貫流風葉自動動平衡裝備開發

陳志，黃禹，丁斌

（1.華中科技大學制造裝備數字化國家工程研究中心，湖北　武漢　430074；

2. 廣東順威精密塑料股份有限公司，廣東　佛山　528300）

貫流風葉自動動平衡裝備開發

陳志1，黃禹1，丁斌2

（1.華中科技大學制造裝備數字化國家工程研究中心，湖北武漢430074；

2. 廣東順威精密塑料股份有限公司，廣東佛山528300）

目前國內貫流風葉動平衡處理主要由人工粘貼金屬平衡片完成，存在精度不高和易脫落的缺點。本次研究首先闡述了貫流風葉轉動平衡理論；隨后，引進端面鉆削去重方法，分別建立單孔鉆削去重和多孔鉆削去重模型；然后，通過不平衡量的采集和處理，采用PLC集中控制系統，自主開發貫流風葉自動動平衡裝備；最后在動平衡裝備上進行小批量實驗，實驗結果表明，本次開發的貫流風葉自動動平衡裝備的不平衡量減少率可達90%。

貫流風葉；動平衡；鉆削；不平衡量

貫流風葉的材料一般為ABS、AS或其改性塑料而成，其主要優點包括：不受軸向長度限制；風量大；無紊流，送風平穩，噪聲低。貫流風葉主要制造過程包括：注塑、焊接（一般為超聲波）、動平衡處理［1］。動平衡處理過程主要在端面利用增重和去重的方法，補償貫流風葉的質量不均勻分布。動平衡處理的精度對于貫流風葉的壽命、送風量和舒適度起到非常重要的作用。

關于動平衡處理，許多學者進行了大量的研究，劉健等針對電子轉子的動平衡，開發基于R型和V型智能去重動平衡系統，不平衡減少率可達92%［2］；康鳳偉在前人的研究基礎上，采用雙層環氧樹脂對鐵道車輪進行配重動平衡處理，在實際生產過程中取得較好的效果［3］；左軍開發一種針對汽車法蘭的半自動動平衡機，具有較高的重復率和生產效率，適合在中小企業推廣應用［4］；劉佳等采用雙面動平衡鉆削技術，對較長工件同時進行雙面動平衡處理，取得較好的效果［5］；徐慶仁等綜述了激光打孔技術在動平衡處理過程中的應用，提出激光加工技術比傳統銑削加工具有更高效率的觀點。上述研究主要集中在金屬轉子的動平衡處理，并未涉及到塑料產品的動平衡過程，由于塑料產品的密度低，對于動平衡處理的精度要求更高。

本次研究首先闡述了貫流風葉不平衡量產生的原因；隨后，引進端面鉆削去重方法，分別建立單孔鉆削去重和多孔鉆削去重模型；

然后，通過不平衡量的采集和處理，采用PLC集中控制系統，自主開發貫流風葉自動動平衡裝備；最后在動平衡裝備上進行小批量實驗。

1　貫流風葉轉動不平衡理論

貫流風葉又名橫流風葉，為壁掛式空調送風系統的重要組成部分。貫流風葉的結構為多葉片、長圓筒型，多節葉片呈交錯的分布，當貫流風葉旋轉時，氣流從一面葉珊進去，經過復雜的渦流從另一面葉珊吹出來，其實物圖如圖1所示。在注塑和焊接過程中，由于塑料的不均勻收縮和焊接擠壓、偏焊和溢出等原因，導致貫流風葉的質量不均勻分布，在旋轉過程中將會對支撐部件產生不平衡力，從而導致其壽命降低、送風量減少和噪聲。

如圖2（a）所示，單個平面內質量為m的質點以ω的角速度繞O點旋轉時，質點的相位為θ，根據牛頓力學定律，將會產生離心慣性力，如公式1所示：

圖1　貫流風葉實物圖

（1）去重：采用鉆削等方式，在相位為θ方向距離旋轉中心r′減少質量為m′的物料，滿足m′ r′=mr即可。

（2）增重：采用粘貼等方式，在相位為θ+180°方向距離旋轉中心r″增加質量為m″的物料，滿足m″r″=mr即可。

如圖2（b）所示，兩個平面內分別有質量為m1和m2的質點以ω的角速度繞O點旋轉時，質點的分別為相位為θ1和θ2。首先分析質點m1，牛頓力學定律，將會產生離心慣性力，如公式2所示：

消去m1產生的不平衡，以去重為例，在A端面相位為θ1方向距離旋轉中心r′A1減少質量為m′A1的物料；在B端面相位為θ1方向距離旋轉中心r′B2減少質量為m′B2的物料，滿足公式3和公式4：

同理，采用去重的方法可以消去m2產生的不平衡。

根據上述原理，把貫流風葉看成n個厚度為△h的圓盤，則在 A端面和B端面需要鉆削的物料質量分別為MA和MB，旋轉中心到鉆削點的向量為和，滿足公式5和公式6：

圖2　轉子不平衡原理

2　精密鉆削去重建模

根據貫流風葉轉動不平衡理論可知，只需滿足鉆削物料質量和鉆削點離圓心的距離相等即可，為了實現的方便，將鉆削點離圓心點距離固定在最大值R，調節鉆削物理質量，也能實現貫流風葉的動平衡。

具體實現方法：本次項目采用直接為d的平面銑刀，根據鉆削的深度來實現貫流風葉的動平衡。已知貫流風葉密度為ρ。

（1）單孔鉆削去重建模。采用單孔鉆削的方法，單次可以消除不平衡量如公式7所示：

（2）兩孔分量鉆削去重建模。當單孔鉆削不能完全消除不平衡量時，則采用兩孔或多孔鉆削，每次鉆削的深度相同，設旋轉中心到兩個鉆削點的矢量夾角為α。如公式8所示：

（3）多孔風葉鉆削去重建模。當兩孔鉆削不足以消除不平衡量，則采用多孔鉆削，多孔鉆削模型為單孔鉆削和兩孔鉆削的一次或多次疊加。

3　貫流風葉自動動平衡機裝備

在前文中的理論分析基礎上，自主開發貫流風葉自動動平衡機裝備，圖3和圖4分別為貫流風葉動平衡裝備的系統組成示意圖和實物圖。

圖3　貫流風葉動平衡裝備系統組成示意圖

貫流風葉動平衡裝備系統組織主要包括以下三個部分：

（1）輸入信號：包括啟動/停止、傳感器信號、不平衡量測量和手動操作。其中不平衡量測量主要通過兩個端面的X和Y方向壓力傳感器測量每個支撐端面受力的振動信號；

（2）PLC控制系統：完成整個裝備的集中控制，接收輸入信號，經過處理運算，實現相應的邏輯、運動等控制。其中PLC控制系統接收壓力傳感器的信號，經過信號處理，換算成不平衡量，給出相應的去重策略。

（3）輸出信號：包括旋轉電機、進給電機、鉆削電機、頂針氣缸、升降氣缸和報警信號等。

圖4　貫流風葉動平衡裝備實物圖

4　實驗研究

在自主開發的貫流風葉動平衡裝備的實驗平臺上，進行小批量實驗，測量其不平衡量，分別進行手動和自動動平衡處理，實驗條件如表1所示，實驗結果如表2所示。

表1　貫流風葉動平衡實驗條件

表2　貫流風葉動平衡實驗結果

從表2中可以看出，本次研究自主開發的貫流風葉動平衡裝備在3節直徑為80 mm的動平衡處理，不平衡量減少率可達90%，明顯高于手動動平衡處理。

5　結論

本次研究首先闡述了貫流風葉轉動平衡理論，分析了兩端面鉆削動平衡原理在貫流風葉動平衡處理中的應用；隨后，分別建立單孔鉆削去重和多孔鉆削去重模型；然后，采用PLC集中控制系統，自主開發貫流風葉自動動平衡裝備；最后在動平衡裝備上進行小批量實驗，實驗結果表明，本次開發的貫流風葉自動動平衡裝備的不平衡量減少率可達90%。因此本次研究自主開發的貫流風葉動平衡裝備在貫流風葉制造行業具有較大的工程推廣價值。

［1］王一輝. 貫流風扇葉全自動超聲波焊接生產線控制系統研發［D］. 武漢：華中科技大學，2015.

［2］劉健， 潘雙夏， 楊克己. 全自動動平衡機去重建模與智能規劃［J］. 組合機床與自動化加工技術，2005（7）:1～4.

［3］康鳳偉. 鐵道車輛輪對動平衡新工藝研究［D］. 西南交通大學，2004.

［4］左軍. 汽車法蘭自動化動平衡機的研制［D］. 華中科技大學，2006.

［5］劉佳，蔡萍，趙鼎鼎. 兩工位自動鉆削動平衡機及其去重策略［J］. 組合機床與自動化加工技術，2009（5）:29～32.

［6］徐慶仁，劉淑敏. 激光去重動平衡的現狀［J］. 激光與光電子學進展，1988（2）.

（R-03）

茂金屬催化劑淤漿聚合制備高密度聚乙烯

中國石化北京化工研究院采用負載型茂金屬催化劑催化乙烯聚合制備高密度聚乙烯，考察了氫氣加入量、氫氣加入方式及共聚單體等對聚合活性、聚合物性能及聚合動力學的影響。實驗結果表明，采用氫氣/乙烯混合進料方法得到聚合物的相對分子質量分布Mw/Mn均小于4.31；采用氫氣一次性加入的方法得到聚合物的相對分子質量分布Mw/Mn均大于5.14。少量1-己烯單體加入能顯著提高聚合活性，但隨1-己烯加入量的增加，聚合活性降低，所得聚合物的結晶度和密度均下降。

燕豐 供稿

Development of automatic dynamic balancing equipment for cross fl ow wind blade

TH16

1009-797X（2016）20-0009-03

A

10.13520/j.cnki.rpte.2016.20.003

陳志（1990-），碩士，主要研究方向為機電一體化和數字制造。

2016-09-06