曲軸動平衡機(jī)的基本原理解析及維修方法

按：這是筆者在汽車發(fā)動機(jī)工廠做維修工程師時的一篇文字，文中所涉及的曲軸平衡機(jī)是英國產(chǎn)品，文中大部分內(nèi)容仍具有參考價值，發(fā)出來以饗同行。

1曲軸動平衡的基本原理解析

曲軸去重平衡機(jī)是典型的機(jī)電一體化設(shè)備，集成了機(jī)械加工、計算機(jī)數(shù)控、微電子技術(shù)、發(fā)動機(jī)工藝?yán)碚摰燃夹g(shù)于一體，是我廠比復(fù)雜的設(shè)備之一。

首先，簡要地了解動平衡理論有助于我們正確地掌握該設(shè)備。

1．1平衡理論

（1）什么是不平衡量

以一個均勻轉(zhuǎn)子為例，如圖1：

圖1：均勻轉(zhuǎn)子的幾何支撐軸線OO＇與慣性軸線和MM＇

正常情況下，其慣性主軸線應(yīng)與支撐主軸線重合，如不重合，則表示該轉(zhuǎn)子不平衡。其不平衡量可用下式表示：

Ｕ＝m×r

單位：g.cm，m：不平衡質(zhì)量，不平衡半徑。

真正的轉(zhuǎn)子不平衡程度不僅與不平衡質(zhì)量和不平衡半徑有關(guān)，而且與轉(zhuǎn)子的總質(zhì)量Ｍ有直接關(guān)系，顯然，同樣的Ｕ值，Ｍ越大，表示不平衡程度越??；Ｍ越小，則表示不平衡程度越大。由此，引入了偏心距的概念。

即，偏心距：E = mr/M=U/M

這個參數(shù)能較為準(zhǔn)確地表示一個轉(zhuǎn)子的不平衡程度。

（２）不平衡量的常見分布形式

這里主要是指和曲軸不平衡相關(guān)的：“徑向不平衡”。其常見形式有：

１）靜不平衡

慣性軸線與幾何支撐軸線平行．如圖2：

圖2：靜不平衡示意圖

２）偶不平衡

慣性軸線與幾何支撐軸線斜交于幾何軸線的中心點(diǎn)。如圖3：

圖3：偶不平衡示意圖

３）準(zhǔn)靜不平衡

慣性軸線與幾何支撐軸線斜交，但不過中心點(diǎn)。如圖4：

圖4：準(zhǔn)靜不平衡示意圖

４）動不平衡

慣性軸線與幾何支撐軸線不相交，亦不平行。如圖5：

圖5：動不平衡示意圖

曲軸的不平衡即屬于這種類型，由于其不平衡量的分布特點(diǎn)，去重時最少要平衡兩點(diǎn)以上。

（3）不平衡量的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)

國標(biāo)ISO1940規(guī)定了不平衡量的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，即：

G=EW/1000

其中，E：偏心距。微米。

W：轉(zhuǎn)速?；《?秒。

G取值一般為G0.4-G4000，曲軸在G40-G100之間。

1．2動平衡機(jī)

（1）平衡機(jī)測量的基本力學(xué)關(guān)系

如下圖，為一臺平衡機(jī)的測量系統(tǒng)局部結(jié)構(gòu)示意圖。

圖6：一個簡單的平衡機(jī)測量裝置

圖中不平衡量m產(chǎn)生的離心力：

f=mrw^2

水平方向的離心力分量：

f水平= mrw^2 cosα

垂直方向的離心力分量：

f垂直=mrw^2sinα

支撐彈簧變形量：

A=f垂直/K，K為彈性系數(shù)。

水平力傳遞給傳感器，由傳感器測取并產(chǎn)生電壓信號，送控制系統(tǒng)。

(2)平衡方程

一個系統(tǒng)的平衡方程如下：

MX″+CX′+KX=mrw^2

其中：

M：轉(zhuǎn)子質(zhì)量。

X：支撐體變形量。

m：不平衡質(zhì)量。

r：不平衡半徑。

w：轉(zhuǎn)子角速度。

C：阻尼系數(shù)。主要來自風(fēng)阻，摩擦阻尼。

K：支撐體彈性系數(shù)。

阻尼力很小，一般分析時可不予考慮。

（3）硬支撐平衡機(jī)的力學(xué)分析

當(dāng)?shù)鼗銐蚍€(wěn)定時，可以不考慮慣性力時KX＂，可以設(shè)計為硬支撐結(jié)構(gòu)。這時，平衡方程可改寫為：

X=mrw^2/K

可見，硬支撐平衡機(jī)與床身質(zhì)量無關(guān)，出廠時做一次性標(biāo)定即可，無須經(jīng)常標(biāo)定。但對地基要求高，否則慣性力將產(chǎn)生影響，影響平衡精度。

機(jī)床的共振點(diǎn)為：

對硬支撐平衡機(jī)，工件轉(zhuǎn)速應(yīng)在w0/3以內(nèi)。

（4）軟支撐平衡機(jī)的力學(xué)分析

這種平衡機(jī)的彈性力相對于慣性力而言，由于支撐彈簧很軟，彈性力很小，可以忽略。平衡方程為：

MX＂=mrw^2

X＂=mrw^2/M

X＂為加速度，可使用加速度傳感器測量。

由于式中包括機(jī)床質(zhì)量Ｍ，故機(jī)床需要經(jīng)常標(biāo)定，對地基要求不高。

這種平衡機(jī)的工件轉(zhuǎn)速一般控制在2-2.5w0之內(nèi)。

（5）半硬支撐平衡機(jī)的力學(xué)分析

這種平衡機(jī)既要考慮慣性力，又要考慮彈性力。其平衡方程為：

MX＂+KX=mrw^2

這一方程的計算較為困難，從力學(xué)關(guān)系來進(jìn)行分析，可以從下面公式進(jìn)行不平衡量的分離。即：

圖7：不平衡量的分離

如圖，有：

U1=UL+(UL*a/b-UR*c/b)

U2=UR- (UL*a/b-UR*c/b)

顯然，當(dāng)去重點(diǎn)事先選定后，很容易依據(jù)從支撐點(diǎn)測量到的不平衡量UL和UR確定應(yīng)去重量U1及U2。

半硬支撐的平衡機(jī)，其工件轉(zhuǎn)速在w0附近，因而靈敏度高。它對地基的要求介于硬支撐和軟支撐之間。

(6)我廠平衡機(jī)類型及曲軸去重

美國引進(jìn)的平衡機(jī)屬于軟支撐型，而新采購平衡機(jī)（日本）屬于半硬支撐型。由此，我們不難得出兩臺機(jī)床在使用和保養(yǎng)中應(yīng)注意哪些問題的結(jié)論。

兩臺設(shè)備的曲軸去重點(diǎn)都是10°、130°、190°、250°四個點(diǎn)。

常見的曲軸驅(qū)動方式有摩擦輪驅(qū)動、皮帶輪驅(qū)動、端部驅(qū)動和虎殼驅(qū)動四種。我廠的美國平衡機(jī)為端部驅(qū)動，這種驅(qū)動方式對聯(lián)軸節(jié)要求很高，需要經(jīng)常進(jìn)行補(bǔ)償和對聯(lián)軸節(jié)做調(diào)整。

去重量點(diǎn)理論上越少越好，這樣可以減少工件的內(nèi)應(yīng)力。

2 數(shù)控部分解析

2．１硬件構(gòu)成

該系統(tǒng)使用FANUC公司POWER MATE-MODEL D系統(tǒng)。硬件部分這里不做詳細(xì)介紹，細(xì)節(jié)請查閱數(shù)控部分的說明書。

2．2加工程序分析

經(jīng)過比對工藝過程，對程序做了詳細(xì)解析，弄懂了CNC程序流程。詳解如下：

O0001（WORK 2.2L）；2.2L發(fā)動機(jī)曲軸加工主程序。

#100=-190；快進(jìn)行程變量賦值。

#101=125.4；切削速度變量賦值。

#102=530；最大切削深度變量賦值。

M98 P1001；轉(zhuǎn)到O1001程序。

M30；程序結(jié)束。

O0002(WORK 2.5 L)；2.5L發(fā)動機(jī)機(jī)加工主程序。

#100=-190；快進(jìn)行程變量賦值。

#101=-125.4；切削速度變量賦值。

#102=530；最大切削深度變量賦值。

M98 P1001；轉(zhuǎn)到O1001程序。

M30；程序結(jié)束。

O1001；加工子程序1。

G91 G30 Z0；回原點(diǎn)。

IF (#1032 EQ 0) GOTO 30；如果#1及#2頭應(yīng)去重深度變量#1032=0，

轉(zhuǎn)到N30。

M03；主軸起動。

#110= #1032 AND 4095；取#1032的前12位送#110。

IF(#102 LT #110) GOTO 10；如果#102（最大切削深度）小于

#110（應(yīng)去重深度），轉(zhuǎn)到N10。

IF(#102 GE #110) GOTO 20；如果#102（最大切削深度）大于

#110（應(yīng)去重深度），轉(zhuǎn)到N20。

N10 #110= #102；把最大切削深度值賦給#110。

N20 #110=-#110；#110取反。

#110= #110/10；#110值/10。

G90 G00 Z #100；快速進(jìn)給到#100（將接觸工件）位置。

M98 P1003；轉(zhuǎn)到O1003程序。

N30 M53；通知PLC加工結(jié)束。

G91 G30 Z0；返回原點(diǎn)。

M05；主軸停止。

N40 M99；返回主程序。

O1003；加工子程序2。

M03；主軸起動。*（沒必要）。

IF (#1014 EQ 0) GOTO 45；如果#1014=0，轉(zhuǎn)到N45。

M55；通知PLC將進(jìn)行一次去重量的低八位傳送。

#121= #1032 AND 255；取應(yīng)去重深度的低八位，賦給#121。

M56；通知PLC將進(jìn)行一次去重量的高八位傳送。

#122= #1032 AND 255；取應(yīng)去重深度的高八位，賦給#122。

M54；通知PLC數(shù)據(jù)傳送完成。

#124= #122×256；把去重量高八位后加八個零，賦給#124。

#123= #121+ #124；把去重量的全部十六位合并，賦給#123。

#123= #123/10；一次去重量#123/10。

#123=-#123；#123取反。

#125= #123+5.0；設(shè)置中速移動的終點(diǎn)坐標(biāo)，賦給#125。

G90 G01 Z #125 F1500；中速移動到#125位置。

G90 G01 Z#123 F#101；工進(jìn)（慢速）去掉全部超重量。

GOTO 55；轉(zhuǎn)到N55。

N45 G90 G00 Z#100；快速進(jìn)給到將接觸工件位置。

IF (#1015 EQ 1) GOTO 50；如果#1015（接觸工件，即開門信號）

=1（為真），則轉(zhuǎn)到N50。（#1015由NC的#1頭開門標(biāo)志寄存

器5006及#2號頭的開門標(biāo)志寄存器5306自動賦值）。

G91 G31 Z-10.0 F#101；如尚未接觸工件，則慢速進(jìn)給，試探接觸

工件位置。接觸后，跳到下一步執(zhí)行。

#500= #5061 + 0.0；把開門實際位置坐標(biāo)值#5061賦給#500。

#502= #100+(-10.0)；快進(jìn)行程#100再向前10 mm所在點(diǎn)的坐標(biāo)賦

給#502，作為打刀檢測點(diǎn)坐標(biāo)。

IF (#502 LT #500) GOTO 50；如果#502小于實際開門坐標(biāo)#500，

鉆頭未斷，程序轉(zhuǎn)到N50。

M50；否則為打刀，向PLC報警。

G91 G30 Z0；動力頭退回原點(diǎn)。

M05；主軸停。

M99；返回主程序。

N50 G90 G01 Z#500 F#101；如未打刀，則繼續(xù)進(jìn)給到#500位置。

N55 #504= #110+0.0；應(yīng)去重深度#110加修正值，賦給#504。

#112= #504；#504賦給#112。

#113=-99.9；設(shè)步進(jìn)進(jìn)給量變量#113=-99.9。這個數(shù)值不是實際

使用值，實際值要在調(diào)試中確定。

#114=0.0；設(shè)步進(jìn)后退量變量#114=0。這個數(shù)值也不是實際使用

值，實際值要在調(diào)試中確定。

以上兩步是采用動力頭的進(jìn)二退一法，以進(jìn)行倒屑。

#115= #113+0.5；步進(jìn)進(jìn)給量加修正量賦給#115。

#116= #114+0.5；步進(jìn)后退量加修正量賦給#116。

N60 IF(#112 GE #113) GOTO 70；如果剩余去重量大于步進(jìn)進(jìn)給量，

說明即將鉆到頭，轉(zhuǎn)到N70。

G91 G01 Z#113 F#101；按步進(jìn)進(jìn)給量工進(jìn)切削。

G04 P1；停留1秒。

G91 G00 Z#114；按步進(jìn)后退量快退。

G04 P1；停留1秒。

G91 G00 Z#116；再后退0.5mm，即后退到#116位置。

G04 P1；停留1秒。

#112= #112-#115；計算剩余去重量，賦#112。

GOTO 60；回到N60繼續(xù)切削。

N70 G91 G01 Z#112 F#101；切掉最后的剩余去重量。

G04 P1；停留1秒。

#510= #5021；終點(diǎn)坐標(biāo)#5021送#510。

M57；通知PLC把#510值送數(shù)據(jù)存儲器。

N80 M99；返回主程序。

上面的所有變量均為帶符號數(shù)。坐標(biāo)的變化為動力頭向前為負(fù)，后退為正。對所有比較命令的理解要考慮到這點(diǎn)，否則會得出錯誤的結(jié)論。

3不平衡量的測量原理

3．1傳感器原理及檢測

傳感器的結(jié)構(gòu)如下：

圖8：傳感器原理示意圖

顯然，它是靠鐵心振動在線圈中產(chǎn)生的電壓波動來測得不平衡量的。

該傳感器正常使用時，阻抗值在3.8-6.8KW 之間，對地絕緣為10MW以上。如超出這個范圍，則可能已經(jīng)損壞。

3．2平衡儀硬件結(jié)構(gòu)

CAB150的硬件部分共有十一塊主要控制板卡。從后面看，1-4板為平衡機(jī)控制用，5-8板為去重機(jī)用，9-11板為主計算機(jī)。

以上十一塊板不包括電源部分。

其基本框圖如下：

圖9：CAB750控制方框圖

3．3操作與標(biāo)定

平衡機(jī)的標(biāo)定是必須的，一般在出廠時做第一次。

值得一提的是，本平衡機(jī)標(biāo)定一次后，在相當(dāng)長的一段時間內(nèi)可以不做標(biāo)定。這是半硬支撐平衡機(jī)的特點(diǎn)。

4應(yīng)用對設(shè)備原理的解析指導(dǎo)實踐

正確理解曲軸平衡機(jī)這種特殊設(shè)備，用于指導(dǎo)實踐，可以明顯地使我們對設(shè)備的使用、維護(hù)和工藝方法上到一個相當(dāng)?shù)乃健?/p>

最典型的例子就是，在測量系統(tǒng)遇到外界擾動時，會偶發(fā)性出現(xiàn)去重量過大，導(dǎo)致鉆頭把曲軸鉆穿的情況，這樣即使對曲軸進(jìn)行填焊返修，也無法修復(fù)。

我們采用了增加鉆頭滑臺位置檢測的方法，在特定位置開關(guān)被觸發(fā)后，通過CNC接口信號，控制數(shù)控程序終止鉆削，并自動退出，同時系統(tǒng)給出報警。

此外，對設(shè)備的保養(yǎng)維護(hù)、控制外界不確定擾動、周期標(biāo)定等，也有明確的方向性的指導(dǎo)意義。

審核編輯：湯梓紅