封高歌，吳建民，張玉來

(1. 上海工程技術大學 機械工程學院，上海 201620； 2. 浙江舟山航海學校，浙江 舟山 316000)

?

立式動平衡機可收縮式接盤裝置的研究與應用

封高歌1，吳建民1，張玉來2

(1. 上海工程技術大學 機械工程學院，上海 201620； 2. 浙江舟山航海學校，浙江 舟山 316000)

摘要：設計了一種可消除夾具產生的徑向力對主軸損害的可收縮式接盤裝置，可應用于盤類轉子的立式自動動平衡機的定位夾緊，具有消除夾具產生徑向力對主軸損害的功能。將傳統(tǒng)整體接盤分為兩層分離的內外軸套筒形式，中間用可收縮式軸承將接盤內外套筒固定連接起來，組成一個整體的可收縮接盤?？墒湛s式軸承利用開關繼電器運動，將銷子產生向外的徑向位移差轉換成固緊件半封閉式內外套筒的軸向位移，最終達到消除主軸徑向力的功能作用。相比較于現(xiàn)階段解決此類問題的“主軸抽軸技術”具有結構簡單、易于安裝及成本較低等優(yōu)點，可應用于盤類轉子的立式自動動平衡機的工件定位夾緊。

關鍵詞：動平衡機；立式；可收縮式接盤；可收縮式軸承

動平衡是旋轉類產品生產、制造過程中必須解決的一個基本共性問題，其優(yōu)劣程度直接決定著產品的工作性能、使用壽命以及產品品質等[1-4]。全自動動平衡的過程中主要分為三大系統(tǒng)：檢測系統(tǒng)、定位夾緊系統(tǒng)、去重系統(tǒng)，其中定位夾緊系統(tǒng)是連接其前后兩大功能區(qū)的重要裝置。

傳統(tǒng)的平衡機采用手工去重方式，不僅生產效率低、校正品質差，而且對轉子的破壞大，不適應大批量生產的要求[5-8]。隨著現(xiàn)代工藝發(fā)展的要求全自動動平衡機由于工作效率高，可流水線生產，精度高等特點，已逐漸代替?zhèn)鹘y(tǒng)的平衡機。盤類轉子的動平衡主要采用的是立式自動動平衡機；擺架檢測轉子不平衡量之后，通過三角卡盤夾緊接盤，繼而轉向定位、去重。在此過程中，三爪卡盤對工件的定位夾緊是通過對接盤的直接夾緊來實現(xiàn)的。三爪卡盤對主軸的損害最主要構成因素有：1) 產生較大的徑向力，這種較大的夾緊力通過接盤傳遞到主軸上；2) 由于三爪卡盤使用久了，隨著卡盤的磨損三爪會出現(xiàn)喇叭口狀[9]，由于加工和磨損等各種原因，三爪也會慢慢偏離盤體的主軸中心。由于主軸接盤為實心結構，以上兩種原因均可造成對主軸接盤夾緊時產生的徑向力對主軸造成的傷害。

主軸是自動動平衡機最為主要部件之一，主軸套筒安裝比較復雜、主軸也不易更換。 為了克服三角卡盤對工件定位夾緊時對主軸帶來的損害和現(xiàn)階段解決技術方法的不足之處，提出一種新型的可收縮主軸接盤裝置，該接盤裝置能消除卡盤夾緊對主軸的傷害，而且不會影響主軸傳動工件對不平衡量的測定。

1可收縮式接盤的設計

1.1可收縮式接盤設計方案

對可收縮式接盤的整體結構設計思路是：在自動動平衡機對工件進行靜、動平衡測試時，可收縮式接盤處于“打開”狀態(tài)，在對工件進行去重時可收縮式接盤處于“關閉”狀態(tài)，以此完成對工件的定位夾緊功能。在此設計思路的基礎上對可收縮式接盤的結構設計方案：由可收縮式固緊件、開關繼電器、可收縮式軸承圈裝配成可收縮式軸承，再與接盤內外套筒裝配而成。其特征是：將傳統(tǒng)實體接盤分為兩層分離的內外軸套筒形式，中間用可收縮軸承將接盤內外套筒固定連接起來，組成一個整體的可收縮式接盤(圖1)。

1—內套筒；2—外套筒；3—定位卡環(huán)；4—定位套筒；5—軸承圈；6—可收縮式固緊件；7—半封閉式外套筒；8—半封閉式內套筒；9—定位銷；10—彈簧圖1　可收縮式接盤

在主軸帶動接盤旋轉工件時，開關繼電器處于常開狀態(tài)，定位銷使半封閉式外套筒與半封閉式內套筒卡住連接為一體。主軸帶動接盤轉向之后，需要夾具對接盤定位夾緊時，給開關繼電器信號將其變?yōu)殚]合狀態(tài)，開關繼電器運動，使連接在其上的定位銷產生向外的徑向位移差，設置既定位移差為可收縮式固緊件的半封閉式內套筒的壁厚，開關繼電器就停止運動，從而達到消除主軸徑向力的功能作用。當去重過程完成后，夾具松開，可收縮式固緊件中的兩層相互嚙合的閉合套筒由于其中的彈簧彈力恢復到原始位置，再次給繼電器一個信號，定位銷即可復位。

1.2力學分析

三爪卡盤對可收縮式接盤的三個力是呈120°作用于接盤的外套筒上，并且三個力處于同一水平面上，每個可收縮式接盤的四個固緊件于90°互為對稱的貼近可收縮式接盤的外套筒內壁上。在定位夾緊系統(tǒng)中，三爪卡盤伸出卡爪夾緊接盤，接盤受到卡盤的三個軸向徑向力作用，可收縮式接盤軸承套如圖2所示，以此基礎上分析其對固緊件所處的4個位置的受力和彎矩影響，判斷三爪卡盤對接盤固緊件相接的1、2、3、4四個點上的受力與彎矩。

圖2　可收縮式接盤軸承套裝配圖

2基于solidworks的仿真分析

在solidworksRSimulation中對可收縮式固緊件進行一系列的性能分析內容包括：應力強度、位移、應變以此用于驗證其在結構性能上的可靠性。

材料選用高強度、高韌性、耐磨、耐腐蝕、耐低溫、耐高溫、無磁性等特殊性能合金鋼。在連結上選用彈簧連接的方式，軸向剛度為250N/m，張力預載力設定為5N,零部件采用無穿透的接觸類型。添加一個固定幾何體的夾具，并且添加兩個相反的作用力，一個加載在3端面上，另一個加載在2端面上，每個曲面上應用500N的力，力的方向為法向。在圓角區(qū)域應用網絡控制單元大小為0.929mm，比率為1.5，整體生成高品質網絡，默認的整體大小為1.859mm，公差為0.093mm。

運行分析結果：

應力結果:尋找可能產生較大應力或者位移的零部件位置，任意取主觀可能的5個位置點，如圖3、圖4所示最大應力點產生在節(jié)點772處，應力為7.24MPa。

圖3　應力圖解

圖4　應力統(tǒng)計圖解

圖5顯示為五個選取點的應力變化曲線，表明：1) 在五個位置的應力變化是按不規(guī)律分布的。2) 在從位置選取節(jié)點457至節(jié)點041至節(jié)點818，從端面圓心處分散到邊緣端點應力在不斷減小，也表明整個端面的應力最大發(fā)生在中心處。依據此次分析過程，提出假設：整體可收縮式接盤最大應力發(fā)生處可在節(jié)點772所處的軸側面。

圖5　應力變化曲線圖

利用solidworksRSimulation確定最大最小應力發(fā)生處和應力大小。如圖3所示最大應力發(fā)生在軸側面，應力大小為11.67MPa<σp=620MPa，也驗證了上述假設的成立。Fd是端面法向力，在三角卡盤對可收縮式接盤夾緊時產生的大小為500N的徑向力。Ao則為端面接觸面的面積，直徑為10mm的圓面。

說明整個可收縮式固緊件的剛性強度條件上的滿足。

在三角卡盤對工件定位夾緊時，產生的微小位移，也是整個設計方案消除徑向力的產生必然的結果，如圖7所示最大位移發(fā)生在端面中心為5.63×10-4mm，遠遠小于可發(fā)生斷裂時的形變位移量。

圖7　最大、最小的位移圖解

3結語

在運動仿真軟件Solidworks上完成了對可收縮式接盤以及核心可收縮式固緊件的的原理機構設計并且對其進行力學分析，驗證了收縮式接盤設計上的可靠性。使用SolidworksRSimulation完成了對可收縮式固緊件的應力及位移仿真分析，得到可靠數(shù)據及結果，驗證了開關繼電器運動使定位銷產生向外的徑向位移差，設置既定位移即固緊件內套筒的壁厚，最終達到消除主軸徑向力的功能作用，為其解決夾具對主軸的徑向力傷害提供很好的借鑒方法。

參考文獻:

[1] BRUCE HENDRICKSON, KAREN DEVINR. Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering[J]. Dynamic Load Balancing in Computational Mechanics, 2013,184 (3): 485-500.

[2] NGUYEN VAN KHANG, NGUYRN PHONG DIEN. Mechanism and Machine Theory [J]. Analytical and Experimental Study on the Dynamic Balancing of Flexible Mechanisms, 2007,5(42):626-635.

[3] 董文仲,董文勝,安礎，等. 船用柴油機及內燃機車曲軸的磁粉探傷[J]. 中國修船,2000, (5) : 21-24.

[4] 都強. 輪胎動平衡試驗機算法解法和控制方法的研究[D]. 青島：青島科技大學，2005.

[5] 張超群. 全自動動平衡去重機去重策略研究[D]. 杭州：浙江大學，2004.

[6] 杜守成. 動平衡測試系統(tǒng)仿真及檢測技術研究[D]. 上海：華東理工大學，2004.

[7] 李念峰,丁原. 全自動平衡機系統(tǒng)組成與控制[J]. 制造業(yè)自動化, 2007,29(11):48-51.

[8] 劉佳，蔡萍，趙鼎鼎. 兩工位自動鉆削動平衡機及其去重策略[J]. 組合機床與自動化加工技術,2009, (5): 29-32.

[9] 李文峰. 三爪卡盤裝夾偏心軸數(shù)控車削探析[J]. 中國科技縱橫， 2011(19)：118-119.

Research on Retractable Adapting Plate of Vertical Balancing Machine and Its Application

FENG Gao-ge1, WU Jian-min1, ZHANG Yu-lai2

(1. College of Mechanical Engineering, Shanghai University of Engineering Science, Shanghai 201620, China;

2. Zhejiang zhoushan maritime school， Zhoushan 316000, China)

Abstract:This paper designs a retractable adapting plate device which can be used for positioning and clamping device of the disk rotors on dynamic balancing machine to prevent the damage of the spindle with the radial force generated by the fixture. When the traditional joint plate is divided into two separated layers ---the inner and outer sleeve, the refractable bearing can be used to fix and connect the inner and outer sleeves into the whole retractable adapting plate. The movement of the retractable bearing controlled by switch relay, axial displacement of the semi-closed inner and outer sleeve is converted by outward radial displacement difference produced by the pin so as to ultimately eliminate the radial force of the spindle. This design has advantages of simple structure, easy installation and low cost. compared with usual spindle shaft technology and can be applied to position and clamp disk rotors on dynamic balancing machine.

Keywords:balancing machine； vertical type; retractable adapting plate; retractable bearing

基金項目：國家自然科學基金資助項目(51375145)

收稿日期：2014-11-29

中圖分類號：TH131

文獻標志碼：B

文章編號：1671-5276(2015)03-0039-03

作者簡介：封高歌(1989-)，男，安徽蚌埠人，碩士研究生，從事動平衡機研究。