智能型高速轉(zhuǎn)子動平衡檢測系統(tǒng)研究

廉良沖，蔣瑞斌*，謝子明，陳鐵鋼，高岳民

(1.湖南生物機電職業(yè)技術(shù)學院，湖南 長沙 410126；2.湖南聯(lián)紳機電科技有限公司，湖南 長沙 410000；3.湖南都市職業(yè)學院，湖南 長沙 410100)

電機是很多設(shè)備的動力源，一些高端設(shè)備也往往使用電機驅(qū)動。在諸多領(lǐng)域，特別是機械制造領(lǐng)域，對高速電機的精度要求越來越高，對電機的需求數(shù)量也在快速增長，如：在生物工程中應用的高速離心分離機，在醫(yī)療器械中應用的高速電動牙鉆，在機床工業(yè)中應用的主軸電機、高速鉆床，在航空、航天工業(yè)中應用的高速離心泵、高速攝像槍、高速紅外掃描儀，“飛輪電池”及激光技術(shù)中應用的高速電動機等[1]。轉(zhuǎn)速超過10 000 r/min的電機才可以稱之為高速電機。高速電機的制造精度要求非常高。由于制造工藝存在誤差及材料組織不均勻，因此高速電機特別是高速電機的轉(zhuǎn)子很難達到動平衡要求。如果動平衡不達標，那么電機轉(zhuǎn)子的使用壽命會急劇縮短，還會引起電機抖動、噪聲甚至燒壞軸承，因此高速電機轉(zhuǎn)子制造完成后，必須進行動平衡檢測及配平處理。

1 現(xiàn)有動平衡檢測及配平技術(shù)

目前，高速轉(zhuǎn)子動平衡配平方法一般有兩種，即傳統(tǒng)的鉗工配平和動平衡機配平[2]。鉗工配平通常應用于低速配平領(lǐng)域。采用低速配平的方法來對高速電機轉(zhuǎn)子進行配平，一般為階段性的配平，其檢測操作過程從低速往高速逐段進行。采用該方法檢測及配平耗時較長且缺點明顯，配平需要的時間從十幾天甚至到幾個月不等,且配平精度不高。采用該方法完成檢測及配平后，往往還需要再裝機反復測試效果。此外，采用階段性的檢測與配平，往往會在配平的過程中產(chǎn)生噪音，只有在某個或某幾個特定的轉(zhuǎn)速下才能平穩(wěn)下來，達到動平衡要求。配平后仍然存在不平衡因素，導致高速電機的使用壽命大大縮短。

動平衡機配平也是傳統(tǒng)的配平方式之一。動平衡機種類很多，必須使用對應的平衡機來檢測及配平相應的產(chǎn)品[3]。在動平衡要求精度很高的條件下，動平衡機系統(tǒng)部件的制造精度及誤差會影響檢測及配平的結(jié)果。對不規(guī)則形狀或特殊功能要求的轉(zhuǎn)子，采用動平衡機配平在縮短檢測及配平時間、提高精度方面的效果也不理想。該配平方式更加依賴于過往經(jīng)驗，在縮短平衡時間和擴大平衡轉(zhuǎn)速范圍方面均受到制約，無法從根本上滿足客戶的需求。

2 智能型高速轉(zhuǎn)子動平衡檢測系統(tǒng)設(shè)計

2.1 動平衡檢測裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計

設(shè)計的動平衡檢測系統(tǒng)主要由下列部件構(gòu)成：主動軸、主軸變頻驅(qū)動電機、彈性軸變頻驅(qū)動電機、彈性軸、中心緊固爪、隨動檢測桶、質(zhì)量配平盤、柱形高速軸承、基座檢測桶、環(huán)形傳輸電容極板、待配平電機轉(zhuǎn)子、辨向電容極板、彈性軸隨動伺服電機、同心頂錐、主軸隨動伺服電機。結(jié)構(gòu)如圖1所示[1]。

圖1 智能型高速轉(zhuǎn)子動平衡檢測裝置結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 動平衡檢測系統(tǒng)電路設(shè)計

動平衡檢測系統(tǒng)電路主要由單片微型計算機、數(shù)模轉(zhuǎn)換、程序放大器、基礎(chǔ)電容、環(huán)形電容、辨向電容、辨向信息采集、定位指示、電源輸入端模塊組成[4]，如圖2所示。

圖2 智能型動平衡檢測電路示意圖

2.3 系統(tǒng)功能

將配平盤的軸鉛垂置于工作臺，配平盤外圓周與絕緣板內(nèi)圓為小間隙套裝。絕緣板內(nèi)緣分布了貼片式電機，與配平盤外圓構(gòu)成多方向檢測電容，連接半導體發(fā)光元件并接通交流電。用可變速方式驅(qū)動配平盤轉(zhuǎn)動，不平衡時離心力會克服軸向彈力，使配平盤向某側(cè)發(fā)生微量偏移。間隙的微量變化可導致檢測電容發(fā)生極大的變化，檢測電容發(fā)生變化可改變此方向上發(fā)光元件的亮度。通過單片微型計算機控制，可根據(jù)檢測信號在對應方向上向配平盤徑向外側(cè)的預置槽溝內(nèi)以高壓脈沖方式噴入一定質(zhì)量的糊狀錫漿，錫漿在離心力作用下只會沿徑向緊貼在溝槽壁上而不會沿周向移動。錫漿的噴射加載量按動平衡計算量由大到小不斷變化，轉(zhuǎn)速則由小到大變化，直到目標轉(zhuǎn)速達到動平衡所要求的轉(zhuǎn)速后，高溫固化錫漿完成動平衡配平。在此過程中，辨向信息采集后，徑向位移信息被電路放大到伏特級并進行數(shù)模轉(zhuǎn)換；單片微型計算機接受到數(shù)據(jù)后，對各個方向數(shù)據(jù)進行分析[5]，確定實際方向和位移量，為高壓配平噴槍的質(zhì)量配平提供數(shù)據(jù)。

3 試驗與結(jié)果分析

為驗證該動平衡檢測系統(tǒng)的檢測精度與配平所需時間，選取高精度高速電機轉(zhuǎn)子為實驗對象。當電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為100 000r/min時,在標準電機轉(zhuǎn)子兩端加上標準試重[6]，模擬不平衡質(zhì)量進行檢測并配平。試驗數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 動平衡檢測試驗數(shù)據(jù)

由表1可知，該動平衡檢測系統(tǒng)的檢測精度較高且配平時間較短。將誤差值換算成精度值后，檢測精度達到97.4%以上，符合現(xiàn)場動平衡儀標準規(guī)定的精度（95%）；配平時間未超過3h，最長時間為172 min，平均時間為165.3 min。

4 結(jié)論

綜合應用微型計算機、傳感器、電力電子、高壓脈沖噴涂等現(xiàn)代技術(shù)，改進傳統(tǒng)的配平工藝，開發(fā)了一套配平過程自動化、周期短、高效高精度的智能型高速轉(zhuǎn)子動態(tài)連續(xù)配平控制系統(tǒng)。配平盤與高速轉(zhuǎn)子剛性聯(lián)接；通過配平盤徑向外置了分布式電容并以此作為檢測手段；分布式電容在機架結(jié)構(gòu)上，與配平盤之間無機械力作用。

試驗表明，該配平控制系統(tǒng)的檢測精度達到97.4%以上，轉(zhuǎn)子的平衡等級可達G0.4以上，平衡周期在3 h以內(nèi)。使用該配平控制系統(tǒng)，能夠精確檢測高速轉(zhuǎn)子不平衡問題并進行快速配平，高效處理實際生產(chǎn)中的問題，同時也為解決高速轉(zhuǎn)子不平衡問題的后續(xù)研究提供了技術(shù)參考。