非軸對稱復雜曲面回轉件虛擬動平衡機及動平衡設計方法與流程
本發明涉及一種非軸對稱復雜曲面回轉件虛擬動平衡機及動平衡設計方法，屬于機械設計領域。
背景技術：
回轉零部件是機械系統中最常用、最基本、也是最重要的組成部分，已廣泛應用于航空、電力、石油、化工等領域。由于設計時的結構形狀以及加工制造過程中同軸度誤差、材質不均等造成大小不等的不平衡質量分布，導致回轉零部件質心與實際的旋轉軸不重合，主慣性軸偏離其相應的旋轉軸線，隨之產生很大的離心力，致使設備產生較大振動，從而加速機器零部件的磨損，影響設備的工作性能，降低設備的工作精度和使用壽命。動平衡原理應用于回轉件的設計、制造中，由加工制造過程中同軸度誤差、材質不均等引起的不平衡，通常采用動平衡機實驗檢測、補償，而設計時的結構形狀所引起的不平衡問題，通過分析計算采用增設配重的方法來解決。
針對單頭蝸桿、單頭絲杠、單頭擠出螺桿、單頭輸送螺旋等非軸對稱復雜曲面回轉件，其不平衡質量的大小及相位計算異常復雜，如何解決非軸對稱復雜曲面回轉件的動不平衡問題，是設計人員一直關注的焦點。文獻“SOLIDWORKS Motion在動平衡設計仿真中的應用”中，利用三維設計軟件對電機轉子結構進行了動平衡仿真并對結構尺寸進行了優化，選取一個平衡平面，通過配重完成了優化設計；但是該電機轉子不屬于非軸對稱復雜曲面回轉件，且在一個平衡平面內配重屬于利用動平衡原理解決靜平衡問題。
技術實現要素：
本發明的目的是要提供一種非軸對稱復雜曲面回轉件虛擬動平衡機及動平衡設計方法，解決單頭蝸桿、單頭絲杠、單頭擠出螺桿、單頭輸送螺旋等非軸對稱復雜曲面回轉件的動平衡設計問題。
為了達到本發明的目的所采取的技術方案如下：
非軸對稱復雜曲面回轉件虛擬動平衡機，包括：在三維軟件中建立的機架(1)、彈簧(2)、擺桿(3)、立柱(4)以及馬達(5)，擺桿(3)中點與立柱(4)中部垂直固連，立柱(4)的下端與機架(1)轉動連接、立柱(4)與機架(1)的水平面垂直，立柱(4)的上端設置一回轉副、回轉副軸線與擺桿(3)垂直交錯，兩組完全相同的彈簧(2)各自一端與機架(1)固連、另一端分別垂直安裝在擺桿(3)兩端點上，擺桿(3)長度為s，彈簧(2)勁度系數為k，兩彈簧(2)平行、距離為s，兩彈簧(2)和擺桿(3)組成的平面與機架(1)的水平面平行、且與立柱(4)垂直，由彈簧(2)、擺桿(3)以及立柱(4)組成一個繞立柱(4)擺動的彈簧系統，馬達(5)設在立柱(4)的回轉副上，馬達(5)繞回轉副軸線轉動、轉速為ω；右旋直角靜坐標系建在機架(1)上，Y軸與回轉副軸線重合，Y軸正向與ω矢量方向相同，X軸與擺桿(3)平行，XOY平面與機架(1)的水平面平行，XOY平面為彈簧系統受迫振動平面。
非軸對稱復雜曲面回轉件動平衡設計方法，包括以下步驟：
1、設定測量基準：
①在三維軟件中設計的非軸對稱復雜曲面回轉件(6)，在回轉件(6)上適于加、減配重的軸向位置選擇距離為d的左平衡平面(8)和右平衡平面(9)，兩平衡平面與回轉件(6)的軸線a垂直并且分別相交于A、B兩點；
②任意選擇一個軸肩，沿徑向設定一標記線(7)；
2、平衡右平衡平面：
①回轉件(6)在A點與立柱(4)的回轉副轉動連接，回轉件(6)的軸線a與Y軸重合，標記線(7)與X軸重合；
②設定仿真時間和每秒幀數，啟動馬達(5)驅動回轉件(6)繞軸線a轉動，產生一個XOY平面受迫振動，待仿真結束，選取一個穩定周期的測量數據，讀取B點在X軸方向的最大振幅x1及最大振幅所對應的相位角求得質徑積
③在右平衡平面(9)上，增加配重：相位角為質徑積為G1；或者減少配重：相位角為質徑積為-G1；
3、平衡左平衡平面：
①回轉件(6)在B點與立柱(4)的回轉副轉動連接，回轉件(6)的軸線a與Y軸重合，標記線(7)與X軸重合；
②設定仿真時間和每秒幀數，啟動馬達(5)驅動回轉件(6)繞軸線a轉動，產生一個XOY平面受迫振動，待仿真結束，選取一個穩定周期的測量數據，讀取A點在X軸方向的最大振幅x2及最大振幅所對應的相位角求得質徑積
③在左平衡平面(8)上，增加配重：相位角為質徑積為G2；或者減少配重：相位角為質徑積為-G2；
在三維軟件中通過對回轉件(6)的左平衡平面(8)與右平衡平面(9)配重，完成了非軸對稱復雜曲面回轉件的動平衡設計。
本發明的有益效果在于，非軸對稱復雜曲面回轉件虛擬動平衡機及動平衡方法，針對非軸對稱復雜曲面回轉件，在虛擬動平衡機上檢測兩平衡平面內不平衡量的大小及其對應的相位角，對所設計的回轉件進行配重平衡，實現了使用三維設計軟件進行動平衡設計，有利于提高產品質量和設計效率。
附圖說明
圖1為非軸對稱復雜曲面回轉件虛擬動平衡機工作原理圖；
圖2為右平衡平面不平衡量的相位角標示圖；
圖3為左平衡平面不平衡量的相位角標示圖；
圖4為非軸對稱復雜曲面回轉件虛擬動平衡機結構示意圖。
圖中：1—機架，2—彈簧，3—擺桿，4—立柱，5—馬達，6—回轉件，7—標記線，8—左平衡平面，9—右平衡平面。
具體實施方式
下面根據附圖對本發明的實施例進行描述。
圖4為非軸對稱復雜曲面回轉件虛擬動平衡機結構示意圖，非軸對稱復雜曲面回轉件虛擬動平衡機，包括：在三維軟件中建立的機架(1)、彈簧(2)、擺桿(3)、立柱(4)以及馬達(5)，擺桿(3)中點與立柱(4)中部垂直固連，立柱(4)的下端與機架(1)轉動連接、立柱(4)與機架(1)的水平面垂直，立柱(4)的上端設置一回轉副、回轉副軸線與擺桿(3)垂直交錯，兩組完全相同的彈簧(2)各自一端與機架(1)固連、另一端分別垂直安裝在擺桿(3)兩端點上，擺桿(3)長度為s，彈簧(2)勁度系數為k，兩彈簧(2)平行、距離為s，兩彈簧(2)和擺桿(3)組成的平面與機架(1)的水平面平行、且與立柱(4)垂直，由彈簧(2)、擺桿(3)以及立柱(4)組成一個繞立柱(4)擺動的彈簧系統，馬達(5)設在立柱(4)的回轉副上，馬達(5)繞回轉副軸線轉動、轉速為ω。
非軸對稱復雜曲面回轉件(6)以頭數z1＝1的右旋蝸桿為例，材料為40CrMnMo7，密度7850kg/m3，質量約為6.7kg。
圖1為非軸對稱復雜曲面回轉件虛擬動平衡機工作原理圖，右旋直角靜坐標系建在機架(1)上，Y軸與回轉副軸線重合，Y軸正向與ω矢量方向相同，X軸與擺桿(3)平行，Z軸正向垂直向上，XOY平面與機架(1)的水平面平行；非軸對稱復雜曲面回轉件在虛擬動平衡機上轉動，產生一個XOY平面受迫振動；設置馬達轉速n＝60r/min(ω＝6.28rad/s)，彈簧勁度系數k＝1N/mm，s＝270mm。
由以下步驟構成非軸對稱復雜曲面回轉件動平衡設計方法：
1、設定測量基準：
①在三維軟件中設計的非軸對稱復雜曲面回轉件(6)，在回轉件(6)上適于加、減配重的軸向位置選擇距離為d＝126mm的左平衡平面(8)和右平衡平面(9)，兩平衡平面與回轉件(6)的軸線a垂直并且分別相交于A、B兩點；
②任意選擇一個軸肩，沿徑向設定一標記線(7)；
2、平衡右平衡平面：
①回轉件(6)在A點與立柱(4)的回轉副轉動連接，回轉件(6)的軸線a與Y軸重合，標記線(7)與X軸重合；
②設定仿真時間t＝10s(10個周期)和每秒幀數400，啟動馬達(5)驅動回轉件(6)繞軸線a轉動，產生一個XOY平面受迫振動，待仿真結束，選取一個穩定周期(9-10s)的測量數據，讀取B點在X軸方向的最大振幅x1＝0.040073373mm及最大振幅所對應的相位角求得質徑積
③在右平衡平面(9)上，增加配重：相位角為104.4°、質徑積為2332.9g·mm；或者減少配重：相位角為284.4°，質徑積為-2332.9g·mm；增加或者減少配重的相位角(如圖2所示)。
3、平衡左平衡平面：
①回轉件(6)在B點與立柱(4)的回轉副轉動連接，回轉件(6)的軸線a與Y軸重合，標記線(7)與X軸重合；
②設定仿真時間t＝10s(10個周期)和每秒幀數400，啟動馬達(5)驅動回轉件(6)繞軸線a轉動，產生一個XOY平面受迫振動，待仿真結束，選取一個穩定周期(9-10s)的測量數據，讀取A點在X軸方向的最大振幅x2＝0.047885017mm及最大振幅所對應的相位角求得質徑積
③在左平衡平面(8)上，增加配重：相位角為261.9°，質徑積為2787.6g·mm；或者減少配重：相位角為81.9°，質徑積為-2787.6g·mm；增加或者減少配重的相位角(如圖3所示)。
在三維軟件中通過對回轉件(6)的左平衡平面(8)與右平衡平面(9)配重，完成了非軸對稱復雜曲面回轉件的動平衡設計。
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