棒材軋機(jī)減速機(jī)軸系動(dòng)平衡的探討與研究

張毅勃，張建李，楊叢龍

（1.河鋼唐鋼新區(qū)特鋼項(xiàng)目部；2.河鋼唐鋼一鋼軋廠，河北 唐山 063000）

在冶金行業(yè)中，旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)有著廣泛的應(yīng)用，小到軸承、輥道，大到減速機(jī)軸系、軋機(jī)接軸，都依靠旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)承受或是傳遞載荷。伴隨著工業(yè)技術(shù)的飛速發(fā)展，旋轉(zhuǎn)件的轉(zhuǎn)速、載荷也不斷增加，其制造標(biāo)準(zhǔn)要求也日益嚴(yán)苛。由于零件制造誤差、裝配誤差等原因，旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)不可避免地會(huì)存在不平衡，使其在試驗(yàn)或者實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)中產(chǎn)生振動(dòng)、噪聲以及發(fā)熱。當(dāng)不平衡量過大，超出合理范圍時(shí)將導(dǎo)致異常的設(shè)備振動(dòng)與溫升，加劇軸承的磨損，縮短設(shè)備使用壽命。大量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，由于不平衡過大導(dǎo)致的旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障占比達(dá)75%。尤其是對(duì)于鋼鐵企業(yè)，設(shè)備高速化、工況復(fù)雜化、工藝連續(xù)化的趨勢(shì)下，轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的故障不僅將造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，甚至?xí)?dǎo)致人身傷害事故的發(fā)生。因此，減少轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的剩余不平衡量，保障其平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)具有重大的實(shí)際意義。本文以棒材軋機(jī)減速機(jī)制造過程中高速軸動(dòng)平衡測(cè)試為例，討論了幾個(gè)容易出現(xiàn)的錯(cuò)誤點(diǎn)與注意事項(xiàng)。

1 軋機(jī)減速機(jī)軸系的動(dòng)平衡方法：

棒材軋機(jī)減速機(jī)的高速軸工作轉(zhuǎn)速遠(yuǎn)低于其一階臨界轉(zhuǎn)速，且滿足可以在一個(gè)或任意選定的兩個(gè)校正平面上，以低于轉(zhuǎn)子工作轉(zhuǎn)速的任意轉(zhuǎn)速進(jìn)行平衡校正，且校正之后，在最高工作轉(zhuǎn)速及低于工作轉(zhuǎn)速的任意轉(zhuǎn)速和接近實(shí)際的工作條件下，其不平衡量均不明顯地超過所規(guī)定的平衡要求”的條件，因此，通常將此類減速機(jī)高速軸軸系視為剛性轉(zhuǎn)子。根據(jù)剛性轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡的校正面只需一個(gè)或兩個(gè)歸納動(dòng)平衡方法，有二點(diǎn)法、三點(diǎn)法、施加質(zhì)量周移法、影響系數(shù)法等。其中影響系數(shù)法是一種廣泛應(yīng)用于減速機(jī)制造業(yè)的動(dòng)平衡校正方法，其一般需要兩個(gè)校正平面，即把轉(zhuǎn)子的不平衡量向兩個(gè)矯正平面上簡(jiǎn)化，振動(dòng)系統(tǒng)的振動(dòng)響應(yīng)是各個(gè)校正平面的不平衡量引起的振動(dòng)響應(yīng)線性疊加，而各校正平面上單位不平衡量引起的振動(dòng)響應(yīng)被稱為影響系數(shù)（如圖1）。

圖1 采用影響系數(shù)法的動(dòng)平衡測(cè)試

2 單雙面動(dòng)平衡的選擇

用影響系數(shù)法對(duì)轉(zhuǎn)子進(jìn)行動(dòng)平衡校正,一般是根據(jù)轉(zhuǎn)子的寬徑比以及轉(zhuǎn)速確定是采用單面或雙面動(dòng)平衡。寬徑比是指轉(zhuǎn)子的寬度(不包含軸的長度)除以轉(zhuǎn)子（齒輪）的直徑。單面動(dòng)平衡適用于轉(zhuǎn)子較短,轉(zhuǎn)子厚度較薄的薄盤類零件,如單個(gè)齒輪、單齒輪低速軸系等只需在一個(gè)平面上加重或去重就能解決轉(zhuǎn)子的不平衡問題。雙面動(dòng)平衡適用于轉(zhuǎn)速較高、寬徑比較大的情況。雙面動(dòng)平衡需要兩個(gè)校正面,對(duì)于齒輪軸系，一般采用齒輪端面或軸的非加工面作為校正面,大部分高速軸系的不平衡校正都是采用雙面動(dòng)平衡。參照表1可以判斷到底是使用單面動(dòng)平衡還是雙面動(dòng)平衡。

表1 單雙面動(dòng)平衡選擇依據(jù)表

3 許用剩余不平衡量的計(jì)算

轉(zhuǎn)子的許用剩余不平衡量是基于轉(zhuǎn)子自身外形尺寸、重量以及實(shí)際工作轉(zhuǎn)速的。軋機(jī)減速機(jī)的設(shè)計(jì)中平衡品質(zhì)級(jí)別G通常取值6.3。在計(jì)算軸系許用剩余不平衡量時(shí)，應(yīng)將轉(zhuǎn)子的質(zhì)量、動(dòng)平衡等級(jí)和最高工作轉(zhuǎn)速等帶入公式（1）進(jìn)行計(jì)算。

根據(jù)所選的平衡等級(jí)G，由公式（1）能夠得出許用剩余不平衡量Uper

式中，Uper為許用剩余不平衡量的數(shù)值，單位為克毫米（g·mm）；（eper×Ω）為選用的平衡品質(zhì)級(jí)別的數(shù)值，單位為毫米每秒（mm/s）；m為轉(zhuǎn)子質(zhì)量，單位為千克（kg）；Ω為工作轉(zhuǎn)速的角速度數(shù)值，單位為弧度每秒（rad/s），其中Ω≈n/10，且工作轉(zhuǎn)速n的單位為轉(zhuǎn)每分（r/min）。

在實(shí)際測(cè)試中，許多減速機(jī)廠家受限于平衡機(jī)的最高轉(zhuǎn)速，在對(duì)軸系進(jìn)行動(dòng)平衡試驗(yàn)時(shí)的測(cè)試轉(zhuǎn)速比實(shí)際工作轉(zhuǎn)速低。對(duì)于可視為剛性轉(zhuǎn)子的軸系，在不同轉(zhuǎn)速下獲得的測(cè)試結(jié)果相差不大，因此，低于工作轉(zhuǎn)速進(jìn)行測(cè)試可以獲得較為準(zhǔn)確的結(jié)果。但對(duì)作為判斷轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡是否滿足設(shè)計(jì)要求的許用剩余不平衡量進(jìn)行計(jì)算時(shí)，不可帶入測(cè)試轉(zhuǎn)速進(jìn)行計(jì)算，即公式（1）中角速度Ω（或轉(zhuǎn)速n）一定為該減速機(jī)軸系的最高工作轉(zhuǎn)速，否則，會(huì)使得出的許用值出現(xiàn)嚴(yán)重偏差，將動(dòng)平衡不合格軸系被判為合格流出。此外，在上述計(jì)算中，角速度Ω或轉(zhuǎn)速n采用最高的工作轉(zhuǎn)速更為合理，帶入其設(shè)計(jì)最高轉(zhuǎn)速會(huì)使許用值Uper過于嚴(yán)苛，增加制造成本。

4 許用剩余不平衡量向允差平面的分配

在雙面動(dòng)平衡試驗(yàn)中，轉(zhuǎn)子在平衡機(jī)的兩個(gè)支撐面上以試驗(yàn)轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，最終得出的軸系的實(shí)際剩余不平衡量。若實(shí)際值小于許用值，則為合格，不需要進(jìn)行動(dòng)平衡校正，反之，則進(jìn)行去重或增重來校正。應(yīng)注意的是，Uper被定義為質(zhì)心平面內(nèi)的總允差，對(duì)于所有雙面平衡的工件，總允差應(yīng)分配到各允差平面，計(jì)算方法如下：

式中，Uper1為支承面1上的許用剩余不平衡量；Uper2為支承面2上的許用剩余不平衡量；L1為支承面1到質(zhì)心距離；L2為支承面2到質(zhì)心距離；L為兩支承面跨距。

5 不平衡校正的問題

圖2 許用剩余不平衡量向允差平面的分配

在雙面動(dòng)平衡試驗(yàn)中有兩個(gè)支撐面（如圖2），其校正面相應(yīng)也應(yīng)該有兩個(gè)，才能保證在去重或增加配重后兩個(gè)面的實(shí)際剩余不平衡量小于各自的許用值。多數(shù)平衡機(jī)在測(cè)試前可手動(dòng)輸入各校正面的許用剩余量、設(shè)定校正方式，完成測(cè)試后平衡機(jī)會(huì)計(jì)算出校正平面內(nèi)的實(shí)際剩余不平衡質(zhì)量以及相應(yīng)位置，操作人員需據(jù)此結(jié)果與許用值進(jìn)行比較，判斷哪個(gè)平面需要校正，并根據(jù)平衡機(jī)給出的具體校正方法進(jìn)行去重或增重，如圖3所示。

圖3 雙面動(dòng)平衡測(cè)試結(jié)果及校正方法

6 結(jié)語

本文結(jié)合棒材軋機(jī)減速機(jī)高速軸動(dòng)平衡測(cè)試的實(shí)際，從動(dòng)平衡方法的選擇、許用剩余不平衡量的計(jì)算以及不平衡的校正等幾個(gè)方面進(jìn)行了討論。

（1）對(duì)于棒材軋機(jī)減速機(jī)，其高速軸工作轉(zhuǎn)速遠(yuǎn)低于其一階臨界轉(zhuǎn)速，可是為剛性轉(zhuǎn)子，采用影響系數(shù)法進(jìn)行校正。

（2）應(yīng)根據(jù)軸系的轉(zhuǎn)速以及其寬徑比確定采用單面或雙面動(dòng)平衡。

（3）在進(jìn)行許用剩余不平衡量的計(jì)算中，應(yīng)將軸系的最高工作轉(zhuǎn)速帶入公式計(jì)算，而非動(dòng)平衡的測(cè)試轉(zhuǎn)速或軸系最大設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速。

（4）在雙面動(dòng)平衡測(cè)試中，應(yīng)將許用剩余不平衡量向兩個(gè)允差平面分配，求出各平面相應(yīng)的許用值作為判斷合格與否的標(biāo)準(zhǔn)，不合格的根據(jù)結(jié)果分別進(jìn)行校正。