非轴对称复杂曲面回转件虚拟动平衡机及动平衡设计方法与流程

本发明涉及一种非轴对称复杂曲面回转件虚拟动平衡机及动平衡设计方法，属于机械设计领域。

背景技术：

回转零部件是机械系统中最常用、最基本、也是最重要的组成部分，已广泛应用于航空、电力、石油、化工等领域。由于设计时的结构形状以及加工制造过程中同轴度误差、材质不均等造成大小不等的不平衡质量分布，导致回转零部件质心与实际的旋转轴不重合，主惯性轴偏离其相应的旋转轴线，随之产生很大的离心力，致使设备产生较大振动，从而加速机器零部件的磨损，影响设备的工作性能，降低设备的工作精度和使用寿命。动平衡原理应用于回转件的设计、制造中，由加工制造过程中同轴度误差、材质不均等引起的不平衡，通常采用动平衡机实验检测、补偿，而设计时的结构形状所引起的不平衡问题，通过分析计算采用增设配重的方法来解决。

针对单头蜗杆、单头丝杠、单头挤出螺杆、单头输送螺旋等非轴对称复杂曲面回转件，其不平衡质量的大小及相位计算异常复杂，如何解决非轴对称复杂曲面回转件的动不平衡问题，是设计人员一直关注的焦点。文献“SOLIDWORKS Motion在动平衡设计仿真中的应用”中，利用三维设计软件对电机转子结构进行了动平衡仿真并对结构尺寸进行了优化，选取一个平衡平面，通过配重完成了优化设计；但是该电机转子不属于非轴对称复杂曲面回转件，且在一个平衡平面内配重属于利用动平衡原理解决静平衡问题。

技术实现要素：

本发明的目的是要提供一种非轴对称复杂曲面回转件虚拟动平衡机及动平衡设计方法，解决单头蜗杆、单头丝杠、单头挤出螺杆、单头输送螺旋等非轴对称复杂曲面回转件的动平衡设计问题。

为了达到本发明的目的所采取的技术方案如下：

非轴对称复杂曲面回转件虚拟动平衡机，包括：在三维软件中建立的机架(1)、弹簧(2)、摆杆(3)、立柱(4)以及马达(5)，摆杆(3)中点与立柱(4)中部垂直固连，立柱(4)的下端与机架(1)转动连接、立柱(4)与机架(1)的水平面垂直，立柱(4)的上端设置一回转副、回转副轴线与摆杆(3)垂直交错，两组完全相同的弹簧(2)各自一端与机架(1)固连、另一端分别垂直安装在摆杆(3)两端点上，摆杆(3)长度为s，弹簧(2)劲度系数为k，两弹簧(2)平行、距离为s，两弹簧(2)和摆杆(3)组成的平面与机架(1)的水平面平行、且与立柱(4)垂直，由弹簧(2)、摆杆(3)以及立柱(4)组成一个绕立柱(4)摆动的弹簧系统，马达(5)设在立柱(4)的回转副上，马达(5)绕回转副轴线转动、转速为ω；右旋直角静坐标系建在机架(1)上，Y轴与回转副轴线重合，Y轴正向与ω矢量方向相同，X轴与摆杆(3)平行，XOY平面与机架(1)的水平面平行，XOY平面为弹簧系统受迫振动平面。

非轴对称复杂曲面回转件动平衡设计方法，包括以下步骤：

1、设定测量基准：

①在三维软件中设计的非轴对称复杂曲面回转件(6)，在回转件(6)上适于加、减配重的轴向位置选择距离为d的左平衡平面(8)和右平衡平面(9)，两平衡平面与回转件(6)的轴线a垂直并且分别相交于A、B两点；

②任意选择一个轴肩，沿径向设定一标记线(7)；

2、平衡右平衡平面：

①回转件(6)在A点与立柱(4)的回转副转动连接，回转件(6)的轴线a与Y轴重合，标记线(7)与X轴重合；

②设定仿真时间和每秒帧数，启动马达(5)驱动回转件(6)绕轴线a转动，产生一个XOY平面受迫振动，待仿真结束，选取一个稳定周期的测量数据，读取B点在X轴方向的最大振幅x₁及最大振幅所对应的相位角求得质径积

③在右平衡平面(9)上，增加配重：相位角为质径积为G₁；或者减少配重：相位角为质径积为-G₁；

3、平衡左平衡平面：

①回转件(6)在B点与立柱(4)的回转副转动连接，回转件(6)的轴线a与Y轴重合，标记线(7)与X轴重合；

②设定仿真时间和每秒帧数，启动马达(5)驱动回转件(6)绕轴线a转动，产生一个XOY平面受迫振动，待仿真结束，选取一个稳定周期的测量数据，读取A点在X轴方向的最大振幅x₂及最大振幅所对应的相位角求得质径积

③在左平衡平面(8)上，增加配重：相位角为质径积为G₂；或者减少配重：相位角为质径积为-G₂；

在三维软件中通过对回转件(6)的左平衡平面(8)与右平衡平面(9)配重，完成了非轴对称复杂曲面回转件的动平衡设计。

本发明的有益效果在于，非轴对称复杂曲面回转件虚拟动平衡机及动平衡方法，针对非轴对称复杂曲面回转件，在虚拟动平衡机上检测两平衡平面内不平衡量的大小及其对应的相位角，对所设计的回转件进行配重平衡，实现了使用三维设计软件进行动平衡设计，有利于提高产品质量和设计效率。

附图说明

图1为非轴对称复杂曲面回转件虚拟动平衡机工作原理图；

图2为右平衡平面不平衡量的相位角标示图；

图3为左平衡平面不平衡量的相位角标示图；

图4为非轴对称复杂曲面回转件虚拟动平衡机结构示意图。

图中：1—机架，2—弹簧，3—摆杆，4—立柱，5—马达，6—回转件，7—标记线，8—左平衡平面，9—右平衡平面。

具体实施方式

下面根据附图对本发明的实施例进行描述。

图4为非轴对称复杂曲面回转件虚拟动平衡机结构示意图，非轴对称复杂曲面回转件虚拟动平衡机，包括：在三维软件中建立的机架(1)、弹簧(2)、摆杆(3)、立柱(4)以及马达(5)，摆杆(3)中点与立柱(4)中部垂直固连，立柱(4)的下端与机架(1)转动连接、立柱(4)与机架(1)的水平面垂直，立柱(4)的上端设置一回转副、回转副轴线与摆杆(3)垂直交错，两组完全相同的弹簧(2)各自一端与机架(1)固连、另一端分别垂直安装在摆杆(3)两端点上，摆杆(3)长度为s，弹簧(2)劲度系数为k，两弹簧(2)平行、距离为s，两弹簧(2)和摆杆(3)组成的平面与机架(1)的水平面平行、且与立柱(4)垂直，由弹簧(2)、摆杆(3)以及立柱(4)组成一个绕立柱(4)摆动的弹簧系统，马达(5)设在立柱(4)的回转副上，马达(5)绕回转副轴线转动、转速为ω。

非轴对称复杂曲面回转件(6)以头数z₁＝1的右旋蜗杆为例，材料为40CrMnMo7，密度7850kg/m³，质量约为6.7kg。

图1为非轴对称复杂曲面回转件虚拟动平衡机工作原理图，右旋直角静坐标系建在机架(1)上，Y轴与回转副轴线重合，Y轴正向与ω矢量方向相同，X轴与摆杆(3)平行，Z轴正向垂直向上，XOY平面与机架(1)的水平面平行；非轴对称复杂曲面回转件在虚拟动平衡机上转动，产生一个XOY平面受迫振动；设置马达转速n＝60r/min(ω＝6.28rad/s)，弹簧劲度系数k＝1N/mm，s＝270mm。

由以下步骤构成非轴对称复杂曲面回转件动平衡设计方法：

1、设定测量基准：

①在三维软件中设计的非轴对称复杂曲面回转件(6)，在回转件(6)上适于加、减配重的轴向位置选择距离为d＝126mm的左平衡平面(8)和右平衡平面(9)，两平衡平面与回转件(6)的轴线a垂直并且分别相交于A、B两点；

②任意选择一个轴肩，沿径向设定一标记线(7)；

2、平衡右平衡平面：

①回转件(6)在A点与立柱(4)的回转副转动连接，回转件(6)的轴线a与Y轴重合，标记线(7)与X轴重合；

②设定仿真时间t＝10s(10个周期)和每秒帧数400，启动马达(5)驱动回转件(6)绕轴线a转动，产生一个XOY平面受迫振动，待仿真结束，选取一个稳定周期(9-10s)的测量数据，读取B点在X轴方向的最大振幅x₁＝0.040073373mm及最大振幅所对应的相位角求得质径积

③在右平衡平面(9)上，增加配重：相位角为104.4°、质径积为2332.9g·mm；或者减少配重：相位角为284.4°，质径积为-2332.9g·mm；增加或者减少配重的相位角(如图2所示)。

3、平衡左平衡平面：

①回转件(6)在B点与立柱(4)的回转副转动连接，回转件(6)的轴线a与Y轴重合，标记线(7)与X轴重合；

②设定仿真时间t＝10s(10个周期)和每秒帧数400，启动马达(5)驱动回转件(6)绕轴线a转动，产生一个XOY平面受迫振动，待仿真结束，选取一个稳定周期(9-10s)的测量数据，读取A点在X轴方向的最大振幅x₂＝0.047885017mm及最大振幅所对应的相位角求得质径积

③在左平衡平面(8)上，增加配重：相位角为261.9°，质径积为2787.6g·mm；或者减少配重：相位角为81.9°，质径积为-2787.6g·mm；增加或者减少配重的相位角(如图3所示)。

在三维软件中通过对回转件(6)的左平衡平面(8)与右平衡平面(9)配重，完成了非轴对称复杂曲面回转件的动平衡设计。