CN107806960B - 用于柔性转子动平衡的平衡块及去重平衡方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于柔性转子动平衡的平衡块及去重平衡方法，该平衡块整体呈空心薄壁轴结构，包括用于紧固至传动轴上的连接段及用于经去重处理以满足传动轴的动平衡要求的去重段，去重段包括沿周向均布的四个弧形齿，相邻两弧形齿之间形成U形槽，弧形齿与U形槽在平衡块的周向上交替均布。其结构简单、使用方便，可以实现与传动轴的快速安装及拆卸，且通过对平衡块的去重段的去料后，能达到转子件的平衡要求，其适用于经表面处理的转子轴，且调试简单，加工及安装效率高。
Description
技术领域
本发明涉及转子动力学领域，特别地，涉及一种用于柔性转子动平衡的平衡块。此外，本发明还涉及一种应用上述平衡块的去重平衡方法。
背景技术
航空发动机转子是航空发动机的重要部件，一个不平衡的航空发动机转子将引起发动机振动，产生噪音，加速轴承磨损，缩短发动机的使用寿命，严重时导致破坏性事故。为此，必须对转子进行平衡，使其产生的机械振动幅度降在允许的范围内。
新一代航空发动机追求高性能和高推重比，转速能达到2万转/分以上，对柔性转子的动平衡要求越来越高。专利CN 105867307A公开了一种用于航空发动机传动轴的高速动平衡去料方法，该方法通过测量传动轴在指定转速条件下的不平衡量，去除传动轴上相应区域的不平衡量达到平衡要求。该方法具体步骤为：在测量不平衡量后，拆分已经装配好的转子部件，分解出传动轴，采用机加工对传动轴表面去重(料)后重新组装转子部件，再进行平衡试验，直至达到允许的平衡精度。该方法主要有以下不足：转子部件重复装配产生的误差导致该方法试验精度不高，需要反复对传动轴拆分、复装才能达到平衡要求，工作量巨大，影响生产效率。此外，对于在表面做过特殊工艺处理的航空发动机传动轴，不允许在动平衡后再去除零件表面的材料，很显然，现有的高速动平衡修复方法不适用于该类传动轴的动平衡去料要求。
发明内容
本发明提供了一种用于柔性转子动平衡的平衡块及去重平衡方法，以解决现有的柔性转子的动平衡控制方法导致的操作繁琐、影响生产效率且不适用于经特殊工艺处理的传动轴的技术问题。
本发明采用的技术方案如下：
根据本发明的一个方面，提供一种用于柔性转子动平衡的平衡块，用于对作为柔性转子的传动轴的动平衡进行控制，平衡块整体呈空心薄壁轴结构，包括用于紧固至传动轴上的连接段及用于经去重处理以满足传动轴的动平衡要求的去重段，去重段包括沿周向均布的四个弧形齿，相邻两弧形齿之间形成U形槽，弧形齿与U形槽在平衡块的周向上交替均布。
进一步地，连接段的端面沿轴向延伸两个相对的弧形凸台，两个弧形凸台上对称开设用于与传动轴连接的连接孔。
进一步地，弧形凸台沿轴向的中心线与任一U形槽的中心线共线，连接孔位于中心线上。
根据本发明的另一方面，还提供一种用于柔性转子的去重平衡方法，应用上述的平衡块，该去重平衡方法包括：
在传动轴上加载平衡块，并测量加载后的传动轴在指定转速条件下的不平衡量值及确定不平衡重点方向与指定基准点形成的第一夹角；
根据不平衡量值计算平衡块上需去除的重量；
根据第一夹角确定平衡块上待去料的弧形齿；
根据第一夹角及需去除的重量计算待去料的弧形齿对应的去料长度；
取下平衡块并按计算出的去料长度加工去除待去料的弧形齿；
复装加工后的平衡块，以满足传动轴的动平衡要求。
进一步地，指定基准点选取平衡块上的任一连接孔中心。
进一步地，根据不平衡量值计算平衡块上需去除的重量基于以下公式获得：
M平×L平＝U
其中，M平为平衡块上需去除的重量、L平为平衡块上弧形齿的质心与平衡块轴向中心线间的距离、U为测量获得的不平衡量值，单位为g.mm。
进一步地，根据第一夹角确定平衡块上待去料的弧形齿包括：
判断不平衡重点方向是否位于任一弧形齿沿弧形宽度的中心线上，若是则确定对应的弧形齿为待去料的弧形齿；
若否，则确定不平衡重点方向所处的弧形齿及最靠近不平衡重点方向的相邻弧形齿作为待去料的弧形齿。
进一步地，根据第一夹角及需去除的重量计算待去料的弧形齿对应的去料长度包括：
判断待去料的弧形齿是否为单个，若为单个则根据需去除的重量计算单个弧形齿去重对应的去料长度；
若否，则根据第一夹角将需去除的重量分解为两个弧形齿对应的去重分量，再根据去重分量计算单个弧形齿去重对应的去料长度。
进一步地，根据第一夹角将需去除的重量分解为两个弧形齿对应的去重分量包括：
利用不平衡重点方向所在的弧形齿沿弧形宽度的中心线与不平衡重点方向的第二夹角构建直角三角形；
去重分量的计算公式如下：
M1＝M平×cosθ；
M2＝M平×sinθ；
其中，M1为不平衡重点方向所处的弧形齿对应的去重分量，M2为相邻弧形齿对应的去重分量，M平为平衡块上需去除的重量，θ为第二夹角。
进一步地，计算单个弧形齿去重对应的去料长度基于以下公式获得：
L＝M弧/(ρS)
其中，L为去料长度、M弧为弧形齿对应的去重分量或者需去除的重量、ρ为平衡块的密度、S为弧形齿的横截面积。
本发明具有以下有益效果：
本发明用于柔性转子动平衡的平衡块，其结构简单、使用方便，可以实现与传动轴的快速安装及拆卸，且通过对平衡块的去重段的去料后，能达到转子件的平衡要求，其适用于经表面处理的转子轴，且调试简单，加工及安装效率高。
本发明去重平衡方法，基于上述的平衡块，本发明方法高效、精确，且一次去料就能使转子达到许用不平衡量，减少了转子件分解、组装次数，提高了生产效率。
除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照附图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是本发明优选实施例平衡块的结构示意图；
图2是图1的主视示意图；
图3是本发明优选实施例中去料示意图。
附图标记说明：
1、连接段；11、弧形凸台；12、连接孔；
2、去重段；
21、弧形齿；22、U形槽。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
参照图1及图2，本发明的优选实施例提供了一种用于柔性转子动平衡的平衡块，用于对作为柔性转子的传动轴的动平衡进行控制，平衡块整体呈空心薄壁轴结构，包括用于紧固至传动轴上的连接段1及用于经去重处理以满足传动轴的动平衡要求的去重段2，去重段2包括沿周向均布的四个弧形齿21，相邻两弧形齿21之间形成U形槽22。即本实施例去重段2由周向均布的四个弧形齿21和四个U形槽22组成，弧形齿21与U形槽22在平衡块的周向上交替均布。
本实施例中，优选地，连接段1的端面沿轴向延伸两个相对的弧形凸台11，两个弧形凸台11上对称开设用于与传动轴连接的连接孔12。本实施例平衡块通过连接孔12与传动轴进行快速装卸操作。
优选地，弧形凸台11上沿轴向的中心线与任一U形槽22的中心线共线，连接孔12位于该中心线上，整个平衡块结构对称，且连接孔12位于对应的U形槽22的中心线上，便于以任一连接孔12作为去重平衡中的测量基准点。
本实施例用于柔性转子动平衡的平衡块，其结构简单、使用方便，可以实现与传动轴的快速安装及拆卸，且通过对平衡块的去重段的去料后，能达到转子件的平衡要求，其适用于经表面处理的转子轴，且调试简单，加工及安装效率高。
根据本发明的另一方面，还提供一种用于柔性转子的去重平衡方法，应用上述实施例的平衡块，本实施例去重平衡方法包括：
在传动轴上加载平衡块，并测量加载后的传动轴在指定转速条件下的不平衡量值及确定不平衡重点方向与指定基准点形成的第一夹角；
根据不平衡量值计算平衡块上需去除的重量；
根据第一夹角确定平衡块上待去料的弧形齿；
根据第一夹角及需去除的重量计算待去料的弧形齿对应的去料长度；
取下平衡块并按计算出的去料长度加工去除待去料的弧形齿；
复装加工后的平衡块，以满足传动轴的动平衡要求。
本实施例去重平衡方法，基于上述的平衡块，该方法高效、精确，且一次去料就能使转子达到许用不平衡量，减少了转子件分解、组装次数，提高了生产效率。此外，还能克服传统的方法不适用于表面经特殊工艺处理的航空发动机传动轴的问题。
优选地，指定基准点选取平衡块上的任一连接孔中心。
优选地，根据不平衡量值计算平衡块上需去除的重量基于以下公式获得：
M平×L平＝U
其中，M平为平衡块上需去除的重量、L平为平衡块上弧形齿的质心与平衡块轴向中心线间的距离、U为测量获得的不平衡量值，单位为g.mm。
优选地，根据第一夹角确定平衡块上待去料的弧形齿包括：
判断不平衡重点方向是否位于任一弧形齿沿弧形宽度的中心线上，若是则确定对应的弧形齿为待去料的弧形齿；
若否，则确定不平衡重点方向所处的弧形齿及最靠近不平衡重点方向的相邻弧形齿作为待去料的弧形齿。
优选地，根据第一夹角及需去除的重量计算待去料的弧形齿对应的去料长度包括：
判断待去料的弧形齿是否为单个，若为单个则根据需去除的重量计算单个弧形齿去重对应的去料长度；
若否，则根据第一夹角将需去除的重量分解为两个弧形齿对应的去重分量，再根据去重分量计算单个弧形齿去重对应的去料长度。
优选地，根据第一夹角将需去除的重量分解为两个弧形齿对应的去重分量包括：
利用不平衡重点方向所在的弧形齿沿弧形宽度的中心线与不平衡重点方向的第二夹角构建直角三角形；
参见图3，去重分量的计算公式如下：
M1＝M平×cosθ；
M2＝M平×sinθ；
其中，M1为不平衡重点方向所处的弧形齿对应的去重分量，M2为相邻弧形齿对应的去重分量，M平为平衡块上需去除的重量，θ为第二夹角。
优选地，计算单个弧形齿去重对应的去料长度基于以下公式获得：
L＝M弧/(ρS)
其中，L为去料长度、M弧为弧形齿对应的去重分量或者需去除的重量、ρ为平衡块的密度、S为弧形齿的横截面积。
下面结合图3，对本实施例去重平衡方法进行具体说明，本实施例去重平衡方法如下：
1、在传动轴上加载平衡块后，测量柔性转子部件在指定转速条件下的不平衡量值为80g.mm，不平衡块的重点方向在图3所示的Y方向，指定基准点为O，并且测得重点方向Y与指定基准点O在周向的第一夹角α为30°；
2、取出平衡块；
3、根据步骤1测得的不平衡量值80g.mm，且图1所示的平衡块的质量半径L平为10mm，按如下方式计算平衡块需去除的重量：
由M平×L平＝U，则M平为8g。
4、根据步骤1测得的重点方向Y与指定基准点O的第一夹角确定平衡块上待去料的弧形齿为弧形齿①和弧形齿④；
5、弧形齿①和弧形齿④所需去除的重量按以下方式计算得出：
a)在弧形齿①的中心线上分解平衡块所需去除的重量，利用不平衡重点方向Y所在的弧形齿的中心线与不平衡重点方向Y的第二夹角θ构建直角三角形；
b)在a)步骤构建的直角三角形中利用正弦、余弦函数求得各弧形齿上需要去除的重量，则弧形齿①去除的重量为：8g×cos(45°-30°)＝7.72g；弧形齿④去除的重量为：8g×sin(45°-30°)＝2.07g。
6、根据公式L＝M弧/(ρS)计算各弧形齿所需去除的长度：其中，平衡块密度ρ为7.85×10-3g/mm3，横截面积S为37.5mm2。通过计算，得出弧形齿①去料长度L1＝7.72/(7.85×10-3×37.5)＝26.2mm；弧形齿④去料长度L4＝2.07/(7.85×10-3×37.5)＝7mm；
7、加工去除计算得出的平衡块上所需去料的弧形齿的长度。
8、复装平衡块。
经验证，复装后转子达到许用不平衡量要求。
从以上的描述可以得知，本实施例用于柔性转子动平衡的平衡块，其结构简单、使用方便，可以实现与传动轴的快速安装及拆卸，且通过对平衡块的去重段的去料后，能达到转子件的平衡要求，其适用于经表面处理的转子轴，且调试简单，加工及安装效率高。本实施例去重平衡方法，基于上述的平衡块，本发明方法高效、精确，且一次去料就能使转子达到许用不平衡量，减少了转子件分解、组装次数，提高了生产效率。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种用于柔性转子动平衡的平衡块，用于对作为柔性转子的传动轴的动平衡进行控制，其特征在于，所述平衡块整体呈空心薄壁轴结构，包括用于紧固至所述传动轴上的连接段(1)及用于经去重处理以满足所述传动轴的动平衡要求的去重段(2)，所述去重段(2)包括沿周向均布的四个弧形齿(21)，相邻两弧形齿(21)之间形成U形槽(22)，所述弧形齿(21)与所述U形槽(22)在所述平衡块的周向上交替均布。
2.根据权利要求1所述的用于柔性转子动平衡的平衡块，其特征在于，
所述连接段(1)的端面沿轴向延伸两个相对的弧形凸台(11)，两个弧形凸台(11)上分别开设一个用于与所述传动轴连接的连接孔(12)，且两个连接孔(12)相对于平衡块轴向中心线对称设置。
3.一种用于柔性转子的去重平衡方法，其特征在于，应用如权利要求1至2任一所述的平衡块，所述去重平衡方法包括：
在传动轴上加载所述平衡块，并测量加载后的传动轴在指定转速条件下的不平衡量值及确定不平衡重点方向与指定基准点形成的第一夹角；
根据所述不平衡量值计算所述平衡块上需去除的重量；
根据所述第一夹角确定所述平衡块上待去料的弧形齿；
根据所述第一夹角及所述需去除的重量计算待去料的弧形齿对应的去料长度；
取下所述平衡块并按计算出的去料长度加工去除待去料的弧形齿；
复装加工后的平衡块，以满足传动轴的动平衡要求。
4.根据权利要求3所述的用于柔性转子的去重平衡方法，其特征在于，
所述指定基准点选取所述平衡块上的任一连接孔中心。
5.根据权利要求3所述的用于柔性转子的去重平衡方法，其特征在于，
所述根据所述不平衡量值计算所述平衡块上需去除的重量基于以下公式获得：
M平×L平＝U
其中，M平为所述平衡块上需去除的重量、L平为平衡块上弧形齿的质心与平衡块轴向中心线间的距离、U为测量获得的所述不平衡量值，单位为g.mm。
6.根据权利要求3所述的用于柔性转子的去重平衡方法，其特征在于，
所述根据所述第一夹角确定所述平衡块上待去料的弧形齿包括：
判断所述不平衡重点方向是否位于任一所述弧形齿沿弧形宽度的中心线上，若是则确定对应的所述弧形齿为待去料的弧形齿；
若否，则确定所述不平衡重点方向所处的弧形齿及最靠近所述不平衡重点方向的相邻弧形齿作为待去料的弧形齿。
7.根据权利要求6所述的用于柔性转子的去重平衡方法，其特征在于，
所述根据所述第一夹角及所述需去除的重量计算待去料的弧形齿对应的去料长度包括：
判断待去料的弧形齿是否为单个，若为单个则根据所述需去除的重量计算单个弧形齿去重对应的去料长度；
若否，则根据所述第一夹角将所述需去除的重量分解为两个弧形齿对应的去重分量，再根据所述去重分量计算单个弧形齿去重对应的去料长度。
8.根据权利要求7所述的用于柔性转子的去重平衡方法，其特征在于，
所述根据所述第一夹角将所述需去除的重量分解为两个弧形齿对应的去重分量包括：
利用所述不平衡重点方向所在的弧形齿沿弧形宽度的中心线与所述不平衡重点方向的第二夹角构建直角三角形；
所述去重分量的计算公式如下：
M1＝M平×cosθ；
M2＝M平×sinθ；
其中，M1为所述不平衡重点方向所处的弧形齿对应的去重分量，M2为所述相邻弧形齿对应的去重分量，M平为所述平衡块上需去除的重量，θ为所述第二夹角。
9.根据权利要求7所述的用于柔性转子的去重平衡方法，其特征在于，
所述计算单个弧形齿去重对应的去料长度基于以下公式获得：
L＝M弧/(ρS)
其中，L为所述去料长度、M弧为所述弧形齿对应的去重分量或者所述需去除的重量、ρ为所述平衡块的密度、S为所述弧形齿的横截面积。
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