韓震宇

摘 要：旋轉(zhuǎn)零件在當(dāng)今汽車乃至整個(gè)工業(yè)的發(fā)展都變得尤為重要，隨之而來的對(duì)于旋轉(zhuǎn)零件的平衡技術(shù)也變得日趨嚴(yán)峻。在力學(xué)原理上有剛性轉(zhuǎn)子的平衡理論和方法，其發(fā)展具體體現(xiàn)在平衡上一些新工藝、新技術(shù)。

關(guān)鍵詞：離心力；靜平衡；動(dòng)平衡；剛性轉(zhuǎn)子；撓性轉(zhuǎn)子

由于現(xiàn)在機(jī)械的高速發(fā)展，尤其是汽車企業(yè)的發(fā)展速度不斷提高，轉(zhuǎn)子的速度、長徑比在不斷增加，在旋轉(zhuǎn)中已經(jīng)呈現(xiàn)撓曲狀，如果按原有的剛性轉(zhuǎn)子的平衡理論因?yàn)閷?shí)在低速下進(jìn)行的平衡理論已經(jīng)不能完全滿足現(xiàn)在的工藝要求，就必須按照撓性轉(zhuǎn)子的重新進(jìn)行計(jì)算。

在理想的情況下回轉(zhuǎn)體旋轉(zhuǎn)與不旋轉(zhuǎn)時(shí)，對(duì)軸承產(chǎn)生的壓力是一樣的，但在實(shí)際生產(chǎn)中每個(gè)回轉(zhuǎn)物由于材料分配不均勻或者鑄造缺陷、加工時(shí)產(chǎn)生的誤差等多種因素都造成了回轉(zhuǎn)體的不平衡，這種狀態(tài)稱之為靜態(tài)不平衡，但當(dāng)回轉(zhuǎn)體在旋轉(zhuǎn)時(shí)因?yàn)槲⑿〉馁|(zhì)點(diǎn)所產(chǎn)生的離心力不能相互抵消，從而產(chǎn)生了不平衡的離心力，也就是動(dòng)態(tài)的不平衡。

不平衡的原因大體分為以下幾種：

（1）轉(zhuǎn)動(dòng)件本身形狀不對(duì)稱；

（2）加工過程中產(chǎn)生的誤差；

（3）安裝不正確；

（4）旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)的誤差；

（5）零件的磨損；

（6）轉(zhuǎn)動(dòng)件上有其他物質(zhì)附著。

動(dòng)平衡的作用如下：

（1）提高轉(zhuǎn)子何其組裝產(chǎn)品的質(zhì)量；

（2）降低噪聲；

（3）減少振動(dòng)；

（4）提高軸承的使用壽命；

（5）降低使用者的不舒適感；

（6）將能能源的消耗。

在零件中圍繞軸線旋轉(zhuǎn)的零件稱之為轉(zhuǎn)子：

對(duì)于是否需要平衡的轉(zhuǎn)子姑且分為兩大類：平衡類轉(zhuǎn)子，在旋轉(zhuǎn)或不旋轉(zhuǎn)時(shí)對(duì)于軸承只有靜壓力的轉(zhuǎn)子。不平衡類轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子在旋轉(zhuǎn)時(shí)對(duì)軸承除了有靜壓力外，還有其他的壓力（如動(dòng)壓力），則稱為不平衡轉(zhuǎn)子。如果轉(zhuǎn)子是不平衡的，其動(dòng)壓力將通過軸承傳遞到機(jī)器上，引起機(jī)械振動(dòng)。

根據(jù)IOS的標(biāo)準(zhǔn)，轉(zhuǎn)子是由軸承支撐的旋轉(zhuǎn)體，多為機(jī)械零件中的主要旋轉(zhuǎn)件。典型的轉(zhuǎn)子有電機(jī)轉(zhuǎn)子，曲軸，凸輪軸等還包括各位泵的轉(zhuǎn)子。

（1） 定義一：剛性轉(zhuǎn)子既可以在任意選定的兩個(gè)校正平面上進(jìn)行平衡校正，并且完成校正之后，在直至最高工作轉(zhuǎn)速的任何轉(zhuǎn)速以及無限接近實(shí)際工作轉(zhuǎn)速的條件下，其殘余不平衡量無明顯改變的轉(zhuǎn)子。

撓性轉(zhuǎn)子既由于彈性撓曲而不能滿足剛性轉(zhuǎn)子定義的轉(zhuǎn)子。

（2）定義二：工程上常用臨界轉(zhuǎn)速作為區(qū)分撓性轉(zhuǎn)子和剛性轉(zhuǎn)子的分界。

工作轉(zhuǎn)速低于一介臨界轉(zhuǎn)速時(shí)，其不平衡離心力較小，由此引起的撓曲變形因?yàn)楹苄∷钥梢院雎圆挥?jì)，這種類型的轉(zhuǎn)子被稱為剛性轉(zhuǎn)子。相反如果工作轉(zhuǎn)速高于一階轉(zhuǎn)速臨界點(diǎn)，其撓曲變形不能被忽略的轉(zhuǎn)子則被稱為撓性轉(zhuǎn)子。

（3）定義三： 在轉(zhuǎn)子任意兩端面上，加上質(zhì)量相同的塊M，如果只考慮一階的撓曲振型，在工作轉(zhuǎn)速下測得軸承的振幅為A1，然后把兩質(zhì)量塊同時(shí)移到轉(zhuǎn)子中央，測得軸承振幅為A2，放大系數(shù)β=（A2-A1）/A1，以此作為轉(zhuǎn)子的度量稱之為“柔度”。而根據(jù)轉(zhuǎn)子得被放大系數(shù)不同，我們可將轉(zhuǎn)子分為：

（1） 當(dāng)0< β<0.4時(shí)為剛性轉(zhuǎn)子；

（2） 當(dāng)0.4《 β<1.25時(shí)為準(zhǔn)剛性或半撓性轉(zhuǎn)子；

（3） 當(dāng)β》1.25時(shí)為撓性轉(zhuǎn)子。

剛性和撓性只是相對(duì)于某一定義標(biāo)量而言的。

不平衡可以分為靜不平衡、偶不平衡、動(dòng)不平衡三種不平衡狀態(tài)，對(duì)它們的平衡方法也是不一樣的。

（1）靜不平衡在某一半徑為R、質(zhì)量為M的平衡轉(zhuǎn)子中心平面上加上一個(gè)質(zhì)量為m的不平衡質(zhì)量。此時(shí)轉(zhuǎn)子的重心與原重心之間產(chǎn)生了一個(gè)距離為e（e=mR/M）的偏心距，新的中心慣性主軸和轉(zhuǎn)動(dòng)軸線之間始終處于平行狀態(tài)，當(dāng)轉(zhuǎn)子重新旋轉(zhuǎn)時(shí)，由于這個(gè)新產(chǎn)生的偏心距而引起的離心慣性力使軸承產(chǎn)生振動(dòng)，如果要使這轉(zhuǎn)子平衡就必須在它對(duì)等的重心平面位置上加上同一個(gè)質(zhì)量m，轉(zhuǎn)子便平衡了。

（2） 偶不平衡其平衡轉(zhuǎn)子的一個(gè)平面上180度加兩個(gè)相等重量的不平衡量。兩個(gè)大小相同但是方向相反的不平衡量。帶有這種不平衡量的轉(zhuǎn)子不會(huì)在薄片支撐上自己穩(wěn)定在特定的位置，所以不能再用這種轉(zhuǎn)子自穩(wěn)定找位置的辦法來檢測出轉(zhuǎn)子的不平衡量。即不能在同一個(gè)平面上加重或者去重，必須在兩個(gè)平面上加重或去重，轉(zhuǎn)子才能得到平衡。

（3）動(dòng)不平衡是靜不平衡與偶不平衡的組合。轉(zhuǎn)子的中心慣性主軸和實(shí)際轉(zhuǎn)動(dòng)軸線既不相交也不平衡，如果需要平衡這樣的轉(zhuǎn)子就必須在兩個(gè)或者兩個(gè)以上平面內(nèi)加重或者去重才能使轉(zhuǎn)子得到新的平衡。

無論哪一種類的轉(zhuǎn)子只要經(jīng)過了平衡校正之后，消除了它的偶不平衡的同時(shí)也消除了它的靜不平衡，此時(shí)轉(zhuǎn)子的中心慣性主軸和轉(zhuǎn)動(dòng)軸線就基本一致了，轉(zhuǎn)子也達(dá)到了平衡狀態(tài)。但在實(shí)際生產(chǎn)和加工過程中這些都是理論上的數(shù)據(jù)，如果想得到一個(gè)不平衡量為零的轉(zhuǎn)子那完全是不可能的，因?yàn)槲覀冞€需考慮到平衡機(jī)本身的精度和轉(zhuǎn)子的局限性。所以對(duì)于不同的零件我們要做的只是達(dá)到轉(zhuǎn)子所需要達(dá)到的平衡精度即可。

當(dāng)剛性轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)軸通過質(zhì)心并且為慣性主軸時(shí)，剛性轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)不會(huì)出現(xiàn)軸承的動(dòng)約束力，這種現(xiàn)象稱之為“動(dòng)平衡”。動(dòng)平衡實(shí)際上就是所謂的動(dòng)不平衡，是運(yùn)用在旋轉(zhuǎn)零件或者精度要求非常高的設(shè)備上。轉(zhuǎn)子在圍繞軸線旋轉(zhuǎn)時(shí)，由于軸線上質(zhì)量分布不均勻而產(chǎn)生離心力。這種不平衡的離心力在轉(zhuǎn)子軸承旋轉(zhuǎn)上會(huì)引起振動(dòng)，產(chǎn)生噪聲從而加速軸承磨損，嚴(yán)重影響設(shè)備的使用性能和壽命，如果平衡不好會(huì)使旋轉(zhuǎn)零件在運(yùn)轉(zhuǎn)中飛出去。

旋轉(zhuǎn)零部件在制造過程中，都需要穩(wěn)定正常地運(yùn)轉(zhuǎn)。舉例：如汽車車輪制動(dòng)盤、發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸、液力變矩器、增壓器、齒輪、風(fēng)葉等。

如果一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)的物體質(zhì)量分布不均勻，轉(zhuǎn)動(dòng)起來就會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)。不均勻程度越大，振動(dòng)也越大。消除振動(dòng)的方法很簡單，就是把不均勻的質(zhì)量點(diǎn)找出來并去掉它或者在它對(duì)面人為地加一塊相同的質(zhì)量去平衡它。

任何旋轉(zhuǎn)零件都存在不平衡，而我們做動(dòng)平衡的目的就是要使旋轉(zhuǎn)零件（轉(zhuǎn)子）在其工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)甚至更高轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，而轉(zhuǎn)子在工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)通過臨界轉(zhuǎn)速時(shí)不至于引起比較大的振動(dòng)，就需要做動(dòng)平衡，或者想辦法降低不平衡量，使之達(dá)到某一精度要求。

國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）于1940年制定了平衡等級(jí)“ISO1940”，它將轉(zhuǎn)子的平衡等級(jí)一共分為11個(gè)等級(jí)，每個(gè)級(jí)之間以2.5倍為增量，從要求最高的G0.4到要求最低的G4000。單位為公克×毫米/公斤（g.mm/kg），用來代表對(duì)于轉(zhuǎn)子不平衡軸心的偏心距離。該標(biāo)準(zhǔn)建立了轉(zhuǎn)子的實(shí)際最高轉(zhuǎn)速與允許接受的殘余不平衡量兩者之間的關(guān)系，其中羅列了每個(gè)等級(jí)中分別具有代表的轉(zhuǎn)子和其建議理論不平衡等級(jí)間的關(guān)系介紹了質(zhì)量不平衡等級(jí)G（等效于一個(gè)不受約束的轉(zhuǎn)子所產(chǎn)生的eω），因?yàn)樗捎脕韺?duì)別設(shè)備在不同速率運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的物理特性。標(biāo)準(zhǔn)中的G值在數(shù)字上相當(dāng)于以9500r/min運(yùn)轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子用μm來表示的偏心率e。轉(zhuǎn)子的不平衡等級(jí)或質(zhì)量不平衡可以參照一臺(tái)已校準(zhǔn)的動(dòng)平衡機(jī)來進(jìn)行評(píng)定。平衡質(zhì)量等級(jí)（G）代表回轉(zhuǎn)體處于不平衡狀態(tài)時(shí)回轉(zhuǎn)體重心的線速度，是用來判定轉(zhuǎn)子動(dòng)態(tài)負(fù)載的一種機(jī)械比較量。如果G值越小，則回轉(zhuǎn)體旋轉(zhuǎn)相對(duì)是平穩(wěn)的。