利用陀螺原理加工葉輪減少不平衡量

1、利用陀螺原理加工葉輪減少不平衡量1 前言渦輪增壓器轉(zhuǎn)子上的兩個(gè)葉輪的動(dòng)平衡精度，決定了整個(gè)轉(zhuǎn)子的動(dòng)平衡精度，現(xiàn)在增壓器轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速已從每分鐘幾萬(wàn)轉(zhuǎn)增加到十幾萬(wàn)轉(zhuǎn)，使動(dòng)量不平衡轉(zhuǎn)子軸上的離心力很大。離心力會(huì)引起轉(zhuǎn)子的振動(dòng)，甚至?xí)斐赊D(zhuǎn)軸斷裂。某廠的葉輪(圖1)毛坯是采用熔模鑄造成的。由于做熔模的金屬母模精度較低，熔模強(qiáng)度低容易變形，同一葉片型線變化差異較大，甚至同一葉輪葉片的厚度竟相差0.54mm。另外葉輪毛坯表面清理不干凈，造成了葉輪毛坯形狀精度和表面質(zhì)量較差。 由于作為定位粗基準(zhǔn)的葉輪曲率型面的變形，有時(shí)還存在凸起和渣瘤，致使加工的定位精基準(zhǔn)與設(shè)計(jì)基準(zhǔn)不重合，造成了加工后的葉輪幾何中心與質(zhì)量中

2、心偏移較大，致使葉輪在做動(dòng)平衡測(cè)試時(shí)，不得不在遠(yuǎn)離轉(zhuǎn)軸處以大面積地去掉葉片質(zhì)量的方法來(lái)達(dá)到動(dòng)平衡的精度要求。這樣就造成葉片型面形狀精度降低，葉片的自振頻率、葉輪氣體的流道均受到了破壞，影響了葉輪的正常工作性能。 針對(duì)葉輪毛坯精度及表面質(zhì)量差的問(wèn)題，筆者基于陀螺原理對(duì)渦輪增壓器轉(zhuǎn)子葉輪的加工方法進(jìn)行了研究和改進(jìn)，在生產(chǎn)中取得了良好的效果。 2 改進(jìn)加工方法的理論依據(jù)當(dāng)一個(gè)物體繞對(duì)稱(chēng)軸高速旋轉(zhuǎn)，并懸置在一個(gè)無(wú)摩擦的平衡環(huán)系中時(shí)，其重心的運(yùn)動(dòng)是完全自由的。其關(guān)系式為 式中：M是施加力矩，H是物體的角動(dòng)量。在該物體上設(shè)一空間直角坐標(biāo)系，原點(diǎn)在重心上。積分表達(dá)式為 (2)角動(dòng)量H寫(xiě)成分解式: (3)式中

3、：I是對(duì)回轉(zhuǎn)軸的慣性矩；It是對(duì)任一橫向軸的慣性矩，Wx是物體的角速度沿對(duì)稱(chēng)軸X 的分量；Wy、Wz分別是角速度沿Y軸和Z軸的分量。 如果無(wú)作用力矩，即拭、從均等于零，則式(2)H=常數(shù)。該式表明角動(dòng)量H矢量的方向在空間保持不變，H矢量與對(duì)稱(chēng)軸重合。 在利用這一性質(zhì)時(shí)，顯然希望角動(dòng)量H矢量與對(duì)稱(chēng)軸重合。但是式(3)表明角動(dòng)量H矢量不一定與對(duì)稱(chēng)軸重合，除非設(shè)法使Wy、Wy均為零迫使它們重合。 若Wy、Wy不等于零，則對(duì)稱(chēng)軸將繞H矢量畫(huà)出一個(gè)圓錐，其頂角為2q。關(guān)系式為 (4)即產(chǎn)生振動(dòng)，這一現(xiàn)象稱(chēng)為陀螺的“章動(dòng)”現(xiàn)象。 假定M0而且垂直于H矢量施加，物體將以與H垂直的角速度w旋轉(zhuǎn)，即w=M/H或

4、M=wH。角動(dòng)量矢量在力矩M的作用下旋轉(zhuǎn)，這就是陀螺的“進(jìn)動(dòng)”現(xiàn)象。 安裝在動(dòng)軸上的葉輪，在不考慮外環(huán)質(zhì)量的慣性、軸承的摩擦力矩和空氣動(dòng)力性質(zhì)的情況下，作用于外環(huán)的各力對(duì)轉(zhuǎn)軸z的力矩之和應(yīng)等于零(圖2)。即 -Mxsinb+Mzcosb=0此時(shí)可將安裝在動(dòng)軸上的葉輪視為一陀螺，當(dāng)陀螺作加速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，即陀螺自轉(zhuǎn)的角速度w增大時(shí)陀螺傾角b將隨之減小，反之b增大。當(dāng)陀螺作穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)時(shí)，其傾角b應(yīng)逐漸消失，陀螺將繞其轉(zhuǎn)動(dòng)軸線z旋轉(zhuǎn)。陀螺的動(dòng)量矩矢量與對(duì)稱(chēng)軸重合且方向不變：利用這一原理對(duì)葉輪的加工方法進(jìn)行了改進(jìn)。 3 改進(jìn)的方法1. 改進(jìn)鑄造工藝，提高葉輪毛坯的形狀精度和表面質(zhì)量，特別是定位基準(zhǔn)R圓弧面。2

5、. 設(shè)計(jì)一個(gè)專(zhuān)用加工葉輪中心孔的夾具(圖3)。夾具體的轉(zhuǎn)子是鑄鋼件，有足夠高的強(qiáng)度和剛度，內(nèi)外表面都要加工。轉(zhuǎn)子隔板中心的R圓弧是定位基準(zhǔn)面，加工精度和表面質(zhì)量要求較高，和轉(zhuǎn)子內(nèi)外圓面有較高的同軸度要求。帶定心止口的螺釘壓盤(pán)夾緊機(jī)構(gòu)在夾緊工件時(shí)仍保持和轉(zhuǎn)子有較高的同軸度。轉(zhuǎn)子安裝在空心主軸的法蘭盤(pán)上，空心主軸由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)，調(diào)整轉(zhuǎn)子達(dá)到較高的動(dòng)平衡精度。軸承要有良好的潤(rùn)滑，以最大限度地減小摩擦力。安裝在兩端滑套式動(dòng)力頭上的中心鉆應(yīng)和夾具轉(zhuǎn)子在同一個(gè)回轉(zhuǎn)中心線上。將葉輪毛坯穩(wěn)固地安裝在夾具上，使葉輪和夾具組成一個(gè)陀螺機(jī)構(gòu)。當(dāng)葉輪的質(zhì)量中心不在轉(zhuǎn)子的回轉(zhuǎn)中心線上時(shí)，夾具的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)將產(chǎn)生振動(dòng)。安裝在轉(zhuǎn)子側(cè)面的滾輪對(duì)夾具的轉(zhuǎn)子施加一個(gè)力矩M，當(dāng)夾具的轉(zhuǎn)子作穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)時(shí)，該旋轉(zhuǎn)中心即是葉輪的質(zhì)量中心。在葉輪的質(zhì)量中心的兩端處加工中心孔，這個(gè)中心孔就是葉輪精加工的定位精基準(zhǔn)。葉輪的質(zhì)量中心也就是設(shè)計(jì)基準(zhǔn)，符合基準(zhǔn)重合原則。這樣就保證了葉輪的質(zhì)量中心和幾何中心基本重合。4 結(jié)束語(yǔ)1. 利用陀螺原理所設(shè)計(jì)的夾具(圖3) ，使機(jī)械加工后葉輪的幾何中心與質(zhì)量中心重合，使葉輪動(dòng)平衡的不平衡量大大減少，動(dòng)平衡時(shí)從靠近葉輪心部的端面去重即可達(dá)到動(dòng)平衡的精度要求。保證了葉輪的形狀完整和良好的工作性能、：并達(dá)到了國(guó)外先進(jìn)設(shè)備所加工葉輪的質(zhì)量。2. 由于不平衡量減少，有利于實(shí)現(xiàn)去重機(jī)與動(dòng)平衡機(jī)聯(lián)網(wǎng)，