轉子-軸承系統液體式在線自動平衡裝置研究綜述

第一作者潘鑫男，博士生，1987年生

通信作者高金吉男，博士，教授，中國工程院院士，1942年生

轉子-軸承系統液體式在線自動平衡裝置研究綜述

潘鑫，吳海琦,高金吉

(北京化工大學機電工程學院 診斷與自愈工程研究中心，北京100029)

摘要：針對自動平衡裝置可在線調整轉子-軸承系統不平衡狀態、提高設備工作效率、延長設備使用周期，通過分析國內外已有液體式在線自動平衡裝置，認為注液式、釋液式及連續注排液式三種平衡裝置均因注排液過程存在諸多缺陷。液體轉移式平衡裝置在平衡過程中無需注液、排液，可從根本上避免三種結構因注、排液造成的缺陷，是一種理想結構。在保持注液式平衡裝置結構簡單、旋轉部分無可動部件等優點前提下研究開發實用的液體轉移式平衡裝置，是液體式平衡裝置極具前途的發展方向。

關鍵詞：轉子；自動平衡；液體轉移

收稿日期：2013-10-21修改稿收到日期：2014-03-07

中圖分類號:TG580.236文獻標志碼：A

基金項目：湖南省自然科學基金資助項目(12JJ4008)；“高檔數控機床與基礎制造裝備”科技重大專項課題(2012ZX04002-091)；中央高校基本科研業務費

Review for liquid-typed online auto-balancing devices in rotor-bearing systems

PANXin,WUHai-qi,GAOJin-ji(Diagnosis and Self-recovering Research Center, Beijing University of Chemical Technology, Beijing 100029,China)

Abstract:Auto-balancing devices can be used to adjust unbalance states of a rotor-bearing system, improve its operation efficiency and extend its service life. Through analyzing domestic and foreign existing liquid-typed automatic balancing devices. It was shown that four types of liquid injection, liquid release, continuously-dripping liquid injection, and liquid transfer; because the first three types need processes of liquid injection and release, they have several unavoidable faults; for the liquid transfer type, it avoids these two processes and is much better; for the liquid injection type, its structure is simple and there is no movable units in rotating parts; the research direction of liquid typed auto-balancing devices is to invent new structures of the liquid transfer type with keeping the advantages of the liquid injection type.

Key words:rotor; automatic balancing; liquid transfer

質量不平衡引起的振動在旋轉機械中為常見故障之一。減小轉子-軸承系統不平衡量可使機床提高加工質量及效率，延長設備(如機泵等)的使用壽命及周期，抑制惡性事故發生。在線自動平衡為改善旋轉機械平衡狀態的最佳方案。

目前，在線自動平衡裝置主要用于磨削領域。商品化的在線自動平衡裝置主要分機械式、液體式兩類。其中機械式平衡裝置又分電動機式、電磁滑環式兩種，液體式平衡裝置商業化產品僅注液式一種。機械式平衡裝置因使用方便、平衡速度快、平衡能力持久、平衡狀態既能實現停機保持也能實現停機重置等優勢，得到廣泛應用，并有相關研究[1-3]。在該類平衡裝置結構中不可避免的在旋轉部分引入偏心質量塊、機械傳動鏈或其它可動部件。工作轉速較高時偏心質量塊會使支撐軸承承受極大的旋轉載荷，造成軸承變形、卡滯甚至損壞；機械傳動鏈也會受離心力干擾甚至鎖死，不能正常工作。因此該類產品的使用范圍一般定義在10 000 r/min以下。隨旋轉設備向高速化發展，研究適合高速應用場合的液體式平衡裝置更顯必要。

1平衡原理

液體式自動平衡裝置有個與轉子同步旋轉的平衡盤，盤內有3個或3個以上儲液腔用于儲存平衡液體。通過在線改變各儲液腔的液體分布，形成校正質量，達到在線平衡受控轉子系統目的。

圖1　液體式平衡裝置平衡原理圖 Fig.1 Priciple of liquid-typed balancing device

以4腔平衡盤為例，見圖1，將4個儲液腔分別命名為A、B、C、D，并以A、C腔中心線所在方向為實x軸，以B、D腔中心線所在方向為虛y軸，建立直角坐標系。當檢測出被平衡系統存在初始不平衡量U時，需平衡裝置在該初始不平衡量反方向形成校正質量U′。將該校正質量向兩坐標軸分解，獲得實軸分量UR及虛軸分量UI，并據此改變各儲液腔中的質量分布，平衡系統的初始不平衡量。

據改變儲液腔液體質量分布方式不同，可將平衡裝置分為注液式、釋液式、連續注排液式及液體轉移式等類型。其中，液體轉移式由于轉移平衡液驅動方案不同，又分為液氣式、氣壓液體式及泵送式三種。

2研究現狀

制約機械式平衡裝置可靠性有兩大技術瓶頸，即控制信號傳輸及平衡介質驅動，恰恰是注液式平衡裝置天然優勢之所在。簡單的液體噴射可一舉完成控制信號傳輸及平衡介質驅動兩項工作。注液式平衡裝置優勢體現的價值隨平衡轉速增加而提高。進入10 000 r/min以上高轉速區域，其可靠性優勢開始轉化為產品應用優勢。超高速在現代車、磨、銑等領域已成為發展方向，在線自動平衡是超高速旋轉機械必須解決的關鍵技術之一。在這一領域，與機械式平衡裝置相比，注液式將占據壓倒性優勢。

然而，注液式平衡裝置也存在天然缺陷，注液過程及只能注液不能排液的結構，令其在一些功能及應用中與機械式相比顯出一定劣勢，導致在中低速領域的應用市場逐漸萎縮。如何克服注液式平衡裝置的天然缺陷成為眾多研究者20多年的努力方向。因此出現釋液式、連續注排液式及液體轉移式等多種液體式平衡裝置。真正有價值的改進，應在保持注液式天然優勢前提下盡量多的克服其缺陷,而液體轉移式較成功。

2.1注液式

圖2　Hofmann注液式平衡裝置 Fig.2 Liquid injection balancing device of Hofmann

注液式平衡裝置最早見德國Hofmann公司專利[4-5]，基本結構見圖2。其中的平衡盤多由3個或4個獨立扇形儲液腔構成，每個儲液腔在軸向端面不同半徑上開有與儲液腔數量相同的進水槽，每個進水槽對應一個注液噴嘴、注液管及注液電磁閥。通過電磁閥控制注液時間改變平衡盤中液體質量及分布，補償待平衡系統本身的不平衡量，達到在線自動平衡目的。因該進水槽開在平衡盤的軸向端面，又被稱為端面注液式在線自動平衡系統。

Hofmann公司等[6-7]均已將該類裝置轉化為商業產品，并在磨床上成功應用，產品如圖3。該裝置為目前市場唯一產品化的液體式在線自動平衡裝置。

圖3　注液式平衡裝置產品 Fig.3 Productsof liquid injection balancing device

圖4　徑向注液式平衡裝置 Fig.4 Radial liquid injection balancing device

端面注液要求各儲液腔的注液槽所在半徑不同，雖實現各腔注液互不干擾，但多條注液槽徑向分布不僅犧牲了儲液腔的部分平衡能力，且使平衡裝置總平衡能力受限于注液槽最大徑向半徑。李曉冬等[8]將研制出的徑向注液平衡裝置用于外圓磨床，平衡轉速為1 930 r/min，平衡時間約1 min，可將砂輪的不平衡量從初始的227.6 g·cm降到3.6 g·cm，見圖4。

圖5　端面注液平衡裝置試驗臺 Fig.5 Experimental setup for active hydraulic balancing device

蘇奕儒等[9]搭建懸臂轉子試驗臺，利用端面注液式自動平衡系統進行多轉速自動平衡試驗，見圖5。最高試驗轉速為4 000 r/min，軸承振動幅值降低30%以上，并在實用風機轉子上進行效果驗證。

章云等[10]通過改進儲液腔形狀，在高速主軸試驗臺上利用徑向注液式自動平衡裝置進行自動平衡實驗，平衡轉速20 700 r/min，可將振動幅值由1.6 mm/s降至0.34 mm/s，主軸失衡振動得到有效抑制，見圖6。

圖6　注液式平衡頭 Fig.6 Liquid injection balancing device

注液式自動平衡裝置自身仍存在三個重要缺陷：

(1)注液時液體飛濺。對三腔或四腔平衡盤，單個儲液腔進水槽弧長不足平衡盤圓周角的1/3或1/4，或端面或徑向注液均較難使全部液體注入儲液腔，難免濺出、流入其它儲液腔，使平衡裝置每轉的液體注入量有較大不確定性。液體飛濺不僅污染環境、增大回收及預處理工作量，亦限制平衡裝置的應用場合。環境溫度過高或過低時平衡液選用會有一定困難；飛濺會損耗平衡液量，諸多性能更穩定、密度更高的液體只因價格較貴而不便用于平衡液，既限制平衡液的選擇范圍，也限制相同體積下平衡能力的提升。液體注入量由于飛濺導致的不確定性及為避免注液孔堵塞注液孔徑不能太小均限制了裝置最小可控注液量，進而影響裝置平衡精度的提高。

(2)平衡過程中液體只能進不能出，使裝置的平衡能力與平衡過程有關。隨平衡次數增加實際平衡能力逐漸減小，直至目標儲液腔充滿液體平衡裝置方喪失平衡能力。

(3)平衡狀態不具備停機保持功能。設備停機后平衡液從儲液腔進水口流出，不能保留停機前的平衡狀態。再次啟動時設備處于不平衡狀態，啟動過程存在安全隱患，且需重新自動平衡。對需頻繁起停車且起停前后不平衡量變化不大的設備如加工機床等，重復自動平衡給操作帶來不便。

2.2釋液式和連續注排液式

針對注液式自動平衡裝置不具備持久平衡能力缺陷，均力圖給注液式平衡裝置賦予排液功能。浙江大學周保堂等研究具備釋液功能的自動平衡裝置，見圖7。其基本原理為在平衡頭上安裝多臺電磁閥，通過控制各電磁閥的通斷實現儲液腔中平衡液可控釋放功能。賀世正[11]對釋放液體式自動平衡頭進行研究。釋液式自動平衡裝置工作特點為先向各儲液腔注滿平衡液，通過控制平衡液排放使系統達到質量平衡。平衡過程中若出現正在釋液儲液腔的平衡液排空則立即停止排液并同時向所有儲液腔注入等量平衡液，力圖保持系統的平衡狀態不變：任一儲液腔注滿平衡液后立即切斷注液并啟動排液平衡控制程序。

圖7　釋液式平衡裝置 Fig.7 Liquid release balancing device

該結構雖能對平衡液可控排出，但自動平衡過程中振動測量值的正常抖動，造成注液、釋液兩種運行方式相互轉換條件判斷十分困難。判斷滯后會導致系統平衡狀態惡化，且對常規扇形儲液腔結構而言，即使能注入等量液體，也會因儲液腔原有儲液量不同,導致單位質量液體產生的平衡力增量不同,最大差異與液層內外徑之比成正比。此外，由于在平衡頭旋轉部分安裝的可動部件-電磁閥，使該裝置喪失液體式平衡裝置旋轉部分無可動部件優勢。為控制電磁閥，該裝置增設電刷機構，將多路控制電流引到旋轉的平衡頭上，不僅使結構變復雜，且對平衡裝置使用轉速及壽命產生一定影響。

Gao等[12]研制的連續注排液式自動平衡裝置基本原理為在平衡盤各儲液腔上同時開注液槽、排液孔，注液流速可控，排液為自流排放。每個儲液腔有5個不同規格的微孔板-電磁閥組，以任意組合方式對注入流量執行有級控制，控制分辨率為3.3% F·S。改變注液流速即可對儲液腔建立不同持液量下動態平衡。通過對各儲液腔注液流速閉環控制，達到在線平衡目的。與注液式裝置相比，雖電磁閥組亦為靜止件，但因需一直處于動態平衡狀態，流量擾動會大大增加裝置中電磁閥組的動作次數，且每個儲液腔均需多個電磁閥同時工作，使裝置的可靠性大大降低，更易發生故障。

李燕等[13]替換微孔板-電磁閥組，利用蠕動泵組對各儲液腔注液流量進行無級調節，使平衡裝置流速控制更準確，實驗裝置見圖8。

圖8　連續注排式平衡頭 Fig.8 Continuously-dripping liquid injection balancing device

連續注排液式自動平衡裝置具備既能注液又能排液的可操作性功能，經實驗驗證可行。但無休止的注液、排液，不僅增加能耗，且對系統穩定性及執行機構的可靠性均要求較高，不利于工業化應用。

釋液式及連續注排液式平衡裝置在克服注液式平衡裝置不具備持久平衡能力缺陷的同時亦產生新問題，降低了兩種結構的實際使用價值。兩種結構對液體飛濺及停機后不能保持平衡狀態等缺陷均未改善。

2.3液體轉移式

以上三種液體式平衡裝置的功能缺陷均與注排液過程相關。若能擺脫注排液過程，便可能從根本上克服，使液體式自動平衡裝置產生質的飛躍。

液體轉移式平衡裝置指在儲液腔中預先充入平衡液，通過平衡液在位置相對的儲液腔間轉移，改變平衡盤中液體的質量分布，進而實現對被平衡系統的在線自動平衡。該類平衡裝置在平衡過程中既不從外界注入也不向外界排出液體，可避免因注排液所致缺陷，且平衡液在相對儲液腔間的轉移為可逆的過程，平衡能力不受平衡過程影響，具備持久平衡能力。

圖9　液氣式平衡裝置 Fig.9 Liquid vaporization balancing device

Kerlin等[14]發明的液體轉移式自動平衡裝置-液氣式平衡裝置，結構見圖9。圖9中平衡盤具有3個以上的環形儲液腔，相對儲液腔間利用連通管相連。安裝前預先在各儲液腔內充入易揮發的平衡液體。每個儲液腔內均有加熱元件加熱液體，通過液體的相變實現平衡液在相對兩個儲液腔間轉移。因在液體轉移過程中，平衡液經歷從液態到氣態最后恢復到液態的轉變，故該種裝置也被稱為液氣式平衡裝置。

Steere等[15]提出類似結構，見圖10。環形盤沿圓周均分成4個儲液腔，每兩個位置相對的儲液腔構成一組，腔體間通過毛細管相連，利用加熱與毛細管的組合方式驅動平衡液轉移。

圖10　液氣式平衡裝置 Fig.10 Liquid vaporization balancing device

該類裝置采用液體轉移方式克服了注液式平衡裝置的三項缺陷；但因驅動液體轉移方式為加熱，平衡裝置響應速度慢，所需平衡時間長，甚至長達幾十分鐘，此為最大不足之處。此外，為向各儲液腔供給加熱所需電能，該裝置不可避免地引入電刷等結構，會增大制造難度，對運行速度及壽命亦會產生不利影響。

文獻[15]提出的第二種驅動方案，利用壓縮空氣驅動平衡液在儲液腔間轉移，見圖11。該方案有4個關鍵性的結構設計，即①每對儲液腔間設置2根連通管，構成平衡液的兩單方向流道。對1個儲液腔而言，1根為進液管，另1根為出液管。每個儲液腔單獨設有1根進氣管。②每個儲液腔中進液管口及出液管口分別位于儲液腔最小、最大半徑處。進氣管口近儲液腔中心半徑。③每根連通管設置1個單向閥。在向1個儲液腔施壓時用單向閥阻止壓力氣體通過連通管竄入對面儲液腔；停機時能阻止平衡液靠重力流入對面儲液腔，使其具備平衡狀態的停機保持功能。④為將壓力氣體由靜止部件傳遞到旋轉部件，采用軸向端面迷宮密封方式。因該自動平衡裝置旋轉部件與靜止部件間相互隔離，二者必須有足夠寬間隙防止碰撞，迷宮密封可防止呈現過低的壓力傳遞效率。

與加熱氣化的驅動方式相比，壓縮空氣驅動響應速度快，使用壽命長，且電磁閥組為靜止件，控制信號傳輸方便、可靠。該驅動方式最大缺陷為在連通管上安裝4個單向閥會降低運行的可靠性，并因此而喪失液體式平衡裝置適用于高速場合的優勢。

圖11　氣壓液體式平衡裝置 Fig.11 Liquid transfer balancing device using pneumatic means

Coyne等[16]發明的泵送式平衡裝置，見圖12。該裝置利用同平衡裝置一起旋轉的泵提供驅動力，驅動平衡液在相對儲液腔間轉移。每對儲液腔需1臺單向泵及1個滑閥管路或兩個單向泵、兩個電磁閥。

圖12　泵送式平衡裝置 Fig.12 Liquid transfer balancing device using pumps and valves

圖13　泵送式平衡裝置 Fig.13 Liquid transfer balancing device using pumps and valves

白彩波等[17]發明的類似泵送式結構，見圖13。相對的兩個腔體通過微型蠕動泵與軟管相通，當主軸存在不平衡時通過控制微型蠕動泵的正反轉及步進數，向相應腔室內注入適量液體，實現主軸的在線自動平衡。主軸轉速為368 r/min時可將振動幅值從7 μm降至1.23 μm；但主軸轉速超過1 000 r/min后平衡性能不明顯。該裝置雖省去壓縮氣體，但將泵、閥等執行件安裝在旋轉體上，不僅使其面臨電能及控制信號在動、靜件間傳輸困難，且因在旋轉部分引入過多可動部件，無法用于高速場合。

以上幾種液體轉移式平衡裝置已徹底擺脫注排液過程困擾，從根本上克服了由注排液帶來的諸多缺陷；但裝置結構均較復雜，多數平衡裝置中存在可動部件，會降低實際應用價值。

吳海琦等[18]發明的氣壓液體式在線自動平衡裝置，見圖14。該裝置結構較簡單，較以上平衡裝置相比，每對儲液腔間的連通管數量由2根簡化為1根，并取消了連通管內的單向閥，使平衡裝置旋轉部分無可動部件，且壓力氣體傳遞采用無密封方式能保持較高的壓力傳遞效率。該裝置已在臥式轉子實驗臺上進行相關實驗，在55 00 r/min轉速下經15 s的自動平衡后將系統振動幅值從10.2 μm降至0.37 μm，振幅下降比例達96.4%[19-20]。

圖14　氣壓液體式平衡裝置 Fig.14 Liquid transfer balancing device using pneumatic means

氣壓液體式平衡裝置具備注液式平衡裝置因旋轉部分無可動部件，可避免機械式平衡裝置在高速場合偏心質量塊的驅動問題；且該裝置平衡液轉移為可逆過程，又使其具備機械式平衡裝置持久平衡能力的優點。該裝置通過靜止電磁閥組的開閉進行控制動作，與注液式平衡裝置相同，均具有很高的可靠性。其結構復雜程度及制造難度較機械式平衡裝置具有優勢，但較注液式平衡裝置結構稍復雜。該裝置需氣源分配器實現氣體從靜止管路到旋轉儲液腔的輸送，且為保證氣體傳遞效率，在定子與旋轉件間增加兩個軸承保證二者在較小間隙下的長期穩定運行。只是該裝置的定子及電磁滑環式平衡裝置的靜環不同，定子以軟支撐方式固定，即只限制定子旋轉，不限制隨其它部件的平動，使兩支撐軸承運行過程所受載荷僅幾十N，遠低于軸承自身的額定載荷，能保證設備整體可靠性。

3結論

(1)機械式平衡裝置的金屬配重塊一般通過齒輪、齒條、軸承等連接件將補償力傳遞到被平衡轉子。在高速旋轉過程中，配重塊將產生強大離心力。齒輪、齒條及軸承須擔負平衡配重的全部作用力作周向或徑向定位移動，其承載能力則成為平衡裝置適用轉速的約束條件。

(2)實際應用對平衡裝置體積、重量有限定，會制約機械式平衡裝置對最高適用轉速的提高。對注液式平衡裝置而言，平衡液體的全部作用力直接作用于平衡裝置主體，而其與被平衡轉子為剛性連接，故制約注液式平衡裝置適用轉速的條件僅為平衡裝置自身強度，使其成為機械式平衡裝置無法比擬的天然優勢。注液式平衡裝置改進應以保持其本質優勢為原則。高速、超高速為液體式平衡裝置施展優勢的空間。旋轉系統上存在的電磁閥、止逆閥及輸液泵等可動部件，均會成制約最高適用轉速的因素。

(3)隨著超高速車、磨削技術的快速發展，高速轉子在線自動平衡已經成為關鍵技術。而液體式平衡裝置將成為主流結構，應用前景廣闊。液體轉移式平衡裝置的發展會極具前途。

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