摘要：涡轮增压器转子叶轮由于生产过程中的种种原因，造成动平衡时不平衡量过大．影响叶轮的形状精度和工作性能。根据陀螺在高速或稳定旋转时绕对称轴旋转的原理．设计了专用夹具，改进了叶轮的加工方法。使机械加工后的叶轮的几何中心和质量中心重合。保证了加工质量，提高了叶轮的工作性能。

1 前言

涡轮增压器转子上的两个叶轮的动平衡精度，决定了整个转子的动平衡精度，现在增压器转子的转速已从每分钟几万转增加到十几万转，使动量不平衡转子轴上的离心力很大。离心力会引起转子的振动，甚至会造成转轴断裂。

图1

某厂的叶轮(图1)毛坯是采用熔模铸造成的。由于做熔模的金属母模精度较低，熔模强度低容易变形，同一叶片型线变化差异较大，甚至同一叶轮叶片的厚度竟相差0.54mm。另外叶轮毛坯表面清理不干净，造成了叶轮毛坯形状精度和表面质量较差。

由于作为定位粗基准的叶轮曲率型面的变形，有时还存在凸起和渣瘤，致使加工的定位精基准与设计基准不重合，造成了加工后的叶轮几何中心与质量中心偏移较大，致使叶轮在做动平衡测试时，不得不在远离转轴处以大面积地去掉叶片质量的方法来达到动平衡的精度要求。这样就造成叶片型面形状精度降低，叶片的自振频率、叶轮气体的流道均受到了破坏，影响了叶轮的正常工作性能。

针对叶轮毛坯精度及表面质量差的问题，笔者基于陀螺原理对涡轮增压器转子叶轮的加工方法进行了研究和改进，在生产中取得了良好的效果。

2 改进加工方法的理论依据

当一个物体绕对称轴高速旋转，并悬置在一个无摩擦的平衡环系中时，其重心的运动是完全自由的。其关系式为 dH/dt=M(1)式中：M是施加力矩，H是物体的角动量。在该物体上设一空间直角坐标系，原．点在重心上。积分表达式为 H=∫0tMdt(2)角动量H写成分解式: H_x=IW_x}H_y=I_tW_yH_z=I_tW_z(3)式中：I是对回转轴的惯性矩；I_t是对任一横向轴的惯性矩，W_x是物体的角速度沿对称轴X 的分量；W_y、W_z分别是角速度沿Y轴和Z轴的分量。

如果无作用力矩，即拭、从均等于零，则式(2)H=常数。该式表明角动量H矢量的方向在空间保持不变，H矢量与对称轴重合。

在利用这一性质时，显然希望角动量H矢量与对称轴重合。但是式(3)表明角动量H矢量不一定与对称轴重合，除非设法使W_y、W_y均为零迫使它们重合。

若W_y、W_y不等于零，则对称轴将绕H矢量画出一个圆锥，其顶角为2q。关系式为 tanq=I_t(W_y²+W_x²)^½IW_x(4)

1.外环 2.内环(动轴)3.叶轮
图2

即产生振动，这一现象称为陀螺的“章动”现象。

假定M≠0而且垂直于H矢量施加，物体将以与H垂直的角速度w旋转，即w=M/H或M=wH。角动量矢量在力矩M的作用下旋转，这就是陀螺的“进动”现象。

安装在动轴上的叶轮，在不考虑外环质量的惯性、轴承的摩擦力矩和空气动力性质的情况下，作用于外环的各力对转轴z的力矩之和应等于零(图2)。即 -M_xsinb+M_zcosb=0此时可将安装在动轴上的叶轮视为一陀螺，当陀螺作加速运转时，即陀螺自转的角速度w增大时陀螺倾角b将随之减小，反之b增大。当陀螺作稳定旋转时，其倾角b应逐渐消失，陀螺将绕其转动轴线z旋转。陀螺的动量矩矢量与对称轴重合且方向不变：利用这一原理对叶轮的加工方法进行了改进。

3 改进的方法

改进铸造工艺，提高叶轮毛坯的形状精度和表面质量，特别是定位基准R圆弧面。

1.滚轮 2.空心主轴 3.转子 4.定心压盘 5.夹紧螺钉 6.中心钻
图3 改进后的加工叶轮中心孔的夹具

设计一个专用加工叶轮中心孔的夹具(图3)。夹具体的转子是铸钢件，有足够高的强度和刚度，内外表面都要加工。转子隔板中心的R圆弧是定位基准面，加工精度和表面质量要求较高，和转子内外圆面有较高的同轴度要求。带定心止口的螺钉压盘夹紧机构在夹紧工件时仍保持和转子有较高的同轴度。转子安装在空心主轴的法兰盘上，空心主轴由电动机驱动旋转，调整转子达到较高的动平衡精度。轴承要有良好的润滑，以最大限度地减小摩擦力。安装在两端滑套式动力头上的中心钻应和夹具转子在同一个回转中心线上。将叶轮毛坯稳固地安装在夹具上，使叶轮和夹具组成一个陀螺机构。当叶轮的质量中心不在转子的回转中心线上时，夹具的转子旋转时将产生振动。安装在转子侧面的滚轮对夹具的转子施加一个力矩M，当夹具的转子作稳定旋转时，该旋转中心即是叶轮的质量中心。在叶轮的质量中心的两端处加工中心孔，这个中心孔就是叶轮精加工的定位精基准。叶轮的质量中心也就是设计基准，符合基准重合原则。这样就保证了叶轮的质量中心和几何中心基本重合。

4 结束语

利用陀螺原理所设计的夹具(图3) ，使机械加工后叶轮的几何中心与质量中心重合，使叶轮动平衡的不平衡量大大减少，动平衡时从靠近叶轮心部的端面去重即可达到动平衡的精度要求。保证了叶轮的形状完整和良好的工作性能、：并达到了国外先进设备所加工叶轮的质量。
由于不平衡量减少，有利于实现去重机与动平衡机联网，实现叶轮去重自动化。
通过检查测量可以发现叶轮毛坯的几何中心和质量中心的偏移，指导模具修正，提高毛坯的铸造质量。
可以降低因不平衡量过大而造成的废品率，提高生产效率、降低制造成本。