真空泵爪形轉子的平衡方法研究

2010-01-11 于存榮北京郵電大學

　　用去除材料的方法對爪式轉子做平衡分析，利用平衡理論計算得出待移除的質量m 和待移除質量m 在轉子上的分布位置A（x, y, z）。然后借助Pro/Engineer、Adams 等仿真工具對去除質量后的轉子進行平衡的模擬仿真，得到模擬的平衡結果。傳統的平衡方法是將轉子放到平衡機上，用試探性的方法去除材料，然后來驗證平衡效果，這樣要反復實驗才能得到滿意的結果。將仿真結果和直接在平衡機上做的平衡效果進行比較，結果表明：前者平衡效果比后者好，從實際的操作角度來說，前者一步到位，不用反復試驗，節省時間。

　　爪式轉子無油真空泵，是一種性能優良的干式真空泵，它可代替傳統的油封機械泵。現已在石油、化工、制藥、食品加工、電子、半導體、航空航天、核工業等領域得到廣泛應用。而爪式轉子，作為無油干式真空泵的核心部件，其各個方面的精度直接影響著干式真空泵的工作效率和工作的穩定性。這其中最為關鍵的技術之一就是爪形轉子的如何平衡問題。做好轉子的平衡，可以減輕工作時軸對軸承的壓力，從而增加軸承壽命。減輕傳動齒輪之間的相互摩擦，增加工作效率。

1、平衡理論分析

1.1、轉子不平衡的原因分析

　　由于設計、結構、材質不均勻、形狀不規則及制造安裝誤差等原因，所有實際轉子的中心慣性主軸都會偏離其旋轉軸線，這樣，當轉子轉動時，轉子各微元慣性力所組成的力系不是一個平衡力系，這就是我們常說的轉子的不平衡。設有一爪形轉子，質量為m，以等角度ω 繞一固定軸旋轉，取其轉軸上任意一點o 作為坐標原點，轉軸為z 軸，并作出相應的ox 及oy 軸，轉子質心坐標為C（xc,yc,zc），質心C 對旋轉軸z 的矢徑為rc，轉子中任意質點坐標為mi （ xi,yi,zi）對轉軸的矢徑為ri，則由理論力學知識可知，該慣性力系向坐標原點o 簡化，可以得到一主矢Ro和主矩Mo。主矢和主矩的計算公式為：

　　式中，Fi 為質點mi 產生的離心力，大小為miriω2，其指向離心方向，為矢徑ri 的方向，故

　　簡化的主矢Ro 的大小與方向和轉子質心的離心慣性力相等，只不過作用于o 點即Ro//rc，其大小與方向和簡化中心o 點的位置無關而慣性力系向o 點簡化的主矩可寫為

　　式中，Mx，My 及Mz 為主矩Mo 在坐標軸上的投影，其大小等于力系所有各力對該軸之矩的代數和，它們都和o 點的位置無關。

　　由以上分析可知，轉子的慣性力向任一點簡化的結果一般得到一個力和一個力矩。轉子在旋轉時，主矢和主矩方向都在變化，其矢量隨同轉子一同旋轉成為引起軸承振動的激發源。所以，轉子平衡的充分必要條件就是：慣性力系向任一點簡化的主矢和主矩都為零，即

　　由Ro= 0，則rc= 0，這說明旋轉軸必定通過質心C；由Mo=0，則Jyz+Jzx=0，滿足條件的轉軸z 成為慣性主軸，通過質心的慣性主軸成為中心慣性主軸。因此，要消除轉子對軸承的動壓力只需旋轉軸是中心慣性主軸。由于爪形轉子形狀不規則，因此其對旋轉軸為中心的質量分布不對稱。所以，爪形轉子大都是不平衡的。要使一個不平衡的爪形轉子變為平衡轉子，就要重新調整轉子的質量分布，即在其某個部位加重或者去重，使轉子的中心慣性主軸和旋轉軸一致。這時，其慣性力系能夠滿足（11）和（12）式，轉子成為平衡轉子。