智能型高速转子动平衡检测系统研究

2021-08-14廉良冲蒋瑞斌谢子明陈铁钢高岳民

农业工程与装备 2021年2期

廉良冲，蒋瑞斌*，谢子明，陈铁钢，高岳民

(1.湖南生物机电职业技术学院，湖南长沙 410126；2.湖南联绅机电科技有限公司，湖南长沙 410000；3.湖南都市职业学院，湖南长沙 410100)

电机是很多设备的动力源，一些高端设备也往往使用电机驱动。在诸多领域，特别是机械制造领域，对高速电机的精度要求越来越高，对电机的需求数量也在快速增长，如：在生物工程中应用的高速离心分离机，在医疗器械中应用的高速电动牙钻，在机床工业中应用的主轴电机、高速钻床，在航空、航天工业中应用的高速离心泵、高速摄像枪、高速红外扫描仪，“飞轮电池”及激光技术中应用的高速电动机等[1]。转速超过10 000 r/min的电机才可以称之为高速电机。高速电机的制造精度要求非常高。由于制造工艺存在误差及材料组织不均匀，因此高速电机特别是高速电机的转子很难达到动平衡要求。如果动平衡不达标，那么电机转子的使用寿命会急剧缩短，还会引起电机抖动、噪声甚至烧坏轴承，因此高速电机转子制造完成后，必须进行动平衡检测及配平处理。

1 现有动平衡检测及配平技术

目前，高速转子动平衡配平方法一般有两种，即传统的钳工配平和动平衡机配平[2]。钳工配平通常应用于低速配平领域。采用低速配平的方法来对高速电机转子进行配平，一般为阶段性的配平，其检测操作过程从低速往高速逐段进行。采用该方法检测及配平耗时较长且缺点明显，配平需要的时间从十几天甚至到几个月不等,且配平精度不高。采用该方法完成检测及配平后，往往还需要再装机反复测试效果。此外，采用阶段性的检测与配平，往往会在配平的过程中产生噪音，只有在某个或某几个特定的转速下才能平稳下来，达到动平衡要求。配平后仍然存在不平衡因素，导致高速电机的使用寿命大大缩短。

动平衡机配平也是传统的配平方式之一。动平衡机种类很多，必须使用对应的平衡机来检测及配平相应的产品[3]。在动平衡要求精度很高的条件下，动平衡机系统部件的制造精度及误差会影响检测及配平的结果。对不规则形状或特殊功能要求的转子，采用动平衡机配平在缩短检测及配平时间、提高精度方面的效果也不理想。该配平方式更加依赖于过往经验，在缩短平衡时间和扩大平衡转速范围方面均受到制约，无法从根本上满足客户的需求。

2 智能型高速转子动平衡检测系统设计

2.1 动平衡检测装置结构设计

设计的动平衡检测系统主要由下列部件构成：主动轴、主轴变频驱动电机、弹性轴变频驱动电机、弹性轴、中心紧固爪、随动检测桶、质量配平盘、柱形高速轴承、基座检测桶、环形传输电容极板、待配平电机转子、辨向电容极板、弹性轴随动伺服电机、同心顶锥、主轴随动伺服电机。结构如图1所示[1]。

图1 智能型高速转子动平衡检测装置结构示意图

2.2 动平衡检测系统电路设计

动平衡检测系统电路主要由单片微型计算机、数模转换、程序放大器、基础电容、环形电容、辨向电容、辨向信息采集、定位指示、电源输入端模块组成[4]，如图2所示。

图2 智能型动平衡检测电路示意图

2.3 系统功能

将配平盘的轴铅垂置于工作台，配平盘外圆周与绝缘板内圆为小间隙套装。绝缘板內缘分布了贴片式电机，与配平盘外圆构成多方向检测电容，连接半导体发光元件并接通交流电。用可变速方式驱动配平盘转动，不平衡时离心力会克服轴向弹力，使配平盘向某侧发生微量偏移。间隙的微量变化可导致检测电容发生极大的变化，检测电容发生变化可改变此方向上发光元件的亮度。通过单片微型计算机控制，可根据检测信号在对应方向上向配平盘径向外侧的预置槽沟内以高压脉冲方式喷入一定质量的糊状锡浆，锡浆在离心力作用下只会沿径向紧贴在沟槽壁上而不会沿周向移动。锡浆的喷射加载量按动平衡计算量由大到小不断变化，转速则由小到大变化，直到目标转速达到动平衡所要求的转速后，高温固化锡浆完成动平衡配平。在此过程中，辨向信息采集后，径向位移信息被电路放大到伏特级并进行数模转换；单片微型计算机接受到数据后，对各个方向数据进行分析[5]，确定实际方向和位移量，为高压配平喷枪的质量配平提供数据。