新聞主題	柴油機曲軸自動平衡與校正目的及原理

 

摘要：柴油機三大件中的曲軸是由活塞帶動做圓周運動的高速回轉(zhuǎn)件，旋轉(zhuǎn)過程承受各種復雜多變的交變載荷；曲軸在加工過程中，對其軸頸直徑、圓度、平行度、直線度、軸徑跳動、軸徑錐度、軸向距離、粗糙度、相位角、動平衡量、清潔度等都會標注各自的技術(shù)要求，而曲軸在高速旋轉(zhuǎn)運動過程中自身產(chǎn)生的不平衡振動與其轉(zhuǎn)速的平方成正比，產(chǎn)生的高頻率振動會導致軸瓦承受力負載增加及曲軸斷裂等風險。曲軸平衡精度的高低對柴油機的振動、平穩(wěn)運行及柴油機壽命都很重要。如何去除曲軸動平衡量，就是本文所需要分析和解決的問題。

 

一、曲軸自動平衡與校正的目的

 

      曲軸是柴油發(fā)電機的主要旋轉(zhuǎn)機件，裝上連桿后，可承接連桿的上下（往復）運動變成循環(huán)（旋轉(zhuǎn)）運動，是柴油機上的一個重要的機件。曲軸在工作時是高速轉(zhuǎn)動并會產(chǎn)生振動，如果平衡度不好，會產(chǎn)生動量峰值，嚴重的能折斷。為了解決此類問題，一般柴油機需要通過曲軸動平衡機測試，在曲軸的不受力部位減少一些材料。因此，凡是高速轉(zhuǎn)動件都是要做平衡檢測試驗，如飛輪、傳動軸、高速主軸等，當發(fā)現(xiàn)不符合技術(shù)要求的產(chǎn)品再進行校正。

1、原理

      曲軸動平衡的原理是旋轉(zhuǎn)的物體質(zhì)量重心不在其旋轉(zhuǎn)軸心上，會產(chǎn)生偏心力與力矩，從而造成旋轉(zhuǎn)過程中的振動與支撐承受不必要的沖擊力。為了解決這一問題，需要檢測動平衡，找出偏心重量、偏心距及偏心方位。在此基礎(chǔ)上，可以通過加重與減重法去除偏心量，保證旋轉(zhuǎn)物體的重心在其旋轉(zhuǎn)軸線上，從而減小振動，保證轉(zhuǎn)動的平衡性。

2、目的

      自動平衡、校正技術(shù)主要用于大批量機械產(chǎn)品中作高速運動的重要零件的制造過程，如發(fā)電機和內(nèi)燃機中的多種零部件，特別在現(xiàn)代柴油發(fā)電機組生產(chǎn)中得到了日益廣泛的應(yīng)用。曲軸動平衡就是為了消除或盡量減少工件的質(zhì)量偏心，以提高柴油機質(zhì)量而采取的重要措施。

      動平衡的實質(zhì)是以測量不平衡量的大小和方位為依據(jù)，在若干個預(yù)先選擇的校正平面上，用去重或加重的方法改變旋轉(zhuǎn)體的質(zhì)量分布，使其質(zhì)量軸線與回轉(zhuǎn)軸線相重合，借以達到動平衡的目的。受到曲軸形狀和允許去重位置的限制，四缸柴油機曲軸（見圖1）只允許在其兩端和中間主軸頸兩側(cè)配有的扇狀平衡塊上去重。為了去重（鉆孔）方便，一般采用90固定坐標系統(tǒng)進行測量。

      進入80年代以來，隨著微機技術(shù)在各種自動控制系統(tǒng)中日益廣泛的應(yīng)用，不但大大提高了工藝裝備（包括檢測設(shè)備）的功能，而且為操作人員提供了更多的方便。在曲軸動平衡機中，平衡塊上的實際去重位置和鉆孔的數(shù)量可以通過鍵盤預(yù)先設(shè)置（見圖2），在對四缸柴油機曲軸進行三面校正時，對稱的去重位置之間的夾角α不一定為90°，每一平衡塊上的鉆孔數(shù)可以選擇兩個，也可以選擇四個，后者相互之間的夾角β也能自選。

 

圖1  四缸柴油機曲軸示意圖

圖2  曲軸平衡塊示意圖

 

二、曲軸自動平衡、校正過程的實現(xiàn)

 

      曲軸動平衡的第一步是確定不平衡量的大小和相位，被測工件（見圖1）利用測量平面L、R（即圖中的I、IV面）兩側(cè)的主軸頸架在一對帶有傳感器的彈性支承上，并由動平衡機測量工位上的驅(qū)動軸帶動曲軸以角速度ω作回轉(zhuǎn)運動。因工件存在質(zhì)量偏重而產(chǎn)生的離心慣性力隨著工件的回轉(zhuǎn)作周期性變化，于是在兩個支持工件的彈性支承上就受到激振力的作用而產(chǎn)生強迫振動。此激振力的幅值為：

F_H=meω²

式中，F(xiàn)_H——激振力幅值；

m——曲軸上不平衡量的質(zhì)量；

e——不平衡量的回轉(zhuǎn)半徑；

ω——角速度。

      根據(jù)力學原理（曲軸設(shè)計圖如圖3所示），只要符合一定條件（指工件回轉(zhuǎn)角頻率大于彈性系統(tǒng)固有頻率若干倍），在角速度ω一定時，彈性系統(tǒng)強迫振動的振幅與激振力的幅值成正比。從上式也可看出，當ω一定時，F(xiàn)_H與m、e的乘積，即與不平衡成正比。因此，測得工件彈性支承的振幅，就可以得到不平衡量的大小。曲軸動平衡機確定工件的平衡量在具體做法上各不相同，如架持工件的彈性支承的結(jié)構(gòu)形式、所配置傳感器的種類、確定不平衡量相位所需的角位移基準的建立方法等等。目前，常用的傳感器有電感式、壓電陶瓷式和應(yīng)變片式等多種，都是將位移量的變化轉(zhuǎn)換為成正比的電量輸出。至于建立回轉(zhuǎn)系統(tǒng)角位移基準的方法，則經(jīng)歷了一個演變過程，在六七十年代，采用的是“硬”定位方式，利用工件上的一個特征位置（如軸端鍵槽、銷孔等），再通過同步的光電發(fā)訊型基準信號發(fā)生器，來確定不平衡量的去重位置，而現(xiàn)今普遍采用的已是光電編碼與伺服電機或步進電機驅(qū)動相結(jié)合的技術(shù)。

      現(xiàn)代曲軸動平衡機與早期機型相比的最大差別是在控制系統(tǒng)上，由于普遍實現(xiàn)了微機化，從而徹底改變了由分立元件或小規(guī)模集成塊組合成各功能電路的狀況，在簡化了系統(tǒng)設(shè)計、提高了可靠性的同時，使其性能也有了很大的提高。

      自動平衡、校正機的系統(tǒng)框圖（圖4）表明了曲軸動平衡過程中測量、去重與檢驗三者之間的關(guān)系，測量工位兩傳感器S_L和S_R產(chǎn)生的反映工件不平衡量的模擬信號經(jīng)放大后輸入微機控制系統(tǒng)，同時輸入的還有每回轉(zhuǎn)一周產(chǎn)生的基準信號。經(jīng)過一系列諸如測出不平衡量的大小，并分辨相位進行矢量分解計算等數(shù)據(jù)處理后，即可確定在工件各校正面上的等效不平衡量，即在各個設(shè)定位置的去重量，進而再轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的以鉆孔深度表示的去重信號。在微機系統(tǒng)的控制下，工件由測量階段轉(zhuǎn)入去重階段，鉆孔動力頭在不同的去重點根據(jù)指令要求的深度進給，完成不平衡量的去除。經(jīng)過平衡、校正的曲軸最后還得進行一次檢驗，這個過程與前面的測量階段基本相同且更簡單。

 

圖3  曲軸動平衡設(shè)計原理圖

圖4  曲軸自動平衡校正機的系統(tǒng)框圖

 

三、影響動平衡去重量的因素

 

1、平衡方法及節(jié)拍控制

      控制平衡的方法有添加配重塊達到平衡效果；有去除重量法，如在配重（平衡）塊上鉆孔去除重量。康明斯公司曲軸平衡控制是采用去除曲軸配重塊重量法。

      當測量出零件不平衡量集中在同側(cè)時，優(yōu)先在零件的中間打孔去除重量，這樣可以快速完動不平衡去除，這樣的零件去重方向與不平衡量方向一致時，修正最快、合格率最高，節(jié)拍效率最高；若當測量出零件不平衡量兩端角度、重量不一致時，優(yōu)先在重的一側(cè)最遠點打孔去重，這樣的零件修正比較麻煩，合格率低，需要重復測量確定位置打孔去重，節(jié)拍慢效率低。

2、鉆孔數(shù)量與生產(chǎn)節(jié)拍計算

      當一個零件的不平衡量較大時，去除量要求較多，但零件的打孔深度和不平衡量角度位置，平衡孔間距離受到限制（圖5），這時我們需要適當控制孔深度避免孔與孔之間底部貫穿，增加打孔數(shù)來控制動不平衡量，但由于不平衡量的分布區(qū)域受限，打孔數(shù)多，重新打亂了平衡狀態(tài)，需要二次測量打孔，這時會影響到節(jié)拍，所以會要求毛坯鑄造是盡量不要混模生產(chǎn)，加工線生產(chǎn)時不要混批次加工。

      在最終動平衡工序測量結(jié)果可以看出，零件毛坯的初始不平衡量、角度不一致所加工出不同平衡孔數(shù)量、節(jié)拍有差異。康明斯公司生產(chǎn)1.2L曲軸采用幾何定心方式，經(jīng)過統(tǒng)計，平衡孔數(shù)基本在1～13個之間，平衡孔數(shù)量小于9個占90%（圖6）。在最終曲軸動平衡工序，加工孔數(shù)越多節(jié)拍時間越長，當單臺加工時間大于節(jié)拍要求時則需要調(diào)整前工序中心孔位置，減少初始不平衡量，提升節(jié)拍。

 

圖5  曲軸平衡孔距離平面示意圖

圖6  曲軸平衡孔數(shù)量柱圖

 

四、曲軸動平衡機實例介紹

 

      此處介紹的曲軸動平衡機是一種全自動單工位的平衡、校正設(shè)備，其結(jié)構(gòu)的最大特點是工件不平衡量的測量、校正和最后的檢驗都在一個工位上，結(jié)構(gòu)十分緊湊。它應(yīng)用于四缸柴油機曲軸的動平衡，但也能用于二缸和三缸的曲軸，最大測量長度600mm，承載重量25kg，即主要在中小型柴油發(fā)電機生產(chǎn)線上使用。

1、主要技術(shù)指標

      這種完全由計算機控制的高精度、高性能自動化設(shè)備的主要技術(shù)指標如下：

（1）檢測不平衡量的傳感器：壓電陶瓷傳感器。

（2）測量時工件轉(zhuǎn)速：250r/min。

（3）每個平衡塊上的去重點數(shù)量：2~4。

（4）二對稱去重位置間的最大夾角：120°，可通過鍵盤設(shè)定。

（4）不平衡分辨率，即最小刻度值：0.1g/cm。

（6）校正后最大殘留不平衡量：24g/cm。

      微機控制系統(tǒng)還有一些重要的功能，如能對不平衡量（去重量）與鉆孔深度之間的非線性關(guān)系、對去重過程中鉆頭刀刃部分磨損引起的誤差等進行修正和補償，以保持較高的測量精度。

2、工作原理

      曲軸動平衡機屬于平衡機的一種，其用于測量旋轉(zhuǎn)物體（轉(zhuǎn)子）不平衡量的大小和位置。其主要性能是用最小可達剩余不平衡量和動平衡機減少率兩項綜合指標，前者是平衡機能使轉(zhuǎn)子達到的剩余不平衡量的最小值，它是衡量平衡機最高平衡能力的指標；后者是經(jīng)過一次校正后所減少的不平衡量與初始不平衡量之比。

      圖5是該曲軸動平衡機的結(jié)構(gòu)示意圖。從圖7可見，排列在底部的工件由多自由度上、下料機械手送至動平衡工位，依靠其左、右端主軸頸支承在兩個帶有壓電傳感器的彈性托架上，托架的左側(cè)是固定頭架，右側(cè)是可移動的尾架。當曲軸就位后。頭架中的驅(qū)動軸右移，與其左端的法蘭盤接觸，與此同時，另一端的尾架左移，利用其頂尖插入工件軸端的頂尖孔中，頭架中的伺服電機接著帶動工件回轉(zhuǎn)，彈性支承內(nèi)的傳感器檢出曲軸的不平衡量，經(jīng)過計算機測量控制系統(tǒng)確定了在工件各設(shè)定位置的去重量，并轉(zhuǎn)換成鉆孔動力頭的進給量（鉆孔深度）。這臺動平衡機的測量工位也就是去重工位，當測量過程結(jié)束后，由液壓系統(tǒng)控制的鎖緊機構(gòu)動作，工件將被承載在兩剛性支架上，而頭架驅(qū)動裝置則在去重過程中間斷回轉(zhuǎn)，使工件的去重部位準確地對準鉆孔動力頭。

      從圖8可見，位于該機上方的數(shù)控去重系統(tǒng)的主體是一套能作水平位移的單頭鉆機，電機1通過傳動裝置帶動去重鉆機在水平導軌移動，電機2是機械動力頭的主電機，既驅(qū)動主軸回轉(zhuǎn)，還能根據(jù)接受的指令經(jīng)執(zhí)行機構(gòu)產(chǎn)生工作進給運動，另外，該系統(tǒng)還包含一套能使鉆機產(chǎn)生快速進退運動的裝置，并針對去重鉆頭懸伸較長的情況，設(shè)置了夾持鉆頭的鉆套，從而提高了鉆削時的準確性和穩(wěn)定性。所有決定去重位置和去重量的操作，即軸向（X向），轉(zhuǎn)角（θ向）和鉆孔深度（Z向）都為計算機數(shù)控。選定的鉆孔直徑為Ø10mm，最大鉆深為25mm，主軸轉(zhuǎn)速為570r/min，進給量為0.2mm/r，加工時需用冷卻液。完成了曲軸不平衡量的鉆孔去除后，工位又恢復到測量狀態(tài)，系統(tǒng)對經(jīng)過動平衡的工件執(zhí)行檢查，其過程與第一階段的不平衡量測量相同，但最后只提供不平衡量的數(shù)值，并根據(jù)規(guī)定指標作出相應(yīng)的評價，用綠燈亮表示合格，紅燈亮為不合格。

      這臺曲軸自動平衡、校正機的效率取決于工件的初始不平衡量及其相位角，利用極坐標矢量分解法，通過微機系統(tǒng)的優(yōu)化處理，能將校正過程中的去重鉆孔數(shù)減至最少，從而縮短了循環(huán)時間并提高了效率。若曲軸的初始不平衡量為80~180g/cm，則只需經(jīng)過一次去重操作就可完成校正過程，在這種情況下循環(huán)時間僅1分鐘左右。對四缸柴油機曲軸而言，去重部位為四個平衡塊，每個平衡塊上最多可鉆孔四個，呈對稱分布，下面的流程圖（圖8）反映的自動平衡、校正過程是耗時最多的一種狀態(tài)，方框下半部為完成這項動作的時間（秒）。

      若“檢查”結(jié)果表明，工件不平衡量仍超過允許值，則還需在“檢查”工序后自動執(zhí)行去重，此時的初始不平衡量已不大，一般只需經(jīng)過一次去重操作就可完成校正。

 

圖7  曲軸動平衡機校正裝置示意圖

圖8  曲軸自動平衡校正機控制原理圖

 

總結(jié)：

      當曲軸配動塊的加工空間較小且不平衡量較大時，宜采用質(zhì)量定心加工工藝；當加工空間足夠且節(jié)拍滿足要求，考慮性價比因素，則采用幾何定心更劃算。曲軸的鑄造一般是使用同一套模具批量生產(chǎn)，在模具磨損量不大的情況下同批量/批次的曲軸質(zhì)量差異不大，所以可以采用幾何定心找出分布規(guī)律。總體來說，曲軸中心孔加工與動平衡聯(lián)機優(yōu)化能更好的控制曲軸的初始不平衡量，對大多數(shù)曲軸來說，只要一次去重便可，極大的提高了生產(chǎn)效率，并且具有良好的應(yīng)用前景。

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