轉(zhuǎn)子動平衡校正方法研究

唐景凡，陸 海，楊健偉，謝德強

(國營長虹機械廠，廣西 桂林 541003)

發(fā)動機壓氣機轉(zhuǎn)子、渦輪轉(zhuǎn)子等轉(zhuǎn)動部件長期處于高速、高溫、高載荷等嚴(yán)苛服役條件下，會出現(xiàn)熱變形、支承系統(tǒng)磨損、環(huán)境介質(zhì)附著、同心度變化等問題[1-4]，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子部件高速旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生一定的離心力，此離心力通過軸承座傳遞到機匣等受力部件，使發(fā)動機產(chǎn)生振動。其中質(zhì)量不平衡引起的振動是常見的故障之一[5-7]，容易造成發(fā)動機性能降低，軸承和葉片損壞，縮短了在役時間，導(dǎo)致發(fā)動機提前返廠維修[8]。因此，在發(fā)動機研發(fā)、修理、排故等過程中，研究發(fā)動機轉(zhuǎn)子動平衡技術(shù)，可減少發(fā)動機振動過大和維修次數(shù)，對保障發(fā)動機的長期安全、可靠、穩(wěn)定運行具有重大意義[9]。目前，國內(nèi)外學(xué)者針對發(fā)動機轉(zhuǎn)子動平衡技術(shù)展開了廣泛研究，例如全勇等[10]根據(jù)雙轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點，提出了雙轉(zhuǎn)子振動耦合共振平衡法，完成了模擬雙轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的高速動平衡試驗，平衡效果良好，解決了雙轉(zhuǎn)子系統(tǒng)在多種工況下的振動超限問題。黎飛龍等[11]針對某小型渦扇發(fā)動機轉(zhuǎn)子進(jìn)行高速動平衡試驗，根據(jù)轉(zhuǎn)子幅頻特性，證明了多平面多轉(zhuǎn)速影響系數(shù)法對該型轉(zhuǎn)子一、二階高速動平衡是可行的，能取得良好的平衡效果。

根據(jù)某型發(fā)動機的實際工作情況，選用渦輪轉(zhuǎn)子為研究對象，以提高轉(zhuǎn)子動平衡校正效率為目的，考察3種校正方法對轉(zhuǎn)子動平衡的影響，最終確定高效、快速的平衡校正方法，對類似轉(zhuǎn)子部件的動平衡試驗具有技術(shù)指導(dǎo)意義和工程應(yīng)用價值。

1 動平衡設(shè)備及平衡要求

根據(jù)平衡轉(zhuǎn)子的質(zhì)量、尺寸、結(jié)構(gòu)特點、平衡精度、驅(qū)動方式和平衡轉(zhuǎn)速等指標(biāo)，選用了德國申克公司Pasio50HS臥式動平衡機，這是一款操作方便、測量精度高(測量不準(zhǔn)確度為0.353 g·mm)的硬支承平衡機。根據(jù)轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)設(shè)計，兩支點處的軸頸符合發(fā)動機轉(zhuǎn)子工作時支點位置，為了利于裝配拆卸，選擇滾輪支承形式。

國內(nèi)中小企業(yè)受技術(shù)和財力的制約，目前仍廣泛采用手動動平衡校正方式，即通過動平衡機測出的不平衡位置和不平衡量進(jìn)行手動校正。動平衡測試無論采用哪種設(shè)備和手動校正方法，幾乎做不到理論與實際沒有誤差，很難保證一次性調(diào)整成功，應(yīng)對轉(zhuǎn)子進(jìn)行反復(fù)校正，即通過多次增(去)重來調(diào)整不平衡量。因此，探索不同校正方法、提高轉(zhuǎn)子動平衡矯正效率及平衡精度是當(dāng)前亟需解決的技術(shù)問題。

依據(jù)該型發(fā)動機渦輪轉(zhuǎn)子動平衡的設(shè)計技術(shù)文件要求，應(yīng)滿足如下技術(shù)要求。

1)在平衡機上進(jìn)行測試，觀察數(shù)據(jù)變化，待數(shù)據(jù)平穩(wěn)后，通過數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)連續(xù)采集，確定不平衡相位角θ和不平衡質(zhì)量M。

2)平衡轉(zhuǎn)速為1 500 r/min。

3)左、右兩邊固定校正面半徑分別為71和80 mm。

4)轉(zhuǎn)子平衡精度為：左、右剩余不平衡量U左=3 g·mm，U右=2.5 g·mm，轉(zhuǎn)化為左、右不平衡質(zhì)量分別為M左=42 mg，M右=31 mg。

2 測試結(jié)果分析

針對該型發(fā)動機渦輪轉(zhuǎn)子，采用雙面同時去重、先雙面去重再單面去重、僅單面去重這3種方法對轉(zhuǎn)子不平衡進(jìn)行校正，探索哪種方法能更高效、快速使轉(zhuǎn)子達(dá)到平衡要求。

雙面同時去重試驗記錄的不平衡相位角θ和不平衡質(zhì)量M的數(shù)據(jù)見表1。從表1中可看出，轉(zhuǎn)子的左、右2個校正面初始狀態(tài)的不平衡質(zhì)量分別為703和677 mg。第1次校正措施選擇左、右2個特定的不平衡相位角及半徑，M左和M右分別去重703和677 mg。經(jīng)過第1次校正后，不平衡質(zhì)量變化非常明顯，左、右2個校正面的不平衡質(zhì)量大幅度降低，但仍沒達(dá)到平衡要求。第2～6次校正分別按照動平衡機測試出的不平衡角度和質(zhì)量進(jìn)行反復(fù)去重調(diào)整，直到達(dá)到平衡要求。從第2～6次校正測試結(jié)果可知，當(dāng)左、右2面校正面的不平衡量較少時，繼續(xù)采用雙面同時去重的方法，不平衡量變化不明顯，2面同時去重會相互影響，導(dǎo)致每次校正出現(xiàn)的誤差較大，很難進(jìn)一步降低不平衡量，應(yīng)不斷增加校正次數(shù)才能達(dá)到平衡要求。

表1 雙面同時去重校正測試數(shù)據(jù)

根據(jù)表1研究的結(jié)果，仍選用相同類型的轉(zhuǎn)子，采用先雙面去重再單面去重的方法來調(diào)整不平衡量，具體校正測試結(jié)果見表2。由于轉(zhuǎn)子初始狀態(tài)下的不平衡量較大，根據(jù)表1的校正方法，仍先選用雙面同時校正，第1次校正選擇雙面同時去重(M左去重728 mg，M右去重701 mg)，校正后M左和M右不平衡質(zhì)量分別降低至114和102 mg，不平衡質(zhì)量顯著降低，與表1測試結(jié)果趨勢一致。第2次校對左、右兩邊進(jìn)行校正(M左去重114 mg，M右去重102 mg)，校正后發(fā)現(xiàn)左、右兩邊不平衡質(zhì)量分別降低至53和68 mg。經(jīng)前2次校正后，左、右兩邊不平衡量已明顯降低，第3次僅對右邊進(jìn)行校正(M右去重68 mg)，右邊不平衡質(zhì)量有所降低，而對左邊的不平衡量影響不大。經(jīng)過前3次的校正，轉(zhuǎn)子的不平衡量已接近平衡要求，第4次僅需對其進(jìn)行微調(diào)校正即可達(dá)到平衡要求。

表2 先雙面去重再單面去重校正測試數(shù)據(jù)

轉(zhuǎn)子單面去重校正試驗記錄不平衡相位角θ和不平衡質(zhì)量M的數(shù)據(jù)見表3。初始狀態(tài)，左、右2個校正面不平衡質(zhì)量分別為746和698 mg。第1次校正選擇左邊單面去重(M左去重746 mg)，校正后M左的不平衡質(zhì)量明顯降低，而右邊不平衡量變化不明顯，第1次校正后M左和M右不平衡質(zhì)量分別為95和708 mg。第2次僅對右邊不平衡量進(jìn)行校正(M右去重708 mg)，校正后M右的不平衡質(zhì)量也大幅度降低，左、右兩邊不平衡質(zhì)量分別為108和95 mg。后續(xù)針對左、右兩邊不平衡量依次進(jìn)行單面配重校正，直至達(dá)到平衡要求。單面去重的方法共需5次校正才可滿足平衡要求。

表3 單面去重校正測試數(shù)據(jù)

根據(jù)表1～表3的測試數(shù)據(jù)及分析可以得出，當(dāng)轉(zhuǎn)子初始狀態(tài)不平衡量較大時，應(yīng)選擇雙面同時去重校正的方法，可以使轉(zhuǎn)子的不平衡量迅速降低。當(dāng)不平衡量較少且轉(zhuǎn)子的精度要求較高時，若對轉(zhuǎn)子再進(jìn)行雙面同時去重，去重的位置與理論的角度存在了一定的偏差，2個校正平面就會相互影響，轉(zhuǎn)子重心偏移，需反復(fù)校正才能達(dá)到平衡要求，效率低；若選擇單面分別進(jìn)行校正，則能更快、更好地保證校正面的平衡精度且校正的次數(shù)明顯減少。

3 結(jié)語

通過對某型發(fā)動機轉(zhuǎn)子的動平衡試驗研究，可得出如下結(jié)論。

1)若轉(zhuǎn)子初始不平衡量較大，則應(yīng)選用雙面同時校正，可使轉(zhuǎn)子的不平衡量迅速降低；若不平衡量較少且轉(zhuǎn)子平衡精度要求較高，則雙面校正很難保證理論與實際相一致，造成2個校正面相互影響，需反復(fù)校正才可達(dá)到平衡，增加了校正次數(shù)。當(dāng)轉(zhuǎn)子不平衡量較少時，應(yīng)采用單面分別校正的辦法，轉(zhuǎn)子可更快地達(dá)到平衡精度要求。

2)通過3種動平衡試驗的研究，探索了該型發(fā)動機提高轉(zhuǎn)子動平衡校正效率的方式，也為類似轉(zhuǎn)子部件的動平衡研究提供了參考依據(jù)，具有技術(shù)指導(dǎo)意義和工程應(yīng)用價值。