霧炮葉輪靜動平衡試驗方法

柴書杰 王洪權(quán) 張陽羊 樊超杰

CHAI Shu-jie et al

河南森源重工有限公司 河南長葛 461500

1 前言

隨著人們環(huán)保意識的提高，市場上對抑塵車需求量日益增大。在抑塵車霧炮作業(yè)過程中，往往出現(xiàn)葉輪不平衡的問題，導致葉輪在高速旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生劇烈振動，不僅加速霧炮旋轉(zhuǎn)軸及軸承的磨損，降低其精度和使用壽命，而且影響整車正常運行。由于葉輪是抑塵車霧炮的核心部件，因此對葉輪平衡試驗的研究十分重要。

本文以葉輪轉(zhuǎn)子為試驗對象，使用某型硬支承動平衡機，采用靜動平衡試驗檢測方法進行驗證，旨在解決葉輪不平衡的問題。

2 動平衡基礎(chǔ)

2.1 動平衡原理

根據(jù)轉(zhuǎn)子平衡技術(shù)，把低于一階臨界轉(zhuǎn)速60%的轉(zhuǎn)子稱為剛性轉(zhuǎn)子。在這種狀態(tài)下的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的撓曲變形非常小，其不平衡主要因素是轉(zhuǎn)子質(zhì)心的偏離。剛性轉(zhuǎn)子的動平衡技術(shù)主要是消除轉(zhuǎn)子的質(zhì)量偏離，因此通過離心力和離心力矩的平衡就可以進行動平衡計算[1]。通過計算可將轉(zhuǎn)子的不平衡質(zhì)量分解為兩個校正平面內(nèi)的校正質(zhì)量，當轉(zhuǎn)子在這兩個校正平面內(nèi)達到平衡后，其離心慣性力系就變?yōu)橐粋€平衡力系，轉(zhuǎn)子中心慣性主軸與旋轉(zhuǎn)軸重合，在一定的精度范圍內(nèi)，這個平衡力系對任何轉(zhuǎn)速都是保持平衡的。

被平衡的轉(zhuǎn)子，支承在動平衡機擺架上，通過聯(lián)軸節(jié)驅(qū)動使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子的不平衡質(zhì)量產(chǎn)生離心力激勵擺架振動。擺架振動傳感器將振動信號轉(zhuǎn)換成電信號輸入到電測系統(tǒng)，光電傳感器將振動頻率及相位信號輸入到電測系統(tǒng)，系統(tǒng)通過計算并分離轉(zhuǎn)子的不平衡質(zhì)量到兩個校正平面，并顯示加重（或去重）的位置和大小。經(jīng)過在不同轉(zhuǎn)速下進行測試并加重（或去重）操作后，轉(zhuǎn)子的剩余不平衡量將減小至合格范圍內(nèi)。

2.2 動平衡機簡介

動平衡機是用于測定轉(zhuǎn)子不平衡的機器，按其測量結(jié)果進行校正，以改善被平衡轉(zhuǎn)子的質(zhì)量分布，使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時平衡軸支撐座處的振動或作用于支撐座的力減小到規(guī)定范圍，以提高平衡效率[2]。

此次試驗檢測采用某型硬支承動平衡機，聯(lián)軸節(jié)左端與主軸聯(lián)接，右端與平衡軸聯(lián)接，主軸旋轉(zhuǎn)時傳遞主軸的扭矩，帶動工件旋轉(zhuǎn)。圖1為動平衡機結(jié)構(gòu)示意圖，主要包括三大系統(tǒng)：a. 驅(qū)動系統(tǒng)：驅(qū)動轉(zhuǎn)子達到所要求的平衡轉(zhuǎn)速，主要包括安裝在主軸箱內(nèi)的電動機、傳動裝置、制動裝置、主軸及聯(lián)軸節(jié)等；b. 擺架系統(tǒng)：支撐被平衡工件并使之在不平衡力作用下產(chǎn)生振動，主要包括床身、擺架、支撐座及安全架等；c. 測量系統(tǒng)：檢測并顯示轉(zhuǎn)子不平衡量的大小及相位，主要包括傳感器、發(fā)生器及模擬電路等。

圖1 動平衡機結(jié)構(gòu)示意圖

2.3.1 平衡等級確定及偏心距計算

平衡精度等級G由轉(zhuǎn)子質(zhì)量偏心距e與轉(zhuǎn)子的最高工作角速度ω之積除以1 000來表示，見公式（1）：

式中，G為平衡精度等級，mm×s-1；e為轉(zhuǎn)子質(zhì)量偏心距，μm；ω為角速度，ω=2πn/60，rad/s，n為轉(zhuǎn)子最高工作速度，r/min。

取葉輪平衡精度等級為 G 5.6[3]，最高工作轉(zhuǎn)速n=2 000 r/min， 即按式( 2 )可 求出葉輪允許質(zhì)量偏心距e=26.74 μm。2.3.2 葉輪許用不平衡量計算

葉輪許用不平衡量U，校正半徑處的葉輪剩余許用不平衡量m′，分別由公式(3)和公式(4)表示：

式中，U為葉輪許用不平衡量， g·mm；e為葉輪允許質(zhì)量偏心距，μm；m為葉輪質(zhì)量，kg；m′為葉輪剩余許用不平衡量，g；r為校正半徑，mm。

實測葉輪質(zhì)量m為53.5 kg，按式(3)可求出葉輪許用不平衡量U=1 430.6 g·mm。葉輪校正半徑r=295 mm，按式(4)可求出校正半徑處的葉輪剩余許用不平衡量m′=4.85 g。

3 葉輪動平衡試驗流程

3.1 葉輪靜平衡

由于葉輪制造工藝、焊接變形等原因，導致葉輪初始不平衡量較大，對動平衡試驗定標及校正影響較大，而在相同條件下，葉輪靜平衡試驗后可有效降低動平衡試驗的初始不平衡量[4]。因此動平衡試驗前先采用靜平衡方法，其平衡過程如下：a. 將標準鍵置入平衡軸的鍵槽內(nèi)，穿過葉輪軸孔用鎖緊螺母鎖緊，并放置在左右滾輪架上；b. 旋轉(zhuǎn)葉輪，當葉輪停止時在其最低或最高位置處做標記。若葉輪停止在同一位置3次以上，則確定此處為葉輪偏心位置；c. 在其相對位置加一定質(zhì)量的橡皮泥，繼續(xù)旋轉(zhuǎn)葉輪，若葉輪在任意位置都能停下，說明葉輪偏心位置與橡皮泥配置是合適的，否則改變橡皮泥質(zhì)量，直到葉輪達到靜平衡；d. 采用去重，如鉆孔、銑削或磨削等方法去除葉輪偏心質(zhì)量，或采用加重平衡葉輪偏心質(zhì)量。

3.2 葉輪動平衡

3.2.1 參數(shù)設(shè)置

先將平衡軸與聯(lián)軸節(jié)連接牢固，在參數(shù)設(shè)置界面中選擇雙支承方式，并輸入葉輪型號、尺寸、合格范圍（即葉輪單面許用不平衡量）、平衡轉(zhuǎn)速及測量時間等。

3.2.2 平衡機定標

平衡機定標是使平衡機顯示的數(shù)值與在工件上添加的試重相一致，包括角度顯示。定標時采用標準轉(zhuǎn)子或剩余不平衡量小的轉(zhuǎn)子。

在平衡機定標界面，分別在校正平面1、校正平面2的校正半徑零度位置安裝已知質(zhì)量的橡皮泥，定標質(zhì)量m取值參考m=（3～10）m0（m0是葉輪初始不平衡量）；輸入定標質(zhì)量和角度，按系統(tǒng)操作提示，完成平衡機定標過程。

3.2.3 葉輪平衡校正

設(shè)置平衡轉(zhuǎn)速200 r/min，待葉輪轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后，按下“Enter”鍵測量；測量結(jié)束后，校正平面1及平面2將以數(shù)字/角度兩種方式顯示葉輪不平衡量大小和方位，記錄數(shù)據(jù)；先在校正平面1的校正半徑處添加等重的橡皮泥（m1），啟動再次測量，記錄數(shù)據(jù)。若校正平面1上兩次測量的不平衡量差值在（m1±2）g且角度差在±5°范圍內(nèi)，則在校正平面2上添加等重的橡皮泥（m2）進行測量，否則調(diào)整校正平面1上橡皮泥的質(zhì)量及放置角度，直到滿足要求。

分別調(diào)整平衡轉(zhuǎn)速至400 r/min、600 r/min、800 r/min，按上述操作校正葉輪不平衡量，校正后葉輪剩余不平衡量滿足設(shè)計要求。當葉輪校正質(zhì)量≤5g時，允許在其偏重方向上去重。校正完成后，焊接平衡塊。

3.3 葉輪平衡后檢驗

當葉輪平衡校正合格后，拔掉左右擺架上的振動傳感器插頭，按下“Enter”鍵進行測量，測量結(jié)果應(yīng)遠小于被平衡工件的最終精度要求，方可認為機器測量沒有初始誤差。

停車后，分別在葉輪左右校正面的校正半徑處添加已知質(zhì)量的橡皮泥，測量并觀察結(jié)果，若顯示數(shù)值在橡皮泥質(zhì)量的±12%以內(nèi)，表示平衡機的靈敏度在誤差之內(nèi)。

通過上述操作，可以確認該葉輪已平衡到精度之內(nèi)。

4 平衡工藝優(yōu)化及提升

經(jīng)過平衡試驗驗證后，平衡工藝主要從兩個方面進行優(yōu)化提升：

a. 葉輪制造工藝對其平衡試驗影響較大，因此提高葉輪制造工藝對有效減少葉輪初始不平衡量十分重要。主要包括：葉片壓型后，保證曲面形狀及質(zhì)量一致；葉輪輪轂與底板焊接完成后，輪轂外圓機加工，保證輪轂圓度；葉片與輪轂組焊時，保證葉片均分并采用工藝撐加固；組焊后校正變形。

b. 設(shè)備及平衡方法操作的熟練程度直接影響平衡效率的提高。主要包括：平衡機、聯(lián)軸節(jié)及平衡軸需定期進行測定，其精度要高于轉(zhuǎn)子的平衡等級；平衡軸與葉輪需過盈配合，提高平衡軸加工制造精度，其支撐表面硬度及粗糙度滿足使用要求。

5 結(jié)語

a. 通過對霧炮葉輪靜動平衡試驗的研究，得知葉輪制造工藝、平衡設(shè)備及操作熟練程度對其平衡試驗影響較大，可有效地指導實際生產(chǎn)；

b. 通過對霧炮葉輪靜動平衡試驗的研究對后期葉輪制造及平衡工藝優(yōu)化及提升具有指導意義。