回转体零件平衡分析与实践

2015-06-01刘淑香徐化文

制造技术与机床 2015年4期

刘淑香徐化文李雷

(①四川工程职业技术学院，四川德阳 618000;②中国第二重型机械集团公司，四川德阳 618000)

机械产品中的旋转部件由于材质不均、毛坯问题、设计或加工装配等多种因素，在工作运行中会产生不平衡的离心惯性力，且随着旋转而不断周期性地改变方向，旋转中心也随之窜动，加剧了相关部件的磨损，导致机械产品的精度降低，严重时影响各部件的使用寿命并引发破坏性安全事故［1］。为了降低旋转部件不平衡质量对机械产品的影响，常用方法是对旋转部件进行平衡检测，并通过去除材料或增加配重的方式来改变该零部件的质量分布，使其工作在规定允许的平衡精度范围内，最终使机械产品能够平稳运动［2］。

某新型矿渣立磨如图1所示，“磨盘装置”是整台立磨产品的核心部件，其直径约为Φ8 m，驱动功率达8000 kW，总重量约265 t。其中关键件“磨盘体”(如图2)的直径约为Φ7.3 m，单件重量近213 t，磨盘体运转的平稳性，直接关系到整台立磨运行精度及生产效率。因此，对磨盘体在工作中的平衡状态进行理论分析，计算其不平衡量、确定合适的平衡检测方式，为后续的现场平衡试验做好理论准备，对整台立磨设备来讲具有非常重要作用和意义。

1 理论分析

机械产品中旋转部件，在制造和装配过程中若重心和旋转轴心线不重合，运动过程中会产生不平衡的离心力或力偶，引起振动，加速机器内部磨损。回转体零件在工作中产生不平衡的主要原因可归纳为:(1)制造不正确，如毛坯制造中产生壁厚不均，材料密度不均(缩孔、砂眼、气孔)，机加工时产生椭圆度、偏心度，内、外圆不同轴度及热处理之后零件变形等;(2)装配误差，使零件重心与旋转轴心线不重合。因此，对于大型立磨这种重型机器，制造中必须通过平衡试验及正确计算方法来确定和调整回转件的质量分布，使回转件工作时离心力达到平衡，尽可能减轻有害机械振动［3］。

1.1 平衡方式判定方法

回转体零件的平衡一般分为“静平衡”和“动平衡”两种。如何选择合理的平衡方式是一个关键问题。根据GB/T3215－2007等相关内容:只要在满足回转体平衡后用途所需要的前提下，若静平衡能够满足，则不需要做动平衡。因为静平衡与动平衡试验相比较，静平衡试验容易实施且更节省费用［4］。

磨盘体平衡检测方式的确定是整个零件平衡分析的关键。选择合理的平衡试验方式，不仅可以达到良好的测试效果，同时还能够节省费用。平衡方式的确定，需要结合零件相关技术参数和“静、动平衡分析图”(图3)来进行判定［5］。

“静、动平衡分析图”中有两条直线，表示静平衡应用范围与零件高径比(b/D)和每分钟转速n之间的关系。一般情况下，数据比值在下斜线以下时，只需要考虑静平衡;若数据比值在上斜线以上时，则需进行动平衡;如果数据比值在两斜线之间时，需根据回转体零件的质量、制造工艺、加工情况以及相关轴承的间距等因素，确定是否需要进行动平衡［6］。

由图2所示磨盘体基本参数可知:磨盘高度b=3900 、磨盘体直径D=6085 、已知工作转速n=22 r/min。则磨盘体的高径比为0.64，绘制“动、静平衡分析图”如图3所示。

由图3分析可知，磨盘体高径比值与工作转速之间的结合交点在下斜线以下，所以磨盘体不平衡度只需进行静平衡试验来确定。实践证明，静平衡分析满足其工作性能要求。

1.2 平衡精度等级判定

国际标准化组织(ISO)于1940年制定了世界公认的ISO1940平衡等级，将转子平衡等级共分为11个级别，每个级别间以2.5倍为增量，从要求最高的G0.4到要求最低的 G4000，单位为 g·mm/kg，代表不平衡对于转子轴心的偏心距离［7］。

在确定回转体的精度等级G时，不仅考虑技术上的先进性，还应注意经济上的合理性，不能盲目地追求高精度等级。需根据设备的机械性能及工作环境进行合理选取。立磨设备为通用矿山设备且磨盘装置部分在运行过程中没有特殊的要求，综合考虑，确定磨盘体的平衡精度等级为G6.3。

1.3 允许不平衡量计算

回转体零件不论是静平衡还是动平衡，利用平衡试验装置进行测量，并通过增加或减少本体质量的方式实现最终平衡状态，不可避免地会有大小和方位上的误差［8］。因此，经过平衡实验测量的回转体，总还会有残存的不平衡量。根据工作要求，对回转体规定的允许残存不平衡量(mper)进行分析，其计算公式为:

式中:mper为允许不平衡量，g;M为回转体质量，kg;G为平衡精度等级，mm/s;r为回转体校正半径，mm;n为回转体转速，r/min。

已知磨盘体的平衡精度等级G=6.3，工作转速n=22 r/min，磨盘体质量m=212837 kg，校正半径r=2882 .5mm，将上述参数代入公式(1)可得:

通过计算可知，在r=2882 .5mm时，磨盘体的不平衡量为202 kg，即磨盘体的允许平衡量误差范围为:0 ～ +202 kg或－202 ～0 kg。

2 静平衡试验

静平衡试验方法的合理性，直接决定着不平衡度最后测量的准确性及经济性。因此，选择和确定合理的试验方法是整个静平衡试验的关键所在。

回转体零件的静平衡试验，一般采用静平衡试验机或通过平衡保持架进行试验的，但是由于磨盘体的外形尺寸和重量都相当大，采用以上两种方式都难以实施。根据“应力棒”能够准确测试应力值的特点，并结合天平称重的工作原理，采用自制工装进行静平衡试验，将所测的应力值通过软件进行转换和计算，得到最终的偏重部位和数据如图4所示，进行配重方案的确定。

由现场数据可知，3处应力棒的分度圆半径r=935mm，所测量磨盘体的偏重质量为5891 .655 kg，偏重角度为－7.83°，换算到校正半径 r=2882 .5mm时，磨盘体实际偏重质量为m=1911 .083 kg，超出允许不平衡量。根据磨盘体的实际结构形状结合所测量的数据值确定配重方案，在磨盘体所偏重的对应部位(即在磨盘体半径 r=2882 .5mm，172.17°的位置处)采取“增料”的方式，保证磨盘体在最终工作状态达到平衡要求。