專利名稱：液體式高速轉子在線動平衡頭及其技術實現的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種轉子在線動平衡頭及其實現技術，尤其是一種液體式 高速轉子在線動平衡頭及其技術實現。
背景技術：
高速轉子是高速旋轉機械，尤其是高速加工機床中最為關鍵的部件之一。其旋轉精度對整臺機床的加工性能、可靠性等都有至關重要的影響。高速轉子在制造和裝配過程中，不可避免地會因材質不均、加工和裝配誤差等導致其質心與旋轉中心不一致。如此，轉子高速旋轉時就會產生動不平衡現象。轉子旋轉的動不平衡是機床振動、噪聲、軸承發熱等現象產生的主要原因之一。轉子轉速越高，不平衡引起的不利影響就越大。為實時消除轉子旋轉過程中的不平衡，必須采用在線動平衡技術。過去幾十年中，有多種轉子在線平衡技術和方法被提出。從原理上講主要有加重或去重法、平衡頭法兩種。加重或去重法是根據測得的轉子不平衡量的大小和相位，直接在轉子上進行加重或去重，以改變轉子平衡平面內的質量分布，達到在線動平衡的目的。比較典型的有激光去重法和高速熱噴射加重法。激光去重法是利用激光在轉子上質量較多的地方去除材料，以實現轉子在線動平衡。其缺陷是影響轉子的表面質量并降低其疲勞極限，縮短轉子系統的壽命，還會形成飛濺的金屬微粒和蒸汽，造成環境污染和危害操作人員身體健康。另一方面，激光束每次只能氣化微量的金屬，因此平衡能力有限，一般只適用于牙鉆、 陀螺儀等小型機構的平衡。高速熱噴射加重法是利用熱噴射原理將一種粘性物質噴射到轉子上質量較少的部位，以實現轉子在線動平衡。其缺陷是噴射產生的較大沖擊會產生新的不平衡量，噴射物質粘附在轉子上嚴重影響轉子的表面質量；此外，由于噴射速度的限制， 也僅適用于低轉速轉子，且其工藝復雜，費用高，難以普遍推廣應用。平衡頭法是在轉子上附加一個或多個平衡頭，在對轉子的動不平衡進行精密檢測的基礎上，通過實時改變平衡頭內質量的分布，從而實現轉子在線動平衡。目前，得到深入研究和應用的平衡頭主要有液體平衡頭、氣體平衡頭、電機驅動平衡頭、電磁驅動平衡頭和純機械式平衡頭等。最先見于美國專利US3950897的液體平衡頭采用噴槍將微量液體從外部噴入平衡頭內的容腔內，實現平衡平面內質量分布狀態的改變。其結構簡單，成本低廉，主要應用于砂輪的在線動平衡。其缺點是液體會散落在平衡頭之外，環境影響大；容腔中的液體揮發限制了其實現平衡的效率和效果；且如果有一個容腔充滿液體，在線平衡就被迫中止 ’另一方面，停機后，液體會從開口的容腔中流出，平衡精度喪失。氣體動平衡頭由四個扇形密封容腔組成，相對容腔兩兩相通，容腔中有加熱棒和 HalOnl202介質。Halon介質受熱后由液態變為氣態，經管道進入另一個容腔，遇冷后又還原為液態，由此實現平衡平面內質心位置的調整。該平衡頭的響應慢，且平衡能力有限，只適應于低速的小型機構的平衡，且技術要求和成本較高，推廣應用較困難。此外，Halon還
會破壞臭氧層。電機驅動平衡頭由加拿大多倫多大學的Vande Vegte于1964年首次提出，其采用電機作為動力源，利用齒輪、螺桿或蝸輪蝸桿等傳動機構實現平衡平面內質量的實時遷移。 國內發明專利公開號為CN101266182A的機械式轉子自動平衡頭也屬于電機驅動平衡頭。 該類平衡頭結構較復雜，需外部能源供給，壽命較短，實用性較差。電磁驅動平衡頭則通過電磁力驅動實現平衡平面內質量的 遷移，主要由固定線圈和轉動部分組成。固定線圈通電時產生的旋轉電磁力驅動與轉動部分固聯的校正質量塊位置的改變，實現整個旋轉系統的在線動平衡。純機械式動平衡頭由浙江大學的張加慶等人于2006年研制成功，由與轉子固聯的轉動部件、固定在基座上靜止不動的靜止部件及自動喂料裝置構成。其以小鋼球作為校正質量。當轉子產生不平衡時，自動喂料裝置向靜止部件上方某一對應的鋼球入口投放一顆鋼珠。鋼球通過靜止部件內部特定的通道滾到轉動部件上對應的容腔內，由此改變轉動部件平衡平面內的質量分布。該平衡頭結構復雜，體積較大，且不適用于高速轉子。由此可見，現有的各種轉子在線動平衡裝置和技術或多或少地都存在諸如平衡精度低、結構復雜、成本高昂、能源供給不便、環境兼容性不好、不適用于高速轉子等不足。這些都嚴重制約了高速轉子應用的進一步發展。
發明內容
基于現有技術存在的不足，本發明的目的在于提出一種液體式高速轉子在線動平衡頭及其技術實現。其主要由平衡頭本體2、前端蓋22、后端蓋12、密封圈4、微型蠕動泵5、 電機18、軟管6，7，9，10、螺釘11，15，16，20、電池組19、抽氣接頭23、檢測和控制系統組成。 其檢測和控制系統主要包括測量傳感器25、信號采集模塊26、無線信號發射模塊27、信號接收模塊28、信號處理模塊29、電機驅動模塊30和電源模塊31。本發明采用的技術方案是圓盤型的平衡頭本體2套于轉子軸1上，并通過螺釘 16緊固。平衡頭本體2的一個端面上有四個或多個中心對稱布置、形狀和大小一致的儲液室3。儲液室3內等量充入體積約為其容積一半的水或其它液體。相對的兩個儲液室3由一個微型蠕動泵5通過軟管相連通。密封圈4位于平衡頭本體2端面上儲液室3外圍的凹槽24內。平衡頭本體2與前端蓋22及后端蓋12均通過螺釘11固聯。前端蓋22上在每個儲液室3的對應位置均有一個通過螺紋聯接緊固的抽氣接頭23。兩個或多個中心對稱布置的可雙向無泄漏工作的微型蠕動泵5通過螺釘20固聯于平衡頭本體2端面上的凹槽 21內。電機18的軸與微型蠕動泵5固聯。軟管6、7、9、10均位于平衡頭本體2端面上相應的凹槽內。軟管端部的外圓面與凹槽之間通過密封膠密封。軟管的一端與微型蠕動泵5相連，另一端則與儲液室出口 8相連。儲液室出口 8位于儲液室3徑向的外側。測量傳感器 25、信號采集模塊26和無線信號發射模塊27均在平衡頭之外，而信號接收模塊28、信號處理模塊29和電機驅動模塊30均集成于電路板13中。電路板13通過螺釘15固聯于平衡頭本體2端面上的凹槽14內。電源模塊31中的電池組19緊固安裝于平衡頭本體2端面上的凹槽17內。本發明提出的液體式高速轉子在線動平衡頭及其實現技術基于無泄漏微型蠕動泵技術，具有體積小、結構簡單、響應快、平衡精度高、易于安裝等特點；數據無線傳輸和電源內置的方案大大簡化了現有技術中信號和能源傳輸的復雜性；全密封的結構設計可保持內部液體不揮發和無泄漏，保證了其環境友好性，又使其平衡精度不受開停機的影響。因此，應用前景廣闊。 附圖 說明
圖1是本發明所述的液體式高速轉子在線動平衡頭去掉前端蓋的結構示意圖。圖2是圖1中的A-A剖視圖。圖3是圖1中的A處局部放大視圖。圖4是本發明所述的液體式高速轉子在線動平衡頭的檢測和控制系統技術實現框圖。圖5是微型蠕動泵的工作原理圖。圖中，1.轉子軸，2.平衡頭本體，3.儲液室，4.密封圈，5.微型蠕動泵，6. 7. 9. 10. 軟道，8.儲液室出口，11. 15. 16. 20.螺釘，12.后端蓋，13.電路板，14. 17. 21. 24.凹槽， 18.電機，19.電池組，22.前蓋板，23.抽氣接頭，25.測量傳感器，26.信號采集模塊，27.無線信號發射模塊，28.無線信號接收模塊，29.信號處理模塊，30.電機驅動模塊，31.電源模塊，32.泵體，33.泵管，34.泵轉子。
具體實施例方式以下通過實施例及其附圖作進一步的說明。如圖1、圖2和圖4所示，先在每個儲液室3內等量充入體積約為其容積一半的水或其它液體，并通過抽氣接頭23將儲液室3內的空氣抽出，以保持負壓狀態。然后將動平衡頭通過螺釘16緊固于轉子軸1上，并隨轉子一起高速轉動。當轉子產生動不平衡時，測量傳感器25實時測得動不平衡量的幅值和相位。該信號經信號采集模塊26采集和預處理后，通過無線信號發射模塊27和信號接收模塊28傳送給位于平衡頭內部的信號處理模塊 29。信號處理模塊29則按照既定的控制算法確定平衡平面內質量遷移的多少和方向。電機驅動模塊30則根據信號處理模塊29的輸出結果驅動一個或多個電機18按特定方向轉動一定轉數。可雙向無泄漏工作的微型蠕動泵5在電機18的驅動下將液體通過軟管從平衡平面內質量偏重方位上的儲液室無泄漏地泵入與其對應的另一個儲液室內，進行平衡平面內質量分布的精確調控，從而實現高速轉子的在線動平衡。其控制算法的原理如下如圖1所示，假定微型蠕動泵5泵出液體的方向與其轉向一致，且每轉泵出液體的質量為1克的前提下，如果測得轉子動不平衡量的相位在I和III 號儲液室的中間剖面上，且I號儲液室方位偏重10克。電機驅動模塊29則驅動與I和III 號儲液室連通的電機18帶動與其固聯的微型蠕動泵5逆時針轉動5轉，I號儲液室內5克的液體就會遷移到III號儲液室內，從而實現轉子的在線動平衡。如果轉子動不平衡量的相位90度(假設水平向右方向為0度)，且偏重10克，則電機驅動模塊29驅動分別與I和 III號、II和IV號儲液室連通的兩個電機18并帶動與其固聯的兩個微型蠕動泵5均逆時針轉動2. 5轉。當動不平衡量處在其它相位時，則根據插補或模糊算法分別驅動兩個微型蠕動泵5旋轉特定轉數，即可實現轉子的在線動平衡。
權利要求
1.一種液體式高速轉子在線動平衡頭及其技術實現，其特征在于主要由平衡頭本體 (2)、前端蓋(22)、后端蓋(12)、密封圈(4)、微型蠕動泵(5)、電機(18)、軟管(6)，(7)，(9)， (10)、螺釘(11)，(15)，(16)，(20)、抽氣接頭(23)、電池組(19)、檢測和控制系統組成。
2.根據權力要求1所述的液體式高速轉子在線動平衡頭，其特征在于檢測和控制系統由測量傳感器(25)、信號采集模塊(26)、無線信號發射模塊(27)、信號接收模塊(28)、信號處理模塊(29)、電機驅動模塊(30)和電源模塊(31)組成；其中測量傳感器(25)、信號采集模塊(26)和無線信號發射模塊(27)均在平衡頭之外，而信號接收模塊(28)、信號處理模塊(29)和電機驅動模塊(30)均集成于電路板(13)中；電路板(13)通過螺釘(15)固聯于平衡頭本體(2)上的凹槽(14)內；電源模塊(31)中的電池組(19)緊固安裝于平衡頭本體 (2)上的凹槽(17)內。
3.根據權力要求1所述的液體式高速轉子在線動平衡頭，其特征在于圓盤型的平衡頭本體(2)通過螺釘(16)緊固于轉子軸(1)上；平衡頭本體(2)與前端蓋(22)及后端蓋 (12)均通過螺釘(11)固聯；平衡頭本體(2)的一個端面上有四個或多個中心對稱布置、形狀和大小一致的儲液室(3)；儲液室(3)內等量充入體積約為其容積一半的水或其它液體； 相對的兩個儲液室(3)由一個可雙向無泄漏工作的微型蠕動泵(5)通過軟管相連通；儲液室出口(8)位于儲液室(3)徑向的外側；密封圈(4)位于平衡頭本體(2)端面上儲液室(3) 外圍的凹槽(24)內；電機(18)的軸與微型蠕動泵(5)固聯；軟管(6)、(7)、(9)、(10)均位于平衡頭本體(2)端面上相應的凹槽內，其端部的外圓面與凹槽之間通過密封膠密封；軟管的一端與微型蠕動泵(5)相連，另一端與儲液室出口(8)相連。
全文摘要
本發明涉及一種液體式高速轉子在線動平衡頭及其技術實現，包括平衡頭本體(2)、密封圈(4)、微型蠕動泵(5)、軟管(6)，(7)，(9)，(10)、電機、前端蓋、后端蓋、抽氣接頭、電池組、檢測和控制系統；平衡頭本體(2)與轉子軸(1)通過螺釘緊固，其端面有四個或多個中心對稱布置、大小一致的儲液室(3)；儲液室(3)內等量充入體積約為其容積一半的水或其它液體，相對的兩個儲液室(3)由一個可無泄漏雙向工作的微型蠕動泵(5)通過軟管連通；密封圈(4)位于儲液室(3)外圍的凹槽內。本發明利用微型蠕動泵(5)精確調控平衡平面內質量的分布，實現在線動平衡，具有結構簡單、響應快、精度高等特點，應用前景廣闊。
文檔編號G01M1/38GK102313626SQ20111007572
公開日2012年1月11日 申請日期2011年3月28日 優先權日2011年3月28日
發明者孫長敬, 白彩波 申請人:中國計量學院