廉良沖,蔣瑞斌*,謝子明,陳鐵鋼,高岳民
(1.湖南生物機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院,湖南 長沙 410126;2.湖南聯(lián)紳機(jī)電科技有限公司,湖南 長沙 410000;3.湖南都市職業(yè)學(xué)院,湖南 長沙 410100)
電機(jī)是很多設(shè)備的動力源,一些高端設(shè)備也往往使用電機(jī)驅(qū)動。在諸多領(lǐng)域,特別是機(jī)械制造領(lǐng)域,對高速電機(jī)的精度要求越來越高,對電機(jī)的需求數(shù)量也在快速增長,如:在生物工程中應(yīng)用的高速離心分離機(jī),在醫(yī)療器械中應(yīng)用的高速電動牙鉆,在機(jī)床工業(yè)中應(yīng)用的主軸電機(jī)、高速鉆床,在航空、航天工業(yè)中應(yīng)用的高速離心泵、高速攝像槍、高速紅外掃描儀,“飛輪電池”及激光技術(shù)中應(yīng)用的高速電動機(jī)等[1]。轉(zhuǎn)速超過10 000 r/min的電機(jī)才可以稱之為高速電機(jī)。高速電機(jī)的制造精度要求非常高。由于制造工藝存在誤差及材料組織不均勻,因此高速電機(jī)特別是高速電機(jī)的轉(zhuǎn)子很難達(dá)到動平衡要求。如果動平衡不達(dá)標(biāo),那么電機(jī)轉(zhuǎn)子的使用壽命會急劇縮短,還會引起電機(jī)抖動、噪聲甚至燒壞軸承,因此高速電機(jī)轉(zhuǎn)子制造完成后,必須進(jìn)行動平衡檢測及配平處理。
目前,高速轉(zhuǎn)子動平衡配平方法一般有兩種,即傳統(tǒng)的鉗工配平和動平衡機(jī)配平[2]。鉗工配平通常應(yīng)用于低速配平領(lǐng)域。采用低速配平的方法來對高速電機(jī)轉(zhuǎn)子進(jìn)行配平,一般為階段性的配平,其檢測操作過程從低速往高速逐段進(jìn)行。采用該方法檢測及配平耗時較長且缺點(diǎn)明顯,配平需要的時間從十幾天甚至到幾個月不等,且配平精度不高。采用該方法完成檢測及配平后,往往還需要再裝機(jī)反復(fù)測試效果。此外,采用階段性的檢測與配平,往往會在配平的過程中產(chǎn)生噪音,只有在某個或某幾個特定的轉(zhuǎn)速下才能平穩(wěn)下來,達(dá)到動平衡要求。配平后仍然存在不平衡因素,導(dǎo)致高速電機(jī)的使用壽命大大縮短。
動平衡機(jī)配平也是傳統(tǒng)的配平方式之一。動平衡機(jī)種類很多,必須使用對應(yīng)的平衡機(jī)來檢測及配平相應(yīng)的產(chǎn)品[3]。在動平衡要求精度很高的條件下,動平衡機(jī)系統(tǒng)部件的制造精度及誤差會影響檢測及配平的結(jié)果。對不規(guī)則形狀或特殊功能要求的轉(zhuǎn)子,采用動平衡機(jī)配平在縮短檢測及配平時間、提高精度方面的效果也不理想。該配平方式更加依賴于過往經(jīng)驗(yàn),在縮短平衡時間和擴(kuò)大平衡轉(zhuǎn)速范圍方面均受到制約,無法從根本上滿足客戶的需求。
設(shè)計(jì)的動平衡檢測系統(tǒng)主要由下列部件構(gòu)成:主動軸、主軸變頻驅(qū)動電機(jī)、彈性軸變頻驅(qū)動電機(jī)、彈性軸、中心緊固爪、隨動檢測桶、質(zhì)量配平盤、柱形高速軸承、基座檢測桶、環(huán)形傳輸電容極板、待配平電機(jī)轉(zhuǎn)子、辨向電容極板、彈性軸隨動伺服電機(jī)、同心頂錐、主軸隨動伺服電機(jī)。結(jié)構(gòu)如圖1所示[1]。
圖1 智能型高速轉(zhuǎn)子動平衡檢測裝置結(jié)構(gòu)示意圖
動平衡檢測系統(tǒng)電路主要由單片微型計(jì)算機(jī)、數(shù)模轉(zhuǎn)換、程序放大器、基礎(chǔ)電容、環(huán)形電容、辨向電容、辨向信息采集、定位指示、電源輸入端模塊組成[4],如圖2所示。
圖2 智能型動平衡檢測電路示意圖
將配平盤的軸鉛垂置于工作臺,配平盤外圓周與絕緣板內(nèi)圓為小間隙套裝。絕緣板內(nèi)緣分布了貼片式電機(jī),與配平盤外圓構(gòu)成多方向檢測電容,連接半導(dǎo)體發(fā)光元件并接通交流電。用可變速方式驅(qū)動配平盤轉(zhuǎn)動,不平衡時離心力會克服軸向彈力,使配平盤向某側(cè)發(fā)生微量偏移。間隙的微量變化可導(dǎo)致檢測電容發(fā)生極大的變化,檢測電容發(fā)生變化可改變此方向上發(fā)光元件的亮度。通過單片微型計(jì)算機(jī)控制,可根據(jù)檢測信號在對應(yīng)方向上向配平盤徑向外側(cè)的預(yù)置槽溝內(nèi)以高壓脈沖方式噴入一定質(zhì)量的糊狀錫漿,錫漿在離心力作用下只會沿徑向緊貼在溝槽壁上而不會沿周向移動。錫漿的噴射加載量按動平衡計(jì)算量由大到小不斷變化,轉(zhuǎn)速則由小到大變化,直到目標(biāo)轉(zhuǎn)速達(dá)到動平衡所要求的轉(zhuǎn)速后,高溫固化錫漿完成動平衡配平。在此過程中,辨向信息采集后,徑向位移信息被電路放大到伏特級并進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換;單片微型計(jì)算機(jī)接受到數(shù)據(jù)后,對各個方向數(shù)據(jù)進(jìn)行分析[5],確定實(shí)際方向和位移量,為高壓配平噴槍的質(zhì)量配平提供數(shù)據(jù)。
為驗(yàn)證該動平衡檢測系統(tǒng)的檢測精度與配平所需時間,選取高精度高速電機(jī)轉(zhuǎn)子為實(shí)驗(yàn)對象。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為100 000r/min時,在標(biāo)準(zhǔn)電機(jī)轉(zhuǎn)子兩端加上標(biāo)準(zhǔn)試重[6],模擬不平衡質(zhì)量進(jìn)行檢測并配平。試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。
表1 動平衡檢測試驗(yàn)數(shù)據(jù)
由表1可知,該動平衡檢測系統(tǒng)的檢測精度較高且配平時間較短。將誤差值換算成精度值后,檢測精度達(dá)到97.4%以上,符合現(xiàn)場動平衡儀標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的精度(95%);配平時間未超過3h,最長時間為172 min,平均時間為165.3 min。
綜合應(yīng)用微型計(jì)算機(jī)、傳感器、電力電子、高壓脈沖噴涂等現(xiàn)代技術(shù),改進(jìn)傳統(tǒng)的配平工藝,開發(fā)了一套配平過程自動化、周期短、高效高精度的智能型高速轉(zhuǎn)子動態(tài)連續(xù)配平控制系統(tǒng)。配平盤與高速轉(zhuǎn)子剛性聯(lián)接;通過配平盤徑向外置了分布式電容并以此作為檢測手段;分布式電容在機(jī)架結(jié)構(gòu)上,與配平盤之間無機(jī)械力作用。
試驗(yàn)表明,該配平控制系統(tǒng)的檢測精度達(dá)到97.4%以上,轉(zhuǎn)子的平衡等級可達(dá)G0.4以上,平衡周期在3 h以內(nèi)。使用該配平控制系統(tǒng),能夠精確檢測高速轉(zhuǎn)子不平衡問題并進(jìn)行快速配平,高效處理實(shí)際生產(chǎn)中的問題,同時也為解決高速轉(zhuǎn)子不平衡問題的后續(xù)研究提供了技術(shù)參考。