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柴油發(fā)電機靜不平衡和動(dòng)平衡的檢驗 |
摘要：對于柴油發(fā)電機高速旋轉的零件如曲軸、飛輪、傳動(dòng)軸、皮帶輪轂等在裝配前應進(jìn)行平衡試驗，檢查其靜平衡與動(dòng)平衡。零件不平衡將給零件本身和軸承造成附加載荷，使其在柴油發(fā)電機工作中發(fā)生振動(dòng)，從而加速零件的磨損和損傷。所以零件和組合件在進(jìn)行總裝前要進(jìn)行平衡試驗，以提高修理質(zhì)量和延長(cháng)總成的使用壽命。零件和組合件的平衡分為靜平衡和動(dòng)平衡兩種。產(chǎn)生不平衡的原因是零件的尺寸不精確、制造質(zhì)量不均勻、由于裝配中的誤差，使零件的旋轉中心或軸線(xiàn)發(fā)生偏移。如零件的靜不平衡是由于零件的重心離開(kāi)了零件的旋轉軸線(xiàn)而產(chǎn)生的，長(cháng)形零件彎曲，質(zhì)量沿長(cháng)度分布不均勻而引啟動(dòng)不平衡。
一、動(dòng)平衡原理
在運轉過(guò)程中，曲軸自身的不平衡量是影響曲軸壽命和正常運轉的一個(gè)關(guān)鍵因素，而且這個(gè)因素也是最容易被忽略的。曲軸作為一個(gè)轉子圍繞軸線(xiàn)進(jìn)行旋轉，其自身相對于軸線(xiàn)的質(zhì)量分布不均勻而產(chǎn)生了離心力，這種離心力在曲軸轉動(dòng)過(guò)程中就產(chǎn)生了振動(dòng)、噪音，加速了軸承的磨損，以致嚴重影響產(chǎn)品的性能和壽命。為此，必須對柴油機曲軸進(jìn)行動(dòng)平衡校驗，使其達到允許的平衡精度等級，正常平穩的運轉使用。
1、動(dòng)平衡的定義
動(dòng)平衡是指旋轉體旋轉時(shí)圍繞軸心線(xiàn)的以外的由各偏心質(zhì)點(diǎn)組成的旋轉質(zhì)量系統產(chǎn)生的旋轉慣性力合力及合力矩均等于零。由于柴油機是一個(gè)整體機構，在考慮其平衡性時(shí)，從曲柄連桿機構的角度和曲軸的角度考慮其平衡性。柴油機啟動(dòng)時(shí)轉速一般都不低于500轉每分鐘，所以對旋轉平穩性有一定要求，特別是高速柴油機，轉速高離心力大可能引起較大振動(dòng)，使軸承和支撐軸瓦過(guò)載損壞。
2、曲軸的平衡結構分布
直列四沖程發(fā)動(dòng)機曲軸通常采用一四連桿與二三連桿呈現180度夾角的四拐五主軸頸設計，從理論設計是動(dòng)平衡的，但由于材料密度，鑄造（鍛造）時(shí)存在尺寸差異，在實(shí)際使用中存在著(zhù)一定量的不平衡量，為了改善曲軸本身不平衡，減少主軸承載荷，曲拐連接部位的扭矩力，需合理分布平衡塊，也稱(chēng)配動(dòng)塊。曲軸平衡配動(dòng)塊主要作用是用來(lái)調整控制曲軸以軸心線(xiàn)為中心旋轉平穩性。
3、動(dòng)平衡計算公式
在硬支撐平衡機中，由于軸承支架剛性很大，故轉子不平衡量旋轉時(shí)產(chǎn)生的離心力，僅能使軸承支架產(chǎn)生微小擺動(dòng)，因而轉子和軸承支架水平不產(chǎn)生振動(dòng)偏移，這樣的作用力可以認為是作用在簡(jiǎn)支架上的“靜力”，因此可用靜力學(xué)原理來(lái)分析轉子的動(dòng)平衡條件。
對于一個(gè)動(dòng)平衡剛性轉子，總可以在與旋轉軸線(xiàn)垂直而不與轉子重心相重合的兩個(gè)平面上減去或加上適當的重量來(lái)達到動(dòng)平衡。當轉子旋轉時(shí)，支架上的軸承會(huì )受到“不平衡”交變動(dòng)壓力作用，這個(gè)動(dòng)壓力就包含“不平衡”的大小和相位，因此，對這個(gè)動(dòng)壓力經(jīng)過(guò)轉換處理后，就可精確的得到轉子兩個(gè)較正面不平衡量的大小和相位。
由于傳感器是安裝在支撐軸承處，而在實(shí)際對轉子的平衡中，并不是在轉子的任何位置都可以加重或去重的，因此，在平衡時(shí)應確定兩個(gè)工藝允許的較正面，就需要把軸承處測量到的不平衡信號換算到兩個(gè)較正面上去，利用靜力學(xué)原理來(lái)實(shí)現，其原理見(jiàn)圖1、圖2。
根據靜力學(xué)原理，轉子處于平衡狀態(tài)須滿(mǎn)足EF=0；≥M=0；的初始條件，由此可得方程如下：
FL+FR-fl-fr=0
FL×a+FR×b-FR×（b+c）=0................（公式1）
fr=MR×r2×W×W
fr=ML×r1×W×W ................（公式2）
聯(lián)解方程組（1）（2）可得：
MR=｛（1+c/b）×FR-a/b×FL｝/r2/W/W ................（公式3）
ML=｛（1+a/b）×FL-c/b×FR｝/rl/o/ω ................（公式4）
式中，FL、FR——左、右支撐軸承上承受的動(dòng)壓力；
fl、fr——左、右較正面上不平衡質(zhì)量產(chǎn)生的離心力；
ML、MR——左、右較正面上的不平衡質(zhì)量；
a、c——左、右較正面至左、右支撐軸承間的距離；
b——左、右較正面間的距離；
r1、r2——左、右較正平面的半徑；
ω——旋轉角速度。
4、公式（3）（4）的物理意義
（1）a、b、c、rl、r2、W為已知，則校正面上應加（或減）的校正量可直接測出，并以克顯示，實(shí)現了軸承處測到的不平衡量信號向校正面的轉換。
（2）轉子兩個(gè)校正面間的相互影響由支撐軸承和校正面的位置尺寸a、b、c確定，故不需要校正轉子和調整運轉試驗，就能在平衡前預先進(jìn)行平面分離和校準。
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圖1 柴油機動(dòng)平衡原理圖 |
圖2 靜不平衡和動(dòng)平衡示意圖 |
二、運動(dòng)零件不平衡的產(chǎn)生
1、靜不平衡
零件的靜不平衡狀態(tài)。O—O線(xiàn)是圓盤(pán)的旋轉軸線(xiàn)，圓盤(pán)的重心為B，重心與旋轉軸線(xiàn)的距離為0。假如把圓盤(pán)按圖中所示的方式支撐在軸承上，它是不能隨時(shí)靜止的（除重心在B'的位置可以靜止）。由于力矩Q∶r的作用隨時(shí)都有自行轉動(dòng)的趨勢，我們稱(chēng)這種現象為靜不平衡狀態(tài)。當靜不平衡零件旋轉時(shí)，由于物體的重心離開(kāi)它的旋轉軸線(xiàn)，因而產(chǎn)生離心力。離心力F的大小可按下式計算∶
F=（Q/g）• r • ω2=（Q/g） • r • （nπ/30）2................（公式5）
式中∶Q——旋轉圓盤(pán)的重量，kg；
r——重心距旋轉中心的偏移量，cm；
n——圓盤(pán)的轉速，r/min；
ω——圓盤(pán)的角速度。即離心力F的大小與轉速的平方成正比。因此零件高速旋轉時(shí)，離心力是很危險的。
零件靜平衡的檢驗是在一個(gè)專(zhuān)門(mén)的檢驗臺架上進(jìn)行的。將裝在被檢驗零件上的心軸平置在兩導軌上。如心軸滾動(dòng)一兩圈，且始終停止在一個(gè)靜止點(diǎn)，則對應于心軸的最下方是重心偏離的位置方向，表示這一零件具有靜不平衡。一般消除不平衡重量的方法有∶在不平衡重量相對稱(chēng)的一邊附加一重量；另一種方法是在不平衡重量一側去掉一部分金屬；
2、動(dòng)不平衡
動(dòng)不平衡，指作旋轉運動(dòng)的零、部件，由于形狀誤差（比方說(shuō)內外圓不同軸，圓柱不圓、母線(xiàn)不直，端面與軸線(xiàn)不垂直等）、內部組織不均勻等原因造成在柴油發(fā)電機旋轉時(shí)產(chǎn)生振動(dòng)，產(chǎn)生不良影響的現象。動(dòng)不平衡是圍繞旋轉軸的質(zhì)量不均勻分布。 當質(zhì)心（慣性軸）與旋轉中心（幾何軸）不對齊時(shí)，旋轉質(zhì)量塊或轉子被稱(chēng)為不平衡體。 不平衡導致轉子給旋轉結構振動(dòng)的擺動(dòng)運動(dòng)特性。
經(jīng)過(guò)靜平衡檢驗的零件，還可能是動(dòng)不平衡的。如處于靜平衡狀態(tài)的旋轉運動(dòng)零件，可能產(chǎn)生動(dòng)不平衡。因此，整個(gè)軸的重心一定位于旋轉軸線(xiàn)上，這樣的軸放在靜平衡臺上檢查，一定是平衡的。當動(dòng)不平衡零件旋轉時(shí)，由于零件沿長(cháng)度方向上的質(zhì)量不均勻而產(chǎn)生的離心力，就是動(dòng)不平衡零件旋轉時(shí)所產(chǎn)生的附加力。由于這個(gè)附加力的作用，不僅會(huì )減弱零件的強度，而且會(huì )使軸承負荷增加引起振動(dòng)。柴油發(fā)電機上的曲軸和傳動(dòng)軸等高轉速的運動(dòng)要件，在柴油發(fā)電機修理時(shí)，都應該進(jìn)行動(dòng)不平衡檢驗。
三、曲軸動(dòng)平衡校驗方案
下面介紹幾種主要零件在柴油發(fā)電機修理中取得平衡的方法。
1、曲軸
曲軸一般都有平衡重，有的柴油發(fā)電機曲軸的平衡重與柴油發(fā)電機曲軸制成一體。有的柴油發(fā)電機曲軸平衡重則用螺栓緊固在曲軸上。進(jìn)行平衡時(shí)，可在曲軸平衡重或軸臂上用鉆孔或銑面的方法取得平衡。在修理和拆裝柴油發(fā)電機時(shí)，不要隨便拆下曲軸的平衡重。曲軸有幾何軸心線(xiàn)和質(zhì)量中心線(xiàn)之分。幾何中心線(xiàn)是以物體夾緊位置外圓做參照；質(zhì)量中心線(xiàn)是以零件在轉動(dòng)時(shí)，能使旋轉軸零件達到平穩轉動(dòng)的質(zhì)量中心連線(xiàn)。當一個(gè)軸類(lèi)零件分布比較均勻對稱(chēng)，從理論上它是平衡的，這時(shí)他的幾個(gè)中心線(xiàn)和質(zhì)量中心線(xiàn)是重合的如圖3所示。
2、飛輪
在活塞的4個(gè)行程中，只有一次是做功的，進(jìn)氣、壓縮、排氣3個(gè)行程都需要一定的力量支持才能順利進(jìn)行，而飛輪在這個(gè)過(guò)程中就起了相當大的作用。
飛輪的體積很大，之所以做得比較大，主要是為了儲存發(fā)動(dòng)機的運動(dòng)能量，這樣才能保證曲軸平穩地運轉。其實(shí)這個(gè)原理跟我們小時(shí)候玩的陀螺玩具差不多，我們用力旋轉后，它能保持相當長(cháng)時(shí)間的轉動(dòng)，這樣就不難理解大的飛輪為什么可以?xún)Υ婺芰苛?。另外，飛輪外緣鑲有齒環(huán)，與起動(dòng)機相連，通過(guò)起動(dòng)機帶動(dòng)飛輪旋轉從而啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機，如圖4所示。
3、曲軸飛輪組平衡檢驗
在曲軸、飛輪及離合器總成分別進(jìn)行平衡檢驗后，再將它們裝合在一起進(jìn)行動(dòng)平衡試驗。當其平衡度超過(guò)一定限度時(shí)應將總成拆散，分別重新進(jìn)行平衡試驗，直到總成的不平衡度在允許的限度以?xún)葧r(shí)，再進(jìn)行動(dòng)平衡檢驗。如不平衡，取得平衡的方法是在飛輪上取下金屬或在離合器殼上加裝平衡片。一般曲軸、飛輪及離合器上都做有記號表明它們的裝配關(guān)系。在修理拆裝過(guò)程中應注意按記號裝配。
5、傳動(dòng)軸總成
在修理過(guò)程中，傳動(dòng)軸總成都進(jìn)行動(dòng)平衡試驗。取得其平衡的主要方法是在傳動(dòng)軸軸管兩端焊接平衡片或在十字軸軸承蓋上加裝平衡片。
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圖3 曲軸平衡轉動(dòng)的中心線(xiàn) |
圖4 柴油機飛輪位置圖 |
四、動(dòng)平衡校驗方法
1、計算公式
曲軸允許不平衡量的計算公式是：
Mper=m×G×（60/2π×r×n）×103................（公式6）
式中，m——允許不平衡量
M——轉子的自身重量，單位是kg
G——轉子的平衡精度等級，單位是mm/s
r——轉子的校正半徑，單位是mm
n——轉子的轉速，單位是rpm
通過(guò)上式可以知道，曲軸的允許剩余不平衡量是與其自身的質(zhì)量有關(guān)的，但是對于不同的轉速，不平衡量的允許值也是各不相同的。
作為一條曲軸，在各個(gè)曲拐上去重校正，將每缸的中間作為測量面，測量完成后把不平衡量分解到每缸的兩個(gè)配重面上，在配重面上鉆孔校正，在曲軸參數設置中，我們需要設置每個(gè)校正面的水平坐標。另外我們還需要將每個(gè)扇面的去重起始角和終止角輸入到設置面板中。
在測量過(guò)程中，首先對動(dòng)平衡機進(jìn)行標定，標定的方法是選擇已知重量的標準塊，安裝到曲軸的去重位置，在平衡機中設置好標定塊的重量及角度，運轉平衡機，檢查顯示數值與標準塊質(zhì)量是否一致，如一致則可以繼續進(jìn)行校正。
2、動(dòng)平衡校驗過(guò)程中的注意事項
（1）對于停放時(shí)間較長(cháng)的轉子，為了保證測量數據的穩定，轉子需要在平衡轉速上維持一定的時(shí)間再進(jìn)行測量。
（2）轉子上各個(gè)部件或零件的不平衡量應盡量在自身上給予平衡校正，這樣做的目的，其一可以消除旋轉時(shí)由不平衡量離心力與校正量離心力不在同一平面或同一體上而引起內應力，其二可以降低高速時(shí)的振型不平衡量。
（3）轉子上各個(gè)部件或零件應盡量安裝在本轉子軸上給予平衡校正。對于不得不借助于輔助軸進(jìn)行平衡的部件，應注意輔助軸帶來(lái)的影響，并給予消除。消除輔助軸影響的最簡(jiǎn)單又可靠的方法是180°翻轉法。
對于180°翻轉法是利用零件在輔助軸上相差相位180°的二次裝夾，就能把輔助軸的不平衡量與零件的不平衡量分離開(kāi)來(lái)。即使輔助軸具有偏心的情況下，這種方法也是有效的。
（4）作為曲軸，兩個(gè)校正面之間的距離應盡量大些，并應位于轉子重心的兩側，總之應使曲軸在平衡時(shí)所需的校正量小些，也就是配重的效果大些。
（5）不平衡量的校正方式要采用加重的方式，不能選擇去重的方法，
總結：
曲軸動(dòng)平衡校驗的情況，反應了柴油機運轉過(guò)程的情況，按照雙面動(dòng)平衡，將曲軸一分為二來(lái)看待，這也是符合曲軸正常運轉的規律，更接近曲軸實(shí)際使用情況，通過(guò)曲軸不平衡量的解算，提高曲軸質(zhì)量，保證柴油機質(zhì)量。
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