葉輪動平衡工裝設(shè)計(jì)

王科研 洪量 候佳希

摘要：航空發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)動件的不平衡量是影響發(fā)動機(jī)振動超限的主要原因。對葉輪的動平衡，需設(shè)計(jì)專用的動平衡工裝。本文以葉輪動平衡工裝設(shè)計(jì)為例，闡述了不平衡量的產(chǎn)生過程及去除方法，動平衡機(jī)的基本原理，及車間平衡機(jī)的專用工裝設(shè)計(jì)方法。

關(guān)鍵詞：不平衡量；動平衡；離心力；主慣軸；平衡機(jī)

1.不平衡的產(chǎn)生及危害

轉(zhuǎn)子系統(tǒng)是發(fā)動機(jī)中最重要的部件，轉(zhuǎn)子的不平衡量過大將引起整機(jī)振動過大，轉(zhuǎn)子自身將產(chǎn)生較大應(yīng)力和變形，造成連接松動，軸承負(fù)荷過大、工作不良以致?lián)p壞。轉(zhuǎn)子變形過大則會產(chǎn)生靜、動件的碰撞摩擦，以及許多零組件的振動、疲勞和損壞，振動嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)斐娠w行事故。轉(zhuǎn)子的不平衡量過大是一種常見的故障，又是一種破壞性較大的故障，如果發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子的不平衡量過大，就必須對轉(zhuǎn)子進(jìn)行平衡。

當(dāng)零件做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動時(shí)，例如各種傳動軸，主軸，風(fēng)機(jī)，水泵葉輪，刀具，電動機(jī)和汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子等，統(tǒng)稱為回轉(zhuǎn)體。在理想的情況下，回轉(zhuǎn)體旋轉(zhuǎn)與不旋轉(zhuǎn)時(shí)對軸承產(chǎn)生的壓力是一樣的，這樣的回轉(zhuǎn)體是平衡的回轉(zhuǎn)體。但工程中的各種回

轉(zhuǎn)體，由于材質(zhì)不均勻或者毛坯缺陷，加工及裝配過程產(chǎn)生的誤差，甚至設(shè)計(jì)時(shí)就有非對稱的幾何形狀等多種因素，使得回轉(zhuǎn)體在旋轉(zhuǎn)時(shí)，其上每個微小質(zhì)點(diǎn)產(chǎn)生的離心慣性力不能相互抵消，如圖1所示：離心慣性力通過軸承作用到機(jī)械及其基礎(chǔ)上，引起振動，產(chǎn)生了噪音，加速了軸承磨損，縮短了機(jī)壽命，嚴(yán)重時(shí)能造成破壞性的事故。為此，必須對轉(zhuǎn)子進(jìn)行平衡，使其達(dá)到允許的平衡精度等級，或使產(chǎn)生的機(jī)械振動幅度降在允許的范圍內(nèi)。

2.動平衡機(jī)的應(yīng)用

平衡機(jī)是測量旋轉(zhuǎn)物體（轉(zhuǎn)子）不平衡量大小和位置的機(jī)器。根據(jù)平衡機(jī)測出的數(shù)據(jù)對轉(zhuǎn)子的不平衡量進(jìn)行校正，可改善轉(zhuǎn)子相對于軸線的質(zhì)量分布，使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的振動或作用與軸承上的振動力減少到允許的范圍內(nèi)。

通常，轉(zhuǎn)子的平衡包含了測量和校正兩個步驟，平衡機(jī)主要用于不平衡量的測量，而不平衡量的校正往往借助于鉆床、銑床和點(diǎn)焊機(jī)等其他的輔助設(shè)備，或者用手工方法完成。

3.使用車間現(xiàn)有平衡機(jī)工作原理

如圖2所示，調(diào)節(jié)活動支架，對準(zhǔn)工件平衡支承點(diǎn)，安裝工件并將活動支架固定在底座后，在傳動皮帶的帶動下工件開始旋轉(zhuǎn)。當(dāng)達(dá)到設(shè)定的轉(zhuǎn)速后，如果工件存在不平衡量，則支架在不平衡量的重力距作用下產(chǎn)生振動，安裝在支架中的傳感器將振動發(fā)出的電信號傳輸?shù)絀/O終端，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換，終端根據(jù)所輸入的工件平衡參數(shù)，如轉(zhuǎn)速n，2側(cè)支點(diǎn)半徑r，自動計(jì)算不平衡量，將不平衡量顯示在顯示設(shè)備極坐標(biāo)軸上。安裝與支架上部的傳感器用于記錄轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的相位角，根據(jù)轉(zhuǎn)速n，采樣的周期T，即能得到不平衡量所在的位置。由此，不平衡量的大小和位置都能夠得到。根據(jù)顯示在極坐標(biāo)軸的不平衡質(zhì)點(diǎn)位置及不平衡量的數(shù)值，工人就可以采取措施，采用增重或去重方法改善轉(zhuǎn)子質(zhì)量分布。

4.葉輪動平衡工裝設(shè)計(jì)

如圖3所示，零件要求以2個軸承為支承點(diǎn)，對葉輪采用去重的方法進(jìn)行平衡。動平衡工裝的設(shè)計(jì)要點(diǎn)是：保證2個軸承的旋轉(zhuǎn)中心一致，即保證回轉(zhuǎn)體的中心主慣性軸（Z軸）水平。

4.1 Z軸水平調(diào)整

由于需對2個軸承進(jìn)行支承，為消除因制造即裝配所產(chǎn)生的誤差，保持Z軸水平，將一端支承設(shè)計(jì)成沿Y方向可調(diào)結(jié)構(gòu)，如圖4所示。

使用時(shí)，松開鎖緊螺母，轉(zhuǎn)動高度調(diào)節(jié)螺母調(diào)整高度，帶動活動支架沿著4個導(dǎo)柱滑動，并借助水平儀調(diào)整至與另一側(cè)的支架高度一致后，擰緊高度調(diào)節(jié)螺母下方的備緊螺母，并將鎖緊螺母鎖緊即可。

對于此工裝，車間采用的水平儀精度為0.02：150mm，由于2個軸承間距小于150mm，導(dǎo)致水平儀無安裝空間。為此，需設(shè)計(jì)二級工具輔助測量芯棒進(jìn)行校正，操作過程如下：將芯棒左端￠19.65端面安裝實(shí)驗(yàn)軸承（此軸承為無內(nèi)環(huán)滾子軸承），裝入支架，另一側(cè)￠40安裝在孔中，調(diào)節(jié)活動支座位置，至有足夠空間放入水平儀。

4.2 軸承旋轉(zhuǎn)中心一致保證方法

2個活動支座可以在底座上的直線導(dǎo)軌上沿Z方向滑動，2個活動支座上分別有2個￠4H7的定位孔，根據(jù)測量，2孔偏離中心距都為7.53。為此，在工裝設(shè)計(jì)時(shí)，只需將7.53這一偏心對軸承的旋轉(zhuǎn)中心尺寸要求嚴(yán)格，或者采用保證2件一致的方法，就能保證2軸承的旋轉(zhuǎn)中心軸線一致。

5該工裝現(xiàn)場使用效果

該工裝經(jīng)過車間實(shí)際應(yīng)用和檢驗(yàn)，有效地檢測出了葉輪的不平衡量，得到了工人師傅的肯定，證明了設(shè)計(jì)的合理可行性，現(xiàn)該葉輪已經(jīng)裝機(jī)使用。該套工裝的設(shè)計(jì)為后續(xù)科研產(chǎn)品的動平衡提供了依據(jù)。

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