風阻效應的組合轉子動平衡技術研

摘要：風阻效應組合轉子是新型航空發(fā)動機中最核心最重要的零部件之一，轉子結構復雜，裝配精度要求高。影響轉子的動平衡的因素有很多，且動平衡時不允許去除材料，是國內外研究的熱點問題。通過理論分析和現(xiàn)場試驗，采用錯齒平衡、二倍頻分析、計算機輔助編程、影響系數(shù)等新工藝方法，攻克了動平衡過程中轉子組合后跳動值超差、動平衡值飄移、振動大、旋轉不穩(wěn)定等難題。

關鍵詞：整體動平衡；組合轉子；新工藝方法；平衡技術；葉輪

中圖分類號：O369 文獻標志碼：0 文章編號：1674-9324（2012）08-0077-02

一、轉子的不平衡狀態(tài)

平衡產(chǎn)品一般是帶旋轉軸的旋轉體，所謂的旋轉體通常指軸頸由軸承支承的旋轉體。風阻效應的組合轉子是由多個零件組裝而成，有風阻效應的組合轉子是由多個帶葉片的轉子組裝而成。在機械旋轉時，轉子旋轉產(chǎn)生離心力所引起的振動力或運動作用于軸承時，該轉子處于不平衡的狀態(tài)，對于剛性轉子而言，當離心力的合力與合力矩完全為零時，支承既不承受動態(tài)力也不振動，則轉子處于平衡狀態(tài)，相反如果不平衡則有以下幾種狀態(tài)。

1.靜不平衡狀態(tài)。如果不平衡質量矩存在于質心所在的徑向平面上，且無任何力偶矩存在時稱靜不平衡，此時主慣性軸（質量軸）與軸中心線平行它可在通過質心的徑向平面加重（或去重），使轉子獲得平衡。

計算公式為：US=u·r g·mm

e=u·r/m ?滋m

2.偶不平衡狀態(tài)。質心軸（主慣性軸）與軸線相交的不平衡狀態(tài)稱為偶不平衡，計算公式為：

UC=u×b g·mm2

?準=■ rad

3.動不平衡狀態(tài)。假設有一個具有兩個平面的轉子的重心位于同一轉軸平面的兩側，且m1r1=m2r2，整個轉子的質心Mc仍恰好位于軸線上，顯然，轉子是靜平衡的。但當轉子旋轉時，二離心力大小相等、方向相反，組成一對力偶，此力偶矩將引起二端軸承產(chǎn)生周期性變化的動反力，大小為：|A|=|B|=■=■·■，這種由力偶矩引起的轉子及軸承的振動的不平衡叫做動不平衡[1]。

4.動靜混合不平衡狀態(tài)。實際轉子往往是動靜混合不平衡。轉子諸截面上的不平衡離心力形成的偏心距不相等，質心也不在旋轉軸線上。轉動時離心力合成成為一個合力（主向量）和一個力偶（主力矩），即構成一靜不平衡力和一動不平衡力偶。

二、風阻效應組合轉子的動平衡技術研究

1.動平衡技術難點。所謂動平衡是指不平衡的轉子經(jīng)過測量其不平衡量和不平衡相位，并加以校正以消除其不平衡量，使轉子在旋轉時，不致產(chǎn)生不平衡離心力的工藝過程。風阻效應組合轉子具有其特殊的動平衡特性，存在以下幾點技術難點：

（1）組合轉子由多個轉子構成，每個轉子都將產(chǎn)生一定的不平衡量。組裝件可能會因其自身的不平衡量過大而無法平衡；或組裝件能達到規(guī)定的平衡精度，但在實際工作中，由于葉輪的不平衡力和力偶的影響，使軸局部彎曲產(chǎn)生振動而影響到整體轉子的不平衡量。

（2）組裝后不平衡量是各單件不平衡量的矢量和，由于裝配誤差可能會出現(xiàn)新的不平衡量而使組裝件達不到要求，給組裝件平衡帶來難度。

（3）由于組合轉子有多件帶有葉片的轉子，轉子工作時會產(chǎn)生氣動效應，風阻力很大，氣動力的干擾會使測量出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象。

組合轉子的動平衡技術復雜，對于實際經(jīng)驗要求較高，是現(xiàn)代化生產(chǎn)中的重要技術關鍵問題之一。

2.計算機輔助平衡方法研究。

（1）程序設計原理：以四級葉輪的風阻效應組合轉子為例，其動平衡時不允許去材料，只能通過調整各級葉輪的相對位置來達到平衡的目的。

在規(guī)定轉速下旋轉時，沒有發(fā)生彈性變形，或者說即使發(fā)生彈性變形也甚微，可以忽略。仍然可用靜力學的原理去分析它，仍然可用靜力學的公式建立起的關系式列出

在旋轉的轉子上劃分成很多與軸線垂直單元的圓盤，在每個圓盤上有不同方向的不平衡量■■，按靜力學的定律各不平衡量的離心力可以分配到兩個任意選擇的平面Ⅰ、Ⅱ上。

■Ⅰ=■=■1ω■ ■Ⅱ=■=■Ⅱω■

換算到不平衡量為：

■=■1 ■=■Ⅱ

■■、■■被稱為等效不平衡量，因為它完全代表轉子的不平衡狀態(tài)，二個不平衡矢量的大小和方向與我們選擇的校正面位置有關，如果變換校正面的位置，則不平衡量的矢量也就會變化[2]。這就是說：

任意形狀的剛性轉子的不平衡狀態(tài)完全可以由在兩件任意選擇的平面上的二個等效的不平衡量來說明。

這種轉子的不平衡校正一般要在兩個平面內分別校正。

用兩個校正面來校正轉子稱為雙面校正，如果轉子的重心落在支承距離中間的三分之一處，每校正面的許用不平衡量可取其一半，如重心偏于單邊，則按質量分布取值。

（2）計算機語言編程。一級葉輪、二級葉輪、三級葉輪和四級葉輪的半徑（在測量靜平衡時所設定的半徑）分別為r1、r2、r3、r4，在該設定半徑下測得的靜不平衡質量分別為m1、m2、m3、m4，組合轉子旋轉時在四葉輪的偏心質量共同作用下導致動不平衡。

根據(jù)靜力學原理，每個葉輪的離心力可分解為正交的XY兩個方向，將這兩個方向的力分配到兩支點（以負載葉輪為例）：

左支點X向等效力：m1r1w2cosθ1（b+c+d+e）/（a+b+c+d+e）

左支點Y向等效力：m1r1w2sinθ1（b+c+d+e）/（a+b+c+d+e）

右支點X向等效力：m1r1w2cosθ1a/（a+b+c+d+e）

右支點Y向等效力：m1r1w2sinθ1a/（a+b+c+d+e）

其中w為角速度，θ為各輪盤的標記好的半徑線與X向的角度，在整個平衡全過程此標記線是不允許變動的。

左支點合力：Fl=■=w2Ul

右支點合力：Fr=■=w2Ur

上式中Ul和Ur為左右支點的等效不平衡量，等式中含有的w2可以消去。

通過編程可以對組合方案進行搜索和優(yōu)化，這種方法可以達到事半功倍的效果[3]。

三、結論

組合轉子的整體動平衡技術，是近代高速大型轉子設計、制造及運行的重要技術關鍵問題之一[4]。通過對組合轉子整體平衡工作的研究、實踐，總結出了一些組裝件的平衡經(jīng)驗、不平衡量大的轉子的平衡經(jīng)驗和有氣動效應的轉子的平衡經(jīng)驗。風阻效應組合轉子動平衡技術的研究具有深遠的戰(zhàn)略性意義，該項技術成果的應用前景廣泛，為開拓航空產(chǎn)品的市場提供了技術保障。

參考文獻：

[1]黃潤華，韓國明.撓性機械平衡方法和準則[M].北京科文圖書業(yè)信息技術有限公司，2009.

[2]趙午云，郭維強.動平衡測試技術方法淺析[J].機械工程師，2004，（4）.

[3]楊建華.動平衡機測試原理[J].煙臺職業(yè)技術學院學報，2006，（3）.

[4]蔡開華，陳舒生.動平衡技術及實力解析[J].化工設計通訊，2001，（3）.