（光学工程专业论文）铁路客车轮对动平衡工艺研究.pdf

北京交通大学工程硕士学 王论文中文摘要 中文摘要 为保证车辆有良好的运行平稳性，提高旅客乘座的舒适性及提高车辆的运 行安全往，车辆在运行速度较高时，应对轮对提出动平衡的要求。高速轮对经 过动平衡试验后，对不满足技术要求的轮对需进行动平衡处理，动平衡处理的 方法有配重法和去重法两种方法，配重法可采用补焊、喷镀、胶接、铆接和螺 纹连接等多种配重工艺，我们在实际中采用过螺纹连接配重工艺，但当列车在 快速运行的过程中，由于离心力的作用，出现过螺栓被剪切，平衡块脱落的现 象，从而轮对平衡出现失稳状态，从而影响列车运行品质，进而影响车辆运行 安全，从此螺纹连接的配重工艺不允许再在铁路车辆上使用；以后铁路车辆动 平衡采用去重法进行动平衡处理，因此各基层单位都投入了很大的精力与财 力，平衡试验机、平衡试验与去重一体化设备相继被采用，对保证轮对质量起 到了积极的促进作用，但运用中也出现了一些问题，如修时长、成本高、轮对 去重后有报废和降级使用现象，因此在一线生产单位有改进的需求，正是在这 种条件下，本文结合生产实际和新材料、新工艺的使用，把环氧树脂应用到我 们的动平衡工艺中来，环氧树脂虽然不能算新生代的材料，但随着配方的不断 增多，添加剂的种类不断增多，其应用范围也越来越广，性能也越来越接近或 满足人们不断增长的需求，通过大量的实践，我们发现环氧树脂修补剂可以满 足我们的要求，而且这种修补剂是一种双组分环氧树脂材料，在其中含有钢 粉，增加了材料的比重，另外这种修补剂在常温下的固化性能较好，施工简 单，固化后有良好的物理性能和机械加工性能，经常被用来修补机泵、管材和 缸体等，是一种新型的材料，用这种材料来作为轮对动平衡的配重材料，即可 以起到配重的作用，又消除了粘接的突起的平衡块以轮对高速运行的不利影 响。 采用这种新型的环氧树脂修补剂进行轮对动平衡配重，具有操作简单易 行，修补剂固化后硬度高、强度好，机械加工性能良好，黏着性强，抗剪强度 完全满足要求，尤其在配重部位的边缘，修补剂与轮对本体材料结合性好，无 翘起、裂开现象，避免了高速运行条件下，由于黏着性差而带来的配重材料被 甩的现象，本文在对新材料、新工艺研究的基础上，根据现场实际情况，提出 了新的动平衡配重工艺，并在生产实践中加以实施，通过运行实践证明，新材 料、新工艺能很好地满足检修质量技术要求，并且耗时少，成本低，是结合生 产实际的好办法，具有一定的推广价值。 。 关键词：轮对，动平衡，修补剂，新工艺 儿j 北京交通大学工程硕士学位论支英文摘翌 a b s t r a c t d y n a m i cb a l a n c eo f w h e e l ss h o u l db et a k e ni n t oa c c o u n ti nh i 【曲一s p e e dv e h i c l e st o e n h a n c es t e a d yf u n c t i o n ，c o m f o r t a b l ef e e l i n ga n ds a f e t yo ft r a i n s a f t e rt h ed y n a m i c b a l a n c ee x p e r i m e n to ff a s t m o v i n gw h e e l s ，t h o s ew h i c ha r en o tc o m p e t e n tf o rt e c h n i c a l r e q u e s ts h o u l d b ep r o c e s s e d t h em e t h o d so fd y n a m i cb a l a n c ep r o c e s s i n gi n c l u d e w e i g h t m a t c h i n ga n dw e i g h t r e m o v i n g w e i g h t m a t c h i n gc a na d o p tt h et e c h n i c so f s o l d e r i n gc o m p e n s a t i o n ，s p r a yp l a t i n g ，g l u e - n i c k i n g ，r i v e tc o n n e c t i n ga n ds c r e wt h r e a d c o n n e c t i n g i np r a c t i c e ，w eu s e dt oa d o p tt h et e c h n i c so fs c r e wt h r e a dc o n n e c t i n gf o r w e i g h t - m a t c h i n g b u tw h e nt r a i n sa r ei nh i g hs p e e d ，d u et ot h ee f f e c to fc e n t r i f u g a l f o r c e ，b o l tc u t t i n ga n db a l a n c i n gd e v i c ef a l l i n go c c u rf r e q u e n t l y , w h i c hm a yl e a d u n b a l a n c eo fw h e e l sa n da f f e c t st h es a f e t yo ft r a i n s t h u st h et e c h n i c so fs c r e wt h r e a d c o n n e c t i n ga r en o ta l l o w e dt ou s ei nt r a i n sa n ym o r e r a i l w a yt r a i n sa d o p tw e i g h t - r e m o v i n gm e t h o df o rd y n a m i cb a l a n c ep r o c e s s i n gs i n c et h e n m a n a g e m e n ta ta l ll e v e l s h a sd e v o t e dm u c hf i n a n c ea n dr e s o u r c e sf o rt h i sc a u s e e x p e r i m e n t a lb a l a n c i n gm a c h i n e ， b a l a n c i n ge x p e r i m e n t a n d w e i g h t r e m o v i n gi n t e g r a t i v ee q u i p m e n t a r e a d o p t e d a c c o r d i n g l y , w h i c he x e r tp o s i t i v ee f f e c tt oe n s u r et h eq u a l i t yo f w h e e l s s o m ep r o b l e m s a l s oe m e r g ei np r a c t i c es u c ha sl o n gr e p a i rt i m e , h i 曲c o s t ，w h e e l sr e j e c ta n dd e g r a d i n g ， s ot h e r e si n c r e a s i n gd e m a n df o rt e c h n i c a li m p r o v i n gi nm a n u f a c t u r i n gd i v i s i o no nf r o n t l i n e u n d e rs u c hc i r c u m s t a n c e st h i sp a p e rc o m eo u t ，w h i c hc o m b i n et h ep r a c t i c eo f p r o d u c t i o na n da p p l i c a t i o no fn e wm a t e r i a l sa n dt e c h n i c s e p o x i d er e s i ni sa p p l i e di n o u rt e c h n i c sf o rd y n a m i cb a l a n c e a l t h o u g he p o x i d er e s i nc a nn o tb er e g a r d e da sn e w m a t e r i a l ，a sd i f f e r e n tq u o t aa n dv a r i e t i e so fa d d i t i v ea p p e a r , i t sa p p l i c a t i o na r e ae x t e n d s a n di t s c a p a b i l i t ys a t i s f i e so ra p p r o a c h e sp e o p l e si n c r e a s i n gd e m a n d s t h r o u g h s u f f i c i e n t p r a c t i c e ，w e f i n dt h a t e p o x i d e r e s i nr e p a i r i n gr e a g e n tc a nm e e to u r r e q u i r e m e n t s t h i sr e p a i r i n gr e a g e n t i sak i n d o ft w o c o m p o n e n t e p o x i d er e s i n m a t e r i a lt h a tc o n t a i n ss t e e lp o w d e rt h u si n c r e a s e st h ep r o p o r t i o n i th a sg o o ds o l i d i f y i n g p e r f o r m a n c ei nn o r m a lt e m p e r a t u r e i ti s ak i n do fn e wm a t e r i a l ，w h i c hi se a s yt o o p e r a t ea n dh a sg o o dp h y s i c a ln a t u r ea n dm e c h a n i c a lc a p a c i t y , w h i c hi so f t e na p p l i e d t o r e p a i rp u m p s ，p i p e sa n dc y l i n d e r s a p p l y i n gt h i sm a t e r i a lf o rw e i g h t m a t c h i n go f w h e e l s d y n a m i cb a l a n c ec a nn o to n l yr e a l i z et h ef u n c t i o no f w e i g h t m a t c h i n g ，b u ta l s o e l i m i n a t et h en e g a t i v ee f f e c tb yp r o t u b e r a n c eo f b a l a n c i n gd e v i c et o f a s tm o v i n go f w h e e l s 北京交通大学工程硕士学位论文 英文摘要 a d o p t i n gt h i sn e we p o x i d er e s i nr e p a i r i n gr e a g e n tf o rw e i g h t - m a t c h i n go f w h e e l s d y n a m i cb a l a n c eh a sf o l l o w i n ga d v a n t a g e s i ti se a s yt oo p e r a t e t h er e p a i r i n gr e a g e n t h a sg o o dr i g i d i t ya n di n t e n s i t y i th a se x c e l l e n tm e c h a n i c a lc a p a c i t y i t sm u c o s i t ya n d a n t i c u ti n t e n s i t yc o m p l e t e l ym e e t st h ed e m a n d s o nt h ee d g eo ft h ew e i g h t m a t c h i n g p a r t ，t h er e p a i r i n gr e a g e n ti n t e g r a t ew i t ht h ei n h e r e n tm a t e r i a lo f w h e e l st i g h t l y , t h u s a v o i d i n gt h ec a s eo ft i l t i n go rs p l i t t i n gw h i c hc a nc a u s et h et h r o w i n g - o f fo fw e i g h t m a t c h i n gm a t e r i a l sw h e nh i i 曲s p e e dr o l l i n g o nt h eb a s i so f c a r e f u lr e s e a r c hi nn e w m a t e r i a l sa n dt e c h n i c sa n da c c o r d i n gt oa c t u a lp r a c t i c e , t h ep a p e ra d v a n c e dan e w t e c h n i cf o rw e i g h t m a t c h i n go f w h e e l s d y n a m i cb a l a n c ea n da p p l i e di tt om a n u f a c t u r i n g p r a c t i c e t h ep r a c t i c ec a ns u f f i c i e n t l yt e s t i f yt h a tt h i sn e w k i n do fm a t e r i a la n dt e c h n i c c a ns a r i s f yt h et e c h n i c a lr e q u e s tf o re x a m i n i n ga n dr e p a i r i n gq u a l i t y i ti sa na p p l i c a b l e m e t h o dw h i c hi sc o s t s a v i n ga n dl o wt i m e c o n s u m i n g i ti sw o r t h w h i l e t ob e p o p u l a r i z e d k e y w o r d s ：w h e e l s ，d y n a m i cb a l a n c e ，r e p a i r i n gr e a g e n t ，n e wt e c h n i c s v 致谢 本篇论文是在北京交通大学柳拥军教授和长春轨道客车股份有限公司李瑞 淳高工的精心指导下完成的，论文写作初期，他们对论文结构、论文的重点突 破方向都给予了很好的指导，为论文的写作打下了良好的基础。论文的初稿完 成后，柳教授又对论文中存在的问题进行了详细地分析，并给出了具体改进意 见，使论文的结构更加合理，论文的内容更加丰满，柳老师渊博的学识、严谨 的治学作风，给我留下了深刻的印象，特别是柳老师认真、负责的工作精神和他 真挚热情的品质，非常值得我学习。在这里，谨向柳教授表示深深的谢意! 在论文的完成过程中，还得到了刘晓岩高工、程冰高工、郭宾高工等的关心 和指导，他们对本文的论文工作提出了许多有建设性的意见和建议，使本人受益 匪浅。在此谨向他们表示衷心的感谢。 在本项目的进行和试验过程中，长春客车厂转向架检修中心的各位领导对 论文的完成给予了大力支持在此表示诚挚的谢意! 北京交通大学工程硕士学位论文 绪论 i i 研究的目的与意义 1绪论 为保证车辆有良好的运行平稳，提高旅客的舒适性及提高车辆的运行安全 性，车辆运行速度较高时，应对车轮提出动平衡的要求。我国自1 9 9 0 年第一批 空调客车制造出厂时，就已规定车辆在各种速度下( 包括1 4 0 、1 5 0 k m h ) 平稳 性指标w 2 5 时轮对需作动平衡试验，国外一些车轮标准如i s o 、u i c 、a a r 标 准中均有对高速客车轮对进行动平衡的要求。近年，随着我国铁路事业的不断 发展，铁路客货车的提速成为提高铁路竞争力的重要手段，客车的提速工作也 成为重中之重。客车提速后，轮对的平衡性能对客车运行品质的影响也变得相 当突出，铁道部也颁布了相应的措施和技术标准以保证提速客车的运行质量。 高速轮对经过动平衡试验后，对不满足技术要求的轮对需进行平衡处理，平衡 质量的好坏直接影响高速列车的运行性能，直接影响列车运行的安全性，因此 各基层单位都对此投入了很大的精力与财力，平衡试验机、平衡试验与去重一 体化设备相继被采用，对保证轮对质量起到了积极的促进作用，但运用中也出 现了一些问题，如修时长、成本高、轮对去重后有报废和降级使用现象，因此 在一线生产单位有改进的需求，正是在这种条件下，探讨新的平衡办法。具有 一定的现实意义。 1 2 国内铁路车辆轮对动平衡的现状与分析 铁道车辆的不平衡限度与车辆的特性参数包括车辆定距、车体重量、车体 刚度( 即自振频率) 和运行速度有关。不平衡值直接影响车辆的振动性能和车 辆的运行平稳性，而车辆的运行平稳性指标是评定旅客舒适程度的主要依据， 反映了车辆振动对旅客舒适度的影响。 由于不平衡值的存在，车辆轮对在运行过程中仍然会产生激扰，因此高速 时应对车轮的不平衡值加以限制，车轮的不平衡值主要按车体、转向架的最大 加速度来决定，当车体中央部振动的最大加速度为i m s 2 时，对应的车轮不平衡 值为允许的限度。t b t 2 5 6 2 - 1 9 9 5 规定，车轮经平衡后，在每个车轮的测量平面 上的剩余的动不平衡量应符合规定的许用动不平衡量，许用不平衡量见表i - 1 。 北京交通大学工程硕士学位论文绪论 表卜1 车辆轮对许用不平衡值 f o r m1 - 1 a l l o w a b l ei m b a l a n c ev a l u e so f w h e e l s 构造速度车轮许用静不平衡量轮对每个车轮的许用动不 k m h g m平衡量g m v 2 0 05 0 5 0 2 0 0 v 1 2 07 5 7 5 目前我国铁路车辆轮对动平衡校正方法主要有以下两种： ( 1 ) 加重法：加重就是在已知该校正面上折算的不平衡量u 的大小及方向 后，有意在u 的负方向上给回转体附加上一部分质量，并使质量m 到旋转轴线 的距离r 与质量m 的乘积等于i ul ，即m r = i ul ，显然，该校正面上的不平衡被 消除了。加重可采用补焊、喷镀、胶接、铆接和螺纹连接等多种工艺方法加配 质量。 ( 2 ) 去重法：去重就是在己知该校正面折算的不平衡量u 的大小及方向 后，有意在u 的正方向上从回转体上去除一部分质量m ，当i n r = i uf 时，去除的 质量m 产生的不平衡量就是u ，因而该校正面上的不平衡也被消除了。去重可采 用钻、磨、铣、锉、錾、及激光打孔等多种工艺方法去除质量。 加重法在轮对的动平衡生产过程中曾经采用过，是在需要加配重的部位钻 孔，用螺栓紧固平衡块，( 图卜l 加重法示意图) 但当列车在快速运行的过程 中，由于离心力的作用，往往出现螺栓被剪切，平衡块脱落现象，从而轮对平 衡出现失稳状态，从而影响列车的运行品质，进而影响列车的运行安全，因而 采用螺栓固定平衡块的加重工艺被禁用。 图卜1 加重法示意图 f i g u r ei - 1w e i g h t m a t c h i n gp r o c e s s i l l gm a p 北京交通大学工程硕士学位论文绪论 去重法是我国目前普遍采用的动平衡工艺方法，长客厂曾经采用过去重 法，在车轮严格实施静平衡去重后，轮对的动平衡残值基本能保证在图纸允许 的范围内，但由于轮对组成后各部件偏重可能累加到同一方向，所以仍有部分 轮对动平衡残值超出图纸要求，因此组装后轮对仍需在动平衡机上进行测量， 对于超差的，标出位置及不平衡残值，然后利用图t - 2 所示自制轴端偏心夹 具，将轮对装夹在c 6 5 0 型车床上，使其一端偏心，然后车削偏重处，使其不平 衡残值达到图纸要求。图卜3 为轮对车削示意图，上述轮对平衡工艺，虽然能基 本满足生产的要求，但都存在劳动强度大、生产效率低、人为误差大的缺陷。 图1 - 2 轴端偏心夹具示意图 f i g u r e1 - 2 a x l ec a de c c e n t r i c i t y j i gm a p 北京交通大学工程硕士学位论文 绪论 图1 - 3 轮对车削示意图 f i g u r e1 - 3 w h e e lt u r n i n gm a p 随着科学技术的不断发展，生产力水平的不断提高，动平衡试验和去重设 备一体的轮对数控动平衡自动去重机床被研制出来，它打破了传统的测量与去 重分离的工艺模式，具有结构紧凑、操作集中、加工精度高、生产效率高、工 人劳动强度小等优点，但由于动平衡去重一体机完全是自动控制的，因而在实 际操作过程中经常出现轮对报废或降级使用情况，增加了修车成本，造成不必 要的浪费。 1 3 主要研究内容 本论文重点研究铁路客车轮对动平衡工艺，针对现有动平衡工艺中存在的 不足，寻找一种新的平衡工艺方法，其主要研究内容及工作为： ( 1 ) 平衡原理 通过对别矬转子平衡原理的分析，找出产生不平衡的原因及校正方法。 ( 2 ) 动平衡去重工艺实践 通过对动平衡一体机的工作原理进行分析，结合2 0 0 2 年全年动平衡的统计 数据进行分析，找出动平衡去重一体机的优缺点，从而提出寻找新的平衡工艺 方法的必要性。 ( 3 ) 动平衡加重工艺 通过大量的反复试验及对比。寻找满足我们要求的环氧树脂修补剂，并对 找到的修补剂的物理机械性能、施工特性及操作工艺进行了研究，看能否满足 我们的需要? 并装车运用试验，看试验运用情况是否得到满足? ( 4 ) 两种平衡工艺技术经济比较 通过对两种平衡工艺的平衡效果、工时、成本进行比较，论证用环氧树脂 修补剂进行配重的工艺方法的可行性。 ( 5 ) 结论 4 北京交通大学工程硕士学位论文 平撕原理 2 平衡原理 常用机械中包含着大量的作旋转运动及作往复运动的零部件，例如各种传 动轴，主轴：电动机和汽轮机的转子；内燃机的曲柄连杆机构等等。作旋转运 动的零部件，可统称为回转体；含有作往复运动的零部件的机械，可称为往复 式机械。在理想的情况下，回转体旋转与不旋转时，对轴承产生的压力是一样 的，这样的回转体是平衡的回转体。但工程中的各种回转体，由于材质不均匀 或毛坯缺陷、加工及装配中产生的误差，甚至设计时就具有非对称的几何形状 等多种因素，使得回转体在旋转时，其上每个微小质点产生的离心惯性力不能 互相抵消，离心惯性力通过轴承作用到机械及其基础上，引起振动，产生了噪 声，加速轴承磨损，缩短了机械的寿命，严重时，能造成破坏性事故。作往复 运动的零部件，产生的惯性力同样是有害的，因此工程中常需要对回转体及作 往复运动的零部件进行平衡。平衡就是为了减小运动中产生的离心惯性力及往 复惯性力，使其达到允许的平衡精度等级，或因此产生的机械振动幅度在允许 的范围内的一种工艺方法。 2 1 一般刚性转子的平衡原理 任何一个回转体旋转时，其体内无数个微小质点都将产生离心惯性力，这 些无数的离心惯性力，组成一个惯性力系，作用在回转体上，使其产生弯曲变 形。弯曲变形改变了质点至旋转轴线的距离，使离心惯性力大小产生变化，又 使回转体产生新的变形，如此反复，直至抵抗变形的弹性恢复力与离心惯性力 平衡为止。工程中，若回转体在离心惯性力系的作用下，只产生微小变形，则 称其为刚性回转体，并忽略其变形。 2 1 1 刚性回转体的动力分析 假设有任意形状的刚性回转体( 见图1 1 ) ，以等角速度。绕一固定轴z 旋 转，取z 轴上任意一点为坐标原点，记为点0 ，则按理论力学原理可知，刚性回 转体上无数个质点产生离心惯性力向0 点简化的结果，将得到此惯性力系的主 矢及主矩m o ，用矢量表示为 北京交通大学工程硕士学位论文 乎掰原理 图2 1 刚性回转体动力分析 f i g u r e2 - 1d y n e ca n a l y s i so f r o t a t i n gr i g i db o d y r o = e f ：m j 2 = m c 0 2 r c | = m ir e i m o = 5 p ，xf i i m o 同+ e 式中 m 】一第j 个微小质点的质量( 蚝) h 一第j 个微小质点到z 轴的距离矢量( m ) e 一笫j 个微小质点产生的离心惯性力( n ) m 一刚性回转体总质量( 妇) r c 一刚性回转体的质心c 点到z 轴的距离矢量( m ) p j 一第j 个微小质点到原点0 的距离矢量( m ) j r ：刚性回转体对x 轴的离一1 1 , 惯性积( k g m 2 ) j 。一剐性目转体对y 轴的离心惯性积( 皓m 2 ) ( 2 1 ) ( 2 - 2 ) 主矢凡的大小与原点0 的位置选择无关，而主矩的大小却与原点0 的位 置选择有关。刚性回转体在旋转时，主矢和主矩的方向也随同产生旋转性变 化，因此对轴承产生交变的动压力。所以，刚性回转体平衡的充分与必要条 件，是惯性力系向任一点简化得到的主矢与主矩都为零。式( 2 1 ) 中，由r 。= o 可推出r 。：0 ，即z 轴必须通过质心c ：式( 2 - 2 ) 中，由m 口= o 或l 地j = o 可推出 j y z = 0 及j z x = 0 ，即z 轴必须是刚性回转体的某一条主轴。满足条件r 。= 0 及= 0 的轴，可称为中，t l , 惯性主轴。要使一个不平衡的刚性回转体成为平衡的刚性回 转体，就需要重新调整其质量分布，使其新的中心惯性主轴与旋转轴重合才 北京交通大学t 程硕士学位论文 f 衡原理 行。 根据回转体惯性力系简化结果的不同，刚性回转体可能存在四种不平衡状 态，见表2 一l 。 对于前两种情况，平衡校正时只需在某一特定平面上加上或去除一定的质 量，便可达到平衡，称为静平衡( 亦称单面平衡) ；而对于表2 一l 需进行静平 衡。 经过静平衡的转子，不一定能满足动平衡要求：但经过动平衡的转子，一 定能满足静平衡要求。 对于如轮对这样的组合转子而言，一般应对组成它的所有零件按规定的平 衡精度要求，分别作单独平衡校正，组装后的不平衡量是各零件的不平衡矢量 和，由于各零件的剩余不平衡量的位置是任意的，所以即使是最不利的情况 下，也只是各不平衡量的代数和。 当然，应注意到装配误差造成的不平衡，以及最后组装的各零部件相互位 置会不同于在平衡机上的位置，因此，如果一个组合转子不能通过构成它的每 一个零件的单独平衡达到其平衡精度要求，那么，该组装成的转子应在装配后 作为一个整体进行平衡。 如果每个单独的零部件分别进行平衡，那么应预先将诸如螺栓、键等连接 附加其上。 北京交通大学工程硕士学位论文 平衡贩理 表2 - 1 不平衡的类型 f o r m 2 it h et y p eo f i m b a l a n c e 类互示意直 惯性力最简亿结果 早街方珐 r o 0 即r c e 0 m i叫 如= o 即k = k = 0 静不平 。由。小 箨平街 衡 ul r d 0 鄞r e c k 0 m i 0 但r 上 b 堆静不 。曲蚕 总能拽捌直使 搏兄- 0 但m e 7 = o 静平衡 平衡 凹5 r 。0 即c = 0 m e m o 印l o 羁不平 尽移 口 动平衡 扼 月o 即7 c 0 “0 即l o o 幼平衡 动不平 i念_ 。、f 歹 衡 2 2 刚性回转体的静平衡和动平衡 2 2 1 静平衡 到目前为止，静平衡的测量原理有两种。 2 2 1 1 重力原理检测：采用一定的支承方式，依靠重力对转子的作用来检 测转子的静不平衡。这种方式设计的平衡机称之为重力式平衡机。 北京交通大学工程硕士学位论文平衡原理 2 2 i 1 1 刀架支承方式的重力式平衡机：将转子安装在平衡工艺轴上，静 不平衡的转子在重力的作用下会在刀架上滚动；由此来检测静不平衡。 2 2 1 1 2 杆簧支承方式的重力式平衡机：将转子安装在杆簧平衡工艺轴 上，静不平衡的转子在重力的作用下会使杆簧变形：通过检测杆簧的变形来检 测静不平衡。 2 2 1 1 3 静压悬浮支承方式的重力式平衡机：采用静压悬浮实现转子的点 支承，通过其他辅助手段来检测静不平衡。此种方案，可实现大型转子的静平 衡。 2 2 。i 。2 旋转振动原理检n - 旋转振动原理检测就是设计一个包含工件在内 的机械旋转振动系统，转子在离心力系的作用下在振动系统中振动，通过检测 振动系统的振动来检测静不平衡。 2 2 i 2 1 软支承静平衡机：当平衡机选用的平衡转速的角频率大于转子与 平衡机组成的振动系统的共振频率的2 5 倍时，我们称这台平衡机为软支承平 衡机。 2 2 1 2 2 硬支承静平衡机：当平衡机选用的平衡转速的角频率小于转子与 平衡机组成的振动系统的共振频率的1 3 倍时，我们称这台平衡机为硬支承平 衡机。 2 2 1 2 3 半硬支承静平衡机：当平衡机选用的平衡转速的角频率大于共振 频率的i 2 倍，小于共振频率；平衡机称作半硬支承静平衡机。 利用刀架确定不平衡量的方法很简单，让回转体在静平衡架上来回摆动， 静止时，若无滚动摩擦的影响，质心一定位于通过轴心的垂线下方，即不平衡 瞄：掣挈 2 。 式申i 。一回转 摹绕转蛩吉心。荔的转动惯量k 8 对 一可奁数学手册求得5 hn ；卜 1 1 工件重量w ，不哆m 使工件产生角度的斛 大小检测不平衔量的大小。 蚕：彳麒 通过测量a 角度的 c 2 - 4 ) ：蒜嚣淼瓣 。为颊斜角度； 飞参测不平衡量产生的离心力的大小测出不平衡量 北京交通大学工程硕士学位论文 平衡原理 工作原理：安装工件后，电机带动主轴旋转，工件上面的不平衡量由于旋 转产生离心力，从而使振动系统产生振动，测振传感器将振动信号( 包括干 扰) 转换成电信号经过放大、滤波和a d 转换，与角度传感器的信号进行比较， 两路信号在计算机内经采样，滤波及解算后送到v g a 显示器实时显示出不平衡 量的大小( 幅值) 和角度( 相位) 。 u = k a ( 2 - 5 ) u 是不平衡量的幅值和角度； k 是振动系统系数，和机床重量、工件质量、地基特性、电气测量特性等因 素有关，一般是计算机计算得出： a 是传感器测量值，和传感器的灵敏度、系统板簧刚度有关，是电气测量系 统滤波、放大后经过a d 转换采集得到； 使用静平衡机或动平衡机，则可一次读出静不平衡量的大小和方向。 确定了静不平衡量的大小和方向后，可采取加重、去重或调整校正质量等 多种办法进行校正。 无论使用哪一种静平衡机，都需要夹具来定位夹紧工件，这样，就存在着 夹具不平衡量引入的问题，因此，为得到真正的工件不平衡量测试结果，必须 将夹具不平衡量及夹具定位误差导致的不平衡量从结果中提出剔除，有2 种方 法，一是夹具校正，即把夹具的不平衡量在夹具上去除。二是电气补偿，在测 量系统中将夹具的不平衡量去除。第一种方法在夹具的不平衡量大的时候采 用，第二种方法在精确校正时采用。所以，工件的不平衡量用以下公式计算； u z = u 铡一u 夹( 2 6 ) 电气补偿计算方法： 舀夹：u l + u 2( 2 7 ) 2 u 。一需要补偿的夹具不平衡量； u 广第一次测出的不平衡量值； u ：一工件相对夹具转1 8 0 度，第二次测出的不平衡量值； 以上运算为矢量运算。 2 2 2 动平衡 动不平衡量，一般只能在动平衡机上测出。 北京交通大学i 程硕士学位论文、乎衡原理 回转体动不平衡的校正方法见表1 - 2。设已知回转体两任一平面i 和i i 内的不平衡量u 。及u ：，若平面i 及平面i i 不是校正平面，则可通过理论力学中 的分解与合成定理，将其简化到校正平面上进行校正。 2 2 3 动平衡和静平衡的关系 静平衡和动平衡的原理、适用范围和校正方式均不同，静平衡是用以平衡 不平衡力对旋转轴线产生的力矩，适用于盘状零件，只需在垂直于旋转轴线的 一个校正平面内进行校正平衡。动平衡则是用以平衡不乎衡力产生的力矩和不 平衡力偶，盘状零件和圆柱形零件均适用。一般是零件在高速情况下作动平 衡，且需在两个或多个垂直于旋转轴线的校正平面内进行校正平衡。经过静平 衡的零件，不能解决力偶的不平衡，所以，不能满足动平衡要求。但经过动平 衡的零件，一定能满足静平衡的要求。 对于初始不平衡量较大的零件，可先做静平衡，然后再做动平衡，这样可 简化动平衡过程，同时避免由于不平衡值过大，超过平衡机的检测范围，影响 平衡机的精度。 表2 - 2 动平衡的校正方法 f o r m2 - 2 b a l a n c m gc o r r e c r o n 控正方甚早衡原理图 筒要说明 不早暂量向两 不平哲量u 厦u 2 分掰向两校正面1 豆1 i 分 十筏正面 可他! 地。、iv h g g 为u f u ! ，u j 时，再分别求出音不 “砸k、 k 。领。2 平衡量u i au i ，井在校正面上校正u i 丑 w i 、。 u 】i d i 不平衡量向单 u 及u 2 向单校正面简化得不平钷置矿厦不 平衡矩硝在敉正面内投正u ，在另井两拄意 筏正面上控芷膨f d 方向上) 控正面衙亿 n 坦鞋掣“蕊三。 不平衡量的对 u l 厦u 2 町升解者平面上的两十目方向同 称及反对称简化 “锄声吲抟0 “ 隧# l 岳f 太小的量【缸l k 和在d 平面上昀两个反方向 同大小的置u i 厦u h 。可在3 丑d 方面上在菏 r 。 个檀正面内分别校正。遗种方溃也常用于秉性回 转件的动早衡 多面丹辫 对于箍些形状持殊的工件如曲轴等i 面 雠缔艮”彳奢。 只能在0 一9 0 范呵内击重、面只能在 1 8 0 2 7 。范珂内击羞舯。倒如若需要在i 面 鬯呻毕，。娥巯。 1 8 8 击童u 时可采用平行力分解的原理在能 击重的面1 船处去重n ( f 口) 并在面的 巨uf ”弋扩 矿址土重。f n ( c 一4 ) o 或者在面1 8 矿赴击盈 l 一 u 以f 一”在面的8 。处去童u 6 ( c 一6 ) 北京交通大学工程顼士学位论文甲掰原理 2 2 4 平衡机械的种类 据前面的分析，为使旋转机械无振动而平稳地旋转，对机械中的旋转部分 即转子，必须进行平衡。为使转子得到准确的平衡，必须在转子旋转时测量不平 衡，并加以校正以消除测得的不平衡。这种旋转试验叫做”平衡试验”，平衡试验 中所使用的机械叫“平衡试验机”。 平衡实验的对象就是需要进行平衡的转子本身，平衡试验一定伴随着校正操 作，以改善被试件的平衡状态。需要做平衡试验的转子种类甚多，因而对某种特 定转子，应选择适合于该转子的大小、形状以及性质的平衡方法、试验机以及校 正设备。 如何根据需要试验和矫正的转子选择合适的试验机，须对待试转子考虑如下 各项： 所需的平衡平面数目； 不平衡的测量和校正方法； 所需的平衡精度； 试验时旋转轴是处于水平位置还是垂直位置； 转子在实际工况下是否产生挠曲等变形； 配置校正平衡块还是削去重量。 根据以上的条件选择合适的平衡试验机。在实际的生产过程中常用的平衡试 验机有多种，如有以只去除静不平衡为目的的静平衡试验机、为消除动不平衡而 必须进行双面平衡的卧式通用机、用于进行曲轴动平衡试验的盐轴平衡试验机、 以及用于进行传动轴试验的传动轴高速平衡试验机等等。 北京交通大学工程硕士学位论文动r 衡去雹工艺实践 3 动平衡去重工艺实践 在轮对动平衡去重生产实践中，较多采用的是动平衡试验机和相应去重设 备来共同完成，动平衡试验机是车辆轮对专用平衡试验机，用以测量轮对的不 平衡量，并确定去重的质量和去重部位；去重设备曾经采用铣削和偏心车削加 工设备。由于动平衡试验设备和去重设备各自独立，在试验和去重加工过程中 需进行吊装和反复调整，试验和加工耗时长，精度较低，随着快速轮对的增 多，越来越难以适应生产要求，因此，2 0 0 2 年，长春客车厂转向架检修中心采 用了动平衡试验和去重设备一体的轮对数控动平衡自动去重机床，在生产实践 过程中，较以前的设备无论从生产效率还是在检修精度上都得到了较大改善。 3 1 动平衡去重设备基本原理 列车运行时轮对上的不平衡量因为旋转产生离心力引发周期性强烈振动， 其幅度与列车行驶速度及轮对本身残余不平衡量大小有关，根据这一原理，轮 对动平衡去重机械充分模拟轮对真实运行状态，把速度传感器和光电传感器检 验到的模拟信号，通过以工控机为主机和带c p u 的超大规模集成电路的测量系 统进行检波、放大、采样、a d 转换并计算出轮对上不平衡量的大小和角度，与 数控系统进行实时通讯，结果在显示、储存的同时传输到数控系统，数控系统 根据设计时建立的三维动态数学模型计算出需要切削的深度并生成自动去重轨 迹模型，控制专用铣削头三坐标联动进行铣削，在轮对两车轮内缘以不平衡点 位置为中心小于1 2 0 。的范围内进行无应力成型铣削，达到精确去重的目的。 3 2 动平衡去重设备的主要新技术 动平衡去重一体设备打破了传统的测量和去重分离的工艺模式，具有结构 紧凑、操作集中、高精度、高效率和利于轮对大批量生产的特点，另一方面， 在动平衡测量方式上采用了工控机数字测量、微电子、模数转换、变频调速、 光电转换、静压、液压、气动等高度光、机、电、液一体化新技术，并且在去 重铣削方式中应用数字控制技术和微积分理论建立了适应多种速度级别轮对去 重切削的三维动态数学模型，新技术集中度较高。 1 4 北京交通大学工程硕士学位论文动平衡士重工艺实践 3 2 1 动平衡测量方面 一是借鉴了德国先进的摩擦驱动技术，通过采用静压支撑使轮对能自由滑 行，模拟轮对真实运行状态，实现轮对无干扰测量的可能；二是利用速度传感 器和光电传感器检测模拟轮对真实运行状态时由于动不平衡产生的振动信号， 通过多个微处理器( c p u ) 组成的具有双路高速m d 转换、程控跟踪放大和跟踪 滤波、转速实时测量、数据实时传输、基准信号模拟、振动信号模拟和i o 控 制等功能的超大规模集成测量电路以及工作在w i n d o w s 9 8 平台专用测量软件下 的工控机采样分析，由于速度传输、处理速度和能力的精确、方便、快捷等强 大的功能，能迅速测量出轮对不平衡量的大小和角度，测量精度显著提高，达 到e m ”8um ，u r r 9 0 以上，为去重加工提供了准确无误的数据。 在传统的动平衡测量方式中，在动平衡测量时，在轮对轴端连接万向节， 通过万向节来驱动轮对高速旋转，完成动平衡测量。由于动平衡测量时轮对与 万向节连接在一起，与轮对一起高速旋转，无法脱开，万向节上固有的不平衡 量附加在轮对上，给轮对一个附加的不平衡量，对轮对的动平衡测量产生干 扰，本来就不是轮对的真实状态，造成动平衡测量数据精度差( 考核动平衡测 量的两个重要指标：最小剩余不平衡偏心e m a r3 0ui n ，动平衡一次性减低率 u 职6 0 ) ，直接影响了去重的准确性，轮对动平衡测量效果达不到应有的要 求。因此这种测量方法满足不了精密动平衡测量的要求。 除考核动平衡测量精度两个常用指标“最小剩余不平衡偏心e ”和“动平衡 一次性减低率u r r ”外，像轮对这样的对称零件应该能做到调头测量的一致性， 但实际测量过程中却事与愿违，举例来说，使用原来的轮对动平衡测量机，轮 对与万向节的联接端需要做记号，复测时不能把万向节连接在另一轴端，否则 无法校验，实践经验表明，轮对调头测量的一致性误差常常在8 0 9 n l 以上，而 我国提速后规定的轮对剩余不平衡量应在7 5 9 m 以内，显然，就算一个刚刚测 量认为剩余不平衡量为0 的绝对合格轮对，调一下头重新测量，剩余不平衡量 发生了改变，可能变为不合格产品，因此使用万向轴连接的动平衡机不能满足 快速轮动的动平衡要求。 轮对的轴颈是动平衡测量中需要保护的重点部位，在实际测量过程中，轮 对轴颈仍然采用滚子支撑，这对保护轮对轴颈非常不利，经常造成轮对在这道 工序上报废，有些虽然可利用，也在安全上埋下了一定的隐患，尤其对提速后 的车辆轮对，这种损伤更是致命的，也是绝对不允许的。 针对以上问题，新的动平衡去重一体机应用最先进的光学、计算机、微电 子、机械、液压等技术，有效地解决了提速后2 0 0 公里小时以下列车轮对的 北京交通大学工程硕士学位论文动平衡去重工艺实践 精密动平衡测量的工艺难题。它采用四个摩擦轮驱动车辆轮对的踏面，实现轮 对动平衡测量时所需的高速旋转，摩擦轮在动平衡测量时自动脱离轮对，轮对 自由旋转，轮对上没有任何附加的不平衡量和惯量，另外，轮对轴颈支承在静 压油膜上，轮