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柴油发电机静不平衡和动平衡的检验 |
摘要：对于柴油发电机高速旋转的零件如曲轴、飞轮、传动轴、皮带轮毂等在装配前应进行平衡试验，检查其静平衡与动平衡。零件不平衡将给零件本身和轴承造成附加载荷，使其在柴油发电机工作中发生振动，从而加速零件的磨损和损伤。所以零件和组合件在进行总装前要进行平衡试验，以提高修理质量和延长总成的使用寿命。零件和组合件的平衡分为静平衡和动平衡两种。产生不平衡的原因是零件的尺寸不精确、制造质量不均匀、由于装配中的误差，使零件的旋转中心或轴线发生偏移。如零件的静不平衡是由于零件的重心离开了零件的旋转轴线而产生的，长形零件弯曲，质量沿长度分布不均匀而引启动不平衡。
一、动平衡原理
在运转过程中，曲轴自身的不平衡量是影响曲轴寿命和正常运转的一个关键因素，而且这个因素也是最容易被忽略的。曲轴作为一个转子围绕轴线进行旋转，其自身相对于轴线的质量分布不均匀而产生了离心力，这种离心力在曲轴转动过程中就产生了振动、噪音，加速了轴承的磨损，以致严重影响产品的性能和寿命。为此，必须对柴油机曲轴进行动平衡校验，使其达到允许的平衡精度等级，正常平稳的运转使用。
1、动平衡的定义
动平衡是指旋转体旋转时围绕轴心线的以外的由各偏心质点组成的旋转质量系统产生的旋转惯性力合力及合力矩均等于零。由于柴油机是一个整体机构，在考虑其平衡性时，从曲柄连杆机构的角度和曲轴的角度考虑其平衡性。柴油机启动时转速一般都不低于500转每分钟，所以对旋转平稳性有一定要求，特别是高速柴油机，转速高离心力大可能引起较大振动，使轴承和支撑轴瓦过载损坏。
2、曲轴的平衡结构分布
直列四冲程发动机曲轴通常采用一四连杆与二三连杆呈现180度夹角的四拐五主轴颈设计，从理论设计是动平衡的，但由于材料密度，铸造（锻造）时存在尺寸差异，在实际使用中存在着一定量的不平衡量，为了改善曲轴本身不平衡，减少主轴承载荷，曲拐连接部位的扭矩力，需合理分布平衡块，也称配动块。曲轴平衡配动块主要作用是用来调整控制曲轴以轴心线为中心旋转平稳性。
3、动平衡计算公式
在硬支撑平衡机中，由于轴承支架刚性很大，故转子不平衡量旋转时产生的离心力，仅能使轴承支架产生微小摆动，因而转子和轴承支架水平不产生振动偏移，这样的作用力可以认为是作用在简支架上的“静力”，因此可用静力学原理来分析转子的动平衡条件。
对于一个动平衡刚性转子，总可以在与旋转轴线垂直而不与转子重心相重合的两个平面上减去或加上适当的重量来达到动平衡。当转子旋转时，支架上的轴承会受到“不平衡”交变动压力作用，这个动压力就包含“不平衡”的大小和相位，因此，对这个动压力经过转换处理后，就可精确的得到转子两个较正面不平衡量的大小和相位。
由于传感器是安装在支撑轴承处，而在实际对转子的平衡中，并不是在转子的任何位置都可以加重或去重的，因此，在平衡时应确定两个工艺允许的较正面，就需要把轴承处测量到的不平衡信号换算到两个较正面上去，利用静力学原理来实现，其原理见图1、图2。
根据静力学原理，转子处于平衡状态须满足EF=0；≥M=0；的初始条件，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）
联解方程组（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、右支撑轴承上承受的动压力；
fl、fr——左、右较正面上不平衡质量产生的离心力；
ML、MR——左、右较正面上的不平衡质量；
a、c——左、右较正面至左、右支撑轴承间的距离；
b——左、右较正面间的距离；
r1、r2——左、右较正平面的半径；
ω——旋转角速度。
4、公式（3）（4）的物理意义
（1）a、b、c、rl、r2、W为已知，则校正面上应加（或减）的校正量可直接测出，并以克显示，实现了轴承处测到的不平衡量信号向校正面的转换。
（2）转子两个校正面间的相互影响由支撑轴承和校正面的位置尺寸a、b、c确定，故不需要校正转子和调整运转试验，就能在平衡前预先进行平面分离和校准。
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图1 柴油机动平衡原理图 |
图2 静不平衡和动平衡示意图 |
二、运动零件不平衡的产生
1、静不平衡
零件的静不平衡状态。O—O线是圆盘的旋转轴线，圆盘的重心为B，重心与旋转轴线的距离为0。假如把圆盘按图中所示的方式支撑在轴承上，它是不能随时静止的（除重心在B'的位置可以静止）。由于力矩Q∶r的作用随时都有自行转动的趋势，我们称这种现象为静不平衡状态。当静不平衡零件旋转时，由于物体的重心离开它的旋转轴线，因而产生离心力。离心力F的大小可按下式计算∶
F=（Q/g）• r • ω2=（Q/g） • r • （nπ/30）2................（公式5）
式中∶Q——旋转圆盘的重量，kg；
r——重心距旋转中心的偏移量，cm；
n——圆盘的转速，r/min；
ω——圆盘的角速度。即离心力F的大小与转速的平方成正比。因此零件高速旋转时，离心力是很危险的。
零件静平衡的检验是在一个专门的检验台架上进行的。将装在被检验零件上的心轴平置在两导轨上。如心轴滚动一两圈，且始终停止在一个静止点，则对应于心轴的最下方是重心偏离的位置方向，表示这一零件具有静不平衡。一般消除不平衡重量的方法有∶在不平衡重量相对称的一边附加一重量；另一种方法是在不平衡重量一侧去掉一部分金属；
2、动不平衡
动不平衡，指作旋转运动的零、部件，由于形状误差（比方说内外圆不同轴，圆柱不圆、母线不直，端面与轴线不垂直等）、内部组织不均匀等原因造成在柴油发电机旋转时产生振动，产生不良影响的现象。动不平衡是围绕旋转轴的质量不均匀分布。 当质心（惯性轴）与旋转中心（几何轴）不对齐时，旋转质量块或转子被称为不平衡体。 不平衡导致转子给旋转结构振动的摆动运动特性。
经过静平衡检验的零件，还可能是动不平衡的。如处于静平衡状态的旋转运动零件，可能产生动不平衡。因此，整个轴的重心一定位于旋转轴线上，这样的轴放在静平衡台上检查，一定是平衡的。当动不平衡零件旋转时，由于零件沿长度方向上的质量不均匀而产生的离心力，就是动不平衡零件旋转时所产生的附加力。由于这个附加力的作用，不仅会减弱零件的强度，而且会使轴承负荷增加引起振动。柴油发电机上的曲轴和传动轴等高转速的运动要件，在柴油发电机修理时，都应该进行动不平衡检验。
三、曲轴动平衡校验方案
下面介绍几种主要零件在柴油发电机修理中取得平衡的方法。
1、曲轴
曲轴一般都有平衡重，有的柴油发电机曲轴的平衡重与柴油发电机曲轴制成一体。有的柴油发电机曲轴平衡重则用螺栓紧固在曲轴上。进行平衡时，可在曲轴平衡重或轴臂上用钻孔或铣面的方法取得平衡。在修理和拆装柴油发电机时，不要随便拆下曲轴的平衡重。曲轴有几何轴心线和质量中心线之分。几何中心线是以物体夹紧位置外圆做参照；质量中心线是以零件在转动时，能使旋转轴零件达到平稳转动的质量中心连线。当一个轴类零件分布比较均匀对称，从理论上它是平衡的，这时他的几个中心线和质量中心线是重合的如图3所示。
2、飞轮
在活塞的4个行程中，只有一次是做功的，进气、压缩、排气3个行程都需要一定的力量支持才能顺利进行，而飞轮在这个过程中就起了相当大的作用。
飞轮的体积很大，之所以做得比较大，主要是为了储存发动机的运动能量，这样才能保证曲轴平稳地运转。其实这个原理跟我们小时候玩的陀螺玩具差不多，我们用力旋转后，它能保持相当长时间的转动，这样就不难理解大的飞轮为什么可以储存能量了。另外，飞轮外缘镶有齿环，与起动机相连，通过起动机带动飞轮旋转从而启动发动机，如图4所示。
3、曲轴飞轮组平衡检验
在曲轴、飞轮及离合器总成分别进行平衡检验后，再将它们装合在一起进行动平衡试验。当其平衡度超过一定限度时应将总成拆散，分别重新进行平衡试验，直到总成的不平衡度在允许的限度以内时，再进行动平衡检验。如不平衡，取得平衡的方法是在飞轮上取下金属或在离合器壳上加装平衡片。一般曲轴、飞轮及离合器上都做有记号表明它们的装配关系。在修理拆装过程中应注意按记号装配。
5、传动轴总成
在修理过程中，传动轴总成都进行动平衡试验。取得其平衡的主要方法是在传动轴轴管两端焊接平衡片或在十字轴轴承盖上加装平衡片。
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图3 曲轴平衡转动的中心线 |
图4 柴油机飞轮位置图 |
四、动平衡校验方法
1、计算公式
曲轴允许不平衡量的计算公式是：
Mper=m×G×（60/2π×r×n）×103................（公式6）
式中，m——允许不平衡量
M——转子的自身重量，单位是kg
G——转子的平衡精度等级，单位是mm/s
r——转子的校正半径，单位是mm
n——转子的转速，单位是rpm
通过上式可以知道，曲轴的允许剩余不平衡量是与其自身的质量有关的，但是对于不同的转速，不平衡量的允许值也是各不相同的。
作为一条曲轴，在各个曲拐上去重校正，将每缸的中间作为测量面，测量完成后把不平衡量分解到每缸的两个配重面上，在配重面上钻孔校正，在曲轴参数设置中，我们需要设置每个校正面的水平坐标。另外我们还需要将每个扇面的去重起始角和终止角输入到设置面板中。
在测量过程中，首先对动平衡机进行标定，标定的方法是选择已知重量的标准块，安装到曲轴的去重位置，在平衡机中设置好标定块的重量及角度，运转平衡机，检查显示数值与标准块质量是否一致，如一致则可以继续进行校正。
2、动平衡校验过程中的注意事项
（1）对于停放时间较长的转子，为了保证测量数据的稳定，转子需要在平衡转速上维持一定的时间再进行测量。
（2）转子上各个部件或零件的不平衡量应尽量在自身上给予平衡校正，这样做的目的，其一可以消除旋转时由不平衡量离心力与校正量离心力不在同一平面或同一体上而引起内应力，其二可以降低高速时的振型不平衡量。
（3）转子上各个部件或零件应尽量安装在本转子轴上给予平衡校正。对于不得不借助于辅助轴进行平衡的部件，应注意辅助轴带来的影响，并给予消除。消除辅助轴影响的最简单又可靠的方法是180°翻转法。
对于180°翻转法是利用零件在辅助轴上相差相位180°的二次装夹，就能把辅助轴的不平衡量与零件的不平衡量分离开来。即使辅助轴具有偏心的情况下，这种方法也是有效的。
（4）作为曲轴，两个校正面之间的距离应尽量大些，并应位于转子重心的两侧，总之应使曲轴在平衡时所需的校正量小些，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，不能选择去重的方法，
总结：
曲轴动平衡校验的情况，反应了柴油机运转过程的情况，按照双面动平衡，将曲轴一分为二来看待，这也是符合曲轴正常运转的规律，更接近曲轴实际使用情况，通过曲轴不平衡量的解算，提高曲轴质量，保证柴油机质量。
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