TBD620V16柴油機(jī)曲軸動平衡分析

劉丕人，吳亞龍，陳銀濤，楊 雋

（河南柴油機(jī)重工有限責(zé)任公司，河南洛陽471039）

各類機(jī)器設(shè)備、交通工具等的振動是一種常見現(xiàn)象，除了一些利用振動工作的設(shè)備外，對于一般的機(jī)器來說振動是有害的。它將使機(jī)器零部件承受附加的動載荷，加速軸承、軸頸磨損，影響機(jī)器工作性能，降低機(jī)器精度，甚至使機(jī)器過早損壞。

曲軸是內(nèi)燃機(jī)的重要零部件，它承受著周期性不斷變化的燃?xì)鉀_擊力、往復(fù)運動質(zhì)量的慣性力、旋轉(zhuǎn)質(zhì)量的離心力等復(fù)雜的交變載荷。曲軸圍繞其軸線做回轉(zhuǎn)運動，當(dāng)曲軸相對于回轉(zhuǎn)中心線的質(zhì)量分布不均時，會產(chǎn)生不平衡離心慣性力和慣性力矩，這是造成發(fā)動機(jī)振動的主要原因之一。曲軸的轉(zhuǎn)速越高，它引起的振動越明顯。這種不平衡離心力作用在曲軸軸承上會引起振動，產(chǎn)生噪聲和加速軸承磨損，以至于嚴(yán)重影響內(nèi)燃機(jī)的性能和壽命。

1 曲軸動平衡的力學(xué)原理

由理論力學(xué)可知，兩個平行力可以合成一個與之平行的力。反之，一個力也可以分解成與之平行的兩個力。如圖1所示，力F可分解為作用在A、B兩點的同向平行力，而且A、B兩點的位置是任意指定的，各力間的關(guān)系如下：

圖1 力的分解

假設(shè)有不平衡的剛性轉(zhuǎn)子繞轉(zhuǎn)動軸作勻速轉(zhuǎn)動。可將此轉(zhuǎn)子理解為由若干個偏心薄盤所組成，各圓盤均產(chǎn)生一個慣性力，即組成一個空間慣性力系。假定轉(zhuǎn)子的左右兩端面作為校正平面，將每個慣性力都分解為通過A、B兩點的平行力，根據(jù)式（1）可得：

式中l(wèi)為轉(zhuǎn)子左右兩端面距離，li為第i個慣性力至左端面的距離［1］。

同理，把慣性力都分解到左右兩個端面上得到一個平面匯交力系，分別以A、B兩點為匯交點的合力和轉(zhuǎn)子的所有慣性力是等效的。如果在左右兩端面（或任意兩個指定的校正面）上進(jìn)行校正，適當(dāng)?shù)募又鼗蛉ブ乇憧墒罐D(zhuǎn)子得到平衡。由此可見，任意不平衡剛性轉(zhuǎn)子都可以在兩個與旋轉(zhuǎn)軸垂直的平面上進(jìn)行校正而得到平衡。

2 曲軸動平衡分析

隨著現(xiàn)代工業(yè)的不斷發(fā)展，人們對發(fā)動機(jī)的性能提出了越來越高的要求，對曲軸不平衡量的要求也越來越嚴(yán)格。高速大功率柴油機(jī)TBD620V16柴油機(jī)曲軸（見圖2）最高轉(zhuǎn)速1 860r／min。其毛坯采用彎曲鐓鍛成型，毛坯狀態(tài)一致性不好，加工余量大。在加工過程中曲柄銷角度一般靠夾具保證，即便采用加工中心加工，也不能保證加工的曲軸曲柄銷完全對稱。同時，加工過程中還需要進(jìn)行熱處理，中間難免會有變形，加上熱處理過后材質(zhì)不能保證絕對均勻分布，以至于曲軸加工完成后相對于回轉(zhuǎn)中心線的質(zhì)量分布是不均勻的。然而不完全平衡的曲軸在離心慣性力作用下將產(chǎn)生不均勻力矩，不平衡力矩將會引起曲軸彎曲變形、柴油機(jī)振動甚至碾瓦。由此可見，曲軸加工完成后必須進(jìn)行動平衡試驗，從而達(dá)到允許的平衡精度要求。

圖2 TBD620V16柴油機(jī)曲軸

3 動平衡機(jī)的選擇

離心式平衡機(jī)是在轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的狀態(tài)下，根據(jù)轉(zhuǎn)子不平衡引起的支承振動來測量不平衡。按校正平面數(shù)量的不同，可分為單面平衡機(jī)和雙面平衡機(jī)。單面平衡機(jī)只能測量一個平面上的不平衡（靜不平衡），它雖然是在轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時進(jìn)行測量，但仍屬于靜平衡機(jī)。雙面平衡機(jī)能測量動不平衡，一般稱為動平衡機(jī)。離心力式平衡機(jī)按支承特性不同，又可分為軟支承平衡機(jī)和硬支承平衡機(jī)。平衡轉(zhuǎn)速高于轉(zhuǎn)子支承系統(tǒng)固有頻率的稱為軟支承平衡機(jī)。這種平衡機(jī)的支承剛度小，傳感器檢測出的信號與支承的振動位移成正比。平衡轉(zhuǎn)速低于轉(zhuǎn)子支承系統(tǒng)固有頻率的稱為硬支承平衡機(jī)，這種平衡機(jī)的支承剛度大，傳感器檢測出的信號與支承的振動力成正比。平衡機(jī)的主要性能用最小可達(dá)剩余不平衡量和不平衡量減少率兩項綜合指標(biāo)表示。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，它是衡量平衡效率的指標(biāo)，一般用百分?jǐn)?shù)表示。我廠TBD620V16柴油機(jī)曲軸采用的是YYW3000臥式硬支撐雙面動平衡機(jī)來進(jìn)行平衡去重的。

4 曲軸動平衡特點

TBD620V16柴油機(jī)曲軸最大回轉(zhuǎn)半徑（包括平衡塊）為200mm，總長2 260mm，最高工作轉(zhuǎn)速1 860r／min，由于曲軸是一種結(jié)構(gòu)特殊的剛性轉(zhuǎn)子，在工作時采用多點支撐，工作轉(zhuǎn)速遠(yuǎn)低于曲軸的臨界轉(zhuǎn)速。另外，曲軸平衡時轉(zhuǎn)速比較低，平衡時不會產(chǎn)生明顯影響曲軸不平衡狀態(tài)的彈性變形［2］。因此在原則上可以按照剛性轉(zhuǎn)子二面平衡原理進(jìn)行平衡校正。由于曲軸的結(jié)構(gòu)特點特殊性，沒有任意位置去重的校正面，平衡時去重只能在某些固定的位置如平衡塊上進(jìn)行。

曲軸通常選用銑削和鉆削兩種方法去重，TBD620V16柴油機(jī)曲軸是采用在平衡塊上鉆削去重方式進(jìn)行平衡的。去重選擇的是在兩端1、2和15、16曲臂上的4個平衡塊上（見圖3），采用二面平衡原理去重。

圖3 TBD620V16曲軸去重圖

5 剩余不平衡質(zhì)量計算

按照平衡等級標(biāo)準(zhǔn)以及對多種柴油機(jī)曲軸許用不平衡量的換算，得出曲軸平衡等級應(yīng)選用G1到G2.5級。以TBD620V16柴油機(jī)曲軸選取G2.5級為例。已知TBD620V16曲軸最大工作轉(zhuǎn)速為1 860r／min，去重旋轉(zhuǎn)半徑r為200mm，總重M為450kg。

所以曲軸剩余不平衡質(zhì)量m為28.9g。

曲軸在動平衡機(jī)YYW3000上進(jìn)行動平衡時，由于曲軸動平衡機(jī)是雙面校正平衡，故分配到每個面的允許不平衡量為14.45g，因此應(yīng)根據(jù)平衡機(jī)上顯示的不平衡方向和大小，在曲軸相應(yīng)方向的平衡塊上進(jìn)行鉆孔去重，去重后再進(jìn)行平衡直至曲軸的不平衡質(zhì)量顯示在14.45g以內(nèi)為止。

6 結(jié)束語

曲軸在動平衡機(jī)上平衡后，可以根據(jù)需要對曲軸平

曲軸許用不平衡量：

所以TBD620V16柴油機(jī)曲軸許用不平衡量為578 g·cm。

根據(jù)｜U｜＝m×r得：衡塊進(jìn)行去重加工，根據(jù)TBD620V16柴油機(jī)曲軸技術(shù)條件規(guī)定，可在平衡塊外圓上采用鉆孔的方式進(jìn)行去重，曲軸實際不平衡量應(yīng)小于曲軸要求的最小不平衡量。在對曲軸進(jìn)行去重加工后必須進(jìn)行再次平衡，以檢驗和記錄曲軸最終剩余不平衡質(zhì)量，當(dāng)實際剩余不平衡質(zhì)量小于產(chǎn)品圖紙所要求的剩余不平衡質(zhì)量時即為合格。

［1］郝桐生.理論力學(xué)［M］.北京：高等教育出版社，2002.

［2］王漢英，張再實，徐錫林.轉(zhuǎn)子平衡技術(shù)與平衡機(jī)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1988.

［3］王知行，劉廷榮.機(jī)械原理［M］.北京：高等教育出版社，2003.