离心设备长条型旋转零件的静平衡技术研究及应用

钱红梅 张映宁

(二重(德阳)重型装备有限公司，四川618000)

根据离心设备运行原理，因不平衡产生的振动是影响设备安全稳定运行的主要因素，因此在其制造过程中静平衡是极其重要的关键技术，通过静平衡消除在制造和装配过程中因重心与旋转中心不重合产生的不平衡离心力，可以使设备的振动处于允许范围。离心设备中的关键零件——转臂由臂架和支承组成，零件的结构型式属于长条型，不同于常规的盘状或辊状的旋转零件，其静平衡的方法一直有待研究。

1 结构及组成

设备中转臂是由臂架与支承组合而成，见图1。转臂通过支承与传动系统的主轴胀紧固定，从而实现运转。因此，转臂的运行平稳性决定了整个设备的运行是否满足要求。根据要求，臂架、转臂支承、转臂都须进行静平衡试验，满足平衡等级的要求。

如图1所示，转臂属于大型组装式长条型工件，其组装后长约7 m、宽约2 m、厚度约0.7 m，组装后重约30 t，按照GB/T 9239.1—2006《机械振动 恒态(刚性)转子平衡品质要求：第1部分 规范与平衡允差的检验》，要求平衡品质级别达G16。整体工件尺寸大、重量大、平衡精度要求高。传统的静平衡方法一般用于长度直径之比较小(即盘状)的回转体零件上，有时也出现在长度直径之比较大的空心轴类零件上，而象转臂这种大型组装式长条型工件属于对称非回转体形状的零件，无法象现有的盘状或轴状工件那样，在平行导轨式平衡架上正反向自由滚动进行配重平衡。

图1 转臂组装件

2 长条型旋转零件的静平衡

2.1 臂架的静平衡

如图1所示，臂架属长条型对称零件，长6.8 m，重约30 t。零件进行传统的静平衡试验，其结构型式无法设置平衡芯轴。因此通过研究分析，根据力矩平衡原理，结合机床系统设计的一种新平衡方法。其原理就是设计定位支承轴支承臂架，通过机床配合将定位支承轴的轴向中心线和臂架几何中心线调整重合，调整臂架水平，然后在臂架两侧中心线对称位置布置重力传感器，使两个重力传感器、定位支承轴三者支撑在臂架的同一水平面上，通过重力传感器测出不平衡重量所在的方位和大小进行配平。

2.1.1 静平衡工艺装置

静平衡装置见图2。

1—定位支承轴 2—机床工作台 3—可调垫铁 4—高精度重力传感器 5—百分表 6—方箱 7—定位轴支承垫板 8—定位支承轴压板 9—螺栓、螺母 10—配重 11—工件臂架

2.1.2 静平衡工艺方法步骤

(1)首先将臂架平放在机床工作台上，利用定位支承轴、定位支承轴垫板和两端可调垫铁、方箱，把臂架调整水平，并在臂架厚度、宽度方向打百分表，监测臂架的水平、平行变化情况。

(2)将定位支承轴中心线和臂架几何中心线调整重合，机床打表检测，用螺栓、螺母和压板将定位支承轴固定在臂架上。

(3)调整两端可调垫铁高度，让定位支承轴将臂架支承，保证臂架两端高度一致。

(4)在左端加配重，并在右端降低可调垫铁高度，保持中间和左端支承臂架、右端产生0.1 mm间隙。

(5)在臂架右端逐步施加配重，使臂架微量转动，左端产生间隙，计算两端配重量差值。

(6)按上述步骤(3)～(5)重复，先在臂架右端加配重、左端逐步加配重，使臂架轻微反转动，记录配重差值，反复试验，优选、计算平均静不平衡量。

(7)校验静不平衡量

通过机床打表在两端长度中心线精确的对称位置放高精度重力传感器并轻微接触，受力相同。

调低两端可调垫铁高度，使臂架和可调垫铁之间产生间隙，重力传感器称量出静不平衡量，读取两端重力传感器显示数据差值，比对计算结果，确定静不平衡量进行配平满足要求。

2.1.3 臂架静平衡方案的应用实施

在制造过程中运用上述静平衡方法成功实施了臂架的静平衡，达到了设计要求的精度。该静平衡方法提供了一种操作简单、成本低廉、质量和效率较高的大型板条形臂架静平衡的工艺方法。相对于在大型工装上滚动的静平衡方法，设备简单、操作方便、机动灵活、成本较低。

2.2 转臂的静平衡

转臂由臂架与转臂支承组成一体形成部件，整体部件属长条型对称零件。根据其结构型式，虽然可以设置中心平衡芯轴，但所需的高精度平衡导轨刃口长而且转臂尺寸大，仍属于对称的非回转体形状工件，滚动时安全性很差，平衡精度不高。因此，运用传统的静平衡原理，结合转臂的结构型式，研制了专用的长条型工件摆动静平衡调节工艺。其原理是设计专用滚轮式工装，支撑轴连接于转臂中心，将转臂落于专用的平行导轨上，通过增减配重的方式在转臂的长度方向和宽度方向进行调平试验，整个调平过程只需要将转臂绕着工装支撑轴摆动，通过转臂处于水平、竖直两种特征状态下得出的偏重，根据许用不平衡量计算出需去除量，进行减重处理，以满足平衡品质的要求。

2.2.1 长条型工件(转臂)摆动静平衡试验装置

转臂的静平衡是在专用的平行导轨式的平衡架上进行，用于平衡导轨的断面是平刀形，由于平衡工作的精度高，须在保证强度、刚度的前提下尽可能减少工装支撑轴与导轨间的滚动摩擦，因此根据转臂重量P、工装支撑轴的轴径d、平衡导轨的宽度b三者的关系表进行综合平衡后，确定平衡导轨的宽度b取值，并将工作面淬硬磨光达Ra0.8 μm，确定工装支撑轴轴径d的取值。通过有限元分析确定平衡导轨的设计能够满足使用要求。

转臂的结构型式无法进行自由滚动，因此根据运行原理选取两个特征位置即水平位置和竖直位置进行平衡，如图3所示。

(a)转臂水平状态平衡试验 (b)转臂竖直状态平衡试验 1—转臂 2—工装平衡支撑轴 3—平衡导轨 4—工装销轴 5—配重A(或称重传感器) 6—支承方箱 7—百分表 8—支承调整垫铁A 9—辅助方箱A 10—支承调整垫铁B 11—配重B(或称重传感器) 12—支承调整垫铁C 13—辅助方箱B

2.2.2 长条型工件(转臂)摆动静平衡试验方法

(1)平衡工具的安装

组装工装平衡支撑轴于转臂中心孔处预紧固牢，要求各贴合面贴合紧密。根据转臂外径尺寸及组装工装后的开裆尺寸，在装配铸梁平台上布置方箱及可调垫铁，将平衡导轨就位，检查静平衡导轨上刃口间开裆尺寸满足要求后，调整两平衡导轨刃口工作面的水平度和平行度，要求不得大于0.02 mm/m。吊装转臂与工装组装件于平衡导轨上，通过支承调垫A支垫平稳，保证转臂水平度0.10 mm。

(2)静平衡试验

测试平衡时，先进行粗配重，通过逐步增加配重重量使转臂分别顺时针转动、逆时针转动相同角度(摆动角度逐步减小)，以消除滚动摩擦的影响。

然后进行精调：

a)在调节转臂处于水平时，在转臂的两端分别设置百分表，且两端百分表的安装位置关于第一对称平面对称，距离中心大于2 m。

b)在调节转臂处于竖直时，在转臂的两侧分别设置百分表，且两侧百分表的安装位置关于第二对称平面对称。

按如下步骤分别进行水平状态下和竖直状态下的配平：松开一端支承调垫，在转臂其中一端的第一挂接点逐步增加配重，使转臂摆动α角度；接着，在转臂的另一端的第一挂接点逐步增加配重，使转臂反向摆动α角度复位。重复2～3次，直至转臂在水平和竖直时保证两侧百分表微动0.10 mm以内。判断出偏重侧，将两侧配重和工装销轴分别通过电子秤进行称量，其差值即为偏重方位挂配重处需减去的重量Q。

(3)静平衡校验

在两端长度中心线精确的对称位置放置高精度重力传感器并轻微接触，受力相同。

调低两端可调垫铁高度，使臂架和可调垫铁之间产生间隙，重力传感器称量出静不平衡量，读取两端重力传感器显示数据差值，比对计算结果，确定静不平衡量进行配平满足要求。

(4)减重处理后，重新进行静平衡试验，直至确保满足平衡品质级别G16的要求。

2.2.3 转臂静平衡试验的应用实施

通过长条型工件摆动静平衡方案的研究，在制造过程中成功地完成了转臂组装件的静平衡试验，达到了设计要求的精度。该平衡方法，通过增减配重的方式在待平衡工件的长度方向和宽度方向进行调平试验，便可实现待平衡工件的静平衡调节。整个调平过程只需要将待平衡工件绕着工装支撑轴摆动，规避了传统的自由滚动的方式进行配平的问题，从而使长条型工件静平衡调节的操作更安全可靠，缩短需要的导轨刃口长度，节约成本。而且，通过两端配备高精度传感器的调节方式进行偏重测定，平衡精度高。

3 结语

对长条型的旋转零件进行静平衡，通过对其运行原理及其平衡技术进行分析研究，结合长条型零件在制造不同阶段呈现的不同状态，制定了不同的静平衡方案。通过实际试验，验证了该长条型零件的静平衡技术方案是合理的，满足了产品的质量要求，其精度达到了用户设计要求。对长条型旋转零件的静平衡技术进行总结，为今后不同结构型式的旋转零件进行静平衡提供了思路。