新聞主題	柴油機(jī)曲軸自動平衡與校正目的及原理

 

摘要：柴油機(jī)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(fù)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(biāo)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(dǎo)致軸瓦承受力負(fù)載增加及曲軸斷裂等風(fēng)險。曲軸平衡精度的高低對柴油機(jī)的振動、平穩(wěn)運行及柴油機(jī)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(jī)的主要旋轉(zhuǎn)機(jī)件，裝上連桿后，可承接連桿的上下（往復(fù)）運動變成循環(huán)（旋轉(zhuǎn)）運動，是柴油機(jī)上的一個重要的機(jī)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(yán)重的能折斷。為了解決此類問題，一般柴油機(jī)需要通過曲軸動平衡機(jī)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(dāng)發(fā)現(xiàn)不符合技術(shù)要求的產(chǎn)品再進(jìn)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(jī)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(jī)和內(nèi)燃機(jī)中的多種零部件，特別在現(xiàn)代柴油發(fā)電機(jī)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(jī)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(dá)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(jī)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(biāo)系統(tǒng)進(jìn)行測量。

      進(jìn)入80年代以來，隨著微機(jī)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(jī)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(jī)曲軸進(jìn)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(jī)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(jī)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(qiáng)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(xué)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(qiáng)迫振動的振幅與激振力的幅值成正比。從上式也可看出，當(dāng)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(jī)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(zhǔn)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(zhǔn)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(zhǔn)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(jī)或步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動相結(jié)合的技術(shù)。

      現(xiàn)代曲軸動平衡機(jī)與早期機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)控制系統(tǒng)，同時輸入的還有每回轉(zhuǎn)一周產(chǎn)生的基準(zhǔn)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(jìn)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(jìn)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(jī)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(jìn)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(jìn)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(jī)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(dá)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?？得魉构厩S平衡控制是采用去除曲軸配重塊重量法。

      當(dāng)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(dāng)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(yuǎn)點打孔去重，這樣的零件修正比較麻煩，合格率低，需要重復(fù)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(dāng)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(dāng)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?？得魉构旧a(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(dāng)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(jī)實例介紹

 

      此處介紹的曲軸動平衡機(jī)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(jī)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(jī)生產(chǎn)線上使用。

1、主要技術(shù)指標(biāo)

      這種完全由計算機(jī)控制的高精度、高性能自動化設(shè)備的主要技術(shù)指標(biāo)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(jī)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(jìn)行修正和補(bǔ)償，以保持較高的測量精度。

2、工作原理

      曲軸動平衡機(jī)屬于平衡機(jī)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(dá)剩余不平衡量和動平衡機(jī)減少率兩項綜合指標(biāo)，前者是平衡機(jī)能使轉(zhuǎn)子達(dá)到的剩余不平衡量的最小值，它是衡量平衡機(jī)最高平衡能力的指標(biāo)；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(jī)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(jī)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(dāng)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(jī)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(jī)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(jìn)給量（鉆孔深度）。這臺動平衡機(jī)的測量工位也就是去重工位，當(dāng)測量過程結(jié)束后，由液壓系統(tǒng)控制的鎖緊機(jī)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(zhǔn)確地對準(zhǔn)鉆孔動力頭。

      從圖8可見，位于該機(jī)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(jī)，電機(jī)1通過傳動裝置帶動去重鉆機(jī)在水平導(dǎo)軌移動，電機(jī)2是機(jī)械動力頭的主電機(jī)，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(jī)構(gòu)產(chǎn)生工作進(jìn)給運動，另外，該系統(tǒng)還包含一套能使鉆機(jī)產(chǎn)生快速進(jìn)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(zhǔn)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(jī)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(jìn)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(fù)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(biāo)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(jī)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(biāo)矢量分解法，通過微機(jī)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(jī)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(jī)校正裝置示意圖

圖8  曲軸自動平衡校正機(jī)控制原理圖

 

總結(jié)：

      當(dāng)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(dāng)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?？傮w來說，曲軸中心孔加工與動平衡聯(lián)機(jī)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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