紡織機械回轉體動平衡研究

紀秀乾

(青島宏大紡織機械有限責任公司，山東 青島 266101)

回轉體不平衡是引起機器振動、噪聲和零部件損壞的主要原因之一，紡織產品的質量好壞與紡織機械回轉體的動平衡有著密切的關系，現場進行動平衡是消除旋轉機械振動太大的一項重要措施[1]。

1 回轉體不平衡產生原因

紡織機械回轉體設計上一般都會使它相對于回轉體軸線是對稱的，但由于工藝上的一系列原因，最終裝配體很難做到理想的絕對軸對稱，實際上都存在一定的不平衡量。造成的原因主要有以下幾種：(1)回轉體本身的材質不均勻；(2)結構設計原因造成結合體重量不均勻；(3)加工過程造成的不均勻，如在鑄造、焊接、機械加工和裝配過程中產生的圓度偏差、壁厚偏差和偏心等。

以上情況下產生的不平衡無法通過計算得到，只能通過裝配現場靜平衡或者動平衡的方法來測量和校正，最終使零件的不平衡量降低到允許的程度。

2 回轉體進行平衡的條件

回轉體不平衡是由于旋轉體對于軸線質量分布不均勻造成的，也就是說不平衡量是因為轉子的慣性軸線和回轉軸線不一致造成的，回轉體要平衡必須符合以下條件：(1)紡織機械回轉體在實際運轉過程中可以把轉子本身的變形忽略，其旋轉軸線可認為是一條理想化的固定直線；(2)回轉體須是剛性轉子，可以在回轉體上采用在一個或兩個平面加重、去重或用其他方法，使慣性軸線和旋轉軸線相一致并盡量做到重合。

3 不平衡分類

當回轉體繞定軸以等角速度ω轉動時，其各質量離心慣性力將形成一個合力R和一個合力偶M，經分析簡化，可分為以下四種類型：(1)轉軸與中心主慣軸平行(如圖1A)；(2)轉軸和中心主慣軸相交于一點(如圖1B)；(3)轉軸與中心主慣軸相交于質心(如圖1C)；(4)轉軸和主慣軸既不相交也不平行(如圖1D)。

圖1 不平衡分類示意圖

以上四種情況，除第一種外都存在著離心慣性力和一個慣性力偶。回轉體不平衡是客觀存在的。由于進行平衡前慣性力和力偶是未知的，因此可根據表1的原則對回轉體進行兩種方式平衡[2]。

表1 靜平衡和動平衡選擇原則表

表1中未包括的情況視具體條件而定，如回轉體與支撐基礎條件，回轉體的形狀、轉速、工作條件等。一般情況下，當回轉體小于極限轉速時，只需做靜平衡；當大于極限轉速時，必須做動平衡。

4 平衡方法

回轉體的平衡過程，一般需要在垂直于回轉體的校正面上進行。靜平衡操作只需在一個校正面上進行即可，而動平衡操作則需要在兩個或兩個以上校正面上進行。

4.1 加重法

在已知回轉體校正面不平衡量的反方向上加質量。新增加的質量產生的不平衡量與回轉體原不平衡量相互抵消[3]。加重法常用焊補、螺紋聯接、鉚接、膠接等方法進行，但必須牢固，不得松動。

4.2 去重法

在已知回轉體校正面不平衡量的反方向上去掉部分質量。使減掉的質量所帶來的不平衡量抵消原來的不平衡量[3]，去重可采用鉆孔、磨削、激光打孔等方法。

4.3 調整校正質量法

設計之初，在回轉體的結構上預留各種調整機構，從而實現加重或去重的目的。如調整筒體內部平衡塊的數量、大小、分布角度等。在紡織機械回轉體平衡中，多采用相對方便的加重法，而電機轉子和風輪、扇輪多采用去重法。

5 平衡精度及表示方法

平衡精度是指回轉體經過平衡之后的不平衡程度，也可以稱作許用不平衡量，常用的平衡精度表示方式有以下三種。

5.1 不平衡量Gr表示法

Gr=Me

式中G—校正質量，g或kg；r—平衡半徑，即平衡校正處到轉軸中心線的距離，mm；M—回轉體的質量，kg；e—回轉體主慣軸與轉軸的偏心距。

在日常動平衡應用中M(左)、e(左)、M(右)、e(右)均無法精確得到。當采用單面校正時Gr=Me，采用Gr來計算允用平衡質量；當采用雙面校正時Gr(左)=M(左)×e(左)、Gr(右)=M(右)×e(右)，Gr(左)=Gr(右)=Gr，計算允用平衡質量更合理更安全。

5.2 偏心距e表示法

偏心距e是指主慣軸與轉軸在該回轉體校正面上的偏移，采用單面校正就是指質心對轉軸的偏移。偏心距e所表示的不平衡程度與回轉體的質量無關，偏心距有時可以稱為擺距。

在紡織機械中，回轉體之間有一個隔距是非常重要的工藝參數，所以在計算和確定回轉體動平衡精度時，應考慮回轉體的偏心距，否則在紡織機械高速回轉時，會因偏心距導致隔距變化無法滿足紡織機械工藝上的要求。

偏心距e的測定多使用千分表，將回轉體一端鎖定，測定另一端的跳動，另一端偏心距e和徑跳的關系是偏心距e是徑跳數值a的一半，并且回轉體中心部位的偏心距，大概是一端偏心距e的一半,設計時應予以考慮。

e=Gr/M

式中e—偏心距，μm或mm；G—校正質量，g或kg；r—校正半徑，mm；M—回轉體質量，kg。

偏心距的測定，可以用來衡量回轉體動不平衡程度，也可用來檢查電子平衡機的檢查精度，防止電子平衡機失靈。

5.3 平衡精度A表示法

A=eω/1000

式中A—平衡精度，mm/s；e—偏心距，μm或mm；ω—回轉體工作角速度，rad/s。

因ω=2πn/60≈n/10, 所以A=eω/1000≈e×n/10000(n—工作轉速，rpm)

目前，平衡等級已標準化(ISO 1940—1或JB 3330—83)，分為G4000、G1600、G630、G250、G100、G40、G16、G6.3、G2.5、G1、G0.4 11級，常用平衡等級見表2。

表2 常用平衡等級表

6 平衡精度計算

平衡精度的三種表示方法是有內在聯系的，可以通過計算的方法相互轉換。

6.1 計算允許剩余不平衡量(左右兩個平衡面)

m=e×M/r×2

式中m—允許剩余不平衡量，g；e—偏心距，μm；M—轉子質量，kg；r—平衡半徑，mm。

例如工作質量20 kg ，偏心距45 μm,平衡半徑60 mm，雙面平衡，則每個平衡面的允許剩余不平衡量為m=7.5 g。

6.2 計算轉子的偏心距

e=A×10000/n

式中e—偏心距，μm；A—平衡精度等級，mm/s；n—工作轉速，rpm。

例如某羅拉工件工作速度1400 rpm，平衡精度6.3 mm/s，則偏心距為e=45 μm。

6.3 計算轉子平衡精度

A=e×n/10000

式中A—平衡精度，mm/s；e—偏心距，μm；n—轉速，rpm。

7 結語

對紡織機械回轉體動平衡進行分析，通過平衡精度等級計算，采用正確的平衡方法，可有效減小回轉體不平衡量，提高其正常運轉的可靠性、穩定性。紡織機械回轉體在動平衡方面有其特殊要求，不僅要考慮其對軸承受力狀態、機器振動等方面的影響，更需要關注的是紡織機械回轉體之間有嚴格的隔距要求。回轉體高速旋轉時，兩回轉體之間的隔距一致性，對產品質量有很大的影響，因此，紡織機械回轉體的動平衡指標成為紡織機械設備驗收的關鍵項目。