柴油发电机曲轴动平衡的定义、机理和手段

摘要：在柴油发电机的结构部件中，曲轴是较重要的核心零配件之一。准确合理的安排主轴加工工艺对柴油发电机运转性能有着重要的意义。本课题关于主轴加工的工艺特点、控制曲轴两端面钻中心孔工序，最后再对主轴进行了一系列的机械加工及去重动平衡加工。其中曲轴中心孔对主轴初始不平衡量分布有显着的影响，且曲轴初始不平衡量的大小和方向对曲轴较终动平衡工序也有着显着的影响，从而直接危害主轴不平衡量的控制。在此基本上探求探讨工艺布置、加工工序安排、工序间去除量等要素对动平衡的危害，解决主轴动平衡保证装备开动率和节拍等实际问题。

      随着柴油发电机功率的增强和应用发展，但由于大功率柴油发电机的主轴详细是采用锻件毛坯，因此毛坯余量不均匀。在机械加工过程中也不可预防会因毛坯材质不均匀、形状不对称、加工误差引起重心偏离旋转中心，使柴油发电机作业时产生振动和振动力，导致柴油发电机噪音大、轴承过热、整车振动大等。随着转速升高，不平衡致使的震动越加激烈。FkA

      由于曲轴转动时产生的变形很小，为了简化计算，故视其作为刚性转子的平衡手段来解决，将曲轴看作成绝对刚体，且假定工作时不平衡离心力作用下的转轴不会发生显着变形。为此，在这些条件下，刚性转子的许多复杂不平衡状态可简化为静力系不平衡来排除，即可在任意选购的两个平面上增加或减去两个等效的动不平衡力使其平衡。FkA

      主轴等刚性转子动平衡，平衡精度一般为低速动平衡，通常购买第一临界速度的1/3以下。FkA

（1）动不平衡：若转子的中心主惯性轴线相对旋转轴线不重合，而且既不平行也不相交，因此不平衡将发生在两个平面上，这种不平衡状态就是动不平衡。FkA

（2）剩余不平衡量u：平衡后仍遗留下来的任何种不平衡量，u=mr。FkA

（3）比不平衡量e：转子的单位毛重的不平衡量等于转子的偏心距，e=u/M。FkA

（4）平衡程度G（重心的线速度）：比不平衡量e和*角速度w的乘积，G=ew。FkA

（5）调校：把不平衡或不平衡引起的振动降低到许用值的流程。FkA

（6）满键：是对具有键槽的旋转轴和配合部件进行较终装配时用的键或者等同的键。FkA

（7）半键：是对具有键槽的旋转轴或者配合零件各自单独进行动平衡排除时操作的键。这种不平衡与较终组装时用的键相当。FkA

      曲轴作为柴油发电机内的核心旋转机件，与连杆连接后，活塞推动连杆上下往复运动转换成周而复始圆周运动康明斯低噪音柴油发电机组。曲轴旋转流程中不断承受连杆周期性上下往复运动冲击力和圆周转动扭力，在这种环境下曲轴既受到周向扭转力又受到径向冲击力，此时容易发生应力疲劳。主轴转动时在扭转刚度、强度不足情况下可能发生强烈的扭转振动，轻则引起震动、噪音，加载曲轴上飞轮、轴瓦传动件的损伤；重则机体震裂、曲轴断裂，造成柴油发电机报废。FkA

      动平衡是指旋转体旋转时围绕轴心线的以外的由各偏心质点组成的旋转质量系统发生的旋转惯性力合力及合力矩均等于零。因为内燃机是一个整体机构，在考虑其平衡性时，从曲柄连杆装置的角度和主轴的角度考虑其平衡性。康明斯内燃机启动时转速一般都不低于500转每分钟，所以对旋转平稳性有一定要求康明斯柴油发电机组各型号，特别是高速内燃机，速度高离心力大可能导致较大振动，使轴承和支撑轴瓦过载故障。FkA

      直列四冲程柴油发电机曲轴通常采用一四连杆与二三连杆呈现180度夹角的四拐五主轴颈布置，从理论规划是动平衡的，但因为材料密度，铸造（锻造）时存在尺寸差异，在实际操作中存在着一定量的不平衡量，为了改良曲轴本身不平衡，减少曲轴承载荷，曲拐连接部位的功率力，需合理分布平衡块，也称配动块。主轴平衡配动块详细作用是用来调节控制主轴以轴心线为中心旋转平稳性。FkA

      有些刚性转子由于构造的限制或平衡工艺的特殊要求，有时需要进行多面平衡斯坦福发电机官网。对于普通刚性转子较主用的三面平衡法，即把转子的任意不平衡分解为静不平衡UC和偶不平衡Ut。在转子的重心平面内调校转子的静不平衡，而在另两个任选的校正平面上调校转子的偶不平衡，见图1。FkA

      由于曲轴也属于轴类零件，一般轴类加工采用  “两顶一夹”方式加工零件同轴度较好，故在粗加工曲轴颈、连杆颈前，需要先加工中曲轴两端中心孔，同时这两中心是也是后工序的定位夹紧工艺基准，因此它的同轴度、对称度对后续工序尤其是对较终动平衡工序影响较大。FkA

      旋转轴类零件有几何轴心线和品质中心线之分。几何中心线是以物体夹紧位置外圆做参照，取轴两端的外圆中心点加工出中心孔，两中心点连线即是几何中心线。质量中心线是以零件在转动时，能使旋转轴零件达到平稳转动的质量中心连线。当一个轴类零件分布比较均匀对称，从理论上它是平衡的，这时他的几个中心线和品质中心线所示。FkA

图2  柴油发电机曲轴中心线示意图FkA

      物体规划出来后在实际加工程序中因为材料密度、加工铸造误差等要素使得物体无法达到理想对称状态：FkA

（1）若其中一种毛重刚好附加在轴类物体的中心部位重物质量为W，此时该物体质心将产生改变，品质中心轴线将与几何中轴线平行，但径向偏移一个距离，此时物体处于平衡状态下转动它是围绕质量轴线所示。FkA

图3  柴油发电机曲轴中中心线平行示意图FkA

（2）当其中一种毛重刚好附加在轴类物体的一端部重物质量为W。这时零件的质量中心线与几何中心线形成一定角度，此时物体处于平衡状态下转动它是围绕品质轴线所示。FkA

图4  柴油发电机曲轴中心线角度示意图FkA

      主轴安装在柴油发电机内属于转动部件，对其平稳性要求过高，不仅要求其静平衡，更重要的是要求其动平衡。静平衡就是在不考虑重力和摩擦力的情形下当物体旋转时以轴心线以外各质点的离心力合力等于零，即系统的质心（重心）位于旋转轴线上。但当旋转质点重心不在同一截面时，静平衡不足以保证运行平稳。只有当装置旋转时的旋转离心力合力及合力矩均为零时才完全平衡，这样的平衡叫动平衡。柴油发电机旋转质量装置必须保证动平衡，否则将致使很大震动，并使轴承和支承过载，易引起损坏。FkA

      当曲轴处于不平衡状态时，其质心轴线与旋转轴线不重合，而较终动平衡修正工位就是在不平衡的曲轴上通过修正配动块去除材料使其质心产生改变（质心轴线与几个中心线重合）使其达到平衡状态。FkA

      主轴加工线台，详细构造有加工中心、沟槽滚压机、磨床、动平衡机、抛光机、终检机等。动平衡机是一台离心式平衡机，当主轴在装置上旋转测量时如果主轴存在不平衡量大于工艺要求，零件会因存在偏心力矩作用使检测台发生振动，震动通过支撑检测平台的四根支撑杆传递到接收感应器，这时安装在设备上的CBI平衡系统根据传感传来信号计算出不平衡量大小和偏离的角度位置，再把数据传送给加工站，加工站根据系统给出的角度和位置进行打孔去除余量达到平衡效果。整线采用全自动上下料形式，整线所示，满足多种产品共线柔性生产。FkA

      目前许多柴油发电机厂家主轴生产线第一道加工工序都是以两端主轴颈外圆定位钻出两端中心孔，形成后工序的定位基准，同时也以这两孔连线形成轴中心线，叫几何中心线。如果在钻中心孔前先找到曲轴的质心轴线，再钻出质心线两端中心孔这两孔连线形成品质中心线，叫质心轴线。因此曲轴加工中心孔可以按几何中心孔和质量中心孔来定心加工。采用几何定心法是以轴径一和轴径五毛坯面外圆做参照找出圆心打孔，因此毛坯的Al/A5外圆差异无法太大，此时按照毛坯面外圆做参照找出圆心打孔，中心孔位置度会在设定公差内波动。几何定心特点：可适应多品种生产且机床利用率高、经济性好。FkA

      品质定心是在加工中心孔前先测定出零件当前平衡量找出质心点再按照质心点打中心孔，质量定心有一个要求：就是毛坯较初动平衡量无法太大，否则加工出来的质心轴线和几何中心线差别较大，较终加工出来零件成品跳动不合格。品质定心加工中心孔优势是：当毛坯来料时平衡量不是很大，角度不稳定时，可减轻后工序曲轴动平衡时的去重量，提高动平衡的合格率。质量定心加工需要多增加一道初平衡量检测，比钻几何中心孔机床的成本要高很多。采用哪种定心举措加工更合理，根据服务站的经济能力而定。FkA

      目前控制主轴动平衡前的初始不平衡量策略有具体采取3种步骤：FkA

（1）采用在线质量定心机，实时采集、统计数据，自动补偿中心孔位置；优势：品质稳定，动平衡合格率高。缺点：成本高。FkA

（2）采用离线平衡检测机，先采集、统计数据一批零件平衡量，找出偏移位置，再通过手动调节中心孔位置，再进行批量生产加工。特点：成本低。弊端：对毛坯稳定性要求高，每次毛坯批次更替时需要做一次采集测定调节。FkA

（3）根据较终的动平衡机采集参数，调整前工序的中心孔位置度。优点：成本低，工作量少。短处：需要不定期严查较终动平衡机较终平衡量变化进行调节，不及时关注容易造成批量零件返工。FkA

      通过本课题研究发现，经过优化中心孔位置度后的主轴，其初始不平衡量比优化前的曲轴的初始不平衡量要小；其次，初始不平衡量分布比优化前的主轴分布更集中，而且在一定的角度范围内。根据上述得出曲轴中心孔加工与动平衡联机优化能更好控制主轴的初始不平衡量，能够满足生产的实际需求。FkA