薄片状螺旋桨动平衡的研究与应用

赵永刚，秦建斌

(山西汾西重工有限责任公司，山西 太原 030027)

薄片状螺旋桨动平衡的研究与应用

赵永刚，秦建斌

(山西汾西重工有限责任公司，山西 太原 030027)

以薄片状螺旋桨为例，通过理论分析，得出薄片状旋转件两校正平面动不平衡量的矢量合成，确定了硬支撑平衡机构拖动电机的功率和扭矩的计算公式。

薄片状旋转体；动平衡；校正平面；矢量合成

0 引言

现代水下推进器大多使用螺旋桨作为动力推进器件[1]，螺旋桨随着水下动力推进器的不同而不同，形式多样复杂。螺旋桨属于旋转类零件，要求其在工作状态下对轴承的动负荷小、磨损小、震动和噪声小，这使得螺旋桨在加工完成后，必然要对其进行动平衡校验。水下推进器的螺旋桨多数为薄片状螺旋桨，薄片状螺旋桨的动平衡校验同其他轴类零件的动平衡校验相比，其主要难点在：①薄片状螺旋桨两校正平面间的动不平衡矢量相互影响的分析与确定；②平衡机转速的确定。针对此，本文通过理论分析，对薄片状螺旋桨动不平衡量进行了分析。

1 动不平衡量理论

旋转零件一般都存在静不平衡与偶不平衡，这种组合称为动不平衡[2]。由于动不平衡的存在，使得旋转零件的惯性主轴和旋转轴不在一条直线上，所以需要对旋转零件进行动平衡校正，以消除旋转件的动不平衡，使得旋转件的惯性主轴和旋转轴趋于一致。

设有不平衡旋转件以某一固定轴为轴线作匀速转动，其受力情况如图1所示。由于旋转件是不平衡的，可以近似认为该旋转件由N个偏心薄圆盘组成[3]，各圆盘的重心都不在转轴上，所以当不平衡旋转件以固定轴做匀速转动时，N个薄圆盘产生N个惯性力F1,F2,…,FN，这些惯性力组成一个空间惯性力系，每个力的大小和方向均不相同，但作用点都通过转轴，且惯性力的方向和转轴垂直。

图1 旋转件受力示意图

由此可见，任意不平衡的刚性旋转件都可在两个与转轴垂直的平面上进行校正得到平衡。

2 不平衡量的表述

将旋转件看作由N个薄圆盘组成，本文选取其中一个进行分析，设其不平衡质量为m，重心为C，旋转轴过O点垂直于纸面，偏心距OC=e。薄圆盘受力示意图如图2所示。

当薄圆盘以角速度ω绕轴线旋转时，将会产生离心惯性力F，F=meω2，这个力必然会对轴承产生动压力，因此这个薄圆盘是不平衡的。 为了平衡这个薄圆盘，我们只需在OC的反面距O点r1处施加一个平衡质量m1,使其产生的惯性力F1=m1r1ω2和原有的惯性力F大小相等、方向相反，便可使得薄圆盘达到平衡。所以，可以认为me代表着薄圆盘的不平衡量，只要在重心的反面距转轴r1处加上质量m1,即可使薄圆盘达到平衡。

图2 薄圆盘受力示意图

当薄片状旋转件(如薄圆盘)的两校正平面间的距离与旋转件最大外径之比不大于0.2时，可将两校正平面内的不平衡量在一个平面内根据矢量加法进行合成[5]。其合成公式如下：

(1)

其中：U为动不平衡量，g·mm；r为去重半径，mm(为了简化计算，左右两去重平面的去重半径设为相等)；ma和mb为平面a和平面b的去重质量，g；αa、αb为平面a和平面b的相位角，rad。

3 动平衡机转速的确定

平衡转速的选择受平衡机传动系统拖动功率、被校验转子质量、支撑架承载能力以及系统测量精度的影响[6]。

3.1Gn2值的确定

Gn2(其中，G为工件转子质量，kg；n为平衡转速，r/min)值作为一个整体，表示了转子质量和平衡转速应满足的条件，一般需要给出Gn2的取值范围。旋转件在旋转过程中所产生的离心力会使硬支撑平衡机的支撑架产生振动，其力学关系为：

2KA=mef2+MAf2.

(2)

其中：K为支撑架的弹性系数；A为支撑架的振动幅度；M为转子的质量；f为转子的振动频率。

由于转子振动频率f很小，同时质心位移A也很

小，因此转子在旋转过程中产生的惯性力MAf2可以略去不计，于是式(2)化简为：

2KA=mef2.

(3)

在式(3)中有一定误差，为了使误差限制在一定范围内，设计硬支撑平衡机时，应使惯性力和离心力之比不大于某一给定的误差率δ。δ定义为：

(4)

3.2 GD2n2值

为避免平衡机传动电机过载，一旦电机功率确定后，GD2n2( D为电机转子的直径)将受到限制， 异步电机需以恒定转矩启动(近似额定值)，平衡机传动电机的转矩和功率计算公式如下：

(5)

(6)

其中：t为异步电机启动时间。异步电机启动时间较短，一般在5 s～20 s，所以GD2n2受电机功率限制。

4 结论

本文介绍了动不平衡量理论，对薄片状螺旋桨动不平衡量进行了分析，得出了硬支撑平衡机构拖动电机的转矩和功率的计算公式。

[1] 刘军考,陈在礼,陈维山，等.水下机器人新型防鱼鳍推进器[J].机器人,2000(9)：25-26.

[2] 董世汤,唐登海.近十年来中国船舶科学研究中心在螺旋桨理论研究和现代测试技术方面的新发展[J].中国造船,1998(增刊1)：75-77.

[3] 唐善华.刚性转子动平衡测试原理与实现[J].武汉工业学院学报,2007(6):18-21.

[4] 刘润良,张凯.动平衡技术的现场应用及分析[J].石油化工设备技术,2005,26(3):36.

[5] 王东海,李素有,王爱玲.高速精密螺旋桨的动平衡与测试技术研究[J].宁波大学学报,1995(6):40-41.

[6] 蒋渤鸥,杨克己,贾叔仕.动平衡机支承系统的研究[J].机床与液压,2004(10):54-56.

[7] 吴宗泽，罗圣国.机械设计课程设计手册[M].北京:高等教育出版社,2015.

Research and Application of Lamelliform Propeller’s Dynamic Balance

ZHAO Yong-gang, QIN Jian-bin

(Shanxi Fenxi Heavy Industry Co., Ltd., Taiyuan 030027, China)

In this paper, we chose lamelliform propeller as an example and obtain the vector synthesis of the dynamic imbalance between two correction planes in the lamelliform rotator through theoretical analysis. At last, we get the calculation formula of power and torque of drive motor for hard support balancing mechanism.

lamelliform rotator; dynamic balance; correction plane; vector synthesis

1672- 6413(2015)06- 0213- 02

2015- 01- 26；

2015- 09- 20

赵永刚(1981-)，男，山西太原人，工程师，硕士，研究方向为机械电子工程。

TH112.6

B