唐景凡，陸 海，楊健偉，謝德強(qiáng)

(國(guó)營(yíng)長(zhǎng)虹機(jī)械廠，廣西 桂林 541003)

發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子、渦輪轉(zhuǎn)子等轉(zhuǎn)動(dòng)部件長(zhǎng)期處于高速、高溫、高載荷等嚴(yán)苛服役條件下，會(huì)出現(xiàn)熱變形、支承系統(tǒng)磨損、環(huán)境介質(zhì)附著、同心度變化等問(wèn)題[1-4]，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子部件高速旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生一定的離心力，此離心力通過(guò)軸承座傳遞到機(jī)匣等受力部件，使發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生振動(dòng)。其中質(zhì)量不平衡引起的振動(dòng)是常見(jiàn)的故障之一[5-7]，容易造成發(fā)動(dòng)機(jī)性能降低，軸承和葉片損壞，縮短了在役時(shí)間，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)提前返廠維修[8]。因此，在發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)、修理、排故等過(guò)程中，研究發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡技術(shù)，可減少發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)過(guò)大和維修次數(shù)，對(duì)保障發(fā)動(dòng)機(jī)的長(zhǎng)期安全、可靠、穩(wěn)定運(yùn)行具有重大意義[9]。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡技術(shù)展開(kāi)了廣泛研究，例如全勇等[10]根據(jù)雙轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，提出了雙轉(zhuǎn)子振動(dòng)耦合共振平衡法，完成了模擬雙轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的高速動(dòng)平衡試驗(yàn)，平衡效果良好，解決了雙轉(zhuǎn)子系統(tǒng)在多種工況下的振動(dòng)超限問(wèn)題。黎飛龍等[11]針對(duì)某小型渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子進(jìn)行高速動(dòng)平衡試驗(yàn)，根據(jù)轉(zhuǎn)子幅頻特性，證明了多平面多轉(zhuǎn)速影響系數(shù)法對(duì)該型轉(zhuǎn)子一、二階高速動(dòng)平衡是可行的，能取得良好的平衡效果。

根據(jù)某型發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際工作情況，選用渦輪轉(zhuǎn)子為研究對(duì)象，以提高轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡校正效率為目的，考察3種校正方法對(duì)轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡的影響，最終確定高效、快速的平衡校正方法，對(duì)類(lèi)似轉(zhuǎn)子部件的動(dòng)平衡試驗(yàn)具有技術(shù)指導(dǎo)意義和工程應(yīng)用價(jià)值。

1 動(dòng)平衡設(shè)備及平衡要求

根據(jù)平衡轉(zhuǎn)子的質(zhì)量、尺寸、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、平衡精度、驅(qū)動(dòng)方式和平衡轉(zhuǎn)速等指標(biāo)，選用了德國(guó)申克公司Pasio50HS臥式動(dòng)平衡機(jī)，這是一款操作方便、測(cè)量精度高(測(cè)量不準(zhǔn)確度為0.353 g·mm)的硬支承平衡機(jī)。根據(jù)轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，兩支點(diǎn)處的軸頸符合發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子工作時(shí)支點(diǎn)位置，為了利于裝配拆卸，選擇滾輪支承形式。

國(guó)內(nèi)中小企業(yè)受技術(shù)和財(cái)力的制約，目前仍廣泛采用手動(dòng)動(dòng)平衡校正方式，即通過(guò)動(dòng)平衡機(jī)測(cè)出的不平衡位置和不平衡量進(jìn)行手動(dòng)校正。動(dòng)平衡測(cè)試無(wú)論采用哪種設(shè)備和手動(dòng)校正方法，幾乎做不到理論與實(shí)際沒(méi)有誤差，很難保證一次性調(diào)整成功，應(yīng)對(duì)轉(zhuǎn)子進(jìn)行反復(fù)校正，即通過(guò)多次增(去)重來(lái)調(diào)整不平衡量。因此，探索不同校正方法、提高轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡矯正效率及平衡精度是當(dāng)前亟需解決的技術(shù)問(wèn)題。

依據(jù)該型發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡的設(shè)計(jì)技術(shù)文件要求，應(yīng)滿足如下技術(shù)要求。

1)在平衡機(jī)上進(jìn)行測(cè)試，觀察數(shù)據(jù)變化，待數(shù)據(jù)平穩(wěn)后，通過(guò)數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)連續(xù)采集，確定不平衡相位角θ和不平衡質(zhì)量M。

2)平衡轉(zhuǎn)速為1 500 r/min。

3)左、右兩邊固定校正面半徑分別為71和80 mm。

4)轉(zhuǎn)子平衡精度為：左、右剩余不平衡量U左=3 g·mm，U右=2.5 g·mm，轉(zhuǎn)化為左、右不平衡質(zhì)量分別為M左=42 mg，M右=31 mg。

2 測(cè)試結(jié)果分析

針對(duì)該型發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪轉(zhuǎn)子，采用雙面同時(shí)去重、先雙面去重再單面去重、僅單面去重這3種方法對(duì)轉(zhuǎn)子不平衡進(jìn)行校正，探索哪種方法能更高效、快速使轉(zhuǎn)子達(dá)到平衡要求。

雙面同時(shí)去重試驗(yàn)記錄的不平衡相位角θ和不平衡質(zhì)量M的數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。從表1中可看出，轉(zhuǎn)子的左、右2個(gè)校正面初始狀態(tài)的不平衡質(zhì)量分別為703和677 mg。第1次校正措施選擇左、右2個(gè)特定的不平衡相位角及半徑，M左和M右分別去重703和677 mg。經(jīng)過(guò)第1次校正后，不平衡質(zhì)量變化非常明顯，左、右2個(gè)校正面的不平衡質(zhì)量大幅度降低，但仍沒(méi)達(dá)到平衡要求。第2～6次校正分別按照動(dòng)平衡機(jī)測(cè)試出的不平衡角度和質(zhì)量進(jìn)行反復(fù)去重調(diào)整，直到達(dá)到平衡要求。從第2～6次校正測(cè)試結(jié)果可知，當(dāng)左、右2面校正面的不平衡量較少時(shí)，繼續(xù)采用雙面同時(shí)去重的方法，不平衡量變化不明顯，2面同時(shí)去重會(huì)相互影響，導(dǎo)致每次校正出現(xiàn)的誤差較大，很難進(jìn)一步降低不平衡量，應(yīng)不斷增加校正次數(shù)才能達(dá)到平衡要求。

表1 雙面同時(shí)去重校正測(cè)試數(shù)據(jù)

根據(jù)表1研究的結(jié)果，仍選用相同類(lèi)型的轉(zhuǎn)子，采用先雙面去重再單面去重的方法來(lái)調(diào)整不平衡量，具體校正測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2。由于轉(zhuǎn)子初始狀態(tài)下的不平衡量較大，根據(jù)表1的校正方法，仍先選用雙面同時(shí)校正，第1次校正選擇雙面同時(shí)去重(M左去重728 mg，M右去重701 mg)，校正后M左和M右不平衡質(zhì)量分別降低至114和102 mg，不平衡質(zhì)量顯著降低，與表1測(cè)試結(jié)果趨勢(shì)一致。第2次校對(duì)左、右兩邊進(jìn)行校正(M左去重114 mg，M右去重102 mg)，校正后發(fā)現(xiàn)左、右兩邊不平衡質(zhì)量分別降低至53和68 mg。經(jīng)前2次校正后，左、右兩邊不平衡量已明顯降低，第3次僅對(duì)右邊進(jìn)行校正(M右去重68 mg)，右邊不平衡質(zhì)量有所降低，而對(duì)左邊的不平衡量影響不大。經(jīng)過(guò)前3次的校正，轉(zhuǎn)子的不平衡量已接近平衡要求，第4次僅需對(duì)其進(jìn)行微調(diào)校正即可達(dá)到平衡要求。

表2 先雙面去重再單面去重校正測(cè)試數(shù)據(jù)

轉(zhuǎn)子單面去重校正試驗(yàn)記錄不平衡相位角θ和不平衡質(zhì)量M的數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。初始狀態(tài)，左、右2個(gè)校正面不平衡質(zhì)量分別為746和698 mg。第1次校正選擇左邊單面去重(M左去重746 mg)，校正后M左的不平衡質(zhì)量明顯降低，而右邊不平衡量變化不明顯，第1次校正后M左和M右不平衡質(zhì)量分別為95和708 mg。第2次僅對(duì)右邊不平衡量進(jìn)行校正(M右去重708 mg)，校正后M右的不平衡質(zhì)量也大幅度降低，左、右兩邊不平衡質(zhì)量分別為108和95 mg。后續(xù)針對(duì)左、右兩邊不平衡量依次進(jìn)行單面配重校正，直至達(dá)到平衡要求。單面去重的方法共需5次校正才可滿足平衡要求。

表3 單面去重校正測(cè)試數(shù)據(jù)

根據(jù)表1～表3的測(cè)試數(shù)據(jù)及分析可以得出，當(dāng)轉(zhuǎn)子初始狀態(tài)不平衡量較大時(shí)，應(yīng)選擇雙面同時(shí)去重校正的方法，可以使轉(zhuǎn)子的不平衡量迅速降低。當(dāng)不平衡量較少且轉(zhuǎn)子的精度要求較高時(shí)，若對(duì)轉(zhuǎn)子再進(jìn)行雙面同時(shí)去重，去重的位置與理論的角度存在了一定的偏差，2個(gè)校正平面就會(huì)相互影響，轉(zhuǎn)子重心偏移，需反復(fù)校正才能達(dá)到平衡要求，效率低；若選擇單面分別進(jìn)行校正，則能更快、更好地保證校正面的平衡精度且校正的次數(shù)明顯減少。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)某型發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的動(dòng)平衡試驗(yàn)研究，可得出如下結(jié)論。

1)若轉(zhuǎn)子初始不平衡量較大，則應(yīng)選用雙面同時(shí)校正，可使轉(zhuǎn)子的不平衡量迅速降低；若不平衡量較少且轉(zhuǎn)子平衡精度要求較高，則雙面校正很難保證理論與實(shí)際相一致，造成2個(gè)校正面相互影響，需反復(fù)校正才可達(dá)到平衡，增加了校正次數(shù)。當(dāng)轉(zhuǎn)子不平衡量較少時(shí)，應(yīng)采用單面分別校正的辦法，轉(zhuǎn)子可更快地達(dá)到平衡精度要求。

2)通過(guò)3種動(dòng)平衡試驗(yàn)的研究，探索了該型發(fā)動(dòng)機(jī)提高轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡校正效率的方式，也為類(lèi)似轉(zhuǎn)子部件的動(dòng)平衡研究提供了參考依據(jù)，具有技術(shù)指導(dǎo)意義和工程應(yīng)用價(jià)值。