论整体核心动平衡机在增压器行业的应用

路边

近几十年来, 由于汽车工业的不断发展和人们对其排放尾气所造成的污染的曰益重视,对尾气排放控制要求曰益严格,从而使增压器行业得到了飞速发展。从高原到平原，从郊外到城市，从卡车柴油机到轿车汽油机，随着时间的发展，几乎所有的汽车都会配置涡轮增压器。于是涡轮增压器性能的好坏几乎决定了整个发动机的功效和性能的优劣，而其中影响涡轮增压器性能最重要的因素之一就是工作状态下核心组件动平衡的好坏。人们关于核心组件动平衡方法进行了不断地探索、尝试和改进，并取得了巨大的进步。
         
        对于刚性增压器（工作转速在临界转速以下，此时涡轮轴不会产生剧烈的挠性变形）的组合平衡，现在比较流行的方法是：除了压缩轮壳及涡轮壳及安装螺栓外，将所有旋转零件包括中间体及密封圈等装配在一起形成核心总成件，放在专用的空气驱动平衡机上进行双面平衡，这种平衡机要尽量模拟增压器的工况，在测量不平衡的同时，同时监测在油压轴承腔体内的油压及流量及油的温度，在高于形成油膜的速度进行测量（形成油膜的最低点大约在1700~2500RPM, 平衡转速通常会选择在3000~5000RPM）保证了油压浮动轴承的正常工作不受损坏并且不影响真实的不平衡结果。由于是空气驱动，带入的干扰就小得多。而让油压及流量和油的温度保持与工况时一致，也同样避免了因油况不同带入的干扰。平衡合格后，装上两个壳体出厂。
         
        实践结果表明，现在的平衡方法能够满足当今市场的需要，平衡结果也比较准确（因增压器工作时，涡轮废气带来的热量使涡轮受热膨胀，压叶轮由于做功发热同样受热膨胀，这样增压器实际工况的不平衡会与低速时的结果稍有不同，但偏差很小）。
         
        对于挠性转子（转子较小，轴非常细，工作转速在临界转速以上，工作时涡轮轴会产生剧烈的挠性变形）的高速核心平衡，由于其工况更加复杂，至今仍有不同观点，因而形成了不同类型的平衡机。比较一致的做法是：
         
        1、 对其进行单面平衡（由于转速太高，目前技术水平，无法真正准确实现面分离），理论基础是在涡轮端，在单件生产时已经进行了平衡，组装好以后，基本没有任何的旋转零件加在这一端，所以平衡状况不应该有太大的变化，而压气机端，虽然在单件生产时进行了平衡，但组装后家了垫片、螺母等旋转零件，肯定会对不平衡产生影响，所以需要重新平衡这一端。
         
        2、 采取磁性速度传感器来检测转速，目前的汽油机小型增压器的工作转速都在200,000.00RPM以上，速度传感器中对高频率能够响应比较迅速的，只有磁性速度传感器了。但磁性传感器的不足在于相位角无法被准确获得，所以进行不平衡修正时就无法修正快速准确。原因是该传感器是使用对磁场强度的变化来记录转子的转速，所以对磁场强度强到何种程度，传感器开始响应就无从知道，所以对零件充磁后实际“0”度角的位置的总结就变得非常重要。通过一定的训练，操作员应能够基本掌握其具体位置。尽管如此，实际“0”度角的位置随每次充磁手法的略有不同和每次螺母材料的细微差异都会有不同，基本角度误差可以控制在20度以内。
         
        近年来，为了克服角度误差，也有一些单位在不断探索试图用其他类型的速度测量系统来代替磁性速度系统，例如美国霍夫曼公司在有些机器上配置的本公司研制出的单激光速度测量系统。其最大好处在于，该系统能非常准确地得到不平衡的确切相位，误差很小。该系统采用激光计数压气机叶轮叶片的方法，每经过一个叶片，光束被遮断一次，举例说明，例如一个有一种增压器，叶轮叶片数是12片，激光计数120,000次时，增压器实际转速应为10,000RPM，所以，当增压器实际转速为50,000RPM时，激光计数次数为600,000次。但由于目前的技术上的局限性，包括传输线、信号发送及PC 板的信号接收及计算处理等，最大只能处理600,000次计数（目前已经又有所提高，大约可以处理约1,000,000次计数），对于12片的轮子来说，如果用通常的方式对每一叶片都计数的话，单激光系统能够测量到最大的转速是50,000RPM，这远远低于增压器实际的工作转速，不能满足实际的需要。一种常用的方法是，由于压气机叶轮叶片分主叶片和分流叶片（通常，主叶片的高度比分流叶片要高出大约1/3）不同，如果只记录主叶片，就会成倍提高测量的实际转速。（同时需要在电控系统中设定“分频”，一分为二或一分为四）。这样一来，对于在平衡转速选择在一阶临界转速附近（大约80,000RPM~160,000RPM）的机器来说，基本上可以满足使用，但是这种作法，由于实际读取叶片的数量的减少，叶片间角度的增大，无疑增加了角度的误差，尽管比用磁性速度传感器精确，还是没有读取全部叶片时角度精确。随着用户对测量转速的不断提高的要求，迫切需要对目前这种激光测量系统改进和完善。
         
        各机器的主要不同特点为：
         
        ◆ 对增压器的驱动方式不同，典型的以美国霍夫曼公司HXT-20.3CB/HS和德国申克公司110MBRS为例，霍夫曼公司直接以用户的涡轮壳作为夹具的一部分，驱动空气模拟在增压器工作状态时在涡轮腔内的驱动状态，这样设计的优点是使核心体承受的来自涡轮腔流道内的冲击与实际工作时尽可能一致，而且不必去重新设计夹具驱动腔体来适应涡轮的外形。缺点是对气源的流量要求较高。例如：要使JP-80型号增压器（涡轮外径约为76mm, 压气机叶轮的外径约为80mm）转速达到80000RPM，压缩机的流量就要10M3/min 以上。压力要求为0.65Mpa~0.7Mpa, 不是很高; 申克公司110MBRS专门设计了驱动夹具，而不是采用涡轮壳作为夹具的一部分，夹具的驱动是通过一个细孔喷嘴来实现的，该细孔与内腔形成了一定角度，并且为防止喷嘴发出的巨大噪音，细孔的形状设计成流体力学中的可以降低噪音的两端开口较大，中间较细的形状。这样做的目的是在尽量减少气源流量需求的情况下，尽量提供较大的驱动力。但机器对气源的压力要求相对较高，大约要0.65Mpa~0.8Mpa，同时对于大转子高转速的要求，比较难实现同样要使JP-80型号增压器转到80,000RPM, 该机器实现起来比较困难。
         
        比较两种不同的技术，笔者认为前者的设计比较优越，一是在转子相同时可以达到更高的转速; 二是机器工作时更接近增压器的工况。而用喷嘴驱动，是单点受力，与增压器装在发动机上受到的空气驱动力不同，在挠性转子的高转速下，核心体及轴的变形情况复杂，很难说对实际的振动变形不造成干扰。这就让人对所显示的结果的准确程度产生怀疑。
         
        ◆ 所采用的测量单位不同: 大多数的供应商采用的是加速度g(mm/s2)或振动速度g'(mm/s)，并且相互之间可以转换。也有极少数采用不平衡g-mm为单位的。无论采用何种单位，最终目的都是应该更好地反映真实状态。笔者更倾向于使用振动速度g'(mm/s)，原因是所有发动机厂家所关心的是最后增压器安装在发动机上的振动状况，他们最直接的验收标准应该是振动是否超标，他们不一定很清楚加速度g是多少或是不平衡为多少g-mm时，增压器是合格的。如果单位一致，无疑将为顾客提供最有力的参考依据。
         
        当然，各个厂家的高速核心动平衡机在很多方面都有其各自特点，比如G.T.I. 公司 (曰本联信的子公司)在半自动修正平衡机中采用了完全相同的磁性速度及相位识别系统来避免修正中磁性速度系统的误差; 美国霍夫曼公司在测量过程中采用闭环伺服速度控制系统等，在这里就不一一列举。
        但就我所见到的，包括所有这些机器，都还有一些值得注意并需要完善的地方，比如：
         
        ▲ 由于驱动空气是冷的，而工况时废气是热的并且温度极高，所以转子在平衡机上时热膨胀及质心的变化与其在发动机上运转时会有不同; 并且油气混合物在气缸内爆炸的形式推动发动机运转，废气的产生和排放变化多端，与测量平衡时空气的推动力也可能有所不同。
         
        ▲ 由于要驱动转子到高速，如果不对压气机叶轮端进行处理，压气机叶轮势必作功，阻碍转速提高。所以，几乎所有的厂家都采取了用密封环盖住该端，加速旋转时使压气机叶轮端形成近似真空，这样一来，就可以将转速吹上去了，并由于是近似真空，一方面，还有部分空气，压气机叶轮仍然会作功发热；另一方面，又会产生“倒吸”现象，会将轴承腔内的油沿着密封环吸向压气机叶轮端。会对密封产生影响，还可能会发生油“冒烟”燃烧的现象。
         
        相信随着技术的进步，以上方面会得到改进，使机器更加完善。（完）