（机械工程专业论文）胶印机版滚筒部件动平衡技术研究.pdf

本课题运用动平衡理论分析了胶印机版滚筒组件的不平衡对印刷机整机产 生的不利影响；从设计结构、零件加 _ 等方面找出造成滚筒组件主要不平衡的原 因，并提出了修改意见和控制方法；在单机组试车台上，运用快速现场动平衡的 方法再一次对滚筒组件不平衡量进行微量补偿，保证滚筒平衡精度。所研究的平 衡技术达到了设计要求且便于工人操作，并为其它滚筒提供了解决不平衡问题的 途径。 采用了整体部分整体的方法，对滚筒组件进行平衡计算，编制了相 应的计算机程序。计算出滚筒组件的重量及质径积，并在此基础上对滚筒组件 提出结构修改意见。计算表明，由于滚筒缺口内零件左右不对称，引起滚筒在水 平和垂直方向的不平衡，质径积分别达1 4 2 k gm m 和4 0 9 0 5 4k g m m 。在计算分 析的基础上，对不合理结构进行改进，达到了满意的效果。取消卡舨轴，使版卡 子左右对称。研制了获得良好的滚筒平衡状态的加工工艺。运用平衡理论，采用 加重的方法消除和控制滚筒加工过程中的不平衡量。解剖了滚筒铸件，验证其铸 造精度，将铸造误差控制到最小。分析了滚筒加工的各个环节可能产生的不平衡 因素，并采取了控制措施。重新设计滚筒平衡工具，静平衡和动平衡使用一套平 衡工具。既使滚筒不平衡量得到有效控制，又方便了装配工人组装滚筒。 为避免装配过程中产生的不平衡，运用了快速现场动平衡的方法对整机上滚 筒组件进行了平衡微量补偿。在b e i r e n l 0 4 胶印机版滚筒上的平衡实验表明， 滚筒不平衡量由原来的5 0 0 0 0 0 9m m 3 5 0 0 0 0 0 吕m m ，下降到2 0 0 0 0 9 m m 之内， 效果非常明显。本文的方法及措施已纳入机加工工艺及质量控制指导书中。 关键词印刷机；滚筒：动平衡；平衡计算；不平衡量补偿 a b st i t a c t ab s t r a c t t h i ss u b j e c tu s et h et h e o r yo fd y n a m i cb a l a n c et oa n a l y s i st h eh a r m f u l i n f l u e n c e c a u s e db yu n b a l a n c ep a r t sa s s e m b l e di nt h ep r i n t i n gm a c h i n e i nt h ep a p e r ，i tt r i e st of i n dt h ec a u s eo fu n b a l a n c ei nm e c h a n i s md e s i g n ， m a c h i n i n gp r o c e s sa n dt h e np u tf o r w a r dt h ec o n t r o lm e t h o d i nt e s t i n gs e t o f p r i n t i n gu n i t ， u s et h eq u i c k b a l a n c i n g m e t h o d ，t h e a s s e m b l e d p r i n t i n g c y li n d e rc a ng e tt i n yc o m d e n s a t i o no fd y n a m i cb a l a n c ea g a i nt o e n s u r et h eh i g hb a l a n c i n g q u a l i t y t h i sm e t h o dc a nn o to n l ym a k et h ep a r t s a c h i e v i n gt h ed e s i g nr e q u i r e m e n t ，b u ta l s oc o n v e n i e n c et h eo p e r a t o r ： f i n d i n gt h ew a yf o ro t h e rt y p eo fc y li n d e r sb a l a n c ec h e c k i n ga tt h es a m e t i m e t h em e t h o do fw h 0 1 e j ) a r t i a lw h o l ei sa d o p t e di nt h eb a l a n c e c a l c u l a t i o nb yu s i n gc o m p u t e rp r o g r a m a f t e rc a l c u l a t i o n ，t h eu n b a l a n c e q u a l i t yo ft h ep l a t ec y l i n d e ri sf o u n d b e c a u s et h ep a r t si n s i d et h eg a p o ft h ec y l i n d e ri su n s y m m e t r i c a ld i s t r ib u t e d ，t h eu n b a l a n c eq u a l i t yo i l x ，yd i r e c t i o ni s1 4 2 k g m ma n d4 0 9 1 ) 5 4 k g m mr e s p e c t i v e l y ，t h ed e v i a t e a n g l ef r o mt h er o t a t i o nc e n t e ri s2 5 6 4 。t h ei m p r o v e m e n to ft h ep l a t e c y l i n d e r ss t r u c t u r ei s t oc a n c e lt h ep l a t e c l a m p i n gs h a f tt om a k et h e c y i n d e ri ns y m m e t r y ab e t t e rm a c h i n in gt e c h n o l o g yi sm a d eo u ti nt h i s s u b j e c t w i t ht h et h e o r yo fb a l a n t e ，t h eu n b a l a n c i n gq u a l i t yi sc o n t r o l l e d b yu s i n gt h em e t h o do fa d d i n gc o m d e n s a t i o nb l o c k so nt h ec y li n d e r t h e p r e c i s i o no fc a s t i n gi sc h e c k e dt om a k et h ec a s t i n ge r r o rs m a l l e r ：e v e r y c a u s ed u r i n gt h em a c h i n i n gp r o c e s si sa n a l y z e dt om a k eab e t t e rc o n t r o l ： an e w b a l a n c i n gm e c h a n i s m i s d e s i g n e d ，w h i c h c a r lb eu s e db o t hf o r s t a t e b a l a n c i n gi nm a c h i n i n ga n dd y n a m i c b a l a n c i n gi na s s e m b l i n g i nt h i s w a y ，i ti sn o to n l y t oh a v enb e t e rc o n t r o lo nt h eu n b a l a n c eo ft h e c y l i n d e r ，b u ta l s ot om a k et h ea s s e m b li n gw o r ke a s i e ra tt h es a m et i m e i no r d e rt oa v o i du n b a l a n c ed u r i n ga s s e m b l ep r o c e s s ，t h eq u i c k 一 北京工业大学工程硕士学位论文 b a l a n c i n gm e t h o di sa d o p t t om a k et i n yc o m p e n s a t i o nf o r t h ea s s e m b l e d c y l i n d e r f r o mt h et e s t i n go fb e i r e n 3 0 0p l a t ec y l i n d e r ，t h eu n b a l a n c e q u a l i t yo ft h ei t f r o mo r i g i n a lo f5 0 0 ，0 0 0 9 m m _ 7 0 0 ，0 0 0 9 t i r o li sn o wb e i n g c o n t r o l l e dw i t h i n2 0 0 9 i n n ，t h er e s u l ti so b v i o u s l y t h i sm e t h o dn o wi s b r o u g h ti n t oi n s t r u c t i n gd o c u m e n to fm a c h i n i n ga n dq u a l i t yc o n t r o l ，b e i n g c a r r i e do u tf o r m a l l y k e y w o r d s p r i n t i n gm a c h i n e ：p l a t ec y l i n d e r ：d y n a m i cb a l a n c e ：b a l a n c i n g c a l c u l a t i o n ：u n b a l a n c ec o m p e n s a t i o n 独创，1 生声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别方以标注和致谢的地方外，论文中不包含其它 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 关于论文使用授权的说明 矽护证 本人完全了解北京工业大学有关保留，使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅或借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：楹导师签名；工查盟日期：州 第1 章绪论 第1 章绪论 当前世界经济发展的普遍规律是，在经济发达的国家和地区，在信息产业中 占重要地位的印刷及图像传播产业( t h ep r i n t i n g g r a p h i c c o m m u n i c a t i o n i n d u s t r y ) 己成为国民经济的支柱产业，经济越发达，印刷及图像传播产业的地 位越重要。印刷及图像传播工业的发展普遍受到各国的重视和政策支持。印刷及 图像传播业不仅包括印刷业，还涵盖了出版、包装、造纸、油墨、设备制造、中 小图像设计中心以及政府、企业、银行、商业等部门内部的印刷企业；印刷及图 像传播业不仅是由印刷者组成，而且也包含了与此相关的其他众多领域的员工。 印刷及图像传播已成为各国国民经济和人们日常生活的重要组成部分。 印刷机械向高速度、高效率、全自动、多色的机电一体化方向发展，采用的 最新技术是无轴传动，无水胶印、无缝橡皮布、c t p 一体化方案数字印刷等，印 报用卷简纸胶印机的速度可达每小时7 万1 4 万印，商业用卷筒纸胶印机速度 可达每小时4 万6 万印，多色平张纸胶印机速度已达每小时1 8 0 0 0 印。 1 1 我国e p , | ；i ；l j 工业的现状 从一千多年前，我国发明雕版印刷术以来，科学技术的进步推动着印刷工业 的飞速发展。光学、精密机械、传感技术等先进科学技术被综合应用到印刷领域， 实现了印刷设备的光、机、电一体化。在信息社会的今天，随着计算机、通信、 网络、和磁光记录技术在印刷领域的广泛应用，促进了e p , n 工业的迅猛发展，标 志着印刷术的第三次技术革命的到来。印刷工业不仅在国民经济发展中具有重要 作用，也与人们的日常生活息息相关。它是人们进行信息交流、传播文化和科技 知识的手段，是一个重要的宣传工具。它不但能创造十分可观的经济效益，而且 对国家的政治稳定及精神文明和物质文明建设起到了直接的推动作用。正因为如 此，印刷工业在一些国家已经成为支柱产业。如美国，1 9 9 8 年印刷图像传播工 业，总产值高达2 2 8 0 亿美元，( 相当于我国当年g d p 的四分之一) ，产业规模( 从 业人员和机构数) 仅次子美国餐饮业。图像传播工业中的印刷工业是美国最大的 制造业之一，1 9 9 9 年销售额超过1 5 5 7 亿美元，员工总数已超过1 1 7 3 万人，企 业数目约5 万个。 北京工业大学工程硕士学位论文 香港的印刷业，1 9 9 9 年已经升至香港制造业的首位，企业机构数1 9 0 0 多个， 从业人数4 4 7 万人。 我国的印刷及设备器材工业还远远不是国民经济的支柱产业，更不将它视为 信息产业中的重要组成部分。据初步统计，1 9 9 9 年我国印刷及设备器材工业的 总产值约为1 5 0 0 亿元，占全世界印刷业总产值7 ，5 0 0 亿美元的3 6 ，占全国当 年g d p ( 8 2 7 2 9 8 亿) 的1 8 5 ，占全国当年工业总产值( 3 5 3 3 6 5 亿) 的4 2 4 ， 其中：印前约1 0 0 亿元，书刊印刷约1 3 0 亿元，报纸印刷约1 2 0 亿元，包装印刷 约5 0 0 亿元，印刷机械约5 0 亿元，印刷器材约5 9 4 9 亿元1 4 i 。 我国目前印刷业一般印刷能力过剩，高档精美彩色印刷能力不足，落后装备 多、高质量、高效率的先进装备少，必须用高新技术及先进装备武装印刷业， 进行产品结构调整。我国的印刷机械不论从质量还是速度与国外有较大差距，特 别是高速多色胶印机进口量很大， 印刷机械制造行业作为印刷工业的装备工业，近年来在国家的大力支持下取 得了长足的发展，我国的汉字激光照排系统已跨入世界先进行列，分体式电分机， 桌面系统也有很大的发展。在印刷机方面，不少企业与科研院合作，努力创新， 独立自主地开发新产品，或引进国际先进技术，或建立合资企业，使印刷机品种 增加，质量提高，产量增加，不同程度的满足了国内需求，还有部分产品出口。 以北人集团公司为例，它是我国最大的印刷机生产基地。近2 0 年来，该厂不断 完善信息网络，组织专家进行市场调查，积极预测，认真论证，制定了两个市场 ( 国内，国际) 五个面向( 书刊、包装、装潢、报刊、票证和办公印刷) 的经营战略， 先后投资1 亿多元，开发了3 5 种新产品，出口产品发展到1 3 种，开发的产品全 部达到国际七十年代末八十年代初的水平。北人的胶印机在多色，多品种，系列 化方面有了突破性进展，连续七年出口，远销新加坡、印度、美国、波兰等1 6 个国家和地区。虽然我国的印刷机械制造业取得了一定的成绩，但仍远远满足不 了印刷工业发展的需要，与国外先进水平相比在总体上还有相当大的差距。主要 是产品技术水平低、品种规则不全、可靠性较差等。因此大力发展我国自己的印 刷工业，提高印刷机制造业的水平，仍然是当前急需着手解决的重要课题。 第1 章绪论 1 2 分析影响印刷质量的因素 在印刷过程中，油墨从墨斗经过墨辊到达印版，再从印版转移到胶皮布上， 从胶皮布再转移到承印物上，全部过程包括三个独立过程，即给墨过程、匀墨过 程和转移过程。给墨过程和匀墨过程的任务是油墨的传递和输送。转移行程的 任务是使油墨从印版转移到胶皮布上，从胶皮布再转移到承印物上。胶印过程模 型如图卜1 所示。 橡皮布 图l 一1 胶印过程模型 f i g 1 1t h ec o u r s e = o d e lo fp r i n t i n g 胶印机的滚筒包括印舨滚筒、胶皮滚筒和压印滚筒。各滚筒主要由滚简体、 齿轮和装夹机构组成。滚筒体的圆周上，有印刷工作面和空挡两个部分：滚筒的 印刷面留作转印墨迹之用：而滚筒的空挡一般留作印版或橡皮布的装夹机构以及 纸张咬纸牙所需地位。印版滚筒的直径介于压印滚筒和橡皮滚筒之间，其上装有 印版。它的作用是：固定在滚筒表面的印版，在每转动一周的工作循环时间内， 先和水辊接触，使空白部分先获得水分，后再同墨辊接触，使图纹部分接受油墨， 最后又同橡皮滚筒接触，把图纹上的墨迹转印给橡皮布的表面。橡胶滚筒的直径 是三滚筒中的最小的。其上包衬较厚而有弹性的橡皮布，用以转印从印版上获得 的印迹。压印滚筒的直径是三滚筒中最大的，其直径大小和齿轮节圆，滚枕相等 北京工业大学工程硕士学位论文 或接近相等。滚筒的空挡部分装有咬牙，用以咬住纸张，在压印过程中，和橡皮 布接触获得印迹i2 1 。滚筒的结构性能，制造精度以及对它的调节，直接关系着印 刷产品的质量和机器的生产率。 1 3 国内外动平衡课题的研究动态 1 3 1 动平衡理论的发展 现代的动平衡技术是在本世纪初随着蒸汽透平的出现而发展起来的。随着工 业生产的飞速发展，旋转机械逐步向精密化、大型化、高速化发展，使机械振动 问题越来越突出，由于生产需要，转子平衡理论发展迅速。 本世纪初，大部分转子系统工作在第一阶临界转速以下，转子挠度变形可 忽略不计，转子属于刚性的，对这方面的研究相对简单些，故在3 0 年代后期刚 性转予平衡理论已近成熟。刚性转子的平衡受某一速度限制，如果转速超过这一 限制转速，已经平衡了的转予又不平衡。特别是当转子工作在临界转速以上时， 这种平衡方法己失去作用。 1 9 5 6 年k f e d e r n 提出判断转子刚柔性指标。他认为高于某一转速工作的转 子系统必须考虑转子挠度的影响，转予属于柔性转子。随着生产技术的发展，柔 性转子的动平衡越来越重要，于是相继提出了各种平衡理论及平衡方法，归纳 起来可分为两大类。 第一类：以t h e a r l e 、b a k e r 、g o o d m a n 为代表坚持使用的影响系数法。 该方法是刚性转子动平衡的两平面向量法在柔性转子系统中的推广。 第二类：m e l d a l 、b i s h o p 、g l a d w e l 、f e d e r n 为代表坚持使用的振型平 衡法，或称模态平衡法。该方法是按旋转轴的振动理论把某转速下转子振型分 解为各阶主振型，对这些主振型分别加以平衡，从而达到憨个转子系统的平衡。 这两类平衡理论都试图把转子的挠曲和振动降到尽可能低的程度。它们有各 自不同的目标函数，影响系数法是在各选定的平衡转速下，使转子上各测振点 的振动值为零，它并不能保证在全部转速范围内转子各点的振动都很小：而振 型平衡法要求消除引起前 ，阶振型的不平衡量，而阶以上的各高阶不平衡量 在平衡后仍残留，只是高阶不平衡一般都较小，对转子系统正常工作影响不显 著【。 这两类平衡方法都不能使转子振动完全消除。为了提高平衡精度，相继出现 4 第1 章绪论 了各种修正方法。 1 9 6 4 年g o o d m a n 提出最小二乘法及加权最小二乘法，是对影响系数方法的一 种修正。这种方法的物理意义是寻求组校正质量，使各测振点在各平衡转速下 的残余振动值的平方和最小。 1 9 9 4 年刘正士等人提出转子动平衡的相对系数法，该方法是通过双( 多) 通 道动态信号分析仪直接测量相对系数，提高了平衡效率。k e n n e d y 、b i s h o p 和白 木万博等人采用影响系数法与振型平衡法相结合的一种动平衡技术即所谓“振型 圆”平衡方法，它可以判别主要不平衡量的大体分布情况，大大减少开停车次数， 提高了效益及平衡精度。最近有人提出采用比较系数来判断。 总之，随着研究的不断深入，动平衡理论及方法将不断发展和完善。评价一 种平衡方法、比较各种平衡技术的常规准则是： ( 1 )平衡精度高，也就是平衡后转子残余不平衡量小，在工作转速下( 或在 工作转速范围内) 转子挠曲和内应力小，轴承振幅及动反力小，起动时转子容易 通过临界转速。 ( 2 )易于自动控制，测试仪器简单。 ( 3 )如果采用加( 去) 重方法，则应使校正质量数目少、重量轻。 1 3 2 胶印机滚筒动平衡国内外研究情况 目前在胶印机行业，国外处于领先的德国海德保、罗兰；日本小森等胶印机 生产厂家，由于他们的设计、铸造、加工、安装水平均很高，机器早已提速，因 此，整机、部件的动平衡问题也相应得到解决，达到设计要求。 北人印刷机械股份有限公司( 简称“北人”) 是全国最大的胶印机生产基地， 其产品的性能指标( 套印准、网点实、无墨杠、无重影、无甩角等) 均处于国内 领先水平，多年来得到了用户的认可。它的设计、制造水平基本上代表着中国印 刷行业的水平。目前，国内胶印机整机、部件、零件的动平衡情况是；整机还未 要求做动平衡，只在卷筒纸胶印机的滚筒、轴辊等部分回转零件上提出动平衡的 要求。虽然，卷简纸胶印机( 5 5 0 0 0 张4 , 时) 相对于平张纸( 1 5 0 0 0 张4 , 时) 转 速较高，但其精度要求较低，而且。滚简及轴辊的材料都是钢件，结构基本对称， 不平衡量小易控制。随着胶印机的不断发展，高速度、高效率、全自动、多色、 北京工业大学工程硕士学位论文 机电一体化，已成为印刷机械制造的发展趋势，北人首次在b e i r e n3 0 0 上将平张 纸胶印机的转速由原来的6 0 0 0 张d , 时8 0 0 0 张小时提高至, j l s o o o 张d , 时，并对 滚筒部件提出了动平衡的要求，滚筒部件不平衡量不能大于7 5 k g m i l l 。 1 4 课题研究的目的及现实意义 机械运转时，构件将产生惯性力和惯性力偶矩，这些力或力偶矩在机械各运 动副中会引起动压力，并传到机架上。由于惯性力偶矩的大小和方向随着机械运 转的循环而产生周期性的变化，因此，当它们不平衡时，将使整个机械发生振动， 其后果往往会引起机械本身的工作精度和可靠性下降、零件的磨损和疲劳以及令 人厌倦的噪音。若该振动频率接近机械系统的固有频率时，有可能引起共振，甚 至使机械破坏i 。随着现代高速、重载和精密机械的发展，上述问题就显得更加 突出。因此，改善机械工作性能、减轻有害的机械振动和延长使用寿命，就是研 究机械平衡的目的。 滚筒在高速运转中，由于不平衡所产生的惯性力，会使印刷压力大小发生变 化，产生墨杠，直接导致印刷质量的下降；同时，将使轴承磨损加剧，降低轴承 使用寿命；还会使支撑部件承受较大的惯性力，造成支撑部件的寿命降低。对 滚筒提出动平衡的要求虽然是非常必要的，但同时给滚筒的加工、装配均增加了 难度，也给我们提出了研究滚筒动平衡问题的要求。在b e i r e n3 0 0 样机试制和 小批试制的过程中，滚筒的动平衡均达不到图纸要求，相差从几公斤到二十几公 斤，尤其版滚筒不平衡问题更为严重。另外，受结构限制，版滚筒在不平衡配重 时，需要多次装、拆版卡子，给滚简装配带来了很多麻烦，工作效率低、加大工 人的劳动强度、浪费劳动资源。一个滚筒从毛坯到成品经历了许多环节，滚筒部 件上的零件也较多，且分布不均匀、不对称，因此，产生不平衡的因素也很多， 我们这次研究的目的是找出产生不平衡的主要原因，并对其进行严格、有效的控 制，以便得出解决版滚筒不平衡问题的最佳方案。 1 5 课题研究方法 本课题运用动平衡理论分析了胶印机版滚筒部件的不平衡对印刷机整机产 生的不利影响；从结构设计、铸造、机加工、装配等方面找出造成滚筒组件不平 衡的原因，并提出了控制方法；在单机组试车台上，运用快速现场动平衡的方法 6 第1 章绪论 最后对由于装配误差引起滚筒部件的不平衡量进行微量补偿，保证滚筒平衡精 度。使其达到图纸要求的同时还要方便工人操作。同时也为解决其它滚筒不平衡 提供了解决问题的途径。 从结构设计上对滚筒进行平衡计算，验证其平衡性，并验证结构是否合理， 对不合理结构进行改进；若受结构限制，设计结构不能修改，将对由于结构设计 产生的不平衡因素进行严格控制，也可达到预期的结果。 由于滚筒的形状比较复杂，在计算过程中，采用了整体部分整体的 方法，先将滚筒分成若干部分，对各部分分别进行计算，最后进行综合，便可计 算出整个滚筒的重量及质心积。从而对滚筒组件提出结构改进意见。 滚筒形状比较复杂，计算工作比较繁重，手工计算难免会出现错误，且有的 积分手工难以计算，因此考虑用计算机语言进行编写源程序，运行程序可得到计 算结果。这样既提高了计算精度，又减少了发生错误的可能性。 运用c 语言编写滚筒计算源程序，调试运行程序即可得到结果，在计算过程 中，频繁调用积分函数，只要手工将二重积分或三重积分转化为一重积分，便可 用该积分公式进行计算。 为了提高源程序的可读性，在相应的程序段加相应的注释行，用尽量少的语 句，保证程序的精练性，并且在程序后将程序的执法结果列在了源程序的后面， 以便于与前面的结果加以对照，来判断计算结果正确与否。 解剖滚筒铸件，验证铸造精度，将铸造误差控制到最小。 分析在滚筒加工过程中各个环节产生的不平衡因素，并加以控制。 重新设计滚简平衡工具，使机加工找静平衡和装配找动平衡使用一套平衡工 具。这样即使滚筒平衡工具与滚简上零件位置接近，加工过程中所产生的不平衡 力偶矩，与滚筒上零件位置不对称及设计结构限制所产生的平衡力偶矩基本一 样。又方便装配工人组装滚筒。 在单机组试车台上，运用快速现场动平衡的方法最后对整机上滚筒组件进行 微量补偿。 1 6 课题研究达到的效果 根据实验结果表明，严格按照我们所要求的控制手段进行滚筒加工、做静平 衡、动平衡、使用平衡工具，就可使滚筒不平衡问题得到根本解决，5 个试验件 7 不平衡量由原来5 0 0 0 0 0 ( g 删3 5 0 0 0 0 0 ( g 脚0 ，均控制在2 0 0 0 0 ( g 珊) 之内， 效果非常明显，其方法及措施己纳入机加工工艺及质量控制指导书中，形成正式 文件。投入成批生产。 第2 章动平衡理论 第2 章平衡理论与测试分析 机械运转时，各种回转体，由于材质不均匀或毛坯缺陷、力n - r - 及装配中产生 的误差，甚至设计时就具有非对称的几何形状等多种因素，使得回转体在旋转时， 其上每个微小质点产生的离心惯性力不能互相抵消，回转体的不平衡是旋转机械 主要的激振源，也是许多种自激振动的触发因素。不平衡会引起回转体的挠曲和 内应力，使机器产生振动和噪声，加速轴承等零件的磨损，降低机器的工作效率， 若该振动频率接近机械系统的固有频率时，有可能引起共振，甚至使机械破坏。 随着近代高速、重载和精密机械的发展，上述问题就显得更加突出。因此，改善 机械工作性能、减轻有害的机械振动和延长使用寿命，就是研究机械平衡的目的。 2 1回转体的平衡原理 本课题研究的平衡问题是绕固定轴回转构件的惯性力的平衡问题，简称回转 件( 转子) 的平衡问题。 任何一个回转体旋转时，其体内无数个微小质点都将产生离心惯性力，这些 无数的离心惯性力，组成了一个惯性力系，作用在回转体上，使其产生弯曲变形。 弯曲变形改变了质点至旋转轴线的距离，使离心惯性力大小产生变化，又使回转 体产生新的变形，如此反复，直至抵抗变形的弹性恢复力与离心惯性力平衡为止。 因此，这类问题实质上是通过消除运动副中的动压力的办法两达到机构平衡 的目的。这类机构中是只有一个回转运动的运动构件，运动副中动压力的产生主 要是由于回转体各质量分布不均匀引起的，固可用重调其质量大小和分布的方法 使机构上的所有质量的惯性力的惯性力系形成一个平衡力系，从而消除运动副中 的动压力及机架的振动f 1 7 j 。 工程中，若回转体在离心惯性力系的作用上，只产生微小的变形，则称其为 刚性回转体，并忽略其变形，反之。则称为柔性回转体。本课题所研究的对象是 b e i r e n3 0 0 版滚筒，由于它是一个回转体，而且其转速较低，转速为2 5 0 转 分，变形不大，可以看作是刚性回转体。 平衡一般是在垂直于旋转轴线，且被称为校正面的平面上迸行。剐性回转体 的静平衡，一般只需要一个校正面即可。此校正面应为质心所在的平面或离其很 北京工业太学工程硕士学位论文 近的平面。反之，则选择两个校正面。对于刚性回转体的动平衡必须要两个校正 面才行。校正面的位置，一般由回转体的结构决定。 2 | 2 静平衡理论 回转体静平衡的条件是：分布于该回转件各个质量的离心力的合力等于零或 质径积的向量和等于零。 对质量分布在同一回转面内的回转件等速转动时，各质量所产生的惯性力构 成同一平面内祀交于回转中心的力系。如果要平衡，应在同一回转面内加一质量 ( 即相反位置加一质量) ，使其相应的离心力与原有的质量所产生离心力的合力 等于零。该力系就成为一平衡力系，回转件即达到平衡状态。 表达式为：f = 圪+ e = 0( 2 一1 ) 式中f 总离心力 而平衡质量离心力 e 原有质量离心力的合力 若以质量表示，则上式可写成： 小p 口2 = m 6 飞口2 + m ，口2 = o ( 2 - 2 ) 消去公因子盯2 得： 掰e = 掰6 矗+ m i = o ( 2 3 ) 式中：附一回转件总质量 p 一回转件总质心的向径 埘6 _ 平衡质量 n 平衡质量质心的向径 删，原有的各质量 r 原有各质量质心的向径 质量与向径的乘积相对地表达了各质量在同一转速下离心力的大小和方向， 所以，回转件静平衡的条件是，分布于该回转件上的各个质量的离心力的合力等 于零或质径积的向量和等于零，如图( 2 1 ) 所示。 1 0 第2 章动平衡理论 m b r b + “1 ，l + m 2 r 2 + m 3 r 3 = 0 图2 1 同一回转平面内平衡力系矢量图 f i g2 l t h ed y n a mv e c t o r g r a p hi ns a m er o t a t i n gp l a n e 2 3 动平衡理论 由于版滚筒部件为轴的宽度较大的回转件。对于质囊分布不在同一回转面内 轴向宽度较大的回转件，其质量分布不能近似地认为是位于同一回转面内，而应 该看作分布于沿轴向的无数相互平行的回转面内。回转件转动时所产生的离心力 不再是一个平面汇交力系，而是空间力系。下面分别以单平面和多平面内的质量 在两校正面上的分解的情况为例加以说明。 2 - 3 1单平面内的质量在两校正面上的分解 如图( 2 2 ) 所示，在某一平面内的质量m b ，可以分别用任意选定的两平行 平面r 和7 ”的另两个质量埘6 和卅6 ”来代替。 其动平衡计算表达式为： 圪。+ 昂”= f 6 ( 2 - 4 ) 以相应的质径积的值代入得 吒l = 屹”l ” 式中心、凡、r ”质量m 6 、m 6 、m 6 ”， 的离心力 m b ，r r t 6 、m 69 分布于各平面的质量 m 6 r b + b n r b 2m b r b r b l 。r b l ( 2 5 ) 回转时产生的三个相互平行 ( 2 - 6 ) ( 2 7 ) 北京工业大学工程硕士学位论文 式中r b ，r b7 、r b ”各质量质心距轴线的距离 l 、l7 质量m b 平面距t7 、7 ”两平行面的距离 令l = l + 可得： 叫= 等m a l 吃2 i 用b r b 当r b = r b ”= r b 时以上两式可变成 k l l m b ”= 等 l l r 囡搦 llj l 豳豳 ， r f ? n 厂、。f 、j 1 ，、 一 一一 ，一 、 f ( 2 8 ) ( 2 - 9 ) r 2 1 0 ) r 2 - 1 1 ) i r ” r 图2 - 2 单平面内的质量在两校正面上的分解图 2 2t h ed e c o m p o s es k e t c hi nt w oe m e n d a t i o np l a n e so f t h em a s si ns i n g l ep l a n e 2 3 2多平面内的质量在两校正面上的分解 如图( 2 3 ) 所示，回转件的不平衡质量虽然分布在1 、2 、3 三个平行回转面 内，但是，完全可以被集中分布在丁7 和丁”两个回转面的各不平衡质量所代替。 对于了1 回转面由式( 2 - 6 ) 可得： m b r b + m 1 1 + 2 r 2 + m 3r r 3 = 0( 2 1 2 ) 1 2 第2 章动平衡理论 同理对于回转面为： ”+ m l t , 1 + m 2 ? 2 + m 3 r 3 = 0( 2 - 1 3 ) 原来分布在回转面l 、2 、3 内的不平衡质量m l 、m 2 、m 3 ，可以被任意的两 回转面t 和t ”的质径积m b7 r b 和棚6 r b7 来平衡，由此可见，对于质量不在 同一回转面内的回转件，它的不平衡可以认为是在两个任选回转面内各有一个不 平衡的质量所产生，要达到完全平衡，必须分别在上述任选的两个回转面f 即平 衡校正面) 内各加上适当的平衡质量。此时，回转件离心力系的合力和合力偶矩 都等于零，可以说此时回转件经平衡后，在一定精度范围内，其离心惯性力系是 一个平衡力系，其某一中心惯性主轴与旋转轴重合引。这类平衡称之动平衡( 工业 也称双面平衡) 。所以，动平衡的条件是：分布于该回转件上各个质量的离心力 的合力等于零；同时，离心力所g i 起的力偶的合力偶矩也等于零。 口 k 岱n 寸 z 二之7 、p 图2 3 多平面内的质量在两校正面上的分解图 f i g 2 - 3 t h ed e c o m p o s es k e t c hi nt w oe m e n d a t i o np l a n e so ft h em a s si nm u l t i p l a n e 北京工业大学工程硕士学位论文 由于动平衡时满足了静平衡的条件，故经过动平衡的回转件一定是静平衡 的。反之，静平衡的回转件不一定是动平衡的。至于质量分布在同一回转面的回 转体，因离心力在轴面内不存在力臂，故静平衡后也满足了动平衡。 我们所研究的b e i r e n3 0 0 版滚筒因其在两支撑点之间的结构是完全对称 的，所以，各质量转化到两端平面的质量是完全相等的，故可将总质量分为相等 的两部分分别作用于左端和右端。所以在加平衡块时也可左右对称，这样既满足 动平衡条件，又满足了静平衡条件。 2 3 3 两平面影响系数法 实际上回转体的不平衡量分布事先并不知道，它是沿回转体轴向和径向任 意、随机分布的，在实际的平衡过程中，不可能也没有必要来确定不平衡量的实 际分布状况，然后，在每一个平面上来进行平衡，而只能人为地在回转体某一些 平面上，加上或减去一些质量，这些质量我们称为校正质量。平衡的过程就是要 在平衡面上找到加或减去校正质量的位置和大小，加上或减去校正质量。这些校 正质量激发的振动与原始不平衡所产生的振动尽可能地抵消，达到平衡回转体、 减小振动的目的。但是，校正质量大小和方向的确定不能用图( 2 2 、2 - 3 ) 中的 方法，而要依赖于一定的测试方法。能否正确地确定校正质量的大小和方向是平 衡成败的关键。这一步骤可以直接在各种通用动平衡机上进行，也可以在回转体 的原配轴承座上利用通用的振动测试仪表来完成。它们的主要平衡方法就是两平 面影响系数法【1 4 】1 4 0 j 1 4 l l ，也就是通过试验测出回转体内等效的不平衡分布( 即不 能测出连续的不平衡分布函数，但能确定在各校正面上的等效不平衡量的大小及 相位) ，其原理和主要步骤如下： ( 1 ) 在机器上选定两个测振点a 、b ，并测出平衡前a 、b 点的原始值a 0 、 b o 。a 0 、b o 是矢量，它包含幅值和相位。通常回转体上还标有基准信号，作为测 量基准和相位基准。根据回转体的结构选取两个校正平面i 、i i ，加重半径分别 为，、n 先在平面i 中加一试重q 1 ( 其质量为q 1 ，相对于回转体参考标记的 方位角，顺转向计算为y 。，) 。在同一平衡转速下测得a 、b 点的振动为a l 、b l 。 在极坐标中绘出所测得的各振动矢量如图( 2 4 a 、b ) 。 显然，矢量a 1 a 0 、b 1 b o 为平面i 上试重q 1 所引起的轴承振动的变化，称 1 4 第2 章动平衡理论 为试重q l 的效果矢量。方位角为零厦的单位试童的效果矢量称为影响系效q 、 崩即： q = 警( 2 - 1 4 ) 届= 警( 2 - 1 5 ) ( 2 ) 取走0 1 ，在平面i i 上加试重岛( 质量为q 2 ，方位角，、半径n ) a 同 样测得a 、b 的振动为a 2 b 2 , 从而算得效果矢量a 2 一a o 、历毋口如图( 2 4 e 、d ) 以及影响系数 嘞：了a 2 - 4 0 ( 2 1 6 ) q 2 、 岛= 警( 2 - 1 7 ) ( 3 ) 校正平面i 、i i 中所需所的校正质量p j 、n 可由下式求得 瞌捌= 一豳 阱一匕铆甜 r 2 - 1 8 ) r 2 - 1 9 ) 佗- 2 0 ) 其物理意义是加上j p j 、n 校正质量后，抵消了回转体原来的不平衡，在式 ( 2 - 2 0 ) 中、口：、届、履和4 、鼠均为已知数，即可求出p l 和n ，p 1 、a 的模分别表示校正质量的大小p i 、n ，其相位角分别为y p 1 、y ，：，加重半径为 ，1 、圪o ( 4 ) 在回转体己选定的校正面按上面所算出的相位角及加重半径加上校正 质量p 1 、n ，重新转动回转体，如振动己减小到满意的程度，则平衡结束。此时。 可以说在一定精度范围内，其离心惯性力是一个平衡力系，即某一中心惯性主轴 与旋转轴重合，校正质量激发的振动与原始不平衡所产生的振动，从总体上尽可 能地抵消了。但是，一个回转体即使己经过平衡，从任意一薄片或一个小轴段来 看，不平衡仍然存在，不可能做到理想的平衡。 呜氓 i i 一哪隅 n 毋q 崩 ( 5 ) 影响系数法针对某一固定转速，可以得到最好的效果，若转速范围较 宽，应测取若干个影响系数矩阵，进行综合考虑，以决定校正不平衡量。 h厂 悼卜 五h 。 爿k 是i 毒寿龇 ， ( | 力吲i 扣h f y ( # )f d 】 图2 - 4 在相同转速下测得不同截面的振动矢量图 f i g2 - 4 t h ev i b r a t i o nv e e t o r g r a p ho f d i f f e r e n ts e c t i o n si ns a m er o t a t es p e e d 2 4 平衡的校正方法 不论是刚性回转体，还是柔性回转体，不论是作静平衡，还是作动平衡，校 正方法均可划分为加重、去重或调整校正质量三类方法【3 9 1 。本课题是采用加重的 方法来消除滚筒的不平衡量。 ( 1 ) 加重的校正方法 加重的方法就是在己知该校正面上折算出不平衡量u 的大小及方向后，有意 在u 的负方向上给回转体负加上一部分质量m ，并使质量肌到转轴线的距离， 与质量埘的乘积等于u ，即m r = u ，显然，该校正面上的不平衡被消除了。加重 可采用补焊、喷镀、胶接、铆接、和螺纹联结等多种工艺方法加配重质量。加重 中，若附加质量体积较大，应准确计算出其质心的位置，并按此位置计算，。 ( 2 ) 去重的校正方法 去重的方法就是在已知该校正面上折算出不平衡量u 的大小及方向后，有 意在u 的负方向上从回转体去除一部分质量耽当m r = u 时，去除的质量m 产 1 6 第2 章动平衡理论 生的不平衡量就是u ，因而该校正面上的不平衡也被消除了。去重可采用钻、磨、 铣、锉及激光打孔等多种工艺方法去除质量。 ( 3 ) 调整校正质量的校正方法 调整校正质量则是预先设计出各种结构如平衡槽、偏心块、可调整径向位置 的螺纹质量小块等，通过调整各种结构中的校正质量块的数量、或径向位置、或 角度分布，达到抵消不平衡量u 的目的。 总之，无论使用那一种校正方法，要求加上或去掉或进行调整的不平衡量的 大小和方向应该准确。一个回转体达到平衡是相对的，从任意- - + 段来看，不平 衡还是存在的，只能说是在一定精度范围内，其离心惯性力系是一个平衡力系， 即某一中心惯性主轴与旋转轴重合。 2 5 动平衡机简介 动平衡机是用来测试和确定已选定校正平面内的校正质量大小和方向的，其 结构组成和工作原理将在本节具体讨论。 2 5 1 动平衡机组成 刚性转子在平衡机上的平衡，为适应不同对象和不同的平衡要求，有种类繁 多的平衡机。一台通用的平衡机一般由驱动系统、支承系统、解算和标定电路以 及幅值和相位指示系统等组成。 ( 1 ) 驱动系统：带动转子以所选定的平衡转速转动。驱动方式有万向节驱 动、围带驱动、摩擦轮驱动、气驱动、磁驱动以及转子自身驱动等多种形式。 ( 2 ) 支承系统：用以支承转子，并在转子不平衡离心力激发下作确定的振 动。振动经适当的传感器转换成电讯号，输给解算电路。 ( 3 ) 传感器：主要用以把支承系统的振动信号转换成电信号。通常采用速 度传感器、电容传感器等。 ( 4 ) 解算和标定电路：将传感器送来的电讯号加以分析和变换，针对具体 的转予及所选校正面的位置，分离左右两个校正面的相互影响，确定指示系统的 灵敏度。 ( 5 ) 幅值和相位指示系统：根据解算结果指出校正质量的大小和相位。 ( 6 ) 有些平衡机上还装有校正装置，能根据求出的校正质量，在转子上自 1 7