动平衡机平衡摆动部件分析与优化*

路 平，谢志坤，史科科，刘伯聪

(沈阳机床(集团)设计研究院有限公司，沈阳110142)

0 引言

通常，曲轴在加工前与加工后都要进行动不平衡量的检测，动平衡机是一套可以检测曲轴动不平衡量的一种机床，在检测的同时可以对曲轴进行加工，使曲轴达到动平衡，通过对动平衡机平衡摆动部件进行有限元分析，分析其动态特性，对不符合要求的固有频率振型通过优化改进，以提升动平衡机的检测精度。曲轴是发动机中的重要零件，必须进行动平衡测试，曲轴动平衡能否达到规定的要求，将直接影响曲轴的使用寿命，也对发动机的性能产生重要的影响。曲轴不平衡会使发动机工作时产生周期性的振动，这种振动会使发动机的工作精度和可靠性降低甚至造成事故，或使零件疲劳损坏而产生噪声。根据动平衡原理，轴向尺寸较大的回转件，必须分别在任意两个回转平面内各加或减一个适当的质量，才能使回转件达到平衡，因此，先令曲轴在动平衡机上运转，然后在两个选定的平面内找出所需平衡的质量大小和相位，进行加重或去重，从而使曲轴达到动平衡［1－4］。

1 动平衡机平衡摆动部件

动平衡机是一套专门检测曲轴动不平衡量并进行加工的机床，本厂针对不同尺寸的曲轴，有不同型号的动平衡机，如动平衡机—500、动平衡机—800，以及动平衡机—1000等，分别对相应尺寸曲轴进行动平衡检测与去重。

图1所示为动平衡机—500平衡摆动部件。在主电机驱动下，平衡主轴部件带动曲轴运转(曲轴由四组支撑轴瓦进行支撑)，当电机转速接近平衡摆动部件某一阶固有频率时，平衡摆动部件振动急剧增大，从而测出不平衡量的大小和相位。因此调节动平衡机平衡摆动部件的固有频率及振型尤为关键。

图1 动平衡去重机—500平衡摆动部件三维模型

2 模态分析基本理论

模态分析是计算系统固有频率和振型的一种数值方法，对自由模态，运动方程如下所示：

式中M和K分别为系统质量矩阵和刚度矩阵，{}和{x}分别为系统的加速度向量和位移向量。当系统做简谐振动，则有以下公式：

求解方程(3)即可得到结构各阶固有频率及振型。

3 模态分析

采用ANSYS11.0软件，对动平衡机—500平衡摆动部件进行模态分析，模态分析是研究结构动态特性一种近代方法，它为结构系统的振动特性分析、振动故障诊断和预报以及结构动力特性的优化设计提供依据。首先对模型进行简化，去掉螺纹孔及一些小特征，保留影响模态及其振型的零件。由于动平衡机工作频率大约在5Hz左右，低阶模态对振动系统的动态特性影响较大，本文仅计算前三阶模态，给出了平衡摆动部件的前3阶固频和相应振型。如图2所示为平衡摆动部件经过简化的三维模型。图3、图4、图5为第1阶、第2阶、第3阶模态。由分析结果可以看出，第1阶振型前后振动不一致，尾端红色部分振动幅度大，前端绿色部分振动幅度小，不满足要求，需要进行改进。

图2 平衡摆动部件三维模型图

图3 f1=2.45Hz整体沿轴线垂直方向扭动

图4 f2=2.54Hz整体沿轴线方向摆动

图5 f3=3.28Hz整体沿中心线扭动

4 结构改进

通过针对平衡摆动部件进行有限元模态分析，分析其前3阶固有频率，以及振型情况，发现其第1阶固有频率振型有问题。第1阶固有频率振型，床头与床尾振动时不能达到一致性，尾部振动幅值明显大于头部，不满足要求，因此需要针对第1阶固有频率进行改进。

采用三种方案进行改进，通过有限元模态分析，进行结构优化与对比，使第1阶固有频率振型达到理想情况。

4.1 方案1

通过改变支杆的支撑位置，采用如图6、图7所示支撑方式，图6结构中平衡部件总重量基本由头部两根支杆承担，尾部两根支杆基本不承担重量，受力方式不合理，图8结构明显处于不稳定状态，受力方式也不合理，此种方案不可行。

图6 优化支杆支撑方式1

图7 优化支杆支撑方式2

4.2 方案2

通过添加支杆方式，对平衡摆动部件采用六根支杆进行支撑(图8)，并且改变支撑位置，共3种方式，进行模态分析。计算前3阶固有频率及振型，第1阶分析结果如图9、图10、图11所示，其中图11的中间两根杆相对图9向后移动了一点，经分析六根支杆进行支撑第1阶模态振型也不能达到前后振动的一致性，结果此方案不能满足要求。

4.3 方案3

继续采用四杆支撑方式，通过添加辅助质量块，改变其动态特性，调整振动方向。模型如图12所示，在平衡摆动部件四根支杆后面加5kg、10kg、15kg质量块，通过模态分析，计算出当添加10kg质量块时，满足要求，受力也合理。前3阶模态分析结果如图13、图14、图15所示，可以看到，第1阶模态振型振动方向为整体垂直于曲轴轴线方向振动，前后振动幅值相同，第2阶模态振型图为整体平行于曲轴轴线方向振动，第3阶为沿中心线摆动。从分析结果可以看出，振型满足要求，达到了预期的振动效果。

图9 方式1第一阶模态振型

图10 方式2第一阶模态振型

图11 方式3第一阶模态振型

图12 添加质量块去重机三维模型

4.4 小结

通过对动平衡机平衡摆动部件的有限元计算模型进行模态分析，得出了前3阶固有频率和响应振型。从平衡摆动部件的模态云图中，可以直观的分析动态性能，为平衡摆动部件的优化设计提供了依据。通过改变4根支杆的支持方式以及6根支杆的支持方式，计算平衡摆动部件的第1阶固有频率及振型，效果都不理想，最后当采用4根支杆时，通过在动平衡机的尾端加载10kg的质量块，可以看到动平衡试验机平衡摆动部件达到了理想的振动情况。取得了优化设计的预期效果。

图13 f1=2.51Hz整体沿径向方向振动

图14 f2=2.52Hz整体沿轴线方向振动

图15 f3=3.40Hz整体沿中心扭动

5 结束语

在动平衡机进行设计的时候，为了保证其振动情况达到理想的要求，有必要对其进行动态特性分析，检测其振动情况，如果振动情况不理想，就有必要对其进行结构优化。本文针对曲轴动平衡机—500平衡摆动部件进行有限元分析，分析其前3阶固有频率，以及振型情况，发现平衡摆动部件第1阶固有频率振型不满足要求，需要进行结构优化与对比。讨论了四杆支撑与六杆支撑等多种支撑方式，最后得出采用四杆支撑及在尾端施加10kg配重时，方案最优，实践证明，曲轴动平衡机去重效果明显改善，可为同类型动平衡机平衡摆动部件结构设计提供借鉴。

［1］刘健，肖文生.多工位全自动动平衡机开发［J］.制造技术与机床，2012(3)：63－66.

［2］刘佳，蔡萍，赵鼎鼎.两工位自动钻削动平衡机及其去重策略［J］.组合机床与自动化加工技术，2009(5)：29－32.

［3］周传运，李汉廷，孟凡文.基于单片机的家用制氧机电控系统优化设计［J］.机电工程，2013，30(8)：974 －977.

［4］张丕.U型无铁芯永磁直线电机样机设计与有限元分析［J］.机电工程，，2013，30(8)：978 －980，1009.