纺织机械回转体动平衡研究

纪秀乾

(青岛宏大纺织机械有限责任公司，山东 青岛 266101)

回转体不平衡是引起机器振动、噪声和零部件损坏的主要原因之一，纺织产品的质量好坏与纺织机械回转体的动平衡有着密切的关系，现场进行动平衡是消除旋转机械振动太大的一项重要措施[1]。

1 回转体不平衡产生原因

纺织机械回转体设计上一般都会使它相对于回转体轴线是对称的，但由于工艺上的一系列原因，最终装配体很难做到理想的绝对轴对称，实际上都存在一定的不平衡量。造成的原因主要有以下几种：(1)回转体本身的材质不均匀；(2)结构设计原因造成结合体重量不均匀；(3)加工过程造成的不均匀，如在铸造、焊接、机械加工和装配过程中产生的圆度偏差、壁厚偏差和偏心等。

以上情况下产生的不平衡无法通过计算得到，只能通过装配现场静平衡或者动平衡的方法来测量和校正，最终使零件的不平衡量降低到允许的程度。

2 回转体进行平衡的条件

回转体不平衡是由于旋转体对于轴线质量分布不均匀造成的，也就是说不平衡量是因为转子的惯性轴线和回转轴线不一致造成的，回转体要平衡必须符合以下条件：(1)纺织机械回转体在实际运转过程中可以把转子本身的变形忽略，其旋转轴线可认为是一条理想化的固定直线；(2)回转体须是刚性转子，可以在回转体上采用在一个或两个平面加重、去重或用其他方法，使惯性轴线和旋转轴线相一致并尽量做到重合。

3 不平衡分类

当回转体绕定轴以等角速度ω转动时，其各质量离心惯性力将形成一个合力R和一个合力偶M，经分析简化，可分为以下四种类型：(1)转轴与中心主惯轴平行(如图1A)；(2)转轴和中心主惯轴相交于一点(如图1B)；(3)转轴与中心主惯轴相交于质心(如图1C)；(4)转轴和主惯轴既不相交也不平行(如图1D)。

图1 不平衡分类示意图

以上四种情况，除第一种外都存在着离心惯性力和一个惯性力偶。回转体不平衡是客观存在的。由于进行平衡前惯性力和力偶是未知的，因此可根据表1的原则对回转体进行两种方式平衡[2]。

表1 静平衡和动平衡选择原则表

表1中未包括的情况视具体条件而定，如回转体与支撑基础条件，回转体的形状、转速、工作条件等。一般情况下，当回转体小于极限转速时，只需做静平衡；当大于极限转速时，必须做动平衡。

4 平衡方法

回转体的平衡过程，一般需要在垂直于回转体的校正面上进行。静平衡操作只需在一个校正面上进行即可，而动平衡操作则需要在两个或两个以上校正面上进行。

4.1 加重法

在已知回转体校正面不平衡量的反方向上加质量。新增加的质量产生的不平衡量与回转体原不平衡量相互抵消[3]。加重法常用焊补、螺纹联接、铆接、胶接等方法进行，但必须牢固，不得松动。

4.2 去重法

在已知回转体校正面不平衡量的反方向上去掉部分质量。使减掉的质量所带来的不平衡量抵消原来的不平衡量[3]，去重可采用钻孔、磨削、激光打孔等方法。

4.3 调整校正质量法

设计之初，在回转体的结构上预留各种调整机构，从而实现加重或去重的目的。如调整筒体内部平衡块的数量、大小、分布角度等。在纺织机械回转体平衡中，多采用相对方便的加重法，而电机转子和风轮、扇轮多采用去重法。

5 平衡精度及表示方法

平衡精度是指回转体经过平衡之后的不平衡程度，也可以称作许用不平衡量，常用的平衡精度表示方式有以下三种。

5.1 不平衡量Gr表示法

Gr=Me

式中G—校正质量，g或kg；r—平衡半径，即平衡校正处到转轴中心线的距离，mm；M—回转体的质量，kg；e—回转体主惯轴与转轴的偏心距。

在日常动平衡应用中M(左)、e(左)、M(右)、e(右)均无法精确得到。当采用单面校正时Gr=Me，采用Gr来计算允用平衡质量；当采用双面校正时Gr(左)=M(左)×e(左)、Gr(右)=M(右)×e(右)，Gr(左)=Gr(右)=Gr，计算允用平衡质量更合理更安全。

5.2 偏心距e表示法

偏心距e是指主惯轴与转轴在该回转体校正面上的偏移，采用单面校正就是指质心对转轴的偏移。偏心距e所表示的不平衡程度与回转体的质量无关，偏心距有时可以称为摆距。

在纺织机械中，回转体之间有一个隔距是非常重要的工艺参数，所以在计算和确定回转体动平衡精度时，应考虑回转体的偏心距，否则在纺织机械高速回转时，会因偏心距导致隔距变化无法满足纺织机械工艺上的要求。

偏心距e的测定多使用千分表，将回转体一端锁定，测定另一端的跳动，另一端偏心距e和径跳的关系是偏心距e是径跳数值a的一半，并且回转体中心部位的偏心距，大概是一端偏心距e的一半,设计时应予以考虑。

e=Gr/M

式中e—偏心距，μm或mm；G—校正质量，g或kg；r—校正半径，mm；M—回转体质量，kg。

偏心距的测定，可以用来衡量回转体动不平衡程度，也可用来检查电子平衡机的检查精度，防止电子平衡机失灵。

5.3 平衡精度A表示法

A=eω/1000

式中A—平衡精度，mm/s；e—偏心距，μm或mm；ω—回转体工作角速度，rad/s。

因ω=2πn/60≈n/10, 所以A=eω/1000≈e×n/10000(n—工作转速，rpm)

目前，平衡等级已标准化(ISO 1940—1或JB 3330—83)，分为G4000、G1600、G630、G250、G100、G40、G16、G6.3、G2.5、G1、G0.4 11级，常用平衡等级见表2。

表2 常用平衡等级表

6 平衡精度计算

平衡精度的三种表示方法是有内在联系的，可以通过计算的方法相互转换。

6.1 计算允许剩余不平衡量(左右两个平衡面)

m=e×M/r×2

式中m—允许剩余不平衡量，g；e—偏心距，μm；M—转子质量，kg；r—平衡半径，mm。

例如工作质量20 kg ，偏心距45 μm,平衡半径60 mm，双面平衡，则每个平衡面的允许剩余不平衡量为m=7.5 g。

6.2 计算转子的偏心距

e=A×10000/n

式中e—偏心距，μm；A—平衡精度等级，mm/s；n—工作转速，rpm。

例如某罗拉工件工作速度1400 rpm，平衡精度6.3 mm/s，则偏心距为e=45 μm。

6.3 计算转子平衡精度

A=e×n/10000

式中A—平衡精度，mm/s；e—偏心距，μm；n—转速，rpm。

7 结语

对纺织机械回转体动平衡进行分析，通过平衡精度等级计算，采用正确的平衡方法，可有效减小回转体不平衡量，提高其正常运转的可靠性、稳定性。纺织机械回转体在动平衡方面有其特殊要求，不仅要考虑其对轴承受力状态、机器振动等方面的影响，更需要关注的是纺织机械回转体之间有严格的隔距要求。回转体高速旋转时，两回转体之间的隔距一致性，对产品质量有很大的影响，因此，纺织机械回转体的动平衡指标成为纺织机械设备验收的关键项目。