高速凸輪分割器的質(zhì)量平衡問題的研究

凸輪分割器是一種典型的常用機(jī)構(gòu)。由于它能以簡單的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)任意復(fù)雜的預(yù)期運(yùn)動(dòng)，并有良好的運(yùn)動(dòng)剛性，長期以來被廣泛的應(yīng)用于各種機(jī)械。

凸輪分割器處于低速下工作時(shí)，可以作為剛性系統(tǒng)處理。但在高速下運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于慣性力引起的構(gòu)件彈性變形將嚴(yán)重影響機(jī)構(gòu)的真實(shí)運(yùn)動(dòng)，特別是當(dāng)激振頻率和系統(tǒng)固有頻率接近時(shí)，彈性變形急劇加大，因此在分析或設(shè)計(jì)高速凸輪機(jī)構(gòu)時(shí)，必須按彈性系統(tǒng)考慮。在處理的原則和方法上都與剛性系統(tǒng)有所不同。同時(shí)，為了保證機(jī)構(gòu)在高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，具有預(yù)期的運(yùn)動(dòng)精度，并能持久的保持這種精度，則不僅需要研究其運(yùn)動(dòng)學(xué).動(dòng)力學(xué)問題，還涉及材質(zhì).加工和摩擦學(xué)問題。

加之，近幾十年來，由于電子計(jì)算機(jī)的廣泛應(yīng)用和相鄰學(xué)科的發(fā)展，促使高速凸輪理論的研究不斷深入。因此可以說，高速凸輪是一個(gè)內(nèi)容非常豐富，涉及多種學(xué)科的綜合性問題。

影響高速凸輪分割器動(dòng)態(tài)特性的因素有很多，包括有質(zhì)心偏心引起的慣性力（離心力），各個(gè)零部件阻尼，軸承油膜振蕩，溫度場，多支承不同心等因素。眾所周知，速度越高，離心力越大。而現(xiàn)代有許多旋轉(zhuǎn)機(jī)械都處于高速運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，如發(fā)動(dòng)機(jī)，汽輪機(jī)，離心機(jī)，電機(jī)轉(zhuǎn)子及汽車輪子等。即使存在很小的不平衡，在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)也會(huì)產(chǎn)生非常大的離心力。請(qǐng)看下例：一個(gè)重10噸，半徑為0.5米的圓柱形轉(zhuǎn)子，其表面存在100克的不平衡量，在工作轉(zhuǎn)速為2000r\min時(shí)，根據(jù)方程式計(jì)算最后會(huì)產(chǎn)生2000（N）的離心力。若速度再增加，離心力更大。因此，即使在重達(dá)幾噸到幾十噸的轉(zhuǎn)子上存在幾百克的不均勻質(zhì)量分布，在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)也會(huì)產(chǎn)生很大的不平衡力。轉(zhuǎn)子上不平衡離心力的存在，將會(huì)導(dǎo)致機(jī)器轉(zhuǎn)子，軸承和安裝基礎(chǔ)等產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)。在大多數(shù)情況下，機(jī)械振動(dòng)是有害的。其主要危害有：

（1） 使機(jī)器支撐受到動(dòng)載荷的作用，影響支撐的正常工作。

（2）  動(dòng)，靜部分磨損，基礎(chǔ)松裂，或使機(jī)器油氣管裂開，自動(dòng)調(diào)節(jié)器失效，致使機(jī)器要經(jīng)常維修或過早損壞。

（3）擾動(dòng)四周的機(jī)械設(shè)備和儀表，使調(diào)節(jié)裝置和保護(hù)系統(tǒng)可能發(fā)生誤動(dòng)作而使設(shè)備和儀表無法正常工作。

（4）產(chǎn)生噪音，影響工作人員的身心健康。

如果轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)子軸系的固有頻率相同或接近時(shí)，機(jī)器就會(huì)產(chǎn)生共振。出現(xiàn)共振時(shí)，振幅迅速增大，機(jī)組將產(chǎn)生激烈振動(dòng)以至于損壞。據(jù)報(bào)道，在1972年6月，日本關(guān)西海南電廠一臺(tái)60MW的汽輪機(jī)組在試車時(shí)，因振動(dòng)過大而造成飛車，致使機(jī)組全部報(bào)廢。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)?zāi)芰σ约皶r(shí)間有限，我廠只針對(duì)偏心問題進(jìn)行研究探討，力求找出用平衡質(zhì)量的方法來減小或者消除偏心，進(jìn)而改善其高速下的運(yùn)動(dòng)特性。如何在SolidWorks軟件下建立高速凸輪的精準(zhǔn)形狀和動(dòng)態(tài)分析，是本廠研究的重點(diǎn)。相當(dāng)長一段時(shí)間內(nèi)，本廠工程師就以下內(nèi)容進(jìn)行了研究：
   1）綜合運(yùn)用Matlab 和SolidWorks軟件生成精準(zhǔn)高速分度凸輪三維實(shí)體。
   2）利用ComsmosWorks有限插件分析高速凸輪在高速條件下因偏心引起的慣性力，振動(dòng)，位移，變形等動(dòng)態(tài)特性。
   3）利用試配重法，在凸輪上位于偏心處鉆孔去掉一部分質(zhì)量，減小偏心量，改善凸輪動(dòng)態(tài)特性。

最終，通過大量測量，我廠工程師找出了如何利用平衡質(zhì)量來改善高速凸輪動(dòng)態(tài)特性的方法。為今后實(shí)際應(yīng)用奠定了理論基礎(chǔ)，提高了生產(chǎn)效率減少了出貨時(shí)間，并為客戶節(jié)約了資金和時(shí)間上的成本。