龐 敏

(許昌煙草機(jī)械有限責(zé)任公司 生產(chǎn)技術(shù)部，河南 許昌 461000 )

由于材料組織不均勻或毛坯缺陷、零件外形的誤差(尤其具有非加工部分)、加工及裝配中產(chǎn)生的誤差和具有非對(duì)稱(chēng)的幾何形狀等多種原因，使通過(guò)轉(zhuǎn)子質(zhì)心的主慣性軸與旋轉(zhuǎn)軸不相重合，因而旋轉(zhuǎn)時(shí)轉(zhuǎn)子產(chǎn)生不平衡的離心力，對(duì)于重型或高轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)子，會(huì)引起非常大的不平衡的離心力，成為軸承的磨損，軸的斷裂，軸系、機(jī)器或基礎(chǔ)振動(dòng)、噪聲的主要原因之一；所以，機(jī)器，特別是重型機(jī)器在裝配時(shí)，其轉(zhuǎn)子應(yīng)進(jìn)行動(dòng)平衡。平衡是改善轉(zhuǎn)子的質(zhì)量分布，以保證轉(zhuǎn)子在其軸承中旋轉(zhuǎn)時(shí)，不因不平衡而引起振動(dòng)，或振動(dòng)力減小到允許范圍內(nèi)的工藝過(guò)程[1]。

刀盤(pán)機(jī)構(gòu)主要用于將卷制成型后高速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)的濾棒條或煙條切割成長(zhǎng)度相等、切口平齊的濾棒或煙支[2]，可以說(shuō)是整機(jī)的心臟，濾棒、煙支的切割質(zhì)量和性能穩(wěn)定與之息息相關(guān)。刀盤(pán)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，位置精度要求高，工作中高速運(yùn)轉(zhuǎn)，平衡精度要求高，因而其平衡精度的控制更是關(guān)鍵技術(shù)中的核心問(wèn)題。

1 刀盤(pán)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析

1.1 刀盤(pán)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)介紹

刀盤(pán)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)及其爆炸圖分別如圖1和圖2所示。在刀盤(pán)機(jī)構(gòu)中，半軸為鑄鐵件QT500—7，有非加工面，且其結(jié)構(gòu)不對(duì)稱(chēng)；刀盒為鑄鋁鎂合金ZM5，也有大量的非加工面，1套刀盤(pán)機(jī)構(gòu)有2個(gè)刀盒；刀盤(pán)體材料為鍛鋁，由左右兩部分組合在一起，二者的內(nèi)部型腔結(jié)構(gòu)都不對(duì)稱(chēng)，且型腔內(nèi)有不加工面，因其尺寸較大，在該部件中質(zhì)量最大；十字軸、刀盒座材料均為鑄鋼ZG45Mn，其中刀盒座有2個(gè)；法蘭盤(pán)為一般的鋼件，其結(jié)構(gòu)形狀局部不對(duì)稱(chēng)。該部件組裝后其整體內(nèi)部結(jié)構(gòu)不對(duì)稱(chēng)。

圖1 刀盤(pán)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖

圖2 刀盤(pán)機(jī)構(gòu)爆炸圖

1.2 引起刀盤(pán)機(jī)構(gòu)不平衡的基本原因

引起刀盤(pán)機(jī)構(gòu)不平衡的基本原因如下。

1)設(shè)計(jì)誤差。包括：半軸、法蘭盤(pán)和刀盤(pán)體等旋轉(zhuǎn)零件結(jié)構(gòu)不均勻?qū)ΨQ(chēng)；刀盒、半軸和刀盤(pán)體等零件有未加工表面，材料厚度不一致；零件之間配合間隙產(chǎn)生徑向和軸向擺動(dòng)。

2)材料缺陷。包括：半軸、刀盒等鑄件有氣孔、材料密度不均；刀盒內(nèi)滾動(dòng)軸承的轉(zhuǎn)動(dòng)誤差和間隙。

3)加工與裝配誤差。包括：每個(gè)零件在切削加工過(guò)程中都存在切削誤差；加工后會(huì)產(chǎn)生永久變形，尤其是刀盤(pán)體，材料和結(jié)構(gòu)決定其加工后變形較大；固定螺釘擰緊程度不均會(huì)引起翹曲。

綜合上述因素可知，刀盤(pán)機(jī)構(gòu)存在的不平衡因素較多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜又非常緊湊，其不平衡量的校正很難保證，是生產(chǎn)制造中的一個(gè)技術(shù)難點(diǎn)。

1.3 刀盤(pán)機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)子類(lèi)型

由圖1和圖2可以看出，該轉(zhuǎn)子(刀盤(pán)機(jī)構(gòu))有軸向不平衡分量，能使轉(zhuǎn)子內(nèi)部發(fā)生撓曲變形，且轉(zhuǎn)子附帶有柔性部件(半軸)，該機(jī)構(gòu)屬于剛性、撓性轉(zhuǎn)子，所以該轉(zhuǎn)子應(yīng)采用多個(gè)(2個(gè)以上)校正平面校正不平衡，且在轉(zhuǎn)子的工作轉(zhuǎn)速或高于工作轉(zhuǎn)速的特定轉(zhuǎn)速下作動(dòng)平衡。

2 動(dòng)平衡方法及步驟分析

2.1 動(dòng)平衡方法

目前常用的不平衡量校正方法有如下幾種：1)加重，用鉚、焊、膠接、壓裝、螺紋聯(lián)接或噴涂等方法加重；2)去重，用鉆削、銑削、刨削、偏心車(chē)削、打磨、拋光或激光熔化等方法去重；3)調(diào)整，調(diào)整轉(zhuǎn)子上預(yù)先設(shè)置的可調(diào)整塊位置[3]。

評(píng)價(jià)轉(zhuǎn)子不平衡大小，在圖樣上可用許用不平衡量Uper表示：

Uper=eperm

式中，eper是轉(zhuǎn)子單位質(zhì)量的許用不平衡度，單位為g·mm/kg；m是轉(zhuǎn)子質(zhì)量，單位為kg。

由此可以看出，轉(zhuǎn)子不平衡量大小與轉(zhuǎn)子質(zhì)量成正比?？紤]到刀盤(pán)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)緊湊位置有限，采取去重和加重2種方法來(lái)進(jìn)行不平衡量校正。

2.2 步驟分析

目前，對(duì)刀盤(pán)機(jī)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)平衡試驗(yàn)采用的設(shè)備是硬支撐平衡機(jī)HY20UB，從零件加工到該部件組裝完成按順序共做如下5次動(dòng)平衡試驗(yàn)。

1)半軸加工后單獨(dú)做動(dòng)平衡試驗(yàn)。用于消除其結(jié)構(gòu)不均勻?qū)ΨQ(chēng)、有未加工表面等設(shè)計(jì)誤差，以及鑄件引起的氣孔、材料密度不均等材料誤差。

2)刀盤(pán)體加工后單獨(dú)做動(dòng)平衡試驗(yàn)。除了要消除同半軸一樣的設(shè)計(jì)和材料誤差外，作為結(jié)合件產(chǎn)生的裝配誤差、加工中的切削誤差和加工后引起的永久變形也是其單獨(dú)做動(dòng)平衡試驗(yàn)的重要因素。

3)十字軸、刀盒和刀盒座組裝到一起后做動(dòng)平衡試驗(yàn)。十字軸、刀盒座為精加工過(guò)的鋼件，引起不平衡的主要因素是鑄鋁鎂合金的刀盒本身、各零件之間以及與各種標(biāo)準(zhǔn)件之間的裝配誤差。

4)十字軸、刀盒、刀盒座和法蘭盤(pán)組裝到一起后做動(dòng)平衡試驗(yàn)。主要用于消除法蘭盤(pán)自身結(jié)構(gòu)不對(duì)稱(chēng)產(chǎn)生的不平衡與上一步平衡后的剩余不平衡量的矢量和，采用壓裝法蘭盤(pán)上不同位置、不同數(shù)量的墊片來(lái)校正其不平衡的方法。

5)整個(gè)刀盤(pán)機(jī)構(gòu)組裝好后做最終動(dòng)平衡試驗(yàn)。上述4個(gè)步驟對(duì)組裝整體刀盤(pán)機(jī)構(gòu)前的零部件分別進(jìn)行了平衡找正，在整體的裝配過(guò)程中，這些部件的剩余不平衡量以矢量和相加，此外還要考慮裝配精度和變形引起的不平衡量；因此，由平衡后的各零部件最終裝配起來(lái)的刀盤(pán)機(jī)構(gòu)還需要進(jìn)行平衡校正。

刀盤(pán)機(jī)構(gòu)的工作轉(zhuǎn)速為3 000 r/min，根據(jù)剛性、撓性轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)特性和平衡方法要求，考慮到平衡機(jī)的性能參數(shù)為最高3 000 r/min的平衡轉(zhuǎn)速，筆者選擇做動(dòng)平衡試驗(yàn)的轉(zhuǎn)速為3 000 r/min。

3 存在的問(wèn)題、原因分析和采取的措施

3.1 十字軸動(dòng)平衡試驗(yàn)

1)問(wèn)題。十字軸單獨(dú)做動(dòng)平衡試驗(yàn)時(shí)，在允許的部位去除材料消除平衡時(shí)，因去除材料量太大，導(dǎo)致去除材料位置壁太薄，導(dǎo)致強(qiáng)度不夠。

2)原因。該零件的鑄件精度太差，不平衡量太大。

3)措施。提高鑄件精度。

3.2 十字軸、刀盒和刀盒座組裝后動(dòng)平衡試驗(yàn)

1)問(wèn)題。十字軸、刀盒和刀盒座組裝到一起后做動(dòng)平衡試驗(yàn)時(shí)，通過(guò)去重的方法不能實(shí)現(xiàn)動(dòng)平衡試驗(yàn)的精度。這一步的動(dòng)平衡試驗(yàn)是由1個(gè)十字軸、2個(gè)對(duì)稱(chēng)的刀盒、刀盒座組裝到一起進(jìn)行的，去除質(zhì)量的位置選擇在2個(gè)刀盒上，如果不平衡量太大，在保證刀盒本身強(qiáng)度的基礎(chǔ)上，在有限的位置上通過(guò)去除質(zhì)量的方法無(wú)法校正到其所要求的不平衡量。

2)原因。2個(gè)刀盒的質(zhì)量差異是導(dǎo)致其不平衡的主要因素；刀盒的材質(zhì)為鋁鎂合金，比重比較小，在保證其強(qiáng)度要求的前提下可去除的材料體積很有限，導(dǎo)致總的去除質(zhì)量太小，達(dá)不到不平衡量的校正要求。

3)措施。如果該零件鑄件的質(zhì)量精度不高，采用全部加工代替存在非加工面的方法能徹底解決該問(wèn)題；另一種方法是在該部件裝配前，把該批次中的刀盒稱(chēng)重，然后從中選配出質(zhì)量最接近的1對(duì)刀盒裝配在1個(gè)刀盤(pán)機(jī)構(gòu)中，在其他零件滿(mǎn)足精度要求的前提下，該方法也基本能解決問(wèn)題。

3.3 刀盤(pán)機(jī)構(gòu)動(dòng)平衡試驗(yàn)

1)問(wèn)題。刀盤(pán)機(jī)構(gòu)最終動(dòng)平衡試驗(yàn)達(dá)不到其動(dòng)平衡精度要求，即前4步的動(dòng)平衡試驗(yàn)都能滿(mǎn)足，而最后的總體動(dòng)平衡精度滿(mǎn)足不了。

2)原因。一般情況下，零件或部件之間的配合間隙和精度是引起總體動(dòng)平衡精度超差的主要原因；由于零件或部件之間的不平衡量以矢量和相加，總裝之后的動(dòng)平衡其不平衡量的分布是不定的，最壞情況下所有的不平衡量以代數(shù)和相加，在這種極端情況下，該因素是導(dǎo)致刀盤(pán)機(jī)構(gòu)最終不平衡的主要因素。

3)措施。拆卸、調(diào)整、裝配和動(dòng)平衡試驗(yàn)，按照前4步的方法重新再來(lái)一遍，一般情況下最終動(dòng)平衡試驗(yàn)?zāi)軡M(mǎn)足精度要求；如果經(jīng)過(guò)上述反復(fù)試驗(yàn)后還是滿(mǎn)足不了，那就是碰到了上述所說(shuō)的極端情況，在這種情況下就只能通過(guò)更換刀盤(pán)體、法蘭盤(pán)和半軸等對(duì)動(dòng)平衡影響較大的工件的方法來(lái)解決。

4 提高動(dòng)平衡精度應(yīng)采取的措施

提高動(dòng)平衡精度應(yīng)采取如下措施。

1)提高零件的加工精度。對(duì)于動(dòng)平衡精度要求高的轉(zhuǎn)子(刀盤(pán)機(jī)構(gòu))，為了提高整體部件的動(dòng)平衡精度，該部件所有零件非配合面也應(yīng)盡量精密加工。

2)刀盒、刀盒座等位置對(duì)稱(chēng)成對(duì)裝配的零件，一個(gè)批次裝配的該類(lèi)零件應(yīng)先進(jìn)行稱(chēng)重，把質(zhì)量最接近的1對(duì)零件配成1組，用于裝在1個(gè)刀盤(pán)機(jī)構(gòu)上。

3)在刀盤(pán)機(jī)構(gòu)裝配的過(guò)程中，有配合要求的回轉(zhuǎn)件之間(包括軸承等標(biāo)準(zhǔn)件)，同一個(gè)批次的，采用選配的互換裝配法[4]，以減小裝配間隙，提高裝配精度。

4)除非是精密鑄造，否則鑄件最好不要保留非加工面，應(yīng)采取全部加工。

5)裝配螺栓、螺釘?shù)目谆蚵菘?，提高其位置精度，減小孔與螺栓的間隙，或者采取更精密的連接方式。

6)盡量采用力矩扳手裝配螺栓、螺釘以消除固定螺釘擰緊程度不均引起的翹曲變形。

7)刀盤(pán)機(jī)構(gòu)的前3步動(dòng)平衡試驗(yàn)，即半軸、刀盤(pán)體和十字軸、刀盒、刀盒座組裝到一起各自試驗(yàn)后，把各自剩余的不平衡量的數(shù)量、方向標(biāo)注在該零件或部件上，一個(gè)批次多套同時(shí)裝配時(shí)，通過(guò)選配的方法盡量把剩余不平衡量[5]以矢量和相減的方式裝配到一起。

5 注意事項(xiàng)

動(dòng)平衡試驗(yàn)注意事項(xiàng)如下：1)進(jìn)行動(dòng)平衡試驗(yàn)前，應(yīng)先對(duì)動(dòng)平衡用的工裝進(jìn)行動(dòng)平衡試驗(yàn)，且其動(dòng)平衡精度應(yīng)高于刀盤(pán)機(jī)構(gòu)動(dòng)平衡精度；2)動(dòng)平衡試驗(yàn)用的工裝，每間隔一段時(shí)間都要重新測(cè)量和做動(dòng)平衡，以避免由于使用中的磕碰、放置不當(dāng)引起變形、磨損等原因?qū)е碌钠浔旧砥胶饩冉档停?)轉(zhuǎn)子找平衡前，應(yīng)先用百分表檢測(cè)轉(zhuǎn)子或工裝用于支承的心軸的同軸度，且保證左右兩端同時(shí)檢測(cè)，二者同軸后才能進(jìn)行下一步的平衡試驗(yàn)；4)每一步做完平衡找正后，應(yīng)在適當(dāng)?shù)奈恢米龊枚ㄎ粯?biāo)記，確保拆卸后再次裝配時(shí)在同一位置；5)應(yīng)經(jīng)常保持動(dòng)平衡機(jī)的清潔，導(dǎo)軌面上應(yīng)經(jīng)常涂油防銹，把不常用導(dǎo)軌的部分涂上防銹油，并貼上油紙進(jìn)行保護(hù)。

[1] 成大先. 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004.

[2] 黃嘉祁. 煙草工業(yè)手冊(cè)[M]. 北京：中國(guó)輕工業(yè)出版社，1999.

[3] 陳宏鈞. 實(shí)用機(jī)械加工工藝手冊(cè)[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003.

[4] 陳宏鈞. 機(jī)械加工工藝裝備設(shè)計(jì)員手冊(cè)[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

[5] GB/T 9239—1995，機(jī)械振動(dòng) 平衡術(shù)語(yǔ)[S].