轉(zhuǎn)子動平衡技術(shù)研究與應用

韓震宇

摘 要：旋轉(zhuǎn)零件在當今汽車乃至整個工業(yè)的發(fā)展都變得尤為重要，隨之而來的對于旋轉(zhuǎn)零件的平衡技術(shù)也變得日趨嚴峻。在力學原理上有剛性轉(zhuǎn)子的平衡理論和方法，其發(fā)展具體體現(xiàn)在平衡上一些新工藝、新技術(shù)。

關(guān)鍵詞：離心力；靜平衡；動平衡；剛性轉(zhuǎn)子；撓性轉(zhuǎn)子

由于現(xiàn)在機械的高速發(fā)展，尤其是汽車企業(yè)的發(fā)展速度不斷提高，轉(zhuǎn)子的速度、長徑比在不斷增加，在旋轉(zhuǎn)中已經(jīng)呈現(xiàn)撓曲狀，如果按原有的剛性轉(zhuǎn)子的平衡理論因為實在低速下進行的平衡理論已經(jīng)不能完全滿足現(xiàn)在的工藝要求，就必須按照撓性轉(zhuǎn)子的重新進行計算。

在理想的情況下回轉(zhuǎn)體旋轉(zhuǎn)與不旋轉(zhuǎn)時，對軸承產(chǎn)生的壓力是一樣的，但在實際生產(chǎn)中每個回轉(zhuǎn)物由于材料分配不均勻或者鑄造缺陷、加工時產(chǎn)生的誤差等多種因素都造成了回轉(zhuǎn)體的不平衡，這種狀態(tài)稱之為靜態(tài)不平衡，但當回轉(zhuǎn)體在旋轉(zhuǎn)時因為微小的質(zhì)點所產(chǎn)生的離心力不能相互抵消，從而產(chǎn)生了不平衡的離心力，也就是動態(tài)的不平衡。

不平衡的原因大體分為以下幾種：

（1）轉(zhuǎn)動件本身形狀不對稱；

（2）加工過程中產(chǎn)生的誤差；

（3）安裝不正確；

（4）旋轉(zhuǎn)運動時的誤差；

（5）零件的磨損；

（6）轉(zhuǎn)動件上有其他物質(zhì)附著。

動平衡的作用如下：

（1）提高轉(zhuǎn)子何其組裝產(chǎn)品的質(zhì)量；

（2）降低噪聲；

（3）減少振動；

（4）提高軸承的使用壽命；

（5）降低使用者的不舒適感；

（6）將能能源的消耗。

在零件中圍繞軸線旋轉(zhuǎn)的零件稱之為轉(zhuǎn)子：

對于是否需要平衡的轉(zhuǎn)子姑且分為兩大類：平衡類轉(zhuǎn)子，在旋轉(zhuǎn)或不旋轉(zhuǎn)時對于軸承只有靜壓力的轉(zhuǎn)子。不平衡類轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子在旋轉(zhuǎn)時對軸承除了有靜壓力外，還有其他的壓力（如動壓力），則稱為不平衡轉(zhuǎn)子。如果轉(zhuǎn)子是不平衡的，其動壓力將通過軸承傳遞到機器上，引起機械振動。

根據(jù)IOS的標準，轉(zhuǎn)子是由軸承支撐的旋轉(zhuǎn)體，多為機械零件中的主要旋轉(zhuǎn)件。典型的轉(zhuǎn)子有電機轉(zhuǎn)子，曲軸，凸輪軸等還包括各位泵的轉(zhuǎn)子。

（1） 定義一：剛性轉(zhuǎn)子既可以在任意選定的兩個校正平面上進行平衡校正，并且完成校正之后，在直至最高工作轉(zhuǎn)速的任何轉(zhuǎn)速以及無限接近實際工作轉(zhuǎn)速的條件下，其殘余不平衡量無明顯改變的轉(zhuǎn)子。

撓性轉(zhuǎn)子既由于彈性撓曲而不能滿足剛性轉(zhuǎn)子定義的轉(zhuǎn)子。

（2）定義二：工程上常用臨界轉(zhuǎn)速作為區(qū)分撓性轉(zhuǎn)子和剛性轉(zhuǎn)子的分界。

工作轉(zhuǎn)速低于一介臨界轉(zhuǎn)速時，其不平衡離心力較小，由此引起的撓曲變形因為很小所以可以忽略不計，這種類型的轉(zhuǎn)子被稱為剛性轉(zhuǎn)子。相反如果工作轉(zhuǎn)速高于一階轉(zhuǎn)速臨界點，其撓曲變形不能被忽略的轉(zhuǎn)子則被稱為撓性轉(zhuǎn)子。

（3）定義三： 在轉(zhuǎn)子任意兩端面上，加上質(zhì)量相同的塊M，如果只考慮一階的撓曲振型，在工作轉(zhuǎn)速下測得軸承的振幅為A1，然后把兩質(zhì)量塊同時移到轉(zhuǎn)子中央，測得軸承振幅為A2，放大系數(shù)β=（A2-A1）/A1，以此作為轉(zhuǎn)子的度量稱之為“柔度”。而根據(jù)轉(zhuǎn)子得被放大系數(shù)不同，我們可將轉(zhuǎn)子分為：

（1） 當0< β<0.4時為剛性轉(zhuǎn)子；

（2） 當0.4《 β<1.25時為準剛性或半撓性轉(zhuǎn)子；

（3） 當β》1.25時為撓性轉(zhuǎn)子。

剛性和撓性只是相對于某一定義標量而言的。

不平衡可以分為靜不平衡、偶不平衡、動不平衡三種不平衡狀態(tài)，對它們的平衡方法也是不一樣的。

（1）靜不平衡在某一半徑為R、質(zhì)量為M的平衡轉(zhuǎn)子中心平面上加上一個質(zhì)量為m的不平衡質(zhì)量。此時轉(zhuǎn)子的重心與原重心之間產(chǎn)生了一個距離為e（e=mR/M）的偏心距，新的中心慣性主軸和轉(zhuǎn)動軸線之間始終處于平行狀態(tài)，當轉(zhuǎn)子重新旋轉(zhuǎn)時，由于這個新產(chǎn)生的偏心距而引起的離心慣性力使軸承產(chǎn)生振動，如果要使這轉(zhuǎn)子平衡就必須在它對等的重心平面位置上加上同一個質(zhì)量m，轉(zhuǎn)子便平衡了。

（2） 偶不平衡其平衡轉(zhuǎn)子的一個平面上180度加兩個相等重量的不平衡量。兩個大小相同但是方向相反的不平衡量。帶有這種不平衡量的轉(zhuǎn)子不會在薄片支撐上自己穩(wěn)定在特定的位置，所以不能再用這種轉(zhuǎn)子自穩(wěn)定找位置的辦法來檢測出轉(zhuǎn)子的不平衡量。即不能在同一個平面上加重或者去重，必須在兩個平面上加重或去重，轉(zhuǎn)子才能得到平衡。

（3）動不平衡是靜不平衡與偶不平衡的組合。轉(zhuǎn)子的中心慣性主軸和實際轉(zhuǎn)動軸線既不相交也不平衡，如果需要平衡這樣的轉(zhuǎn)子就必須在兩個或者兩個以上平面內(nèi)加重或者去重才能使轉(zhuǎn)子得到新的平衡。

無論哪一種類的轉(zhuǎn)子只要經(jīng)過了平衡校正之后，消除了它的偶不平衡的同時也消除了它的靜不平衡，此時轉(zhuǎn)子的中心慣性主軸和轉(zhuǎn)動軸線就基本一致了，轉(zhuǎn)子也達到了平衡狀態(tài)。但在實際生產(chǎn)和加工過程中這些都是理論上的數(shù)據(jù)，如果想得到一個不平衡量為零的轉(zhuǎn)子那完全是不可能的，因為我們還需考慮到平衡機本身的精度和轉(zhuǎn)子的局限性。所以對于不同的零件我們要做的只是達到轉(zhuǎn)子所需要達到的平衡精度即可。

當剛性轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)軸通過質(zhì)心并且為慣性主軸時，剛性轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時不會出現(xiàn)軸承的動約束力，這種現(xiàn)象稱之為“動平衡”。動平衡實際上就是所謂的動不平衡，是運用在旋轉(zhuǎn)零件或者精度要求非常高的設備上。轉(zhuǎn)子在圍繞軸線旋轉(zhuǎn)時，由于軸線上質(zhì)量分布不均勻而產(chǎn)生離心力。這種不平衡的離心力在轉(zhuǎn)子軸承旋轉(zhuǎn)上會引起振動，產(chǎn)生噪聲從而加速軸承磨損，嚴重影響設備的使用性能和壽命，如果平衡不好會使旋轉(zhuǎn)零件在運轉(zhuǎn)中飛出去。

旋轉(zhuǎn)零部件在制造過程中，都需要穩(wěn)定正常地運轉(zhuǎn)。舉例：如汽車車輪制動盤、發(fā)動機曲軸、液力變矩器、增壓器、齒輪、風葉等。

如果一個轉(zhuǎn)動的物體質(zhì)量分布不均勻，轉(zhuǎn)動起來就會產(chǎn)生振動。不均勻程度越大，振動也越大。消除振動的方法很簡單，就是把不均勻的質(zhì)量點找出來并去掉它或者在它對面人為地加一塊相同的質(zhì)量去平衡它。

任何旋轉(zhuǎn)零件都存在不平衡，而我們做動平衡的目的就是要使旋轉(zhuǎn)零件（轉(zhuǎn)子）在其工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)甚至更高轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，而轉(zhuǎn)子在工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)通過臨界轉(zhuǎn)速時不至于引起比較大的振動，就需要做動平衡，或者想辦法降低不平衡量，使之達到某一精度要求。

國際標準化組織（ISO）于1940年制定了平衡等級“ISO1940”，它將轉(zhuǎn)子的平衡等級一共分為11個等級，每個級之間以2.5倍為增量，從要求最高的G0.4到要求最低的G4000。單位為公克×毫米/公斤（g.mm/kg），用來代表對于轉(zhuǎn)子不平衡軸心的偏心距離。該標準建立了轉(zhuǎn)子的實際最高轉(zhuǎn)速與允許接受的殘余不平衡量兩者之間的關(guān)系，其中羅列了每個等級中分別具有代表的轉(zhuǎn)子和其建議理論不平衡等級間的關(guān)系介紹了質(zhì)量不平衡等級G（等效于一個不受約束的轉(zhuǎn)子所產(chǎn)生的eω），因為它可用來對別設備在不同速率運轉(zhuǎn)時的物理特性。標準中的G值在數(shù)字上相當于以9500r/min運轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子用μm來表示的偏心率e。轉(zhuǎn)子的不平衡等級或質(zhì)量不平衡可以參照一臺已校準的動平衡機來進行評定。平衡質(zhì)量等級（G）代表回轉(zhuǎn)體處于不平衡狀態(tài)時回轉(zhuǎn)體重心的線速度，是用來判定轉(zhuǎn)子動態(tài)負載的一種機械比較量。如果G值越小，則回轉(zhuǎn)體旋轉(zhuǎn)相對是平穩(wěn)的。