張西寧,尤亞男,王奔

(西安交通大學(xué)機(jī)械制造系統(tǒng)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,710049,西安)

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一種利用磁流體液流變效應(yīng)的在線動(dòng)平衡方法

張西寧,尤亞男,王奔

(西安交通大學(xué)機(jī)械制造系統(tǒng)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,710049,西安)

針對(duì)現(xiàn)有在線動(dòng)平衡方法存在的缺陷,提出了一種新的基于磁流體流變效應(yīng)的在線動(dòng)平衡方法。從理論上分析和闡明了局部磁場(chǎng)作用下磁流體由于內(nèi)部壓力變化導(dǎo)致產(chǎn)生質(zhì)量偏心的原理,利用線激光投影測(cè)量法,對(duì)不同磁場(chǎng)條件下的磁流體表面進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試。對(duì)所得磁流體三維形貌圖分析可知,在局部磁場(chǎng)作用方向上,磁流體質(zhì)量偏心程度隨磁感應(yīng)強(qiáng)度的增加而增加,驗(yàn)證了利用磁流體流變效應(yīng)實(shí)現(xiàn)動(dòng)平衡的可行性。為實(shí)現(xiàn)對(duì)任意大小和方向失衡量的校正,設(shè)計(jì)了平衡容器及3個(gè)互成120°的共軛C型電磁鐵,通過(guò)構(gòu)建電磁鐵有限元模型,對(duì)給定電流下電磁鐵周?chē)鸥袘?yīng)強(qiáng)度進(jìn)行了分析。實(shí)驗(yàn)中利用電磁鐵線圈電流變化實(shí)現(xiàn)在線動(dòng)平衡,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,磁流體流變效應(yīng)產(chǎn)生的質(zhì)量偏心可用于轉(zhuǎn)子失衡校正,一次校正后不平衡量下降率達(dá)65.14%。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了提出的動(dòng)平衡方法的有效性。

轉(zhuǎn)子;在線動(dòng)平衡;磁流體;電磁鐵

機(jī)床是機(jī)械制造業(yè)的基礎(chǔ)設(shè)備[1],也是一個(gè)國(guó)家工業(yè)水平的重要標(biāo)志。主軸失衡振動(dòng)是機(jī)床工作中的常見(jiàn)問(wèn)題,微小的主軸失衡量都會(huì)產(chǎn)生很大的振動(dòng),影響加工件的精度和表面質(zhì)量[2]。為了降低主軸工作過(guò)程的失衡振動(dòng),保證加工精度,提高工作效率,在不停機(jī)情況下校正主軸的失衡已成為機(jī)床主軸平衡技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)[3-5]。

現(xiàn)有的在線動(dòng)平衡方法可以分為氣體式、機(jī)械式、電磁式和注液式等類(lèi)型[6]。盡管以上在線動(dòng)平衡方法在實(shí)際應(yīng)用中取得了較好效果,但仍然存在一些缺陷。氣體式在線動(dòng)平衡裝置密封性要求高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高,且由于氣體介質(zhì)輕,使得平衡校正量有限。機(jī)械式在線動(dòng)平衡裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜,零部件較多,配重塊在高速下難以準(zhǔn)確定位,如2014年浙江大學(xué)顧超華等設(shè)計(jì)的多通道投鋼珠機(jī)械式平衡頭需要鋼珠導(dǎo)向板、隔離板等16種零部件,且導(dǎo)向板等形狀不規(guī)則,存在設(shè)計(jì)加工困難的問(wèn)題[7]。電磁式的同樣也存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜,零部件多,設(shè)計(jì)、制造和安裝困難等問(wèn)題,如2012年西安交通大學(xué)馬石磊等設(shè)計(jì)的新型電磁動(dòng)平衡裝置,由加工有凸臺(tái)的轉(zhuǎn)軸和多個(gè)鼠籠狀鐵心等組成,轉(zhuǎn)軸和鐵心在旋轉(zhuǎn)中同軸度難以保證[8]。又如2013年西安交通大學(xué)樊紅衛(wèi)等研制的電磁配重型在線自動(dòng)平衡頭需要配重盤(pán)、磁性盤(pán)等11種零部件,結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜[9]。注液式在線動(dòng)平衡裝置在注排液過(guò)程中容易導(dǎo)致平衡介質(zhì)霧化,易引起環(huán)境污染或金屬銹蝕。上述幾種在線動(dòng)平衡裝置普遍存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、組件多、精度要求高、成本高等問(wèn)題。

磁流體作為一種可控流體,具有優(yōu)良的電磁學(xué)和機(jī)械流變屬性[7-8]。本文通過(guò)對(duì)磁流體流變效應(yīng)引起的質(zhì)量分布變化的分析,提出了一種基于磁流體液流變效應(yīng)的在線動(dòng)平衡方法。該方法利用磁流體液流變效應(yīng)產(chǎn)生的偏心質(zhì)量補(bǔ)償轉(zhuǎn)子的失衡量,可望用于實(shí)現(xiàn)機(jī)床主軸的在線動(dòng)平衡。

1 磁流體動(dòng)平衡原理

磁流體是由直徑為納米量級(jí)的磁性固體顆粒、基載液以及界面活性劑3者混合而成的一種穩(wěn)定的膠狀液體[9]。磁流變效應(yīng)是磁流體的重要特性,在無(wú)外加磁場(chǎng)時(shí),磁流體呈現(xiàn)出牛頓流體的性質(zhì);在有外加磁場(chǎng)時(shí),磁流體會(huì)瞬間產(chǎn)生磁流變效應(yīng),黏度增加,呈現(xiàn)出非牛頓流體的Bingham塑性體的行為[10-11]。當(dāng)剪切應(yīng)力小于其屈服應(yīng)力時(shí),磁流體做類(lèi)似固體的運(yùn)動(dòng);當(dāng)剪切應(yīng)力超過(guò)其屈服應(yīng)力時(shí),磁流體做黏性流動(dòng)。發(fā)生流變后磁流體中的磁性固體顆粒呈現(xiàn)各向異性,顆粒沿磁場(chǎng)方向形成鏈條分布結(jié)構(gòu),這種鏈條分布結(jié)構(gòu)使磁流體的導(dǎo)熱系數(shù)、黏度發(fā)生變化。當(dāng)磁場(chǎng)消失后,磁流體會(huì)瞬間恢復(fù)到原始的狀態(tài)[12]。

磁流體流變效應(yīng)除了改變磁流體的物理性能外,還會(huì)引起磁流體表面形貌和質(zhì)量分布的變化[13-15]。圖1給出了在局部磁場(chǎng)作用下,磁流體的質(zhì)量分布在垂直方向上發(fā)生變化的情況。假設(shè)密封在圓形容器中的磁流體隨容器以一定的速度勻速旋轉(zhuǎn),在離心力的作用下,磁流體液將沿容器內(nèi)壁均勻分布,如圖2a所示。

圖1 磁場(chǎng)作用下磁流體液形貌變化圖

(a)無(wú)局部磁場(chǎng)

(b)有局部磁場(chǎng)圖2 磁流體動(dòng)平衡原理圖

當(dāng)發(fā)生流變效應(yīng)后,在旋轉(zhuǎn)離心力、重力以及流變效應(yīng)產(chǎn)生的磁壓力共同作用下,磁流體分布形貌相對(duì)容器保持不變。根據(jù)等溫流動(dòng)以及流場(chǎng)溫度遠(yuǎn)低于Curie溫度條件下的Bernoulli方程[16],可得到如下鐵磁流體動(dòng)力學(xué)方程

(1)

式中:p為壓力;ρf為磁流體密度;V為流動(dòng)速度;μ0為真空磁導(dǎo)率;M為磁化強(qiáng)度;H為磁場(chǎng)強(qiáng)度;C為常數(shù)。

由鐵磁流體動(dòng)力學(xué)方程可得到,靜止情況下,無(wú)磁場(chǎng)的鐵磁流體表面點(diǎn)1和有水平向磁場(chǎng)的鐵磁流體表面點(diǎn)2處壓力的關(guān)系式如下

(2)

式中:p1、p2為點(diǎn)1、點(diǎn)2處的壓力;h1、h2為點(diǎn)1、點(diǎn)2處的磁流體平面高度。

(3)

邊界條件中pa為外界大氣壓,Mn為法向磁化強(qiáng)度。

式(3)表明,在外加水平向磁場(chǎng)作用下磁流體表面會(huì)克服重力沿垂直方向上升。因此,式(3)從理論上說(shuō)明了在局部磁場(chǎng)作用下磁流體表面形貌會(huì)發(fā)生變化,從而使磁流體的質(zhì)量分布發(fā)生變化。圖2b中的磁流體由于在水平面內(nèi)施加了局部徑向磁場(chǎng),磁流體的質(zhì)量分布會(huì)沿徑向向中心偏移。當(dāng)容器處于旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí),在離心力作用下其他位置的磁流體會(huì)及時(shí)補(bǔ)充到磁場(chǎng)作用處直到壓力平衡為止,從而形成一定大小的平衡校正質(zhì)量。因此,借助磁流體流變效應(yīng)產(chǎn)生的偏心質(zhì)量,可實(shí)現(xiàn)對(duì)相反方向上失衡質(zhì)量的校正。

為實(shí)現(xiàn)對(duì)任意大小和方位失衡量的校正,必須使旋轉(zhuǎn)容器中磁流體的流變效應(yīng)能夠產(chǎn)生確定大小和方位的校正質(zhì)量。為了產(chǎn)生合適的校正質(zhì)量,需要改變電磁鐵的磁場(chǎng)強(qiáng)度,即通過(guò)調(diào)整電磁鐵線圈的電流來(lái)實(shí)現(xiàn)。為了實(shí)現(xiàn)在確定方位上產(chǎn)生所需大小的校正質(zhì)量,結(jié)構(gòu)上采用了3個(gè)120°間隔分布的電磁鐵,將校正質(zhì)量分解到與之相對(duì)的兩個(gè)120°間隔方向的電磁鐵上,通過(guò)控制這兩個(gè)電磁鐵線圈電流的大小和比例來(lái)產(chǎn)生合適大小和方位的校正量。同時(shí),為避免由于電磁鐵補(bǔ)償質(zhì)量和所需補(bǔ)償質(zhì)量方向大于90°而產(chǎn)生的質(zhì)量抵消,另一相電磁鐵不提供補(bǔ)償質(zhì)量,電流置0。圖3給出了實(shí)現(xiàn)某一失衡質(zhì)量校正的原理。假設(shè)轉(zhuǎn)子左側(cè)面存在失衡質(zhì)量,將校正量分解至方位差大于60°的兩個(gè)電磁鐵方向,同時(shí)對(duì)這兩相電磁鐵通電,另一相電磁鐵電流置0。根據(jù)三角形正弦定理

(4)

由總校正量可以計(jì)算出A、B兩相電磁鐵分別需要提供的校正量。

圖3 失衡量矢量分解圖

2 磁流體流變后質(zhì)量分布變化實(shí)驗(yàn)

利用磁流體液在線動(dòng)平衡的基礎(chǔ)是磁流體液發(fā)生流變后引起的質(zhì)量分布變化。為了驗(yàn)證在磁場(chǎng)作用下磁流體流變產(chǎn)生的質(zhì)量分布變化,設(shè)計(jì)并進(jìn)行了不同磁場(chǎng)下磁流體形貌和質(zhì)量分布的實(shí)驗(yàn)。測(cè)量方案如圖4所示,將磁流體盛放在載物臺(tái),永磁體固定在載物臺(tái)正下方,相機(jī)固定于載物臺(tái)正上方。使用線激光投影測(cè)量法,將激光以一定角度照射在加載過(guò)磁場(chǎng)的磁流體表面,每次會(huì)依據(jù)其形貌出現(xiàn)一束激光投影條紋。

圖4 線激光投影測(cè)量法示意圖

采用相機(jī)拍照記錄激光投影條紋。將載物臺(tái)沿某一特定方向移動(dòng)2 mm,拍照后再次移動(dòng),直至測(cè)量形貌的條紋變?yōu)樗角也辉僮兓瘯r(shí)停止,所得條紋圖像如圖5所示。為了方便提取測(cè)試圖像中的信息,采用Matlab平臺(tái)進(jìn)行處理,經(jīng)過(guò)圖像讀取、紅色分量提取、曲線匯總擬合、去雜質(zhì)和光滑處理之后,可以得到磁流體總體三維形貌。

圖5 條紋圖像示例

(a)1塊磁鐵

(b)2塊磁鐵

(c)3塊磁鐵圖6 不同磁場(chǎng)作用下的磁流體三維形貌圖

實(shí)驗(yàn)中為探究磁流體形貌變化與磁感應(yīng)強(qiáng)度(中心點(diǎn)處)的關(guān)系,設(shè)定了3種不同的磁感應(yīng)強(qiáng)度,如表1所示,并通過(guò)對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)、圖像等分析處理,分別得出3種磁感應(yīng)強(qiáng)度下磁流體的三維形貌變化。由圖6可以看出磁流體流變后的形貌隨磁場(chǎng)強(qiáng)度變化情況,磁流體形貌的高度隨磁場(chǎng)強(qiáng)度的增加而增加,即磁流體沿高度方向上的質(zhì)量分布、質(zhì)心隨磁場(chǎng)強(qiáng)度的增加而增加。因此,實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了通過(guò)改變磁場(chǎng)強(qiáng)度能夠改變磁流體的質(zhì)量分布,同時(shí)也表明了采用磁流體的流變效應(yīng)使磁流體產(chǎn)生偏心質(zhì)量,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)動(dòng)平衡是可行的。

表1 實(shí)驗(yàn)條件列表

3 實(shí)驗(yàn)中的電磁鐵設(shè)計(jì)及仿真分析

本文提出的在線動(dòng)平衡方法是將磁流體和電磁鐵密封于旋轉(zhuǎn)容器,利用磁流體在磁場(chǎng)作用產(chǎn)生的偏心質(zhì)量校正轉(zhuǎn)子的失衡。因此,實(shí)驗(yàn)中提供可變磁場(chǎng)的電磁鐵設(shè)計(jì)和分析尤為重要。在動(dòng)平衡過(guò)程中,電磁鐵密封安裝在旋轉(zhuǎn)容器內(nèi)部,與其同步旋轉(zhuǎn),應(yīng)具有體積小、質(zhì)量輕、散熱性好的特性。本文自主設(shè)計(jì)了如圖7所示的共軛C型電磁鐵,采用DT4純鐵材料,保證電磁鐵在通電時(shí)可在容腔的外側(cè)壁產(chǎn)生磁場(chǎng),兩端氣隙開(kāi)口沿著徑向處于較遠(yuǎn)端,可以更大程度上發(fā)揮對(duì)磁流體的控制功能。

(a)鐵芯設(shè)計(jì)圖

(b)三維建模圖圖7 共軛C型電磁鐵三維模型

電磁鐵磁感應(yīng)強(qiáng)度分布求解通常采用磁路和磁場(chǎng)兩種方法。磁路方法簡(jiǎn)單易行,計(jì)算工作量小,但計(jì)算精度低,無(wú)法滿足現(xiàn)代設(shè)計(jì)的需求;磁場(chǎng)的方法計(jì)算復(fù)雜,可利用有限元軟件ANSYS對(duì)電磁鐵進(jìn)行三維磁場(chǎng)分析,能達(dá)到很高的計(jì)算精度。由于本電磁鐵結(jié)構(gòu)具有對(duì)稱性,從降低計(jì)算量角度出發(fā),在磁路仿真過(guò)程中,沿對(duì)稱軸對(duì)結(jié)構(gòu)的1/4部分進(jìn)行重構(gòu)。設(shè)定線圈匝數(shù)為600圈,勵(lì)磁電流為1.5 A,根據(jù)圖8可以看出電磁鐵內(nèi)部磁路情況以及在氣隙位置的磁感應(yīng)強(qiáng)度分布,發(fā)現(xiàn)在電磁鐵鐵芯結(jié)構(gòu)傳遞過(guò)程中,拐角處磁感應(yīng)強(qiáng)度出現(xiàn)了峰值,隨著距離勵(lì)磁線圈越遠(yuǎn),其磁感應(yīng)強(qiáng)度也出現(xiàn)了下降趨勢(shì)。在氣隙處,磁場(chǎng)由磁性介質(zhì)進(jìn)入空氣,磁力線出現(xiàn)發(fā)散現(xiàn)象,圖9分析了氣隙處磁感應(yīng)強(qiáng)度的變化情況,最大磁感應(yīng)強(qiáng)度達(dá)到264 mT。

圖8 電磁鐵內(nèi)部及氣隙磁感應(yīng)強(qiáng)度分析

圖9 氣隙中磁感應(yīng)強(qiáng)度的變化

4 磁流體在線動(dòng)平衡實(shí)驗(yàn)

動(dòng)平衡實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)以上海申克公司生產(chǎn)的HV2-30型立式動(dòng)平衡機(jī)為主進(jìn)行構(gòu)建。立式動(dòng)平衡機(jī)的作用一是為裝有磁流體和電磁鐵的平衡容器提供旋轉(zhuǎn)的驅(qū)動(dòng),二是顯示實(shí)驗(yàn)平衡裝置當(dāng)前的失衡質(zhì)量。平衡裝置包含平衡主體盤(pán)、電磁鐵、磁流體、端面蓋板和導(dǎo)電滑環(huán)5部分,將磁流體和電磁鐵置于平衡主體盤(pán)內(nèi)部,平衡主體盤(pán)安裝于動(dòng)平衡機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)上,使用端面蓋板進(jìn)行密封,導(dǎo)電滑環(huán)用于避免旋轉(zhuǎn)過(guò)程中可能產(chǎn)生的導(dǎo)線纏繞現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)中的電磁鐵線圈電流由直流電源提供。

4.1 初始失衡量的測(cè)定

實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)速設(shè)定為230 r/min,利用動(dòng)平衡機(jī)測(cè)量系統(tǒng)初始不平衡量為1.07 g,角度為32°。校正量與其大小相等,方向相反。根據(jù)三角形正弦定理將校正量分解到A、B兩相電磁鐵,質(zhì)量分別為1.24 g和0.58 g,如圖10所示。

圖10 初始失衡量矢量分解圖

4.2 電磁鐵通電后失衡量的測(cè)定

實(shí)驗(yàn)首先分別測(cè)定了在230 r/min下A、B相電磁鐵單獨(dú)通電時(shí)所產(chǎn)生的校正質(zhì)量。然后由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分別得到A、B兩相電磁鐵通電電流與校正質(zhì)量間的關(guān)系。再根據(jù)A、B兩相電磁鐵應(yīng)提供的校正質(zhì)量1.24 g和0.58 g,分別調(diào)整A、B兩相電磁鐵上施加的電流大小,并從平衡機(jī)上讀取剩余不平衡量。當(dāng)轉(zhuǎn)速為230 r/min、給A相和B相電磁鐵電流分別施加電流0.2 A和0.15 A時(shí),得到殘余不平衡質(zhì)量為0.373 g,角度為298°。施加電流后不平衡質(zhì)量的校正率為65.14%。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了基于磁流體流變效應(yīng)的動(dòng)平衡方法的效果。

5 結(jié) 論

本文提出了一種基于磁流體流變效應(yīng)的在線動(dòng)平衡方法,從理論上分析了磁流體在局部磁場(chǎng)作用下質(zhì)量分布發(fā)生變化,從而產(chǎn)生質(zhì)量偏移的原理。采用線激光投影測(cè)量法獲得了不同大小磁場(chǎng)作用下磁流體表面的三維形貌圖,得到了磁流體在磁場(chǎng)作用方向上的質(zhì)量偏心程度隨磁場(chǎng)強(qiáng)度增加而遞增的規(guī)律,從實(shí)驗(yàn)上驗(yàn)證了采用磁流體進(jìn)行動(dòng)平衡的可行性。設(shè)計(jì)了平衡容器及3個(gè)互成120°的電磁鐵,實(shí)現(xiàn)對(duì)任意大小和方向失衡量的校正。同現(xiàn)有的機(jī)械式和電磁式平衡頭相比,本文設(shè)計(jì)的平衡裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,僅需要平衡主體盤(pán)、電磁鐵等5個(gè)零部件,同時(shí)電磁鐵內(nèi)置于主體盤(pán)內(nèi)部,磁場(chǎng)和轉(zhuǎn)軸同軸度得到保證,并且不存在氣體式和注液式平衡裝置的氣體泄漏和液體霧化問(wèn)題。ANSYS仿真分析得到的最大磁感應(yīng)強(qiáng)度可達(dá)264 mT,滿足了設(shè)計(jì)要求。動(dòng)平衡實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,磁流體流變效應(yīng)產(chǎn)生的質(zhì)量偏心可用于轉(zhuǎn)子失衡校正,一次校正后不平衡量下降率達(dá)65.14%,驗(yàn)證了基于磁流體流變效應(yīng)的在線動(dòng)平衡方法的效果。

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(編輯 杜秀杰)

An Online Dynamic Balancing Method with Magnetic Fluid Magneto-Rheological Effect

ZHANG Xining,YOU Yanan,WANG Ben

(State Key Laboratory for Manufacturing System Engineering, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China)

Focusing on the defects of the existing online dynamic balancing methods, a new online dynamic balancing method with magneto-rheological effect of magnetic fluid is proposed. The principle of eccentric mass generation due to the change of internal pressure of magnetic fluid under local magnetic field is theoretically analyzed and expounded. The surface topographical images of magnetic fluid are obtained with line laser projection measurement method. It is found that the degree of eccentric mass increases with magnetic induction in the direction of the local magnetic field, thus the practicability of dynamic balancing with magneto-rheological effect is verified. The structure of balancing container and three conjugated C-type electromagnets with 120° each other are designed to implement the correction of unbalance with any arbitrary magnitude and angle. Constructing a finite element model of the designed electromagnet, the magnetic induction intensity of electromagnet is analyzed under given current condition. In the experiment, on-line dynamic balancing is accomplished by utilizing current change of the electromagnet coil. The result of balancing experiment shows that eccentric mass generation due to magneto-rheological effect of magnetic fluid can be employed to correct the rotor unbalance, and the unbalance is decreased by 65.14% after once correction. The performance of the proposed method is also verified.

rotor; online dynamic balance; magnetic fluid; electromagnet

2016-06-08。 作者簡(jiǎn)介:張西寧(1965—),男,教授,博士生導(dǎo)師。 基金項(xiàng)目:國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51275379);國(guó)家自然科學(xué)基金創(chuàng)新研究群體資助項(xiàng)目(51421004)。

時(shí)間:2016-09-22

10.7652/xjtuxb201612002

TH17

A

0253-987X(2016)12-0006-06

網(wǎng)絡(luò)出版地址:http: ∥www.cnki.net/kcms/detail/61.1069.T.20160922.1839.008.html