一種低速大功率水力測功器轉(zhuǎn)子靜平衡工藝試驗*

宋月杰，鄧鵬遠(yuǎn)

(1.哈爾濱廣瀚新能動力有限公司，黑龍江 哈爾濱 150078；2.中國船舶集團(tuán)有限公司第七○三研究所，黑龍江 哈爾濱 150078)

0 引 言

水力測功器是指通過介質(zhì)水令旋轉(zhuǎn)中的轉(zhuǎn)子產(chǎn)生摩擦力矩來吸收和傳遞原動機輸出功率的裝置。水力測功器一般按照工作轉(zhuǎn)速可分為低速、中速和高速三種，其中低速水力測功器最高吸收功率一般可達(dá)100MW級別。在工業(yè)生產(chǎn)中，低速大功率水力測功器作為有效負(fù)載及功率測量裝置，通常為柴油機、汽輪機、燃?xì)廨啓C、推進(jìn)電機等不同類型動力設(shè)備的生產(chǎn)制造提供了有力保障。該等級水力測功器的制造技術(shù)過去一直掌握在英國Froude、日本Fuchino等少數(shù)國外企業(yè)手中，其產(chǎn)品價格及售后服務(wù)成本較高。近年來國內(nèi)相關(guān)企業(yè)投入大量資源進(jìn)行研發(fā)攻關(guān)，目前已經(jīng)開始有能力生產(chǎn)制造該等級的測功器，但國內(nèi)在該領(lǐng)域的相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)還沒有出臺，考慮到其零部件的特性及工藝要求，其生產(chǎn)制造尚需借鑒其他行業(yè)成熟的相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。低速大功率水力測功器機械本體一般由轉(zhuǎn)子、定子、殼體、底座等部件組成，這些部件中轉(zhuǎn)子作為測功器吸收和傳遞功率的關(guān)鍵部件，其加工制造水平極大影響著測功器的質(zhì)量和運行效果。

該類測功器轉(zhuǎn)子一般通過鑄造的方式獲得，其直徑通常在1 m以上，而作為一種大型鑄造件，考慮到鑄造精度、加工情況等因素，組裝前有必要進(jìn)行平衡試驗。一般來說，平衡法的選擇需要參考轉(zhuǎn)子尺寸比b/D，其中b代表轉(zhuǎn)子厚度、D代表轉(zhuǎn)子直徑，通常盤狀轉(zhuǎn)子厚度與直徑比小于0.2，即b/D值小于0.2，則轉(zhuǎn)子只需進(jìn)行靜平衡即可[1]。

低速大功率水力測功器其轉(zhuǎn)子的尺寸比b/D值一般都要小于0.2，即只需要進(jìn)行靜平衡即可。但是國內(nèi)目前并沒有相應(yīng)專業(yè)的靜平衡技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)以供參考，考慮到其結(jié)構(gòu)形式、工作方式等與常用汽輪機旋轉(zhuǎn)部件較為相似，所以筆者將主要介紹參照《JBT 3329-2016 汽輪機旋轉(zhuǎn)零部件 靜平衡》這一技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)對測功器轉(zhuǎn)子進(jìn)行靜平衡試驗的工藝方法。

1 工藝方法

文中以哈爾濱廣瀚新能動力有限公司設(shè)計生產(chǎn)的某型水力測功器為例，經(jīng)計算其轉(zhuǎn)子b/D值實際為0.15，要小于0.2，故只需對該測功器轉(zhuǎn)子進(jìn)行靜平衡即可。

在測功器轉(zhuǎn)子進(jìn)入最后組裝工序前，將其依次放置到靜平衡設(shè)備中。這里的靜平衡設(shè)備主要包括支撐基座、心軸、高精度軸承、專用轉(zhuǎn)接板等。然后參照《JBT 3329-2016 汽輪機旋轉(zhuǎn)零部件 靜平衡》這一技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測功器轉(zhuǎn)子靜平衡試驗。根據(jù)該標(biāo)準(zhǔn)要求，靜平衡試驗方法一般采用質(zhì)心平衡法，即將放置在設(shè)備中的轉(zhuǎn)子來回擺動，當(dāng)其自然靜止時，在半徑為r的轉(zhuǎn)子圓周最上方做好標(biāo)記，并在該處試加質(zhì)量。該步驟反復(fù)多次，直至轉(zhuǎn)子在任意角度都能夠自然靜止，然后采用去除質(zhì)量法，在相應(yīng)標(biāo)記處鉆孔或者按照圖紙設(shè)計位置磨削去相應(yīng)質(zhì)量即可。最后需要檢驗該轉(zhuǎn)子最終狀態(tài)下的實際剩余不平衡量，并與許用不平衡量進(jìn)行比較。

具體檢驗方法為在轉(zhuǎn)子校正平面中以轉(zhuǎn)子半徑r為半徑的圓周上隨機進(jìn)行八等分，并做好標(biāo)記，然后將這八個標(biāo)記點按順序靜止在水平位置，按照專用砝碼質(zhì)量從小到大的順序?qū)㈨来a依次固定在標(biāo)記點上，如圖1所示。當(dāng)測功器轉(zhuǎn)子剛剛能夠開始自動轉(zhuǎn)動時增加的砝碼總質(zhì)量即為要測量的實際不平衡質(zhì)量[2]。在8個標(biāo)記點反復(fù)進(jìn)行該步驟，最終會得到8組實際不平衡質(zhì)量數(shù)據(jù)。

圖1 靜平衡設(shè)備示意圖

將得到的這8組數(shù)據(jù)通過Origin軟件進(jìn)行曲線擬合，即能得到一條近似正弦曲線的平滑曲線，如圖2所示。

圖2 擬合曲線

從圖中可以得到該轉(zhuǎn)子的最大不平衡質(zhì)量mmax即圖中曲線的最高點處數(shù)值和最小不平衡質(zhì)量mmin即圖中曲線的最低點處數(shù)值，則該轉(zhuǎn)子的剩余不平衡質(zhì)量m即可通過計算公式(1)計算得出，計算公式如下：

(1)

式中：m表示轉(zhuǎn)子剩余不平衡質(zhì)量，kg；r為轉(zhuǎn)子半徑，m。

測功器通常采用不平衡量這一參數(shù)來衡量轉(zhuǎn)子靜平衡，不平衡量可通過公式(2)由不平衡質(zhì)量換算得到，換算公式如下：

Ures=m×r

(2)

式中：Ures表示轉(zhuǎn)子剩余不平衡量，kg·m。

通過計算結(jié)果得出該轉(zhuǎn)子的實際剩余不平衡量為0.142 kg·m，要小于測功器轉(zhuǎn)子許用不平衡量Uper(該測功器要求的許用不平衡量為0.144 kg·m)，說明該轉(zhuǎn)子靜平衡合格。許用不平衡量計算方法詳見《GB/T 9239.1-2006 機械振動 恒態(tài)(剛性)轉(zhuǎn)子平衡品質(zhì)要求 第1部分：規(guī)范與平衡允差的檢驗》[3]。其余三件轉(zhuǎn)子重復(fù)該工藝方法進(jìn)行靜平衡試驗，試驗結(jié)果同樣顯示轉(zhuǎn)子靜平衡均為合格。

2 總結(jié)與展望

在后期測功器狀態(tài)跟蹤中，該測功器分別配合柴油機、汽輪機等不同類型原動機完成了超過2000 h的運行試驗，跟蹤期間測功器運行穩(wěn)定、功率測量準(zhǔn)確，且振動表現(xiàn)良好。綜上所述，參照《JB/T 3329-2016 汽輪機旋轉(zhuǎn)零部件 靜平衡》這一技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)對指導(dǎo)低速大功率水力測功器轉(zhuǎn)子靜平衡工藝具有一定的適用性。

此外，在靜平衡試驗過程中也發(fā)現(xiàn)，因該類測功器轉(zhuǎn)子外形尺寸及自身重量一般都比較大，這也在一定程度上加大了試驗的難度。為進(jìn)一步提升低速大功率水力測功器轉(zhuǎn)子的運行效果，還可以通過提高轉(zhuǎn)子的鑄造精度、最大限度對轉(zhuǎn)子外表面進(jìn)行機加工處理、提高靜平衡設(shè)備中使用的軸承精度，以及定期更換新軸承來保證軸承靈敏轉(zhuǎn)動等處理手段來有效地提高低速大功率水力測功器轉(zhuǎn)子靜平衡的精度。

當(dāng)前國內(nèi)制造業(yè)對原動機測試設(shè)備的需求將進(jìn)一步增大，尤其是船舶及航空領(lǐng)域，自主研制的低速大功率水力測功器市場前景廣闊。