葉輪動(dòng)平衡工裝設(shè)計(jì)

王科研 洪量 候佳希

摘要：航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)件的不平衡量是影響發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)超限的主要原因。對(duì)葉輪的動(dòng)平衡，需設(shè)計(jì)專用的動(dòng)平衡工裝。本文以葉輪動(dòng)平衡工裝設(shè)計(jì)為例，闡述了不平衡量的產(chǎn)生過程及去除方法，動(dòng)平衡機(jī)的基本原理，及車間平衡機(jī)的專用工裝設(shè)計(jì)方法。

關(guān)鍵詞：不平衡量；動(dòng)平衡；離心力；主慣軸；平衡機(jī)

1.不平衡的產(chǎn)生及危害

轉(zhuǎn)子系統(tǒng)是發(fā)動(dòng)機(jī)中最重要的部件，轉(zhuǎn)子的不平衡量過大將引起整機(jī)振動(dòng)過大，轉(zhuǎn)子自身將產(chǎn)生較大應(yīng)力和變形，造成連接松動(dòng)，軸承負(fù)荷過大、工作不良以致?lián)p壞。轉(zhuǎn)子變形過大則會(huì)產(chǎn)生靜、動(dòng)件的碰撞摩擦，以及許多零組件的振動(dòng)、疲勞和損壞，振動(dòng)嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)斐娠w行事故。轉(zhuǎn)子的不平衡量過大是一種常見的故障，又是一種破壞性較大的故障，如果發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的不平衡量過大，就必須對(duì)轉(zhuǎn)子進(jìn)行平衡。

當(dāng)零件做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，例如各種傳動(dòng)軸，主軸，風(fēng)機(jī)，水泵葉輪，刀具，電動(dòng)機(jī)和汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子等，統(tǒng)稱為回轉(zhuǎn)體。在理想的情況下，回轉(zhuǎn)體旋轉(zhuǎn)與不旋轉(zhuǎn)時(shí)對(duì)軸承產(chǎn)生的壓力是一樣的，這樣的回轉(zhuǎn)體是平衡的回轉(zhuǎn)體。但工程中的各種回

轉(zhuǎn)體，由于材質(zhì)不均勻或者毛坯缺陷，加工及裝配過程產(chǎn)生的誤差，甚至設(shè)計(jì)時(shí)就有非對(duì)稱的幾何形狀等多種因素，使得回轉(zhuǎn)體在旋轉(zhuǎn)時(shí)，其上每個(gè)微小質(zhì)點(diǎn)產(chǎn)生的離心慣性力不能相互抵消，如圖1所示：離心慣性力通過軸承作用到機(jī)械及其基礎(chǔ)上，引起振動(dòng)，產(chǎn)生了噪音，加速了軸承磨損，縮短了機(jī)壽命，嚴(yán)重時(shí)能造成破壞性的事故。為此，必須對(duì)轉(zhuǎn)子進(jìn)行平衡，使其達(dá)到允許的平衡精度等級(jí)，或使產(chǎn)生的機(jī)械振動(dòng)幅度降在允許的范圍內(nèi)。

2.動(dòng)平衡機(jī)的應(yīng)用

平衡機(jī)是測量旋轉(zhuǎn)物體（轉(zhuǎn)子）不平衡量大小和位置的機(jī)器。根據(jù)平衡機(jī)測出的數(shù)據(jù)對(duì)轉(zhuǎn)子的不平衡量進(jìn)行校正，可改善轉(zhuǎn)子相對(duì)于軸線的質(zhì)量分布，使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)或作用與軸承上的振動(dòng)力減少到允許的范圍內(nèi)。

通常，轉(zhuǎn)子的平衡包含了測量和校正兩個(gè)步驟，平衡機(jī)主要用于不平衡量的測量，而不平衡量的校正往往借助于鉆床、銑床和點(diǎn)焊機(jī)等其他的輔助設(shè)備，或者用手工方法完成。

3.使用車間現(xiàn)有平衡機(jī)工作原理

如圖2所示，調(diào)節(jié)活動(dòng)支架，對(duì)準(zhǔn)工件平衡支承點(diǎn)，安裝工件并將活動(dòng)支架固定在底座后，在傳動(dòng)皮帶的帶動(dòng)下工件開始旋轉(zhuǎn)。當(dāng)達(dá)到設(shè)定的轉(zhuǎn)速后，如果工件存在不平衡量，則支架在不平衡量的重力距作用下產(chǎn)生振動(dòng)，安裝在支架中的傳感器將振動(dòng)發(fā)出的電信號(hào)傳輸?shù)絀/O終端，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換，終端根據(jù)所輸入的工件平衡參數(shù)，如轉(zhuǎn)速n，2側(cè)支點(diǎn)半徑r，自動(dòng)計(jì)算不平衡量，將不平衡量顯示在顯示設(shè)備極坐標(biāo)軸上。安裝與支架上部的傳感器用于記錄轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的相位角，根據(jù)轉(zhuǎn)速n，采樣的周期T，即能得到不平衡量所在的位置。由此，不平衡量的大小和位置都能夠得到。根據(jù)顯示在極坐標(biāo)軸的不平衡質(zhì)點(diǎn)位置及不平衡量的數(shù)值，工人就可以采取措施，采用增重或去重方法改善轉(zhuǎn)子質(zhì)量分布。

4.葉輪動(dòng)平衡工裝設(shè)計(jì)

如圖3所示，零件要求以2個(gè)軸承為支承點(diǎn)，對(duì)葉輪采用去重的方法進(jìn)行平衡。動(dòng)平衡工裝的設(shè)計(jì)要點(diǎn)是：保證2個(gè)軸承的旋轉(zhuǎn)中心一致，即保證回轉(zhuǎn)體的中心主慣性軸（Z軸）水平。

4.1 Z軸水平調(diào)整

由于需對(duì)2個(gè)軸承進(jìn)行支承，為消除因制造即裝配所產(chǎn)生的誤差，保持Z軸水平，將一端支承設(shè)計(jì)成沿Y方向可調(diào)結(jié)構(gòu)，如圖4所示。

使用時(shí)，松開鎖緊螺母，轉(zhuǎn)動(dòng)高度調(diào)節(jié)螺母調(diào)整高度，帶動(dòng)活動(dòng)支架沿著4個(gè)導(dǎo)柱滑動(dòng)，并借助水平儀調(diào)整至與另一側(cè)的支架高度一致后，擰緊高度調(diào)節(jié)螺母下方的備緊螺母，并將鎖緊螺母鎖緊即可。

對(duì)于此工裝，車間采用的水平儀精度為0.02：150mm，由于2個(gè)軸承間距小于150mm，導(dǎo)致水平儀無安裝空間。為此，需設(shè)計(jì)二級(jí)工具輔助測量芯棒進(jìn)行校正，操作過程如下：將芯棒左端￠19.65端面安裝實(shí)驗(yàn)軸承（此軸承為無內(nèi)環(huán)滾子軸承），裝入支架，另一側(cè)￠40安裝在孔中，調(diào)節(jié)活動(dòng)支座位置，至有足夠空間放入水平儀。

4.2 軸承旋轉(zhuǎn)中心一致保證方法

2個(gè)活動(dòng)支座可以在底座上的直線導(dǎo)軌上沿Z方向滑動(dòng)，2個(gè)活動(dòng)支座上分別有2個(gè)￠4H7的定位孔，根據(jù)測量，2孔偏離中心距都為7.53。為此，在工裝設(shè)計(jì)時(shí)，只需將7.53這一偏心對(duì)軸承的旋轉(zhuǎn)中心尺寸要求嚴(yán)格，或者采用保證2件一致的方法，就能保證2軸承的旋轉(zhuǎn)中心軸線一致。

5該工裝現(xiàn)場使用效果

該工裝經(jīng)過車間實(shí)際應(yīng)用和檢驗(yàn)，有效地檢測出了葉輪的不平衡量，得到了工人師傅的肯定，證明了設(shè)計(jì)的合理可行性，現(xiàn)該葉輪已經(jīng)裝機(jī)使用。該套工裝的設(shè)計(jì)為后續(xù)科研產(chǎn)品的動(dòng)平衡提供了依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

[1]徐秉銓，王國棟，吳九誠等.航空制造工程手冊.北京：航空工業(yè)出版社，1996.

[2]朱耀祥，浦林祥.現(xiàn)代夾具設(shè)計(jì)手冊.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.10.

[3]王漢英，張?jiān)趯?shí)，徐錫林.轉(zhuǎn)子平衡技術(shù)與平衡機(jī).北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1988.

[4]安勝利，楊黎明.轉(zhuǎn)子現(xiàn)場動(dòng)平衡技術(shù).北京：國防工業(yè)出版社，2007.

[5]吳宗澤.機(jī)械設(shè)計(jì)實(shí)用手冊.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

[6]付才高，鄭大平，歐圓霞等.航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)手冊.北京：航空工業(yè)出版社，2000.

[7]顧家柳，丁奎元，劉啟洲.轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué).北京：國防工業(yè)出版社，1997.

[8]廖明夫.渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力渦輪轉(zhuǎn)子高速動(dòng)平衡技術(shù)理論分析與計(jì)算.株洲：中國航空動(dòng)力機(jī)械研究所，2001.