膜盤聯(lián)軸器動(dòng)平衡的研究

王傳奇， 楊昊

（1.海軍駐哈爾濱地區(qū)航空軍事代表室，哈爾濱150000；2.陸航駐哈爾濱地區(qū)軍事代表室，哈爾濱150000）

0 引言

聯(lián)軸器轉(zhuǎn)子組件是帶兩個(gè)柔性盤的傳動(dòng)軸,此類傳動(dòng)軸因其柔度較大,平衡過程中波動(dòng)量較大,高轉(zhuǎn)速下振動(dòng)幅度較大，其不平衡量的變化值已超出了其規(guī)定值,導(dǎo)致平衡無法實(shí)施，瓶頸故障導(dǎo)致首臺(tái)裝配進(jìn)度停滯不前，在平衡現(xiàn)場(chǎng)對(duì)傳動(dòng)軸進(jìn)行反復(fù)的摸索試驗(yàn)，占用大量的人力和資源，不但影響機(jī)型的交付節(jié)點(diǎn)，也嚴(yán)重影響其它型號(hào)的平衡進(jìn)度，所以分析和研究聯(lián)軸器轉(zhuǎn)子組件動(dòng)平衡故障的機(jī)理并提出有效的改進(jìn)措施是非常必要的[1]。

1 膜盤聯(lián)軸器的動(dòng)平衡

1.1 膜盤聯(lián)軸器的動(dòng)平衡測(cè)量

膜盤聯(lián)軸器的結(jié)構(gòu)特性:膜盤聯(lián)軸器組件長(zhǎng)520 mm，最大直徑為50 mm，整體為鈦合金結(jié)構(gòu)空心薄壁件，轉(zhuǎn)子質(zhì)量3 kg。如圖1所示，左右各一個(gè)法蘭盤，每個(gè)法蘭盤上各有兩個(gè)膜盤，膜盤的柔性較大，可承受較大的緩沖力和彎應(yīng)力，同時(shí)也給轉(zhuǎn)子的動(dòng)平衡帶來較大的難度[2]。

圖1 轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)

聯(lián)軸器轉(zhuǎn)子組件的動(dòng)平衡要求是在轉(zhuǎn)速5500～6500 r/min下，保證聯(lián)軸器轉(zhuǎn)子組件在0°、120°、240°三個(gè)位置的校正面剩余不平衡量均為：左端T≤ 2.5 g·mm，右端N≤ 2.5 g·mm[3]。

實(shí)際操作時(shí)，將轉(zhuǎn)子的兩端通過轉(zhuǎn)接工裝，安裝到HK4平衡機(jī)上，左、右工裝結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 動(dòng)平衡裝配示意圖

為了消除工裝引入的附加不平衡量，將平衡工裝與聯(lián)軸器轉(zhuǎn)子組件連接處的工藝螺釘外徑尺寸分級(jí)，按孔徑尺寸選裝后使用，保證工藝螺釘與安裝孔配合無間隙。并對(duì)轉(zhuǎn)子進(jìn)行了特殊轉(zhuǎn)子標(biāo)定，及相對(duì)于工裝做了個(gè)180°的翻轉(zhuǎn)補(bǔ)償[4]。

翻轉(zhuǎn)補(bǔ)償操作如下：1）首次安裝時(shí)，將聯(lián)軸器轉(zhuǎn)子組件和平衡工裝的一個(gè)安裝孔標(biāo)記為“0°”位，聯(lián)軸器轉(zhuǎn)子組件往平衡機(jī)上安裝時(shí)，應(yīng)使平衡工裝的“0°”位、聯(lián)軸器轉(zhuǎn)子組件的“0°”位及設(shè)備兩端法蘭的“0°”對(duì)準(zhǔn)并在一條水平線上，啟動(dòng)平衡機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)[5]。2）在工裝不動(dòng)的情況下，將轉(zhuǎn)子翻轉(zhuǎn)180°，即將工裝的“0°”位與轉(zhuǎn)子的“180°”對(duì)準(zhǔn)，然后再次運(yùn)轉(zhuǎn)。3）保存翻轉(zhuǎn)補(bǔ)償值后進(jìn)行正式平衡。

動(dòng)平衡測(cè)量運(yùn)轉(zhuǎn)的數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 動(dòng)平衡測(cè)量運(yùn)轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)

1.2 膜盤聯(lián)軸器動(dòng)平衡的分析

1.2.1 不平衡值波動(dòng)量分析

某聯(lián)軸器轉(zhuǎn)子組件的規(guī)定不平衡量為左端T≤2.5g·mm，右端N≤2.5 g·mm，去材料半徑為37 mm，其工作轉(zhuǎn)速為12000 r/min，所以轉(zhuǎn)子規(guī)定的不平衡質(zhì)量為Uper/r=2.5÷37=0.067 g（Uper為轉(zhuǎn)子不平衡量；r為去材料半徑），也就是左、右均應(yīng)在67 mg以內(nèi)，才算平衡合格[6]。

動(dòng)平衡精度的計(jì)算：eper=Uper/M=（2.5+2.5）g·mm÷3 kg=1.6μm（eper為動(dòng)平衡精度；M為轉(zhuǎn)子質(zhì)量）。

動(dòng)平衡機(jī)HK4的允許偏心測(cè)量精度為0.5 μm，現(xiàn)轉(zhuǎn)子的允許偏心量為1.6 μm，可見允許轉(zhuǎn)子的測(cè)量精度未超過平衡機(jī)的測(cè)量精度，比較合理。

由e=10000·G/n得，G=en/10000=1.6×12000÷10000=1.92（e為轉(zhuǎn)子的允許偏心量；n為轉(zhuǎn)速）。

按國(guó)標(biāo)規(guī)定，航空產(chǎn)品轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡的精度一般選擇為G2.5，現(xiàn)計(jì)算的精度等級(jí)為G1.92，可見轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)時(shí)，動(dòng)平衡精度等級(jí)的選擇較高[7]。

通過上述的分析與對(duì)比可以得出，不平衡量波動(dòng)量較大，與設(shè)備無關(guān)，與轉(zhuǎn)子的精度等級(jí)選擇較高有關(guān)，下一步需進(jìn)行轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡特性的分析。

1.2.2 動(dòng)平衡特性的分析

從表1中的動(dòng)平衡數(shù)據(jù)可見以下幾個(gè)問題：

1）動(dòng)平衡量值的波動(dòng)在20～460 mg。經(jīng)計(jì)算該轉(zhuǎn)子的動(dòng)平衡質(zhì)量應(yīng)控制在67 mg以內(nèi)，較大的波動(dòng)量，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子不具備平衡的可能性[8]。

2）動(dòng)平衡工裝不是影響因素。在轉(zhuǎn)子與工裝之間不拆裝的情況下，不同次的動(dòng)平衡運(yùn)轉(zhuǎn)，其不平衡量存在波動(dòng)，則說明，工裝不是引起不平衡量波動(dòng)的原因。

3）轉(zhuǎn)子無法實(shí)現(xiàn)0°、120°、240°的翻轉(zhuǎn)測(cè)量。因轉(zhuǎn)子的兩端與平衡工裝轉(zhuǎn)接的法蘭盤上只有4個(gè)安裝孔，無法均勻地旋轉(zhuǎn)120°，只有做180°或90°的翻轉(zhuǎn)補(bǔ)償[9]。

4）動(dòng)平衡量值隨著動(dòng)平衡轉(zhuǎn)速的增加而增大。轉(zhuǎn)速從2000 r/min升至4500 r/min，再升至8000 r/min，其對(duì)應(yīng)的不平衡量值分別為A區(qū)、B區(qū)、C區(qū)的波動(dòng)曲線圖，如圖3所示。

圖3 不平衡量波動(dòng)圖

從圖3中可見，同一轉(zhuǎn)速下，多次旋轉(zhuǎn)測(cè)量時(shí)，不平衡量隨測(cè)量時(shí)間的延長(zhǎng)有不斷增長(zhǎng)的趨勢(shì)，不同轉(zhuǎn)速下運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，隨著轉(zhuǎn)速的增加，其不平衡量值也是遞增的趨勢(shì)，這是典型的一階共振特性[10]。

通過試驗(yàn)可以判斷轉(zhuǎn)子在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中一定有變形發(fā)生，既然有變形存在，那么在某些轉(zhuǎn)速區(qū)間就不適合進(jìn)行動(dòng)平衡校正，為了摸清轉(zhuǎn)子的變形規(guī)律，需研究轉(zhuǎn)子的振型曲線，針對(duì)性地選擇合適的平衡轉(zhuǎn)速和平衡方法。

HK4平衡機(jī)振型曲線的繪制步驟[11]:在正常測(cè)量界面下,按一下字母O鍵,然后在跳出來的頁面最后一項(xiàng)打開高速測(cè)量功能,設(shè)定好最高轉(zhuǎn)速。然后按回車鍵結(jié)束設(shè)置，然后回到正常測(cè)量界面下，按一下左上角的SF鍵，再按一下字母V鍵。然后啟動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)，慢慢加速。等有測(cè)量值出現(xiàn)，就按一下鍵盤上的點(diǎn)號(hào).鍵，就開始畫曲線了，繼續(xù)加速，直至加速完成后，再按一下點(diǎn)號(hào)鍵結(jié)束畫曲線，然后按一下HOLD鍵記憶停車，再按一下矢量圖/數(shù)字顯示切換鍵顯示出畫好的曲線。

圖4 振型曲線圖

為了摸清其振動(dòng)特性，繪制了轉(zhuǎn)子的振型曲線圖，如圖4所示。按照撓性轉(zhuǎn)子的振動(dòng)特性，轉(zhuǎn)子一般在共振點(diǎn)的上、下30%的范圍內(nèi)不能實(shí)施平衡，因此范圍內(nèi)是轉(zhuǎn)子振動(dòng)型的發(fā)生區(qū)域，無法穩(wěn)定下來，所實(shí)施的平衡操作，也是沒有實(shí)際意義的[12]。

從聯(lián)軸器轉(zhuǎn)子組件振型曲線圖上分析，轉(zhuǎn)子在運(yùn)轉(zhuǎn)升速的過程中有兩個(gè)共振點(diǎn)，從圖上可見:轉(zhuǎn)子在6000 r/min產(chǎn)生共振，按上、下30%計(jì)算，轉(zhuǎn)子在4200～7800 r/min范圍內(nèi)不能實(shí)施平衡操作；轉(zhuǎn)子在3000 r/min產(chǎn)生共振，按上、下30%計(jì)算，轉(zhuǎn)子在3900～2100 r/min范圍內(nèi)不能實(shí)施平衡操作。通過上述分析,該轉(zhuǎn)子在2000 r/min的平衡轉(zhuǎn)速下,振型較穩(wěn)定,經(jīng)過近一步的分析,對(duì)于轉(zhuǎn)子在3000 r/min的共振點(diǎn)應(yīng)該不是轉(zhuǎn)子本身的特性，主要是由于HK4平衡機(jī)采用的是高速電動(dòng)機(jī)，3000 r/min與電網(wǎng)供電50 Hz同頻共振[13]。

5）轉(zhuǎn)子去材料不平衡量波動(dòng)異常問題的分析。轉(zhuǎn)子在實(shí)施動(dòng)平衡校正時(shí)，在轉(zhuǎn)子上去材料后，實(shí)際去除質(zhì)量與屏幕上顯示的不平衡量的變化值差異較大，去材料量較大時(shí)，不平衡量值又會(huì)產(chǎn)生突變，同時(shí)角度也發(fā)生大幅度變化，完全不符合不平衡力傳遞、力合成的規(guī)律，其原因有兩方面：a.去材料與不平衡量不規(guī)律變化的原因，是因?yàn)樵撧D(zhuǎn)速下轉(zhuǎn)子有變形，不具備線性；b.去材料過程會(huì)導(dǎo)致軸熱彎曲，如果馬上測(cè)量不平衡量，會(huì)得到假的結(jié)果，應(yīng)該先用膠帶加蠟平衡，確定真實(shí)的去材料量，再去除，去材料后要有足夠的時(shí)間冷卻等轉(zhuǎn)子的熱彎曲恢復(fù)正常，再測(cè)量不平衡量[14]。

6）轉(zhuǎn)子不平衡量的波動(dòng)的量化和評(píng)估。對(duì)轉(zhuǎn)子不平衡量進(jìn)行量化和評(píng)估的方法是將轉(zhuǎn)子做一個(gè)簡(jiǎn)單補(bǔ)償，如果簡(jiǎn)單補(bǔ)償后再運(yùn)轉(zhuǎn)，測(cè)量的不平衡量能在公差范圍內(nèi)，則平衡操作可以實(shí)施，否則說明在當(dāng)前條件下無法有效地通過加重或去重的方式進(jìn)行測(cè)量，即不適合在當(dāng)前條件下進(jìn)行動(dòng)平衡操作，測(cè)量值如表2所示。

從表2可見，其波動(dòng)量已超過了轉(zhuǎn)子本身的動(dòng)平衡精度，所以，在當(dāng)前條件下無法進(jìn)行動(dòng)平衡操作。

表2 簡(jiǎn)單補(bǔ)償后的測(cè)量值

1.2.3 剛性轉(zhuǎn)子產(chǎn)生撓曲特性的原因

聯(lián)軸器轉(zhuǎn)子組件的工作轉(zhuǎn)速是12 000 r/min，臨介轉(zhuǎn)速是20 000 r/min，正常情況下，轉(zhuǎn)子在工作轉(zhuǎn)速的范圍內(nèi)應(yīng)能平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)，但轉(zhuǎn)子在6000 r/min就表現(xiàn)出了撓性轉(zhuǎn)子的動(dòng)平衡特性，完全是由于其軸體上有4個(gè)柔性膜盤造成的，設(shè)計(jì)所給的動(dòng)平衡要求，應(yīng)該是沒有考慮膜盤在旋轉(zhuǎn)過程中的變形特性[15]。

1.3 膜盤聯(lián)軸器動(dòng)平衡的改進(jìn)

通過試驗(yàn)分析，制定整改措施如下：

聯(lián)軸器轉(zhuǎn)子組件動(dòng)平衡時(shí)，將動(dòng)平衡轉(zhuǎn)速從（6000±100）r/min改為（2000±100）r/min，翻轉(zhuǎn)角相從（0°、120°、240°）改為（0°、180°）;

左、右兩個(gè)校正面剩余不平衡量從2.5 g·mm改為5.6 g·mm（151 mg）;

在轉(zhuǎn)速2000±100 r/min平衡合格后，在轉(zhuǎn)速4500±500 r/min、8000±500 r/min進(jìn)行動(dòng)平衡，并記錄0°、180°兩個(gè)位置的動(dòng)不平衡量實(shí)際值，如表3所示。

動(dòng)平衡精度的計(jì)算：eper=Uper/M=（5.6+5.6）g·mm÷3 kg=3.7 μm＞0.1 μm;

表3 改進(jìn)后動(dòng)平衡測(cè)量運(yùn)轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)

動(dòng)平衡等級(jí)計(jì)算:由e=10000·G/n得，G=en/10000=3.7×12000÷10000=4.4＞2.5。從上述計(jì)算可見，動(dòng)平衡精度和動(dòng)平衡等級(jí)均比較合理。

2 結(jié) 論

帶膜盤結(jié)構(gòu)零件是具有撓性轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡特性的剛性轉(zhuǎn)子，通過膜盤聯(lián)軸器動(dòng)平衡研究的總結(jié)分析，可以歸納帶膜盤結(jié)構(gòu)零件動(dòng)平衡工作的要點(diǎn)，此類零件動(dòng)平衡過程為：在動(dòng)平衡前，應(yīng)充分研究零件的振動(dòng)特性，同時(shí)計(jì)算動(dòng)平衡精度和動(dòng)平衡等級(jí)，確定動(dòng)平衡轉(zhuǎn)速、動(dòng)平衡精度和動(dòng)平衡等級(jí)的合理性，防止由于不了解零件動(dòng)平衡特性的前提下盲目去重，造成零件報(bào)廢的情況發(fā)生。