摘要: 砂輪不平衡是磨床振動的主要原因。為了在線調整砂輪的平衡狀態，提高磨床的（de）磨削精度，介紹一種新型的氣壓液體（tǐ）式在線自動平衡係統。該（gāi）平（píng）衡係統利用壓縮空氣驅動平衡液在位置相對的儲液腔間進行質量轉移，改變（biàn）平衡盤中的液體分布，進而實現砂輪平衡狀態的在線調整。通過對裝置平衡性能的分析，認為（wéi）該類裝置具（jù）有平衡速度快、平
衡能力線性度好（hǎo）的優點。最後經過實驗驗證，該裝置在5 500 r /min 的轉速下，將（jiāng）係統不平（píng）衡振動從10． 2 μm 降至0． 37μm，振幅下降比例達95%以上。

   
      在機械加工（gōng）過程（chéng）中，機床（chuáng）自身（shēn）的振動會（huì）嚴重影響機床的加工精度和加工效率。對磨床而言（yán），振動會使被磨工件產生表麵波紋和增大工件的表（biǎo）麵粗糙度，影響工件質量; 且（qiě）振動會（huì）加劇砂輪自身（shēn）的磨損，導致砂輪頻繁地修整與更換，影響加工周期。

      砂輪不平衡是導致磨床振動的主要原因。即使在磨削前預先對砂輪（lún）進行過動平衡，但在磨削過程中，冷卻液的不均勻吸附和砂（shā）輪的不均勻磨損均會導（dǎo）致砂輪不平衡量的再次產生，且該不平衡量隨著磨削過程逐漸增大。不平（píng）衡量所產生的離心力與砂輪轉速的平（píng）方成正比，對於高速（sù）和超高速的磨床，即使極小的不平衡量，也會產生非常（cháng）大的離心力，嚴重（chóng）影響磨（mó）床的正常運行。因此，為了獲得更高的加工精度和加工效率，在磨床（chuáng）上加裝在線自（zì）動（dòng）平衡係統是非常必要的。目前，該類產品主要有電機式［1］、電磁式［2 － 3］和注液式［4 － 5］三（sān）種，由國外的Schmitt 和Dittel 等公司生（shēng）產; 國內也（yě）有很多學者進行了相（xiàng）關研究，但均尚處於研發（fā）階段，未見到成熟產品［6 － 8］。在（zài）本（běn）文中，重點介紹了一種新型的氣壓液體（tǐ）式在線（xiàn）自動平衡係統［9］，並對（duì）該係統的平衡性能進行了（le）理論分析，最後通過實驗，驗證了（le）該類係統的性能。

     1 、平衡原（yuán）理

     氣（qì）壓（yā）液體（tǐ）式（shì）平衡裝置屬於液體式平衡裝置中的一種。在設（shè）備安裝前，需要在兩組位置相對的儲（chǔ）液腔中預先充入平衡液（yè）體。平衡過程中，通過向指定儲液腔充（chōng）入壓縮氣體，驅動平衡液在相對儲液腔間轉移，改變平衡（héng）盤中液體的質量分布，進而實現對砂輪的在線自動平衡（héng）。

     整個（gè）平衡（héng）過程中，不需（xū）要（yào）外界注入或向外界排出（chū）平衡液，平衡液（yè）僅在密閉的儲液（yè）腔間進行定向轉移。

     與已有的注液（yè）式平衡裝置相比，該氣壓液體式平衡裝置因擺脫（tuō）了注排液這一（yī）過程，具有以下幾點優勢:

     ( 1) 在整個平衡過程中，因平衡過程（chéng）可逆，所以整個裝置可以始終保持（chí）最大的平衡能力;
     ( 2) 平衡（héng）液在封閉的環境中工作，損耗接近於零，因此可以根據實際應（yīng）用的需要任意選擇適用的平（píng）衡液;
     ( 3) 采用高穩定性平衡液（yè）做到長期潔淨無沉積，可以使（shǐ）用更細的管徑（jìng），從而減小液體的最小可控轉移量，使（shǐ）得平衡精度更（gèng）高;
     ( 4) 選用高密度平衡液，在（zài）平（píng）衡盤體（tǐ）積一定的情況下，可以得到更大的平衡能力;
     ( 5) 平衡狀態具備停機保持功能。

     2 、結構設計

     氣壓液體式自動平衡裝（zhuāng）置由平衡盤和氣源分配器兩部分組成，如圖（tú）1 所示。

                          圖1 平衡裝置結構簡圖

 
     2. 1 平衡盤

     平衡盤固定在砂輪主（zhǔ）軸上，和主軸（zhóu）同步旋（xuán）轉。平衡盤（pán）內（nèi）部對稱分布4 個扇形儲液腔，預先充入平衡液。在儲液腔的一（yī）側蓋板上加工氣體和液體流道。其中（zhōng），注（zhù）氣流道4 條，分別對應（yīng）4 個儲（chǔ）液腔，由4 台（tái）兩位三通電（diàn）磁閥控製通斷。連通流道2 條，分別對應兩組（zǔ）位置相對的儲液（yè）腔。連通流道的兩（liǎng）端均位於儲液腔的最（zuì）大半徑處，連通流道中心（xīn）點所在半徑最小。當壓力（lì）氣體進入某一儲液腔並達到預定壓力後，平衡液將通過連（lián）通流道被壓入對側儲液腔，實現了平衡液的定向轉（zhuǎn）移。

                                    圖2 平衡（héng）盤（pán）結構簡圖

     2. 2 氣源分配器
 

     氣源分（fèn）配器的主（zhǔ）要功能是實現（xiàn）壓縮空氣從靜止氣管到旋轉儲液腔間的傳輸。根據安裝位（wèi）置和注氣方向的不（bú）同，該分配器的具體結構可以有多種形式。以軸向注氣的分配器為例，該結（jié）構包含定子（zǐ）、中間套和前（qián）後軸承四部分，其中，定子和兩軸承的內圈均靜止不動，中間（jiān）套（tào）和兩（liǎng）軸（zhóu）承的外圈同平衡盤一（yī）起同步旋轉。壓縮空氣由定子引入，經定（dìng）子外壁上的4 道環槽可以進入中間套的4 個進氣孔，繼而通過中間套內的4 條進氣流（liú）道最終（zhōng）將壓縮空氣導入對應的儲液腔。中間套（tào）與儲（chǔ）液腔內壁過盈配（pèi）合，中間套與定子之間留有十幾微米的間隙。前後兩軸承可以保證在這（zhè）樣小的間隙下轉子正常旋轉。定子采用軟支撐的方式固定，設備運行過程中，前後軸承僅承受定子的自身重力和隨動的簡諧激振力。

                         圖3 氣源分配器結構簡圖
 

     3 、平衡性能分析

     3. 1 單腔注液

     對於普通單個扇形儲液腔，儲液腔內注入的平衡液質量m 可由下式計算得出:

     式中，ρ 為平衡液密度，B 為儲（chǔ）液腔厚度（dù），θ 為扇形（xíng）儲液腔對於圓（yuán）心（xīn）角，Ｒ2為儲液腔外徑（jìng），Ｒ'1為儲液腔液層內徑，儲液腔結構如圖4所示。

                 圖4 儲液腔結構簡（jiǎn）圖

     儲 液腔（qiāng）平衡能（néng）力U 由下式計算得出:

     以Ｒ'1為中間變量，得儲液腔平衡（héng）能力U 和腔內注入（rù）平衡（héng）液質量m 的關係為:

     公式兩邊同時對m 求導，得（dé）到儲液腔平衡能力和單位液體質量的關係為:

     3. 2 對腔轉移

     氣壓液體式平衡裝置在壓縮氣體驅動平衡液轉移時，相對位置的兩儲液腔同時動作，對應平衡液在兩相（xiàng）對儲液（yè）腔間做一增一減的流動。所以在分析轉（zhuǎn）移質量和平衡能力的關係時，兩相對儲（chǔ）液腔需同時（shí）考慮。以A、C 兩相對儲液腔為例: 平衡（héng）裝置（zhì）啟動（dòng）前，兩腔儲液量相同; 平衡過程中，在C 腔注入壓縮空氣，驅動平衡液向A 腔流動，直至C 腔液體全部轉移至A 腔。因平衡液在轉移（yí）過程中無損耗，所（suǒ）以C 腔（qiāng）儲液量的減小量等於（yú）A 腔儲液量的增加量。設（shè）A 腔（qiāng）的（de）實際（jì）儲液量為MA，其中初始儲液（yè）量為mA，液體（tǐ）轉移量為m; C 腔的實際儲液量為MC，其中初始儲（chǔ）液量為mC，液體轉移量為m。則六個參數的（de）關係（xì）為:mA = mC; MA = mA + m; MC = mC － m將液體轉移量的公式代入上式（shì），得

     所以該組（zǔ）儲液腔的總平衡能（néng）力U 和液體轉移量m的關係為

     3． 3 性能（néng）對比

  
     氣壓液體式平衡裝置因為其對腔轉移的平衡方式，使得平衡能力與平衡質量的關係發生了變化。在本節中，利用（yòng）實驗用儲液（yè）腔的基（jī）本（běn）參數，對該種平衡（héng）方式和傳統單腔注液方式進行定量對比。儲液（yè）腔（qiāng）的基本參數如表1 所示。

                                            表1 儲液腔基本參數

                                      表2 平（píng）衡性能對比結果

     由上表知，形成（chéng）相同的平衡能（néng）力，對腔轉移（yí）的平衡（héng）方式（shì）所需轉移的平衡液質量僅為單腔注液所需注入平衡液質量的一半（bàn）; 在（zài）對腔轉移過程中，單位質量液體對應平衡能力基本不變，而在單（dān）腔注液過程中，單位質量液體對應平衡能力具有較大偏差。從該結果可以看出，和傳統（tǒng）單（dān）腔注液的平衡方式相比，對腔轉移的平（píng）衡方（fāng）式具有（yǒu）平衡速度快、平衡能力線性度好的優點，有利於平衡係統（tǒng）控製精度和控製速度的提高。

     4 、實驗研究（jiū）

     為了驗證氣壓液體式自動平衡裝置的平衡效果，在（zài）臥式磨削試（shì）驗台上進行了相關實驗。

     試驗台所用（yòng）電主軸為磨削專用電主軸，功率9 kW。所用模擬砂輪的規格為250 × 127 × 20。模擬砂輪由左右兩砂輪法蘭夾緊，固定在電主軸上。平衡盤和（hé）砂（shā）輪左法（fǎ）蘭加（jiā）工成（chéng）一體，位於砂輪盤的內部，便於更好地平衡係統由砂（shā）輪（lún）不平衡（héng）帶來的振動。平衡盤外徑100mm，內含儲液腔深60 mm，所用平衡液為矽油，設計平衡能力為1 356 g·mm。在平衡盤的端（duān）部加工一凸台，利用接近開關測量試驗台（tái）轉速和振動相位。平衡盤的長度大於砂輪（lún）和砂輪法蘭的安裝（zhuāng）尺寸，高出（chū）的部分用（yòng）於作為位（wèi）移傳感器的測量麵，因為該測量麵非（fēi）常接近砂輪，且隨砂輪同步旋轉，所（suǒ）以可以（yǐ）直接的反應砂輪（lún）的實際振動。該實驗裝（zhuāng）置如圖（tú）5 所示（shì）。

                          圖5 平衡係統實（shí）驗裝（zhuāng）置

     在實驗（yàn）過程中，設定係統允許的振動幅值為0． 4μm。當係統的振動幅值（zhí）超出該設定值（zhí）後，控製（zhì）器（qì）輸出（chū）控製指令，進行自動平衡（héng）操作。因實驗裝置的臨界轉速為7 000 r /min，所以本文僅在臨界轉速以（yǐ）下做（zuò）了（le）自動（dòng）平衡實驗，所選轉速（sù）分別為3 000 r /min，5 000 r /min和5 500 r /min，分別對（duì）應砂輪線速度為（wéi）39 m/s，62 m/s和72 m/s，具體平衡效果如圖（tú）6 所示（shì）。

  
                              圖6 平衡效果圖

     在3 000 r /min 的轉速下（xià），係統（tǒng）初始振動幅值為8． 3μm( P － P) ，經過自動平衡後，係統振動幅值降低至0． 35 μm( P － P) ，振幅下降比例達（dá）95． 6%; 在5 000r /min的轉速下，係統初始振動（dòng）幅值為6． 5 μm( P － P) ，經過自（zì）動平衡後（hòu），係統振動幅值降低至0． 36 μm( P －P) ，振幅下降比例（lì）達94． 5%; 在5 500 r /min 的轉速下，係（xì）統初始（shǐ）振動幅值為10． 2 μm( P － P) ，經過自動平衡後，係統振動幅值降低（dī）至0． 37 μm( P － P) ，振幅下降比例達96． 4%。從此（cǐ）實（shí）驗效果可（kě）以看出，本文所介紹的（de）
平衡裝置在3 種工況下均可有效的降低係統振動幅值，平衡性能可靠。

     5 、結論

    
     在本文中，介紹了（le）一種新型的氣壓液體式自動平衡裝置。該類（lèi）平衡裝置（zhì）具有平衡速度快、平（píng）衡（héng）能力線性度（dù）好的（de）優點，有利於平衡係統控製精度和（hé）控製速度的提高。建立了臥式（shì）轉子試驗台，對該平衡裝置的實際（jì）平衡效果進行（háng）了實驗（yàn）驗證。在3 000 r /min、5 000r /min、5 500 r /min 三個轉速下，分別進行在線自動平衡實驗，均可有效地（dì）降低係統振動幅值，係統振動幅值下降比（bǐ）例均在90% 以上。實驗結果表明，該平衡裝（zhuāng）置的平衡（héng）性能可靠，具有廣泛的應用前景。    

     由（yóu）於本實驗目前的研究重點在於驗（yàn）證該平衡裝置的可（kě）行性和可靠性，下一步將（jiāng）考慮（lǜ）將該平衡裝置應用到實（shí）際磨床上，研究該平衡裝（zhuāng）置在磨床上的在線自動（dòng）平衡效果以及該裝對（duì）被磨（mó）工件表麵質量的改善效果。