刚性转动零件的静平衡与动平衡试验的概述1. 基本概念:1.1不平衡离心力基本公式:具有一定转速的刚性转动件(或称转子),由于材料组织不均匀、加工外形的误差、装配误差以及结构形状局部不对称(如键槽)等原因,使通过转子重心的主惯性轴与旋转轴线不相重合,因而旋转时,转子产生不平衡离心力,其值由下式计算:式中:G------转子的重量(公斤)e-------转子的重心对旋转轴线的偏心量(毫米)n-------转子的转速(转／分)ω------转子的角速度(弧度／秒)g-------重力加速度9800(毫米／秒2)由上式可知,当重型或高转速的转子,即使具有很小的偏心量,也会引起非常大的不平衡的离心力,成为轴或轴承的磨损、机器或基础振动的主要原由之一.所以零件在加工和装配时,转子必须进行平衡.1.2转子不平衡类别:1.2.1转子的惯性轴与旋转轴线不相重合,但相互平行,即转子重心不在旋转轴线上,如图1a所示.当转子旋转时,将产生不平衡的离心力.1.2.2转子的主惯性轴与旋转轴线主交错将产生不平衡的离心力,且相交于转子的重心上,即转子重心在旋转轴线上,如图1b所示.这时转子虽处于平衡状态,但转子旋转时将产生一不平衡力矩.1.2.3大多数情况下,转子既存在静不平衡,又存在动不平衡,这种情况称静动不平衡.即转子的主惯性轴与旋转轴线既不重合,又不平行,而相交于转子旋转轴线中非重心的任何一点,如图1c所示.当转子旋转时,将产生一个不平衡的离心力和一个力矩.1.2.4 转子静不平衡只须在一个平面上(即校正平面)安放一个平衡重量,就可以使转子达到平衡,故又称单面平衡.平面的重量的数值和位置,在转子静力状态下确定,即将转子的轴颈放置在水平刀刃支承上,加以观察,就可以看出其不平衡状态,较重部份会向下转动,这种方法叫静平衡.1.2.5转子动不平衡及静动不平衡必须在垂直于旋转轴的二个平面(即校正平面)内各加一个平衡重量,使转子达到平衡.平面的重量的数值和位置,必须在转子旋转情况下确定,这种方法叫动平衡.因需两个平面作平衡校正,故又称双面平衡刚性转子只须作低速动平衡试验，其平衡转速一般选用第一临界转速的1/3以下。
.1.3转子不平衡产生的原因:1.3.1设计与制图的误差.1.3.2材料的缺陷.1.3.3加工与装配的误差.1.4转子不平衡产生的不良效应:1.4.1会对轴承、支架、基体产生作用力.1.4.2引起振动.但不平衡与质量分布,机架的刚度有关,所以转子不平衡不一定就会产生振动.一般的说来,静不平衡影响大于力矩不平衡的影响.2. 动平衡与静平衡的选择:2.1一般选取的范围:2.1.1当转子厚度δ与外径D之比(δ／D)≤0.2时(盘状转子),需要作平衡试验的,不轮其工作转速高低,都只需进行静平衡.2.1.2当转子厚度δ(或长度)与外径D之比(δ／D)≥1时(辊筒类转子),只要转子的转速＞1000转／分,都要进行动平衡.2.1.3.当转子厚度δ与外径D之比(δ／D)在0.2—1时和当转子厚度δ与外径D之比(δ／D)≥1而转子的转速＜1000转／分时,需根据转子的重量;使用功能;制造工艺;加工情况(部分加工还是全部加工)及轴承的距离等因素,来确定是否需要进行动平衡还是静平衡.一般不重要部位使用的零件,旋转速度较低的转子零件,设计需要作平衡试验的,一般只按排作静平衡.2.2按图表选择:(见图2)图2表示平衡的应用范围.下一条线以下的转子只需进行静平衡,上斜线以上的转子必须进行动平衡,两斜线之间的转子须根据转子的重量;使用功能;制造工艺;加工情况(部分加工还是全部加工)及轴承的距离等因素,来确定是否需要进行动平衡还是静平衡.一般不重要部位使用的零件,旋转速度较低的转子零件,设计需要作平衡试验的,一般只按排作静平衡.3. 许用不平衡量的确定:3.1许用不平衡量的表示方法:评价转子不平衡大小在图纸上可以用许用不平衡力矩表示,即转子重量与许用偏心距的乘积,单位为克.毫米.也可用偏心距表示,单位为微米.1973年国际标准化协会对于刚性转子相应不同平衡精度等级G的许用偏心距和各种具有代表性的旋转机械钢性转子应具有的精度等级分别表示在图3和表1上.可供确定刚性转子许用不平衡量值的参考.静平衡(单面平衡)的许用不平衡力矩为:M=e×G(克／毫米)动平衡(双面平衡)的许用不平衡力矩为:M=1／2(e×G)(克／毫米)式中:e——许用偏心距(毫米,见图3)G——转子重量(克)图三若转子用许用偏心距表示不平衡大小时,则静平衡的许用值可取图3中的全数值.而动平衡的校正平面许用值取图3中的数值的一半.(图3可参见附页图3放大图)3.2许用不平衡量控制的误差如下:平衡精度等级允许偏差G2.5~G16±15%G1±30%G0.4±50%3.3平衡精度的分类:1973年国际标准化ISO推荐”旋转刚性平衡精度”的判断标准中,根据eω乘积为一常数,按2.5倍阶比被分为下11等级,见下表1.表1注:1、若n用转／分,ω用弧度／秒测定,则ω=2πn／60≈n／102、指曲轴驱动件是一个组合件,包括曲轴、飞轮、离合器、皮带轮、减振器和连杆的转动部份等.3、指活塞速度低于9米／秒为低速柴油机发动机,活塞速度高于9米／秒为高速柴油机发动机4、发动机整机转子其重量包括注②所述的曲轴驱动件的全部重量.3.4在外圆处许用静平衡配重值与平衡精度等级和工作转速度关系式2）其中：m--------许用配重值。
g工件重量。
kg选定的平衡精度等级数值。
mm/sR------工件半径。
mmω-----------工件角速度。
弧度/秒ω=n×π/30≈(1/10）nn------------工件转速。
r/min4. 长辊筒许用不平衡量的确定:4.1长辊筒的类别和动,静平衡的选择:根据一些资料介绍／D大于20为细长辊筒,L／D大于30为超长辊筒.其细长辊筒、超长辊筒，因细长,加工困难,易产生弯曲变形,是造成不平衡的一项重要原因辊筒一般是由薄臂管和轴头焊接而成,长辊筒、超长辊筒的工作速度一般较低,在300-400转／分以下.平衡的选择,根据动,静平衡选择的原则,大部份选用静平衡试验.4.2 长辊筒许用不平衡量的选择:4.2.1长辊筒许用不平衡量的选择,可按上述图3和表1进行选取.度为60转／分.根据动,静平衡选择的原则,L／D大于1,但工作速度很低60转／分,故选取静平衡.根据故提高速度等级,按工作速度为150转／分进行查对,查得结果许用偏心量为400μm.即在重心处允许的偏心力矩为M=0.40×G=0.40×61Kg=24400克.毫米.转换成外圆处允许的偏心重为G=M／R=24400／45=542.22克.外圆4.2.2=(1／1000)×61Kg=61克.与上述查表得出的外按上述实例,即外圆处允许的偏心重为G外圆圆处允许的偏心重为G=542.22克的数值相比,平衡的精度高出近9倍之多,.外圆假设此长辊筒为刚性辊,加工后的直线度为0,则从外圆允许的偏心重为G=61克,转换成外圆重心处允许的偏心距为e=(61克×R)／G=0.045毫米.即此辊在刚性体的条件下,其重心只允许偏移0.045以下,否则超差不合格.按此精度,以工作速度300转／分,反查图G0.22级，比G1级高，比最高级G0.4级还高1倍之多。
而此件长径比L／D=3070／90=34.1,其L／D之比大于30为超长辊筒.加工中弯曲变形极难控制.而日方此件规定为外圆处允许偏重值为50克,相当于是(1／1220)G允许的力矩值.其转换重心计算只允许偏移0.0367以下,否则超差不合格.此精度对如此超极易弯曲变形长辊筒来说很难于保证的。
:①辊筒的总长与辊面直径之比L／D大于1—20,直径大于φ120,并具有足够的配焊配②辊筒的总长与辊面直径之比L／D大于30,直径小于φ120,全长直线度控制在7级计算确定.否则设计应改进结构,尺寸和材料,并从设计和工艺手段进行攻关,以提高辊筒刚性和加工精度.③其余的需根据辊筒使用功能,工作速度,设计结构,主动,被动和配焊配重棒空间位置及工艺加工精度等综合情况确定.5. 设计对平衡在图纸中应注明的数据:5.1在图中应给出平衡的类型和许用不平衡力矩的数值.单位:克.毫米(及公差范围)或偏心距的数值.单位:微米50%范围或者给出转子的质量,工作速度及平衡精度等级等数据.(动、静平衡的许用不平衡量值相差一倍.)5.2在图中应予留或注明平衡所需的配焊棒、块或去除重量的位置和要求.5.3必要时,在图中还应给出平衡机的支承形式和它们配置驱动装置、选择的平衡速校正的平面位置.5.45.5零件的制造公差,形状公差和装配的配合间隙等,应必须要小于许用不平衡偏心距的值,否则其平衡无意义.5.65.7对于许用不平衡力矩的精度等级,应根据工件的使用要求,经济合理性的选择确定.避免不必要的过高的高精度平衡要求.▲对一般长辊筒类零件,为了便于平衡配重的按排,建议轴头结构形式改为下形式,仅作参考.见如下示意图:------此仅作参考.图中件1轴颈,件2筋板,件3堵盖.先将件1轴颈和件2筋板焊在一起,加工外圆配合尺寸,然后装入辊筒内焊接,此时件3堵盖先不把上或先不焊上,待辊筒半精加工找好平衡后再将件许3堵盖把上或焊上.这样找平衡时,有配焊配重棒,块的空间,腔内切屑易清理,最后焊件3堵盖把上或焊上,这样外表面很美观.但此结构是否可行,但许有待验证.▲如果辊筒刚性太差,也可将中间筋板贯穿辊面总长,本次日东项目就是采取这种结构的.6. 长辊筒平衡工艺的按排和注意事项:6.1毛坯材料的不平衡因素:长辊筒一般是由薄臂管或多层复合管和两端轴头焊接而成,薄臂管大多采取20号无缝钢管.根据国标YB231-70无缝钢管尺寸偏差的规定:钢管的弯曲度偏差:臂厚≤15mm------------------弯曲≤1.5mm／m臂厚＞15~30------------------弯曲≤3.0mm／m臂厚＞30----------------------弯曲≤4.0mm／m臂厚均匀度偏差:外径＜57mm的各种臂厚----------臂厚的均匀允差±15%臂厚3~20----------------------臂厚的均匀允差+12.5%~-15%臂厚＞20-----------------------臂厚的均匀允差±12.5%从毛坯材料看出,长辊筒的中的钢管弯曲和臂厚偏差是造成整体辊筒不平衡的重要原因之一,在实践中证明,最大可造成80公斤到100公斤偏重.因此对辊筒中的钢管在工艺中采取加工内孔和外圆以保证同轴或者内孔不加工采取借车或在内孔中预焊配重棒的工艺方法,是减少整体辊筒不平衡量的有效的工艺措施.建议:①内孔直径大于φ100,长度小于1200左右的刚性较好的钢管筒体,工艺采取以外圆为基准车内孔,保证内外圆同轴.(即不管设计要不要求内外圆加不加工,工艺上均采取加工方法)②内孔直径小于φ100,长度大于1200以上或者长径比＞12的,直径比较小且细长的筒体,工艺最好采取推镗内孔,特长件可采取两端对推镗加工内孔,以尽量减少偏重.③长径比＞12的,内孔直径在φ150以上的厚皮长筒体,工艺采取借车外圆或在内孔毛坯面处焊配重棒进行初步予平衡.其工艺措施、有关规定和借车偏心距e公式参见下条内容.④借车修偏法:a)长辊筒借车近似公式:e=80000(G外圆／D×L工件)----------------mm其中:e----------中心偏心距mmG外圆-----平衡机在外圆处得出的借偏重量值kgD----------工件车前的直径mmL工件------借车偏工件的长度mmb)长辊筒借车移位的规定和方法:长辊筒类工件平衡采取借车方法时,均按动平衡机做出的轻点标记反180度方向位移e值进行借车加工,注意工件中心的位移量为e值,用千分表旋转测量跳动.值为2e.静平衡偏重值结果是指外圆面处的偏重量值G外圆⑤焊配重修偏法:见下图示带轴颈辊筒的配重棒修配法简图焊前辊筒的筒体配重棒修配法简图a)长辊筒体工件平衡采取焊配重棒方法时,均按轻点标记的同方向中部相应r配焊部位进行配焊加工.动平衡结果要求给出在需要进行焊接配重棒r处重心点的偏重量值G.此中心点由动平衡机操作者根据工艺要求控制,并做出具体位置和重量值的标记.b)焊配重棒的长度,根据具体情况,最长应不超过300~400左右.要求可两端分配焊接,C)配重棒的焊缝必须牢固,其焊缝长度应不小于配重棒的1／3.⑥去重修偏法.在设计允许的部位,采取钻孔、铣削、刨削、偏心车削、打磨、抛光、激光熔化金属等去除金属的方法消除不平衡.但注意对细长轴,刚性极差的零件,要考虑到去除金属后应力施放后的变形引起的二次不平衡.(例如大键槽铣后均发生变形)(设计必须注明键槽铣出还是不铣出时作平衡的明确要求,如果按装长键的话应在末铣键槽前作平衡试验,如果是空槽则要求设计必须给出对称铣削槽口的位置以达到平衡的目的)⑦机械固定配重块修偏法.在设计允许的部位,采取将配重块用螺钉,卡子等紧固方法固定配重块消除不平衡.这种方法避免了因焊接配重块而产生变形引起的二次不平衡.例如6850海绵辊采取在两端轴颈按装偏心套方法，⑧对于复合型辊筒(如加热辊,冷却辊等)必须从里向外,逐层采取减小或消除不平衡的预先平衡工艺措施,以保证最后整体不平衡量最小的工艺要求.6.2轴头焊接与配重棒焊接的不平衡因素:6.2.1轴头焊接偏心不平衡:轴头组对焊接时,因组对时按装的偏差,焊接时焊接应力的变形,使轴头的轴心发生位移,特别是长度较长轴头,这种偏移量有时很大.因此工艺上要求必须以筒体外圆为基准修正中心孔,然后车圆轴头各部,以保持整体辊筒剩余不平量最少.为了具有足够的修整量,设计对轴头必须留出一定的加工余量.轴头与辊筒的配合公差要合理选择,保证定位精度,另外要严格规范焊接工艺,采取对称点焊接,保证对中性.6.2.2焊配重棒变形的不平衡:①辊筒整体平衡时,采取钻孔插入配焊棒焊接,特别是较长的轴头,焊后均产生整体辊筒中心的偏移,造成新的不平衡。