[科普中國]-高速主軸動平衡技術

簡介

高速主軸在運行過程中產生的振動對零件加工精度、表而質量等造成的破壞問題，對離線動平衡技術、在線動平衡技術及其在線動平衡裝置的發(fā)展情況進行了研究與總結，對高速主軸在線動平衡裝置的動平衡原理和在應用過程中存在的優(yōu)點與不足進行了分析與歸納，對高速主軸在線動平衡技術及其動平衡裝置的未來研究方向進行了展望。研究結果表明，廣泛應用的混合式在線動平衡技術以及電機驅動式、噴液式和電磁驅動式3種最具代表性的在線動平衡裝置是未來發(fā)展趨勢;該技術重點是提高動平衡效率、快速響應能力、精度、適應性和耐用性;混合式在線動平衡技術及其高性能在線裝置在高速主軸動態(tài)平衡方而具有廣闊前景。

隨著高速主軸的不斷應用和發(fā)展，對主軸各項指標的要求越來越高創(chuàng)。高速機械主軸動不平衡和振動成為影響加工精度的重要因素。資料顯示，由于振動原因導致設備失效占比為60%-70%，即使是精度極高、經過良好靜平衡的機床主軸，也會存在設計、制造、工件裝夾、磨損、負載沖擊等多種原因破壞原有平衡狀態(tài)。通用的離線動平衡方法對于高速主軸平衡調試過程中需要數次開關機才能將設備進行精準的調試。對于剛性轉子和柔性轉子在必要時需要將其拆下，放到特定平衡機上進行平衡調試，復雜繁瑣平衡過程導致平衡效率低，調試精度不能達到要求，這些平衡方法己不能滿足現代企業(yè)生產要求，必須要實現更加高效、精確平衡技術和平衡裝置的發(fā)展和創(chuàng)新。

高速主軸在線動平衡可在主軸正常運行過程中，實時監(jiān)測轉子的振動情況，并消除出現的不平衡，無需停機就可以快速、高效實現高精度的平衡，排除動平衡過程出現的錯誤、提高平衡精度和效率、減少停機損失。目前仍然有無數國內外研究學者針對在線動平衡方法、策略、裝置等各個方面展開研究。目前，現存的多種消除機械主軸不平衡的技術和方法己經在實踐中得到廣泛應用。隨著對高速主軸技術的研究、發(fā)展與創(chuàng)新，將會出現更加高效、精準的在線動平衡技術和平衡裝置。

通用動平衡技術撓性轉子動平衡技術K. Federn在1956年提出，當轉子系統(tǒng)高于第一臨界轉速時，必須考慮撓度對動平衡的影響。撓性轉子動平衡方法有單面影響系數法、模態(tài)平衡法、無試重平衡法等。

單面影響系數法影響系數是指轉子待平衡面上的單位不平衡量在某一個振動檢測點所產生的振動響應。

上海交通大學機械與動力工程學院在2002年基于單面影響系數法進行動平衡測量研究，以高性能DSPF2808芯片作為測控單元。實驗結果表明:該方法能準確得到動平衡值的大小與相位，對有旋轉部件構成的機械設備生產應用和維修具有實際應用價值。

西安交通大學機械工程學院應用影響系數法實現砂輪軸的現場動平衡?；贚abVIEW開發(fā)專門用于砂輪盤類轉子現場單面平衡的虛擬儀器系統(tǒng)，試驗表明:平衡校正系統(tǒng)能夠有效抑制不平衡引起的基頻振動，進而達到減振目的。

在大多數發(fā)電廠進行汽輪機轉子平衡時，影響系數法的應用在縮短平衡時間、提高平衡精度等方面比兩點法、三點法、試加質量周移法等會更加廣泛和高效。

模態(tài)平衡法模態(tài)平衡法利用了轉子振動不平衡響應的性質，每一模態(tài)用一組確定的質量進行平衡在該模態(tài)下的平衡還不能影響己經平衡的低階模態(tài)。

西北工業(yè)大學教授驗證了該方法的正確性，在一高速模擬轉子試驗器上進行無試重動平衡試驗，一次平衡后，轉子過臨界時振幅平均降低70%。實驗表明，無試重模態(tài)動平衡方法能夠有效、快速、精準獲取撓性轉子的振動幅值和相位。

西北工業(yè)大學振動工程研究所提出利用升速響應振幅進行柔性轉子模態(tài)平衡方法，針對穩(wěn)態(tài)平衡方法所面臨問題，利用起動過程中瞬態(tài)幅度信息進行柔性轉子雙面平衡，結果表明，不需要相位信息的平衡方法，有效降低轉子的瞬態(tài)殘余振動，提高平衡效率1。

無試重平衡法無試重平衡方法利用數值模擬在平衡面上試加虛擬質量塊，確定轉子在檢測面處振動相位相對于平衡面處原始不平衡力所在相位之后的角度。

中航工業(yè)航空動力機械研究所和西北大學動力與能源學院探索一種跨二階柔性轉子無試重模態(tài)平衡方法是目前無試重模態(tài)平衡方法中創(chuàng)新和先進的一項技術。其解決了傳統(tǒng)柔性轉子動平衡方法需要添加試重、多次啟動問題，發(fā)展了一種基于無試重模態(tài)動平衡方法的柔性轉子二階動平衡方法。運用該方法平衡后一階振幅下降59.44%，二階振幅下降97. 56%。試驗結果表明:該方法可有效降低轉子不平衡振動，減少平衡開車次數，大大提高了轉子的平衡效率。

西安電子科技大學機電工程學院和西安交通大學機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室提出柔性主軸轉子低速無試重動平衡方法，實驗中工作轉速為7 200r/min，結果表明:對不平衡量校正后，一階臨界轉速下主軸振動幅值下降了74.7%，臨界轉速前后振動降幅明顯，有效抑制高速振型不平衡。

剛性轉子動平衡技術由于轉子材質不均勻、制造、裝配誤差等原因，產生的不平衡量是產生振動、噪聲重要根源。目前剛性轉子動平衡方法應用較廣的是雙面影響系數法

由于重新設計現有機床或者機械主軸系統(tǒng)的難度很大，而對于動平衡裝置的結構設計較為容易，目前很多學者在雙面動平衡技術和動平衡裝置結合的研究方面取得很大發(fā)展。

近些年來重慶大學機械傳動國家重點實驗室研究學者提出基于影響系數法的不卸試重現場動平衡算法。該方法利用配重平衡轉子原始不平衡量和未卸下試重?，F場試驗表明:該算法有較高平衡精度，簡化了現場動平衡試驗操作步驟，減少了現場動平衡操作時間。

北京工業(yè)大學機械工程與應用電子技術學院的研究學者基于盤式在線動平衡裝置原理，提出液壓驅動平衡盤與主軸分離，基于雙平面影響系數法的原理，該方法提高機床主軸關鍵部位的平衡效果，具有現實意義。

哈爾濱工業(yè)大學學者李勇研究磁力平衡方法在線動平衡機技術，提出一種采用無接觸同步旋轉電磁力作為平衡矢量在線動平衡機設想，分析和計算定子繞組方波供電時電磁力幅值與相位的波動誤差，計算結果證明了方案的可行性。

在線動平衡技術高速主軸在線動平衡技術細分為:直接法、間接法、混合法。

直接在線動平衡方法噴涂式在線動平衡方法圈將高粘度物質噴射到轉子上，改變轉子重心位置實現動平衡。高速旋轉下對轉子噴射高粘度物質附著在轉子上產生很大動量，對轉子在短時間內產生巨大的沖擊，從而產生了新的不平衡量。

噴液式在線動平衡裝置改變平衡頭重心位置實現在線動平衡。噴液式裝置己經應用于磨床，但在使用過程中也存在因容腔容量有限導致平衡能力受限制的問題，而容腔中液體的揮發(fā)也會影響平衡精度。

去重式在線動平衡裝置采取激光法Czal，這種方法平衡精度高、易于控制，但是由于激光束會使轉子表面產生傷痕，降低疲勞極限、影響表面質量、縮短使用壽命。由于激光是在短時間內將微量金屬氣化，平衡能力受限。

間接在線動平衡方法間接在線動平衡方法通過作動器或軸承等方法間接調整主軸動平衡的方法。這種裝置是在平衡頭或者平衡盤上加與不平衡力大小相等，方向相反的力來消除不平衡量從而達到轉子系統(tǒng)動平衡。該類裝置主要有電磁軸承型在線動平衡裝置和電磁圓盤型在線動平衡裝置。這兩類裝置通過在電磁軸承處或者在平衡圓盤處安放變頻器，使其為轉子系統(tǒng)提供與轉子旋轉角速度相同頻率的電磁力，使轉子系統(tǒng)達到平衡狀態(tài)。由于轉子在運轉過程中，要時刻受到電磁力作用，對于整個系統(tǒng)耗費能量、不環(huán)保，裝置結構復雜、體積大、成本高，其用于不長期運行的旋轉機械。

混合在線動平衡方法國內學者們進行深入研究的平衡頭主要集中在混合式，由于混合式平衡頭法的相對優(yōu)越性，目前，有3種常見平衡頭:電機驅動式機械平衡頭、液體噴射式平衡頭和電磁式平衡頭

在線動平衡技術研究展望目前，高速主軸與在線動平衡技術之間聯(lián)系十分緊密，高速主軸在線動平衡技術己成為機械加工等制造業(yè)方向著重開發(fā)與研究重點。目前對各類傳感器、計算機技術、數字通信技術、信號處理技術、精密加工與制造等己有十分深入研究，隨著這些技術發(fā)展，主軸在線動平衡測試技術和動平衡裝置發(fā)展方向主要體現在以下幾個方面:2

(1>結構設計更加標準化。有些動平衡裝置在結構上設計不合理，體積較大，導致安裝過程十分不便，應該針對不同型號主軸，設計一套與主軸相適應標準，使動平衡裝置能夠與主軸尺寸相適應，使得安裝、操作過程更加簡便容易。

(2)平衡效率高、操控更簡便。由于動平衡技術應用不當或者平衡裝置本身不足，在線主軸動平衡過程在特定工況下，原本應該可以快速將不平衡量抵消，卻花費較長平衡時間，導致平衡效率十分低下。針對不同工況、實驗環(huán)境下高速主軸，在線動平衡技術和裝置都應該擁有更加高效、而且操作簡便的方法和途徑。

(3)更長使用壽命長、成本低廉。一方面要求在線動平衡裝置擁有較長的使用壽命，另一方面價格還要低廉，這樣高性價比的平衡裝置在未來的市場中才會擁有一席之地。

(4)更先進的測試系統(tǒng)。動平衡測試過程更多采用非接觸間接測試，這就要求平衡測試系統(tǒng)擁有如先進傳感器技術、數字通信技術、信號處理技術等，某些在線動平衡系統(tǒng)己實現自動檢測、自動跟蹤補償等能力，這些大大提高在線動平衡測試精度。

(5)研制新型材料、創(chuàng)新算法。材料對于平衡裝置作用明顯，有些平衡裝置與主軸接觸部分在高轉速下發(fā)生熱膨脹，影響內部動平衡塊的移動與調試。很多國內外動平衡算法的不斷研究、發(fā)展和創(chuàng)新，推動在線平衡技術向更加積極、尖端的方向發(fā)展，不斷提高動平衡精度與平衡效率。

(6)網絡化、智能化精密加工與制造。目前，先進在線自動平衡系統(tǒng)最佳平衡精度己經達到0. 1 }.},m(振動峰值)，網絡化、智能化技術也正在改變著加工生產方式，未來需要利用好網絡自動控制技術、在線動平衡系統(tǒng)網絡通訊和遠程控制功能。

總結在線動平衡技術目前應用廣泛。離線動平衡需要頻繁開關機，對平衡效率和精度有影響，對機器損壞嚴重，在線動平衡不需要頻繁啟動主軸轉子，避免了平衡過程中出現這一問題3。

多種類型動平衡裝置的研究、生產。在線動平衡裝置應用到磨床、車床等各類小型加工設備上和越來越多的汽輪機、風機、離心機、壓縮機等大型設備上。多種類型動平衡裝置己經在實踐應用中取得良好特性。

從離線、在線動平衡方法和各類動平衡裝置兩方面來看，每種平衡技術都有各自的應用范圍，每種動平衡裝置也都有其各自的優(yōu)勢與局限性所以每種動平衡技術、裝置都仍然有創(chuàng)新、發(fā)展的空間。不同的平衡方法、裝置在高速機械主軸方面的應用都應該得到廣泛的重視。

在未來研究過程中，在學者己經完成的研究成果基礎上，繼續(xù)對高速主軸調控策略、動平衡算法在線動平衡技術等各方面進行創(chuàng)新，開發(fā)研究高可靠性、高精度的動平衡裝置，為各種類型機械設備加工水平和效率提升方面提供技術支持。利用好網絡化技術，將動平衡技術和網絡通訊、遠程控制結合在一起，為用戶提供個性化、安全服務?？傮w而言，保證高精度、高效率、快速響應、智能化的安全加工生產將是未來動平衡技術及其裝置的發(fā)展方向和研究重點。