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件，旋轉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要求，而曲軸在高速旋轉運動過程中自身產生的不平衡振動與其轉速的平方成正比，產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

 

      曲軸是柴油發電機的主要旋轉機件，裝上連桿后，可承接連桿的上下（往復）運動變成循環（旋轉）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動并會產生振動，如果平衡度不好，會產生動量峰值，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，當發現不符合技術要求的產品再進行校正。

1、原理

      曲軸動平衡的原理是旋轉的物體質量重心不在其旋轉軸心上，會產生偏心力與力矩，從而造成旋轉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。在此基礎上，可以通過加重與減重法去除偏心量，保證旋轉物體的重心在其旋轉軸線上，從而減小振動，保證轉動的平衡性。

2、目的

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

      動平衡的實質是以測量不平衡量的大小和方位為依據，在若干個預先選擇的校正平面上，用去重或加重的方法改變旋轉體的質量分布，使其質量軸線與回轉軸線相重合，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固定坐標系統進行測量。

      進入80年代以來，隨著微機技術在各種自動控制系統中日益廣泛的應用，不但大大提高了工藝裝備（包括檢測設備）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量可以通過鍵盤預先設置（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

 

      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動軸帶動曲軸以角速度ω作回轉運動。因工件存在質量偏重而產生的離心慣性力隨著工件的回轉作周期性變化，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生強迫振動。此激振力的幅值為：

F_H=meω²

式中，F_H——激振力幅值；

m——曲軸上不平衡量的質量；

e——不平衡量的回轉半徑；

ω——角速度。

      根據力學原理（曲軸設計圖如圖3所示），只要符合一定條件（指工件回轉角頻率大于彈性系統固有頻率若干倍），在角速度ω一定時，彈性系統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_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構形式、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、壓電陶瓷式和應變片式等多種，都是將位移量的變化轉換為成正比的電量輸出。至于建立回轉系統角位移基準的方法，則經歷了一個演變過程，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訊型基準信號發生器，來確定不平衡量的去重位置，而現今普遍采用的已是光電編碼與伺服電機或步進電機驅動相結合的技術。

      現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上，由于普遍實現了微機化，從而徹底改變了由分立元件或小規模集成塊組合成各功能電路的狀況，在簡化了系統設計、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系，測量工位兩傳感器S_L和S_R產生的反映工件不平衡量的模擬信號經放大后輸入微機控制系統，同時輸入的還有每回轉一周產生的基準信號。經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據處理后，即可確定在工件各校正面上的等效不平衡量，即在各個設定位置的去重量，進而再轉換成相應的以鉆孔深度表示的去重信號。在微機系統的控制下，工件由測量階段轉入去重階段，鉆孔動力頭在不同的去重點根據指令要求的深度進給，完成不平衡量的去除。經過平衡、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  曲軸動平衡設計原理圖

圖4  曲軸自動平衡校正機的系統框圖

 

三、影響動平衡去重量的因素

 

1、平衡方法及節拍控制

      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?？得魉构厩S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時，優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，優先在重的一側最遠點打孔去重，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，節拍慢效率低。

2、鉆孔數量與生產節拍計算

      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，增加打孔數來控制動不平衡量，但由于不平衡量的分布區域受限，打孔數多，重新打亂了平衡狀態，需要二次測量打孔，這時會影響到節拍，所以會要求毛坯鑄造是盡量不要混模生產，加工線生產時不要混批次加工。

      在最終動平衡工序測量結果可以看出，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量、節拍有差異?？得魉构旧a1.2L曲軸采用幾何定心方式，經過統計，平衡孔數基本在1～13個之間，平衡孔數量小于9個占90%（圖6）。在最終曲軸動平衡工序，加工孔數越多節拍時間越長，當單臺加工時間大于節拍要求時則需要調整前工序中心孔位置，減少初始不平衡量，提升節拍。

 

圖5  曲軸平衡孔距離平面示意圖

圖6  曲軸平衡孔數量柱圖

 

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、校正設備，其結構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，結構十分緊湊。它應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電機生產線上使用。

1、主要技術指標

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

（1）檢測不平衡量的傳感器：壓電陶瓷傳感器。

（2）測量時工件轉速：250r/min。

（3）每個平衡塊上的去重點數量：2~4。

（4）二對稱去重位置間的最大夾角：120°，可通過鍵盤設定。

（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，其用于測量旋轉物體（轉子）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構示意圖。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，托架的左側是固定頭架，右側是可移動的尾架。當曲軸就位后。頭架中的驅動軸右移，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，彈性支承內的傳感器檢出曲軸的不平衡量，經過計算機測量控制系統確定了在工件各設定位置的去重量，并轉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，當測量過程結束后，由液壓系統控制的鎖緊機構動作，工件將被承載在兩剛性支架上，而頭架驅動裝置則在去重過程中間斷回轉，使工件的去重部位準確地對準鉆孔動力頭。

      從圖8可見，位于該機上方的數控去重系統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，既驅動主軸回轉，還能根據接受的指令經執行機構產生工作進給運動，另外，該系統還包含一套能使鉆機產生快速進退運動的裝置，并針對去重鉆頭懸伸較長的情況，設置了夾持鉆頭的鉆套，從而提高了鉆削時的準確性和穩定性。所有決定去重位置和去重量的操作，即軸向（X向），轉角（θ向）和鉆孔深度（Z向）都為計算機數控。選定的鉆孔直徑為Ø10mm，最大鉆深為25mm，主軸轉速為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，系統對經過動平衡的工件執行檢查，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值，并根據規定指標作出相應的評價，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，通過微機系統的優化處理，能將校正過程中的去重鉆孔數減至最少，從而縮短了循環時間并提高了效率。若曲軸的初始不平衡量為80~180g/cm，則只需經過一次去重操作就可完成校正過程，在這種情況下循環時間僅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，方框下半部為完成這項動作的時間（秒）。

      若“檢查”結果表明，工件不平衡量仍超過允許值，則還需在“檢查”工序后自動執行去重，此時的初始不平衡量已不大，一般只需經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：

      當曲軸配動塊的加工空間較小且不平衡量較大時，宜采用質量定心加工工藝；當加工空間足夠且節拍滿足要求，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，在模具磨損量不大的情況下同批量/批次的曲軸質量差異不大，所以可以采用幾何定心找出分布規律?？傮w來說，曲軸中心孔加工與動平衡聯機優化能更好的控制曲軸的初始不平衡量，對大多數曲軸來說，只要一次去重便可，極大的提高了生產效率，并且具有良好的應用前景。

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