超高速輕量轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡技術(shù)精密控制探究

王慶凱 張 玉 陳東鎖 魏祥臣

（珠海凱邦電機(jī)制造有限公司 珠海 519110）

引言

由于本文從工藝、技術(shù)角度針對(duì)輕量高速轉(zhuǎn)子的葉輪結(jié)構(gòu)、其他組件關(guān)鍵尺寸的測(cè)量公差和裝配方式的一致性（粘接膠量）保證、以及動(dòng)平衡激光去重的方式進(jìn)行全面、詳細(xì)的分析和大量數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)，最終實(shí)現(xiàn)滿足前期目標(biāo) 的動(dòng)平衡精度提升，滿足家電產(chǎn)品高速下轉(zhuǎn)子運(yùn)轉(zhuǎn)可靠、同時(shí)具備較優(yōu)的聲品質(zhì)，提高支承部件的軸承的使用壽命、減少產(chǎn)品的功耗。

1 超高速輕量轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)形式

超高速輕量轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)由葉輪、去重塊、軸承、軸承室、磁環(huán)等組件裝配形成。轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)形式如圖1所示（關(guān)鍵組件標(biāo)注），從結(jié)構(gòu)角度分析，從轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)間隙、軸承室裝配尺寸優(yōu)化、粘接強(qiáng)度設(shè)計(jì)、噪聲實(shí)驗(yàn)確認(rèn)等方面，以達(dá)到更加有針對(duì)性的實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)子平衡度的精密控制。

圖1 超高輕量速轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)形式

考慮到對(duì)初始平衡量的影響，葉輪材質(zhì)選用PEEK+30 %碳纖，可剛體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、耐熱性強(qiáng)。輕質(zhì)材料在降低初始動(dòng)平衡量的同時(shí)，保證了質(zhì)量上優(yōu)化與提升。

1.1 轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)間隙

根據(jù)葉輪結(jié)構(gòu)模擬建模分析，對(duì)輪廓度進(jìn)行精密測(cè)量，數(shù)據(jù)如圖2所示。目前開模尺寸精度達(dá)到輪廓度0.2，與風(fēng)罩裝配間隙達(dá)到0.1 mm，提高了整體高速家用電機(jī)6 kPa個(gè)點(diǎn)的真空度數(shù)值，噪音強(qiáng)度下降。

圖2 轉(zhuǎn)子輪廓度測(cè)量

1.2 軸承室裝配尺寸

軸承室與一體化軸承通過過盈配合裝配，現(xiàn)有的高速轉(zhuǎn)子軸承室的內(nèi)徑、圓度、粗糙度等公差精度為0.01，裝配后，軸承外壁受力傳到內(nèi)部滾動(dòng)體受力，導(dǎo)致運(yùn)轉(zhuǎn)速度受限，使用壽命嚴(yán)重降低等低質(zhì)量隱患。

此超高速輕量轉(zhuǎn)子尺寸公差標(biāo)準(zhǔn)：軸承內(nèi)徑0.005～0.001 4、粗糙度標(biāo)準(zhǔn)0.3～0.4、圓度標(biāo)準(zhǔn)0.004，裝配尺寸精密到微米（um），使其軸承內(nèi)部受力達(dá)到絕對(duì)受力值為0，很大程度提高了轉(zhuǎn)子的使用壽命。

1.3 粘接強(qiáng)度保證

軸承的采用轉(zhuǎn)軸與軸承一體式軸承，軸承與軸承室間隙配合涂膠固定，軸承支撐方式選擇單邊雙軸承支撐，兩軸承同軸度較好保證，且軸承與轉(zhuǎn)子互不影響。

一體化軸承從結(jié)構(gòu)上設(shè)計(jì)軸承兩側(cè)及轉(zhuǎn)軸分段增加儲(chǔ)膠槽，更容易控制膠水用量且增強(qiáng)結(jié)合強(qiáng)度，如圖3所示。

圖3 一體化軸承雙位式凹槽結(jié)構(gòu)

2 動(dòng)平衡激光去重精密控制

根據(jù)輕量超高速轉(zhuǎn)子對(duì)于工作轉(zhuǎn)速遠(yuǎn)低于臨界轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)子，不平衡量引起的變形很小，可按剛體處理，動(dòng)平衡可在低速下進(jìn)行，在進(jìn)行剛性轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡時(shí)，各微段的不平衡量引起的離心慣性力系可以簡(jiǎn)化到任意選定的兩個(gè)截面上去，在兩個(gè)面（葉輪、去重塊）上作相應(yīng)的校正，實(shí)現(xiàn)動(dòng)平衡的精密控制。

剩余不平衡量計(jì)算公式：

式中：

G—轉(zhuǎn)子的平衡等級(jí)（mm/S）；

m—轉(zhuǎn)子自身質(zhì)量（kg）；

N—轉(zhuǎn)子工作轉(zhuǎn)速（r/min）；

R—轉(zhuǎn)子的校正半徑（mm）。

2.1 噪聲測(cè)試

通過對(duì)其裝配工藝研究，縮短動(dòng)平衡校核、去重周期，滿足動(dòng)平衡精度要求，同時(shí)復(fù)測(cè)噪聲，見表1噪聲測(cè)試數(shù)據(jù)。其中二倍頻噪音峰值與總值數(shù)據(jù)與原噪聲數(shù)據(jù)相當(dāng)，滿足整機(jī)超高速運(yùn)行下噪音要求。

表1 噪聲測(cè)試數(shù)據(jù)

2.2 動(dòng)平衡運(yùn)行轉(zhuǎn)速波動(dòng)

根據(jù)前期高速輕量轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡矯正，動(dòng)平衡機(jī)顯示運(yùn)行速度與去重位置角度波動(dòng)很大，屬于不可控的動(dòng)平衡精密數(shù)值，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析，規(guī)范運(yùn)行轉(zhuǎn)速。

拿取7個(gè)轉(zhuǎn)子進(jìn)行上機(jī)去重，在不同運(yùn)行轉(zhuǎn)速條件下，記錄角度偏移數(shù)值，繪制曲線圖4所示，控制運(yùn)行轉(zhuǎn)速在3 950～4 000（r/min）之間，角度偏移量在2.5 °～1.5 °之間，角度偏移量下降了11 °，輸出的算法精度值提升了11個(gè)點(diǎn)，進(jìn)一步提高了激光去重位置準(zhǔn)確性，提高動(dòng)平衡的精密穩(wěn)定性。

圖4 運(yùn)行轉(zhuǎn)速波動(dòng)數(shù)據(jù)

2.3 動(dòng)平衡設(shè)備精密保證

輕量高速轉(zhuǎn)子采用圈帶驅(qū)動(dòng)，由于傳動(dòng)帶具有減振作用，能減少驅(qū)動(dòng)馬達(dá)的振動(dòng)對(duì)轉(zhuǎn)子的影響，且轉(zhuǎn)子不需要在平衡機(jī)上作準(zhǔn)備，也不需要附加連接件如螺栓、插銷等轉(zhuǎn)換固定裝置，因此安裝迅速。與萬向節(jié)驅(qū)動(dòng)相比，它不存在結(jié)構(gòu)間隙及安裝幾何偏差，能大大的提高測(cè)量精度。

2.4 激光精密去重分析

傳統(tǒng)達(dá)到平衡的工藝是先在動(dòng)平衡儀器上檢測(cè)到超重部位，然后用手工操作（銼或鉆床）去除多余重量，這樣做速度慢、精度低；激光動(dòng)態(tài)平衡去重的原理是在動(dòng)平衡機(jī)測(cè)出不平衡點(diǎn)的瞬間用超快激光能量照射將其氣化，整個(gè)去重過程在動(dòng)態(tài)中進(jìn)行，速度快且精度高。

輕量高度轉(zhuǎn)子采用高精度數(shù)控方式，超高速輕量因需提高運(yùn)行風(fēng)向阻力，要在葉輪側(cè)實(shí)現(xiàn)弧形去重形狀，引進(jìn)了動(dòng)態(tài)聚焦激光頭，激光波長(zhǎng)達(dá)到1 600 nm，脈沖頻率從1～20 Hz提高到1～40 Hz，最大單脈沖去除量從0.15 mg提高到0.5 mg，激光冷卻方式選擇水冷延長(zhǎng)了設(shè)備的運(yùn)行使用壽命，安全等級(jí)達(dá)到4級(jí)。

最后經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)工時(shí)測(cè)量如圖5所示，本研究主要從裝配工藝研究，較大幅的縮短了動(dòng)平衡校核在去重板塊時(shí)間其中去重時(shí)間達(dá)到7 s，提升了生產(chǎn)效率，整體實(shí)現(xiàn)了15 s超高速輕量轉(zhuǎn)子的動(dòng)平衡精度校核，在生產(chǎn)節(jié)拍上達(dá)到行業(yè)的領(lǐng)先標(biāo)桿。

圖5 動(dòng)平衡機(jī)檢測(cè)及去重模擬運(yùn)行數(shù)據(jù)

3 結(jié)論

本文針對(duì)超高速輕量轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡技術(shù)精密控制探究，提出了一體化軸承、儲(chǔ)膠槽、動(dòng)態(tài)聚焦材質(zhì)等設(shè)計(jì)方案。

經(jīng)對(duì)轉(zhuǎn)子總成的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，裝配方式，激光去重領(lǐng)域研究，達(dá)到了高速電機(jī)轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡精度控制提升要求，關(guān)鍵指標(biāo)的整機(jī)噪聲低、運(yùn)行可靠均已滿足應(yīng)用。