曲轴动平衡机的基本原理解析及维修方法

按：这是笔者在汽车发动机工厂做维修工程师时的一篇文字，文中所涉及的曲轴平衡机是英国产品，文中大部分内容仍具有参考价值，发出来以飨同行。

1曲轴动平衡的基本原理解析

曲轴去重平衡机是典型的机电一体化设备，集成了机械加工、计算机数控、微电子技术、发动机工艺理论等技术于一体，是我厂比复杂的设备之一。

首先，简要地了解动平衡理论有助于我们正确地掌握该设备。

1．1平衡理论

（1）什么是不平衡量

以一个均匀转子为例，如图1：

图1：均匀转子的几何支撑轴线OO＇与惯性轴线和MM＇

正常情况下，其惯性主轴线应与支撑主轴线重合，如不重合，则表示该转子不平衡。其不平衡量可用下式表示：

Ｕ＝m×r

单位：g.cm，m：不平衡质量，不平衡半径。

真正的转子不平衡程度不仅与不平衡质量和不平衡半径有关，而且与转子的总质量Ｍ有直接关系，显然，同样的Ｕ值，Ｍ越大，表示不平衡程度越小；Ｍ越小，则表示不平衡程度越大。由此，引入了偏心距的概念。

即，偏心距：E = mr/M=U/M

这个参数能较为准确地表示一个转子的不平衡程度。

（２）不平衡量的常见分布形式

这里主要是指和曲轴不平衡相关的：“径向不平衡”。其常见形式有：

１）静不平衡

惯性轴线与几何支撑轴线平行．如图2：

图2：静不平衡示意图

２）偶不平衡

惯性轴线与几何支撑轴线斜交于几何轴线的中心点。如图3：

图3：偶不平衡示意图

３）准静不平衡

惯性轴线与几何支撑轴线斜交，但不过中心点。如图4：

图4：准静不平衡示意图

４）动不平衡

惯性轴线与几何支撑轴线不相交，亦不平行。如图5：

图5：动不平衡示意图

曲轴的不平衡即属于这种类型，由于其不平衡量的分布特点，去重时最少要平衡两点以上。

（3）不平衡量的工业标准

国标ISO1940规定了不平衡量的工业标准，即：

G=EW/1000

其中，E：偏心距。微米。

W：转速。弧度/秒。

G取值一般为G0.4-G4000，曲轴在G40-G100之间。

1．2动平衡机

（1）平衡机测量的基本力学关系

如下图，为一台平衡机的测量系统局部结构示意图。

图6：一个简单的平衡机测量装置

图中不平衡量m产生的离心力：

f=mrw^2

水平方向的离心力分量：

f水平= mrw^2 cosα

垂直方向的离心力分量：

f垂直=mrw^2sinα

支撑弹簧变形量：

A=f垂直/K，K为弹性系数。

水平力传递给传感器，由传感器测取并产生电压信号，送控制系统。

(2)平衡方程

一个系统的平衡方程如下：

MX″+CX′+KX=mrw^2

其中：

M：转子质量。

X：支撑体变形量。

m：不平衡质量。

r：不平衡半径。

w：转子角速度。

C：阻尼系数。主要来自风阻，摩擦阻尼。

K：支撑体弹性系数。

阻尼力很小，一般分析时可不予考虑。

（3）硬支撑平衡机的力学分析

当地基足够稳定时，可以不考虑惯性力时KX＂，可以设计为硬支撑结构。这时，平衡方程可改写为：

X=mrw^2/K

可见，硬支撑平衡机与床身质量无关，出厂时做一次性标定即可，无须经常标定。但对地基要求高，否则惯性力将产生影响，影响平衡精度。

机床的共振点为：

对硬支撑平衡机，工件转速应在w0/3以内。

（4）软支撑平衡机的力学分析

这种平衡机的弹性力相对于惯性力而言，由于支撑弹簧很软，弹性力很小，可以忽略。平衡方程为：

MX＂=mrw^2

X＂=mrw^2/M

X＂为加速度，可使用加速度传感器测量。

由于式中包括机床质量Ｍ，故机床需要经常标定，对地基要求不高。

这种平衡机的工件转速一般控制在2-2.5w0之内。

（5）半硬支撑平衡机的力学分析

这种平衡机既要考虑惯性力，又要考虑弹性力。其平衡方程为：

MX＂+KX=mrw^2

这一方程的计算较为困难，从力学关系来进行分析，可以从下面公式进行不平衡量的分离。即：

图7：不平衡量的分离

如图，有：

U1=UL+(UL*a/b-UR*c/b)

U2=UR- (UL*a/b-UR*c/b)

显然，当去重点事先选定后，很容易依据从支撑点测量到的不平衡量UL和UR确定应去重量U1及U2。

半硬支撑的平衡机，其工件转速在w0附近，因而灵敏度高。它对地基的要求介于硬支撑和软支撑之间。

(6)我厂平衡机类型及曲轴去重

美国引进的平衡机属于软支撑型，而新采购平衡机（日本）属于半硬支撑型。由此，我们不难得出两台机床在使用和保养中应注意哪些问题的结论。

两台设备的曲轴去重点都是10°、130°、190°、250°四个点。

常见的曲轴驱动方式有摩擦轮驱动、皮带轮驱动、端部驱动和虎壳驱动四种。我厂的美国平衡机为端部驱动，这种驱动方式对联轴节要求很高，需要经常进行补偿和对联轴节做调整。

去重量点理论上越少越好，这样可以减少工件的内应力。

2 数控部分解析

2．１硬件构成

该系统使用FANUC公司POWER MATE-MODEL D系统。硬件部分这里不做详细介绍，细节请查阅数控部分的说明书。

2．2加工程序分析

经过比对工艺过程，对程序做了详细解析，弄懂了CNC程序流程。详解如下：

O0001（WORK 2.2L）；2.2L发动机曲轴加工主程序。

#100=-190；快进行程变量赋值。

#101=125.4；切削速度变量赋值。

#102=530；最大切削深度变量赋值。

M98 P1001；转到O1001程序。

M30；程序结束。

O0002(WORK 2.5 L)；2.5L发动机机加工主程序。

#100=-190；快进行程变量赋值。

#101=-125.4；切削速度变量赋值。

#102=530；最大切削深度变量赋值。

M98 P1001；转到O1001程序。

M30；程序结束。

O1001；加工子程序1。

G91 G30 Z0；回原点。

IF (#1032 EQ 0) GOTO 30；如果#1及#2头应去重深度变量#1032=0，

转到N30。

M03；主轴起动。

#110= #1032 AND 4095；取#1032的前12位送#110。

IF(#102 LT #110) GOTO 10；如果#102（最大切削深度）小于

#110（应去重深度），转到N10。

IF(#102 GE #110) GOTO 20；如果#102（最大切削深度）大于

#110（应去重深度），转到N20。

N10 #110= #102；把最大切削深度值赋给#110。

N20 #110=-#110；#110取反。

#110= #110/10；#110值/10。

G90 G00 Z #100；快速进给到#100（将接触工件）位置。

M98 P1003；转到O1003程序。

N30 M53；通知PLC加工结束。

G91 G30 Z0；返回原点。

M05；主轴停止。

N40 M99；返回主程序。

O1003；加工子程序2。

M03；主轴起动。*（没必要）。

IF (#1014 EQ 0) GOTO 45；如果#1014=0，转到N45。

M55；通知PLC将进行一次去重量的低八位传送。

#121= #1032 AND 255；取应去重深度的低八位，赋给#121。

M56；通知PLC将进行一次去重量的高八位传送。

#122= #1032 AND 255；取应去重深度的高八位，赋给#122。

M54；通知PLC数据传送完成。

#124= #122×256；把去重量高八位后加八个零，赋给#124。

#123= #121+ #124；把去重量的全部十六位合并，赋给#123。

#123= #123/10；一次去重量#123/10。

#123=-#123；#123取反。

#125= #123+5.0；设置中速移动的终点坐标，赋给#125。

G90 G01 Z #125 F1500；中速移动到#125位置。

G90 G01 Z#123 F#101；工进（慢速）去掉全部超重量。

GOTO 55；转到N55。

N45 G90 G00 Z#100；快速进给到将接触工件位置。

IF (#1015 EQ 1) GOTO 50；如果#1015（接触工件，即开门信号）

=1（为真），则转到N50。（#1015由NC的#1头开门标志寄存

器5006及#2号头的开门标志寄存器5306自动赋值）。

G91 G31 Z-10.0 F#101；如尚未接触工件，则慢速进给，试探接触

工件位置。接触后，跳到下一步执行。

#500= #5061 + 0.0；把开门实际位置坐标值#5061赋给#500。

#502= #100+(-10.0)；快进行程#100再向前10 mm所在点的坐标赋

给#502，作为打刀检测点坐标。

IF (#502 LT #500) GOTO 50；如果#502小于实际开门坐标#500，

钻头未断，程序转到N50。

M50；否则为打刀，向PLC报警。

G91 G30 Z0；动力头退回原点。

M05；主轴停。

M99；返回主程序。

N50 G90 G01 Z#500 F#101；如未打刀，则继续进给到#500位置。

N55 #504= #110+0.0；应去重深度#110加修正值，赋给#504。

#112= #504；#504赋给#112。

#113=-99.9；设步进进给量变量#113=-99.9。这个数值不是实际

使用值，实际值要在调试中确定。

#114=0.0；设步进后退量变量#114=0。这个数值也不是实际使用

值，实际值要在调试中确定。

以上两步是采用动力头的进二退一法，以进行倒屑。

#115= #113+0.5；步进进给量加修正量赋给#115。

#116= #114+0.5；步进后退量加修正量赋给#116。

N60 IF(#112 GE #113) GOTO 70；如果剩余去重量大于步进进给量，

说明即将钻到头，转到N70。

G91 G01 Z#113 F#101；按步进进给量工进切削。

G04 P1；停留1秒。

G91 G00 Z#114；按步进后退量快退。

G04 P1；停留1秒。

G91 G00 Z#116；再后退0.5mm，即后退到#116位置。

G04 P1；停留1秒。

#112= #112-#115；计算剩余去重量，赋#112。

GOTO 60；回到N60继续切削。

N70 G91 G01 Z#112 F#101；切掉最后的剩余去重量。

G04 P1；停留1秒。

#510= #5021；终点坐标#5021送#510。

M57；通知PLC把#510值送数据存储器。

N80 M99；返回主程序。

上面的所有变量均为带符号数。坐标的变化为动力头向前为负，后退为正。对所有比较命令的理解要考虑到这点，否则会得出错误的结论。

3不平衡量的测量原理

3．1传感器原理及检测

传感器的结构如下：

图8：传感器原理示意图

显然，它是靠铁心振动在线圈中产生的电压波动来测得不平衡量的。

该传感器正常使用时，阻抗值在3.8-6.8KW 之间，对地绝缘为10MW以上。如超出这个范围，则可能已经损坏。

3．2平衡仪硬件结构

CAB150的硬件部分共有十一块主要控制板卡。从后面看，1-4板为平衡机控制用，5-8板为去重机用，9-11板为主计算机。

以上十一块板不包括电源部分。

其基本框图如下：

图9：CAB750控制方框图

3．3操作与标定

平衡机的标定是必须的，一般在出厂时做第一次。

值得一提的是，本平衡机标定一次后，在相当长的一段时间内可以不做标定。这是半硬支撑平衡机的特点。

4应用对设备原理的解析指导实践

正确理解曲轴平衡机这种特殊设备，用于指导实践，可以明显地使我们对设备的使用、维护和工艺方法上到一个相当的水平。

最典型的例子就是，在测量系统遇到外界扰动时，会偶发性出现去重量过大，导致钻头把曲轴钻穿的情况，这样即使对曲轴进行填焊返修，也无法修复。

我们采用了增加钻头滑台位置检测的方法，在特定位置开关被触发后，通过CNC接口信号，控制数控程序终止钻削，并自动退出，同时系统给出报警。

此外，对设备的保养维护、控制外界不确定扰动、周期标定等，也有明确的方向性的指导意义。

审核编辑：汤梓红