基于平衡盤的雙面在線動平衡系統(tǒng)原理與問題探析

張仕海 伍良生 周大帥 李 俊

(①北京工業(yè)大學機械工程與應(yīng)用電子技術(shù)學院，北京100022；①天津海運職業(yè)技術(shù)學院，天津 300457)

旋轉(zhuǎn)機械廣泛應(yīng)用于電力、石化、冶金、航空、航天、機械制造等部門。旋轉(zhuǎn)機械設(shè)備的過大振動將導(dǎo)致噪聲過大，降低工作效率，引起配合松動和元件斷裂，進而引發(fā)事故的發(fā)生。據(jù)資料統(tǒng)計，旋轉(zhuǎn)機械由于振動原因?qū)е略O(shè)備失效的大約為60% ～70%，其中由于轉(zhuǎn)子不平衡失效的比例為30%左右［1］?？梢姡_展對高速精密轉(zhuǎn)子系統(tǒng)平衡理論和技術(shù)的研究、開發(fā)高精度全自動的動平衡系統(tǒng)，對提高高速精密旋轉(zhuǎn)機械的加工和運行質(zhì)量等方面具有重大意義。

轉(zhuǎn)子動平衡技術(shù)通常分為工藝動平衡、現(xiàn)場動平衡和在線動平衡。在線動平衡具有避免頻繁開關(guān)機，提高平衡效率和精度，同時可實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)機械工作過程中的自動平衡等優(yōu)點［2］。因此在線動平衡具有其它平衡方法不可替代的優(yōu)勢。從動平衡方法提出至今，國內(nèi)外研究人員在此領(lǐng)域進行了大量的研究。本文在對盤式動平衡裝置進行分析的基礎(chǔ)上，提出幾點結(jié)構(gòu)問題及設(shè)計方法，并通過實例分析了該方法的平衡效果及優(yōu)化選擇的實現(xiàn)。

1 雙平面影響系數(shù)法在線動平衡理論

設(shè)剛性轉(zhuǎn)子的兩支承面分別為A、B面，平衡校正面分別為Ⅰ面和Ⅱ面。當兩校正面的校正量為零時，設(shè)在平衡轉(zhuǎn)速上測得A、B面初始不平衡振動分別為

當在校正面Ⅰ上施加不平衡量為P1，Ⅱ面校正量為零，則平衡轉(zhuǎn)速上測得A、B面振動分別為

則校正面Ⅰ對A、B面的影響系數(shù)分別為

當在校正面Ⅱ上施加不平衡量為P2，Ⅰ面校正量為零，則平衡轉(zhuǎn)速上測得A、B面振動分別為

則校正面Ⅱ?qū)、B面的影響系數(shù)分別為

設(shè)欲將原始不平衡量引起A、B面的振動平衡掉，需在Ⅰ、Ⅱ面施加的校正量分別為Q1和Q2。則Q1和Q2滿足方程：

根據(jù)Q1和Q2的計算結(jié)果，并在校正面Ⅰ、Ⅱ上施加對應(yīng)大小的不平衡量，理論上可將A、B面的振動消除。

2 基于平衡盤的轉(zhuǎn)子雙面在線動平衡系統(tǒng)原理與構(gòu)成

2.1 不平衡量的合成

正常運轉(zhuǎn)時，平衡盤通過牙簽形齒與嚙合齒座(與主軸固定，如圖1b)嚙合，以防止平衡盤相對主軸的徑向滑移。同時通過彈簧片的壓力防止平衡盤軸向滑移。當平衡盤相對主軸基準的相位需要調(diào)整時，由驅(qū)動機構(gòu)克服彈簧彈力使平衡盤與主軸脫離，通過平衡盤與主軸的差速運動或其它驅(qū)動機構(gòu)實現(xiàn)平衡盤位置的調(diào)整。位置調(diào)整后，撤銷驅(qū)動力，平衡盤在彈簧片彈力作用下重新與主軸嚙合，同步運轉(zhuǎn)。兩平衡盤在一個平面內(nèi)不平衡量的合成如圖1a所示。設(shè)兩平衡盤的不平衡量大小相等，則由圖中幾何關(guān)系可知：

式中：A為平衡盤與主軸同步旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的不平衡量大??；β，α分別為兩平衡盤相對主軸基準的相位；P為全成的不平衡量大小，其相位為(β+α)/2，當β-α＜180°時取正，當 β-α ＞180°時取負。

設(shè)，計算所得某平面所需施加不平衡量為Q=q∠φ，則由方程

可計算出β及α的大小。即為平衡盤相對主軸基準的徑向位置。

2.2 系統(tǒng)構(gòu)成

根據(jù)雙平面影響系數(shù)法的基本原理，可采用4個平衡盤，兩兩組合，配以相應(yīng)的檢測、控制、執(zhí)行系統(tǒng)等，可以實現(xiàn)剛性轉(zhuǎn)子的雙平面在線動平衡。其系統(tǒng)構(gòu)成如圖2所示。

正常情況下，兩平衡盤均與主軸嚙合，同步運轉(zhuǎn)。電渦流傳感器v1，v2分別測取前后軸承的振動位移信號；光電傳感器s1、s2、s3、s4用于監(jiān)測4個平衡盤位置信號；光電傳感器st1作為基準信號。各傳感器測量信號經(jīng)信號采集儀進行初步處理(A/D轉(zhuǎn)換，電荷放大，低通濾波等)送入計算機在線動平衡測量、分析與控制系統(tǒng)軟件。計算機對實時監(jiān)測信號進行分析。當v1、v2檢測的不平衡振動量超過允許范圍時，計算機控制系統(tǒng)根據(jù)雙平面影響系數(shù)法計算Ⅰ、Ⅱ面的不平衡校正量及對應(yīng)平衡盤的位置，輸出控制信號，經(jīng)驅(qū)動系統(tǒng)對各不平衡盤位置進行調(diào)整。當s1、s2、s3、s4監(jiān)測的位置信號達到調(diào)整位置時，撤銷驅(qū)動力，各平衡盤重新與主軸嚙合，系統(tǒng)重新進入監(jiān)測與控制狀態(tài)。

3 平衡盤的結(jié)構(gòu)問題分析

3.1 實驗數(shù)據(jù)來源

為對系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、平衡效果及優(yōu)化等方面的問題進行分析和設(shè)計，這里采用文獻［3］中的部分實驗數(shù)據(jù)進行相關(guān)的計算和分析。選取數(shù)據(jù)如表1所示［3］。其中最大振幅量為原始實驗數(shù)據(jù)，影響系數(shù)為筆者計算數(shù)據(jù)。

表1 參考數(shù)據(jù)

3.2 平衡盤與主軸嚙合齒距的問題

基于以上理論可知，根據(jù)實際監(jiān)測的不平衡振動量的大小和相位，利用雙平面影響系數(shù)法可以計算出在Ⅰ、Ⅱ平面上需要施加的不平衡量大小和相位。通過4個平衡盤相位的調(diào)整，即可實現(xiàn)Ⅰ、Ⅱ平面上需要施加的不平衡量大小和相位的要求。然而，在對平衡盤位置進行調(diào)整時，由于受齒距的限制，平衡盤位置只能調(diào)整到某些確定的位置。如，當嚙合齒圓有72個齒時，平衡盤可達到 0°，5°，10°…355°共 72 個位置。因而產(chǎn)生平衡盤的實際位置與理論計算位置之間的誤差。齒距越小，平衡盤的實際位置與理論計算位置的誤差越小，平衡精度越高。然而，齒距越小，加工越困難，同時容易產(chǎn)生齒斷裂等故障。需綜合考慮設(shè)計以后分析采用72齒結(jié)構(gòu)，平衡盤角度最大調(diào)整誤差為2.5°。

3.3 平衡盤不平衡質(zhì)量的選取

由2.1不平衡量合成原理可知，平衡盤不平衡質(zhì)量的大小對系統(tǒng)的平衡效果影響較大。質(zhì)量太小，不足以將測點的不平衡振動平衡掉；質(zhì)量太大，合成不平衡量對平衡盤角度調(diào)整誤差較敏感，當角度調(diào)整誤差較大時，平衡效率較低?？梢栽谠O(shè)計階段通過試重實驗求出影響系數(shù)，然后對不同質(zhì)量的平衡效果進行理論計算，最終設(shè)計出較理想的不平衡質(zhì)量。表2為在表1影響系數(shù)的基礎(chǔ)上，不同的不平衡質(zhì)量對三次實驗平衡效果的計算。

表2 平衡盤不平衡量大小對平衡效果的影響計算

表3 對測點1優(yōu)化前后平衡效率比較

由表2可以看出，隨測點1、2不平衡振動的改變，理論上均能達到較好平衡效果的平衡盤不平衡質(zhì)量為5 g，其理論計算平衡效果均達95%以上。

4 雙平面在線動平衡的單點優(yōu)選問題

以上分析表明，平衡盤可達到位置與理論計算位置之間存在偏差。進而理論上不能將測點的不平衡振動完全平衡掉。然而，在實際應(yīng)用中，并不一定要求每一點的平衡效果均能達到最佳，而是對某些關(guān)鍵部位的不平衡振動比較關(guān)注。例如某部位的附件較多，振動對系統(tǒng)的性能影響較大；某部位結(jié)構(gòu)相對薄弱，振動對部位損壞較大；機床主軸前端夾裝刀具，振動對工件的加工精度、表面質(zhì)量影響較大等。針對這些情況，可以考慮在其它測點的振動不超過某一極限的情況下，使關(guān)鍵部位測點的不平衡振動盡可能的小，即剛性轉(zhuǎn)子雙平面動平衡的單點優(yōu)選問題。一種優(yōu)選方法是采用某種查找方法，針對4個平衡盤位置的不同組合進行計算，查找符合要求的最佳位置。如果每個平衡盤有72個位置，4個平衡盤的不同組合達2600多萬種，查找和計算的時間較長，不適合快速平衡的要求。筆者將多篇文獻中的相關(guān)數(shù)據(jù)，分別采用以上方法查找計算，實踐表明，單點優(yōu)選后，平衡盤的最佳位置均處于理論計算值±50°的范圍內(nèi)。以此為依據(jù)，可使查找的范圍大大縮小，實現(xiàn)快速平衡。表3、4為平衡盤不平衡量為5 g，對測點1優(yōu)選的結(jié)果。

表3的理論計算表明，在剛性轉(zhuǎn)子雙平面影響系數(shù)法動平衡技術(shù)的基礎(chǔ)上，采用單點優(yōu)選的方法可以提高轉(zhuǎn)子系統(tǒng)中某些關(guān)鍵部位的平衡效果，同時其它部位的動平衡效果也可以保持在一定的水平。進而提高整個轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的工作性能。

5 結(jié)語

(1)采用盤式平衡頭的轉(zhuǎn)子動平衡系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單，軸向尺寸小，在旋轉(zhuǎn)機械上容易實現(xiàn)等優(yōu)點。平衡盤上嚙合齒的齒距越小，平衡盤的實際位置與理論計算位置的誤差越小，平衡精度越高。然而齒距越小，加工越困難，同時容易產(chǎn)生齒斷裂等故障，需綜合考慮設(shè)計。

(2)平衡盤不平衡質(zhì)量的大小對平衡效果的影響較大。質(zhì)量太小，不足以將測點的振動平衡掉；質(zhì)量太大，合成不平衡量對平衡盤角度調(diào)整誤差較敏感，當角度調(diào)整誤差較大時，平衡效率較低?？梢栽谠O(shè)計階段通過試重實驗求出影響系數(shù)，然后對不同質(zhì)量的平衡效果進行理論計算，最終設(shè)計出較理想的不平衡質(zhì)量。

(3)受齒距影響，平衡盤位置存在調(diào)整誤差，難以保證各測點的平衡效果同時達到最佳。采用雙面平衡、單點優(yōu)選的方法可以提高轉(zhuǎn)子系統(tǒng)中某些關(guān)鍵部位的平衡效果，同時其它部位的動平衡效果也可以保持在一定的水平。進而提高整個轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的工作性能。

［1］伍良生，賀江波，張云禧，等.高速主軸在線動平衡機構(gòu)驅(qū)動器設(shè)計［J］.北京工業(yè)大學學報，2007，33(12)：1233-1238.

［2］歐陽紅兵，曾勝，汪希萱.轉(zhuǎn)子系統(tǒng)在線動平衡綜述及展望［J］.機械強度，1997，19(4)：20-24.

［3］孫延添.剛性轉(zhuǎn)子現(xiàn)場動平衡理論分析及實驗研究：［碩士學位論文］［D］.北京：清華大學，2005(6)：46-50.

［4］葉能安，余汝生.動平衡原理與動平衡機.武漢：華中工學院出版社，1985.

［5］周保堂，賀世正，王宇，等.在線自動平衡的平衡頭研究［J］.石油化工設(shè)備技術(shù)，1994，15(3)：42-45.