霧炮葉輪靜動平衡試驗方法

柴書杰 王洪權 張陽羊 樊超杰

CHAI Shu-jie et al

河南森源重工有限公司 河南長葛 461500

1 前言

隨著人們環保意識的提高，市場上對抑塵車需求量日益增大。在抑塵車霧炮作業過程中，往往出現葉輪不平衡的問題，導致葉輪在高速旋轉時產生劇烈振動，不僅加速霧炮旋轉軸及軸承的磨損，降低其精度和使用壽命，而且影響整車正常運行。由于葉輪是抑塵車霧炮的核心部件，因此對葉輪平衡試驗的研究十分重要。

本文以葉輪轉子為試驗對象，使用某型硬支承動平衡機，采用靜動平衡試驗檢測方法進行驗證，旨在解決葉輪不平衡的問題。

2 動平衡基礎

2.1 動平衡原理

根據轉子平衡技術，把低于一階臨界轉速60%的轉子稱為剛性轉子。在這種狀態下的轉子旋轉時產生的撓曲變形非常小，其不平衡主要因素是轉子質心的偏離。剛性轉子的動平衡技術主要是消除轉子的質量偏離，因此通過離心力和離心力矩的平衡就可以進行動平衡計算[1]。通過計算可將轉子的不平衡質量分解為兩個校正平面內的校正質量，當轉子在這兩個校正平面內達到平衡后，其離心慣性力系就變為一個平衡力系，轉子中心慣性主軸與旋轉軸重合，在一定的精度范圍內，這個平衡力系對任何轉速都是保持平衡的。

被平衡的轉子，支承在動平衡機擺架上，通過聯軸節驅動使轉子旋轉，轉子的不平衡質量產生離心力激勵擺架振動。擺架振動傳感器將振動信號轉換成電信號輸入到電測系統，光電傳感器將振動頻率及相位信號輸入到電測系統，系統通過計算并分離轉子的不平衡質量到兩個校正平面，并顯示加重（或去重）的位置和大小。經過在不同轉速下進行測試并加重（或去重）操作后，轉子的剩余不平衡量將減小至合格范圍內。

2.2 動平衡機簡介

動平衡機是用于測定轉子不平衡的機器，按其測量結果進行校正，以改善被平衡轉子的質量分布，使轉子轉動時平衡軸支撐座處的振動或作用于支撐座的力減小到規定范圍，以提高平衡效率[2]。

此次試驗檢測采用某型硬支承動平衡機，聯軸節左端與主軸聯接，右端與平衡軸聯接，主軸旋轉時傳遞主軸的扭矩，帶動工件旋轉。圖1為動平衡機結構示意圖，主要包括三大系統：a. 驅動系統：驅動轉子達到所要求的平衡轉速，主要包括安裝在主軸箱內的電動機、傳動裝置、制動裝置、主軸及聯軸節等；b. 擺架系統：支撐被平衡工件并使之在不平衡力作用下產生振動，主要包括床身、擺架、支撐座及安全架等；c. 測量系統：檢測并顯示轉子不平衡量的大小及相位，主要包括傳感器、發生器及模擬電路等。

圖1 動平衡機結構示意圖

2.3.1 平衡等級確定及偏心距計算

平衡精度等級G由轉子質量偏心距e與轉子的最高工作角速度ω之積除以1 000來表示，見公式（1）：

式中，G為平衡精度等級，mm×s-1；e為轉子質量偏心距，μm；ω為角速度，ω=2πn/60，rad/s，n為轉子最高工作速度，r/min。

取葉輪平衡精度等級為 G 5.6[3]，最高工作轉速n=2 000 r/min， 即按式( 2 )可 求出葉輪允許質量偏心距e=26.74 μm。2.3.2 葉輪許用不平衡量計算

葉輪許用不平衡量U，校正半徑處的葉輪剩余許用不平衡量m′，分別由公式(3)和公式(4)表示：

式中，U為葉輪許用不平衡量， g·mm；e為葉輪允許質量偏心距，μm；m為葉輪質量，kg；m′為葉輪剩余許用不平衡量，g；r為校正半徑，mm。

實測葉輪質量m為53.5 kg，按式(3)可求出葉輪許用不平衡量U=1 430.6 g·mm。葉輪校正半徑r=295 mm，按式(4)可求出校正半徑處的葉輪剩余許用不平衡量m′=4.85 g。

3 葉輪動平衡試驗流程

3.1 葉輪靜平衡

由于葉輪制造工藝、焊接變形等原因，導致葉輪初始不平衡量較大，對動平衡試驗定標及校正影響較大，而在相同條件下，葉輪靜平衡試驗后可有效降低動平衡試驗的初始不平衡量[4]。因此動平衡試驗前先采用靜平衡方法，其平衡過程如下：a. 將標準鍵置入平衡軸的鍵槽內，穿過葉輪軸孔用鎖緊螺母鎖緊，并放置在左右滾輪架上；b. 旋轉葉輪，當葉輪停止時在其最低或最高位置處做標記。若葉輪停止在同一位置3次以上，則確定此處為葉輪偏心位置；c. 在其相對位置加一定質量的橡皮泥，繼續旋轉葉輪，若葉輪在任意位置都能停下，說明葉輪偏心位置與橡皮泥配置是合適的，否則改變橡皮泥質量，直到葉輪達到靜平衡；d. 采用去重，如鉆孔、銑削或磨削等方法去除葉輪偏心質量，或采用加重平衡葉輪偏心質量。

3.2 葉輪動平衡

3.2.1 參數設置

先將平衡軸與聯軸節連接牢固，在參數設置界面中選擇雙支承方式，并輸入葉輪型號、尺寸、合格范圍（即葉輪單面許用不平衡量）、平衡轉速及測量時間等。

3.2.2 平衡機定標

平衡機定標是使平衡機顯示的數值與在工件上添加的試重相一致，包括角度顯示。定標時采用標準轉子或剩余不平衡量小的轉子。

在平衡機定標界面，分別在校正平面1、校正平面2的校正半徑零度位置安裝已知質量的橡皮泥，定標質量m取值參考m=（3～10）m0（m0是葉輪初始不平衡量）；輸入定標質量和角度，按系統操作提示，完成平衡機定標過程。

3.2.3 葉輪平衡校正

設置平衡轉速200 r/min，待葉輪轉速穩定后，按下“Enter”鍵測量；測量結束后，校正平面1及平面2將以數字/角度兩種方式顯示葉輪不平衡量大小和方位，記錄數據；先在校正平面1的校正半徑處添加等重的橡皮泥（m1），啟動再次測量，記錄數據。若校正平面1上兩次測量的不平衡量差值在（m1±2）g且角度差在±5°范圍內，則在校正平面2上添加等重的橡皮泥（m2）進行測量，否則調整校正平面1上橡皮泥的質量及放置角度，直到滿足要求。

分別調整平衡轉速至400 r/min、600 r/min、800 r/min，按上述操作校正葉輪不平衡量，校正后葉輪剩余不平衡量滿足設計要求。當葉輪校正質量≤5g時，允許在其偏重方向上去重。校正完成后，焊接平衡塊。

3.3 葉輪平衡后檢驗

當葉輪平衡校正合格后，拔掉左右擺架上的振動傳感器插頭，按下“Enter”鍵進行測量，測量結果應遠小于被平衡工件的最終精度要求，方可認為機器測量沒有初始誤差。

停車后，分別在葉輪左右校正面的校正半徑處添加已知質量的橡皮泥，測量并觀察結果，若顯示數值在橡皮泥質量的±12%以內，表示平衡機的靈敏度在誤差之內。

通過上述操作，可以確認該葉輪已平衡到精度之內。

4 平衡工藝優化及提升

經過平衡試驗驗證后，平衡工藝主要從兩個方面進行優化提升：

a. 葉輪制造工藝對其平衡試驗影響較大，因此提高葉輪制造工藝對有效減少葉輪初始不平衡量十分重要。主要包括：葉片壓型后，保證曲面形狀及質量一致；葉輪輪轂與底板焊接完成后，輪轂外圓機加工，保證輪轂圓度；葉片與輪轂組焊時，保證葉片均分并采用工藝撐加固；組焊后校正變形。

b. 設備及平衡方法操作的熟練程度直接影響平衡效率的提高。主要包括：平衡機、聯軸節及平衡軸需定期進行測定，其精度要高于轉子的平衡等級；平衡軸與葉輪需過盈配合，提高平衡軸加工制造精度，其支撐表面硬度及粗糙度滿足使用要求。

5 結語

a. 通過對霧炮葉輪靜動平衡試驗的研究，得知葉輪制造工藝、平衡設備及操作熟練程度對其平衡試驗影響較大，可有效地指導實際生產；

b. 通過對霧炮葉輪靜動平衡試驗的研究對后期葉輪制造及平衡工藝優化及提升具有指導意義。