动平衡技术在机械设备转子中的应用研究

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现代动平衡技术是随着蒸汽机的出现而发展起来的。随着工业生产的飞速发展，旋转机械逐步向精密化、大型化、高速化方向发展，使机械振动问题越来越突出。机械的剧烈振动对机器本身及其周围环境都会带来-系列危害。产生振动的原因很多，但普遍认为不平衡力”是主要原因 。据统计，有 50%左右的机械振动是由不平衡力引起的。因此，有必要改变旋转机械运动部分的质量，减小不平衡力，即对转子进行平衡 。

H5U型硬支承平衡机是炼化总厂在上海申克试验机有限公司购进的，自投运使用以来 ，对炼厂许多设备的转子进行过动平衡校验，主要有催化烟机转子、动力东区风电机转子、酸性水鼓风机转子、焦化鼓风机转子等，通过去(配)重方法校正失去动平衡的转子，使这些转子能快速重新投入应用，改变了以往必须送外做动平衡或更换新转子的情况，为炼厂节约了大量设备配件资源。

硬支承平衡机是 目前使用较为广泛的通用平衡机，它具有效率高、操作简便、显示直观、测量迅速、稳定性好等特点，在使用中只需将各种类别、开头各异的待平衡工件转子的几何尺寸、支承形式及其参数、校正半径等数据输入电测系统，即可在-次启动运转后，准确地显示出受检转子剩余不平衡量的量值和相位，对于单件或批量转子都十分方便，是-种较为先进的动平衡校验和检测设备 。

2 机械动平衡概述常用机械中包含大量的作旋转运动的零部件，例如各种传动轴、主轴、电动机和汽轮机的转子等，统称为回转体。

在理想情况下，回转体旋转与不旋转时，对轴承产生的压力是-样的，这样的回转体是平衡的回转体 - 。但工程中的各种回转体，由于材质不均匀或毛坯缺陷、加工及装配中产生的误差，甚至设计时就具有非对称的几何形状等多种因素，使得回转体在旋转时，其上每个微小质点产生的离心惯性力不能相互抵消，离心惯性力通过轴承作用到机械及其基础上引起振动产生噪音，加速了轴承磨损，缩短了机械寿命，严重时可能造成破坏性事故。为此，必须对转子进行平衡，使其达到允许的平衡精度等级，或使因此产生的机械振动幅度降在允许的范围内。转子产生的不平衡离心力，其值由下式计算：收稿日期：2013-5-26作者简介：张慧锋(1977-)，男，河北正定人，硕士，讲师，主要从事高等教育方面的研究工作。

· 66·· 机械研究与应用 ·2013年第4期(第26卷，总第126期) 应用与试验c 詈e c (kg ㈩式中：G为转子的质量 ，kg；e为转子重心对旋转轴线的偏移，即偏心距，mm；n为转子的转速，r/min；W为转子的角速度，rad/s；g为重力加速度 9.8 m/s 。

由式(1)可知，重型或高转速的转子，即使具有很小的偏心距 ，也会引起极大的不平衡的离心力，成为轴或轴承的磨损、机器或基础振动的主要原因之-。 所以，机器在装配时，转子必须进行平衡。转子不平衡有两种情况：①静不平衡，即转子主惯性轴与旋转轴线不相重合 ，但相互平行，即转子重心不在旋转轴线上，如图1(a)所示。当转子旋转时，将产生不平衡的离心力；②动不平衡，即转子的主惯性轴与旋转轴线交错，且相交于转子的重心上，即转子的重心在旋转轴线上，如图 1(b)所示。这时转子虽处于静平衡状态，但转子旋转时，将产生不平衡力矩。在大多数情况下，转子既存在静不平衡，又存在动不平衡，这种情况称静动不平衡。此时，转子主惯性轴线与旋转轴线既不重合，又不平行 ，而相交于转子旋转轴线中非重心的任何-点，如图 1(c)所示。当转子旋转时，产生 1个不平衡的离心力和 1个力矩。转子静不平衡只须在 1个平面(即校正正面)安装 1个平衡重量，就可以使转子达到平衡，故又称单面平衡。平衡重量的数值和位置，在转子静力状态下确定 ，即将转子的颈搁置在水平刀刃支撑上，加以观察，就可以看出其不平衡状态，较重部分会向下转动，这种方法为静平衡。静平衡主要应用于转子端面之间的距离比轴承之间的距离小许多的盘形转子，如齿轮、飞轮、皮带轮等。转子动不平衡及静动不平衡必须在垂直于旋转轴的2个平面(即校正平面)内各加 1个平衡重量，使转子达到平衡 J。平衡重量的数值和位置，必须使转子在动力状态下，即转子在旋转的情况下确定，这种方法为动平衡。因需 2个平面作平衡校正，故又称双面平衡。

图 1 转子不平衡的三种情况3 基本参数和工作原理3.1 I-ISU型硬支承平衡机的基本参数及结构简介本机由主轴驱动装置、支承架、床身、传感器、机械放大机构、万向节传动轴及电i贝0箱、电控柜等部分组成。主轴驱动装置由DC型电动机通过皮带驱动变速箱的花键输入轴，经变速箱的各档速比，当电动机达到额定功率转速时，输出轴的各档转速及最大扭矩如表 1所列。

表 1 转速扭矩表当输出轴经过带刻度的联接法兰与额定扭矩相当的万向节传动轴联接后拖动工件转子旋转，供选择的2种万向节传动轴的额定扭矩分别为250 N·m、700 N ·m。

3.2 硬支承平衡机的工作原理硬支承动平衡机其支承刚度大，转子支承系统固有频率远高于平衡转速。因支承系统的振幅很小，故转子系统的惯性力可忽略不计，且其支承系统用低阻尼结构。在这种小阻尼情况下，转子不平衡量所产生的振动频率远小于转子支承系统的固有频率，所以支承振幅与转子不平衡量成正比，且振动的相位和不平衡相同，现行硬支承平衡机工作原理如图2所示。

图2 硬支承转子及支承系统硬支承平衡机根据动反力 Ⅳ1.、Ⅳ 来确定两校正面上离心力 F ，和 F ，从而确定两校正面上的不平衡量。由于测量是在轴承处，而校正是在选定两校正面上，所以它们之间的关系为动平衡关系；由于转子惯性力忽略不计，故支承反力和不平衡力是平衡的，由于各力都是变化矢量，故均可用复数表示，所以可推导出如下平衡方程：FLNL( - R)/B (2)FRNR(ANL～CNR)/B (3)由此可见，由不平衡量 m r 、m：r 所产生的离心力，仅与两轴承处反力 ⅣI 、Ⅳ 和轴承及校正面位置尺寸 、B、C有关。轴承处反动力可以通过传感器测出，各位置尺寸可以直接测量。最后的数据计算机辅助进行。

· 67 ·应用与试验 2013年第4期(第26卷，总第126期)·机械研究与应用 ·4 动平衡技术校验法和允许不平衡量计算4.1动平衡的校验方法(1)按转子轴颈大邪其所需旋转扭矩，选择相应的滚轮架和合适的万向节传动轴。

(2)测量转子安装轴承部位之间的距离，按照实际尺寸调节支承架之间的距离，使其和万向节传动轴连接达到合适尺寸并紧固，按转子轴颈尺寸参照滚轮架上的轴颈范围标尺，调节好滚轮架的高度并紧固。

(3)将转子吊装到支承架上，调节主轴驱动装置轴向端面的可逆式轮扳手，使万向节传动轴端面与转子连接端面贴合良好，在保证同心度的要求下，用螺丝紧固。

(4)选择质量和长短相同的螺栓，使万向节传动轴与转子均布连接并紧固，将安全防护罩罩好。

(5)以上准备工作在检查确认无误后回到操作台，按下 RESET按钮，显示屏上将出现支承方式的选择，按数字钮选择支承方式。选定实际支承方式后，按继续”钮，屏幕上依次显示a、c、c、r 、r：，按被校正转子实际尺寸输入 a、c、c、r 、r 参数，通过继续”按钮和数字按钮，依次输人显示方式面 1或面2和极坐标 m，选择去重或加重，设定公差值、设定转速。

(6)按转子质量、转子最大外径、初始不平衡量等选择平衡转速，并按转速标牌调整变速手柄的位置。若转子的初始不平衡量过大，甚至引起转子在滚轮架上跳动时，要先低速校正，有时虽然转子质量不大，但外径较大，影响拖动功率时，只能选择低速校正。

(7)以上操作经确认无误后，按起动按钮，缓慢旋转开速钮，当转子转速超过 100 r/min时，将 自动显示转速，当转速达到预设转速的 95%时，自动检测。当连续检测后，显示屏将显示测量结果。然后缓慢反方向旋转开速钮，直至转子回到静止状态。

(8)当转子停止旋转后按显示器显示位置找到转子相应点进行去(配)重。

(9)反复第(6)、(7)步骤直至转子剩余不平衡量达到要求。

4.2 平衡质量等级平衡品质或平衡质量等级 G，每个级别以2.5倍为增量，表示回转体处于不平衡状态时回转体重心的线速度，G值越小则回转体旋转越平稳。ISO1940中，把刚性转子的平衡品质划分为 11级，从 GO.4到G4000，有 GO .4、G1、G2.5、G6.3、G16、G40、G100、G250、G630、G1600、G4000。对于机床平衡等级-般应达到 G6.3；机床驱动件，电机转子等应达到 G2.5；对于磨床驱动件应 2011-9-307机转子等应达到G2.5；对于磨床驱动件应达到 G1.0；精密磨床的主· 68 ·轴、砂轮要求达到 GO.4。允许不平衡量的计算允许不平衡量的计算的公式为：n 。

ro per： M ×G× ×10 (g) (4)式中：m 为允许不平衡量，g；M为转子自身的重量，kg；G为转子的平衡精度等级，mm/s；r为转子的校正半径，mm；n为转子的转速，r/min。

5 动平衡技术的实际应用在 日常运行中，由于设备转子磨损、冲蚀等原因，造成转子动平衡量超标进而引起振动的情况比较普遍，所以对转动设备，尤其是大型机组进行动平衡修复非常必要，在炼化厂购进动平衡机以前，设备转子动平衡实验要送到兰州或厂家去做，这样即增长了检修周期增加了费用，对装置正常生产影响很大，动平衡机的应用改变了这种被动局面。

以催化装置 YLⅡ-13000A烟机转子为例，在运行过程中，由于烟气介质中带有固体颗粒，在烟机高速运转下，对叶片的冲蚀很严重，造成转子动不平衡量超标，使烟机振动增大，无法正常运行，需对转子进行动平衡校验。

烟机动平衡实验相关参数：转子质量 2 000 kg；平衡精度要求为 G2.5级；转子的转速 5 445 r/rain；后端校正半径为600 mm；前端校正半径为220 mm。

则该转子的允许不平衡量理论计算值：后端 ：m 2 000 X 2.5 × 14.6(g)前端：60 2av×600 ×5 445 × 10。

2 000 ×2.5 × × 10通过动平衡机实验最后得到的不衡量如表 2所列。由表2可知，经过动平衡找正后，远端剩余不平衡量为3.36 g，在允许不平衡量范围之内，符合要求。

6 结 论动平衡技术在生产中的实际应用，极大节约了设备配件成本，能快速及时地对设备转子进行修复并重新投入使用，缩短了检修工期，保证了重要设备的正常运行，为装置平稳运行打好基矗随着旋转机械逐步向精密化、大型化、高速化方向发展，机械的剧烈震动对机械本身及周围带来-系列危害。笔者利用H5U型硬支承平衡机，通过去(配)重方法校正失去动平衡的转子，对催化烟机转子、动力东区风电机转子、酸性水鼓风机转子、焦化鼓风机转子等进行动平衡校验，改变了以往必须送外做动平衡或更换新转子· 机械研究与应用 ·2013年第4期(第26卷，总第126期) 应用与试验的情况，大大节约了设备配件资源。

表2 机修车间动平衡实验报告书转子类型及几何参数A300 mm Bl 300 Inll C350 mmr1220 mm r2600 mil 极座标检测前后端公差均为60o g.- ，支承方式：平衡前试件不平衡数据及转速 前端：26.5 g在92∏；后端：22.2 g在348∏；转速：582 r/rain平衡后试件不平衡数据及转速 前端：23.7 g在 354∏；后端：3.36 g在 192∏；转速：583 r/rain