[科普中國]-高速主軸動(dòng)平衡技術(shù)

簡(jiǎn)介

高速主軸在運(yùn)行過程中產(chǎn)生的振動(dòng)對(duì)零件加工精度、表而質(zhì)量等造成的破壞問題，對(duì)離線動(dòng)平衡技術(shù)、在線動(dòng)平衡技術(shù)及其在線動(dòng)平衡裝置的發(fā)展情況進(jìn)行了研究與總結(jié)，對(duì)高速主軸在線動(dòng)平衡裝置的動(dòng)平衡原理和在應(yīng)用過程中存在的優(yōu)點(diǎn)與不足進(jìn)行了分析與歸納，對(duì)高速主軸在線動(dòng)平衡技術(shù)及其動(dòng)平衡裝置的未來研究方向進(jìn)行了展望。研究結(jié)果表明，廣泛應(yīng)用的混合式在線動(dòng)平衡技術(shù)以及電機(jī)驅(qū)動(dòng)式、噴液式和電磁驅(qū)動(dòng)式3種最具代表性的在線動(dòng)平衡裝置是未來發(fā)展趨勢(shì);該技術(shù)重點(diǎn)是提高動(dòng)平衡效率、快速響應(yīng)能力、精度、適應(yīng)性和耐用性;混合式在線動(dòng)平衡技術(shù)及其高性能在線裝置在高速主軸動(dòng)態(tài)平衡方而具有廣闊前景。

隨著高速主軸的不斷應(yīng)用和發(fā)展，對(duì)主軸各項(xiàng)指標(biāo)的要求越來越高創(chuàng)。高速機(jī)械主軸動(dòng)不平衡和振動(dòng)成為影響加工精度的重要因素。資料顯示，由于振動(dòng)原因?qū)е略O(shè)備失效占比為60%-70%，即使是精度極高、經(jīng)過良好靜平衡的機(jī)床主軸，也會(huì)存在設(shè)計(jì)、制造、工件裝夾、磨損、負(fù)載沖擊等多種原因破壞原有平衡狀態(tài)。通用的離線動(dòng)平衡方法對(duì)于高速主軸平衡調(diào)試過程中需要數(shù)次開關(guān)機(jī)才能將設(shè)備進(jìn)行精準(zhǔn)的調(diào)試。對(duì)于剛性轉(zhuǎn)子和柔性轉(zhuǎn)子在必要時(shí)需要將其拆下，放到特定平衡機(jī)上進(jìn)行平衡調(diào)試，復(fù)雜繁瑣平衡過程導(dǎo)致平衡效率低，調(diào)試精度不能達(dá)到要求，這些平衡方法己不能滿足現(xiàn)代企業(yè)生產(chǎn)要求，必須要實(shí)現(xiàn)更加高效、精確平衡技術(shù)和平衡裝置的發(fā)展和創(chuàng)新。

高速主軸在線動(dòng)平衡可在主軸正常運(yùn)行過程中，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)轉(zhuǎn)子的振動(dòng)情況，并消除出現(xiàn)的不平衡，無需停機(jī)就可以快速、高效實(shí)現(xiàn)高精度的平衡，排除動(dòng)平衡過程出現(xiàn)的錯(cuò)誤、提高平衡精度和效率、減少停機(jī)損失。目前仍然有無數(shù)國內(nèi)外研究學(xué)者針對(duì)在線動(dòng)平衡方法、策略、裝置等各個(gè)方面展開研究。目前，現(xiàn)存的多種消除機(jī)械主軸不平衡的技術(shù)和方法己經(jīng)在實(shí)踐中得到廣泛應(yīng)用。隨著對(duì)高速主軸技術(shù)的研究、發(fā)展與創(chuàng)新，將會(huì)出現(xiàn)更加高效、精準(zhǔn)的在線動(dòng)平衡技術(shù)和平衡裝置。

通用動(dòng)平衡技術(shù)撓性轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡技術(shù)K. Federn在1956年提出，當(dāng)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)高于第一臨界轉(zhuǎn)速時(shí)，必須考慮撓度對(duì)動(dòng)平衡的影響。撓性轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡方法有單面影響系數(shù)法、模態(tài)平衡法、無試重平衡法等。

單面影響系數(shù)法影響系數(shù)是指轉(zhuǎn)子待平衡面上的單位不平衡量在某一個(gè)振動(dòng)檢測(cè)點(diǎn)所產(chǎn)生的振動(dòng)響應(yīng)。

上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院在2002年基于單面影響系數(shù)法進(jìn)行動(dòng)平衡測(cè)量研究，以高性能DSPF2808芯片作為測(cè)控單元。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:該方法能準(zhǔn)確得到動(dòng)平衡值的大小與相位，對(duì)有旋轉(zhuǎn)部件構(gòu)成的機(jī)械設(shè)備生產(chǎn)應(yīng)用和維修具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

西安交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院應(yīng)用影響系數(shù)法實(shí)現(xiàn)砂輪軸的現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡?；贚abVIEW開發(fā)專門用于砂輪盤類轉(zhuǎn)子現(xiàn)場(chǎng)單面平衡的虛擬儀器系統(tǒng)，試驗(yàn)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(dòng)，進(jìn)而達(dá)到減振目的。

在大多數(shù)發(fā)電廠進(jìn)行汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子平衡時(shí)，影響系數(shù)法的應(yīng)用在縮短平衡時(shí)間、提高平衡精度等方面比兩點(diǎn)法、三點(diǎn)法、試加質(zhì)量周移法等會(huì)更加廣泛和高效。

模態(tài)平衡法模態(tài)平衡法利用了轉(zhuǎn)子振動(dòng)不平衡響應(yīng)的性質(zhì)，每一模態(tài)用一組確定的質(zhì)量進(jìn)行平衡在該模態(tài)下的平衡還不能影響己經(jīng)平衡的低階模態(tài)。

西北工業(yè)大學(xué)教授驗(yàn)證了該方法的正確性，在一高速模擬轉(zhuǎn)子試驗(yàn)器上進(jìn)行無試重動(dòng)平衡試驗(yàn)，一次平衡后，轉(zhuǎn)子過臨界時(shí)振幅平均降低70%。實(shí)驗(yàn)表明，無試重模態(tài)動(dòng)平衡方法能夠有效、快速、精準(zhǔn)獲取撓性轉(zhuǎn)子的振動(dòng)幅值和相位。

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

無試重平衡法無試重平衡方法利用數(shù)值模擬在平衡面上試加虛擬質(zhì)量塊，確定轉(zhuǎn)子在檢測(cè)面處振動(dòng)相位相對(duì)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(dòng)力機(jī)械研究所和西北大學(xué)動(dòng)力與能源學(xué)院探索一種跨二階柔性轉(zhuǎn)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(jìn)的一項(xiàng)技術(shù)。其解決了傳統(tǒng)柔性轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡方法需要添加試重、多次啟動(dòng)問題，發(fā)展了一種基于無試重模態(tài)動(dòng)平衡方法的柔性轉(zhuǎn)子二階動(dòng)平衡方法。運(yùn)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(yàn)結(jié)果表明:該方法可有效降低轉(zhuǎn)子不平衡振動(dòng)，減少平衡開車次數(shù)，大大提高了轉(zhuǎn)子的平衡效率。

西安電子科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院和西安交通大學(xué)機(jī)械制造系統(tǒng)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室提出柔性主軸轉(zhuǎn)子低速無試重動(dòng)平衡方法，實(shí)驗(yàn)中工作轉(zhuǎn)速為7 200r/min，結(jié)果表明:對(duì)不平衡量校正后，一階臨界轉(zhuǎn)速下主軸振動(dòng)幅值下降了74.7%，臨界轉(zhuǎn)速前后振動(dòng)降幅明顯，有效抑制高速振型不平衡。

剛性轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡技術(shù)由于轉(zhuǎn)子材質(zhì)不均勻、制造、裝配誤差等原因，產(chǎn)生的不平衡量是產(chǎn)生振動(dòng)、噪聲重要根源。目前剛性轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡方法應(yīng)用較廣的是雙面影響系數(shù)法

由于重新設(shè)計(jì)現(xiàn)有機(jī)床或者機(jī)械主軸系統(tǒng)的難度很大，而對(duì)于動(dòng)平衡裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)較為容易，目前很多學(xué)者在雙面動(dòng)平衡技術(shù)和動(dòng)平衡裝置結(jié)合的研究方面取得很大發(fā)展。

近些年來重慶大學(xué)機(jī)械傳動(dòng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究學(xué)者提出基于影響系數(shù)法的不卸試重現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡算法。該方法利用配重平衡轉(zhuǎn)子原始不平衡量和未卸下試重。現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明:該算法有較高平衡精度，簡(jiǎn)化了現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡試驗(yàn)操作步驟，減少了現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡操作時(shí)間。

北京工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程與應(yīng)用電子技術(shù)學(xué)院的研究學(xué)者基于盤式在線動(dòng)平衡裝置原理，提出液壓驅(qū)動(dòng)平衡盤與主軸分離，基于雙平面影響系數(shù)法的原理，該方法提高機(jī)床主軸關(guān)鍵部位的平衡效果，具有現(xiàn)實(shí)意義。

哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)者李勇研究磁力平衡方法在線動(dòng)平衡機(jī)技術(shù)，提出一種采用無接觸同步旋轉(zhuǎn)電磁力作為平衡矢量在線動(dòng)平衡機(jī)設(shè)想，分析和計(jì)算定子繞組方波供電時(shí)電磁力幅值與相位的波動(dòng)誤差，計(jì)算結(jié)果證明了方案的可行性。

在線動(dòng)平衡技術(shù)高速主軸在線動(dòng)平衡技術(shù)細(xì)分為:直接法、間接法、混合法。

直接在線動(dòng)平衡方法噴涂式在線動(dòng)平衡方法圈將高粘度物質(zhì)噴射到轉(zhuǎn)子上，改變轉(zhuǎn)子重心位置實(shí)現(xiàn)動(dòng)平衡。高速旋轉(zhuǎn)下對(duì)轉(zhuǎn)子噴射高粘度物質(zhì)附著在轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生很大動(dòng)量，對(duì)轉(zhuǎn)子在短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生巨大的沖擊，從而產(chǎn)生了新的不平衡量。

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

去重式在線動(dòng)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(huì)使轉(zhuǎn)子表面產(chǎn)生傷痕，降低疲勞極限、影響表面質(zhì)量、縮短使用壽命。由于激光是在短時(shí)間內(nèi)將微量金屬氣化，平衡能力受限。

間接在線動(dòng)平衡方法間接在線動(dòng)平衡方法通過作動(dòng)器或軸承等方法間接調(diào)整主軸動(dòng)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(dá)到轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動(dòng)平衡。該類裝置主要有電磁軸承型在線動(dòng)平衡裝置和電磁圓盤型在線動(dòng)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(zhuǎn)子系統(tǒng)提供與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)角速度相同頻率的電磁力，使轉(zhuǎn)子系統(tǒng)達(dá)到平衡狀態(tài)。由于轉(zhuǎn)子在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，要時(shí)刻受到電磁力作用，對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)耗費(fèi)能量、不環(huán)保，裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積大、成本高，其用于不長期運(yùn)行的旋轉(zhuǎn)機(jī)械。

混合在線動(dòng)平衡方法國內(nèi)學(xué)者們進(jìn)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(duì)優(yōu)越性，目前，有3種常見平衡頭:電機(jī)驅(qū)動(dòng)式機(jī)械平衡頭、液體噴射式平衡頭和電磁式平衡頭

在線動(dòng)平衡技術(shù)研究展望目前，高速主軸與在線動(dòng)平衡技術(shù)之間聯(lián)系十分緊密，高速主軸在線動(dòng)平衡技術(shù)己成為機(jī)械加工等制造業(yè)方向著重開發(fā)與研究重點(diǎn)。目前對(duì)各類傳感器、計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)字通信技術(shù)、信號(hào)處理技術(shù)、精密加工與制造等己有十分深入研究，隨著這些技術(shù)發(fā)展，主軸在線動(dòng)平衡測(cè)試技術(shù)和動(dòng)平衡裝置發(fā)展方向主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:2

(1>結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更加標(biāo)準(zhǔn)化。有些動(dòng)平衡裝置在結(jié)構(gòu)上設(shè)計(jì)不合理，體積較大，導(dǎo)致安裝過程十分不便，應(yīng)該針對(duì)不同型號(hào)主軸，設(shè)計(jì)一套與主軸相適應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)，使動(dòng)平衡裝置能夠與主軸尺寸相適應(yīng)，使得安裝、操作過程更加簡(jiǎn)便容易。

(2)平衡效率高、操控更簡(jiǎn)便。由于動(dòng)平衡技術(shù)應(yīng)用不當(dāng)或者平衡裝置本身不足，在線主軸動(dòng)平衡過程在特定工況下，原本應(yīng)該可以快速將不平衡量抵消，卻花費(fèi)較長平衡時(shí)間，導(dǎo)致平衡效率十分低下。針對(duì)不同工況、實(shí)驗(yàn)環(huán)境下高速主軸，在線動(dòng)平衡技術(shù)和裝置都應(yīng)該擁有更加高效、而且操作簡(jiǎn)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(dòng)平衡裝置擁有較長的使用壽命，另一方面價(jià)格還要低廉，這樣高性價(jià)比的平衡裝置在未來的市場(chǎng)中才會(huì)擁有一席之地。

(4)更先進(jìn)的測(cè)試系統(tǒng)。動(dòng)平衡測(cè)試過程更多采用非接觸間接測(cè)試，這就要求平衡測(cè)試系統(tǒng)擁有如先進(jìn)傳感器技術(shù)、數(shù)字通信技術(shù)、信號(hào)處理技術(shù)等，某些在線動(dòng)平衡系統(tǒng)己實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)、自動(dòng)跟蹤補(bǔ)償?shù)饶芰?，這些大大提高在線動(dòng)平衡測(cè)試精度。

(5)研制新型材料、創(chuàng)新算法。材料對(duì)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(zhuǎn)速下發(fā)生熱膨脹，影響內(nèi)部動(dòng)平衡塊的移動(dòng)與調(diào)試。很多國內(nèi)外動(dòng)平衡算法的不斷研究、發(fā)展和創(chuàng)新，推動(dòng)在線平衡技術(shù)向更加積極、尖端的方向發(fā)展，不斷提高動(dòng)平衡精度與平衡效率。

(6)網(wǎng)絡(luò)化、智能化精密加工與制造。目前，先進(jìn)在線自動(dòng)平衡系統(tǒng)最佳平衡精度己經(jīng)達(dá)到0. 1 }.},m(振動(dòng)峰值)，網(wǎng)絡(luò)化、智能化技術(shù)也正在改變著加工生產(chǎn)方式，未來需要利用好網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)控制技術(shù)、在線動(dòng)平衡系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通訊和遠(yuǎn)程控制功能。

總結(jié)在線動(dòng)平衡技術(shù)目前應(yīng)用廣泛。離線動(dòng)平衡需要頻繁開關(guān)機(jī)，對(duì)平衡效率和精度有影響，對(duì)機(jī)器損壞嚴(yán)重，在線動(dòng)平衡不需要頻繁啟動(dòng)主軸轉(zhuǎn)子，避免了平衡過程中出現(xiàn)這一問題3。

多種類型動(dòng)平衡裝置的研究、生產(chǎn)。在線動(dòng)平衡裝置應(yīng)用到磨床、車床等各類小型加工設(shè)備上和越來越多的汽輪機(jī)、風(fēng)機(jī)、離心機(jī)、壓縮機(jī)等大型設(shè)備上。多種類型動(dòng)平衡裝置己經(jīng)在實(shí)踐應(yīng)用中取得良好特性。

從離線、在線動(dòng)平衡方法和各類動(dòng)平衡裝置兩方面來看，每種平衡技術(shù)都有各自的應(yīng)用范圍，每種動(dòng)平衡裝置也都有其各自的優(yōu)勢(shì)與局限性所以每種動(dòng)平衡技術(shù)、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(jī)械主軸方面的應(yīng)用都應(yīng)該得到廣泛的重視。

在未來研究過程中，在學(xué)者己經(jīng)完成的研究成果基礎(chǔ)上，繼續(xù)對(duì)高速主軸調(diào)控策略、動(dòng)平衡算法在線動(dòng)平衡技術(shù)等各方面進(jìn)行創(chuàng)新，開發(fā)研究高可靠性、高精度的動(dòng)平衡裝置，為各種類型機(jī)械設(shè)備加工水平和效率提升方面提供技術(shù)支持。利用好網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)，將動(dòng)平衡技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通訊、遠(yuǎn)程控制結(jié)合在一起，為用戶提供個(gè)性化、安全服務(wù)?？傮w而言，保證高精度、高效率、快速響應(yīng)、智能化的安全加工生產(chǎn)將是未來動(dòng)平衡技術(shù)及其裝置的發(fā)展方向和研究重點(diǎn)。