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（píng）衡狀態，提高磨床的磨削精度，介紹一種新型的氣壓液體式在線自動平衡係（xì）統。該平衡係統利用壓縮空氣（qì）驅動平（píng）衡液（yè）在位置相對的儲液腔間進行質量轉移，改變平衡盤中的液體分布，進而實現砂輪平衡狀態的在線調（diào）整。通過對裝置平衡性能的分析，認為（wéi）該（gāi）類裝置具有平衡速度快、平
衡（héng）能力線性度好的優點。最（zuì）後經過（guò）實驗（yàn）驗（yàn）證，該裝置在5 500 r /min 的轉速下，將係統不（bú）平衡振動從10． 2 μm 降至0． 37μm，振幅下降（jiàng）比例達95%以（yǐ）上。

   
      在機械加工過程中，機床自身的振動會嚴重（chóng）影響機床的（de）加工精度和加工效率。對磨床而言，振動會使被（bèi）磨（mó）工（gōng）件產生表麵波紋和（hé）增大工件的表麵粗糙度，影響工件質（zhì）量; 且振動會加劇砂輪自身（shēn）的磨（mó）損，導致砂輪頻繁地（dì）修（xiū）整與更換，影響（xiǎng）加工周期。

      砂輪不平衡是導致磨床振動的主要原因。即使（shǐ）在磨削前預先對（duì）砂輪進行過動平衡，但在磨（mó）削過（guò）程中，冷卻液的不均勻（yún）吸附和砂輪的（de）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（xuē）過程逐漸增大。不（bú）平衡量所產生的離心力（lì）與砂輪轉速（sù）的平方成正比，對於（yú）高速和超高速的磨床，即使極小的不平衡（héng）量，也會（huì）產（chǎn）生非常大（dà）的離心力，嚴重影響（xiǎng）磨（mó）床的正常運行。因此，為了（le）獲得更（gèng）高的加工精（jīng）度和加（jiā）工效率，在磨（mó）床上加裝在線自動平衡係統是非常必要的。目（mù）前，該類產品主要有電機（jī）式［1］、電磁式［2 － 3］和注液（yè）式［4 － 5］三種，由國外的（de）Schmitt 和Dittel 等（děng）公司生產; 國（guó）內也（yě）有很多學者進行了相關研（yán）究，但均尚處於研發階段，未見到成熟產品（pǐn）［6 － 8］。在本文中，重點介紹了一種新型的氣壓液體式在線自動平衡（héng）係統［9］，並對該係統的平衡性能進行（háng）了理論分析（xī），最後（hòu）通過實驗，驗證了（le）該類係統的（de）性能。

     1 、平衡原理

     氣壓液體式平衡裝置屬於液體式平衡裝置中的一種。在設備安裝前，需要在兩組位置相對的儲液腔（qiāng）中預先充入平衡液（yè）體。平衡過程（chéng）中，通過向指定（dìng）儲液腔充入壓（yā）縮氣體（tǐ），驅動平衡液在相對儲液腔間轉移，改變（biàn）平衡盤中液體的質量分布，進而實現對砂（shā）輪的在線自動（dòng）平衡。

     整個平衡過（guò）程中，不需要外界注入或向外（wài）界排出平衡液，平衡液僅在密閉的儲液腔間進行定向轉移。

     與已有（yǒu）的注液式平衡裝置（zhì）相（xiàng）比，該氣壓（yā）液體式平衡裝置因擺脫了注排液這一（yī）過程，具有以下幾（jǐ）點優勢:

     ( 1) 在整個平衡過程中，因平衡過程（chéng）可（kě）逆，所以整個裝置可以始終保持最大的平衡能力;
     ( 2) 平衡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用的需要任意選擇適用的平衡液;
     ( 3) 采用高穩定性平衡液做到長期潔淨無沉（chén）積，可以使用更細（xì）的（de）管徑，從（cóng）而減小液體的最小可控轉移量，使（shǐ）得平衡精度更高;
     ( 4) 選用高（gāo）密度平衡液，在平衡盤體積（jī）一定的情況下，可以得到更大的平（píng）衡能力;
     ( 5) 平衡狀態具備停機保持功（gōng）能。

     2 、結構設計

     氣壓液體式自動平衡裝置由平衡盤和氣源分配器兩部分組成，如圖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軸上，和主軸同步旋轉。平衡盤內部對稱分布4 個扇（shàn）形儲液腔，預先充入平衡液。在儲液腔的（de）一側蓋（gài）板上加工氣體和液體流道。其中，注氣流道4 條，分別對應4 個儲液腔，由4 台（tái）兩位三通電磁閥控製（zhì）通斷。連通流道2 條，分別對應兩組位置相（xiàng）對（duì）的儲液腔。連通流道的（de）兩端均位於儲液腔的最大半徑（jìng）處，連通（tōng）流道中心點所在（zài）半（bàn）徑最小。當壓力氣體進入某一儲液腔並達（dá）到預（yù）定壓（yā）力後，平衡液將通過（guò）連通流道被壓入對側儲液（yè）腔，實（shí）現了（le）平衡液的定向（xiàng）轉（zhuǎn）移。

                                    圖2 平衡盤結構簡圖

     2. 2 氣源分配器
 

     氣源分配器的（de）主要功能（néng）是（shì）實現（xiàn）壓縮空氣從靜止氣管到旋轉儲液腔間的（de）傳輸。根據安裝（zhuāng）位置（zhì）和注氣方向的不同，該分配器的具體結構可以有多種（zhǒng）形式。以軸向注氣的（de）分配器為例，該結構包含定子、中間套（tào）和（hé）前後軸承四部分，其中（zhōng），定子和（hé）兩軸承的內圈均靜止（zhǐ）不動，中間套和兩軸承的外圈同平衡盤一起同步旋轉。壓縮空氣由定（dìng）子引入，經定子外壁上的4 道環槽可以（yǐ）進入中間套的4 個進氣孔，繼而通過中間套內的4 條進氣流道最終將壓縮空氣導入對應的儲液腔。中間套與儲液腔內壁過盈配合，中間套與定子之間留有十幾微米的間隙。前（qián）後兩軸承可以保證在這樣小的間隙下轉（zhuǎn）子正常旋轉。定子采用（yòng）軟（ruǎn）支撐的方式固定（dìng），設備運行過程中，前後軸承（chéng）僅承受定子的自身重力和隨動的簡諧激振力。

                         圖3 氣（qì）源分配器結構簡圖
 

     3 、平衡性能分析

     3. 1 單（dān）腔注液

     對於普通單個扇形（xíng）儲液腔，儲液（yè）腔內（nèi）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（mì）度，B 為儲液腔厚度（dù），θ 為扇形儲液（yè）腔對於圓心角，Ｒ2為儲液腔外徑，Ｒ'1為儲液腔液層內徑，儲液（yè）腔結（jié）構如圖4所示。

                 圖4 儲液腔結構簡圖（tú）

     儲（chǔ） 液腔平衡（héng）能力U 由下式計算得出:

     以Ｒ'1為中間變（biàn）量，得儲液腔平衡能（néng）力U 和腔內注入平衡液質量m 的關（guān）係為:

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

     3. 2 對腔轉移

     氣壓液體式平衡（héng）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，對應平衡液在兩相對儲液腔間做一增（zēng）一減的流動。所以在分析轉移質量和平（píng）衡能力的關（guān）係時（shí），兩相對儲液腔需同時考慮。以A、C 兩相對儲液（yè）腔為例: 平衡裝置啟動前，兩腔儲液量相同; 平衡過程中，在C 腔注入壓縮空（kōng）氣，驅動平衡液向A 腔流動，直至C 腔（qiāng）液（yè）體（tǐ）全部轉移至A 腔。因平衡液（yè）在轉移過程（chéng）中無損耗，所以C 腔儲液量的減小量等於A 腔儲液量的增加量。設A 腔的實際儲液量為MA，其中初始儲液量為mA，液體轉（zhuǎn）移量為m; C 腔的實際儲液量為MC，其中初（chū）始儲液量為mC，液體轉移量為m。則六個參數的關係為:mA = mC; MA = mA + m; MC = mC － m將液體轉移（yí）量的公式代入上式，得

     所以該組儲液腔的總（zǒng）平衡能力U 和液體轉移量m的（de）關係為

     3． 3 性能對比（bǐ）

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

                                            表1 儲液腔基本參數

                                      表（biǎo）2 平衡（héng）性能對比結果

     由上表知，形成相同的平衡能（néng）力，對腔轉移的平衡方式所需轉（zhuǎn）移的平衡液（yè）質量僅為單腔注液所需注入平衡液質量的一半; 在對腔轉移過程（chéng）中，單位質量液體對應平衡能力基本（běn）不（bú）變，而在單腔（qiāng）注液過程中，單位質（zhì）量液體對應平衡能力具有較大偏差。從該結果可以（yǐ）看出，和傳統單腔注液的平衡方式相比，對（duì）腔轉移的平衡方式具有平衡速度（dù）快、平衡能力線性度好的優點，有利於平衡係統控製精度和控製速度的提高。

     4 、實驗研究

     為了驗證氣壓液體式自動平衡裝置的平衡（héng）效果，在臥式磨（mó）削試驗（yàn）台上進行了相關實驗。

     試驗台所用電主軸為磨削（xuē）專用電主軸，功率9 kW。所用（yòng）模擬砂輪的規格為250 × 127 × 20。模擬砂輪由左右兩砂輪法蘭（lán）夾緊，固定在電主軸上。平衡盤和砂輪左法蘭加工成一體，位於砂輪盤的內部，便於更好地平衡係統由砂輪不平衡帶來的振動。平衡盤外徑100mm，內含（hán）儲液（yè）腔（qiāng）深60 mm，所用平衡液為矽油，設計平衡能力為1 356 g·mm。在平衡盤的端部加工一凸（tū）台，利用接近開關測量試驗台轉速和振動相位。平衡盤的長（zhǎng）度大於砂輪和砂輪法蘭的安裝尺寸，高出的部分用於作為位（wèi）移傳（chuán）感器的（de）測量（liàng）麵（miàn），因為該測量麵（miàn）非常接近砂輪，且隨砂（shā）輪同步旋轉，所以可以直接的反應砂輪的實際振動。該實驗裝置如圖5 所示。

                          圖5 平衡係統實驗裝置

     在（zài）實驗過程中，設定係統允許的振動幅值為0． 4μm。當係統的振動幅值超出該設定值後，控製器輸出控製指令（lìng），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下做了自動平衡實驗，所選轉速分別為3 000 r /min，5 000 r /min和5 500 r /min，分別對應砂輪線速度為39 m/s，62 m/s和72 m/s，具體平衡效果如圖6 所示。

  
                              圖6 平衡效果圖

     在3 000 r /min 的轉速下，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95． 6%; 在5 000r /min的轉速下，係統初始（shǐ）振動幅值為6． 5 μm( P － P) ，經過自動平衡後，係統振動幅值降低至0． 36 μm( P －P) ，振幅（fú）下（xià）降比例達94． 5%; 在5 500 r /min 的（de）轉速下，係統初始振動幅值為10． 2 μm( P － P) ，經過自動平衡後（hòu），係統振動幅值降低（dī）至0． 37 μm( P － P) ，振幅下（xià）降比例達96． 4%。從此實驗（yàn）效果（guǒ）可以看出，本文所介紹的
平衡裝置（zhì）在3 種工況下均可有效的降低係統振動幅值，平衡性（xìng）能可靠。

     5 、結論（lùn）

    
     在本文中，介紹了一種新型的氣（qì）壓液體式自（zì）動（dòng）平衡裝（zhuāng）置。該類平衡裝置（zhì）具有平衡速度快、平衡（héng）能力線性度好的優點，有利於平（píng）衡係統控製精（jīng）度和控製速度的提高。建立了臥式轉子（zǐ）試驗台，對（duì）該平衡裝置的實際平衡（héng）效果進行了實驗驗證。在3 000 r /min、5 000r /min、5 500 r /min 三個轉速（sù）下，分別進行在線自動平衡實（shí）驗，均（jun1）可有效地降低係統（tǒng）振動幅值，係統振動幅（fú）值下（xià）降比例均在90% 以上。實驗結果表（biǎo）明，該平（píng）衡裝置的平（píng）衡性能可靠，具有廣泛的（de）應用前景。    

     由於本實（shí）驗目前的研究重點在於驗證該平（píng）衡裝置（zhì）的可（kě）行（háng）性和可靠性，下一步將考慮（lǜ）將該平衡裝置應用到（dào）實際磨床上（shàng），研究該平衡裝置在磨床上的在線自動（dòng）平衡效果以（yǐ）及該裝（zhuāng）對被磨工件表（biǎo）麵質量的（de）改善效果。