二分法校正动平衡试验装置

2010-12-13田志凯中车集团石家庄七四二零工厂河北050042

天津科技 2010年6期

关键词：静平衡二分法不平

田志凯（中车集团石家庄七四二零工厂河北050042）

二分法校正动平衡试验装置

田志凯（中车集团石家庄七四二零工厂河北050042）

转子零部件的惯性力在运转过程中会对机器会产生不良影响，为尽量消除这些不平衡量，需要对零部件进行平衡；为减小零部件中的剩余不平衡量，得到精密的平衡试验装置，提出用二分法完成对动平衡试验装置的校正。

二分法动平衡重径积

1 背景

我单位常年生产各种汽车传动轴，传动轴的动平衡工序是传动轴生产过程中的关键工序，传动轴不平衡量的大小，决定了其质量等级，也直接影响整台汽车的质量。在长期的生产过程中，笔者总结了一些校正平衡的经验和方法，在此交流。

2 平衡概述

能够旋转的物体统称为转子，例如各种传动轴、主轴、电动机和汽轮机的转子等。在理想状态下，转子旋转或不旋转对轴承产生的侧压力是一样的，这样的转子是平衡的转子。但是几乎所有的转子零部件，包括盘状体和曲轴在内，在制造过程中，不可避免的因材质不均匀和加工装配的误差导致转子的重心偏离旋转中心，在转子运转时，所产生的惯性力，将在运动副中引起附加的动压力。这不仅会增加运动副的摩擦和构件的内应力，也必将引起其产生强迫振动，如果振幅较大，或其频率接近临界频率，将引起不良后果。平衡是为了改善这种倾向，使机器运转平稳，减小振动，降低噪声和延长寿命。从使用和经济上讲，允许转子有一部分剩余不平衡量存在，经平衡后的转子要求在振动和噪声上不大于规定的数值。

3 平衡的方法和适用范围

可用在构件上配置质量的方法平衡转子的惯性力。平衡的方法分为静平衡和动平衡。

3.1 静平衡

静平衡是将圆盘状的转子在静力平衡作用下确定其不平衡量和位置，并在一个平面内予以消除。下面简单介绍一下静平衡的工艺过程：将转子放在呈水平状态的静平衡台上，让其自由滚动，而后在其重心对面180°方向的某一选定半径处试加重量，直至转子在任何角度均能静止，即达到静力平衡。经静平衡的转子，为确定剩余不平衡量的大小，可在校正平面上将圆周8等分，在各等分线处于水平位置时试加重量，逐一测出8个位置开始转动时的重量，取最大试重和最小试重之差的1/2即为静平衡后的剩余不平衡量。对大型转子的静平衡，一般常用立式静平衡台进行平衡，用水平仪和百分表测定不平衡量引起的水平变化，也就是用试加重量法求得不平衡量。静平衡的精度要求一般由机器的工作条件和重要性来选定。经静平衡后转子在工作转速下剩余不平衡量所产生的离心力应不超过转子自重的5%。

3.2 动平衡

按照机器的运行条件，工作转速和转子的结构、形状、尺寸应选用不同的平衡工艺。任何转子不会是绝对刚体，但某些转子因转动时产生变形甚小，故仍可用刚性转子的平衡方法来处理。刚性转子只需做低速动平衡实验，其平衡转速一般选用在第一临界转速的1/3以下，有些刚性转子虽经低速平衡，在高速时仍有较显著的挠性响应致使转子失衡，所以这些转子虽属刚性范畴，也应做挠性转子的高速动平衡。对工作转速高于第一临界转速的转子，不仅要考虑挠性变形后产生的附加不平衡力，还需考虑在不同临界转速时所引起的挠曲和振型，因此就必须以挠性转子特征为基础进行动平衡。挠性转子高速动平衡的实验转速一般在临界转速附近。刚性转子动平衡的目的是为了消除转子因材质不均匀而引起的静力不平衡和力偶不平衡。这两种不平衡综合而形成的动不平衡，一般具有不同的相位，静力不平衡和力偶不平衡综合转换成动不平衡。刚性转子动平衡是一种低速动平衡，将转子视作绝对刚体，而且假定转子在工作转速及不平衡离心力作用下转轴不会发生显著变形。为此，在这些条件下刚性转子的许多复杂的不平衡状态可简化为力系不平衡来处理。

4 动平衡试验装置的工作原理

转子的动平衡试验一般需在专用的动平衡机上进行，当前工业上使用较多的动平衡机是根据振动原理设计的，并且利用测振传感器，将由转子转动时产生的惯性力引起的振动信号，通过电子线路加以处理和放大，最后用电子仪器显示出被试转子的不平衡重径积的大小和相位。

5 精确校正动平衡试验装置的原因

转子的不平衡量的表示方法有多种，在这里我们用力矩的形式（即重径积）来表述。利用平衡实验装置测定应加配置的重径积，不可避免的会存在大小和相位的误差。因而经过平衡的转子，总还有残存的不平衡，残存的不平衡越小，转子的质量越好，欲减小这种残存的不平衡，就需要使用更加精密的平衡试验装置。

6 校正动平衡试验装置的方法和步骤

挠性转子常用的平衡方法有振型平衡法和影响系数法。振型平衡法是利用转子转动后形成的振型，逐阶进行平衡。它是以振型的正交函数特性分别消除各阶的不平衡量。振型平衡法是在振型等值处加校正量使旋转中心重合，经振型平衡后，可使转子在低速到高速运转的整个工作范围内都能获得较好的平衡。影响系数法的理论基于将转子某一点的不平衡所引起的振动看做是整个转子不平衡所造成的综合结果，也就是这一点的振动响应的是转子各点不平衡分量反应的总和。为此，转子不平衡产生的振动对轴承支承系统的变化呈线性关系，可以用线性方程组表达。转子的不平衡量是由转子每一轴段的不平衡量产生的，其总的不平衡量可在若干个校正面上以等效校正量予以抵消。影响系数法平衡挠性转子有两种常用的方法：消除轴承作用力的平衡方法和最小二乘法。这两种方法的处理过程和计算程序都比较复杂。而振型平衡法相对来说较简单，因此我们平衡转子常用振型平衡法而不用影响系数法。下面介绍影响系数法中一个较简单的方法，就是二分法。

二分法是影响系数法平衡挠性转子的一种新方法，它能使我们更快捷地接近目标，所谓二分法就是将转子的两个基面的不平衡量，通过计算一分为二，分配到4个平衡基面上来平衡转子的方法。下面对校正动平衡试验装置的方法和步骤做详细的介绍。

如欲平衡一个转子，需将其装在动平衡试验装置的接盘上，将转子和接盘视为一个系统，其二分法校正工艺如下：

①测量原始不平衡量重径积。将转子升速至临界转速，测量并记录其不平衡量。

②如图1，用二分法计算a、b、c、d 4个平衡基面上的重径积。动平衡机显示1、2两基面的重径积及相位，我们可以假设接盘和转子都有不平衡量，将1、2两基面的不平衡量重径积用二分法通过计算分配到a、b、c、d 4个平衡基面上，假设动平衡机显示1、2两基面的不平衡量重径积为Q1r1、Q2r2，a、b两个平衡基面到基面1的距离分别为a和b，c、d两个平衡基面到基面2的距离分别为c和d，则通过计算a、b、c、d 4个平衡基面上的重径积分别为：Qara=bQ1r1/（a+b）、Qbrb=aQ1r1/（a+b）、Qcrc=dQ2r2/（c+d）、Qdrd=cQ2r2/（c+d）。

图1 动平衡示意图

③试加重量。在4个平衡基面分别试加配置重量，此处配置重量可用胶带在转子上缠上橡皮泥，以便随时除去。

④测响应值。即重复①的内容，得出试加配重后的响应值，检查不平衡量减小率。将测得的不平衡量与不平衡量期望值[Qe]进行比较，如果响应值小于期望值[Qe]，则转到步骤5，否则，重复前4步，直至响应值小于期望值[Qe]。此时，动平衡试验装置和转子都达到了期望的平衡状态。

⑤先除去接盘上所有的配置重量（橡皮泥），然后重复步骤1，此时测得的不平衡量可认为全部是接盘上的不平衡量。这时在接盘上配置平衡重量（平衡块），仍用胶带缠到接盘上，再次测量不平衡量，如果在期望值范围内，方可将平衡重量与接盘永久性连接。这样，我们所得到的就是比较精确的平衡试验装置。接下来，我们可以按⑤的操作将转子上的橡皮泥去掉，然后配置平衡重量。这样一个平衡的转子就完成了。