回轉(zhuǎn)體零件平衡分析與實踐

劉淑香 徐化文 李 雷

(①四川工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 德陽 618000;②中國第二重型機械集團公司，四川 德陽 618000)

機械產(chǎn)品中的旋轉(zhuǎn)部件由于材質(zhì)不均、毛坯問題、設(shè)計或加工裝配等多種因素，在工作運行中會產(chǎn)生不平衡的離心慣性力，且隨著旋轉(zhuǎn)而不斷周期性地改變方向，旋轉(zhuǎn)中心也隨之竄動，加劇了相關(guān)部件的磨損，導(dǎo)致機械產(chǎn)品的精度降低，嚴(yán)重時影響各部件的使用壽命并引發(fā)破壞性安全事故［1］。為了降低旋轉(zhuǎn)部件不平衡質(zhì)量對機械產(chǎn)品的影響，常用方法是對旋轉(zhuǎn)部件進行平衡檢測，并通過去除材料或增加配重的方式來改變該零部件的質(zhì)量分布，使其工作在規(guī)定允許的平衡精度范圍內(nèi)，最終使機械產(chǎn)品能夠平穩(wěn)運動［2］。

某新型礦渣立磨如圖1所示，“磨盤裝置”是整臺立磨產(chǎn)品的核心部件，其直徑約為Φ8 m，驅(qū)動功率達8000 kW，總重量約265 t。其中關(guān)鍵件“磨盤體”(如圖2)的直徑約為Φ7.3 m，單件重量近213 t，磨盤體運轉(zhuǎn)的平穩(wěn)性，直接關(guān)系到整臺立磨運行精度及生產(chǎn)效率。因此，對磨盤體在工作中的平衡狀態(tài)進行理論分析，計算其不平衡量、確定合適的平衡檢測方式，為后續(xù)的現(xiàn)場平衡試驗做好理論準(zhǔn)備，對整臺立磨設(shè)備來講具有非常重要作用和意義。

1 理論分析

機械產(chǎn)品中旋轉(zhuǎn)部件，在制造和裝配過程中若重心和旋轉(zhuǎn)軸心線不重合，運動過程中會產(chǎn)生不平衡的離心力或力偶，引起振動，加速機器內(nèi)部磨損?；剞D(zhuǎn)體零件在工作中產(chǎn)生不平衡的主要原因可歸納為:(1)制造不正確，如毛坯制造中產(chǎn)生壁厚不均，材料密度不均(縮孔、砂眼、氣孔)，機加工時產(chǎn)生橢圓度、偏心度，內(nèi)、外圓不同軸度及熱處理之后零件變形等;(2)裝配誤差，使零件重心與旋轉(zhuǎn)軸心線不重合。因此，對于大型立磨這種重型機器，制造中必須通過平衡試驗及正確計算方法來確定和調(diào)整回轉(zhuǎn)件的質(zhì)量分布，使回轉(zhuǎn)件工作時離心力達到平衡，盡可能減輕有害機械振動［3］。

1.1 平衡方式判定方法

回轉(zhuǎn)體零件的平衡一般分為“靜平衡”和“動平衡”兩種。如何選擇合理的平衡方式是一個關(guān)鍵問題。根據(jù)GB/T3215－2007等相關(guān)內(nèi)容:只要在滿足回轉(zhuǎn)體平衡后用途所需要的前提下，若靜平衡能夠滿足，則不需要做動平衡。因為靜平衡與動平衡試驗相比較，靜平衡試驗容易實施且更節(jié)省費用［4］。

磨盤體平衡檢測方式的確定是整個零件平衡分析的關(guān)鍵。選擇合理的平衡試驗方式，不僅可以達到良好的測試效果，同時還能夠節(jié)省費用。平衡方式的確定，需要結(jié)合零件相關(guān)技術(shù)參數(shù)和“靜、動平衡分析圖”(圖3)來進行判定［5］。

“靜、動平衡分析圖”中有兩條直線，表示靜平衡應(yīng)用范圍與零件高徑比(b/D)和每分鐘轉(zhuǎn)速n之間的關(guān)系。一般情況下，數(shù)據(jù)比值在下斜線以下時，只需要考慮靜平衡;若數(shù)據(jù)比值在上斜線以上時，則需進行動平衡;如果數(shù)據(jù)比值在兩斜線之間時，需根據(jù)回轉(zhuǎn)體零件的質(zhì)量、制造工藝、加工情況以及相關(guān)軸承的間距等因素，確定是否需要進行動平衡［6］。

由圖2所示磨盤體基本參數(shù)可知:磨盤高度b=3900 、磨盤體直徑D=6085 、已知工作轉(zhuǎn)速n=22 r/min。則磨盤體的高徑比為0.64，繪制“動、靜平衡分析圖”如圖3所示。

由圖3分析可知，磨盤體高徑比值與工作轉(zhuǎn)速之間的結(jié)合交點在下斜線以下，所以磨盤體不平衡度只需進行靜平衡試驗來確定。實踐證明，靜平衡分析滿足其工作性能要求。

1.2 平衡精度等級判定

國際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)于1940年制定了世界公認(rèn)的ISO1940平衡等級，將轉(zhuǎn)子平衡等級共分為11個級別，每個級別間以2.5倍為增量，從要求最高的G0.4到要求最低的 G4000，單位為 g·mm/kg，代表不平衡對于轉(zhuǎn)子軸心的偏心距離［7］。

在確定回轉(zhuǎn)體的精度等級G時，不僅考慮技術(shù)上的先進性，還應(yīng)注意經(jīng)濟上的合理性，不能盲目地追求高精度等級。需根據(jù)設(shè)備的機械性能及工作環(huán)境進行合理選取。立磨設(shè)備為通用礦山設(shè)備且磨盤裝置部分在運行過程中沒有特殊的要求，綜合考慮，確定磨盤體的平衡精度等級為G6.3。

1.3 允許不平衡量計算

回轉(zhuǎn)體零件不論是靜平衡還是動平衡，利用平衡試驗裝置進行測量，并通過增加或減少本體質(zhì)量的方式實現(xiàn)最終平衡狀態(tài)，不可避免地會有大小和方位上的誤差［8］。因此，經(jīng)過平衡實驗測量的回轉(zhuǎn)體，總還會有殘存的不平衡量。根據(jù)工作要求，對回轉(zhuǎn)體規(guī)定的允許殘存不平衡量(mper)進行分析，其計算公式為:

式中:mper為允許不平衡量，g;M為回轉(zhuǎn)體質(zhì)量，kg;G為平衡精度等級，mm/s;r為回轉(zhuǎn)體校正半徑，mm;n為回轉(zhuǎn)體轉(zhuǎn)速，r/min。

已知磨盤體的平衡精度等級G=6.3，工作轉(zhuǎn)速n=22 r/min，磨盤體質(zhì)量m=212837 kg，校正半徑r=2882 .5mm，將上述參數(shù)代入公式(1)可得:

通過計算可知，在r=2882 .5mm時，磨盤體的不平衡量為202 kg，即磨盤體的允許平衡量誤差范圍為:0 ～ +202 kg或 －202 ～0 kg。

2 靜平衡試驗

靜平衡試驗方法的合理性，直接決定著不平衡度最后測量的準(zhǔn)確性及經(jīng)濟性。因此，選擇和確定合理的試驗方法是整個靜平衡試驗的關(guān)鍵所在。

回轉(zhuǎn)體零件的靜平衡試驗，一般采用靜平衡試驗機或通過平衡保持架進行試驗的，但是由于磨盤體的外形尺寸和重量都相當(dāng)大，采用以上兩種方式都難以實施。根據(jù)“應(yīng)力棒”能夠準(zhǔn)確測試應(yīng)力值的特點，并結(jié)合天平稱重的工作原理，采用自制工裝進行靜平衡試驗，將所測的應(yīng)力值通過軟件進行轉(zhuǎn)換和計算，得到最終的偏重部位和數(shù)據(jù)如圖4所示，進行配重方案的確定。

由現(xiàn)場數(shù)據(jù)可知，3處應(yīng)力棒的分度圓半徑r=935mm，所測量磨盤體的偏重質(zhì)量為5891 .655 kg，偏重角度為 －7.83°，換算到校正半徑 r=2882 .5mm時，磨盤體實際偏重質(zhì)量為m=1911 .083 kg，超出允許不平衡量。根據(jù)磨盤體的實際結(jié)構(gòu)形狀結(jié)合所測量的數(shù)據(jù)值確定配重方案，在磨盤體所偏重的對應(yīng)部位(即在磨盤體半徑 r=2882 .5mm，172.17°的位置處)采取“增料”的方式，保證磨盤體在最終工作狀態(tài)達到平衡要求。

3 經(jīng)驗總結(jié)

綜上所述，在對某新型立磨中磨盤體的平衡狀態(tài)進行科學(xué)理論分析的基礎(chǔ)上，對允許不平衡量和平衡檢測方式進行了分析研究，有效地保證了磨盤體在工作環(huán)境中靜平衡試驗的科學(xué)性和準(zhǔn)確性。實踐證明，該理論分析科學(xué)合理，為同類型產(chǎn)品的平衡試驗分析積累了經(jīng)驗，具有一定的理論和實際意義。

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