刚性转动零件的静平衡与动平衡试验的概述

-1-刚性转动零件的静平衡与动平衡试验的概述1.基本概念:1.1不平衡离心力基本公式:具有一定转速的刚性转动件(或称转子),由于材料组织不均匀、加工外形的误差、装配误差以及结构形状局部不对称(如键槽)等原因,使通过转子重心的主惯性轴与旋转轴线不相重合,因而旋转时,转子产生不平衡离心力,其值由下式计算:C=(G／g)×e×ω2=(G／g)×e×(πn／30)2--------(公斤)式中:G------转子的重量(公斤)e-------转子的重心对旋转轴线的偏心量(毫米)n-------转子的转速(转／分)ω------转子的角速度(弧度／秒)g-------重力加速度9800(毫米／秒2)由上式可知,当重型或高转速的转子,即使具有很小的偏心量,也会引起非常大的不平衡的离心力,成为轴或轴承的磨损、机器或基础振动的主要原由之一.所以零件在加工和装配时,转子必须进行平衡.1.2转子不平衡类别:1.2.1静不平衡——转子的惯性轴与旋转轴线不相重合,但相互平行,即转子重心不在旋转轴线上,如图1a所示.当转子旋转时,将产生不平衡的离心力.1.2.2动不平衡——转子的主惯性轴与旋转轴线主交错将产生不平衡的离心力,且相交于转子的重心上,即转子重心在旋转轴线上,如图1b所示.这时转子虽处于平衡状态,但转子旋转时将产生一不平衡力矩.1.2.3静动不平衡——大多数情况下,转子既存在静不平衡,又存在动不平衡,这种情况称静动不平衡.即转子的主惯性轴与旋转轴线既不重合,又不平行,而相交于转子旋转轴线中非重心的任何一点,如图1c所示.当转子旋转时,将产生一个不平衡的离心力和一个力矩.1.2.4转子静不平衡只须在一个平面上(即校正平面)安放一个平衡重量,就可以使转子达到平衡,故又称单面平衡.平面的重量的数值和位置,在转子静力状态下确定,即将转子的轴颈放置在水平刀刃支承上,加以观察,就可以看出其不平衡状态,较重部份会向下转动,这种方法叫静平衡.1.2.5转子动不平衡及静动不平衡必须在垂直于旋转轴的二个平面(即校正平面)内各加一个平衡重量,使转子达到平衡.平面的重量的数值和位置,必须在转子旋转情况下确定,这种方法叫动平衡.因需两个-2-平面作平衡校正,故又称双面平衡刚性转子只须作低速动平衡试验，其平衡转速一般选用第一临界转速的1/3以下。.1.3转子不平衡产生的原因:1.3.1设计与制图的误差.1.3.2材料的缺陷.1.3.3加工与装配的误差.1.4转子不平衡产生的不良效应:1.4.1会对轴承、支架、基体产生作用力.1.4.2引起振动.但不平衡与质量分布,机架的刚度有关,所以转子不平衡不一定就会产生振动.一般的说来,静不平衡影响大于力矩不平衡的影响.2.动平衡与静平衡的选择:2.1一般选取的范围:2.1.1当转子厚度δ与外径D之比(δ／D)≤0.2时(盘状转子),需要作平衡试验的,不轮其工作转速高低,都只需进行静平衡.2.1.2当转子厚度δ(或长度)与外径D之比(δ／D)≥1时(辊筒类转子),只要转子的转速＞1000转／分,都要进行动平衡.2.1.3.当转子厚度δ与外径D之比(δ／D)在0.2—1时和当转子厚度δ与外径D之比(δ／D)≥1而转子的转速＜1000转／分时,需根据转子的重量;使用功能;制造工艺;加工情况(部分加工还是全部加工)及轴承的距离等因素,来确定是否需要进行动平衡还是静平衡.一般不重要部位使用的零件,旋转速度较低的转子零件,设计需要作平衡试验的,一般只按排作静平衡.2.2按图表选择:(见图2)-3-图2表示平衡的应用范围.下一条线以下的转子只需进行静平衡,上斜线以上的转子必须进行动平衡,两斜线之间的转子须根据转子的重量;使用功能;制造工艺;加工情况(部分加工还是全部加工)及轴承的距离等因素,来确定是否需要进行动平衡还是静平衡.一般不重要部位使用的零件,旋转速度较低的转子零件,设计需要作平衡试验的,一般只按排作静平衡.3.许用不平衡量的确定:3.1许用不平衡量的表示方法:评价转子不平衡大小在图纸上可以用许用不平衡力矩表示,即转子重量与许用偏心距的乘积,单位为克.毫米.也可用偏心距表示,单位为微米.1973年国际标准化协会对于刚性转子相应不同平衡精度等级G的许用偏心距和各种具有代表性的旋转机械钢性转子应具有的精度等级分别表示在图3和表1上.可供确定刚性转子许用不平衡量值的参考.静平衡(单面平衡)的许用不平衡力矩为:M=e×G(克／毫米)动平衡(双面平衡)的许用不平衡力矩为:M=1／2(e×G)(克／毫米)式中:e——许用偏心距(毫米,见图3)G——转子重量(克)图三若转子用许用偏心距表示不平衡大小时,则静平衡的许用值可取图3中的全数值.而动平衡的校正平面许用值取图3中的数值的一半.(图3可参见附页图3放大图)3.2许用不平衡量控制的误差如下:平衡精度等级允许偏差G2.5~G16±15%G1±30%G0.4±50%3.3平衡精度的分类:1973年国际标准化ISO推荐”旋转刚性平衡精度”的判断标准中,根据eω乘积为一常数,按2.5倍阶比被分为下11等级,见下表1.表1-4-精度等级Geω①(毫米／秒)转子类型的举例G0.40.4精密磨床主轴,磨轮及电枢,回转仪.G1.01磨床驱动件,特殊要求的小型电枢,磁带录音机及留声机的驱动件.G2.52.5汽轮机和燃气轮机的转子,发电机的刚性转子,离心式压缩机的转子,机床驱动件,特殊要求的中型和大型的电机转子,小型电机转子,汽轮机驱动的水泵转子.G6.36.3船用主汽轮机齿轮,离心分离机的转鼓、通风机,装配的航空用燃气机轮子,飞轮,水泵叶轮,机床及一般机械的转动件,一般电机转子,特殊要求的发动机个别转动件.G1616特殊要求的驱动轴(螺旋桨轴,万向联轴节的轴),破碎机械的转动件,农业机械的转动件,汽车,卡车和机车发动机(汽油机或柴油机)的个别转动件,特殊要求的六缸和多缸发动机的曲轴驱动件.G4040汽车车轮,轮纲、整套车轮、驱动轴,弹性安装六缸和多缸高速四冲程发动机③(汽油机和柴油机)的曲轴驱动件,汽车,卡车和机车发动机的曲轴驱动件.G100100六缸和多缸高速柴油发动机③的曲轴驱动件,汽车、卡车、机车发动机(汽油机和柴油机)的整机转子④G250250固定安装四缸高速柴油发动机③的曲轴驱动件G630630固定安装大型四冲程发动机的曲轴驱动件,弹性安装船用柴油机的曲轴驱动件G16001600固定安装大型二冲程发动机的曲轴驱动件G40004000固定安装单数气缸低速船用柴油发动机③的曲轴驱动件②注:1、若n用转／分,ω用弧度／秒测定,则ω=2πn／60≈n／102、指曲轴驱动件是一个组合件,包括曲轴、飞轮、离合器、皮带轮、减振器和连杆的转动部份等.3、指活塞速度低于9米／秒为低速柴油机发动机,活塞速度高于9米／秒为高速柴油机发动机4、发动机整机转子其重量包括注②所述的曲轴驱动件的全部重量.3.4在外圆处许用静平衡配重值与平衡精度等级和工作转速度关系式许用静平衡在外圆处配重值计算公式为：m=eω×G/R×10000/n----------g许用动平衡在外圆处配重值计算公式为：m=[eω×G/R×10000/n]/2------g注：1）后面除2是动平衡的两个端面处的每一端面的动平衡许用配重值。2）其中：m--------许用配重值。gG--------工件重量。kgeω-----选定的平衡精度等级数值。mm/sD/2；R------工件半径。mmω-----------工件角速度。弧度/秒ω=n×π/30≈(1/10）nn------------工件转速。r/min4.长辊筒许用不平衡量的确定:4.1长辊筒的类别和动,静平衡的选择:根据一些资料介绍,辊筒的总长与辊面直径之比L／D大于12为长辊筒,L／D大于20为细长辊筒,L／D大于30为超长辊筒.其细长辊筒、超长辊筒，因细长,加工困难,易产生弯曲变形,是造成不平衡的一项重要原因.辊筒的总长-----注:应包括轴径长度辊筒一般是由薄臂管和轴头焊接而成,长辊筒、超长辊筒的工作速度一般较低,在300-400转／分以下.平衡的选择,根据动,静平衡选择的原则,大部份选用静平衡试验.4.2长辊筒许用不平衡量的选择:4.2.1长辊筒许用不平衡量的选择,可按上述图3和表1进行选取.例如:6850.11.1-23海绵辊,φD=φ90±0.50;辊面长L=2700;总长3070;静重G=61;工作速度为60转-5-／分.根据动,静平衡选择的原则,L／D大于1,但工作速度很低60转／分,故选取静平衡.根据表1中所述原则,此辊可按“机床及一般机械的转动件,一般电机转子,特殊要求的发动机个别转动件”所同类等级,可选择平衡精度同类等级为G6.3级.再按工作速度60转／分,查对图3,但图3中G.6.3级,最低速度为150转／分,故提高速度等级,按工作速度为150转／分进行查对,查得结果许用偏心量为400μm.即在重心处允许的偏心力矩为M=0.40×G=0.40×61Kg=24400克.毫米.转换成外圆处允许的偏心重为G外圆=M／R=24400／45=542.22克.但从实际平衡作用上看,特别是长辊筒在直径较大,重量较重时,其转换成外圆处的允许的偏心重G外圆数值,一般偏大,满足不了长辊筒实际工作的需要.4.2.2根据日方静平衡加工的经验数据,其长辊筒在辊筒外圆处的许用不平衡量按(1／1000)G进行考核.按上述实例,即外圆处允许的偏心重为G外圆=(1／1000)×61Kg=61克.与上述查表得出的外圆处允许的偏心重为G外圆=542.22克的数值相比,平衡的精度高出近9倍之多,.假设此长辊筒为刚性辊,加工后的直线度为0,则从外圆允许的偏心重为G外圆=61克,转换成重心处允许的偏心距为e=(61克×R)／G=0.045毫米.即此辊在刚性体的条件下,其重心只允许偏移0.045以下,否则超差不合格.按此精度,以工作速度300转／分,反查图3,得出相当于G1级以上的平衡精度.精度非常高.或根据静平衡的许用配重值公式计算为：m=eω×G/R×10000/n----------g将m=50g，G=61kg,R=45mm,n=60r/min代入则：eω=m/（G/R×10000/n）=50/(61/45×10000/60)=0.2213级即在工作速度60转/分和情况下，外圆处为50克时其精度等级相当于G0.22级，比G1级高，比最高级G0.4级还高1倍之多。而此件长径比L／D=3070／90=34.1,其L／D之比大于30为超长辊筒.加工中弯曲变形极难控制.而日方此件规定为外圆处允许偏重值为50克,相当于是(1／1220)G允许的力矩值.其转换重心计算只允许偏移0.0367以下,否则超差不合格.此精度对如此超极易弯曲变形长辊筒来说很难于保证的。综上所述,选取许用不平衡量时,应根据其具体的综合条件情况而定,为此建议:①辊筒的总长与辊面直径之比L／D大于1—20,直径大于φ120,并具有足够的配焊配重棒,块的设计结构及空间位置,其静平衡在外圆处的许用不平衡量值,可按(1／1000)G计算确定.②辊筒的总长与辊面直径之比L／D大于30,直径小于φ120,全长直线度控制在7级精度以下的,建议其静平衡在外圆处的许用不平衡量值,可按2—4倍的(1／1000)G计算确定.否则设计应改进结构,尺寸和材料,并从设计和工艺手段进行攻关,以提高辊筒刚性和加工精度.③其余的需根据辊筒使用功能,工作速度,设计结构,主动,被动和配焊配重棒空间位置及工艺加工精度等综合情况确定.5.设计对平衡在图纸中应注明的数据:5.1在图中应给出平衡的类型和许用不平衡力矩的数值.单位:克.毫米(及公差范围)或偏心距的数值.单位:微米50%范围??或者给出转子的质量,工作速度及平衡精度等级等数据.(动、静平衡的许用不平衡量值相差一倍.)5.2在图中应予留或注明平衡所需的配焊棒、块或去除重量的位置和要求.5.3必要时,在图中还应给出平衡机的支承形式和它们配置驱动装置、选择的平衡速校正的平面位置.-6-5.4在图中有时还要说明与平衡工作有关的转子的制