軟支撐平衡機在剛性接軸動平衡試驗上的應用

王景龍

眾所周知，任何轉子在圍繞其軸線旋轉時，由于相對于軸線的質量分布不均勻而會產生離心力。這種不平衡離心力作用在轉子軸承上會引起振動，產生噪聲和加速軸承磨損，嚴重影響產品的性能和壽命。因此，電機轉子、機床主軸、內燃機曲軸、汽輪機轉子，軋機高速接軸等旋轉零部件在制造過程中，都需要經過平衡試驗校正后才能平穩正常地運轉。

1 動平衡原理及動平衡機分類

平衡機是測量旋轉物體 (轉子)不平衡量大小和位置的機器。根據平衡機測出的數據對轉子的不平衡量進行校正，可改善轉子相對于軸線的質量分布，使轉子旋轉時產生的振動或作用于軸承上的振動力減少到允許的范圍之內。因此，平衡機是減小振動、改善性能和提高質量必不可少的設備。

平衡機的種類有很多，按其機械振動系統的工作狀態不外乎兩大類（共振型平衡機除外）：軟支撐平衡機和硬支承平衡機。軟支撐平衡機是指平衡轉速高于轉子—支承系統固有頻率的平衡機，如果平衡轉速表示為ω，固有頻率為ωn，則通常取ω＞3ωn。而硬支承平衡機是指平衡轉速低于轉子—支承系統固有頻率的平衡機，通常取ω＜0.3ωn。

2 問題的提出

棒線材鼓形齒式接軸（見圖1）是鋼廠高速線材、棒材軋機所需的主傳動配套件，該鼓形齒接軸傳遞轉矩大、轉速高，能夠承受比十字軸式萬向聯軸器更高沖擊載荷，安全可靠，可實現大伸縮行程，伸縮量200～1 000 mm。由于花鍵軸可伸入到減速器輸出軸軸孔內，縮短了分配箱與軋機的間距，節省空間；由于所有零件均為回轉件，動平衡精度要求高，接軸裝配件動平衡精度要求控制在G6.3。因此，該接軸在精加工完成后,其中的1，2，3，4部件必須組裝做動平衡試驗（見圖2）。

在機械旋轉部件中，稱具有固定旋轉軸的部件為轉子。在旋轉的轉子上，所有質量單元產生的慣性力都將使轉子變形并使轉子撓曲，而如果轉子是完全剛性件，則不會產生變形。但實際上真正做到完全剛性的轉子并不存在，所以通常所說的剛性轉子是指在運轉速度范圍內產生的變形可以忽略不計的轉子，而由于慣性力的影響，其彈性變形已無法忽視的轉子則被稱為撓性轉子。由于該組裝件是剛性轉子，所以必須上硬支撐平衡機做動平衡試驗（見圖 3）。

圖1 棒線材鼓形齒式接軸

圖2 需做動平衡試驗的鼓形齒式接軸部分組裝件

但是大多數中小型企業由于受設備投資成本限制，通常只有軟支撐平衡機，而無硬支撐平衡機，以往只有委托有此類設備的企業做動平衡試驗，這樣就無形中增加了企業生產成本并會耽誤交貨周期。

3 解決方案及機構設計原理

圖3 硬支撐平衡機為該接軸部分組裝件做動平衡試驗示意圖

針對上述問題，開發出一種結構簡單，使用安全方便的專用機構，以實現在軟支撐平衡機上為高速棒線材軋機鼓形齒式接軸部分組裝件做動平衡試驗是非常必要的（見圖4）。

3.1 設計原理

（1） 由于剛性轉子的平衡一般在低轉速下進行，可以不考慮轉子的撓度影響，而撓性轉子往往工作在一階甚至二、三階彎曲臨界轉速之上，所以必須考慮轉子的撓度影響。因此在該裝置聯接套半圓凹槽中心與外齒軸套 (需做動平衡部件之一)的齒槽中心之間嵌入圓柱銷，由于外齒軸套部件齒部為鼓形齒，所以，圓柱銷與該機構聯接套和外齒軸套的接觸為點接觸，軸線方向可以產生偏轉角。這樣就解決了剛性轉子不能上軟支撐平衡機做動平衡的理論問題。

（2）對剛性轉子的平衡而言，一般取兩個校正面和一個平衡轉速即能達到平衡目的。但對撓性轉子，如只選一個平衡轉速卻難以保證在整個轉速范圍之內都達到平衡，為此，必須多選擇幾個平衡轉速。在利用該機構做動平衡試驗時，至少應選用3種轉速。

3.2 機構組成及主要零部件設計

本機構含有以下主要零部件：聯接盤、壓蓋、聯接套、圓柱銷。

（1） 連接盤設計 材料采用45#鋼，調質241～286HB后精加工完成，其內孔與軟支撐平衡機主動軸應采用基孔制H8/h7配合。

圖4 軟支撐平衡機為該接軸部分組裝件做動平衡試驗示意圖

（2） 壓蓋設計 材料采用45#鋼，調質241～286HB后精加工完成，螺栓孔在數控機床上加工，以保證其精度（IT9級公差） 和位置度（0．10 mm），消除對動平衡精度的影響。

（3） 聯接套設計 材料采用42CrMo，調質269～302HB后精加工，與壓蓋相連接盲孔螺孔也應在數控機床上加工，以保證其精度和位置度。聯接套的半圓銷孔個數應為3或4的倍數，一般將半圓銷孔設計為3個、4個，或者6個、8個，且在分布圓（分布圓尺寸和圖1中外齒軸套4外齒分度圓尺寸相同）上均勻分布，在加工半圓銷孔時應嚴格保證精度和位置度公差。聯接套精加工完成后需進行整體離子氮化處理，使硬度達493～589 HV，提高其耐磨性。

(4)圓柱銷設計 因為使用次數頻繁，為保證圓柱銷尺寸的穩定性，其材料采用GCr15。為保證動平衡試驗精度，其外圓與聯接套半圓銷孔采用基孔制H7/h6配合。

3.3 機構工作原理

在圖3左端，先用螺栓將聯接盤與該組裝件相連接，再通過螺釘與軟支撐平衡機主動軸相連接，并緊固為一體；然后，確定軟支撐平衡機主動軸端面與從動軸端面之間距離，在右端用螺釘將聯接套與從動軸相連接，并將試驗組件右端裝入聯接套，聯接套半圓凹槽中心與外齒軸套 (需做動平衡部件之一)的齒槽中心對正，嵌入圓柱銷，最后，通過螺栓將壓蓋裝入聯接套中，防止外齒軸套 (需做動平衡部件之一)在動平衡試驗過程中軸向竄動。組裝好整套試驗機構，設定相關參數，啟動軟支撐平衡機。最終的試驗結果達到動平衡G6．3精度要求。

4 結語

實踐證明，該機構制造容易，可操作性強，使用安全可靠并且試驗結果也達到了動平衡精度要求，實現了在軟支撐平衡機上為高速棒線材軋機鼓形齒式接軸部分組裝件做動平衡試驗的目的。該機構結構簡單，成本低廉，能為中小型企業節省購置設備費用，降低產品加工成本，提高設備利用率和生產效益，值得推廣。