轉(zhuǎn)子靜平衡與動(dòng)平衡的選擇

時(shí)間：2023/6/28閱讀：707

一. 靜平衡

靜平衡在轉(zhuǎn)子一個(gè)校正面上進(jìn)行校正平衡，校正后的剩余不平衡量以保證轉(zhuǎn)子在靜態(tài)時(shí)是在許用不平衡量的規(guī)定范圍內(nèi)，稱為靜平衡又稱單面平衡。

二. 動(dòng)平衡

動(dòng)平衡在轉(zhuǎn)子兩個(gè)或者兩個(gè)以上校正面上同時(shí)進(jìn)行校正平衡，校正后的剩余不平衡量以保證轉(zhuǎn)子在動(dòng)態(tài)時(shí)是在許用不平衡量的規(guī)定范圍內(nèi)，稱為動(dòng)平衡又稱雙面或者多面平衡。

三. 轉(zhuǎn)子平衡的選擇與確定

如何選擇轉(zhuǎn)子的平衡方式，是一個(gè)關(guān)鍵問題。其選擇有這樣一個(gè)原則：

只要滿足于轉(zhuǎn)子平衡后用途需要的前提下，能做靜平衡的，則不要做動(dòng)平衡，能做動(dòng)平衡的，則不要做靜動(dòng)平衡。原因很簡單，靜平衡要比動(dòng)平衡容易做，省功、省力、省費(fèi)用。

那么如何進(jìn)行轉(zhuǎn)子平衡型式的確定呢？需要從以下幾個(gè)因素和依據(jù)來確定：

1.轉(zhuǎn)子的幾何形狀、結(jié)構(gòu)尺寸，特別是轉(zhuǎn)子的直徑D與轉(zhuǎn)子的兩校正面間的距離尺寸b之比值，以及轉(zhuǎn)子的支撐間距等。

2.轉(zhuǎn)子的工作轉(zhuǎn)速

關(guān)轉(zhuǎn)子平衡技術(shù)要求的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，如GB3215、API610、GB9239和ISO1940等。

3.轉(zhuǎn)子做靜平衡的條件在GB9239平衡標(biāo)準(zhǔn)中，對剛性轉(zhuǎn)子做靜平衡的條件定義為：

如果盤狀轉(zhuǎn)子的支撐間距足夠大并且旋轉(zhuǎn)時(shí)盤狀部位的軸向跳動(dòng)很小，從而可忽略偶不平衡（動(dòng)平衡），這時(shí)可用一個(gè)校正面校正不平衡即單面（靜）平衡，對具體轉(zhuǎn)子必須驗(yàn)證這些條件是否滿足。在對大量的某種類型的轉(zhuǎn)子在一個(gè)平面上平衡后，就可求得最大的剩余偶不平衡量，并除以支撐距離。如果在最不利的情況下這個(gè)值不大于許用剩余不平衡量的一半，則采用單面（靜）平衡就足夠了。

從這個(gè)定義中不難看出轉(zhuǎn)子只做單面（靜）平衡的條件主要有三個(gè)方面：

（1）一個(gè)是轉(zhuǎn)子幾何形狀為盤狀；

（2）一個(gè)是轉(zhuǎn)子在平衡機(jī)上做平衡時(shí)的支撐間距要大；

（3）再一個(gè)是轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)其校正面的端面跳動(dòng)要很小。

對以上三個(gè)條件作如下說明：

（1）何謂盤狀轉(zhuǎn)子主要用轉(zhuǎn)子的直徑D與轉(zhuǎn)子的兩校正面間的距離尺寸b之比值來確定。在API610標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定D/b＜6時(shí)，轉(zhuǎn)子只做單面平衡就可以了；D/b≥6時(shí)可以作為轉(zhuǎn)子是否為盤狀轉(zhuǎn)子的條件規(guī)定，但不能絕對化，因?yàn)檗D(zhuǎn)子做何種平衡還要考慮轉(zhuǎn)子的工作轉(zhuǎn)速。

（2）支撐間距要大無具體的參數(shù)規(guī)定，但與轉(zhuǎn)子校正面間距b之比值≥5以上均視為支撐間距足夠大。

（3）轉(zhuǎn)子的軸向跳動(dòng)主要指轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)校正面的端面跳動(dòng)，因?yàn)槿魏无D(zhuǎn)子做平衡試都是經(jīng)過精加工的，加工后已保證了轉(zhuǎn)子的孔與校正面之間的行為公差，端面跳動(dòng)很小。

根據(jù)上述轉(zhuǎn)子做單面（靜）平衡的條件，再結(jié)合有關(guān)泵方面的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)（如GB3215和API610），只做靜平衡的轉(zhuǎn)子條件如下：

（1）對單級泵、兩級泵的轉(zhuǎn)子，凡工作轉(zhuǎn)速＜1800轉(zhuǎn)/分時(shí)，不論D/b＜6或D/b≥6只做靜平衡即可。但是如果要求做動(dòng)平衡時(shí)，必須要保證D/b＜6，否則只能做靜平衡。

（2）對單級泵、兩級泵的轉(zhuǎn)子，凡工作轉(zhuǎn)速≥1800轉(zhuǎn)/分時(shí)，如果D/b≥6只做靜平衡即可。但平衡后的剩余不平衡量要等于或小于許用不平衡量的1/2。如果要求做動(dòng)平衡，要看兩個(gè)校正面的平衡是否能在平衡機(jī)上分離開，如果分離不開，則只能做靜平衡。

（3）對一些開式葉輪等轉(zhuǎn)子，如果不能實(shí)現(xiàn)兩端支撐，只做靜平衡即可。因?yàn)閮啥瞬荒苤?，勢必進(jìn)行懸臂，這樣在平衡機(jī)上做動(dòng)平衡很危險(xiǎn)，只能在平衡架上進(jìn)行單面（靜）平衡。

4.轉(zhuǎn)子做動(dòng)平衡的條件在GB9239標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定：凡剛性轉(zhuǎn)子如果不能滿足做靜平衡的盤狀轉(zhuǎn)子的條件，則需要進(jìn)行兩個(gè)平面來平衡，即動(dòng)平衡。

只做靜平衡的轉(zhuǎn)子條件如下（平衡靜度G0.4級為最高精度，一般情況下泵葉輪的動(dòng)平衡靜度選擇G6.3級或G2.5）：

（1）對單級泵、兩級泵的轉(zhuǎn)子，凡工作轉(zhuǎn)速≥1800轉(zhuǎn)/分時(shí)，只要D/b＜6時(shí)，應(yīng)做動(dòng)平衡。

（2）對多級泵和組合轉(zhuǎn)子（3級或3級以上），不論工作轉(zhuǎn)速多少，應(yīng)做組合轉(zhuǎn)子的動(dòng)平衡。

四、為什么要做動(dòng)平衡

由于轉(zhuǎn)子在制造加工過程中及組裝過程中，最后裝配完畢的轉(zhuǎn)子總是不能做到動(dòng)力上的軸對稱(稱為軸偏心)，因此也就存在一定的不平衡量。這種不平衡量通常稱之為原始不平衡量。

造成轉(zhuǎn)子具有原始不平衡量的原因多種多樣，但是如果轉(zhuǎn)子存在不平衡量，當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)，轉(zhuǎn)子的不平衡量將產(chǎn)生一個(gè)離心力。該離心力隨著轉(zhuǎn)速升高逐漸變大。離心力通過軸承傳達(dá)到機(jī)器上，引起整個(gè)機(jī)器的振動(dòng)，產(chǎn)生噪音、加速軸承的磨損、降低機(jī)器的壽命，甚至使機(jī)器控制失靈，發(fā)生嚴(yán)重事故。

動(dòng)不平衡是普遍的不平衡現(xiàn)象。它是靜不平衡和偶不平衡的組合。

不平衡的轉(zhuǎn)子經(jīng)過動(dòng)平衡校正后，不僅消除了偶不平衡，同時(shí)也消除了靜不平衡，這時(shí)轉(zhuǎn)子的中心慣性主軸和轉(zhuǎn)動(dòng)軸線也就一致，使轉(zhuǎn)子達(dá)到平衡。但理想是豐滿的現(xiàn)實(shí)是骨感的，想要把一個(gè)不平衡的轉(zhuǎn)子平衡到不平衡量為零，是不可能的。因?yàn)槭艿絼?dòng)平衡設(shè)備的精度和轉(zhuǎn)子局限性的影響。因此，就有了平衡精度的概念，即在現(xiàn)有的條件下，我們能達(dá)到的合理的一個(gè)數(shù)值量級，這樣即滿足了生產(chǎn)生活的要求，又滿足了經(jīng)濟(jì)性的要求。

動(dòng)平衡試驗(yàn)是對轉(zhuǎn)子進(jìn)行動(dòng)平衡檢測、校正，并達(dá)到使用要求的過程。

當(dāng)零件作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的零部件時(shí)，例如各種傳動(dòng)軸、主軸、風(fēng)機(jī)、水泵葉輪、刀具、電動(dòng)機(jī)和汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)子等，統(tǒng)稱為回轉(zhuǎn)體。在理想的情況下回轉(zhuǎn)體旋轉(zhuǎn)與不旋轉(zhuǎn)時(shí)，對軸承產(chǎn)生的壓力是一樣的，這樣的回轉(zhuǎn)體是平衡的回轉(zhuǎn)體。但工程中的各種回轉(zhuǎn)體，由于材質(zhì)不均勻或毛坯缺陷、加工及裝配中產(chǎn)生的誤差，甚至設(shè)計(jì)時(shí)就具有非對稱的幾何形狀等多種因素，使得回轉(zhuǎn)體在旋轉(zhuǎn)時(shí)，其上每個(gè)微小質(zhì)點(diǎn)產(chǎn)生的離心慣性力不能相互抵消，離心慣性力通過軸承作用到機(jī)械及其基礎(chǔ)上，引起振動(dòng)，產(chǎn)生了噪音，加速軸承磨損，縮短了機(jī)械壽命，嚴(yán)重時(shí)能造成破壞性事故。

為此，必須對轉(zhuǎn)子進(jìn)行平衡，使其達(dá)到允許的平衡精度等級，或使因此產(chǎn)生的機(jī)械振動(dòng)幅度降在允許的范圍內(nèi)。

五、對動(dòng)平衡機(jī)的精度要求

最小可達(dá)剩余不平衡量是平衡機(jī)平衡轉(zhuǎn)子時(shí)所能達(dá)到的最小剩余不平衡量，是衡量平衡機(jī)最高平衡能力的性能指標(biāo)。

硬支承平衡機(jī)可直接用校正面上的最小剩余不平衡量表示，單位為(克/毫米)，有些也使用克/厘米。

最小可達(dá)剩余不平衡量受平衡機(jī)的型式、測量方式、傳動(dòng)方式、軸承形式及校正面的平面分離比和平衡機(jī)的靈敏度等等因素的影響。

要使轉(zhuǎn)子的平衡精度很高(即剩余的不平衡量很小)，就要盡量排除影響不平衡精度的因素。這些影響因素中平衡機(jī)的傳動(dòng)方式和傳動(dòng)件的不平衡影響最大。轉(zhuǎn)子的軸頸精度也都應(yīng)受到嚴(yán)格的限制，還有裝有葉輪的轉(zhuǎn)子件，重心不在轉(zhuǎn)子中心的轉(zhuǎn)子，裝有軸承底套和密封使用盤根的轉(zhuǎn)子。

考慮到技術(shù)的先進(jìn)性和經(jīng)濟(jì)上的合理性，國際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)于1940年制定了ISO1940平衡等級，它將轉(zhuǎn)子平衡等級分為11個(gè)級別，每個(gè)級別間以2.5倍為增量，平衡機(jī)從要求最高的G0.4到要求低的G4000。單位為公克×毫米/公斤(gmm/kg)，代表不平衡對于轉(zhuǎn)子軸心的偏心距離。

六、轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡技術(shù)的方法

轉(zhuǎn)子的不平衡力產(chǎn)生的主要原因?yàn)椋?/span>

（1）轉(zhuǎn)子制造時(shí)的原始不平衡量；

（2）轉(zhuǎn)子長期運(yùn)轉(zhuǎn)摩擦發(fā)熱造成的彎曲；

（3）轉(zhuǎn)子運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生漸發(fā)性的不平衡量；

（4）轉(zhuǎn)子受到外界的變化影響從而生產(chǎn)轉(zhuǎn)子彎曲。

針對轉(zhuǎn)子的不平衡問題，通常采用離線動(dòng)平衡校正方法和在線動(dòng)平衡校正方法。前者通常將設(shè)備的轉(zhuǎn)子拆卸下來，然后送至平衡機(jī)上進(jìn)行校正；后者與前者最大的區(qū)別就是轉(zhuǎn)子不用拆卸，而是直接在現(xiàn)場對其進(jìn)行不平衡量修復(fù)。

6.1離線動(dòng)平衡校正法

轉(zhuǎn)子離線動(dòng)平衡，又叫工藝動(dòng)平衡。它是把待檢測轉(zhuǎn)子裝在平衡機(jī)上，將傳感器對準(zhǔn)貼在轉(zhuǎn)子上的反射標(biāo)簽，并將產(chǎn)生的信號反饋到平衡機(jī)上，技術(shù)人員通過平衡機(jī)上顯示的不平衡量大小與角度，對其進(jìn)行適當(dāng)?shù)男Ｕc修復(fù)。其主要過程為：

首先，將旋轉(zhuǎn)設(shè)備停機(jī)并取出故障的轉(zhuǎn)子；接著把轉(zhuǎn)子送至動(dòng)平衡機(jī)上并確定轉(zhuǎn)子軸承位；此時(shí)，固定好轉(zhuǎn)子、設(shè)置好參數(shù)并啟動(dòng)平衡機(jī)；

然后將待測轉(zhuǎn)子的周期性振動(dòng)信號轉(zhuǎn)化成電感信號，測出轉(zhuǎn)子校正面對應(yīng)的不平衡量與相位；最后通過去重或加重的方式加以校正與消除其不平衡量，從而達(dá)到安全生產(chǎn)的要求。

總的來說，離線動(dòng)平衡校正法是一種使轉(zhuǎn)子本身整體達(dá)到平衡的方法。

6.2在線動(dòng)平衡校正法

在線動(dòng)平衡，又叫現(xiàn)場動(dòng)平衡或整機(jī)動(dòng)平衡，顧名思義就是在現(xiàn)場對設(shè)備在工作轉(zhuǎn)速下進(jìn)行檢測并完成動(dòng)平衡操作。在線動(dòng)平衡是指不拆卸機(jī)組，在其正常運(yùn)行情況下對轉(zhuǎn)子進(jìn)行動(dòng)平衡，使振動(dòng)降低的方法。在線動(dòng)平衡技術(shù)指的是通過對傳感器采集到轉(zhuǎn)子的振動(dòng)信號，將其不平衡量、相位進(jìn)行計(jì)算與分析，以及利用相關(guān)控制系統(tǒng)輸入量的變化來消除其不平衡量。具體是通過傳感器對轉(zhuǎn)子振動(dòng)信號的檢測，以設(shè)備機(jī)座作為平衡機(jī)底座，轉(zhuǎn)子和軸承的振動(dòng)為線性系統(tǒng)，引起的振動(dòng)為線性疊加，將采集的振動(dòng)信息進(jìn)行處理，確定轉(zhuǎn)子各平衡校正面的不平衡量與角度，最后進(jìn)行加重或去重的方法來消除不平衡量，從而達(dá)到校正的目的。所以說，在線動(dòng)平衡校正方法具有避免因拆卸與安裝引起的誤差、減少不必要的人力、操作方便、易于自動(dòng)化、確保機(jī)組安全有序地運(yùn)行等優(yōu)點(diǎn)。因此在線動(dòng)平衡是消除設(shè)備振動(dòng)的一項(xiàng)重要措施，同時(shí)這也是我國石化行業(yè)、機(jī)械設(shè)備等行業(yè)以后的發(fā)展趨勢。

總的來說，在線與離線轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡都能夠?qū)D(zhuǎn)子進(jìn)行不平衡量校正，兩者的校正精度都很高，修復(fù)后都符合安全生產(chǎn)的要求。因此，對一個(gè)轉(zhuǎn)子進(jìn)行動(dòng)平衡時(shí)，我們要結(jié)合實(shí)際對其效率、成本等方面進(jìn)行綜合分析，判斷在線或離線動(dòng)平衡哪個(gè)適合，然后選擇最恰當(dāng)?shù)姆椒ㄟM(jìn)行操作。一方面可以大大提高效率；另一方面對轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡操作的精度也有幫助。但是，由于設(shè)備支承結(jié)構(gòu)與轉(zhuǎn)子的多樣性，在線動(dòng)平衡比離線動(dòng)平衡復(fù)雜很多，加上在線要求在最短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)的動(dòng)平衡效果，其難度很大。因此在線與離線動(dòng)平衡的區(qū)別為：

（1）兩者所使用的測試儀器不一樣；

（2）在線動(dòng)平衡能夠使用的校正面比離線的少；

（3）在線動(dòng)平衡操作時(shí)人數(shù)較多；

（4）兩者的平衡標(biāo)準(zhǔn)不一樣；

（5）兩者在經(jīng)濟(jì)與時(shí)間要求不同。

七、平衡工藝與方法

不平衡的轉(zhuǎn)子經(jīng)過測量其不平衡量，并加以校正以消除其不平衡，這就是轉(zhuǎn)子平衡的工藝過程，也稱平衡試驗(yàn)。它是轉(zhuǎn)子機(jī)械加工中的重要工序。

1.校正面的選擇

消除轉(zhuǎn)子的不平衡，使其處于平衡狀態(tài)的操作叫做平衡校正。平衡校正是在垂直轉(zhuǎn)子軸線的平面上進(jìn)行的，該平面稱為校正平面。只需要在一個(gè)校正面內(nèi)校正平衡的方式稱為單面平衡或靜平衡，必須在兩個(gè)或多個(gè)校正平面內(nèi)進(jìn)行校正的方式稱為雙面平衡或多面平衡或稱動(dòng)平衡。

對于初始不平衡量很大，旋轉(zhuǎn)時(shí)振動(dòng)過大的轉(zhuǎn)子，在動(dòng)平衡校驗(yàn)之前要先進(jìn)行單面平衡，以消除靜不平衡。有時(shí)由于校正面位置選擇不當(dāng)(即重心不在選擇的校正面內(nèi))，校正靜平衡后反而會(huì)使偶不平衡增大。因此，校正面最好是選擇在重心所在平面內(nèi)進(jìn)行，以減少偶不平衡。若重心所在平面不允許去重時(shí)，一般應(yīng)在位于重心所在平面兩側(cè)的兩個(gè)平面上進(jìn)行。

對于剛性轉(zhuǎn)子，一般具有靜不平衡與偶不平衡。要達(dá)到平衡，可在任意選擇的與軸線相垂直的兩個(gè)校正平面內(nèi)校正其不平衡，即所謂雙面平衡。校正方法一般采用加重(如配平衡塊)或去重(如打孔)方式進(jìn)行。校正平面的位置一般由轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)決定。

為減少在平衡操作中所花費(fèi)的時(shí)間和勞力，應(yīng)設(shè)法減少校正量，為此在可能的條件下，盡可能的增加兩校正面的距離和校正半徑，以取得好的平衡效果。

2.校驗(yàn)方法

轉(zhuǎn)子的不平衡是因其中心主慣性軸與旋轉(zhuǎn)軸線不重合而產(chǎn)生的，而平衡校正就是改變轉(zhuǎn)子的質(zhì)量分布，使其中心主慣性軸與旋轉(zhuǎn)軸線相重合從而達(dá)到平衡。常用的校正方法有調(diào)整校正重量，加重或去重等。

加重可采用螺釘連接，鉚接，焊接，這種方法能使轉(zhuǎn)子達(dá)到更好的平衡效果和更高的平衡精度，而且方便、安全。

去重多采用鉆孔，磨削，鏨削，銑削等方法。對機(jī)泵的轉(zhuǎn)子件、葉輪上采用磨削去重，或在聯(lián)軸節(jié)上配重。

選用哪一種校正方法，取決于轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)和工藝要求以及校正面的幾何形狀等。一般轉(zhuǎn)子在設(shè)計(jì)時(shí)就考慮好加重或去重的位置。

3.校正誤差

在平衡過程中，除平衡機(jī)的測量誤差外，還存在因平衡校正的不準(zhǔn)確(包括校正量的大小和位置)而產(chǎn)生的誤差，這種誤差稱為校正誤差?？煞譃樾Ｕ嵌日`差、校正幅值誤差、校正半徑誤差和校正平面位置誤差等。

在實(shí)際校正中，上述的四種誤差大多數(shù)情況是綜合出現(xiàn)的，分析時(shí)就應(yīng)該綜合考慮。另外，還應(yīng)考慮初始不平衡量與剩余不平衡量之間的比例，以及平衡機(jī)的不平衡減低率的影響。

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轉(zhuǎn)子靜平衡與動(dòng)平衡的選擇

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