CN102313626B - 液体式高速转子在线动平衡头 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种液体式高速转子在线动平衡头，包括平衡头本体(2)、密封圈(4)、微型蠕动泵(5)、软管、螺钉、电机(18)、前端盖(22)、后端盖(12)、抽气接头(23)、电池组(19)、检测和控制系统。平衡头本体(2)与转子轴(1)通过第三螺钉(16)紧固，其端面有四个或多个中心对称布置、大小一致的储液室(3)。储液室(3)内等量充入体积约为其容积一半的水或其它液体。相对的两个储液室(3)由一个可无泄漏双向工作的微型蠕动泵(5)通过软管连通。密封圈(4)位于储液室(3)外围的第五凹槽(25)内。本发明利用微型蠕动泵(5)精确调控平衡平面内质量的分布，实现在线动平衡，具有结构简单、响应快、精度高等特点，应用前景广阔。

Description

液体式高速转子在线动平衡头

技术领域

本发明涉及一种转子在线动平衡头，尤其是一种液体式高速转子在线动平衡头。

背景技术

高速转子是高速旋转机械，尤其是高速加工机床中最为关键的部件之一。其旋转精度对整台机床的加工性能、可靠性等都有至关重要的影响。高速转子在制造和装配过程中，不可避免地会因材质不均、加工和装配误差等导致其质心与旋转中心不一致。如此，转子高速旋转时就会产生动不平衡现象。转子旋转的动不平衡是机床振动、噪声、轴承发热等现象产生的主要原因之一。转子转速越高，不平衡引起的不利影响就越大。为实时消除转子旋转过程中的不平衡，必须采用在线动平衡技术。

过去几十年中，有多种转子在线平衡技术和方法被提出。从原理上讲主要有加重或去重法、平衡头法两种。加重或去重法是根据测得的转子不平衡量的大小和相位，直接在转子上进行加重或去重，以改变转子平衡平面内的质量分布，达到在线动平衡的目的。比较典型的有激光去重法和高速热喷射加重法。激光去重法是利用激光在转子上质量较多的地方去除材料，以实现转子在线动平衡。其缺陷是影响转子的表面质量并降低其疲劳极限，缩短转子系统的寿命，还会形成飞溅的金属微粒和蒸汽，造成环境污染和危害操作人员身体健康。另一方面，激光束每次只能气化微量的金属，因此平衡能力有限，一般只适用于牙钻、陀螺仪等小型机构的平衡。高速热喷射加重法是利用热喷射原理将一种粘性物质喷射到转子上质量较少的部位，以实现转子在线动平衡。其缺陷是喷射产生的较大冲击会产生新的不平衡量，喷射物质粘附在转子上严重影响转子的表面质量；此外，由于喷射速度的限制，也仅适用于低转速转子，且其工艺复杂，费用高，难以普遍推广应用。平衡头法是在转子上附加一个或多个平衡头，在对转子的动不平衡进行精密检测的基础上，通过实时改变平衡头内质量的分布，从而实现转子在线动平衡。目前，得到深入研究和应用的平衡头主要有液体平衡头、气体平衡头、电机驱动平衡头、电磁驱动平衡头和纯机械式平衡头等。

最先见于美国专利US3950897的液体平衡头采用喷枪将微量液体从外部喷入平衡头内的容腔内，实现平衡平面内质量分布状态的改变。其结构简单，成本低廉，主要应用于砂轮的在线动平衡。其缺点是液体会散落在平衡头之外，环境影响大；容腔中的液体挥发限制了其实现平衡的效率和效果；且如果有一个容腔充满液体，在线平衡就被迫中止；另一方面，停机后，液体会从开口的容腔中流出，平衡精度丧失。

气体动平衡头由四个扇形密封容腔组成，相对容腔两两相通，容腔中有加热棒和Ha1on1202介质。Halon介质受热后由液态变为气态，经管道进入另一个容腔，遇冷后又还原为液态，由此实现平衡平面内质心位置的调整。该平衡头的响应慢，且平衡能力有限，只适应于低速的小型机构的平衡，且技术要求和成本较高，推广应用较困难。此外，Halon还会破坏臭氧层。

电机驱动平衡头由加拿大多伦多大学的Vande Vegte于1964年首次提出，其采用电机作为动力源，利用齿轮、螺杆或蜗轮蜗杆等传动机构实现平衡平面内质量的实时迁移。国内发明专利公开号为CN101266182A的机械式转子自动平衡头也属于电机驱动平衡头。该类平衡头结构较复杂，需外部能源供给，寿命较短，实用性较差。

电磁驱动平衡头则通过电磁力驱动实现平衡平面内质量的迁移，主要由固定线圈和转动部分组成。固定线圈通电时产生的旋转电磁力驱动与转动部分固联的校正质量块位置的改变，实现整个旋转系统的在线动平衡。

纯机械式动平衡头由浙江大学的张加庆等人于2006年研制成功，由与转子固联的转动部件、固定在基座上静止不动的静止部件及自动喂料装置构成。其以小钢球作为校正质量。当转子产生不平衡时，自动喂料装置向静止部件上方某一对应的钢球入口投放一颗钢珠。钢球通过静止部件内部特定的通道滚到转动部件上对应的容腔内，由此改变转动部件平衡平面内的质量分布。该平衡头结构复杂，体积较大，且不适用于高速转子。

由此可见，现有的各种转子在线动平衡装置和技术或多或少地都存在诸如平衡精度低、结构复杂、成本高昂、能源供给不便、环境兼容性不好、不适用于高速转子等不足。这些都严重制约了高速转子应用的进一步发展。

发明内容

基于现有技术存在的不足，本发明的目的在于提出一种液体式高速转子在线动平衡头。其主要由平衡头本体2、前端盖22、后端盖12、密封圈4、微型蠕动泵5、电机18、第一软管6、第二软管7、第三软管9、第四软管10、第一螺钉11、第二螺钉15、第三螺钉16、第四螺钉20、电池组19、抽气接头23、检测和控制系统组成。检测和控制系统主要包括测量传感器26、信号采集模块27、无线信号发射模块28、信号接收模块29、信号处理模块30、电机驱动模块31和电源模块32。

本发明采用的技术方案是：圆盘型的平衡头本体2套于转子轴1上，并通过第三螺钉16紧固。平衡头本体2的一个端面上有四个或多个中心对称布置、形状和大小一致的储液室3。储液室3内等量充入体积约为其容积一半的水或其它液体。相对的两个储液室3由一个微型蠕动泵5通过软管相连通。密封圈4位于平衡头本体2端面上储液室3外围的第五凹槽25内。平衡头本体2与前端盖22及后端盖12均通过第一螺钉11固联。前端盖22上在每个储液室3的对应位置均有一个通过螺纹联接紧固的抽气接头23。两个或多个中心对称布置的可双向无泄漏工作的微型蠕动泵5通过第四螺钉20固联于平衡头本体2端面上的第三凹槽21内。电机18的轴与微型蠕动泵5固联。所有的软管均位于平衡头本体2端面上相应的第四凹槽24内。软管端部的外圆面与第四凹槽24之间通过密封胶密封。软管的一端与微型蠕动泵5相连，另一端则与储液室出口8相连。储液室出口8位于储液室3径向的外侧。测量传感器26、信号采集模块27和无线信号发射模块28均在平衡头之外，而信号接收模块29、信号处理模块30和电机驱动模块31均集成于电路板13中。电路板13通过第二螺钉15固联于平衡头本体2端面上的第一凹槽14内。电源模块32中的电池组19紧固安装于平衡头本体2端面上的第二凹槽17内。

本发明提出的液体式高速转子在线动平衡头基于无泄漏微型蠕动泵技术，具有体积小、结构简单、响应快、平衡精度高、易于安装等特点；数据无线传输和电源内置的方案大大简化了现有技术中信号和能源传输的复杂性；全密封的结构设计可保持内部液体不挥发和无泄漏，保证了其环境友好性，又使其平衡精度不受开停机的影响。因此，应用前景广阔。

附图说明

图1是本发明所述的液体式高速转子在线动平衡头去掉前端盖的结构示意图。

图2是图1中的A-A剖视图。

图3是图1中的A处局部放大视图。

图4是本发明所述的液体式高速转子在线动平衡头的检测和控制系统技术实现框图。

图5是微型蠕动泵的工作原理图。

图中，1.转子轴，2.平衡头本体，3.储液室，4.密封圈，5.微型蠕动泵，6.第一软管，7.第二软管，8.储液室出口，9.第三软管，10.第四软管，11.第一螺钉，12.后端盖，13.电路板，14.第一凹槽，15.第二螺钉，16.第三螺钉，17.第二凹槽，18.电机，19.电池组，20.第四螺钉，21.第三凹槽，22.前盖板，23.抽气接头，24.第四凹槽，25.第五凹槽，26.测量传感器，27.信号采集模块，28.无线信号发射模块，29.无线信号接收模块，30.信号处理模块，31.电机驱动模块，32.电源模块，33.泵体，34.泵管，35.泵转子。

实施方式

以下通过实施例及其附图作进一步的说明。

如图1、图2和图4所示，先在每个储液室3内等量充入体积约为其容积一半的水或其它液体，并通过抽气接头23将储液室3内的空气抽出，以保持负压状态。然后将动平衡头通过第三螺钉16紧固于转子轴1上，并随转子一起高速转动。当转子产生动不平衡时，测量传感器26实时测得动不平衡量的幅值和相位。该信号经信号采集模块27采集和预处理后，通过无线信号发射模块28和信号接收模块29传送给位于平衡头内部的信号处理模块30。信号处理模块30则按照既定的控制算法确定平衡平面内质量迁移的多少和方向。电机驱动模块31则根据信号处理模块30的输出结果驱动一个或多个电机18按特定方向转动一定转数。可双向无泄漏工作的微型蠕动泵5在电机18的驱动下将液体通过软管从平衡平面内质量偏重方位上的储液室无泄漏地泵入与其对应的另一个储液室内，进行平衡平面内质量分布的精确调控，从而实现高速转子的在线动平衡。

其控制算法的原理如下：如图1所示，假定微型蠕动泵5泵出液体的方向与其转向一致，且每转泵出液体的质量为1克的前提下，如果测得转子动不平衡量的相位在I和III号储液室的中间剖面上，且I号储液室方位偏重10克。电机驱动模块31则驱动与I和III号储液室连通的电机18带动与其固联的微型蠕动泵5逆时针转动5转，I号储液室内5克的液体就会迁移到III号储液室内，从而实现转子的在线动平衡。如果转子动不平衡量的相位90度(假设水平向右方向为0度)，且偏重10克，则电机驱动模块31驱动分别与I和III号、II和IV号储液室连通的两个电机18并带动与其固联的两个微型蠕动泵5均逆时针转动2.5转。当动不平衡量处在其它相位时，则根据插补或模糊算法分别驱动两个微型蠕动泵5旋转特定转数，即可实现转子的在线动平衡。

Claims (1)

1.一种液体式高速转子在线动平衡头，其特征在于：主要由平衡头本体(2)、前端盖(22)、后端盖(12)、密封圈(4)、微型蠕动泵(5)、电机(18)、第一软管(6)，第二软管(7)，第三软管(9)，第四软管(10)、第一螺钉(11)，第二螺钉(15)，第三螺钉(16)，第四螺钉(20)、电池组(19)、抽气接头(23)、检测和控制系统组成；圆盘型的平衡头本体(2)通过第三螺钉(16)紧固于转子轴(1)上；平衡头本体(2)与前端盖(22)及后端盖(12)均通过第一螺钉(11)固联；平衡头本体(2)的一个端面上有四个或多个中心对称布置、形状和大小一致的储液室(3)；储液室(3)内等量充入体积约为其容积一半的水或其它液体；相对的两个储液室(3)由一个可双向无泄漏工作的微型蠕动泵(5)通过软管相连通；储液室出口(8)位于储液室(3)径向的外侧；密封圈(4)位于平衡头本体(2)端面上储液室(3)外围的第五凹槽(25)内；电机(18)的轴与微型蠕动泵(5)固联；所有软管均位于平衡头本体(2)端面上相应的第四凹槽(24)内；软管端部的外圆面与第四凹槽(24)之间通过密封胶密封；软管的一端与微型蠕动泵(5)相连，另一端与储液室出口(8)相连；检测和控制系统由测量传感器(26)、信号采集模块(27)、无线信号发射模块(28)、信号接收模块(29)、信号处理模块(30)、电机驱动模块(31)和电源模块(32)组成；其中测量传感器(26)、信号采集模块(27)和无线信号发射模块(28)均在平衡头之外，而信号接收模块(29)、信号处理模块(30)和电机驱动模块(31)均集成于电路板(13)中；电路板(13)通过第二螺钉(15)固联于平衡头本体(2)端面上的第一凹槽(14)内；电源模块(32)中的电池组(19)紧固安装于平衡头本体(2)上的第二凹槽(17)内。

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