叶轮动平衡工装设计

王科研 洪量 候佳希

摘要：航空发动机转动件的不平衡量是影响发动机振动超限的主要原因。对叶轮的动平衡，需设计专用的动平衡工装。本文以叶轮动平衡工装设计为例，阐述了不平衡量的产生过程及去除方法，动平衡机的基本原理，及车间平衡机的专用工装设计方法。

关键词：不平衡量；动平衡；离心力；主惯轴；平衡机

1.不平衡的产生及危害

转子系统是发动机中最重要的部件，转子的不平衡量过大将引起整机振动过大，转子自身将产生较大应力和变形，造成连接松动，轴承负荷过大、工作不良以致损坏。转子变形过大则会产生静、动件的碰撞摩擦，以及许多零组件的振动、疲劳和损坏，振动严重时甚至会造成飞行事故。转子的不平衡量过大是一种常见的故障，又是一種破坏性较大的故障，如果发动机转子的不平衡量过大，就必须对转子进行平衡。

当零件做旋转运动时，例如各种传动轴，主轴，风机，水泵叶轮，刀具，电动机和汽轮机转子等，统称为回转体。在理想的情况下，回转体旋转与不旋转时对轴承产生的压力是一样的，这样的回转体是平衡的回转体。但工程中的各种回

转体，由于材质不均匀或者毛坯缺陷，加工及装配过程产生的误差，甚至设计时就有非对称的几何形状等多种因素，使得回转体在旋转时，其上每个微小质点产生的离心惯性力不能相互抵消，如图1所示：离心惯性力通过轴承作用到机械及其基础上，引起振动，产生了噪音，加速了轴承磨损，缩短了机寿命，严重时能造成破坏性的事故。为此，必须对转子进行平衡，使其达到允许的平衡精度等级，或使产生的机械振动幅度降在允许的范围内。

2.动平衡机的应用

平衡机是测量旋转物体（转子）不平衡量大小和位置的机器。根据平衡机测出的数据对转子的不平衡量进行校正，可改善转子相对于轴线的质量分布，使转子旋转时产生的振动或作用与轴承上的振动力减少到允许的范围内。

通常，转子的平衡包含了测量和校正两个步骤，平衡机主要用于不平衡量的测量，而不平衡量的校正往往借助于钻床、铣床和点焊机等其他的辅助设备，或者用手工方法完成。

3.使用车间现有平衡机工作原理

如图2所示，调节活动支架，对准工件平衡支承点，安装工件并将活动支架固定在底座后，在传动皮带的带动下工件开始旋转。当达到设定的转速后，如果工件存在不平衡量，则支架在不平衡量的重力距作用下产生振动，安装在支架中的传感器将振动发出的电信号传输到I/O终端，经A/D转换，终端根据所输入的工件平衡参数，如转速n，2侧支点半径r，自动计算不平衡量，将不平衡量显示在显示设备极坐标轴上。安装与支架上部的传感器用于记录转子转过的相位角，根据转速n，采样的周期T，即能得到不平衡量所在的位置。由此，不平衡量的大小和位置都能够得到。根据显示在极坐标轴的不平衡质点位置及不平衡量的数值，工人就可以采取措施，采用增重或去重方法改善转子质量分布。

4.叶轮动平衡工装设计

如图3所示，零件要求以2个轴承为支承点，对叶轮采用去重的方法进行平衡。动平衡工装的设计要点是：保证2个轴承的旋转中心一致，即保证回转体的中心主惯性轴（Z轴）水平。

4.1 Z轴水平调整

由于需对2个轴承进行支承，为消除因制造即装配所产生的误差，保持Z轴水平，将一端支承设计成沿Y方向可调结构，如图4所示。

使用时，松开锁紧螺母，转动高度调节螺母调整高度，带动活动支架沿着4个导柱滑动，并借助水平仪调整至与另一侧的支架高度一致后，拧紧高度调节螺母下方的备紧螺母，并将锁紧螺母锁紧即可。

对于此工装，车间采用的水平仪精度为0.02：150mm，由于2个轴承间距小于150mm，导致水平仪无安装空间。为此，需设计二级工具辅助测量芯棒进行校正，操作过程如下：将芯棒左端￠19.65端面安装实验轴承（此轴承为无内环滚子轴承），装入支架，另一侧￠40安装在孔中，调节活动支座位置，至有足够空间放入水平仪。

4.2 轴承旋转中心一致保证方法

2个活动支座可以在底座上的直线导轨上沿Z方向滑动，2个活动支座上分别有2个￠4H7的定位孔，根据测量，2孔偏离中心距都为7.53。为此，在工装设计时，只需将7.53这一偏心对轴承的旋转中心尺寸要求严格，或者采用保证2件一致的方法，就能保证2轴承的旋转中心轴线一致。

5该工装现场使用效果

该工装经过车间实际应用和检验，有效地检测出了叶轮的不平衡量，得到了工人师傅的肯定，证明了设计的合理可行性，现该叶轮已经装机使用。该套工装的设计为后续科研产品的动平衡提供了依据。

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