TBD620V16柴油機曲軸動平衡分析

劉丕人，吳亞龍，陳銀濤，楊 雋

（河南柴油機重工有限責(zé)任公司，河南洛陽471039）

各類機器設(shè)備、交通工具等的振動是一種常見現(xiàn)象，除了一些利用振動工作的設(shè)備外，對于一般的機器來說振動是有害的。它將使機器零部件承受附加的動載荷，加速軸承、軸頸磨損，影響機器工作性能，降低機器精度，甚至使機器過早損壞。

曲軸是內(nèi)燃機的重要零部件，它承受著周期性不斷變化的燃氣沖擊力、往復(fù)運動質(zhì)量的慣性力、旋轉(zhuǎn)質(zhì)量的離心力等復(fù)雜的交變載荷。曲軸圍繞其軸線做回轉(zhuǎn)運動，當(dāng)曲軸相對于回轉(zhuǎn)中心線的質(zhì)量分布不均時，會產(chǎn)生不平衡離心慣性力和慣性力矩，這是造成發(fā)動機振動的主要原因之一。曲軸的轉(zhuǎn)速越高，它引起的振動越明顯。這種不平衡離心力作用在曲軸軸承上會引起振動，產(chǎn)生噪聲和加速軸承磨損，以至于嚴(yán)重影響內(nèi)燃機的性能和壽命。

1 曲軸動平衡的力學(xué)原理

由理論力學(xué)可知，兩個平行力可以合成一個與之平行的力。反之，一個力也可以分解成與之平行的兩個力。如圖1所示，力F可分解為作用在A、B兩點的同向平行力，而且A、B兩點的位置是任意指定的，各力間的關(guān)系如下：

圖1 力的分解

假設(shè)有不平衡的剛性轉(zhuǎn)子繞轉(zhuǎn)動軸作勻速轉(zhuǎn)動。可將此轉(zhuǎn)子理解為由若干個偏心薄盤所組成，各圓盤均產(chǎn)生一個慣性力，即組成一個空間慣性力系。假定轉(zhuǎn)子的左右兩端面作為校正平面，將每個慣性力都分解為通過A、B兩點的平行力，根據(jù)式（1）可得：

式中l(wèi)為轉(zhuǎn)子左右兩端面距離，li為第i個慣性力至左端面的距離［1］。

同理，把慣性力都分解到左右兩個端面上得到一個平面匯交力系，分別以A、B兩點為匯交點的合力和轉(zhuǎn)子的所有慣性力是等效的。如果在左右兩端面（或任意兩個指定的校正面）上進行校正，適當(dāng)?shù)募又鼗蛉ブ乇憧墒罐D(zhuǎn)子得到平衡。由此可見，任意不平衡剛性轉(zhuǎn)子都可以在兩個與旋轉(zhuǎn)軸垂直的平面上進行校正而得到平衡。

2 曲軸動平衡分析

隨著現(xiàn)代工業(yè)的不斷發(fā)展，人們對發(fā)動機的性能提出了越來越高的要求，對曲軸不平衡量的要求也越來越嚴(yán)格。高速大功率柴油機TBD620V16柴油機曲軸（見圖2）最高轉(zhuǎn)速1 860r／min。其毛坯采用彎曲鐓鍛成型，毛坯狀態(tài)一致性不好，加工余量大。在加工過程中曲柄銷角度一般靠夾具保證，即便采用加工中心加工，也不能保證加工的曲軸曲柄銷完全對稱。同時，加工過程中還需要進行熱處理，中間難免會有變形，加上熱處理過后材質(zhì)不能保證絕對均勻分布，以至于曲軸加工完成后相對于回轉(zhuǎn)中心線的質(zhì)量分布是不均勻的。然而不完全平衡的曲軸在離心慣性力作用下將產(chǎn)生不均勻力矩，不平衡力矩將會引起曲軸彎曲變形、柴油機振動甚至碾瓦。由此可見，曲軸加工完成后必須進行動平衡試驗，從而達到允許的平衡精度要求。

圖2 TBD620V16柴油機曲軸

3 動平衡機的選擇

離心式平衡機是在轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的狀態(tài)下，根據(jù)轉(zhuǎn)子不平衡引起的支承振動來測量不平衡。按校正平面數(shù)量的不同，可分為單面平衡機和雙面平衡機。單面平衡機只能測量一個平面上的不平衡（靜不平衡），它雖然是在轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時進行測量，但仍屬于靜平衡機。雙面平衡機能測量動不平衡，一般稱為動平衡機。離心力式平衡機按支承特性不同，又可分為軟支承平衡機和硬支承平衡機。平衡轉(zhuǎn)速高于轉(zhuǎn)子支承系統(tǒng)固有頻率的稱為軟支承平衡機。這種平衡機的支承剛度小，傳感器檢測出的信號與支承的振動位移成正比。平衡轉(zhuǎn)速低于轉(zhuǎn)子支承系統(tǒng)固有頻率的稱為硬支承平衡機，這種平衡機的支承剛度大，傳感器檢測出的信號與支承的振動力成正比。平衡機的主要性能用最小可達剩余不平衡量和不平衡量減少率兩項綜合指標(biāo)表示。前者是平衡機能使轉(zhuǎn)子達到的剩余不平衡量的最小值，它是衡量平衡機最高平衡能力的指標(biāo)；后者是經(jīng)過一次校正后所減少的不平衡量與初始不平衡量之比，它是衡量平衡效率的指標(biāo)，一般用百分?jǐn)?shù)表示。我廠TBD620V16柴油機曲軸采用的是YYW3000臥式硬支撐雙面動平衡機來進行平衡去重的。

4 曲軸動平衡特點

TBD620V16柴油機曲軸最大回轉(zhuǎn)半徑（包括平衡塊）為200mm，總長2 260mm，最高工作轉(zhuǎn)速1 860r／min，由于曲軸是一種結(jié)構(gòu)特殊的剛性轉(zhuǎn)子，在工作時采用多點支撐，工作轉(zhuǎn)速遠低于曲軸的臨界轉(zhuǎn)速。另外，曲軸平衡時轉(zhuǎn)速比較低，平衡時不會產(chǎn)生明顯影響曲軸不平衡狀態(tài)的彈性變形［2］。因此在原則上可以按照剛性轉(zhuǎn)子二面平衡原理進行平衡校正。由于曲軸的結(jié)構(gòu)特點特殊性，沒有任意位置去重的校正面，平衡時去重只能在某些固定的位置如平衡塊上進行。

曲軸通常選用銑削和鉆削兩種方法去重，TBD620V16柴油機曲軸是采用在平衡塊上鉆削去重方式進行平衡的。去重選擇的是在兩端1、2和15、16曲臂上的4個平衡塊上（見圖3），采用二面平衡原理去重。

圖3 TBD620V16曲軸去重圖

5 剩余不平衡質(zhì)量計算

按照平衡等級標(biāo)準(zhǔn)以及對多種柴油機曲軸許用不平衡量的換算，得出曲軸平衡等級應(yīng)選用G1到G2.5級。以TBD620V16柴油機曲軸選取G2.5級為例。已知TBD620V16曲軸最大工作轉(zhuǎn)速為1 860r／min，去重旋轉(zhuǎn)半徑r為200mm，總重M為450kg。

所以曲軸剩余不平衡質(zhì)量m為28.9g。

曲軸在動平衡機YYW3000上進行動平衡時，由于曲軸動平衡機是雙面校正平衡，故分配到每個面的允許不平衡量為14.45g，因此應(yīng)根據(jù)平衡機上顯示的不平衡方向和大小，在曲軸相應(yīng)方向的平衡塊上進行鉆孔去重，去重后再進行平衡直至曲軸的不平衡質(zhì)量顯示在14.45g以內(nèi)為止。

6 結(jié)束語

曲軸在動平衡機上平衡后，可以根據(jù)需要對曲軸平

曲軸許用不平衡量：

所以TBD620V16柴油機曲軸許用不平衡量為578 g·cm。

根據(jù)｜U｜＝m×r得：衡塊進行去重加工，根據(jù)TBD620V16柴油機曲軸技術(shù)條件規(guī)定，可在平衡塊外圓上采用鉆孔的方式進行去重，曲軸實際不平衡量應(yīng)小于曲軸要求的最小不平衡量。在對曲軸進行去重加工后必須進行再次平衡，以檢驗和記錄曲軸最終剩余不平衡質(zhì)量，當(dāng)實際剩余不平衡質(zhì)量小于產(chǎn)品圖紙所要求的剩余不平衡質(zhì)量時即為合格。

［1］郝桐生.理論力學(xué)［M］.北京：高等教育出版社，2002.

［2］王漢英，張再實，徐錫林.轉(zhuǎn)子平衡技術(shù)與平衡機［M］.北京：機械工業(yè)出版社，1988.

［3］王知行，劉廷榮.機械原理［M］.北京：高等教育出版社，2003.