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      棒材軋機減速機軸系動平衡的探討與研究
      時間:2020-11-13 08:52:02

      摘   要:結合棒材軋機減速機制造過程中高速軸動平衡測試的實際,從動平衡方法的選擇、許用剩余不平衡量的計算以及不平衡的校正等幾個方面進行了討論,指出了在實際制造中根據工作轉速、轉子寬徑比選擇單面或雙面動平衡,帶入最高工作轉速計算許用剩余不平衡量。在雙面動平衡中向兩個校正面分配許用剩余不平衡量,并根據測試結果分別進行校正。

       

      關鍵詞:軋機減速機;剛性轉子;動平衡;許用剩余不平衡量

       

      在冶金行業中,旋轉機構有著廣泛的應用,小到軸承、輥道,大到減速機軸系、軋機接軸,都依靠旋轉運動承受或是傳遞載荷。伴隨著工業技術的飛速發展,旋轉件的轉速、載荷也不斷增加,其制造標準要求也日益嚴苛。由于零件制造誤差、裝配誤差等原因,旋轉機構不可避免地會存在不平衡,使其在試驗或者實際運轉中產生振動、噪聲以及發熱。

       

      當不平衡量過大,超出合理范圍時將導致異常的設備振動與溫升,加劇軸承的磨損,縮短設備使用壽命。大量統計數據表明,由于不平衡過大導致的旋轉機械故障占比達 75%。尤其是對于鋼鐵企業,設備高速化、工況復雜化、工藝連續化的趨勢下,轉動機構的故障不僅將造成巨大的經濟損失,甚至會導致人身傷害事故的發生。因此,減少轉動機構的剩余不平衡量,保障其平穩運轉具有重大的實際意義。本文以棒材軋機減速機制造過程中高速軸動平衡測試為例,討論了幾個容易出現的錯誤點與注意事項。

       

      1? 軋機減速機軸系的動平衡方法

       

      棒材軋機減速機的高速軸工作轉速遠低于其一階臨界轉速,且滿足可以在一個或任意選定的兩個校正平面上,以低于轉子工作轉速的任意轉速進行平衡校正,且校正之后,在最高工作轉速及低于工作轉速的任意轉速和接近實際的工作條件下,其不平衡量均不明顯地超過所規定的平衡要求”的條件,因此,通常將此類減速機高速軸軸系視為剛性轉子。根據剛性轉子動平衡的校正面只需一個或兩個歸納動平衡方法,有二點法、三點法、施加質量周移法、影響系數法等。其中影響系數法是一種廣泛應用于減速機制造業的動平衡校正方法,其一般需要兩個校正平面,即把轉子的不平衡量向兩個矯正平面上簡化,振動系統的振動響應是各個校正平面的不平衡量引起的振動響應線性疊加,而各校正平面上單位不平衡量引起的振動響應被稱為影響系數(如圖1)。

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      圖1? 采用影響系數法的動平衡測試

       

      2? 單雙面動平衡的選擇

       

      用影響系數法對轉子進行動平衡校正 , 一般是根據轉子的寬徑比以及轉速確定是采用單面或雙面動平衡。寬徑比是指轉子的寬度 (不包含軸的長度) 除以轉子(齒輪)的直徑。單面動平衡適用于轉子較短 , 轉子厚度較薄的薄盤類零件 ,如單個齒輪、單齒輪低速軸系等只需在一個平面上加重或去重就能解決轉子的不平衡問題。雙面動平衡適用于轉速較高、寬徑比較大的情況。雙面動平衡需要兩個校正面 , 對于齒輪軸系,一般采用齒輪端面或軸的非加工面作為校正面 , 大部分高速軸系的不平衡校正都是采用雙面動平衡。參照表 1 可以判斷到底是使用單面動平衡還是雙面動平衡。

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      3? 許用剩余不平衡量的計算

       

      轉子的許用剩余不平衡量是基于轉子自身外形尺寸、重量以及實際工作轉速的。軋機減速機的設計中平衡品質級別G 通常取值 6.3。在計算軸系許用剩余不平衡量時,應將轉子的質量、動平衡等級和最高工作轉速等帶入公式(1)進行計算。

       

      根據所選的平衡等級 G,由公式(1)能夠得出許用剩余不平衡量 Uper

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      式中, Uper 為許用剩余不平衡量的數值,單位為克毫米(g·mm);(eper×Ω)為選用的平衡品質級別的數值,單位為毫米每秒(mm/s);m 為轉子質量,單位為千克(kg);Ω 為工作轉速的角速度數值,單位為弧度每秒(rad/s),其中 Ω ≈ n/10,且工作轉速 n 的單位為轉每分(r/min)。在實際測試中,許多減速機廠家受限于平衡機的最高轉速,在對軸系進行動平衡試驗時的測試轉速比實際工作轉速低。對于可視為剛性轉子的軸系,在不同轉速下獲得的測試結果相差不大,因此,低于工作轉速進行測試可以獲得較為準確的結果。但對作為判斷轉子動平衡是否滿足設計要求的許用剩余不平衡量進行計算時,不可帶入測試轉速進行計算,即公式(1)中角速度 Ω(或轉速 n)一定為該減速機軸系的最高工作轉速,否則,會使得出的許用值出現嚴重偏差,將動平衡不合格軸系被判為合格流出。此外,在上述計算中,角速度 Ω 或轉速 n 采用最高的工作轉速更為合理,帶入其設計最高轉速會使許用值 Uper 過于嚴苛,增加制造成本。

       

      4? 許用剩余不平衡量向允差平面的分配

       

      在雙面動平衡試驗中,轉子在平衡機的兩個支撐面上以試驗轉速旋轉,最終得出的軸系的實際剩余不平衡量。若實際值小于許用值,則為合格,不需要進行動平衡校正,反之,則進行去重或增重來校正。應注意的是,Uper 被定義為質心平面內的總允差,對于所有雙面平衡的工件,總允差應分配到各允差平面,計算方法如下:

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      式中, Uper1 為支承面 1 上的許用剩余不平衡量;Uper2為支承面 2 上的許用剩余不平衡量;L1 為支承面1到質心距離;L2為支承面2到質心距離;L為兩支承面跨距。

       

      5? 不平衡校正的問題

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       圖2? 許用剩余不平衡量向允差平面的分配

       

      在雙面動平衡試驗中有兩個支撐面(如圖 2),其校正面相應也應該有兩個,才能保證在去重或增加配重后兩個面的實際剩余不平衡量小于各自的許用值。多數平衡機在測試前可手動輸入各校正面的許用剩余量、設定校正方式,完成測試后平衡機會計算出校正平面內的實際剩余不平衡質量以及相應位置,操作人員需據此結果與許用值進行比較,判斷哪個平面需要校正,并根據平衡機給出的具體校正方法進行去重或增重,如圖 3 所示。


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       圖 3? 雙面動平衡測試結果及校正方法

       

      6? 結語

       

      本文結合棒材軋機減速機高速軸動平衡測試的實際,從動平衡方法的選擇、許用剩余不平衡量的計算以及不平衡的校正等幾個方面進行了討論。

       

      (1)對于棒材軋機減速機,其高速軸工作轉速遠低于其一階臨界轉速,可是為剛性轉子,采用影響系數法進行校正。

       

      (2)應根據軸系的轉速以及其寬徑比確定采用單面或雙面動平衡。

       

      (3)在進行許用剩余不平衡量的計算中,應將軸系的最高工作轉速帶入公式計算,而非動平衡的測試轉速或軸系最大設計轉速。

       

      (4)在雙面動平衡測試中,應將許用剩余不平衡量向兩個允差平面分配,求出各平面相應的許用值作為判斷合格與否的標準,不合格的根據結果分別進行校正。

       

      作者:

      河鋼唐鋼新區特鋼項目部     張毅勃  張建李

      河鋼唐鋼一鋼軋廠                楊叢龍


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