毕业设计（论文）-双面硬支撑卧式传动轴动平衡机设计.docx

郑州轻工业学院本科毕业设计（论文）题 目 双面硬支承卧式传动轴 动平衡机设计 学生姓名 袁发业 专业班级 机械电子工程11-03 学 号 541102010354 院（系） 机电工程学院 指导教师（职称） 云康（讲师） 完成时间 2015年5月25日 双面硬支承卧式传动轴动平衡机设计双面硬支承卧式传动轴动平衡机设计摘 要在工业和科学技术的迅猛发展的当今社会,各类旋转类机械转子不论其转速高还是低,对精度、稳定性等性能要求都越来越高,随之而来的平衡问题也越来越受到业界重视。在机械系统的组成中,旋转机械占据着重要的地位,无论是在航空航天,汽车电力,还是船舶制造,农业生产中,平衡机的作用都举足轻重。平衡行业发展早期,由于机械的旋转速度较低,对机械转子一般情况下只需要进行静平衡(单面)矫正即可。随着现代化设备朝着高速化方向发展,转子的不平衡问题就必须借助动平衡(双面)的方法来解决。动平衡机有软、硬支承，卧式、立式之分。就支承特性而言,硬支承平衡机于上世纪70年代才登上历史舞台,它的出现是平衡机发展史上的一次飞跃,具有划时代的革命性意义。本次毕业设计的研究方向即为双面硬支承卧式动平衡机,重点设计针对汽车传动轴的动平衡校正的动平衡机。关键词 动平衡/硬支承/传动轴平衡机 Design of horizontal drive shaft dynamic balancing machine with double side hard supportABSTRACTWith the rapid development of industry and science technology, the precision and stability requirements to all kinds of rotary machines regardless of high or low speed are getting higher and higher, while the balance problem is becoming more and more respected by the industry.In the composition of the mechanical system, rotating machinery occupies the important position. Meanwhile the balancing machine plays a decisive role ,whether in the aerospace, electric, cars, the ship manufacturing or the agricultural production .In the early stage of the development of the balance industry, the mechanical rotation speed is lower, and the rotor is generally only need to carry on the static balancing correction (single side).With the development of modern equipment in the direction of high speed, rotor imbalance problem must be solved by means of dynamic balance (double side) method.The dynamic balancing machine can be divided into the soft and hard supports according to the different supporting characteristics, and can be divided into horizontal and vertical axis according to the axis direction of the rotor. As far as the supporting features are concerned, the hard-supporting-balancing machine was invented in the seventy of the last century, and its emergence is a leap in the development of the balancing machine, and it has revolutionary significance. The research direction of this graduation design is the horizontal type dynamic balancing machine for the double side hard support, and the key is the dynamic balance correction of the automobile transmission shaft.Keywords dynamic balancing,hard support, drive shaft balancing machine目 录摘 要IABSTRACTII1绪论11.1课题的背景和意义11.2课题研究内容及要求11.3国内外动平衡技术研究与发展状况21.3.1国外动平衡技术研究与发展现状21.3.2国内动平衡技术研究与发展现状41.4动平衡机的基本构成、种类及其应用51.5动平衡发展趋势与展望61.6 小结72 转子的动平衡原理82.1转子产生不平衡的原因及其危害82.2不平衡的种类102.2.1静不平衡102.2.2力偶不平衡102.2.3动不平衡102.2.4准静不平衡102.3刚性转子的动平衡原理112.4挠性转子的动平衡原理112.5小结123 平衡机的总体设计133.1动平衡机传动方式的选择143.2驱动方式的选择153.3动平衡机的支承方式的确定153.4 小结164 平衡机机械结构的设计与计算174.1 底座设计174.2 电机选型184.3 电机支架设计204.4 V带传动的设计计算224.5 主轴轴承的选型与校核274.6主轴的设计284.7 左摆架轴的设计304.8 右摆架轴的设计314.9 摆架轴承的设计与校核314.10 平衡机摆架行走机构的设计324.11 小结345 平衡机的测量系统355.1测量系统概述355.2测量原理355.2.1直流分量375.2.2基波分量375.2.3谐波分量385.2.4异频分量和噪声395.3小结39结束语41致 谢42参考文献43附 录45VI1绪论1.1课题的背景和意义 在工业和科学技术的迅猛发展的当今工业界,各类旋转类机械转子不论其转速高还是低,对精度、稳定性等性能要求都越来越高,随之而来的平衡问题也越来越受到业界重视,相应的平衡校正技术也应运而生。经过漫长的生产实践,平衡技术已经逐渐成为一门独立的学科。在机械系统的组成中，旋转机械占据着重要的地位，无论是在航空航天，汽车电力，还是船舶制造，农业生产中，它的作用都举足轻重。日常生活中，我们所常见的绝大部分旋转机械都是以转子作为主要部件的。然而，由于结构设计，产品材质，毛胚缺陷以及安装制造等多方面因素的影响，常常导致工件质量分布不均，中心惯性主轴和它的旋转轴线不重合。从而导致机械转子在旋转过程中产生不必要的离心力，造成一系列的问题与危害。例如，使机器支承遭受到动载荷的作用，影响支承部件的正常工作；造成机械动、静部分磨损，基础松裂而过早破坏，严重时可能造成危险事故；产生噪声，扰动周围设备和仪表，恶化工作环境，影响员工的省心健康等 。所以如何有效消除转子不平衡所带来的危害一直是业内人士关注的一个重要问题。所谓平衡机，指的是一种用于测定转子不平衡量的机器。概括来讲就是通过测定并改变被测转子的质量分布状况，以达到改善机械转子运转性能的一种机器。平衡行业发展早期，由于机械的旋转速度较低，对转子通常只需要进行静平衡矫正即可。随着现代化设备朝着高速化方向发展，一方面转子的转速成倍的提升，另一方面“细而长”的转子也越来越多，这时转子的不平衡问题就必须借助动平衡（双面）的方法来解决。动平衡机的类别视具体的分类标准而定，不同的分类标准所得的分类结果也有所不同，例如如果按照支承特性来分可，大致分为软支承和硬支承两类；按转子轴线方向来划分，大致可分为卧式和立式两类。就支承特性而言，相对于软支承的硬支承平衡机上世纪70年代才被研发出来，它的出现被公认为是平衡机发展史上意义非凡的一次飞跃。1.2课题研究内容及要求本次毕业设计根据市场需求，以双面卧式硬支承型平衡机为主要研究对象，重点针对汽车传动轴的动平衡校正。要求大量查阅相关的文献资料，研究市场上现有的产品，提出设计方案，设计出传动轴平衡机的总体机械结构，做出3D效果图，机械结构装配图及关键零部件的零件图。最终撰写产品设计说明书，完成毕业设计论文答辩。汽车传动轴连接汽车的驱动桥和变速器，通常转速比较高，有的可高达6000多转。在如此之高的转速之下，它的微小不平衡量就会产生非常大的附加动压力，导致传动轴及其相关组件发生振动和噪声，轻则加速机械零件的损坏，带来不必要的经济损失，重则甚至会引起重大事故，造成车毁人亡的惨剧。所以汽车传动轴的动平衡校正对于汽车的稳定性和安全性都至关重要。因此开发高速高精度的传动轴动平衡机就显得非常有必要，市场价值重大，同时也很适合作为毕业设计的课题。1.3国内外动平衡技术研究与发展状况转子动平衡装置简单来讲就是将转子动平衡理论与生产实践相结合，在其过程中发展起来的一种用于动平衡校正的仪器。转子动平衡技术按实际工作情况可以分为转子动平衡测量技术和不平衡量的校正技术两个方面。其中动平衡的测量即通过各种传感器采集转子旋转过程中的振动信息，通过对所采集到的振动信息的处理，求得不平衡量的大小和相位；不平衡校正技术即根据测量数据的分析结果，通过对转子实施合理的加重、去重等来使转子达到平衡状态。总的来讲，动平衡技术装备可以简要的分为三类：动平衡机、现场动平衡仪和自动平衡装置。动平衡机和现场动平衡仪主要用于一次平衡后平衡状态不常发生改变的转子，自动平衡装置的主要应用在工作工程中平衡状态经常改变的转子，最典型的例子如砂轮等。动平衡机平衡转子时需要将转子从设备中拆下，平衡校正后后再装回原设备，平衡效率和精度均比较高，但高性能的平衡机价一般较为昂贵，使用不便，往往平衡过的转子装回设备后，由于装配误差等因素的干扰，又会引入新的不平衡量，如果设备对平衡精度的要求较为苛刻，则不太能满足设备的平衡需求。相应的现场动平衡不需要拆卸设备，在设备转子正常工作状态时便可以完成平衡校正，操作方便，不会因为装配问题引入新的不平衡量，所以目前应用最为广泛。自动平衡装置兼有现场动平衡技术的优点，可以在转子不停机的状态下工作，同时结合计算机技术和自动控制技术来实现整个校正过程。这种装置由于结构的差异，有些尚需手动，有些则可以实现完全的自动化，且大多只能进行单面的静平衡，成本又高，所以应用不是很广泛。 1.3.1国外动平衡技术研究与发展现状动平衡技术距今已经有100多年的历史了。距今大约150年前，平衡技术刚刚起步，平衡方法技术比较简单，工艺水准也很不精确，高速运转的飞轮很可能面临解体的危险，平衡质量相对较低，导致轴承快速磨损，产品的可靠性非常不稳定。为了寻求解决方案既1870年加拿大工程师H.Matinson1申请了平衡机历史上的第一个专利之后，1907年德国人Franz Lawaczek2研制了世界上第一台平衡机，后来在Heymann改进后，由德国申克公司正式生产并应用于实际的工业生产实践中。平衡技术发展的早期，平衡机主要通过机械测量方法来测量振动振幅。这种平衡机的机械结构相对较为复杂，平衡的精度和效率受测量方法和测量设备的限制都不是很高。1935年，在电动振动传感器和不平衡角频闪确定技术得到应用的时代背景下，新型平衡机的设计有了突破性进展。1942年，申克申请获得了“通过在示波器显示屏上显示的周期曲线运用不平衡角位置的确定来进行动平衡的方法和设备”的专利3。成为第一个适合大批量生产的的平衡机系统。在当时的时代背景下，精度已经相当之高。1953年，光点指示式矢量计应使了平衡机行业有了进一步的发展，利用模拟乘法器、示波器及光点矢量计等电气测量仪器的现代动平衡机开始登上历史的舞台。1968年之后，硬支承平衡机逐渐发展为平衡机行业的骄子，这种平衡机支承刚度较大，振动的固有频率远高于平衡转子的转速，比较符合实际的工况。可以称之为平衡机发展史上的一次飞跃。二十世纪八十年代中期以后，在电子技术和微机技术的快速发展的时代背景下，平衡机行业开始进入光、机、电一体化的新时代。如用光电传感器来测量转子不平衡的相位的平衡机，后来随着数字信号处理技术的发展，尤其是DSP技术在平衡机方面的应用4，大大提高了平衡机的测量精度，抗干扰性能。国外生产动平衡机的公司主要有德国霍夫曼公司和申克公司，以及美国R.D、日本RION、瑞典VMI和意大利S.P.A.，德国拥有动平衡技术的世界最髙水平，特别是德国申克公司制造的平衡机在国际上处于领先地位5。目前，德国申克研发的基于Windows操作系统的动平衡测试系统CAB706，功能强大，备受行业青睐。霍夫曼公司在整体实力和技术水准方面虽然较难于德国申克公司相提并论，但是其在通用平衡技术以及大型和特大型转子动平衡方面却有着独特的优势。日本在平衡机方面的主要产品有：各类半(全)自动的通用平衡机和专用平衡机，其产品性能优良，也比较受业界认可。随着工业技术的发展进步，以及各种复杂的工况的出现，为了解决转子在装配过程中出现的新的不平衡问题，学者专家相继研究了针对于旋转转子的现场动平衡技术，针对柔性转子的现场动平衡技术和现今的各种智能化现场动平衡仪。其中比较有代表性的产品有：德国申克公司的Smart Balancer现场动平衡仪，日本理音的VA-11B动平衡及振动分析仪，瑞典VMI公司的VibAnalyzer动平衡仪。经过动平衡机和现场平衡仪矫正好的转子，在工作过程中，由于各种因素的干扰，其平衡状态还是会经常遭到破坏。比如现场动平衡过程中，为了保持转子的平衡状态就需要经常停机维护，难免会影响到整个生产过程的进展。为此，可以实现转子自动平衡的装置的研究就变得相当有必要。早在十九世纪末，就出现了环式、液压式、摆锤式和球式等自动平衡装置；二十世纪四十年代，美国和前苏联学者把液体式自动平衡装置应用在洗衣机上，并借此进行改进研究，其模拟实验的平衡精度可达20m；二十世纪六十年代中期，随着电化学和电物理方法的应用，喷涂式，电腐蚀，激光等自动平衡装置被相继研发出来；二十世纪八十年代初期，Memuth等专家学者研制出了采用激光来蒸发转子表面物质的的自动去重平衡装置；1980年，Cusarow提出了喷涂型自动平衡装置；1981年，J.Van devegte利用两个电动平衡头解决了工作转速为900r/min的多盘挠性转子的自动平衡问题6。但该装置的平衡转速较低，因此不能解决转子不平衡的时变性问题7,8。1987年Lee和Kim把测量平衡质量位置的装置安装到了平衡头上，成功的将无线电技术引入到平衡监测中。1989年Smalley等研发了一种基于燃烧气体重复爆破的高性能喷枪平衡装置，并用计算机控制喷枪喷射时刻和持续时间，提高了该装置的实用性9。1990年Lee研制出了一种通过无线电来反馈补偿质量所在位置的烧性转子模态自动平衡装置10，使得平衡速度得到了提高。当下市面上主流的的现代自动平衡装置中液压、电磁、电磁轴承型最为普遍。例如，德国霍夫曼公司生产的液压式自动平衡装置，广泛的被应用在高速和超高速磨床上；美国LORD公司研发的应用于风机动平衡方面的氟利昂液气型平衡装置；德国Dittel公司研发的主要适用于高精密磨床的H6000电磁式自动平衡装置。1.3.2国内动平衡技术研究与发展现状 我国的动平衡技术起步较晚，与国外发展差距较大，总的来说上世纪五十年代末才逐渐开始。1958年11 ，华中工学院动平衡科研组研制成功了第一台采用电子测量技术的DS-500型通用动平衡机，六十年代中期之后，华中工学院又与上海试验机厂、孝感试验机厂等合作成功研制了传动轴平衡机，曲轴动平衡机，发动机总成动平衡机，数控式立式动平衡机等一系列功能各异的动平衡试验机。填补了我国动平衡行业的空白。到目前为止，从微米级精度的通用平衡机到高精端的导弹专用平衡机，我国的动平衡技术已经有了相当大的发展。与此同时，在现场动平衡技术的发展大背景下，各种各样借助PC辅助的动平衡检测设备以及运用了可编程控制芯片的新一代动平衡检测设备也都逐步面世。这方面做得较好的公司及研究机构主要有：北京伊麦特公司，郑州机械研究所，北京京航公司，北京盛迪通公司和东南大学测振仪器厂等。在转子在线自动平衡装置的研究开发方面，我国也取得了不错的成就。1984年徐寅卿12基于平衡质量重心的运动轨迹相对砂轮为螺旋线原理,研制出了磨床砂轮系统自动平衡装置。1995年孙宝东等人13将红外遥控传输技术用于在线自动平衡装置,平衡转速高达2000r/min,但是其平衡头在结构设计和安装等方面存在缺陷,且控制策略问题得不到很好的解决。1999年，浙江大学研发了采用单向电磁的自动平衡设备,2000年李勇等人设计了釆用永磁差额电动机作为驱动的平衡装置。2001年陶哲学、葛利民14提出过一种电磁式在线平衡头的自动平衡装置,并通过实验验证了该装置具有可行性。对于汽车传动轴的动平衡校正，目前世界上应用较多的汽车传动轴动平衡平衡机机基本上都是两支承动平衡机（只对两个测量面进行动平衡校正），测量转速转速不高，多为800-2400r/min的中低档，被测长度在2000以内，质量一般在100kg以内，最小可达剩余不平衡量可达5gmm/kg，去重率约为90%。此外还有四支承专用传动轴硬支承动平衡机，这种动平衡机主要用在汽车传动轴厂家对汽车传动轴总成的动轴平衡校验中，具有高速、高精的优点。国内这类平衡机还比较少见，但是这类平衡机的研发制造对多支承传动轴领域的动平衡校验具有非常重要的现实意义。1.4动平衡机的基本构成、种类及其应用平衡机主要有车头箱、驱动系统、左右支承架、传感器、电测箱、电控箱等部件组成。车头箱内的电动机经带传动拖动车头主轴旋转，主轴经过驱动系统带动工件旋转。工件的不平衡量在旋转过程中产生离心力，引起支承架振动，传感器检测到振动信号之后，再将机械振动信号转化为所需的电信号，输入到电测箱中。最终经过一系列计算分析便可以得出不平衡量的大小和相位。因为平衡机的机械结构、工作原理、测量和显示方式及平衡机可以平衡的工件都不甚相同，所以平衡机的种类也有很多。从原理层面来分，平衡机可以大致分为三类：硬支承平衡机、软支承平衡机和半硬支承平衡机。硬支承平衡机就是平衡工件时的转速远低于参振系统共振频率的平衡机。在做平衡校验时，被测的工件可在接近实际支承的条件下进行平衡校正，具有操作简便、安全性好的优点。软支承平衡机就是平衡转速大于参振系统的共振频率的一种平衡机。在做平衡校验时，这种软支承平衡机的支承条件与实际工况下有所不同，测量精度相对较高。半硬支承平衡机转速在0.30.5倍参振系统共振频率之间，如图1-1所示，兼有硬支承平衡机支承刚度高和软支承平衡机测量精度高的的双重特点。图1-1频率关系从应用层面来分，平衡机还可以归类为仅适用于具体某一种零部件的专用平衡机和适用于大多数转子的通用平衡机。若按转子轴线方向来分，大致又可分为卧式和立式两类。动平衡机的用途非常之广泛，具体可以细分为以下几类：（1）.重工业领域：大型发电机转子，大形变速齿轮 、大型马达离心机转子，垃圾处理机等。（2）.汽车工业领域：轮胎、曲轴、驱动轴、离合器、剎车鼓等。 （3）.家电电机领域：吸尘机电机转子、果汁机马达、计算机磁盘等。 （4）.农机具领域：引擎零件(曲轴、飞轮等)刀具，链锯等旋转类零件。 （5）.航空领域：陀螺仪，航空用引擎，螺旋浆叶，飞机用轮胎等。 （6）.其它：捻线机,磨擦轮等等。1.5动平衡发展趋势与展望随着时代的发展，回顾动平衡技术发展的整个历程，不难看出动平衡技术今后必有如下的发展趋势：（1）从设计制造的角度来讲，必然会向着低成本，高精度，模块化，通用化的方向发展；（2）从操作应用的角度来讲，必然会向着高度自动化，智能化，人机交互更加简易化方向发展；（3）从能耗角度来讲，必然会向着节能降耗，环境友好型方向发展；（4）现场动平衡设备也必将趋于集成化，智能化，便携化，操作更加人性化；（5）在线自动平衡技术的应用愈来愈广泛，机构趋于简单，体积越来越小，加工和安装越来越简便，平衡能力逐步提高，成本随之降低，能够满足各种尺寸转子，各种复杂转子、高速转子的平衡需求；（6）平衡范围可以覆盖转子生产加工、装配、应用的整个过程。1.6 小结本章简要介绍了动平衡研究的现实背景和意义，然后说明了本文研究内容和要求，论述了国内外动平衡技术的研究发展的历史和现状，以及动平衡设备的基本构成、种类和具体应用。2 转子的动平衡原理这里所说的的转子指的是机器中可以绕着轴线旋转的零部件。理想情况下，假如一个转子它的质量分布均匀，制造和安装都非常精密，那么它的运转是应该是绝对平稳的，这时转子无论旋转还是没有有旋转，它对轴承只有静压力15。这种旋转情况下与不旋转情况下对轴承都只有静压力作用的转子，我们称其为平衡的转子。如果转子在旋转情况下对轴承除了有静压力之外还附加有其它动压力，我们称这种转子为不平衡的转子，转子如果不平衡,附加动压力将通过轴承传递到机器上,引起整个机器的振动,产生噪音,加速轴承的磨损,降低机器的寿命,甚至使机器控制失灵,发生严重事故 16。工业快速发展的当今世界，现代化的机械设备正朝着高速、高效、高精度方向发展，如何为操作工人创造更加舒适，人性化的工作环境、同时节能高效成为现代工业追求的目标。所以，怎样才能合理有效地限制并消除不必要的机械振动和噪声就显得非常重要。2.1转子产生不平衡的原因及其危害转子产生不平衡的原因是很多的，但大致可以分为如下的几类：( l ) 转子结构的不对称：日常生活中我们不难发现，对于不同旋转类机械，它们的结构往往是不相同的，其中就有相当一部分的旋转部件从结构上来看是不对称的，例如我们常见的曲轴。曲轴设计时，由于所设计的发动机气缸排列的形式不尽相同，随之气缸的工作顺序也不一定相同，再加上不同发动机气缸的数目根据不同的需求各有差异，所以设计人员设计的方案必然是多种多样的；性质使然，曲轴在机械结构上存在不对称在所难免，所以，曲轴设计时要求必须要给曲轴设计相应的配重，而且加工成型的曲轴在出厂前还必须要对其做动平衡校验，只有完成校验剩余不平衡量达到要求的曲轴才能正常投入使用。( 2 ) 原材料或毛坯的缺陷：由于材料的缺陷，而导致机械转子的不平衡进而造成零部件的非正常失效是机械领域中经常会碰到的问题。常见的情况有：原材料自身的密度分布不均匀， 铸造毛坯存在气孔、砂眼、缩孔等组织缺陷；锻件内部有夹杂物等，这些都常常导致转子出现不平衡。( 3 ) 转子加工和装配有误差：假如机械转子在加工或者装配的过程中有误差存在，那么这样就会使转子绕轴线的质量分布状况发生改变，在所难免地就会造成机械转子的不平衡。比如：机械转子与轴颈的轴线不重合；装配时零部件的径向间隙不均匀或者存在不同轴的现象等都会导致机械转子的不平衡问题。( 4 ) 机器在运转过程中所产生的不平衡：比如：砂轮、离心机分离钵等由于工作性质原因难免会有的不均匀磨损；机器运转过程中温度变化而导致的变形，离心力的存在而引起的零部件的微小移动或弹性变形等，也都会破坏转子原来的平衡状态17。( 5 ) 机器在维修过程中产生的不平衡：一般来讲各个行业的机械维修部门的设备都比较落后，技术力量也相对较差，工作人员在维修过程中，通常在排除主要故障的同时，却引入了一些潜在的隐患，尤其是对于转子的动平衡问题，人们通过肉眼很难观察到，手也感觉很难感觉的到，这种情况下就必须借助于动平衡试验才能给出结论，这就导致动平衡问题很容易被人们忽略。在汽车维修行业中，由于发动机曲轴动不平衡过大，而使飞轮壳碎裂报废数个却使一些维修人员找不到原因的现象，常常遇到18。这种现象很可能就是由于维修过程中的引入的不平衡造成的。这时如果将曲轴飞轮组件进行动平衡校正，问题就会得到很好的解决。所以，伴随着机械转子运行速度的逐步提高，转子的不平衡所带来的问题，人们就不得不面对，也不得不给予充分的重视。显然，在绝大多数情况下，机械振动是有百害而无一利的，其危害性主要有：( 1 ) 使机器的支承受到动裁荷的破坏，影响支承系统的正常工作。( 2 ) 加剧机械损坏，致使机器产品经常修理或非正常报废。( 3 ) 对周围的机械设备和仪表造成干扰，使设其无法正常工作。( 4 ) 产生噪音，对员工的身心健康造成伤害。假如机械转子的转速与转子自身轴系的固有频率相同或相近，设备就很可能出现共振现象。一旦发生共振以后，振幅会迅速被放大，整个设备将产生剧烈的振动严重时将导致设备损毁。据报导，在1972年6月，日本关西海南电厂一台600MW的汽轮机组在试车时，因振功过大而造成飞车，致使机组全部损坏19。当然，其它的很多原因也都会导致机器发生振功，比如大型汽轮发电机组的转子还会因为油膜振荡、间隙振荡等其它原因产生机械振动。但是很据概率统计得到的数据来看，机械转子质量分布不均匀所引起的振动占据了相当大的比例，甚至可达7080左右。所以，机械转子的动平衡检测与校正就显得尤为重要。2.2不平衡的种类转子的不平衡可分为以下四类：静不平衡、力偶不平衡、动不平衡和准静不平衡。2.2.1静不平衡 转子的静不平衡即转子的不平衡量仅作用于转子的重心所在的径向平面内。当转动转子时，转子上只存在通过质心的不平衡质量引起的静不平衡力，而没有不平衡离心力偶存时即为静不平衡：在航天航空领域内，转子的静不平衡通常指的是转子的重心偏移。历史上，人们最早发现的不平衡就是这种转子静不平衡。将转子轴颈放在刀口上，不平衡点将移到底部，这时即可用静止方法观察到，故了“静不平衡”一词20。2.2.2力偶不平衡 转子的力偶不平衡也称力矩不平衡。当转子的中心主惯性轴线相对于旋转轴线存在角位移、且和旋转轴线交于重心时而产生的不平衡量，称为转子的力偶不平衡。这种情况下，我们通常可以用两个互成180 、空间上相距一定距离、且大小相等的不平衡量来简化表示。航空航天领域中常称其为“惯性积”。力偶不平衡在静止状态下无法观察到，只有在转子旋转时才能观察，这时转子上加有摇摆型振动，中心主惯性轴线相对于旋转轴线是以锥形轨迹运动21。2.2.3动不平衡 事实上，转子中心主惯性轴线和旋转轴线既不平行也不重合最为常见，这种情况称为转子的动不平衡。动不平衡有的特点为不平衡的离心力和离心力偶均不为零。所以，动不平衡的校正需在垂直于转子轴线的两个平面内进行，必要时也可将转子的力偶不平衡和静不平衡进行分别校正。2.2.4准静不平衡 转子的准静不平衡是指由不位于重心平面内的、以单一不平衡质量为代表的不平衡现象，由于转子的中心主惯性轴线与转子的旋转轴线的交点不在重心上，所以转子的准静不平衡是转子静不平衡和转子力偶不平衡组合的特例28。若已知准静不平衡的精确平面，则可用单个校正质量在这平面内校正，否则需要像动不平衡校正那样在两个平面内进行校正28。2.3刚性转子的动平衡原理在转子的平衡技术中，刚性转子指的是转子在重力和由于转子不平衡所产生的离心力作用下转轴的变形量非常小以至于可以忽略不计，而且这种变形对转子的正常工作几乎没有什么影响。实际生产生活中，绝对刚性的转子只是一种假设并不存在，而我们习惯于把那些工作转速远远低于转子的第一临界转速，而且由于转子的不平衡离心力而使转子产生的变形极小的转子称之为刚性转子。实际情况下，对于低速的转子，转子的不平衡质量所产生的离心力很小，所以我们可以认为这样的转子是刚性的。其动平衡原理如下：( 1 ) 无论起初转子的不平衡量是怎样分布的，我们总是能够在预先选定好的两校正平面内通过适当的加重去重来进行动平衡校正。这时因为忽略了转子的变形之后，仅考虑离心力的作用的情况下，由于离心力的大小与转速的平方成正比，同一转子的旋转角速度是相等的，所以刚性转子的平衡就与转子的转速无关。所以在某一旋转速度下平衡校正过的刚性转子，其剩余不平衡量的数值在其它的转速、甚至是最高转速下，也不会发生明显的改变。( 2 ) 经过动平衡校正的转子一定满足转子的静平衡，无需再进行静平衡校正，反之怎不然。显然，刚性转子的动平衡校正原理较为简单，它转子动平衡问题的基础。2.4挠性转子的动平衡原理与刚性转子相对应，我们将不符合刚性转子定义的转子统称为挠性转子。严格来说，对于工作转速接近或高于转子自身的第一临界转速的转子都属于挠性转子。比如套装式叶轮的汽轮机转子、大部分发电机的转子。尤其是在现代化设备中出现的一些长径比很大的转子，它们的临界转速较低，工作转速却较高，高速工作时，转子会呈现挠曲状，如果还像平衡刚性转子那样，忽略转子的挠曲变形，很难得到预期的平衡效果，甚至会越校正越不平衡。下面对挠性转子的动平衡原理做简要的介绍：( 1 ) 失去平衡的挠性转子的动挠度会随着转速实时的发生变化。这就要求挠性转子不仅要在正常的工作转速下进行平衡，而且在机器运转的整个转速范围内都必须进行相应的动平衡校验。( 2 ) 当挠性转子接近临界转速时，其旋转轴线上各点同时出现最大挠度变形时所形成的弹性曲线可近似看作转子在这一转的速时振型。经过数学分析计算，振型可以表示成适当的函数形式，而且振型函数具有正交特性。这样，挠性转子就可以按振型逐阶地进行平衡校正。如果转子逐阶均进行了平衡校正，那么转子在整个工作转速范围内也就完成了平衡校正。( 3 ) 挠性转子平衡校正时，所添加或者去除的平衡块，不仅应该使轴承所受的动反力为零，还应让转子所受的挠矩尽量最小甚至为零，这样挠性转子所产生的变形也就相应的最小或者为零，从而使转子因挠曲而产生的附加不平衡离心力最小或者为零。校正时，显然就不能像刚性转子那样只在两个面内进行校正。正确的做法是根据起始不平衡量轴向的位置和大小，在其所在的轴向平面上的对侧位置处加上平衡配重，使转子达到平衡。( 4 ) 因转子的不平衡离心力必然会使转子轴承振动。所以，为了使问题得到一定的简化，实际测量时，我们可以用借助检测轴承处的振动来简单估算挠性转子上的不平衡状况。另外，对于挠性转子，尤其是在平衡大容量的汽轮机组时，可以一边装配一边平衡，等装好所有叶轮后，再在高速下对每个转子进行动平衡的校正，这样用每个平衡好的转子组装后的汽轮机组一般就不需再进行现场平衡了(轴系平衡) 22。2.5小结本章简要分析了机械转子产生不平衡的原因和相应的危害，较为详细地介绍了不平衡的种类，刚性和挠性转子的动平衡原理，是此次论文中重要的原理部分。3 平衡机的总体设计平衡机的总体设计是整个设计过程中至关重要的一步，总体设计方案应该使所设计的产品充分满足客户的需求，同时保持产品的先进性，可靠性和经济性。在选择总体方案时应该充分考虑下列因素：（1）平衡机的用途；（2）转子的类型、重量范围、校正面的个数以及许用不平衡量的大小；（3）转子的转速范围；（4）不平衡量的校正方式；（5）动平衡机的工作效率；（6）动平衡机的先进性；（7）动平衡机的经济指标。此次双面卧式硬支传动轴平衡机的总体设计的基本性能及技术指标如下：（1）工件最大质量（kg） 200 （2）工件最大校验长度（mm） 2000（3）平衡转速（r/min） 1203200（4） 工件允许最大原始不平衡量(g) 1000（5）平衡测量时间（s） 210（6）万向节扭矩（Nm） 60（7）最小可达剩余不平衡度（emar） 5g（8）一次降低率（%） 85（因为汽车传动轴设计时一般已经考虑到了动平衡要求，所以最大平衡量在1000g以内可以满足一般的校验要求）总体的设计方案如图3-1所示：图3-1总体方案3.1动平衡机传动方式的选择动平衡机传动方式的选择，应该综合考虑所需的传递功率和平衡机的设计转速两个方面。综合考虑各方面因素的影响，本次设计的传动方式选择V型带传动。示意图如3-2所示： 1小带轮 2.V型带 3.大带轮图3-2传动方式带传动结构简单，传动平稳，可缓冲吸振且造价便宜，在机械系统中应用很广23。V带的横截面为腰梯形，带轮上设计有相应的轮槽。带传动工作时，V带的两个侧面和轮槽紧密接触。皮带侧面和槽面之间的摩擦可以提供较平带传动更大的摩擦力，正是因为摩擦力的存在保证了皮带传动的正常工作。另外，V带传动允许的传动比较大，结构紧凑，在实际生产中的应用也相当广泛。3.2驱动方式的选择平衡机驱动转子的机械式方式有圈带式、联轴节式、滚轮式三种。非机械方式主要有电磁驱动、压缩空气驱动和自驱动。联轴节（万向节）驱动具有线性度好，可靠耐用，动力传递相对较为平稳，启动较快，操作更为方便，刚性较好，振动阻力小，工作效率高，可有效传递机械力等特点。联轴节驱动的缺点是联轴节本身的不平衡量会对转子产生影响，可能会引入干扰因素，影响动平衡的精度，所以用于平衡的联轴节自身应满足一定的动平衡要求。市场上针对传动轴的动平衡机大多采用联轴节驱动，综合考虑各方面因素的影响，此次设计的驱动方式采用联轴节驱动。如图3-3所示：图3-3联轴节3.3动平衡机的支承方式的确定传动轴动平衡机的支承系统的主要组成有：支承元件、振动桥、弹性元件、底座。因为传动轴动平衡机的支承间距一般应可调，所以支承系统还应包括行走机构和锁紧机构。众所周知，动平衡机的支承系统是整个动平衡的核心，其振动特性的优劣直接影响到平衡机的性能。特别是对于硬支承动平衡机，它对振动系统的要求较高，所以就要求弹性元件固定地非常牢靠。所以有的振动系统被做成整体式，及摆架的簧板、振动桥，底座由整块的钢板切制而成。常见的是将其做成H型。这种方式虽然减小了振动系统的阻尼，但是制作成本较高，也不利于动平衡机的维护和模块化设计。市场上针对传动轴的动平衡机大多采用非整体的设计形式，所以此次的传动轴平衡机的支承采用如图3-4所示：图3-4 右摆架 1.底座 2.簧板 3.振动桥 4.支承元件 3.4 小结总体设计方案的确定是产品设计过程中至关重要的一环。本章就整个动平衡机设计过程中的动平衡机的传动方式，驱动方式，支承方式三个关键环节做了初步的总体设计，为接下的详细设计做好了准备工作。4 平衡机机械结构的设计与计算4.1 底座设计底座是动平衡机的基础，其他所有的零部件均安装在底座之上。其结构图设计如图4-1所示： 图4-1底座底座两侧设计有滑轨，滑轨上开有T型槽，摆架安放在滑轨上。底座中间开槽处用于安放链条，摆架可以通过链轮，链条在滑轨上滑动。从而可以实现两摆架跨距的调整，满足不同长度的传动轴的装夹需求。当摆架调整好位置后，可以通过T型槽内的专用螺钉实现摆架的锁紧固定。实际情况下，主轴驱动部分和摆架部分的重量都较大，所以为了使床身有足够的水平刚性，底座的抗压能力和抗振特性都必须很好，这样可以减弱或者隔离外部振动的干扰。因此底座的材料可以选用灰铸铁（HT200）。这是因为灰铸铁内有相当部分的片状石墨存在，石墨的存在破坏了基体的连续性，就像是钢中布满了裂纹和空洞，从而使灰铸铁的抗振能力大大提高。灰铸铁生产工艺简单，铸造性能优良，是实际生产中应用最广泛的一种铸铁，约占铸铁总量的80%24。它相当与是在钢的基体上嵌入了石墨，因此它和钢材料相比强度和塑韧性偏低：因为石墨的力学性能几乎为零，相当于在铸铁中布满了裂纹和孔洞，降低了材料自身的强度，韧性和塑性。石墨的存在虽然降低了灰铸铁自身的力学性能，但却给灰铸铁带来了许多其他的优良特性。耐磨性能相对较高 灰铸铁中含有一定的硅锰金属元素，使灰铸铁基体的硬度高于钢材料。又因为灰铸铁中石墨的存在，而石墨具有自润滑作用，所以灰铸铁具有相对较高的耐磨性能和减摩性能；减振性能较好 因为石墨结构组织松软，能吸收振动，所以灰铸铁的减振性能较好；铸造性能较好 灰铸铁一般为亚共晶成分，具有较好的流动性。此外，灰铸铁铸造时的浇筑温度较低，结晶过程中析出的石墨又具有一定的膨胀作用，减小了铸造过程中灰铸铁自身的收缩率，所以灰铸铁的铸造性能优于钢；切削加工性能较好 石墨对基体连续性的破坏，导致灰铸铁在切削过程中容易脆断，具有较好的切削加工性能；缺口敏感性较低 片状石墨的使灰铸铁自身就像是布满了小缺口一样，因此灰铸铁的缺口敏感性大大降低。所以灰铸铁的表面加工质量不高或者灰铸铁的自身缺陷对灰铸铁疲劳强度的影响比钢要小得多。底座与地基之间通过地脚螺栓进行固定。为了保证有较高的测量精度，安装时还要考虑周围是否有干扰振源，必要时还需要在安装地基周围挖隔振槽，用来隔断外界的干扰。4.2 电机选型此次动平衡机选用电动机来输入动力，用来拖动主轴旋转。电机功率的计算和普通机械一样，取决于所要传递的转矩和转速，在平衡测量时，电机的功耗一般不大，为使平衡工件的转速保持稳定一般只需克服转动零部件和轴承之间的摩擦力即可。高速时还需考虑空气阻力，适当增加电动机的功耗，实际情况下，电机启动功耗往往较大。所以，计算驱动功率首先应计算启动所需的电机功率。假设被平衡转子以等加速方式启动，达到所需平衡转速n耗时t秒，则其角加速度为： （4-1）其中：-转子转速(rad)t-转子从启动到平衡转速所需时间(s)。已知转子的重量是W kg，回转半径为 m，则可得转子对转轴的转动惯量为： 2 （4-2）则启动转矩为： M=Jz=2 （4-3）启动功率为： N=M=2(kgm/s) （4-4）其中：重力加速度g=9.8m/s2.将功率换算成Kw的计算公式为： N=1.1x10-5(Kw) （4-5）其中：W取最大设计重量200Kg取最大设计回转半径0.075mn取最大设计转速3200r/mint的取值一般在1020s之间，为保证充足的设计余量取t为10s将以上数据带入上式可得N=12.672kw。由于电动机的启动转矩约为额定转矩的2.5-3倍，则电动机的额定功率可选为45kw。考虑摩擦功耗和传动的机械效率，电机的额定功率应选的稍大些。因为被测工件的质量在机器的允许范围内随具体工件而定，一般工件重量最重的是最轻的10到100倍不等，所以平衡转速一般在两种以上。理论研究和实践表明平衡测量的灵敏度随平衡转速的增高而提高。又考虑到转子的重量较大时，要求驱动转矩也要较大，而当电机的功率一定时，根据功率守恒定律易知驱动转矩和转速之间成反比关系。所以在被平衡工件的重量较轻时，应采用相对较高的平衡转速；当工件较重时就