【正文】 量的 80%[24]。 雙面 硬支承 臥式傳動(dòng)軸動(dòng)平衡機(jī)設(shè)計(jì) 17 4 平衡機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與計(jì)算 底座 設(shè)計(jì) 底座是動(dòng)平衡機(jī)的基礎(chǔ)，其他所有的零部件均安裝在底座之上。因?yàn)閭鲃?dòng)軸動(dòng)平衡機(jī)的 支承 間距一般應(yīng)可調(diào)，所以 支承 系統(tǒng)還應(yīng)包括行走機(jī)構(gòu)和鎖緊機(jī)構(gòu)。 皮帶側(cè)面和 槽面 之間的 摩擦可以提供 較平帶傳動(dòng)更大 的摩擦力 ，正是因?yàn)槟Σ亮Φ拇嬖诒ＷC了皮帶傳動(dòng)的正常工作 。 在 選擇總體方案時(shí)應(yīng) 該 充分考慮 下列 因素： （ 1） 平衡機(jī)的用途； （ 2） 轉(zhuǎn)子的類型、重量范圍、校正面的個(gè)數(shù)以及許用不平衡量的大??； （ 3） 轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速范圍； （ 4） 不平衡量的校正方式； （ 5） 動(dòng)平衡機(jī)的工作效率； （ 6） 動(dòng)平衡機(jī)的先進(jìn)性； （ 7） 動(dòng)平衡機(jī)的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。 ( 3 ) 撓性轉(zhuǎn)子 平衡校正時(shí)，所添加或者去除的平衡塊 ，不 僅 應(yīng) 該 使軸承 所受的 動(dòng)反力為零，還應(yīng) 讓 轉(zhuǎn)子所受的撓矩 盡量最小甚至為零 ，這樣 撓性 轉(zhuǎn)子所產(chǎn)生的變形 也就相應(yīng)的最小或者為零 ， 從而 使 轉(zhuǎn)子 因撓曲 而 產(chǎn)生的附加不平衡離心力 最小或者為 零 。 比 如套裝式葉輪的汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子、 大部分 發(fā)電機(jī) 的 轉(zhuǎn)子。 實(shí)際情況下 ， 對(duì)于 低速的 轉(zhuǎn)子 ，轉(zhuǎn)子的 不平衡質(zhì)量所產(chǎn)生的離心力 很小 ， 所以我們可以認(rèn)為這樣的轉(zhuǎn)子是剛性的 。力偶不平衡在靜止?fàn)顟B(tài)下無(wú)法觀察到，只有在轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)才能觀察，這時(shí)轉(zhuǎn)子上加有搖擺型振動(dòng)，中心主慣性軸線相對(duì)于旋轉(zhuǎn)軸線是以錐形軌跡運(yùn)動(dòng) [21]。 靜不平衡 轉(zhuǎn)子的靜不平衡即 轉(zhuǎn)子的 不平衡 量?jī)H 作用 于 轉(zhuǎn)子的重心所在的徑向平面 內(nèi) 。 ( 4 ) 產(chǎn)生噪音， 對(duì)員工 的身心健康 造成傷害 。 ( 5 ) 機(jī)器在維修過(guò)程中產(chǎn)生的不平衡： 一般來(lái)講各個(gè)行業(yè)的機(jī)械 維修部門(mén) 的 設(shè)備 都比較 落后 ，技術(shù)力量 也相對(duì)較 差， 工作人員 在維修過(guò)程中 ，通常在排除 主要故障的同時(shí)，卻引 入了一些 潛在的隱患， 尤其 是對(duì)于轉(zhuǎn)子的動(dòng)平衡 問(wèn)題，人們通過(guò)肉 眼 很難觀察 到，手也感覺(jué) 很難感覺(jué)的到 ， 這種情況下就 必須 借助于 動(dòng)平衡試驗(yàn)才能 給出 結(jié)論， 這就導(dǎo)致動(dòng)平衡問(wèn)題很容易被人們忽略 。 所以 ， 怎樣才能合理有效地 限制 并消除不必要的機(jī)械 振動(dòng) 和噪聲 就 顯得非常重要 。 （ 6） .其它：捻線機(jī) ,磨擦輪等等。 雙面 硬支承 臥式傳動(dòng)軸動(dòng)平衡機(jī)設(shè)計(jì) 6 半硬支承平衡機(jī)轉(zhuǎn)速在 ～ 倍參振系統(tǒng)共振頻率之間 ， 如圖 11 所示， 兼有 硬支承平衡機(jī)支承剛度高 和 軟支承平衡機(jī) 測(cè)量 精度高的 的雙重特點(diǎn) 。工件的不平衡 量在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中 產(chǎn)生離心力， 引起 支承 架振動(dòng)，傳感器檢測(cè)到振動(dòng)信號(hào) 之后， 再 將機(jī)械振動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)化為 所需的 電信號(hào)，輸入 到 電測(cè)箱 中 。 1999 年 ， 浙江大學(xué) 研發(fā) 了 采用 單向電磁 的 自動(dòng)平衡 設(shè)備 ,2020 年李勇等人設(shè)計(jì) 了 釆用永磁差額電動(dòng)機(jī) 作為驅(qū)動(dòng) 的平衡裝置。 1958 年 [11] ，華中工學(xué)院動(dòng)平衡科研組研制成功了第一臺(tái)采用電子測(cè)量技術(shù)的 DS500 型通用動(dòng)平衡機(jī)，六十年代中期之后，華中工學(xué)院又與上海試驗(yàn)機(jī)廠、孝感試驗(yàn)機(jī)廠等合作 成功 研制 了 傳動(dòng)軸平衡機(jī)，曲軸動(dòng)平衡機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)總成動(dòng)平衡機(jī)，數(shù)控式立式動(dòng)平衡機(jī)等一系列功能各異的動(dòng)平衡試驗(yàn)機(jī)。早在十九世紀(jì)末，就出現(xiàn)了環(huán)式、液壓式、擺錘式和球式等自動(dòng)平衡裝置；二十世紀(jì)四十年代，美國(guó)和前蘇聯(lián)學(xué)者把液體式自動(dòng)平衡裝置應(yīng)用在洗衣機(jī)上，并借此進(jìn)行改進(jìn)研 究， 其模擬實(shí)驗(yàn)的平衡精度可達(dá) 20μm；二十世紀(jì)六十年代中期，隨著電化學(xué)和電物理方法的應(yīng)用，噴涂式，電腐蝕，激光等自動(dòng)平衡裝置被相繼研發(fā)出來(lái)；二十世紀(jì)八十年代初期， Memuth 等專家學(xué)者研制出了 采用 激光來(lái)蒸發(fā)轉(zhuǎn)子表面物質(zhì)的的自動(dòng)去重平衡裝置 ； 1980 年， Cusarow 提出了噴涂型自動(dòng)平衡裝置；1981 年， devegte 利用兩個(gè)電動(dòng)平衡頭解決了工作轉(zhuǎn)速為 900r/min 的多盤(pán)撓性轉(zhuǎn)子的自動(dòng)平衡問(wèn)題 [6]。 目前，德國(guó)申克研發(fā)的基于 Windows操作系統(tǒng)的動(dòng)平衡測(cè)試系統(tǒng) CAB706，功能強(qiáng)大，備受行業(yè)青睞。 成為第一個(gè)適合大批量生產(chǎn)的的 平衡機(jī)系統(tǒng)。這種裝置由于結(jié)構(gòu)的差異，有些尚需手 動(dòng)，有些則可以實(shí)現(xiàn)完全的自動(dòng)化，且大多只能進(jìn)行單面的靜平衡，成本又高，所以應(yīng)用不是很廣泛。 國(guó)內(nèi)外 動(dòng)平衡技術(shù) 研究與發(fā)展?fàn)顩r 轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡 裝置 簡(jiǎn)單來(lái)講就是將轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡理論與生產(chǎn)實(shí)踐相結(jié)合，在其過(guò)程中 發(fā)展起來(lái)的一種用于動(dòng)平衡校正的儀器。就 支承 特性而言， 相對(duì)于軟 支承 的 硬 支承 平衡機(jī)上世紀(jì) 70年代才 被研發(fā)出來(lái) ，它的出現(xiàn) 被公認(rèn)為 是平衡機(jī)發(fā)展史上 意義非凡的一次 飛躍。從而導(dǎo)致機(jī)械轉(zhuǎn)子在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中產(chǎn)生 不必要的離心力，造成一系列的問(wèn)題與危害。就 支承 特性而言 ,硬 支承 平衡機(jī)于上世紀(jì) 70 年代才登上歷史舞臺(tái) ,它的出現(xiàn)是平衡機(jī)發(fā)展史上的一次飛躍 ,具有劃時(shí)代的革命性意義。平衡行業(yè)發(fā)展早期 ,由于機(jī)械的旋轉(zhuǎn)速度較低 ,對(duì)機(jī)械轉(zhuǎn)子一般情況下只需要進(jìn)行靜平衡(單面 )矯正即可。 在機(jī)械系統(tǒng)的組成中，旋轉(zhuǎn)機(jī)械占據(jù)著重要的地位，無(wú)論是在航空航天，汽車電力，還是船舶制造，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，它的作用都舉足輕重。 平衡行業(yè)發(fā)展早期，由于機(jī)械的旋轉(zhuǎn)速度較低，對(duì)轉(zhuǎn)子 通常只需要 進(jìn)行靜平衡矯正即可。在如此之高的轉(zhuǎn)速之下，它的微小不平衡量就會(huì)產(chǎn)生非常大的附加 動(dòng) 壓力，導(dǎo)致傳動(dòng)軸及其相關(guān)組件發(fā)生振動(dòng)和噪聲，輕則加速機(jī)械零件的損壞，帶來(lái)不必要的經(jīng)濟(jì)損失，重則甚至?xí)鹬卮笫鹿?，造成車毀人亡的慘劇。動(dòng)平衡機(jī)平衡轉(zhuǎn)子時(shí)需要將轉(zhuǎn)子從設(shè)備中拆下，平衡校正后后再 裝回原設(shè)備，平衡效率和精度均比較高，但高性能的平衡機(jī)價(jià)一般較為昂貴，使用不便，往往平衡過(guò)的轉(zhuǎn)子裝回設(shè)備后，由于裝配誤差等因素的干擾，又會(huì)引入新的不平衡量，如果設(shè)備對(duì)平衡精度的要求較為苛刻，則不太能滿足設(shè)備的平衡需求。這種平衡機(jī) 的 機(jī)械結(jié)構(gòu) 相對(duì)較為 復(fù)雜，平衡 的 精度和效率 受測(cè)量方法和測(cè)量設(shè)備的限制 都不 是很 高。二十世紀(jì)八十年代中期以后， 在 電子技術(shù)和微機(jī)技術(shù)的 快速 發(fā)展 的時(shí)代背景下 ，平衡機(jī)行業(yè)開(kāi)始進(jìn)入光、機(jī)、電 一體化的新時(shí)代。 經(jīng)過(guò)動(dòng)平衡機(jī)和現(xiàn)場(chǎng)平衡儀矯正好的轉(zhuǎn)子，在工作過(guò)程中，由于各種因素的干擾，其平衡狀態(tài)還是會(huì)經(jīng)常遭到破壞。 當(dāng)下市面上主流的的 現(xiàn)代自動(dòng)平衡裝置 中 液壓、電磁、電磁軸承型最 為普遍 。 雙面 硬支承 臥式傳動(dòng)軸動(dòng)平衡機(jī)設(shè)計(jì) 5 在轉(zhuǎn)子在線自動(dòng)平衡裝置的 研究開(kāi)發(fā)方面，我國(guó)也取得了不錯(cuò)的成就。國(guó)內(nèi) 這類 平衡機(jī) 還 比較少見(jiàn) ， 但是 這類平衡機(jī)的 研發(fā)制造 對(duì) 多支承傳動(dòng)軸領(lǐng)域的動(dòng)平衡校驗(yàn)具有 非常 重要 的 現(xiàn)實(shí) 意義。 在做 平衡校驗(yàn)時(shí)， 被測(cè)的工件 可在接近實(shí)際 支承 的 條件下進(jìn)行平衡校正 ，具有 操作簡(jiǎn)便、安全性好 的優(yōu)點(diǎn) 。 （ 3） .家電電機(jī) 領(lǐng)域 ：吸塵機(jī) 電機(jī)轉(zhuǎn)子 、果汁機(jī)馬達(dá)、計(jì)算機(jī)磁盤(pán) 等 。這種旋轉(zhuǎn) 情況下 與不旋轉(zhuǎn)情況下 對(duì)軸承都只有靜壓力 作用 的轉(zhuǎn)子， 我們 稱 其 為平衡的轉(zhuǎn)子。 ( 3 ) 轉(zhuǎn)子加工和裝配有誤差： 假如機(jī)械 轉(zhuǎn)子在加工或 者 裝配 的 過(guò)程中 有 誤差 存在 ， 那么這樣就會(huì)使 轉(zhuǎn)子繞軸線的質(zhì)量分布 狀況發(fā)生改變 ， 在所難免地就會(huì)造成機(jī)械轉(zhuǎn)子的不 平衡。 顯然， 在 絕大多數(shù)情況下，機(jī)械振動(dòng)是有百害而無(wú)一利 的，其危害性主要有： ( 1 ) 使機(jī)器 的 支承 受到動(dòng)裁荷的 破壞 ，影響 支承 系統(tǒng) 的正常工作。但 是很據(jù) 概率 統(tǒng)計(jì) 得到的數(shù)據(jù)來(lái)看 ， 機(jī)械 轉(zhuǎn)子質(zhì)量分布不均勻 所 引起 的振動(dòng)占據(jù)了相當(dāng)大的比例，甚至可達(dá) 70~80％ 左右 。 當(dāng) 轉(zhuǎn)子的中心主慣性軸 線 相對(duì)于旋轉(zhuǎn)軸線 存在角位移、 且和旋轉(zhuǎn) 軸線交于重心時(shí) 而產(chǎn)生 的不平衡 量， 稱為轉(zhuǎn)子的力偶不平衡。 若 已知準(zhǔn)靜不平衡的精確平面， 則 可用單個(gè)校正質(zhì)量在這平面內(nèi)校正， 否 則 需要像動(dòng)不平衡 校正 那樣在兩個(gè)平面內(nèi)進(jìn)行校正 [28]。 顯然， 剛性轉(zhuǎn)子的動(dòng)平衡 校正 原理 較為 簡(jiǎn)單，它轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡 問(wèn)題 的基礎(chǔ)。 經(jīng)過(guò)數(shù)學(xué)分析計(jì)算， 振型可 以表示成適當(dāng)?shù)?函數(shù)形式， 而 且振型函數(shù)具有正交 特 性。 另外，對(duì)于 撓性轉(zhuǎn)子， 尤其是在平衡大容量的汽輪機(jī)組時(shí)，可以 一邊裝配一邊平衡，等 裝好 所有 葉輪后 ， 再 在 高速 下 對(duì)每個(gè)轉(zhuǎn)子進(jìn)行 動(dòng) 平衡 的 校正，這樣用每個(gè)平衡好的轉(zhuǎn)子組裝后的汽輪機(jī)組一般 就不需再進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)平衡 了 (軸系平衡 ) [22]。示意圖如32 所示 ： 1．小帶輪 型帶 圖 32 傳動(dòng)方式 帶傳動(dòng) 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，傳動(dòng)平穩(wěn)， 可 緩沖吸振且造價(jià)便宜，在機(jī)械系統(tǒng)中應(yīng)用 很廣 [23]。 聯(lián)軸 節(jié)驅(qū)動(dòng)的缺點(diǎn)是 聯(lián)軸 節(jié)本身的不平衡量會(huì)對(duì)轉(zhuǎn)子產(chǎn)生影響，可能會(huì)引 入 干擾 因素， 影響 動(dòng) 平衡的精度，所以用于平衡的 聯(lián)軸 節(jié)自身應(yīng)滿足一定的動(dòng)平衡要求。這種方式雖然減小了振動(dòng)系統(tǒng)的阻尼，但是制作成本較高，也不利于動(dòng)平衡機(jī)的維護(hù)和模塊化設(shè)計(jì) 。 實(shí)際情況下，主軸驅(qū)動(dòng) 部分 和擺架部分的重量都較大，所以為了使床身有足夠的水平剛性， 底座 的抗壓能力和抗振特性都必須很好，這樣可以減弱或者隔離外部振動(dòng)的干擾。此外，灰鑄鐵鑄造時(shí)的澆筑溫度較低，結(jié)晶過(guò)程中雙面 硬支承 臥式傳動(dòng)軸動(dòng)平衡機(jī)設(shè)計(jì) 18 析出的石墨又具有一定的膨脹作用，減小了鑄造過(guò)程中灰鑄鐵自身的收縮率，所以灰鑄鐵的鑄造性能優(yōu)于鋼；切削加工性能較好 石墨對(duì)基體連續(xù)性的破壞，導(dǎo)致灰鑄鐵在切削過(guò)程中容易脆斷 ，具有較好的切削加工性能；缺口敏感性 較低 片狀石墨的使灰鑄鐵自身就像是布滿了小缺口一樣，因此灰鑄鐵的缺口敏感性大大降低。 假設(shè)被平衡轉(zhuǎn)子以等加速方式啟動(dòng)，達(dá)到所需平衡轉(zhuǎn)速 n 耗時(shí) t 秒，則其角加速度為： 30ntt??? ?? （ 41） 其中： ? 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速 (rad) t轉(zhuǎn)子從啟動(dòng)到平衡轉(zhuǎn)速所需時(shí)間 (s)。由于電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩約為額定轉(zhuǎn)矩的 倍，則電動(dòng)機(jī)的額定功率可選為 4~5kw。 如圖 42 所示： 雙面 硬支承 臥式傳動(dòng)軸動(dòng)平衡機(jī)設(shè)計(jì) 20 圖 42 電機(jī) 主體 電機(jī)支架 設(shè)計(jì) 此次設(shè)計(jì)盡可能采用模塊化的設(shè)計(jì)理念。同時(shí)鑄造的 電機(jī)支架 設(shè)計(jì)厚度較大為 50mm,保證主軸軸承座的可靠安裝，且在皮帶的最大初拉力作用下不會(huì)發(fā)生傾覆破壞。 （ 1） 設(shè)計(jì)功率 查表 83 取工況系數(shù) KA=。 （ 6） 初定中心距 a0: 由式： （ dd1+dd2）≤ a0’≤ 2 (dd1+dd2) 可得： ≤ a0’≤ 412mm 雙面 硬支承 臥式傳動(dòng)軸動(dòng)平衡機(jī)設(shè)計(jì) 25 初取 a0=300mm （ 7） 確定帶的基準(zhǔn)長(zhǎng)度 Ld: Ld’ =2a0+π(dd1+dd2)/2+( dd2 dd1)2/4a0 =2x300+(100 +106)π/2+(106100)2/4x300 = (410) 根據(jù)表 86 選取相近的標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度 Ld=1000mm。K α其中，灰鑄鐵的應(yīng)用最廣，當(dāng) v≤ 30m/s 時(shí)，應(yīng)選用 HT200 或者 HT150；當(dāng) v≥ 25~45m/s 時(shí)，適宜選用球墨鑄鐵或者鑄鋼，或者也可以用鋼板沖壓 — 焊接帶輪。其結(jié)構(gòu)圖如 48 所示 ： 圖 48 滾動(dòng)軸承 （ 4）校核軸承 所選軸承的基本額定動(dòng)載荷 CC’，由于上面的計(jì)算過(guò)程中因?yàn)檩S向力較小 僅僅考慮了徑向力，所以校核過(guò)程與選型計(jì)算過(guò)程一致，肯定能夠滿足設(shè)計(jì)要求，這里不再贅述。 因?yàn)樘间摫群辖痄搩r(jià)格低，對(duì)應(yīng)力集中的敏感性也較低，同時(shí)可用合適的熱處理提高其耐磨性和抗疲勞強(qiáng)度，所以碳鋼在軸的制作方面應(yīng)用相當(dāng)廣泛，其中最常用的是 45鋼，此次設(shè)計(jì)主軸的材料選用 45 鋼?？紤]兩個(gè)擺架共有 4 個(gè)軸承，工件最大設(shè)計(jì)質(zhì)量為 200kg，則每個(gè)軸承所承受的重力為： F1 = = 490N 每個(gè)軸承所承受的離心力為： F2 = mr4 圖 49 主軸 雙面 硬支承 臥式傳動(dòng)軸動(dòng)平衡機(jī)設(shè)計(jì) 30 圖 410 主軸裝配 左擺架軸的設(shè)計(jì) 左擺架軸的設(shè)計(jì)過(guò)程與上述主軸的設(shè)計(jì)類似，且其結(jié)構(gòu)較主軸更為簡(jiǎn)單，具體的過(guò)程這里不再贅述，詳細(xì)的的設(shè)計(jì)結(jié)果入下圖 411 所示。 （ 1） 確定主軸的最小直徑 雙面 硬支承 臥式傳動(dòng)軸動(dòng)平衡機(jī)設(shè)計(jì) 29 按照扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度條件計(jì)算軸的最小直徑 。 有前面計(jì)算可知，帶速小于 30m/s，為保證帶輪有足夠的強(qiáng)度，帶輪的材料選用 HT200。取Z=5，符合設(shè)計(jì)要求。( dd2 dd1)176。 （ 3） 確定帶輪的基準(zhǔn)直徑 雙面 硬支承 臥式傳動(dòng)軸動(dòng)平衡機(jī)設(shè)計(jì) 24 小帶輪： 由表 87