離心設(shè)備長條型旋轉(zhuǎn)零件的靜平衡技術(shù)研究及應(yīng)用

錢紅梅 張映寧

(二重(德陽)重型裝備有限公司，四川618000)

根據(jù)離心設(shè)備運行原理，因不平衡產(chǎn)生的振動是影響設(shè)備安全穩(wěn)定運行的主要因素，因此在其制造過程中靜平衡是極其重要的關(guān)鍵技術(shù)，通過靜平衡消除在制造和裝配過程中因重心與旋轉(zhuǎn)中心不重合產(chǎn)生的不平衡離心力，可以使設(shè)備的振動處于允許范圍。離心設(shè)備中的關(guān)鍵零件——轉(zhuǎn)臂由臂架和支承組成，零件的結(jié)構(gòu)型式屬于長條型，不同于常規(guī)的盤狀或輥狀的旋轉(zhuǎn)零件，其靜平衡的方法一直有待研究。

1 結(jié)構(gòu)及組成

設(shè)備中轉(zhuǎn)臂是由臂架與支承組合而成，見圖1。轉(zhuǎn)臂通過支承與傳動系統(tǒng)的主軸脹緊固定，從而實現(xiàn)運轉(zhuǎn)。因此，轉(zhuǎn)臂的運行平穩(wěn)性決定了整個設(shè)備的運行是否滿足要求。根據(jù)要求，臂架、轉(zhuǎn)臂支承、轉(zhuǎn)臂都須進行靜平衡試驗，滿足平衡等級的要求。

如圖1所示，轉(zhuǎn)臂屬于大型組裝式長條型工件，其組裝后長約7 m、寬約2 m、厚度約0.7 m，組裝后重約30 t，按照GB/T 9239.1—2006《機械振動 恒態(tài)(剛性)轉(zhuǎn)子平衡品質(zhì)要求：第1部分 規(guī)范與平衡允差的檢驗》，要求平衡品質(zhì)級別達G16。整體工件尺寸大、重量大、平衡精度要求高。傳統(tǒng)的靜平衡方法一般用于長度直徑之比較小(即盤狀)的回轉(zhuǎn)體零件上，有時也出現(xiàn)在長度直徑之比較大的空心軸類零件上，而象轉(zhuǎn)臂這種大型組裝式長條型工件屬于對稱非回轉(zhuǎn)體形狀的零件，無法象現(xiàn)有的盤狀或軸狀工件那樣，在平行導(dǎo)軌式平衡架上正反向自由滾動進行配重平衡。

圖1 轉(zhuǎn)臂組裝件

2 長條型旋轉(zhuǎn)零件的靜平衡

2.1 臂架的靜平衡

如圖1所示，臂架屬長條型對稱零件，長6.8 m，重約30 t。零件進行傳統(tǒng)的靜平衡試驗，其結(jié)構(gòu)型式無法設(shè)置平衡芯軸。因此通過研究分析，根據(jù)力矩平衡原理，結(jié)合機床系統(tǒng)設(shè)計的一種新平衡方法。其原理就是設(shè)計定位支承軸支承臂架，通過機床配合將定位支承軸的軸向中心線和臂架幾何中心線調(diào)整重合，調(diào)整臂架水平，然后在臂架兩側(cè)中心線對稱位置布置重力傳感器，使兩個重力傳感器、定位支承軸三者支撐在臂架的同一水平面上，通過重力傳感器測出不平衡重量所在的方位和大小進行配平。

2.1.1 靜平衡工藝裝置

靜平衡裝置見圖2。

1—定位支承軸 2—機床工作臺 3—可調(diào)墊鐵 4—高精度重力傳感器 5—百分表 6—方箱 7—定位軸支承墊板 8—定位支承軸壓板 9—螺栓、螺母 10—配重 11—工件臂架

2.1.2 靜平衡工藝方法步驟

(1)首先將臂架平放在機床工作臺上，利用定位支承軸、定位支承軸墊板和兩端可調(diào)墊鐵、方箱，把臂架調(diào)整水平，并在臂架厚度、寬度方向打百分表，監(jiān)測臂架的水平、平行變化情況。

(2)將定位支承軸中心線和臂架幾何中心線調(diào)整重合，機床打表檢測，用螺栓、螺母和壓板將定位支承軸固定在臂架上。

(3)調(diào)整兩端可調(diào)墊鐵高度，讓定位支承軸將臂架支承，保證臂架兩端高度一致。

(4)在左端加配重，并在右端降低可調(diào)墊鐵高度，保持中間和左端支承臂架、右端產(chǎn)生0.1 mm間隙。

(5)在臂架右端逐步施加配重，使臂架微量轉(zhuǎn)動，左端產(chǎn)生間隙，計算兩端配重量差值。

(6)按上述步驟(3)～(5)重復(fù)，先在臂架右端加配重、左端逐步加配重，使臂架輕微反轉(zhuǎn)動，記錄配重差值，反復(fù)試驗，優(yōu)選、計算平均靜不平衡量。

(7)校驗靜不平衡量

通過機床打表在兩端長度中心線精確的對稱位置放高精度重力傳感器并輕微接觸，受力相同。

調(diào)低兩端可調(diào)墊鐵高度，使臂架和可調(diào)墊鐵之間產(chǎn)生間隙，重力傳感器稱量出靜不平衡量，讀取兩端重力傳感器顯示數(shù)據(jù)差值，比對計算結(jié)果，確定靜不平衡量進行配平滿足要求。

2.1.3 臂架靜平衡方案的應(yīng)用實施

在制造過程中運用上述靜平衡方法成功實施了臂架的靜平衡，達到了設(shè)計要求的精度。該靜平衡方法提供了一種操作簡單、成本低廉、質(zhì)量和效率較高的大型板條形臂架靜平衡的工藝方法。相對于在大型工裝上滾動的靜平衡方法，設(shè)備簡單、操作方便、機動靈活、成本較低。

2.2 轉(zhuǎn)臂的靜平衡

轉(zhuǎn)臂由臂架與轉(zhuǎn)臂支承組成一體形成部件，整體部件屬長條型對稱零件。根據(jù)其結(jié)構(gòu)型式，雖然可以設(shè)置中心平衡芯軸，但所需的高精度平衡導(dǎo)軌刃口長而且轉(zhuǎn)臂尺寸大，仍屬于對稱的非回轉(zhuǎn)體形狀工件，滾動時安全性很差，平衡精度不高。因此，運用傳統(tǒng)的靜平衡原理，結(jié)合轉(zhuǎn)臂的結(jié)構(gòu)型式，研制了專用的長條型工件擺動靜平衡調(diào)節(jié)工藝。其原理是設(shè)計專用滾輪式工裝，支撐軸連接于轉(zhuǎn)臂中心，將轉(zhuǎn)臂落于專用的平行導(dǎo)軌上，通過增減配重的方式在轉(zhuǎn)臂的長度方向和寬度方向進行調(diào)平試驗，整個調(diào)平過程只需要將轉(zhuǎn)臂繞著工裝支撐軸擺動，通過轉(zhuǎn)臂處于水平、豎直兩種特征狀態(tài)下得出的偏重，根據(jù)許用不平衡量計算出需去除量，進行減重處理，以滿足平衡品質(zhì)的要求。

2.2.1 長條型工件(轉(zhuǎn)臂)擺動靜平衡試驗裝置

轉(zhuǎn)臂的靜平衡是在專用的平行導(dǎo)軌式的平衡架上進行，用于平衡導(dǎo)軌的斷面是平刀形，由于平衡工作的精度高，須在保證強度、剛度的前提下盡可能減少工裝支撐軸與導(dǎo)軌間的滾動摩擦，因此根據(jù)轉(zhuǎn)臂重量P、工裝支撐軸的軸徑d、平衡導(dǎo)軌的寬度b三者的關(guān)系表進行綜合平衡后，確定平衡導(dǎo)軌的寬度b取值，并將工作面淬硬磨光達Ra0.8 μm，確定工裝支撐軸軸徑d的取值。通過有限元分析確定平衡導(dǎo)軌的設(shè)計能夠滿足使用要求。

轉(zhuǎn)臂的結(jié)構(gòu)型式無法進行自由滾動，因此根據(jù)運行原理選取兩個特征位置即水平位置和豎直位置進行平衡，如圖3所示。

(a)轉(zhuǎn)臂水平狀態(tài)平衡試驗 (b)轉(zhuǎn)臂豎直狀態(tài)平衡試驗 1—轉(zhuǎn)臂 2—工裝平衡支撐軸 3—平衡導(dǎo)軌 4—工裝銷軸 5—配重A(或稱重傳感器) 6—支承方箱 7—百分表 8—支承調(diào)整墊鐵A 9—輔助方箱A 10—支承調(diào)整墊鐵B 11—配重B(或稱重傳感器) 12—支承調(diào)整墊鐵C 13—輔助方箱B

2.2.2 長條型工件(轉(zhuǎn)臂)擺動靜平衡試驗方法

(1)平衡工具的安裝

組裝工裝平衡支撐軸于轉(zhuǎn)臂中心孔處預(yù)緊固牢，要求各貼合面貼合緊密。根據(jù)轉(zhuǎn)臂外徑尺寸及組裝工裝后的開襠尺寸，在裝配鑄梁平臺上布置方箱及可調(diào)墊鐵，將平衡導(dǎo)軌就位，檢查靜平衡導(dǎo)軌上刃口間開襠尺寸滿足要求后，調(diào)整兩平衡導(dǎo)軌刃口工作面的水平度和平行度，要求不得大于0.02 mm/m。吊裝轉(zhuǎn)臂與工裝組裝件于平衡導(dǎo)軌上，通過支承調(diào)墊A支墊平穩(wěn)，保證轉(zhuǎn)臂水平度0.10 mm。

(2)靜平衡試驗

測試平衡時，先進行粗配重，通過逐步增加配重重量使轉(zhuǎn)臂分別順時針轉(zhuǎn)動、逆時針轉(zhuǎn)動相同角度(擺動角度逐步減小)，以消除滾動摩擦的影響。

然后進行精調(diào)：

a)在調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)臂處于水平時，在轉(zhuǎn)臂的兩端分別設(shè)置百分表，且兩端百分表的安裝位置關(guān)于第一對稱平面對稱，距離中心大于2 m。

b)在調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)臂處于豎直時，在轉(zhuǎn)臂的兩側(cè)分別設(shè)置百分表，且兩側(cè)百分表的安裝位置關(guān)于第二對稱平面對稱。

按如下步驟分別進行水平狀態(tài)下和豎直狀態(tài)下的配平：松開一端支承調(diào)墊，在轉(zhuǎn)臂其中一端的第一掛接點逐步增加配重，使轉(zhuǎn)臂擺動α角度；接著，在轉(zhuǎn)臂的另一端的第一掛接點逐步增加配重，使轉(zhuǎn)臂反向擺動α角度復(fù)位。重復(fù)2～3次，直至轉(zhuǎn)臂在水平和豎直時保證兩側(cè)百分表微動0.10 mm以內(nèi)。判斷出偏重側(cè)，將兩側(cè)配重和工裝銷軸分別通過電子秤進行稱量，其差值即為偏重方位掛配重處需減去的重量Q。

(3)靜平衡校驗

在兩端長度中心線精確的對稱位置放置高精度重力傳感器并輕微接觸，受力相同。

調(diào)低兩端可調(diào)墊鐵高度，使臂架和可調(diào)墊鐵之間產(chǎn)生間隙，重力傳感器稱量出靜不平衡量，讀取兩端重力傳感器顯示數(shù)據(jù)差值，比對計算結(jié)果，確定靜不平衡量進行配平滿足要求。

(4)減重處理后，重新進行靜平衡試驗，直至確保滿足平衡品質(zhì)級別G16的要求。

2.2.3 轉(zhuǎn)臂靜平衡試驗的應(yīng)用實施

通過長條型工件擺動靜平衡方案的研究，在制造過程中成功地完成了轉(zhuǎn)臂組裝件的靜平衡試驗，達到了設(shè)計要求的精度。該平衡方法，通過增減配重的方式在待平衡工件的長度方向和寬度方向進行調(diào)平試驗，便可實現(xiàn)待平衡工件的靜平衡調(diào)節(jié)。整個調(diào)平過程只需要將待平衡工件繞著工裝支撐軸擺動，規(guī)避了傳統(tǒng)的自由滾動的方式進行配平的問題，從而使長條型工件靜平衡調(diào)節(jié)的操作更安全可靠，縮短需要的導(dǎo)軌刃口長度，節(jié)約成本。而且，通過兩端配備高精度傳感器的調(diào)節(jié)方式進行偏重測定，平衡精度高。

3 結(jié)語

對長條型的旋轉(zhuǎn)零件進行靜平衡，通過對其運行原理及其平衡技術(shù)進行分析研究，結(jié)合長條型零件在制造不同階段呈現(xiàn)的不同狀態(tài)，制定了不同的靜平衡方案。通過實際試驗，驗證了該長條型零件的靜平衡技術(shù)方案是合理的，滿足了產(chǎn)品的質(zhì)量要求，其精度達到了用戶設(shè)計要求。對長條型旋轉(zhuǎn)零件的靜平衡技術(shù)進行總結(jié)，為今后不同結(jié)構(gòu)型式的旋轉(zhuǎn)零件進行靜平衡提供了思路。