàng)業(yè)的動(dòng)機(jī)不僅僅是為了賺錢和解決就業(yè)問(wèn)題，更呈現(xiàn)多元化發(fā)展趨勢(shì)。當(dāng)前90后的大學(xué)生有了自主的努力方向，崇尚自我發(fā)展，同時(shí)也反應(yīng)了大學(xué)生相比70后、80后的學(xué)生追求固定朝九晚五、比較穩(wěn)定的工作有所不同，而更傾向于自由靈活，更能夠體現(xiàn)自我價(jià)值的工作環(huán)境。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

氣壓液體式自動(dòng)平衡裝置由平衡盤和氣源分配器兩部分組成，如圖1所示。

圖1 平衡裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig．1 Structure diagram of balancing device

2.1 平衡盤

平衡盤固定在砂輪主軸上，和主軸同步旋轉(zhuǎn)。平衡盤內(nèi)部對(duì)稱分布4個(gè)扇形儲(chǔ)液腔，預(yù)先充入平衡液。在儲(chǔ)液腔的一側(cè)蓋板上加工氣體和液體流道。其中，注氣流道4條，分別對(duì)應(yīng)4個(gè)儲(chǔ)液腔，由4臺(tái)兩位三通電磁閥控制通斷。連通流道2條，分別對(duì)應(yīng)兩組位置相對(duì)的儲(chǔ)液腔。連通流道的兩端均位于儲(chǔ)液腔的最大半徑處，連通流道中心點(diǎn)所在半徑最小。當(dāng)壓力氣體進(jìn)入某一儲(chǔ)液腔并達(dá)到預(yù)定壓力后，平衡液將通過(guò)連通流道被壓入對(duì)側(cè)儲(chǔ)液腔，實(shí)現(xiàn)了平衡液的定向轉(zhuǎn)移。

圖2 平衡盤結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig．2 Structure diagram of balancing disk

2.2 氣源分配器

氣源分配器的主要功能是實(shí)現(xiàn)壓縮空氣從靜止氣管到旋轉(zhuǎn)儲(chǔ)液腔間的傳輸。根據(jù)安裝位置和注氣方向的不同，該分配器的具體結(jié)構(gòu)可以有多種形式。以軸向注氣的分配器為例，該結(jié)構(gòu)包含定子、中間套和前后軸承四部分，其中，定子和兩軸承的內(nèi)圈均靜止不動(dòng)，中間套和兩軸承的外圈同平衡盤一起同步旋轉(zhuǎn)。壓縮空氣由定子引入，經(jīng)定子外壁上的4道環(huán)槽可以進(jìn)入中間套的4個(gè)進(jìn)氣孔，繼而通過(guò)中間套內(nèi)的4條進(jìn)氣流道最終將壓縮空氣導(dǎo)入對(duì)應(yīng)的儲(chǔ)液腔。中間套與儲(chǔ)液腔內(nèi)壁過(guò)盈配合，中間套與定子之間留有十幾微米的間隙。前后兩軸承可以保證在這樣小的間隙下轉(zhuǎn)子正常旋轉(zhuǎn)。定子采用軟支撐的方式固定，設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中，前后軸承僅承受定子的自身重力和隨動(dòng)的簡(jiǎn)諧激振力。

3 平衡性能分析

3.1 單腔注液

對(duì)于普通單個(gè)扇形儲(chǔ)液腔，儲(chǔ)液腔內(nèi)注入的平衡液質(zhì)量m可由下式計(jì)算得出：

式中，ρ為平衡液密度，B為儲(chǔ)液腔厚度，θ為扇形儲(chǔ)液腔對(duì)于圓心角，R2為儲(chǔ)液腔外徑，為儲(chǔ)液腔液層內(nèi)徑，儲(chǔ)液腔結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 儲(chǔ)液腔結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig．4 Structure diagram of liquid chamber

公式兩邊同時(shí)對(duì)m求導(dǎo)，得到儲(chǔ)液腔平衡能力和單位液體質(zhì)量的關(guān)系為：

3.2 對(duì)腔轉(zhuǎn)移

氣壓液體式平衡裝置在壓縮氣體驅(qū)動(dòng)平衡液轉(zhuǎn)移時(shí)，相對(duì)位置的兩儲(chǔ)液腔同時(shí)動(dòng)作，對(duì)應(yīng)平衡液在兩相對(duì)儲(chǔ)液腔間做一增一減的流動(dòng)。所以在分析轉(zhuǎn)移質(zhì)量和平衡能力的關(guān)系時(shí)，兩相對(duì)儲(chǔ)液腔需同時(shí)考慮。以A、C兩相對(duì)儲(chǔ)液腔為例：平衡裝置啟動(dòng)前，兩腔儲(chǔ)液量相同；平衡過(guò)程中，在C腔注入壓縮空氣，驅(qū)動(dòng)平衡液向A腔流動(dòng)，直至C腔液體全部轉(zhuǎn)移至A腔。因平衡液在轉(zhuǎn)移過(guò)程中無(wú)損耗，所以C腔儲(chǔ)液量的減小量等于A腔儲(chǔ)液量的增加量。

設(shè)A腔的實(shí)際儲(chǔ)液量為MA，其中初始儲(chǔ)液量為mA，液體轉(zhuǎn)移量為m；C腔的實(shí)際儲(chǔ)液量為MC，其中初始儲(chǔ)液量為mC，液體轉(zhuǎn)移量為m。

則六個(gè)參數(shù)的關(guān)系為：

所以該組儲(chǔ)液腔的總平衡能力U和液體轉(zhuǎn)移量m的關(guān)系為

3.3 性能對(duì)比

氣壓液體式平衡裝置因?yàn)槠鋵?duì)腔轉(zhuǎn)移的平衡方式，使得平衡能力與平衡質(zhì)量的關(guān)系發(fā)生了變化。在本節(jié)中，利用實(shí)驗(yàn)用儲(chǔ)液腔的基本參數(shù)，對(duì)該種平衡方式和傳統(tǒng)單腔注液方式進(jìn)行定量對(duì)比。

儲(chǔ)液腔的基本參數(shù)如表1所示。

表1 儲(chǔ)液腔基本參數(shù)Tab.1 Parameters of liquid chamber

表2 平衡性能對(duì)比結(jié)果Tab.2 Comparison of balancing performance

由上表知，形成相同的平衡能力，對(duì)腔轉(zhuǎn)移的平衡方式所需轉(zhuǎn)移的平衡液質(zhì)量?jī)H為單腔注液所需注入平衡液質(zhì)量的一半；在對(duì)腔轉(zhuǎn)移過(guò)程中，單位質(zhì)量液體對(duì)應(yīng)平衡能力基本不變，而在單腔注液過(guò)程中，單位質(zhì)量液體對(duì)應(yīng)平衡能力具有較大偏差。從該結(jié)果可以看出，和傳統(tǒng)單腔注液的平衡方式相比，對(duì)腔轉(zhuǎn)移的平衡方式具有平衡速度快、平衡能力線性度好的優(yōu)點(diǎn)，有利于平衡系統(tǒng)控制精度和控制速度的提高。

4 實(shí)驗(yàn)研究

為了驗(yàn)證氣壓液體式自動(dòng)平衡裝置的平衡效果，在臥式磨削試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行了相關(guān)實(shí)驗(yàn)。

試驗(yàn)臺(tái)所用電主軸為磨削專用電主軸，功率9 kW。所用模擬砂輪的規(guī)格為250×127×20。模擬砂輪由左右兩砂輪法蘭夾緊，固定在電主軸上。平衡盤和砂輪左法蘭加工成一體，位于砂輪盤的內(nèi)部，便于更好地平衡系統(tǒng)由砂輪不平衡帶來(lái)的振動(dòng)。平衡盤外徑100 mm，內(nèi)含儲(chǔ)液腔深60 mm，所用平衡液為硅油，設(shè)計(jì)平衡能力為1 356 g·mm。在平衡盤的端部加工一凸臺(tái)，利用接近開(kāi)關(guān)測(cè)量試驗(yàn)臺(tái)轉(zhuǎn)速和振動(dòng)相位。平衡盤的長(zhǎng)度大于砂輪和砂輪法蘭的安裝尺寸，高出的部分用于作為位移傳感器的測(cè)量面，因?yàn)樵摐y(cè)量面非常接近砂輪，且隨砂輪同步旋轉(zhuǎn)，所以可以直接的反應(yīng)砂輪的實(shí)際振動(dòng)。該實(shí)驗(yàn)裝置如圖5所示。

在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，設(shè)定系統(tǒng)允許的振動(dòng)幅值為0．4 μm。當(dāng)系統(tǒng)的振動(dòng)幅值超出該設(shè)定值后，控制器輸出控制指令，進(jìn)行自動(dòng)平衡操作。因?qū)嶒?yàn)裝置的臨界轉(zhuǎn)速為7 000 r／min，所以本文僅在臨界轉(zhuǎn)速以下做了自動(dòng)平衡實(shí)驗(yàn)，所選轉(zhuǎn)速分別為3 000 r／min，5 000 r／min 和5 500 r／min，分別對(duì)應(yīng)砂輪線速度為39 m／s，62 m／s 和72 m／s，具體平衡效果如圖6所示。

圖5 平衡系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置Fig．5 Experimental installation of balancing system

在3 000 r／min的轉(zhuǎn)速下，系統(tǒng)初始振動(dòng)幅值為8．3 μm（P－P），經(jīng)過(guò)自動(dòng)平衡后，系統(tǒng)振動(dòng)幅值降低至0．35 μm（P－P），振幅下降比例達(dá)95．6%；在5 000 r／min的轉(zhuǎn)速下，系統(tǒng)初始振動(dòng)幅值為6．5 μm（P－P），經(jīng)過(guò)自動(dòng)平衡后，系統(tǒng)振動(dòng)幅值降低至0．36 μm（PP），振幅下降比例達(dá)94．5%；在5 500 r／min的轉(zhuǎn)速下，系統(tǒng)初始振動(dòng)幅值為10．2 μm（P－P），經(jīng)過(guò)自動(dòng)平衡后，系統(tǒng)振動(dòng)幅值降低至0．37 μm（P－P），振幅下降比例達(dá)96．4%。從此實(shí)驗(yàn)效果可以看出，本文所介紹的平衡裝置在3種工況下均可有效的降低系統(tǒng)振動(dòng)幅值，平衡性能可靠。

圖6 平衡效果圖Fig．6 Effect drawings of balancing system

5 結(jié) 論

在本文中，介紹了一種新型的氣壓液體式自動(dòng)平衡裝置。該類平衡裝置具有平衡速度快、平衡能力線性度好的優(yōu)點(diǎn)，有利于平衡系統(tǒng)控制精度和控制速度的提高。建立了臥式轉(zhuǎn)子試驗(yàn)臺(tái)，對(duì)該平衡裝置的實(shí)際平衡效果進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。在3 000 r／min、5 000 r／min、5 500 r／min三個(gè)轉(zhuǎn)速下，分別進(jìn)行在線自動(dòng)平衡實(shí)驗(yàn)，均可有效地降低系統(tǒng)振動(dòng)幅值，系統(tǒng)振動(dòng)幅值下降比例均在90%以上。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該平衡裝置的平衡性能可靠，具有廣泛的應(yīng)用前景。

由于本實(shí)驗(yàn)?zāi)壳暗难芯恐攸c(diǎn)在于驗(yàn)證該平衡裝置的可行性和可靠性，下一步將考慮將該平衡裝置應(yīng)用到實(shí)際磨床上，研究該平衡裝置在磨床上的在線自動(dòng)平衡效果以及該裝置對(duì)被磨工件表面質(zhì)量的改善效果。

［1］Lee C W，Kim Y D．Modal balancing of flexible rotors during operation：design and manual operation of balancing head［J］．Proceedings of the Institute of Mechanical Engineers，1987，201（5）：349－355．

［2］Dyer S W，Ni J．Adaptive influence coefficient control of single-plane active balancing systems for rotating machinery ［J］．Journal of Manufacturing Science and Engineering，2001，123（5）：291－298．

［3］Moon J D，Kim B S，Lee S H．Development of the active balancing device for high-speed spindle system using influence coefficients［J］．International Journal of Machine Tools and Manufacture，2006，46（9）：978－987．

［4］Schmitt Industries Corporation．SB－5500 Hydrokompenser Opertation Manual English［EB／OL］．http：／／www．grinding control．com／support／product-data，2010．

［5］Dittel Messtechnik GmbH．Hydro-balancing systems［EB／OL］．http：／／www．dittel．com／pdf／E＿Product%20overview＿08＿2011．pdf，2011．

［6］蘇奕儒，何立東，汪振威，等．單盤剛性轉(zhuǎn)子雙平面液壓主動(dòng)平衡技術(shù)研究［J］．中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2009，29 （35）：119－124．

SU Yi-ru，HE Li-dong，WANG Zhen-wei，et al．Study on dual-plane active hydraulic balancing technology for single-disk rigid rotor system［J］．Proceedings of the CSEE，2009，29 （35）：119－124．

［7］李燕，王維民，黃立權(quán)，等．基于蠕動(dòng)泵的注排液式轉(zhuǎn)子自動(dòng)平衡實(shí)驗(yàn)研究［J］．振動(dòng)與沖擊，2011，30（4）：38 －41．

LI Yan，WANG Wei-min，HUANG Li-quan，et al．A rotor auto-balance device with continuously injecting and draining liquid based on peristaltic pumps［J］．Journal of Vibration and Shock，2011，30（4）：38－41．

［8］章云，梅雪松，胡振邦，等．注液式高速切削主軸動(dòng)平衡裝置設(shè)計(jì)及其性能研究［J］．西安交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，47 （3）：1－6．

ZHANG Yun，MEI Xue-song，HU Zhen-bang，et al．Design and performance analysis of hydrojet-typed balancing device for high-speed machine tool spindle［J］．Journal of Xi’an Jiaotong University，2013，47（3）：1－6．

［9］吳海琦，潘鑫，高暉．一種氣壓液體式轉(zhuǎn)子在線自動(dòng)平衡執(zhí)行器［P］．中國(guó)，201110457792．1，2011－12－30．

Structural design and performance analysis of a liquid-transfer active balancing device with pneumatic means for grinding machines

PAN Xin，WU Hai-qi，GAO Jin-ji
（Diagnosis and Self-recovering Research Center，Beijing University of Chemical Technology，Beijing 100029，China）

Vibrations of grinding machines are primarily caused by the unbalance in a grinding wheel．A new type of liquid-transfer active balancing device was proposed to adjust the balancing state of the grinding wheel and increase grinding accuracy．In the balancing system，compressed air was used for driving balancing liquid to transfer mass between two opposite chambers．The distribution of liquid in the balancing disk was changed and the grinding wheel was balanced．Balancing performance of the device was analysed．The test results demonstrated that the unbalance response was reduced from 10．2μm to 0．37μm at the speed of 5500 r／min and the decrease in amplitude was more than 95%．

grinding wheel；grinding machine；active balancing；liquid transfer

TB123；TB535

A

10．13465／j．cnki．jvs．2014．23．004

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃（“973”計(jì)劃）項(xiàng)目（2012CB026000）；國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目（51135001）

2013－10－21 修改稿收到日期：2013－11－28

潘鑫男，博士生，1987年生

高金吉男，教授，中國(guó)工程院院士，1942年生