回转体的平衡

[摘要]机械设备中做旋转运动的零部件,称为回转体。消除回转体不平衡的操作,叫作平衡。平衡的方法有两种,即静平衡和动平衡。

[关键词]回转体 平衡 静平衡 动平衡

一、回转体不平衡的因素

机械设备中有着大量的做旋转运动的零部件,如转子、带轮、飞轮、叶轮等。做旋转运动的零部件,可统称为回转体。在理想的状态下,回转体旋转与不旋转时,对轴及轴承产生的压力是相同的,我们把这样的回转体叫做平衡的回转体。但实际的各种回转体由于材料内部组织的不均匀或者铸锻件毛坯的缺陷、加工及装配中产生的尺寸及位置的误差、以及结构的非对称等多种因素,使得回转体在旋转时,其产生的离心惯性力不能相互抵消,回转体的重心与旋转中心发生偏移,回转体在高速旋转时会产生很大的离心惯性力。离心惯性力较大时,会引起机械设备的剧烈振动,产生噪声,加速轴和轴承的磨损,降低机械设备的工作精度,缩短设备的使用寿命,甚至造成破坏引起事故,因此要对回转体零部件进行平衡。

二、刚性回转体

回转体旋转时内部的质点将产生离心惯性力,这些离心惯性力组成的惯性力系,作用在回转体上,使回转体发生变形,如果这种变形是微小的,我们称其为刚性回转体,并忽略其变形。这样做可以简化惯性力系的分析。本文只对刚性回转体的平衡问题进行分析,并将刚性回转体简称为回转体。

三、回转体不平衡的形态

回转体不平衡的形态是根据回转体惯性力系简化结果的不同进行分类的。

设有一任意形状的回转体,以等角速度ω绕一固定轴z旋转,取z轴上任一点为坐标原点o,根据理论力学的原理,回转体上无数个质点产生的离心惯性力向o点简化的结果,将得到此惯性力系的主矢R0及主矩M0,如图1所示,用矢量表示为:

R0=∑Fj=∑mjω2rj=Mω2rR0= Mω2rc

M0=∑pj×FjM0=ω2√Jyz2+Jxz2

式中 Fj--第j个微小质点产生的离心惯性力(N);

mj--第j个微小质点的质量(kg);

ω--角速度(1/s);

rj--第j个微小质点到z轴的距离矢量(m);

M--刚性回转体总质量(kg);

rc--刚性回转体的质心C点到z轴的距离矢量(m);

pj--第j个微小质点到原点o的距离矢量(m);

Jyz--刚性回转体对x轴的离心惯性积(kg•m2);

Jxz--刚性回转体对y轴的离心惯性积(kg•m2);

主矢R0的大小与原点o的位置选择无关,而主矩M0的大小却与原点o的位置选择有关。

回转体在旋转时,主矢和主矩的方向随旋转而产生周期性变化,给旋转轴一个附加动荷载。回转体平衡的必要与充分条件是惯性力系向旋转轴任一点简化得到的主矢R0和主矩M0为零。式R0= Mω2rc中,由R0=0可推出rc=0,即z轴必须通过质心C。式M0=ω2√Jyz2+Jxz2,可推出M0=0时,Jyz=0、Jxz=0,即z轴必须是回转体的某一条惯性主轴。满足条件R0=0及M0=0的轴,即回转体质量围绕惯性主轴作对称分布,因而在旋转时不产生自由离心力的那个轴称为中心主惯性轴。回转体的轴线是指连接轴径中心点的一条直线。根据回转体惯性力系简化结果的不同,回转体存在四种不平衡形式。

四、回转体不平衡的形式

1.静不平衡。回转体的惯性力系简化结果为R0≠0,M0=0时,如图2所示:

中心主惯性轴线平行地偏离了回转体的轴线,这种不平衡状态被定义为“静不平衡”,对于这种不平衡可采用静平衡的方法进行平衡。

2.准静不平衡。回转体的惯性力系简化结果为R0≠0,M0≠0但R0M0,如图3所示:

平移o点到o′点,使得R0′≠0,M0′=0。这种和静不平衡简化相象的不平衡,称为“准静不平衡”,这种不平衡可采用静平衡的方法进行平衡。

3.偶不平衡。回转体的惯性力系简化结果为R0=0,M0≠0如图4所示的状态:这一类不平衡可采用动平衡的方法进行平衡。

4.动不平衡。回转体的惯性力系简化结果为R0≠0,M0≠0如图5所示的状态:这一类不平衡可采用动平衡的方法进行平衡。

五、回转体平衡的方法

消除回转体不平衡的操作,叫作平衡。为了使一个不平衡的回转体变成一个平衡的回转体,就需要从新调整回转体的质量分布,以使回转体的回转轴线与中心惯性轴线重合。平衡的方法有两种,即静平衡和动平衡。对于回转体,当转速n1800r/min时,则必须进行动平衡。

1.平衡操作工艺的要点

(1)校正面:垂直于回转轴线,平衡操作在其上进行的平面。回转体进行静平衡操作时,有一个校正面即可,此校正面最好在回转体重心所在的平面或者离其很近。如果不能满足以上条件,就应选择两个校正面。对于回转体的动平衡必须在两个校正面上进行。

(2)校正方法:回转体无论是那种平衡,其方法就是加重、去重及调整校正质量三种方法,其加重就是在校正面上不平衡量的负方向上,采用补焊、喷镀、粘接、铆接和螺纹连接等工艺方法加配质量。其去重就是在校正面的不平衡量正方向去除一部分质量,以消除不平衡量,可采用钻、磨、铣、錾及激光打孔等工艺方法去除不平衡量。调整校正质量就是在预先设计好的机构上进行调整,达到抵消不平衡量的目的。常用的措施有可调节的平衡槽、偏心块、螺纹连接的配重块等,通过调整各机构中的校正质量块的数量、径向位置或角度分布,达到抵消不平衡量的目的。以上三种校正方法,无论是那一种,均要求加重、去重或进行调整校正质量的大小要准确、方向应对应,有些复杂的平衡过程还需进行精确计算,才能达到精确地控制调整量。

2.回转体的静平衡

回转体的静平衡首先是确定静不平衡量的大小和方向,然后采取加重、去重和调整校正质量等方法进行校正,最后检验是否达到平衡状态。图6所示为静平衡架装置图,图6 a)为圆柱式平衡架,图6 b)为棱式平衡架。

(1)将待平衡的回转体装上心轴,放在平衡架上。平衡架的支承面应坚硬、光滑,并有较高的直线度、平行度,而且要将两根支架调至水平,使回转体在支架上滚动时有较高的灵敏度。

(2)用手轻转回转体使其缓慢转动,待其自动静止后在回转体下方做标记,重复若干次,如所有记号均在一处,则为不平衡量的方向。

(3)在与标记相对的部位粘上一质量为m的粘性物体,使得m对回转体中心产生的力矩,恰好等于不平衡量G对回转中心产生的力矩,即mr=Gl。如图7所示,此回转体便获得静平衡。

(4)去掉粘性物体在其所在的位置采取加重法加上质量相当于m的重块,或采取去重法,在不平衡量处去掉质量相当于m的物体。待回转体可在任意位置停止在平衡支架上为止,静平衡结束。

在实际平衡操作中还有圆盘式静平衡架,如图8a所示,滚柱式静平衡架,如图8b所示,若回转体无轴颈待装配时,可使用球面支承式静平衡架如图8c所示。在平衡过程中对平衡设备要求如下:平衡心轴的径向圆跳动应小于0.005～0.02mm,外圆加工精度不低于IT6级,静平衡支承面与轴颈或平衡心轴均应淬硬至HRC=50～60。

3.回转体的动平衡

回转体的动平衡有两种方法:平衡机平衡法和现场平衡法。

(1)平衡机平衡法是在动平衡机上进行,常对偶不平衡或动不平衡的回转体进行平衡,其平衡效率高而且精确。动平衡机有框架式平衡机、弹性支梁平衡机、摆动式平衡机、电子动平衡机、动平衡仪等。这里只介绍框架式平衡机和电子动平衡机两种平衡机平衡方法。

(2)现场平衡法。在现场平衡中,需要直接测出回转体的振动情况作为平衡操作的原始依据。如果回转体是装在滚动轴承中,则可以在机壳上测量震动。测出的振幅与回转体失衡的大小有直接的关系。对于装在滑动轴承中的回转体,则需要采取不同的测量技术。由于回转体的轴颈与轴承间有油膜的存在,回转体的轴颈在油膜间隙内回旋有一定的自由度,最好采用非接触的位移传感器来直接测量回转体运动的轴心轨迹。

参考文献:

[1]钳工技师培训教材.机械工业出版社, 2002.1.

[2]机修钳工工艺学.中国劳动社会保障出版社,2007.1.

[3]钳工工艺学.中国劳动社会保障出版社,2007.1.

[4]理论力学.高等学校使用教材 .人民教育出版社.