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平衡方式与平衡设备的选用
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概述:本文解释了平衡的一些基本概念,结合本公司常见的回转体介绍一些基本的平衡方式以及平衡设备的选用情况。
关键词:刚性转子、柔性转子、立式、 卧式、平衡精度等级、许用不平衡量
一、前言
科学技术的发展,推动着机械设计的前进,为满足机械在高速度、高能量和高应力状态下的工艺要求,需要严格控制机械振动。机器中旋转零部件(以下简称回转体)的不平衡,是引起机械设备振动的主要原因之一,本公司水泵、真空泵的回装体主要就是叶轮、转子部件。由于回转体的材质不均、毛坯缺陷、加工和装配误差以及设计时存在非对称等原因,使其质量分布不均匀,形成一定的偏心。当回转体转动时就产生振动和噪音。平衡就是为了减少不平衡离心惯性力,使机器运转平衡的一种工艺方法。但是平衡方式的合理选择是体现工艺原则的一个重要方面,即采用最经济、最合理的方法生产合格的产品。
二、平衡基本概念
    根据产生不平衡的两种方式——离心力与不平衡力偶,可以将不平衡分为静不平衡与动不平衡两种;根据所需平衡转子(回转体)不平衡量与转子转速是否有关,可以将转子分为刚性转子与柔性转子;根据动平衡台、动平衡试验机支撑方式可以将平衡方式分为硬支撑平衡方式、软支撑平衡方式;根据工件平衡的装夹方式可以将平衡机分为立式与卧式平衡机。
1、静平衡概念
回转体在转动的状态下确定不平衡量的大小和方向。静平衡只能消除静不平衡的离心力,不能消除动不平衡的力偶,通常称为质心平衡。
2、动平衡概念
在回转体转动状态下测量转动件的不平衡质量所在方位,以及确定平衡质量应加(或减)的位置及大小的找平衡方法称为动平衡。动平衡不仅能够消除静不平衡的离心力,还能能够消除动不平衡的力偶。
3、平衡装置
平衡装置分静平衡测量装置与动平衡台、动平衡试验机。手动双刃静平衡架就是最原始的静平衡装置,平衡要求不高的盘形零件基本可以采用静平衡架进行。动平衡台与动平衡试验机均能够测试回转体离心力不平衡与力偶不平衡,区别在于前者不能确定不平衡相位。
三、平衡方式的选用
   回转体的不平衡方式分为静不平衡与动不平衡两种,大多数情况下回转体既有静不平衡又有动不平衡,这种情况称为静动不平衡,如图示:

(图1)静不平衡              (图2)动不平衡
(图3)既有静不平衡又有动不平衡
(图3)这种混合不平衡状态多半产生在长度与直径比较大的回转体上。
静平衡与动平衡方式的应用范围可按(图4)进行确定。斜线2以下的回转体只需进行静平衡;斜线1以上的回转体必须进行动平衡;在两条斜线之间时,则可对精密机械上的回转体找动平衡,对粗糙机器上的回转体找静平衡。回转体长度与直径比即L/ D,可以将回转体分为盘类与柱类。L/ D≤0.2盘类回转体工件的许用不平衡量按<公式2>计算; L/ D>2的柱类回转体工件,工件的许用不平衡量按<公式3>计算,即进行双面或多面校正的动平衡。

e=60G*103/2 n    …………  ……………………… <公式1>
e:设计时工件的许用不平衡度,单位:g.mm/kg
G:平衡精度等级(表示重心的速度),单位:mm/s
n:工件的最高工作转速,单位:rpm
A=M•e                ………………………………………… <公式2>
A:设计时工件的许用不平衡量(静平衡计算),单位:g.mm
M:平衡工件质量,单位:Kg
A=M•e /Z              ………………………………………… <公式3>
A:设计时工件的许用不平衡量(双面或多面动平衡计算),单位:g.mm
Z:工件校正面数。  
四、平衡设备的选用
 目前,国际与国内平衡设备厂家生产平衡设备技术越来越先进,平衡工件的重量范围、平衡精度等级都有所提高。根据平衡设备的主要性能参数:最小可达剩余不平衡量(e0 )、不平衡量的减少率(URR)、平衡机的驱动方式(如:皮带、联轴器、压缩气流)、平衡方式(如:立式或卧式)等,使转子达到平衡的一般工艺步骤为:机加工——平衡——消除不平衡量(去重或加重)——复平衡。但是,无论使用什么平衡设备、平衡工艺都不可能使转子达到绝对平衡,即:残余不平衡量为零。所以在现实生产活动中,需按照工艺原则、转子平衡等级、转子工作最高转速合理选用平衡设备。
1、平衡机工作原理
平衡设备分为传动与检测两个部分。传动部分通过动力装置带动回转体在平衡设备支撑件上作回转运动。检测部分就是将回转体转动状态下的振动信号进行采集、运算,检测回转体的不平衡量。
2、最小可达剩余不平衡量(e0 )
平衡机能否使转子达到企业自身产品所选平衡方式的剩余不平衡量的最小值,是衡量平衡机最高平衡能力的性能指标,也是用户选用平衡机确定平衡机是否达到平衡工件要求的一个重要的指标。选用平衡机时首先确保:工件许用剩余不平衡度>平衡机标称最小可达剩余不平衡度即: e >e0(e按公式1确定,e0为平衡设备厂家标称值,可以根据国标进行校验)。
3、不平衡量的减少率(URR)
经过一次平衡校正所减少的不平衡量与初始不平衡量之比。它是衡量平衡机平衡效率的性能指标,也是用户选用平衡机时确定平衡机平衡工件效率的一个重要指标。
一般情况下,如果回转体自身的性质(柔性/刚性)、所需平衡等级、最高工作转速、平衡方式,传动方式(立式/卧式)等已经确定了,只要考虑e >e0 ,URR大于85%基本就可以确定所需平衡设备。真空泵分厂近年来选购的1T、10T卧式平衡设备、离心泵分厂50kg立式平衡设备都是据此成功选型与应用的例子。
五、结束语
   国际国内平衡设备市场上平衡设备越来越丰富,公司、企业需针对本自身产品、零件的具体特点选择合适的平衡方式、合理的平衡设备。即使配置精度很高的平衡设备如果采用平衡方式不正确,也很难保证转子的平衡要求。但是,如果在平衡设备的选型方面已经先天不足,后期的平衡方式无论怎么合理、先进,都很难保证零件平衡精度或者是平衡的效率。目前公司刚性回转体的平衡工艺基本上很成熟了,但是出现一些新的平衡问题,如转子工作转速在I阶临界转速与二阶临界转速之间的产品:KHP石油泵转子、KDW系列中一些长径比很大的转子等等。平衡问题的不断出现,促使我们还需要在实际的工作中“立体”的学习,合理的应用平衡设备、平衡工艺解决这些平衡问题,为公司制作质量合格、稳定的产品而不懈努力。

 

参考文献
【1】 陈思义. 轻工业机械设备安装与修理(第二版).中国轻工业出版社,2000.5
【2】 徐灝  . 机械设计手册(第1卷)            .机械工业出版社,1991.9
【3】 中华人民共和国国家标准GB/T6557-1999. 国家质量技术监督局 1999.10发布
【4】 中华人民共和国国家标准GB/T6444-1986. 国家标准局1986.06发布

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