螺旋輸送器動平衡精度影響因素分析及工藝優(yōu)化

蔣睿，趙志濤，朱迪斯，翁煒，徐軍軍，馮美貴*

（1.北京探礦工程研究所，北京 100083；2.中國地質(zhì)調(diào)查局油氣資源調(diào)查中心，北京100083）

0 引言

臥式螺旋離心機(jī)是一種臥式螺旋卸料、高效離心分離的設(shè)備，鉆探行業(yè)中常用于分離鉆井液中有害巖粉等固相，達(dá)到凈化鉆井液的目的。因其凈化效果良好、操作簡單且易于搬運等優(yōu)點，故在地球深部探測和淺層綠色勘查等重點鉆探領(lǐng)域上均將具有良好的應(yīng)用前景。

臥式螺旋離心機(jī)是一種典型的高速旋轉(zhuǎn)機(jī)械，螺旋輸送器作為不規(guī)則的回轉(zhuǎn)部件是其重要的轉(zhuǎn)動部件之一（如圖1所示）。臥式螺旋離心機(jī)通常在高負(fù)載條件下連續(xù)運轉(zhuǎn)，鉆井液中的固相顆粒會造成螺旋葉片嚴(yán)重磨損，液相則易導(dǎo)致葉片一定程度腐蝕，以上情況均會破壞螺旋輸送器的動平衡，造成設(shè)備輸渣能力下降、沉渣含濕量增大、離心機(jī)的緊固件松動或金屬材料疲勞損壞等問題，進(jìn)而引發(fā)臥式螺旋離心機(jī)整機(jī)振動或故障，降低設(shè)備使用壽命［1-2］。

圖1 臥式螺旋離心機(jī)結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Structure of the horizontal spiral centrifuge

因此，螺旋輸送器動平衡精度不僅對離心機(jī)的使用壽命有著至關(guān)重要的影響，也是離心機(jī)在制造、安裝調(diào)試或維修時不可缺少的設(shè)備質(zhì)量及可靠度的重要衡量指標(biāo)［3-8］。

1 動平衡精度理論分析

1.1 動平衡力學(xué)模型

在控制螺旋長徑比和試驗轉(zhuǎn)速不超過第一階臨界轉(zhuǎn)速情況下，可以把螺旋輸送器視為剛性轉(zhuǎn)子［9］，設(shè)其質(zhì)量為M，以角速度繞一固定轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，取轉(zhuǎn)軸上任一點o為原點，轉(zhuǎn)軸為z軸，并作出相應(yīng)的ox及oy軸，如圖2所示。

圖2 動平衡力學(xué)模型Fig.2 Dynamic balancing mechanics model

轉(zhuǎn)子質(zhì)心坐標(biāo)為C（xc，zc，yc），沿坐標(biāo)軸方向單位矢量為質(zhì)心C對z軸的矢徑為設(shè)轉(zhuǎn)子中任一質(zhì)點為mi(xi，yi，zi)，產(chǎn)生的離心力為：

其在坐標(biāo)軸上的投影為：

式中：i=1，2，……，n。

將這個慣性力系向坐標(biāo)原點o簡化可得一主力矢和主力偶：

式中：Jyz、Jzx——螺旋的轉(zhuǎn)動慣量。

通過理論分析發(fā)現(xiàn)，螺旋輸送器旋轉(zhuǎn)時，任一平面的主矢和主矩是引起徑向力不平衡從而誘發(fā)軸承振動的激振源，轉(zhuǎn)子所需平衡質(zhì)量大小與轉(zhuǎn)動半徑成反比。

1.2 動平衡雙面平衡力學(xué)原理

由理論力學(xué)可知，兩個平行力可以合成為一個與之平行的力（如圖3所示）。力可分解為作用于A、B兩點的同向平行力′和而且A、B兩質(zhì)點的位置是任意指定的，各力之間的關(guān)系如下：

圖3 力的合成與分解Fig.3 Synthesis and decomposition of forces

螺旋輸送器主軸M做勻速轉(zhuǎn)動時，可將其橫截面理解為由若干個連續(xù)偏心薄壁圓盤組成，各圓盤均產(chǎn)生一個慣性力，既組成一個空間慣性力系。將每個慣性力都分解為通過校正面的兩個平行力，根據(jù)式（4）可得：式中：l——主軸上左右兩個校正面的距離；li——第i個慣性力至左校正面的距離。

同理，把每個慣性力都如此分解，在左、右兩個校正面上各得到一個平面匯交力系，分別以左右校正面上A、B兩點為匯交點的合力，即：和該合力和主軸的所有慣性力是等效的。因此，如果在左、右兩個固定校正面上進(jìn)行校正，適當(dāng)?shù)募又鼗蛘呷ブ乇憧上ズ?，使轉(zhuǎn)子得到平衡，且轉(zhuǎn)子的平衡力與轉(zhuǎn)軸上的距離成反比關(guān)系，如圖4所示。

圖4 雙面動平衡模型Fig.4 Two-sided dynamic balance model

由此可見，不平衡的剛性轉(zhuǎn)子可以在兩個與旋轉(zhuǎn)軸垂直的平面上進(jìn)行校正而實現(xiàn)平衡，且轉(zhuǎn)子的平衡力與轉(zhuǎn)軸上的距離成反比關(guān)系。這為加重法動平衡工藝的改進(jìn)提供了理論支撐。

1.3 動平衡精度計算

式中：G——轉(zhuǎn)子的平衡精度等級，mm/s；mper——允許不平衡量；M——轉(zhuǎn)子的自重，kg；r——轉(zhuǎn)子的校正半徑，mm；n——轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，r/min。

通過式（6）可以發(fā)現(xiàn)，剩余不平衡量是影響動平衡精度的直接變量。因此，如何盡可能的減小剩余不平衡量是提高動平衡精度的關(guān)鍵。

通過以上理論分析過程及結(jié)論可知：

（1）動平衡精度與回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子的對稱性和規(guī)則性有密切的聯(lián)系。轉(zhuǎn)子對稱度越高，動平衡精度越高；反之則越低。而螺旋輸送器因其結(jié)構(gòu)形式的特殊性導(dǎo)致其規(guī)則性、對稱性差，從而出現(xiàn)初始不平衡量明顯偏大的問題，對動平衡工藝及精度提出較高要求。

（2）理論上動平衡試驗是可以完全消除轉(zhuǎn)子的不平衡量的。但實際動平衡試驗是存在無法消除的剩余不平衡量的，而且該剩余不平衡量遠(yuǎn)超過動平衡機(jī)允許的最小剩余不平衡量。因此，動平衡工藝有進(jìn)一步優(yōu)化的空間。

（3）影響動平衡精度的因素很多，例如：螺旋轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)設(shè)計、本體材料質(zhì)量缺陷、轉(zhuǎn)子加工工藝及精度、焊接工藝及形變等。而動平衡工藝作為螺旋輸送器工業(yè)加工的最后一道環(huán)節(jié)，對動平衡精度有著決定性作用。

所以，為了提高動平衡的精度，對剛性不規(guī)則轉(zhuǎn)子動平衡工藝優(yōu)化具有重要現(xiàn)實意義。

2 動平衡工藝優(yōu)化

螺旋輸送器一般由螺旋葉片、內(nèi)筒和進(jìn)料室構(gòu)成，如圖5所示。因其螺旋葉片的不均勻分布，加上使用過程中巖屑在葉片間的不均勻分布，都會造成螺旋輸送器各截面質(zhì)量單元分布不均進(jìn)而產(chǎn)生振動，影響離心機(jī)的使用壽命。因此螺旋輸送器作為不規(guī)則回轉(zhuǎn)件，進(jìn)行動平衡試驗是必不可少的重要環(huán)節(jié)之一。為提高動平衡精度，通過以上理論分析以及經(jīng)過大量動平衡試驗對比總結(jié)，以北京探礦工程研究所研發(fā)的螺旋輸送器為例，本文提出了一種優(yōu)化動平衡工藝，對提高動平衡精度有較為明顯的效果［10-16］。

圖5 螺旋輸送器結(jié)構(gòu)示意Fig.5 Structure of the spiral conveyor

2.1 動平衡模式選擇

動平衡模式的選擇主要考慮轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)設(shè)計及動平衡機(jī)的匹配性。一般來說，當(dāng)轉(zhuǎn)子的直徑比其長度大7～10倍時，選擇單面動平衡模式；反之將其作為雙面轉(zhuǎn)子處理。由于螺旋輸送器的剛度比轉(zhuǎn)軸大得多，所以可將螺旋輸送器視作剛性轉(zhuǎn)子。北京探礦工程研究所自行研制的螺旋輸送器其尺寸規(guī)格如下：螺旋身質(zhì)量約為55 kg，身長616 mm，最大直徑210 mm，最小直徑153 mm。螺旋最大工作轉(zhuǎn)速300 r/min，根據(jù)鄧克萊公式和矩陣迭代法計算的該螺旋輸送器一階臨近轉(zhuǎn)速均大于工作轉(zhuǎn)速，滿足剛性轉(zhuǎn)子硬支撐設(shè)定。在動平衡機(jī)動平衡模式選擇上，選擇雙面剛性轉(zhuǎn)子硬支撐模式，兼顧試驗可靠性及安全性，將試驗轉(zhuǎn)速設(shè)定為300 r/min，滿足實際使用轉(zhuǎn)速要求。為提高轉(zhuǎn)子與動平衡機(jī)的匹配度及精度的有效性，選用的動平衡機(jī)的技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 動平衡機(jī)技術(shù)參數(shù)Table 1 Technical parameters of the dynamic balancing machine

2.2 動平衡機(jī)精度檢定

在動平衡過程中，除平衡機(jī)測量誤差外，還存在因平衡校對的不確切（包括校對量的巨大改變和方位的改變）而發(fā)生的誤差，這類誤差稱為校對誤差。傳統(tǒng)動平衡工藝流程往往只對轉(zhuǎn)子進(jìn)行定標(biāo)校正而忽視對動平衡機(jī)的校正，并將動平衡機(jī)的校對誤差與轉(zhuǎn)子定標(biāo)誤差混淆，造成試驗結(jié)果的誤差積累，進(jìn)而導(dǎo)致剩余不平衡量的增大，從而影響轉(zhuǎn)子動平衡精度。

為保證動平衡結(jié)果的可靠性、減小動平衡機(jī)的校對誤差，在動平衡試驗前應(yīng)對所選動平衡機(jī)精度進(jìn)行檢定。本文通過大量實踐總結(jié)，對動平衡機(jī)的精度檢定采用系統(tǒng)自校加模擬工況條件下相對法聯(lián)合檢定。系統(tǒng)自?？赏ㄟ^動平衡機(jī)計算機(jī)軟件檢查判斷測量電路、傳輸器及計算機(jī)系統(tǒng)是否有隱形故障問題；相對法則可模擬實際工況，對動平衡機(jī)平衡架及旋轉(zhuǎn)主軸等轉(zhuǎn)動系統(tǒng)進(jìn)行綜合性檢定。兩種方法排查目標(biāo)不同，但聯(lián)合使用可相互彌補(bǔ)各自的局限性，達(dá)到對動平衡機(jī)精度進(jìn)行全面檢定及校準(zhǔn)，確保動平衡試驗精度。

2.3 動平衡機(jī)的校正

2.3.1 系統(tǒng)自校

通過計算機(jī)動平衡軟件進(jìn)入系統(tǒng)自校功能后，屏幕上顯示出系統(tǒng)測量電路的原理框圖（見圖6），其中的“信號源”為系統(tǒng)內(nèi)設(shè)的自檢信號源，①～⑧點為信號測試點，上下兩排8個窗口顯示相應(yīng)點的信號波形。

圖6 系統(tǒng)自檢界面Fig.6 System self-check interface

自檢可用來檢測振動傳感器的實際情況，啟動工件旋轉(zhuǎn)，①、⑤兩個窗口分別顯示左、右兩個傳感器的輸出信號，其波形一般為雜亂信號；②、⑥顯示為正弦信號，③、④、⑦、⑧為直流信號。若窗口顯示異常，則傳感器或傳感器線可能有問題，例如：①窗口顯示為直流信號，可斷定左路傳感器信號沒有輸入到本機(jī)中?？砂蜗卤緳C(jī)這一側(cè)的傳感器插頭，通過萬用表測量的電阻值讀數(shù)大小確定傳感器電路狀態(tài)為短路或斷路。

停止工件旋轉(zhuǎn)后，可通過系統(tǒng)內(nèi)部信號檢測，測量電路被通入一定頻率的方波信號，這時①、⑤兩個窗口分別顯示方波信號；②、⑥顯示為交流信號；③、④、⑦、⑧為直流信號。若各窗口顯示異常，或沒有方波、正弦波或③、④、⑦、⑧窗口側(cè)邊顯示的數(shù)值不穩(wěn)定，可判斷計算機(jī)系統(tǒng)自身有故障。

2.3.2 相對法校正

將設(shè)計并定制的測量軸與萬向軸緊固后進(jìn)行動平衡試驗（測量軸工裝尺寸為?150 mm×1500 mm，表面粗糙度Ra0.4 μm，端帶面2×8-M6-7H螺紋孔，表面鍍硬鉻0.12～0.14 mm）。按照轉(zhuǎn)速n=300 r/min進(jìn)行其動平衡測試3次，標(biāo)好測量軸不平衡位置并記錄不平衡量。

根據(jù)測量軸測試結(jié)果，在測量軸補(bǔ)平衡位置擰入核實重量的螺釘，（螺釘組需提前重量校正，且不少于16組）后在進(jìn)行3次動平衡測試并做好記錄。校正如下：

若先測量出測量軸初始不平衡量為10 g，則在其標(biāo)記位置處擰入10 g左右螺釘，如果顯示剩余不平衡量小于2 g（該值小于測量軸要求的精度5 g，既動平衡機(jī)檢測合格，可正常使用）。通過兩組數(shù)值對比，確定剩余不平衡量均小于5 g的話，證明動平衡機(jī)精度可靠，可正常使用。

2.4 轉(zhuǎn)子支撐位及動平衡面的確定

因螺旋兩端并沒有軸頸，且螺旋沿著軸線方向分布有螺旋葉片，不便于作為支撐位。在螺旋兩端定制工裝與動平衡機(jī)的萬向軸進(jìn)行固定連接。以工裝芯軸作為螺旋支撐位并測量兩支撐位處間距。

根據(jù)雙面平衡力學(xué)原理可知，轉(zhuǎn)子的平衡面可以自由選定，且平衡力與轉(zhuǎn)軸上的距離成反比關(guān)系。為了盡可能降低螺旋的初始不平衡量，減小配重質(zhì)量，并結(jié)合螺旋的結(jié)構(gòu)及焊接的可操作性，可將左右兩個平衡面選在沿著轉(zhuǎn)軸方向盡可能遠(yuǎn)的兩個位置，一般將校準(zhǔn)平衡片定在葉片的起頭和葉尾附近的表面平坦且便于焊接的葉片上，如圖7所示。

圖7 轉(zhuǎn)子支撐位及校正面受力示意Fig.7 Stress of the rotor support position and the calibration surface

校正面確定后將動平衡機(jī)的萬向軸刻度盤上轉(zhuǎn)至0°標(biāo)，在已確定的校正面上選擇以轉(zhuǎn)軸為圓心，測量兩個校正面的校正半徑、校正面的間距及校正面與鄰近支撐位的距離，按照校正面的半徑選擇合適的滾輪架，調(diào)整平衡架兩組滾輪的高度并固定，從而達(dá)到對轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動軸心進(jìn)行水平校準(zhǔn)。轉(zhuǎn)子安裝好后，對轉(zhuǎn)子軸徑、滾輪外徑進(jìn)行清潔工作，避免動平衡時因渣滓導(dǎo)致轉(zhuǎn)子跳動，并在軸徑和支承滾輪外徑表面上加少許清潔的20號機(jī)油（參見圖8）。

圖8 試驗平臺實物Fig.8 Test platform

2.5 動平衡定標(biāo)優(yōu)化

定標(biāo)就是把動平衡機(jī)測到的振動信號進(jìn)行量化，根據(jù)振動信號的強(qiáng)弱計算出測量工件的不平衡量值。定標(biāo)對于動平衡機(jī)而言非常重要。動平衡機(jī)及轉(zhuǎn)子在試驗前要定標(biāo)，這個能幫助機(jī)器準(zhǔn)確地校正動平衡的相位或者說是角度（指判定旋轉(zhuǎn)工件動平衡所在的位置）。如果定標(biāo)不正確，將會出現(xiàn)相位錯亂。加重法動平衡工藝的定標(biāo)通常采用試重法。在已確定的左右兩個校正面上做好試重位置標(biāo)記，選擇試重位置時盡可能使矯正半徑較大，以提高角度定位精度，減小試探質(zhì)量，如圖9所示，試塊位置一（圖9a）所示最優(yōu)。

圖9 定標(biāo)位置選擇Fig.9 Comparison of initial unbalance between two test methods

試探質(zhì)量用以暫時改變螺旋轉(zhuǎn)子的質(zhì)量分布，以便找出試探質(zhì)量與轉(zhuǎn)子振動之間的關(guān)系。試驗發(fā)現(xiàn)，試探質(zhì)量太大，動平衡機(jī)有可能達(dá)不到設(shè)定轉(zhuǎn)速或者導(dǎo)致不可校正量偏大；試探質(zhì)量太小，則振動變化不明顯，使測量結(jié)果不準(zhǔn)確，甚至出現(xiàn)相同轉(zhuǎn)子平行測試多組的動平衡數(shù)據(jù)變化差異較大且毫無規(guī)律性，直接導(dǎo)致動平衡結(jié)論不可靠。所以定標(biāo)時試探質(zhì)量對動平衡精度的影響很大，為了盡可能降低重復(fù)定標(biāo)造成的干擾、提高動平衡精度，本文通過大量試驗總結(jié)，對定標(biāo)工藝進(jìn)行優(yōu)化，在動平衡機(jī)上左右兩個校正面卡具上安裝測振儀，通過儀器測得的初始振幅數(shù)據(jù)以及對轉(zhuǎn)子參數(shù)的測量，總結(jié)出以下經(jīng)驗公式，可更準(zhǔn)確地確定試探質(zhì)量：

式中：Mt——試探質(zhì)量，kg；M——轉(zhuǎn)子質(zhì)量，kg；n——平衡轉(zhuǎn)速，r/min；D0——初始振幅，μm；r——轉(zhuǎn)子半徑，m。

試探質(zhì)量確定后，采用工業(yè)橡皮泥進(jìn)行稱重，按照定制的模具將稱重后的橡皮泥制成對稱的立方體試重塊，將該配重塊粘貼在左右校準(zhǔn)面上并進(jìn)行固定。對橡皮泥試重塊進(jìn)行模具定型是為了更好確定校正面內(nèi)試重塊的重心在沿著轉(zhuǎn)軸方向不會產(chǎn)生多余的轉(zhuǎn)動慣量，減小對動平衡定標(biāo)及試驗精度的干擾因素，提高試驗效率，減少誤差。配重塊添加方法如下：

轉(zhuǎn)子定標(biāo)后，啟動動平衡機(jī)，轉(zhuǎn)子進(jìn)入正式不平衡量分析階段。平衡過程中應(yīng)根據(jù)屏幕顯示的1、2校正面的不平衡量，在螺旋輸送器的相應(yīng)校正面上加近似不平衡量的配重平衡塊，此為常規(guī)加配重方法。本文列舉了常規(guī)加配重方法的數(shù)據(jù)，并根據(jù)兩個平衡面上不平衡量的位置及焊接平衡塊后剩余不平衡量的變化的影響，綜合考慮適當(dāng)加減平衡塊：根據(jù)不平衡量的0.5倍進(jìn)行配重的比例加重法，兩種方法的初始不平衡量如圖10所示，試驗數(shù)據(jù)曲線如圖11所示。

圖10 兩種試驗方法的初始不平衡量對比Fig.10 Comparison of initial unbalance between two test methods

從以上試驗記錄曲線分析，比例法的初始不平衡量變化較平緩（先慢后快），但最終剩余不平衡量在兩個校準(zhǔn)面上可以減小至3 g以內(nèi)，動平衡精度較高，且試驗過程中相位角變化較小，符合實際情況。普通加重法初始動平衡量變化較快，但最終剩余不平衡量在10 g以內(nèi)時不容易降低（先快后慢）且剩余不平衡量較大，需要反復(fù)試驗，從圖11（d）中可看出相位角出現(xiàn)180°變化，說明動不平衡量容易配多導(dǎo)致相位角反轉(zhuǎn)，增加試驗重復(fù)工作量。本文通過大量試驗，總結(jié)的比例法配重對螺旋輸送器的動平衡工藝在試驗流程上縮減了繁瑣的重復(fù)步驟，試驗數(shù)據(jù)更符合實際工況，且能保證更好的動平衡精度。根據(jù)最終剩余不平衡量，采用比例加重法可保證動平衡品質(zhì)等級達(dá)到G2.5，高于離心機(jī)螺旋輸送器G6.3的國家標(biāo)準(zhǔn)。

圖11 試驗過程中的剩余不平衡量、相位角變化曲線Fig.11 Curves of residual unbalance and phase angle change in the test process

3 動平衡工藝優(yōu)化應(yīng)用效果

本文分別將動平衡工藝優(yōu)化前、優(yōu)化后的螺旋輸送器安裝在同一臥式螺旋離心機(jī)的轉(zhuǎn)動系統(tǒng)內(nèi)，利用測振儀和測溫儀監(jiān)測離心機(jī)軸承座溫度變化及螺旋推進(jìn)器的振動情況，對比如圖12所示。

圖12 優(yōu)化工藝對軸承座溫度和螺旋推進(jìn)器振動的影響曲線Fig.12 Influence curve of the optimized process on bearing seat temperature and propeller vibration

通過圖12可以看出優(yōu)化的動平衡工藝對螺旋推進(jìn)器的振動有了明顯地降低，同時對軸承座的溫度也有一定程度地削減。綜上，優(yōu)化后的動平衡工藝會對整機(jī)性能帶來提高。

4 結(jié)論

本文進(jìn)行了螺旋輸送器動平衡精度問題的理論分析，在此基礎(chǔ)上提出了一種螺旋輸送器全流程優(yōu)化的動平衡工藝，并采取必要的措施實現(xiàn)了工藝流程。實踐證明，該優(yōu)化的動平衡工藝作為螺旋輸送器制造的最后一道工序，可明顯降低螺旋推進(jìn)器的剩余不平衡量，有效提高螺旋輸送器的動平衡精度等級，緩解了離心機(jī)整機(jī)振動問題并有效延長了離心機(jī)軸承使用壽命。