旋转机械自动平衡装置综述.pdf

2 0 1 1 年第3 期现代制造工程 M o d e r nM a n u f a c t u r in gE n g in e e r in g 专题综述 旋转机械自动平衡装置综述 刘文倩h 2 1 江西工业工程职业技术学院 萍乡3 3 7 0 0 0 2 中南大学机电工程学院 长沙4 1 0 0 8 3 摘要 介绍了旋转机械自动平衡技术的发展概况 着重综述了三种自动平衡装置的工作原理 平衡特点和各自的优缺点 并对它们的减振效益进行分析与对比 讨论了旋转机械自动平衡装置今后需要解决的问题 关键词 旋转机械 自动平衡 减振效益 中图分类号 T H l 3 文献标志码 A 文章编号 1 6 7 1 3 1 3 3 2 0 1 1 0 3 0 1 3 4 4 4 O v e r v ie wo fa u t o m a t icb a l a n c e ro fr o t a t in gm a c h in e r y L I UW e n q ia n l 2 1J o u r n a lo fJ ia n g x iP o l y t e c h n icC o U e g e P in g x ia n g3 3 7 0 0 0 J ia n g x i C h in a 2S c h o o lo fM e c h a n ic a l E l e c t r ic a lE n g in e e r in g C S U C h a n g s h a4 1 0 0 8 3 C h in a A b s t r a c t I n t r o d u c e dt h et h e o r ie sa n dg e n e r a ls it u a t io n so fa u t o m a t icb a l a n c eo fr o t a t in gm a c h in e r ie sa n df o c u s e do nt h ew o r k in g p r in c ip l e b a l a n c in ge h a r a c t e f is f ic sa n dt h em e r it sa n dd e m e r it so fb a l lt y p eb a l a n e e r h a m m e rt y p eb a l a n c e ra n dl iq u idt y p eb a l a n o e r I ta l s oa n a l y z e da n dc o n t r a s t e dt h ev ib r a t io n r e d u c in gb e n e f it so ft h e m A tl a s t g a v eh iso p in io nt ot h es t u d yo fa u t o m a t ic b a l a n c eo fr o t a t in gm a c h in e r y K e yw o r d s r o t a t in gm a c h in e r y a u t o m a t icb a l a n c e v ib r a t io n r e d u c in g b e n e f it 0 9 1 衡装置 旋转机械的振动问题一直是机械行业的重要课 题 特别是现代旋转机械的转子转速不断提高 直接 影响旋转机械工作效率和可靠性的振动问题就更为 突出 解决这一问题的有效方法就是对其旋转部分 即转子 进行高精度的动静平衡 其平衡理论的宗旨 就是通过改变转子本身的质量分布来达到其主惯性 轴与旋转轴相重合 从而降低旋转机械的振动 本文 结合国内外参考文献以及课题组近年的研究 对旋转 机械自动平衡装置进行了综述 旋转机械自动平衡装置主要分为两类 一类为 微机控制型 剖 另一类为自动定心型 5 引 自动定 心型转子自动平衡装置具有结构简单 工作可靠 成 本低廉 不需提供外部能源 并且能够对转子不平衡 进行自动调节等优点 但具有在亚临界状态会加大 转子的不平衡量的特性 使得这类自动平衡装置当 必须在过临界转速的状态下运行时 才能起到自动 平衡的作用 因此存在不能在全转速下进行平衡调 节的缺点 应用中具有一定的局限性 目前多应用于 高速旋转机械中 本文主要介绍的是自动定心型平 3 4 1 旋转机械自动平衡装置的工作原理 平衡特 点及减振效益 自动定心型转子自动平衡装置根据所采用的自 由移动补偿质量的形式分为滚球式 摆锤式和充液式 等几类 它们都是根据柔性转子和弹性支承的特性 而设计的 不需要外部专门提供能量 利用系统响应 所形成的能量来驱动平衡质量的运动 从而达到减振 的效果 1 1 滚球式自动平衡装置 1 1 1 滚球式自动平衡装置的T 作原理 滚球式自动平衡装置是根据柔性转子和弹性支 承的特性设计的 利用系统响应所形成的能量来驱动 滚球的移动和分布 滚球的移动和分布也会影响不平 衡转子的振动情况 内装滚球转子的平衡装置结构 模型如图1 所示 转子是 个带有滚道的圆盘 圆盘中 心开有孔 与转轴固联 圆盘中心位于点0 在点G 处存在一个偏心质量m 偏心距为e 滚球放人圆盘 周向的滚道内 滚道内有润滑液 滚球仅能沿滚道做 周向运动 球的数量一般在2 个或2 个以上 刘文倩 旋转机械自动平衡装置综述 2 0 1 1 年第3 期 图1内装滚球转子的平衡装置结构模型 通过大量的实验观测和理论分析 以及M A T L A B 数值仿真分析表明 球式自动平衡装置的转子在亚临 界加速阶段 由于切向惯性力的存在 在共振区附近 时 振动幅值达到峰值 中间叠加着自激振动 自激振 动发生在略大于固有角频率的某一频率范围内 在过 临界转速以后滚球远离偏心质量 迅速接近平衡位 置 起到自动平衡的作用 因此对于运行在过临界转 速下的旋转机械有较好的减振效益 尤其是当转子的 旋转角速度大于其共振角速度时 滚球式自动平衡装 置能够完全起到自动平衡的作用 但是制约这一平 衡器自同期效果 1 的就是当转子处于亚临界转速时 反而会使振幅增大 所以在以后的科研T 作中 如何 解决在一阶临界以下频段减小或至少不增大转子初 始不平衡的问题 将成为此类自动平衡器自同期现象 的技术关键 目前已有研究将滚球式自动平衡装置 应用于磨床磨头 光盘驱动器以及手持式动力工具 中 1 1 2 滚球式自动平衡装置的特点 1 滚球式自动平衡装置在高速状态下能很好地 起到平衡作用 不管偏心量大小 也不需要使用者调 试和控制 平衡作用是自动发挥的 而且在一定条件 下能完全平衡 2 滚球的滚动摩擦因数肛将影响球的安定位置 进而成为影响残余振幅的决定性参数 可选用光滑 质硬的材料制造滚道和球 以便减小p 但肛过小则使 球不易稳定 3 滚球的黏性阻力系数会影响最大振幅和自激 振动的程度 但与残余振幅无关 因此可取较大的黏 性阻力系数来减少最大振幅和自激振动 4 滚球式自动平衡装置不能使用于低速和共振 状态 1 2 摆锤式自动平衡装置 1 2 1 摆锤式自动平衡装置的T 作原理 摆锤式自动平衡装置利用了转子的自动定心原 理 摆锤式自动平衡装置力学原理如图2 所示 图2 所示为具有两个摆锤的转子平衡装置 每个摆锤均可 绕其各自的铰接点转动 图2 摆锤式自动平衡装置力学原理 在理想的无偏心情况下 点O 为回转中心 与质 心点C 重合 摆锤在离心惯性力的作用下将沿径向 排列 如图2 中虚线位置 此时摆锤不起平衡或偏心 的作用 而在有偏心距的情况下 点D 成为回转中 心 摆锤将沿点O 的射线方向排列 如图2 中实线位 置 从圆盘中心点O 来看 根据转子振动中的自动定 心原理可知 在过临界转速下运行时摆锤所处的位置 远离质心C 起到了减少原始偏心距的作用 从而实现 了平衡减振 而在亚临界转速下运行时 质心的位置 是在图2 中的点C 位置 摆锤所处的位置偏向质心 C 加剧了偏心的程度 使振子系统的振幅增加 这对 于系统是不利的 如何解决转子在亚临界转速下的 自动平衡将是研究的关键点 锤式破碎机是摆锤式 自动平衡装置实现减振的典型机构 1 2 2 摆锤式自动平衡装置的特点 1 摆锤式自动平衡装置在高速状态下能很好地 起到平衡作用 平衡作用是自动发挥的 2 摆锤的摩擦因数将影响摆锤的位置 进而成为 影响残余振幅的决定性参数 可选用光滑 质硬的材 料制造销轴和摆锤 3 摆锤式自动平衡装置不能使用于低速和共振 状态 1 3 充液式自动平衡装置 1 3 1 充液式自动平衡装置工作原理 内装部分液体的转子是自动平衡装置的另一种 形式 被广泛应用于洗衣机和液力偶合器中 以实现 1 3 5 2 0 1 1 年第3 期 现代制造工程 M o d e mM a n u f a c t u r in gE n g in e e f in g 自动平衡和减振的作用 内腔充液转子模型如图3 所 示 r n 为偏心质量 e 为偏心距 m 为转子质量 m 为 液体质量 P 为液体密度 日为液体平衡器的厚度 G 为转子质心 H 7 G l l 偏心转子 液体 平衡器 图3 内腔充液转子模型 当回转频率 在共振频率 即 肜 m m K 为系统刚度系数 附近时 液体在 一定条件下将发生自激振动 使系统处于不安定状 态 然而 在大多数情况下 工程机械的回转频率均 设定在远离共振频率的频域之中 由于液体的黏性作 用 当系统以 o 转速转动时 其中液体的转速将逐步 提高 最后达到同步转速 与此同时 由于惯性离心 力作用 液体被抛向回盘外沿 中部附近将出现空 洞 稳态回转时液体的分布如图4 所示 图4 稳态回转时液体的分布 通过受力分析和推导 当o j t o 时 偏心质量与轴 线弯曲方向相反 说明液体起到了衰减振幅的作用 由此可见 在过临界转速下运行时 液体起到了自动 平衡的作用 但其同样存在当转子处于亚临界转速时 反而会使振幅增大的弊端 1 3 2 充液式自动平衡装置的特点 1 充液式自动平衡装置在高速状态下能很好地 起到平衡作用 平衡作用是自动发挥的 该装置不能 使用于低速和共振状态 2 与球式和摆锤式的 自动平衡装置 相比 充液 式自动平衡装置结构简单 制作精度不高 造价低廉 13 6 但它只能减振 滚球式自动平衡装置在理想情况下却 能完全消除振动 即完全平衡 3 充液式自动平衡装置可以有多种安装方式 通 用性强 1 4 三种自动平衡装置的减振效益 为了能定量地表征滚球式 摆锤式及充液式自动 平衡装置的减振效益 用减振倍数A 作为衡量指标 它是偏心转子安装自动平衡装置前后的振幅比 通 过课题组近几年的大量试验观测和理论计算 得出 三种平衡装置的减振效益如下 滚球式减振效益最好 当滚球的总质量之和大于 偏心量时 且 球远离偏心质量 起到平衡作用 如果在没有摩擦力的理想情况下 滚球可以使转子达 到完全平衡 振动将被完全消除 自动平衡装置的减 振倍数A 将达到无穷大 摆锤式在没有摩擦和合理几何参数的理想条件 下 减振倍数A 远大于1 转子质量与摆锤质量之比 充液式减振效益相比之下较差 减振倍数仅为总 质量与转子质量之比 一般情况下转 子质量较大 故 充液式减振倍数是介于1 和2 之间 相比之下 滚球式平衡效果最好 摆锤式次之 充液式较弱 但滚球式需要安装专门的高精度滚 道 对加工工艺精度要求较高 摆锤式可以考虑在原 转子上直接悬挂摆锤即可 安装较便捷 充液式结构 简单 制作精度不高 造价低廉 因此 在具体应用 时结合工艺系统 经济成本等多方因素综合考虑 择 优选择 2 结语 本文所介绍的三种自动平衡装置在过临界转速 下都能起到自动平衡减振的作用 不管偏心量大 小 也不需要使用者调试和控制 平衡作用是自动发 挥的 但均不能使用于低速和共振状态 随着现代 工业的不断发展 旋转机械日趋高速化 大型化和精 密化 这将对旋转机械的自动平衡提出更高的要求 同时更应注意解决自动平衡的效率和精度 结构和 安装 以及是否产生附加不平衡等方面的技术问题 因此 研发适用于各种旋转机械 易于控制和成本低 廉的自动平衡装置 仍是目前和今后研究的一个重 要课题 参考文献 1 陶利民 葛哲学 温熙森 刚性转子自动平衡控制策 刘文倩 旋转机械自动平衡装置综述2 0 1 1 年第3 期 上接第2 7 页 高产品市场开发能力 企业市场应变能力和资金周转 率 加强了生产现场综合管理的水平 为企业带来极 大的经济效益 也为小批量多品种装配企业管理起到 了很好的示范作用 参考文献 1 潘郁 泸天化 计算机生产调度辅助决策系统的自适 应机制和柔性设计 J 系统工程理论与实践 1 9 9 7 2 2 郑志琴 钟叔玉 柔性M I L S 及其支撑技术 J 昆明 理工大学学报 2 0 0 1 2 6 2 3 P a nY u T h ed e c is io ns u p p o r ts y s t e mo ff l e x ib l ep r o d u c t io np l a n n in ga n ds c h e d u l in ginc h e m ic a le n t e r p r is e s a n dit s d e s ig n in ge x p e r ie n c e in d u s t r ia lm a n a g e m e n t J I n t e r n a t io n a lA c a d e m icP u b l is h e r s 1 9 9 6 1 0 4 R o b e r tJ a c o b sF E l l io tB e n d o l y E n t e r p r is er e s o u r c e p l a n n in g D e v e l o p m e n t sa n d d ir e c t io n sf o ro p e r a t io n s m a n a g e m e n tr e s e a r c h J E u r o p e a nJ o u r n a lo fO p e r a t io n a lR e s e a r c h 2 0 0 3 1 4 6 5 Y a h a y aY u s u f a G u n a s e k a r a n bA M a r kSA b t h o r p e E n t e r p n in f o r m a t io ns y s t e m s