高速風機葉輪動平衡去重策略研究與應用

劉俊龍 吳俊星 王喜 郭廣榮 高同

廣東威靈電機制造有限公司 廣東佛山 528333

0 引言

高速風機因其具有輕便高效、功率密度大、體積小[1]等特點，被廣泛用于高端電器[2]、精密制造、能源、航空航天等領域[3]。轉子作為高速風機的核心部件，在電機高速運轉的情況下，其動不平衡會影響電機整體的振動和噪聲，嚴重者會直接影響電機的性能和壽命[4-6]。

對于此類高速、小型的系統(tǒng)，動平衡策略通常采用在選定的去重校核面進行去重處理，其中一個矯正面往往選擇葉輪端面。葉輪作為高速風機的重要部件，如果動平衡去重策略不合理，高速旋轉的葉輪在工作中會存在斷裂失效的風險。

現(xiàn)階段葉輪動平衡去重策略分為加重校正法和去重校正法[7]。加重校正法因制造成本相對較高，且配重物與葉輪不為同一整體，在葉輪高速運轉時存在分離的風險，故該方法并不適用于高速風機的葉輪動平衡校正。去重校正法，顧名思義是在葉輪本體進行去重，分為磨削去重法和轉孔去重法，傳統(tǒng)手工動平衡去重工作都是先在設備上進行測試，然后人工取下轉子找去重區(qū)域，再用銑刀或銼刀在葉輪上去重，這種操作方式的缺點是節(jié)拍慢，優(yōu)點是剩余動平衡量能做到較低水平。由傳統(tǒng)手工動平衡所發(fā)展的自動動平衡，如用激光精密去重[8]，通過超快激光能量照射葉輪達到去重目的，也有用伺服系統(tǒng)驅動磨削工具[9]進行去重工作，其區(qū)別只是在于去重的“工具”不一樣，究其本質，因不同設備受其本身設計所限，去重策略有差異，而這些去重策略缺少理論依據(jù)，通常都是根據(jù)經(jīng)驗來設置，這樣容易導致葉輪去重區(qū)域應力集中，進而引發(fā)開裂失效現(xiàn)象。

本文以某高速風機葉輪為例，系統(tǒng)地探究了在葉輪本體去重端進行動平衡去重的最優(yōu)策略，為目前的高速風機葉輪動平衡去重工藝提供一定理論指導與技術支持。

1 轉子系統(tǒng)的動平衡工藝探究

1.1 轉子系統(tǒng)的分類判定方法

在動平衡矯正之前，需要判定轉子系統(tǒng)在當前的工作狀態(tài)下是否可視為剛性轉子。根據(jù)國標GB/T 6444—2008對剛性轉子的定義“在直至最高工作轉速的任意轉速下旋轉，由給定的不平衡量的分布引起的撓曲低于允許限度的轉子”。而國標GB/T 9239.12—2021中對確定轉子系統(tǒng)是否可視為剛性給出了具體的判定辦法，文中指出“如果第一階段撓性臨界轉速超過最高使用轉速的50%，則對平衡而言，通常能認為該轉子是剛性的。”當然，這是工程上普遍認可的定義。

借助有限元分析中的模態(tài)分析模塊，對該高速風機轉子系統(tǒng)進行模態(tài)仿真分析，確定其各階約束模態(tài)。仿真結果和仿真圖例如表1、圖1所示。

圖1 轉子系統(tǒng)一階模態(tài)仿真圖例

表1 高速風機轉子系統(tǒng)約束模態(tài)仿真結果

該轉子系統(tǒng)實際工作轉速為142000～147000 r/min，根據(jù)上述判定標準可知，該轉子系統(tǒng)可以近似認為剛性轉子。

1.2 剛性轉子的雙面動平衡影響系數(shù)法

剛性轉子在進行動平衡矯正過程中，既需要考慮轉子在旋轉過程中產(chǎn)生的不平衡力，也要考慮不平衡力偶。在實際操作過程中，針對剛性轉子動平衡問題普遍采用雙面影響系數(shù)法，通過加試重測算轉子的影響系數(shù)矩陣，然后求解不平衡量信息[10-11]。圖2為高速風機轉子系統(tǒng)的矯正模型。

圖2 轉子雙面動平衡模型

由上述公式聯(lián)合求解各個影響系數(shù)，可得：

根據(jù)上式，計算當前轉子的不平衡量為：

在矯正面Ⅰ與Ⅱ測定的不平衡量所在位置去掉不平衡量大小相等的質量塊。重新啟動轉子，測出殘余振動信號，判斷當前動平衡是否滿足要求。

由于高速電機的特點是輕量化、高轉速、高可靠性，在運轉中對轉子系統(tǒng)中葉輪基體強度可靠性要求較高，同時為了更好的用戶體驗性，對轉子系統(tǒng)的剩余動不平衡量引起振動的要求更加苛刻，因此必須精細化設計與計算轉子系統(tǒng)剩余動不平衡量，以及謹慎設計轉子系統(tǒng)動平衡去重切削工藝，以確保動平衡去重切削工藝對轉子系統(tǒng)中的薄壁件葉輪不造成較大強度破壞。

1.3 動平衡葉輪去重工藝探究

本文研究背景為我司3臺高速風機在客戶端型式測試中葉輪全部發(fā)生開裂失效，我司在型式測試中采用8孔的測試條件，其加速度、轉速要求都比客戶端13孔的測試條件更為嚴苛，結果為3臺電機的葉輪均未發(fā)生失效。客戶端經(jīng)實驗測定該批高速風機的不良率為100%，而我司實驗測定的不良率為0%，同一批次電機于客我雙方進行相同實驗時得出完全相反的結論，為此，本文基于型式測試結果對動平衡去重工藝、葉輪加工工藝和葉輪材料三方面展開分析，結論為在葉輪動平衡去重工藝中，我司測試電機葉輪切削位置是遠離葉輪邊緣，而送樣電機葉輪切削位置處于葉輪邊緣，說明葉輪所受的最大應力存在較大差異。

圖3為葉輪開裂失效后的實物圖，由圖可知，開裂位置均位于轉子動平衡切削處。因此，造成該現(xiàn)象的原因為客戶端與我司在葉輪動平衡去重工藝方面不同所致。

圖3 高速風機葉輪失效圖例

為了更好地分析不同的動平衡去重策略對高速風機葉輪的基體強度的影響，將復雜的動平衡去重工藝從動平衡切削角度、動平衡切削深度、動平衡切削寬度與動平衡切削口到葉根圓周角度四個角度進行討論，四類參數(shù)的定義如圖4所示。

圖4 葉輪動平衡四種參數(shù)的表現(xiàn)形式

針對這幾種可能的原因進行分類討論，根據(jù)我司實際動平衡去重習慣，預估并設定均勻離散化的數(shù)據(jù)點，具體仿真思路如表2所示。

表2 四種葉輪動平衡去重策略探究方案

本文通過將復雜的動平衡去重工藝簡化為切削角度、切削深度、切削寬度與切削口到葉根圓周角度四個維度進行仿真分析，仿真結果分別如表3至表6所示。

表3 不同去重切削角條件下的仿真結果

1.3.1 不同切削角度對葉輪去重應力仿真分析

在其余三類條件相同的情況下，分別采用不同的切削角度對葉輪進行去重應力仿真分析，結果如表3所示。

應力變化：當去重切削角度提高時，葉輪在工作時危險截面所受最大應力有所降低，葉輪危險截面的最大應力由307 MPa降至203 MPa。

結構變化：當切深相同時，切削角度減少，切削口外圓與葉輪的外圓面的距離降低，當切削角度進一步降低時，葉輪的外圓面一部分會在去重時完全切除。

1.3.2 不同切削深度對葉輪去重應力仿真分析

控制切深為單一因素變量時，均采用切削角度為零且切口寬度固定為10 mm的平切，結果如表4所示。

表4 不同去重切削深度條件下的仿真結果

表5 不同去重切削寬度條件下的仿真結果

應力變化：隨著動平衡去重切深量的提高，葉輪在工作時危險截面所受最大應力逐漸升高。

結構變化：隨著動平衡去重切深量的提高，葉輪去重環(huán)厚度將逐漸減少直至完全去除，值得注意的是，部分葉輪去重環(huán)將完全被去除，易傷及葉輪風葉結構。

1.3.3 不同切削寬度對葉輪去重應力仿真分析

應力變化：隨著切削寬度的增加，葉輪危險截面的最大應力有所降低。

結構變化：隨著切削寬度的增加，風葉去重端外圓切口擴大，但與風葉根部仍需保持距離。

1.3.4 不同切削寬度和偏離角度對葉輪去重應力仿真分析

由于葉輪去重位置是隨著實際動平衡量發(fā)生改變，但根據(jù)葉輪結構，切削位置與葉輪根部的偏置角的大小同樣會影響葉輪的強度，因此針對切削寬度和偏離角度進行探究，仿真結果如表6～表8所示。

表6 切寬為0 mm且偏角變化的仿真結果

表7 切寬為4 mm且偏角變化的仿真結果

表8 切寬為10 mm且偏角變化的仿真結果

1.3.5 小結

綜上所述，各影響因素對葉輪結構強度的影響如圖5至圖8所示。針對葉輪動平衡去重，切削深度增加，最大應力增加。切削角度增加，葉輪最大應力減小。切削寬度增加，葉輪最大應力減小。隨著切削口到葉片圓周角度的增加（兩葉根角度為51.4°，25.7°為極限角度，兩側范圍內應力變化規(guī)律相反），切寬4 mm以上，應力呈現(xiàn)減小的趨勢（0～25.7°范圍內）；切寬4 mm以下，應力呈現(xiàn)增加的趨勢（0～25.7°范圍內）。基于我司葉輪的風葉外型、基體及材料等因素，得出我司葉輪切削深度參考范圍值為0～1 mm，切削角度參考范圍值為30°～45°，寬度參考值為4 mm，偏轉角度參考范圍值為10°～25°。

圖5 切削深度對葉輪結構強度的影響

圖6 切削角度對葉輪結構強度的影響

圖7 切削寬度對葉輪結構強度的影響

圖8 偏轉角度對葉輪結構強度的影響

從以上分析來看，動平衡去重切削工藝一定會對葉輪強度有削弱影響，不同的切削參數(shù)，影響各有不同。總體上，動平衡切削后切削量越少，葉輪形貌完整性越高，其強度削弱影響越小。從風機系統(tǒng)層面分析，為了保持較高的結構強度，應減小動平衡去重切削量，其轉子系統(tǒng)初始動不平衡量需控制在盡量低的水平，這需要同時兼顧優(yōu)化產(chǎn)線制程能力與轉子零部件加工成本。

2 實際動平衡去重工藝檢討

2.1 相關因子水平設定

在明確動平衡去重策略的四個影響因素后，需要結合當下實際動平衡去重工藝驗證該理論的可行性，制作動平衡矯正設備，用于驗證理論仿真的有效性和可行性。

如圖9所示，整個轉子通過限位塊固定在去重底座上，利用工裝控制銑刀的切削角度、彈簧固有長度控制最大切削深度、不同銑刀型號控制切削寬度、工裝整體配合來控制切口偏轉角度，根據(jù)設備去重后統(tǒng)計不同葉輪切口形貌數(shù)據(jù)，并進一步跟蹤進行仿真分析，已完成實驗產(chǎn)品的相關因子水平和仿真結果如表9所示。

圖9 自制動平衡矯正設備

表9 實際動平衡去重相關因子水平測定結果

考慮到葉輪動平衡工藝操作可管控性，根據(jù)實際葉輪動平衡下的應力水平，因去重切角難以有效檢測及工藝管控，所以在去重切削角度相比其余因素加工難度較高，采用定切削角為宜。而動平衡切口偏轉角度為偏心質量的隨動值，該因素無法管控。去重切寬相對于切深優(yōu)先級較高，據(jù)此可確保葉輪結構強度。

為了降低葉輪運行中危險截面最大應力值，葉輪動平衡去重策略為：固定切削角度、在較少切削深度的基礎上選用較大的切削寬度。考慮到工藝可控性，擬定如下方案：

（1）切削角度若選取為0°，則切削深度應減小，切削寬度應增加，結合仿真模型與工藝數(shù)據(jù)，動平衡去重切削深度≤1 mm、動平衡去重切削角度0°、動平衡切削寬度應當管控大于4 mm，此切削參數(shù)控制下，葉輪工作時危險截面的最大應力可控制在326 MPa以下。

由上述數(shù)據(jù)可知，以實際葉輪動平衡去重切口形貌，推測最大應力波動范圍在208～332 MPa之間，同時再次復盤葉輪斷裂。由前述分析可知，導致葉輪輪轂開裂的原因有如下因素：切削深度偏大，切削角度偏小，切削寬度較小，以及在4 mm以下小切寬的情況，切口偏移至兩葉根之間。

（2）切削角度若選取為大于0°，因切深為切角的隨動值，且切角在實際動平衡去重過程中較難檢測與校準，所以設定切角為定值。考慮到葉輪內壁與去重端的結構，則需首先確認角度的可控范圍，隨后根據(jù)切角管控切深的最大值，在此基礎上根據(jù)動不平衡量改變切寬。切削角度設定在工藝端較難展開實施，該方案備選。

對比分析葉輪在客戶端型式實驗中開裂失效的主要原因為切口寬度為0 mm的條件下單一增加切深進行去重所造成。

綜上所述，切削角度若選取為0°，則切削深度應減小，切削寬度應增加，且通過實測切口數(shù)據(jù)和仿真分析驗證了動平衡去重策略的可行性：切削深度≤1 mm、動平衡去重切削角度0°、動平衡切削寬度≥4 mm。根據(jù)上述討論結果，此切削參數(shù)控制下，理論上可保證葉輪的結構強度。

2.2 極限切削量切口應力分析

考慮到葉輪動平衡設備去重后，葉輪去重側如有不合格，則需借助手工切削去重方式，以達到技術規(guī)格。因此，需對二次切削不同工藝方案進行應力分析，確認葉輪在二次切削條件下無應力超差風險，結合實際去重工藝二次切削方案，以上述四種去重因素提取仿真數(shù)據(jù)，仿真結果如表10所示。

表10 切寬為10 mm偏角變化的仿真結果

根據(jù)結果可知，二次去重時若在原有機械切削位置繼續(xù)切削，應力存在超差風險。對此，改善方案有如下兩種：

第一，機械去重動平衡做到負值，即將剩余動不平衡量轉移至葉輪結構對側，其次在對側繼續(xù)手工動平衡去重。應力分析顯示，極限切削情況下應力也能保證葉輪的結構強度。

第二，在機械動平衡去重切削口兩側邊緣位置進行手工去重（最大應力小于217 MPa），則不會對切口應力造成影響，建議優(yōu)選第二種方案。

2.3 極限切削參數(shù)下的切削量及等效去重量計算

為了滿足切削去重工藝要求，極限切削形貌情況下，理論動平衡去重質量應大于葉輪側最大初始剩余動不平衡量（≤30 mg），據(jù)此推測極限切削形貌參數(shù)去重量是否滿足要求。

根據(jù)表11可知，極限切削形貌參數(shù)可以設定為切寬14 mm，切深0.6 mm，最大理論切削質量約46 mg，大于葉輪側最大初始剩余動不平衡，即可以滿足去重要求。

表11 實際動平衡的切削量及最大應力

3 結論

轉子動平衡是確定轉子系統(tǒng)是否合格的一道重要工序，其動平衡去重策略的優(yōu)劣直接決定該轉子系統(tǒng)運行性能的平穩(wěn)及使用壽命。

本文從我司當前面對高速風機葉輪在客戶端型式實驗過程中發(fā)生斷裂的實際問題出發(fā)，分類討論了四種不同去重因素對葉輪強度的影響，建立了一套較完整的動平衡去重策略，并相應提出工藝管控的具體思路，本文結論具體如下：

（1）針對高速風機葉輪動平衡去重策略為固定切削角度，限定切削深度，以切削寬度來調整切削量。因切削深度與最大應力呈現(xiàn)正相關；切削寬度為負相關。切角因難以管控且會影響切深，建議管控定值。

（2）動平衡二次切削優(yōu)選以機械切削口兩側繼續(xù)切削，在保持切深不變的基礎上，提高切口寬度，此方案可以進一步降低葉輪工作時的最大應力。

（3）基于我司葉輪的風葉外型、基體及材料等因素，得出我司葉輪切削深度參考范圍值為0～1 mm，切削角度參考范圍值為30°～45°，寬度參考值為4 mm，偏轉角度參考范圍值為10°～25°。

通過優(yōu)化葉輪的動平衡去重策略，規(guī)范動平衡去重工藝，可有效降低葉輪動平衡去重后的結構強度衰減，同時提高動平衡工序的作業(yè)效率，降低生產(chǎn)成本。