廉良沖，蔣瑞斌*，謝子明，陳鐵鋼，高岳民

(1.湖南生物機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410126；2.湖南聯(lián)紳?rùn)C(jī)電科技有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410000；3.湖南都市職業(yè)學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410100)

電機(jī)是很多設(shè)備的動(dòng)力源，一些高端設(shè)備也往往使用電機(jī)驅(qū)動(dòng)。在諸多領(lǐng)域，特別是機(jī)械制造領(lǐng)域，對(duì)高速電機(jī)的精度要求越來越高，對(duì)電機(jī)的需求數(shù)量也在快速增長(zhǎng)，如：在生物工程中應(yīng)用的高速離心分離機(jī)，在醫(yī)療器械中應(yīng)用的高速電動(dòng)牙鉆，在機(jī)床工業(yè)中應(yīng)用的主軸電機(jī)、高速鉆床，在航空、航天工業(yè)中應(yīng)用的高速離心泵、高速攝像槍、高速紅外掃描儀，“飛輪電池”及激光技術(shù)中應(yīng)用的高速電動(dòng)機(jī)等[1]。轉(zhuǎn)速超過10 000 r/min的電機(jī)才可以稱之為高速電機(jī)。高速電機(jī)的制造精度要求非常高。由于制造工藝存在誤差及材料組織不均勻，因此高速電機(jī)特別是高速電機(jī)的轉(zhuǎn)子很難達(dá)到動(dòng)平衡要求。如果動(dòng)平衡不達(dá)標(biāo)，那么電機(jī)轉(zhuǎn)子的使用壽命會(huì)急劇縮短，還會(huì)引起電機(jī)抖動(dòng)、噪聲甚至燒壞軸承，因此高速電機(jī)轉(zhuǎn)子制造完成后，必須進(jìn)行動(dòng)平衡檢測(cè)及配平處理。

1 現(xiàn)有動(dòng)平衡檢測(cè)及配平技術(shù)

目前，高速轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡配平方法一般有兩種，即傳統(tǒng)的鉗工配平和動(dòng)平衡機(jī)配平[2]。鉗工配平通常應(yīng)用于低速配平領(lǐng)域。采用低速配平的方法來對(duì)高速電機(jī)轉(zhuǎn)子進(jìn)行配平，一般為階段性的配平，其檢測(cè)操作過程從低速往高速逐段進(jìn)行。采用該方法檢測(cè)及配平耗時(shí)較長(zhǎng)且缺點(diǎn)明顯，配平需要的時(shí)間從十幾天甚至到幾個(gè)月不等,且配平精度不高。采用該方法完成檢測(cè)及配平后，往往還需要再裝機(jī)反復(fù)測(cè)試效果。此外，采用階段性的檢測(cè)與配平，往往會(huì)在配平的過程中產(chǎn)生噪音，只有在某個(gè)或某幾個(gè)特定的轉(zhuǎn)速下才能平穩(wěn)下來，達(dá)到動(dòng)平衡要求。配平后仍然存在不平衡因素，導(dǎo)致高速電機(jī)的使用壽命大大縮短。

動(dòng)平衡機(jī)配平也是傳統(tǒng)的配平方式之一。動(dòng)平衡機(jī)種類很多，必須使用對(duì)應(yīng)的平衡機(jī)來檢測(cè)及配平相應(yīng)的產(chǎn)品[3]。在動(dòng)平衡要求精度很高的條件下，動(dòng)平衡機(jī)系統(tǒng)部件的制造精度及誤差會(huì)影響檢測(cè)及配平的結(jié)果。對(duì)不規(guī)則形狀或特殊功能要求的轉(zhuǎn)子，采用動(dòng)平衡機(jī)配平在縮短檢測(cè)及配平時(shí)間、提高精度方面的效果也不理想。該配平方式更加依賴于過往經(jīng)驗(yàn)，在縮短平衡時(shí)間和擴(kuò)大平衡轉(zhuǎn)速范圍方面均受到制約，無法從根本上滿足客戶的需求。

2 智能型高速轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 動(dòng)平衡檢測(cè)裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的動(dòng)平衡檢測(cè)系統(tǒng)主要由下列部件構(gòu)成：主動(dòng)軸、主軸變頻驅(qū)動(dòng)電機(jī)、彈性軸變頻驅(qū)動(dòng)電機(jī)、彈性軸、中心緊固爪、隨動(dòng)檢測(cè)桶、質(zhì)量配平盤、柱形高速軸承、基座檢測(cè)桶、環(huán)形傳輸電容極板、待配平電機(jī)轉(zhuǎn)子、辨向電容極板、彈性軸隨動(dòng)伺服電機(jī)、同心頂錐、主軸隨動(dòng)伺服電機(jī)。結(jié)構(gòu)如圖1所示[1]。

圖1 智能型高速轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡檢測(cè)裝置結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 動(dòng)平衡檢測(cè)系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

動(dòng)平衡檢測(cè)系統(tǒng)電路主要由單片微型計(jì)算機(jī)、數(shù)模轉(zhuǎn)換、程序放大器、基礎(chǔ)電容、環(huán)形電容、辨向電容、辨向信息采集、定位指示、電源輸入端模塊組成[4]，如圖2所示。

圖2 智能型動(dòng)平衡檢測(cè)電路示意圖

2.3 系統(tǒng)功能

將配平盤的軸鉛垂置于工作臺(tái)，配平盤外圓周與絕緣板內(nèi)圓為小間隙套裝。絕緣板內(nèi)緣分布了貼片式電機(jī)，與配平盤外圓構(gòu)成多方向檢測(cè)電容，連接半導(dǎo)體發(fā)光元件并接通交流電。用可變速方式驅(qū)動(dòng)配平盤轉(zhuǎn)動(dòng)，不平衡時(shí)離心力會(huì)克服軸向彈力，使配平盤向某側(cè)發(fā)生微量偏移。間隙的微量變化可導(dǎo)致檢測(cè)電容發(fā)生極大的變化，檢測(cè)電容發(fā)生變化可改變此方向上發(fā)光元件的亮度。通過單片微型計(jì)算機(jī)控制，可根據(jù)檢測(cè)信號(hào)在對(duì)應(yīng)方向上向配平盤徑向外側(cè)的預(yù)置槽溝內(nèi)以高壓脈沖方式噴入一定質(zhì)量的糊狀錫漿，錫漿在離心力作用下只會(huì)沿徑向緊貼在溝槽壁上而不會(huì)沿周向移動(dòng)。錫漿的噴射加載量按動(dòng)平衡計(jì)算量由大到小不斷變化，轉(zhuǎn)速則由小到大變化，直到目標(biāo)轉(zhuǎn)速達(dá)到動(dòng)平衡所要求的轉(zhuǎn)速后，高溫固化錫漿完成動(dòng)平衡配平。在此過程中，辨向信息采集后，徑向位移信息被電路放大到伏特級(jí)并進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換；單片微型計(jì)算機(jī)接受到數(shù)據(jù)后，對(duì)各個(gè)方向數(shù)據(jù)進(jìn)行分析[5]，確定實(shí)際方向和位移量，為高壓配平噴槍的質(zhì)量配平提供數(shù)據(jù)。

3 試驗(yàn)與結(jié)果分析

為驗(yàn)證該動(dòng)平衡檢測(cè)系統(tǒng)的檢測(cè)精度與配平所需時(shí)間，選取高精度高速電機(jī)轉(zhuǎn)子為實(shí)驗(yàn)對(duì)象。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為100 000r/min時(shí),在標(biāo)準(zhǔn)電機(jī)轉(zhuǎn)子兩端加上標(biāo)準(zhǔn)試重[6]，模擬不平衡質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)并配平。試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 動(dòng)平衡檢測(cè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)

由表1可知，該動(dòng)平衡檢測(cè)系統(tǒng)的檢測(cè)精度較高且配平時(shí)間較短。將誤差值換算成精度值后，檢測(cè)精度達(dá)到97.4%以上，符合現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡儀標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的精度（95%）；配平時(shí)間未超過3h，最長(zhǎng)時(shí)間為172 min，平均時(shí)間為165.3 min。

4 結(jié)論

綜合應(yīng)用微型計(jì)算機(jī)、傳感器、電力電子、高壓脈沖噴涂等現(xiàn)代技術(shù)，改進(jìn)傳統(tǒng)的配平工藝，開發(fā)了一套配平過程自動(dòng)化、周期短、高效高精度的智能型高速轉(zhuǎn)子動(dòng)態(tài)連續(xù)配平控制系統(tǒng)。配平盤與高速轉(zhuǎn)子剛性聯(lián)接；通過配平盤徑向外置了分布式電容并以此作為檢測(cè)手段；分布式電容在機(jī)架結(jié)構(gòu)上，與配平盤之間無機(jī)械力作用。

試驗(yàn)表明，該配平控制系統(tǒng)的檢測(cè)精度達(dá)到97.4%以上，轉(zhuǎn)子的平衡等級(jí)可達(dá)G0.4以上，平衡周期在3 h以內(nèi)。使用該配平控制系統(tǒng)，能夠精確檢測(cè)高速轉(zhuǎn)子不平衡問題并進(jìn)行快速配平，高效處理實(shí)際生產(chǎn)中的問題，同時(shí)也為解決高速轉(zhuǎn)子不平衡問題的后續(xù)研究提供了技術(shù)參考。