立式動(dòng)平衡機(jī)可收縮式接盤(pán)裝置的研究與應(yīng)用

封高歌，吳建民，張玉來(lái)

(1. 上海工程技術(shù)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，上海 201620； 2. 浙江舟山航海學(xué)校，浙江 舟山 316000)

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立式動(dòng)平衡機(jī)可收縮式接盤(pán)裝置的研究與應(yīng)用

封高歌1，吳建民1，張玉來(lái)2

(1. 上海工程技術(shù)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，上海 201620； 2. 浙江舟山航海學(xué)校，浙江 舟山 316000)

摘要：設(shè)計(jì)了一種可消除夾具產(chǎn)生的徑向力對(duì)主軸損害的可收縮式接盤(pán)裝置，可應(yīng)用于盤(pán)類轉(zhuǎn)子的立式自動(dòng)動(dòng)平衡機(jī)的定位夾緊，具有消除夾具產(chǎn)生徑向力對(duì)主軸損害的功能。將傳統(tǒng)整體接盤(pán)分為兩層分離的內(nèi)外軸套筒形式，中間用可收縮式軸承將接盤(pán)內(nèi)外套筒固定連接起來(lái)，組成一個(gè)整體的可收縮接盤(pán)?？墒湛s式軸承利用開(kāi)關(guān)繼電器運(yùn)動(dòng)，將銷子產(chǎn)生向外的徑向位移差轉(zhuǎn)換成固緊件半封閉式內(nèi)外套筒的軸向位移，最終達(dá)到消除主軸徑向力的功能作用。相比較于現(xiàn)階段解決此類問(wèn)題的“主軸抽軸技術(shù)”具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于安裝及成本較低等優(yōu)點(diǎn)，可應(yīng)用于盤(pán)類轉(zhuǎn)子的立式自動(dòng)動(dòng)平衡機(jī)的工件定位夾緊。

關(guān)鍵詞：動(dòng)平衡機(jī)；立式；可收縮式接盤(pán)；可收縮式軸承

動(dòng)平衡是旋轉(zhuǎn)類產(chǎn)品生產(chǎn)、制造過(guò)程中必須解決的一個(gè)基本共性問(wèn)題，其優(yōu)劣程度直接決定著產(chǎn)品的工作性能、使用壽命以及產(chǎn)品品質(zhì)等[1-4]。全自動(dòng)動(dòng)平衡的過(guò)程中主要分為三大系統(tǒng)：檢測(cè)系統(tǒng)、定位夾緊系統(tǒng)、去重系統(tǒng)，其中定位夾緊系統(tǒng)是連接其前后兩大功能區(qū)的重要裝置。

傳統(tǒng)的平衡機(jī)采用手工去重方式，不僅生產(chǎn)效率低、校正品質(zhì)差，而且對(duì)轉(zhuǎn)子的破壞大，不適應(yīng)大批量生產(chǎn)的要求[5-8]。隨著現(xiàn)代工藝發(fā)展的要求全自動(dòng)動(dòng)平衡機(jī)由于工作效率高，可流水線生產(chǎn)，精度高等特點(diǎn)，已逐漸代替?zhèn)鹘y(tǒng)的平衡機(jī)。盤(pán)類轉(zhuǎn)子的動(dòng)平衡主要采用的是立式自動(dòng)動(dòng)平衡機(jī)；擺架檢測(cè)轉(zhuǎn)子不平衡量之后，通過(guò)三角卡盤(pán)夾緊接盤(pán)，繼而轉(zhuǎn)向定位、去重。在此過(guò)程中，三爪卡盤(pán)對(duì)工件的定位夾緊是通過(guò)對(duì)接盤(pán)的直接夾緊來(lái)實(shí)現(xiàn)的。三爪卡盤(pán)對(duì)主軸的損害最主要構(gòu)成因素有：1) 產(chǎn)生較大的徑向力，這種較大的夾緊力通過(guò)接盤(pán)傳遞到主軸上；2) 由于三爪卡盤(pán)使用久了，隨著卡盤(pán)的磨損三爪會(huì)出現(xiàn)喇叭口狀[9]，由于加工和磨損等各種原因，三爪也會(huì)慢慢偏離盤(pán)體的主軸中心。由于主軸接盤(pán)為實(shí)心結(jié)構(gòu)，以上兩種原因均可造成對(duì)主軸接盤(pán)夾緊時(shí)產(chǎn)生的徑向力對(duì)主軸造成的傷害。

主軸是自動(dòng)動(dòng)平衡機(jī)最為主要部件之一，主軸套筒安裝比較復(fù)雜、主軸也不易更換。 為了克服三角卡盤(pán)對(duì)工件定位夾緊時(shí)對(duì)主軸帶來(lái)的損害和現(xiàn)階段解決技術(shù)方法的不足之處，提出一種新型的可收縮主軸接盤(pán)裝置，該接盤(pán)裝置能消除卡盤(pán)夾緊對(duì)主軸的傷害，而且不會(huì)影響主軸傳動(dòng)工件對(duì)不平衡量的測(cè)定。

1可收縮式接盤(pán)的設(shè)計(jì)

1.1可收縮式接盤(pán)設(shè)計(jì)方案

對(duì)可收縮式接盤(pán)的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路是：在自動(dòng)動(dòng)平衡機(jī)對(duì)工件進(jìn)行靜、動(dòng)平衡測(cè)試時(shí)，可收縮式接盤(pán)處于“打開(kāi)”狀態(tài)，在對(duì)工件進(jìn)行去重時(shí)可收縮式接盤(pán)處于“關(guān)閉”狀態(tài)，以此完成對(duì)工件的定位夾緊功能。在此設(shè)計(jì)思路的基礎(chǔ)上對(duì)可收縮式接盤(pán)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案：由可收縮式固緊件、開(kāi)關(guān)繼電器、可收縮式軸承圈裝配成可收縮式軸承，再與接盤(pán)內(nèi)外套筒裝配而成。其特征是：將傳統(tǒng)實(shí)體接盤(pán)分為兩層分離的內(nèi)外軸套筒形式，中間用可收縮軸承將接盤(pán)內(nèi)外套筒固定連接起來(lái)，組成一個(gè)整體的可收縮式接盤(pán)(圖1)。

1—內(nèi)套筒；2—外套筒；3—定位卡環(huán)；4—定位套筒；5—軸承圈；6—可收縮式固緊件；7—半封閉式外套筒；8—半封閉式內(nèi)套筒；9—定位銷；10—彈簧圖1　可收縮式接盤(pán)

在主軸帶動(dòng)接盤(pán)旋轉(zhuǎn)工件時(shí)，開(kāi)關(guān)繼電器處于常開(kāi)狀態(tài)，定位銷使半封閉式外套筒與半封閉式內(nèi)套筒卡住連接為一體。主軸帶動(dòng)接盤(pán)轉(zhuǎn)向之后，需要夾具對(duì)接盤(pán)定位夾緊時(shí)，給開(kāi)關(guān)繼電器信號(hào)將其變?yōu)殚]合狀態(tài)，開(kāi)關(guān)繼電器運(yùn)動(dòng)，使連接在其上的定位銷產(chǎn)生向外的徑向位移差，設(shè)置既定位移差為可收縮式固緊件的半封閉式內(nèi)套筒的壁厚，開(kāi)關(guān)繼電器就停止運(yùn)動(dòng)，從而達(dá)到消除主軸徑向力的功能作用。當(dāng)去重過(guò)程完成后，夾具松開(kāi)，可收縮式固緊件中的兩層相互嚙合的閉合套筒由于其中的彈簧彈力恢復(fù)到原始位置，再次給繼電器一個(gè)信號(hào)，定位銷即可復(fù)位。

1.2力學(xué)分析

三爪卡盤(pán)對(duì)可收縮式接盤(pán)的三個(gè)力是呈120°作用于接盤(pán)的外套筒上，并且三個(gè)力處于同一水平面上，每個(gè)可收縮式接盤(pán)的四個(gè)固緊件于90°互為對(duì)稱的貼近可收縮式接盤(pán)的外套筒內(nèi)壁上。在定位夾緊系統(tǒng)中，三爪卡盤(pán)伸出卡爪夾緊接盤(pán)，接盤(pán)受到卡盤(pán)的三個(gè)軸向徑向力作用，可收縮式接盤(pán)軸承套如圖2所示，以此基礎(chǔ)上分析其對(duì)固緊件所處的4個(gè)位置的受力和彎矩影響，判斷三爪卡盤(pán)對(duì)接盤(pán)固緊件相接的1、2、3、4四個(gè)點(diǎn)上的受力與彎矩。

圖2　可收縮式接盤(pán)軸承套裝配圖

2基于solidworks的仿真分析

在solidworksRSimulation中對(duì)可收縮式固緊件進(jìn)行一系列的性能分析內(nèi)容包括：應(yīng)力強(qiáng)度、位移、應(yīng)變以此用于驗(yàn)證其在結(jié)構(gòu)性能上的可靠性。

材料選用高強(qiáng)度、高韌性、耐磨、耐腐蝕、耐低溫、耐高溫、無(wú)磁性等特殊性能合金鋼。在連結(jié)上選用彈簧連接的方式，軸向剛度為250N/m，張力預(yù)載力設(shè)定為5N,零部件采用無(wú)穿透的接觸類型。添加一個(gè)固定幾何體的夾具，并且添加兩個(gè)相反的作用力，一個(gè)加載在3端面上，另一個(gè)加載在2端面上，每個(gè)曲面上應(yīng)用500N的力，力的方向?yàn)榉ㄏ颉Ｔ趫A角區(qū)域應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)控制單元大小為0.929mm，比率為1.5，整體生成高品質(zhì)網(wǎng)絡(luò)，默認(rèn)的整體大小為1.859mm，公差為0.093mm。

運(yùn)行分析結(jié)果：

應(yīng)力結(jié)果:尋找可能產(chǎn)生較大應(yīng)力或者位移的零部件位置，任意取主觀可能的5個(gè)位置點(diǎn)，如圖3、圖4所示最大應(yīng)力點(diǎn)產(chǎn)生在節(jié)點(diǎn)772處，應(yīng)力為7.24MPa。

圖3　應(yīng)力圖解

圖4　應(yīng)力統(tǒng)計(jì)圖解

圖5顯示為五個(gè)選取點(diǎn)的應(yīng)力變化曲線，表明：1) 在五個(gè)位置的應(yīng)力變化是按不規(guī)律分布的。2) 在從位置選取節(jié)點(diǎn)457至節(jié)點(diǎn)041至節(jié)點(diǎn)818，從端面圓心處分散到邊緣端點(diǎn)應(yīng)力在不斷減小，也表明整個(gè)端面的應(yīng)力最大發(fā)生在中心處。依據(jù)此次分析過(guò)程，提出假設(shè)：整體可收縮式接盤(pán)最大應(yīng)力發(fā)生處可在節(jié)點(diǎn)772所處的軸側(cè)面。

圖5　應(yīng)力變化曲線圖

利用solidworksRSimulation確定最大最小應(yīng)力發(fā)生處和應(yīng)力大小。如圖3所示最大應(yīng)力發(fā)生在軸側(cè)面，應(yīng)力大小為11.67MPa<σp=620MPa，也驗(yàn)證了上述假設(shè)的成立。Fd是端面法向力，在三角卡盤(pán)對(duì)可收縮式接盤(pán)夾緊時(shí)產(chǎn)生的大小為500N的徑向力。Ao則為端面接觸面的面積，直徑為10mm的圓面。

說(shuō)明整個(gè)可收縮式固緊件的剛性強(qiáng)度條件上的滿足。

在三角卡盤(pán)對(duì)工件定位夾緊時(shí)，產(chǎn)生的微小位移，也是整個(gè)設(shè)計(jì)方案消除徑向力的產(chǎn)生必然的結(jié)果，如圖7所示最大位移發(fā)生在端面中心為5.63×10-4mm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于可發(fā)生斷裂時(shí)的形變位移量。

圖7　最大、最小的位移圖解

3結(jié)語(yǔ)

在運(yùn)動(dòng)仿真軟件Solidworks上完成了對(duì)可收縮式接盤(pán)以及核心可收縮式固緊件的的原理機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)并且對(duì)其進(jìn)行力學(xué)分析，驗(yàn)證了收縮式接盤(pán)設(shè)計(jì)上的可靠性。使用SolidworksRSimulation完成了對(duì)可收縮式固緊件的應(yīng)力及位移仿真分析，得到可靠數(shù)據(jù)及結(jié)果，驗(yàn)證了開(kāi)關(guān)繼電器運(yùn)動(dòng)使定位銷產(chǎn)生向外的徑向位移差，設(shè)置既定位移即固緊件內(nèi)套筒的壁厚，最終達(dá)到消除主軸徑向力的功能作用，為其解決夾具對(duì)主軸的徑向力傷害提供很好的借鑒方法。

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Research on Retractable Adapting Plate of Vertical Balancing Machine and Its Application

FENG Gao-ge1, WU Jian-min1, ZHANG Yu-lai2

(1. College of Mechanical Engineering, Shanghai University of Engineering Science, Shanghai 201620, China;

2. Zhejiang zhoushan maritime school， Zhoushan 316000, China)

Abstract:This paper designs a retractable adapting plate device which can be used for positioning and clamping device of the disk rotors on dynamic balancing machine to prevent the damage of the spindle with the radial force generated by the fixture. When the traditional joint plate is divided into two separated layers ---the inner and outer sleeve, the refractable bearing can be used to fix and connect the inner and outer sleeves into the whole retractable adapting plate. The movement of the retractable bearing controlled by switch relay, axial displacement of the semi-closed inner and outer sleeve is converted by outward radial displacement difference produced by the pin so as to ultimately eliminate the radial force of the spindle. This design has advantages of simple structure, easy installation and low cost. compared with usual spindle shaft technology and can be applied to position and clamp disk rotors on dynamic balancing machine.

Keywords:balancing machine； vertical type; retractable adapting plate; retractable bearing

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51375145)

收稿日期：2014-11-29

中圖分類號(hào)：TH131

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

文章編號(hào)：1671-5276(2015)03-0039-03

作者簡(jiǎn)介：封高歌(1989-)，男，安徽蚌埠人，碩士研究生，從事動(dòng)平衡機(jī)研究。