由于转子材质不均匀以及制造和装配的误差,转动部件的相对移动可能使转子的质心偏离旋转轴线。这种质量偏心将产生惯性力,从而使机器产生振动。从理论分析可知,不平衡的存在将使转子旋转频率(转频、工频、基频)的能量增大。机械加工设备存在不平衡时,在某种程度上会增加产品的不合格率;同时对机床本身如轴承也有较大的损害。
动平衡就是在转子上选定适当的校正平面,在其上增加或减少适当的校正质量,使转子的振动减少到某个允许值以下。一般来说,工作转速低于其一阶临界转速0.5倍的转子可视为刚性转子,否则为柔性转子处理。
我们现在针对刚性进行分析,设任意回转体以等角速度ω绕Z轴旋转,取Z轴上任意一点0,由理论力学可知,刚性回转体上无数个质点产生离心的惯性力向0点简化的结果,惯性的离心力系的主矢R0及主矩M0如下:R0=ΣFj=Σmjω2rj = Mω2rc;│R0│=Mω2│rc│;M0=Σρ×F;│M0│=ω2 (Jyz2+Jzx2)1/2。其中,Mj为第j个质点的质量(kg),Rj为第j个质点到Z轴的矢量(m),Fj为第j个质点产生的离心力(N),Jyz为回转体对x轴的离心惯性积(kg·m2),Jzx为回转体对y轴的离心惯性积(kg·m2),M为刚体的总质量,Rc为刚体回转体质心C到Z轴的矢量(m),Ρj为第j个质点到0点的矢量(m)。而R点的模与原点的位置无关,但是M0(主矩)的模却和原点位置选择有关。
由上可知,刚体回转平衡的充要条件为惯性力系向任一点简化得到的主矢矩都为零。R0=0,即质点通过Z轴;M0=0,即Z轴必须是刚体回转体的一条惯性主轴。只要这两点满足就可以称为中心惯性主轴,要想达到平衡,就必须调整质量的分布,常用的校正不平衡的方法有减质量、增加质量和调整质量。在此以增加质量为例进行动平衡校正。
在已知该校正平面上算出不平衡量的大小和方向后,有意在其相反方向上给定一个大小相等、方向相反的值,这样一来就可以实现动平衡校正。
1、单面平衡案例
以德***产MT85/LS无心磨床为例,n=1500r/min,P=15kW。据现场反映,该磨床生产的滚子的圆度变化较大,不合格率较高。从现场测试的频谱分析可知,其1倍频(工频)的能量远远大于其它的频率能量。初步判断,磨床转子质量不平衡是由于砂轮的磨耗不均匀引起的。
我们采用现场动平衡仪来进行动平衡校正。
(1)先在法兰盘上粘贴反光条,把光速传感器、振动传感器安装好,得到工频Vrms0=2.52mm/s,相角Ф0=140°。
(2)加试重m=40g,再测得工频Vrms1=1.14mm/s,相角Ф1=152°。
(3)自动动平衡解算得:在Ф2=10°加质量71g。由于其质量块是标准的40g,利用矢量分解得到在Ф=37°和Ф=343°各加质量40g。
(4)再次测量其基频残余振动为0.19mm/s,剩余不平衡质量为5.35g,相角Ф=142°。
也就是说,基频振动从2.52mm/s降低到了0.19mm/s,一次去除了92.5%的不平衡量,剩余不平衡质量和初始不平衡质量的关系也反映出92.5%的不平衡量被去除。
2、双面平衡案例
我们有一台非***标的搅拌器,转速780r/min,长8000mm,直径265mm,其总质量为200kg的底座在开机后振动特别严重,根据现场采集的数据结合实际分析可得出以下结论:转子存在严重的不平衡。由于转子较长,我们于是采用双面现场动平衡,得到如下数据。
主动面A:fn/2=6Hz,V=0.48mm/s;1fn=13Hz,V=7.84mm/s;2fn=26 Hz,V=1.21mm/s;3fn= 40Hz, V=
1.08mm/s。从动面B:fn/2=6Hz,V=
0.46mm/s;fn=13Hz,V=7.91mm/s;2fn=26 Hz,V=1.08mm/s;3fn=40Hz,V=1.25m/s。
从振动频谱分析,工频处的能量远远大于其它频率分量的能量,基本可以确定是不平衡(或轴弯曲)导致了设备振动超标。
在转子端面A加上m=1000g,在转子端面B加上m=850g的试重质量块,解算得到配重质量为:在转子端面A加m=2950g,角度Ф=241°;转子端面B加m=2870g,角度Ф=302°。再次测量得出剩余振动的数据,转子端面A:1fn =13Hz,V=1.21mm/s;转子端面B:1fn =13Hz,V=1.10mm/s。从现场来看振动已明显地降了下来。
二次平衡得到第二次配重质量:在转子A端面Ф=210°处加m=275g;在转子B端面Ф=172°处加m=153g。
总之,通过以上两个实例可以看出,利用现场动平衡技术可以在很短的时间内解决设备转子不平衡的问题,并且效果很好,时间短、见效快,是一种值得推广的实用技术。