曲轴动平衡机典型结构与失效分析及其对策

曲轴动平衡机典型结构与失效分析及其对策

王源 王振洁 陈思

（上汽通用汽车有限公司武汉分公司 武汉 430200）

摘要：动平衡测量与校正是发动机曲轴制造的一步重要工艺，直接影响发动机运行稳定性及整车性能。如何保证动平衡机的稳定运行，并及时处理加工中遇到的各种难题，是发动机工厂设备维修部门的重要任务。本文着重阐述常用的曲轴动平衡机典型结构，及日常维修设备的经验总结，并对平衡机的失效模式进行分析，给出针对性对策。

关键字：动平衡 曲轴 不平衡量

汽车动力总成厂的平衡机，用于测定曲轴不平衡量，从本质上讲，就是测

出转子回转轴线与质量轴线的差别，再按测量结果进行校正，以改善曲轴的质量分布，减小曲轴高速旋转时的震动，提升发动机运行性能。平衡机主要由测量工位和校正工位两部分组成，以及升降旋转输送装置、床身、机床防护、铁屑输送机等部件。其中测量工位由曲轴支撑摆架、驱动装置、测量系统组成；校正工位由夹紧旋转单元、补偿单元、刀具监控系统组成。

图1动平衡机主要结构 图2 测量工位结构图

1机床主要部件功能

1.1测量工位（图2）用于测量曲轴的不平衡量。将曲轴放在支撑摆架的两个滚轮对上，首先通过径向和轴向定位机构对曲轴进行定位，然后借助驱动头上的一个传动销来驱动曲轴旋转，在工件旋转过程中，振动传感器会测量曲轴的不平衡量，进而计算出钻孔去重的位置和深度。

1.2升降旋转输送装置用于测量工位和去重校正工位之间运输工件。它由伺服驱动装置驱动，可上下和旋转运动，在其两端有运输钩，用于抓取工件，由此可以在两个站之间对2个工件进行对向运输。

1.3补偿单元根据测量结果校准工件，通过钻头在曲轴平衡块上钻孔对工件的不平衡量进行调节。钻孔站可以在2个轴上移动，这样才能到达要求的钻孔位置。在钻孔的过程中，微量润滑装置通过内置的管道来冷却钻头，借助刀具监控系统来监测钻头。

1.4夹紧工位用于定位和固定工件，曲轴被放置于带有滑动轴瓦的轴承梁上，旋转驱动头将曲轴旋入正确的角度，径向作用的夹紧工装被气动操作，由此把曲轴夹紧在主轴承上。

2加工工艺流程

2.1启动，从装载口将工件装入测量工位之后，启动自动流程

2.2测量，将曲轴进行轴向、径向定位，插入驱动头的传动销，使其转动起来，经过加速、测量、制动及补偿值的储存几步后，松开工件，升降旋转输送装置将曲轴输送到补偿工位

2.3补偿，将曲轴旋入第一个钻孔位置，夹紧曲轴，钻孔单元快速进给，钻第一个孔，钻孔单元退回，松开曲轴；为钻所有补偿孔，重复此步骤；把钻好孔的曲轴输送回测量工位。在钻孔过程中所产生的切屑，会落入一个集成式安装的切屑流槽，螺旋排屑输送机在该流槽内将切屑排出机器。

2.4升降旋转输送装置将曲轴输送回测量工位复测平衡量，合格则卸载工件，不合格则再次输送回补偿工位，进行二次钻孔补偿。经过二次钻孔补偿的工件，复测平衡量合格则卸载工件，不和格则报废。

3测量和校正原理

3.1测量原理

曲轴在带有振动传感器的硬支撑摆架上旋转，由于存在初始不平衡量，摆架发生振动，两个振动传感器采集摆架的振动信号，传输到控制器进行信号处理，计算曲轴的初始不平衡量，进而计算出校正打孔的角度和深度。

图3 测量系统原理图 图4 硬支撑摆架示意图

3.2钻孔补偿控制

如图5，校正单元运行定位至零位1，钻头旋转向前进给，当行进至位置3时，钻头接触到工件时，被刀具监控系统探测出，钻头继续行进至计算出的钻孔深度，即位置5，刀具退出，重复此过程直至所有的去重孔加工完毕。

3.3刀具监控系统

校正单元主轴下方安装有压力传感器，当钻头从接触工件至全部钻入工件的过程中，受力逐渐增大，并传导至压力传感器，刀具监控系统采集压力传感器传来的电压信号，进行过滤、放大、显示（图6中黄色曲线），可设置刀具接触工件极限(图6中红色直线)，在监控状态下，当信号曲线升高，突破极限时，输出信号，机床认为钻头寻找到工件。

图5 钻孔补偿示意图 图6 刀具监控系统显示画面

4曲轴动平衡机不平衡量超差典型故障状态

实际加工中，由于设备的异常状态，会遇到曲轴不平衡量测量校正两遍后仍然超差，工件报废的情况，或者在标定测量工位或者参考件验证过程中，发生标定或验证不合格的情况。总结多次故障维修的经验，上述故障，可归结为测量不稳定和校正异常两种状态。以下就这两种故障状态进行分析总结，得出可能的故障原因，针对性解决措施及日常预防性维护方案。

当动平衡机出现上述不平衡量问题时，需首先确认具体故障现象，明确是测量工位不稳定还是校正异常。

当平衡工位发生异常时，则会造成测量过程不稳定，得出的不平衡量不准确，进而会影响标定、参考件验证的结果，造成标定和验证失败，当正常加工工件时，由于测量结果不准确，根据此结果计算出的的钻孔位置和深度也不准确，造成校正失败，工件报废。判断测量是否不稳定，可通过观察对比不同工件的测量结果（包括不平衡量大小和方向）、参考件验证、测量台带工件/不带工件旋转观察不平衡量值是否稳定。

当校正工位发生异常时，则会造成工件打孔的实际深度与角度，与计算的理论深度存在差异，校正后不平衡量无法达到最佳状态，需经过二次校正，严重时二次校正后不平衡量仍然超差，工件报废。可查看孔的加工状态、测量孔的位置和深度，判断校正是否存在异常。

5结合多年维修经验，针对测量不稳定和校正异常的原因分析与检查判断方法，详见下表：

为有效控制机床异常停机，提升动平衡加工稳定性，进行针对性的预测性维护，是非常有必要的。如定期检查摆架滚轮状态、复测支撑架驱动头机械精度、检查各主轴精度、清理测量台和传动机构等重点部位的铁屑、参考件验证等，如发现异常，及时处理。

6结论

通过对平衡机结构及测量校正原理的了解，以及不平衡故障的分析研究，在遇到故障时，设备维修人员可以快速的判断问题、解决问题，同时在日常维护保养时，对设备各项状态针对性的进行检查确认，可显著降低故障率。

参考文献：
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[2] 轮胎动平衡测试原理与影响因素分析及其对策[J]. 于仁芳 步建民.建筑模拟.2018（19）
[3] 曲轴动平衡的方法和应用[J]. 曲贵龙. 重型汽车. 2004（4）