楊　陽

摘要:對(duì)旋轉(zhuǎn)機(jī)械的轉(zhuǎn)子部分進(jìn)行動(dòng)平衡試驗(yàn),是提高旋轉(zhuǎn)機(jī)械工作性能,延長設(shè)備維修時(shí)限的有力手段。在動(dòng)平衡試驗(yàn)過程中,要對(duì)校正方法、平衡找正位置、試驗(yàn)參數(shù)等進(jìn)行全面分析。

關(guān)鍵詞:旋轉(zhuǎn)機(jī)械;動(dòng)平衡;平衡機(jī);剛性轉(zhuǎn)子

中圖分類號(hào):O247文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1674-1145(2009)23-0142-02

機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí),構(gòu)件產(chǎn)生的慣性力或慣性力矩將會(huì)在機(jī)構(gòu)各運(yùn)動(dòng)副中引起附加的動(dòng)壓力,從而增大機(jī)構(gòu)中的內(nèi)應(yīng)力和運(yùn)動(dòng)副中的磨擦、磨損,降低機(jī)械效率和使用壽命。同時(shí),這些慣性力或慣性力矩還會(huì)傳到機(jī)架和基礎(chǔ)上,并隨著機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)的循環(huán)而產(chǎn)生周期性的變化,導(dǎo)致機(jī)械及其基礎(chǔ)產(chǎn)生強(qiáng)迫振動(dòng),降低了機(jī)械本身的工作精度、可靠性和零件的疲勞壽命并產(chǎn)生噪聲。嚴(yán)重時(shí)可能使機(jī)械破壞,甚至危及工作人員的安全。

隨著機(jī)械化工業(yè)進(jìn)程的不斷向前推進(jìn),旋轉(zhuǎn)機(jī)械逐步向精密化、大型化、重載和高速化的方向發(fā)展,上述問題會(huì)變得更為突出,與過去的低速、小輸出機(jī)械相比,現(xiàn)代高速、高精度旋轉(zhuǎn)機(jī)械由于平衡因素而損害機(jī)械性能的比例更大,因此為了完全的或部分的消除機(jī)械不平衡的不良影響,就必須設(shè)法將構(gòu)件的慣性力或慣性力矩加以消除或減小,這就是機(jī)械平衡的目的。

一、機(jī)械平衡的分類

機(jī)械的平衡可以歸納為兩方面的內(nèi)容:一種為繞固定軸回轉(zhuǎn)構(gòu)件的平衡;另一種為機(jī)構(gòu)的平衡。

繞固定軸回轉(zhuǎn)構(gòu)件的平衡簡稱為轉(zhuǎn)子的平衡,而轉(zhuǎn)子的平衡又分為剛性轉(zhuǎn)子的平衡與撓性轉(zhuǎn)子的平衡。一般的轉(zhuǎn)子屬于剛性轉(zhuǎn)子的平衡,所以這里我們主要討論的是剛性轉(zhuǎn)子的平衡。剛性轉(zhuǎn)子的平衡又分為剛性轉(zhuǎn)子的靜平衡和剛性轉(zhuǎn)子的動(dòng)平衡。

二、剛性轉(zhuǎn)子的靜平衡和剛性轉(zhuǎn)子的動(dòng)平衡原理

(一)剛性轉(zhuǎn)子的靜平衡原理

對(duì)于軸向尺寸較小的盤狀轉(zhuǎn)子,一般是指軸向?qū)挾萣與其直徑D之比b/D<0.2的轉(zhuǎn)子,例如帶輪、齒輪、鏈輪葉輪等?？砂阉鼈兊馁|(zhì)量近似地認(rèn)為分布在同一平面內(nèi)。如圖1所示,若轉(zhuǎn)子的質(zhì)心S不與回轉(zhuǎn)中心O重合,則當(dāng)轉(zhuǎn)子等速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)其重量Q1將產(chǎn)生離心慣性力P1,從而在回轉(zhuǎn)副O(jiān)中引起附加的動(dòng)壓力。為了消除這一附加的動(dòng)壓力,可在同一平面上,在質(zhì)心S相反的方向加一配重Q(也可在相同的方向減去某重量),而使S與O重合,此時(shí)配重Q所產(chǎn)生的慣性力P正好與Q1產(chǎn)生的慣性力P1大小相等方向相反而達(dá)到平衡(即其慣性力之和為零)。這就是剛性轉(zhuǎn)子靜平衡的原理。

(二)剛性轉(zhuǎn)子的動(dòng)平衡原理

對(duì)于軸向尺寸較大的轉(zhuǎn)子,一般是指軸向?qū)挾萣與其直徑D之比b/D>0.2的轉(zhuǎn)子,例如電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子等。它們的質(zhì)量分布不能再近似地認(rèn)為是位于同一平面內(nèi)。而應(yīng)看作分布在垂直于軸線而相互平行的回轉(zhuǎn)面內(nèi)。

所謂剛性轉(zhuǎn)子的動(dòng)平衡(亦稱完全平衡),就是不僅要使轉(zhuǎn)子在運(yùn)動(dòng)時(shí),其各偏心重量所產(chǎn)生的慣性力之和為零,而且要使這些慣性力所構(gòu)成的慣性力偶矩之和也等于零的一種平衡措施。

三、靜平衡和動(dòng)平衡實(shí)驗(yàn)

(一)靜平衡實(shí)驗(yàn)

根據(jù)靜平衡產(chǎn)生的原理,我們可以看到,在理論上該剛性轉(zhuǎn)子是已經(jīng)平衡了。但由于材料質(zhì)量的不均勻以及制造和裝配上的誤差,而使轉(zhuǎn)子達(dá)不到原設(shè)計(jì)計(jì)算的要求,這種不平衡現(xiàn)象,在設(shè)計(jì)時(shí)是無法用計(jì)算的方法加以確定和設(shè)法消除的,而只能用實(shí)驗(yàn)的方法來確定其不平衡重徑積的大小和方向,然后再用加(或減)配重的辦法來平衡。

靜平衡的試驗(yàn)設(shè)備及試驗(yàn)方法比較簡單。常用的有刀口式平衡架和滾子式靜平衡裝置。

(二)動(dòng)平衡實(shí)驗(yàn)

同樣,對(duì)于軸向?qū)挾容^大的轉(zhuǎn)子,經(jīng)過平衡計(jì)算給予平衡后,還需要通過實(shí)驗(yàn)的方法來最后確定其實(shí)際不平衡量的大小和方位。動(dòng)平衡實(shí)驗(yàn)的具體內(nèi)容就是要確定轉(zhuǎn)子兩平衡面中的平衡配重的大小和方位。

四、動(dòng)平衡實(shí)驗(yàn)在我廠的應(yīng)用

我廠于2003年購置H5U型硬支承平衡機(jī),試驗(yàn)轉(zhuǎn)子最大質(zhì)量4400kg,同時(shí)配備有HEC831型氣電控制柜,先后于催化裂化裝置的DL100-36型離心式風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子、MCL904-16主風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子、YLⅡ-4000H型煙機(jī)轉(zhuǎn)子、MCL457氣壓機(jī)轉(zhuǎn)子、H38-9氣體壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子和重整加氫裝置的YA355-2-W(185KW)電機(jī)轉(zhuǎn)子、BCL456-1型離心式氫壓機(jī)轉(zhuǎn)子進(jìn)行了動(dòng)平衡試驗(yàn)。

針對(duì)煉油廠所作動(dòng)平衡試驗(yàn)實(shí)例,動(dòng)平衡校正有兩種方法。一種是加重;一種是去重。無論采用何種方法,在校正時(shí)都不應(yīng)損壞轉(zhuǎn)子性能,而且要采用適合轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的合理方法,同時(shí)校正誤差應(yīng)該最小化,且為施行校正所做的準(zhǔn)備及校正操作應(yīng)該簡單而高效。

(一)加重——在不平衡輕點(diǎn)方向附加質(zhì)量

1.焊接。這種方法是按照測量值的大小將板狀重塊切斷并焊接在轉(zhuǎn)子上。通過動(dòng)平衡機(jī)指示值按質(zhì)量從大到小準(zhǔn)備好幾種重塊,從中選擇與不平衡測量值相對(duì)應(yīng)的重塊焊接到轉(zhuǎn)子上。一般是將重塊做成一定厚度,通過改變其長度或?qū)挾葋磉_(dá)到不同的質(zhì)量。焊接的方法可選用點(diǎn)焊,按重塊的大小在幾點(diǎn)焊接或采用凸焊方法一次焊上。在轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡試驗(yàn)中,該種方法較為常用。

2.錫焊。用板狀或條狀焊錫按不平衡的大小切斷成所需要的長度,將其加熱焊接到轉(zhuǎn)子上。這種方法我們?cè)陔姍C(jī)轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡試驗(yàn)中應(yīng)用過。

3.鉚焊。這種加重方法又分為兩種方式。一種是將鉚釘作為配重鉚接到轉(zhuǎn)子上;另一種是將焊接方法所述的板狀重塊鉆兩個(gè)孔,將板狀重塊用鉚釘鉚到轉(zhuǎn)子上。前者適合于在轉(zhuǎn)子的圓周上鉆幾個(gè)孔,用分量校正法校正。后者也可用于分量校正或極坐標(biāo)校正,這時(shí)是在轉(zhuǎn)子的輕點(diǎn)方向用雙頭鉆鉆出底孔,然后將重塊用兩個(gè)鉚釘鉚上。

4.螺釘。在轉(zhuǎn)子一定半徑的圓周上加工好等間隔的螺孔,按不平衡的大小選用長度不同的螺釘擰入進(jìn)行校正,一般多在軸端面沿軸向擰入,這是因?yàn)檠貜较驍Q入時(shí),轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)有松動(dòng)飛出的危險(xiǎn)。如果需要從外周徑向擰入,應(yīng)采用止動(dòng)螺釘,擰入后最好采取防松措施。這種方法我們常用于不能使用焊接方法達(dá)到加重要求的試驗(yàn)。

(二)去重——從重點(diǎn)方向去除質(zhì)量的方法

1.鉆削。用鉆頭在轉(zhuǎn)子上鉆孔以校正不平衡的方法是一種簡單易行并且去重準(zhǔn)確的校正方法,在轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡試驗(yàn)中最為常用。但也存在一些問題,當(dāng)鉆孔深度過大時(shí),有些轉(zhuǎn)子由于強(qiáng)度大使校正誤差增大,影響試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。在徑向鉆深孔,則孔深與不平衡校正間的線性關(guān)系發(fā)生改變,而在軸向鉆深孔時(shí)會(huì)帶來校正平面分離誤差。根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),建議在初始不平衡較大時(shí),盡量采用大直徑鉆頭,或采用多頭鉆。

2.磨削。對(duì)于需要保證表面的流體力學(xué)性質(zhì)的光滑表面,在平衡校正時(shí)常采用磨削方法。在現(xiàn)場試驗(yàn)時(shí),均采用手動(dòng)砂輪機(jī)進(jìn)行校正,此種方法較為簡便。但也存在一些不足,用這種校正方式可去除的不平衡量小,校正的相位及大小難于判斷決定,所以往往需要反復(fù)進(jìn)行校正及測量,工作效率一般不高。

3.鏨削。這是用鏨削在不平衡重點(diǎn)處去除質(zhì)量的一種方法。它與磨削去重一樣,不易進(jìn)行準(zhǔn)確的校正。如果初始不平衡大,往往先用鏨削方法進(jìn)行粗校正,為使表面光滑再用砂輪進(jìn)行精密校正。

(三)剛性轉(zhuǎn)子的動(dòng)平衡實(shí)驗(yàn)實(shí)例

對(duì)煉廠現(xiàn)有的動(dòng)設(shè)備來說,大部分屬于剛性轉(zhuǎn)子。剛性轉(zhuǎn)子的平衡分為單面平衡、雙面平衡和多面平衡?，F(xiàn)場試驗(yàn)中,我們多采用雙面平衡的方法使試驗(yàn)轉(zhuǎn)子達(dá)到動(dòng)平衡。所謂雙面動(dòng)平衡,就是指在轉(zhuǎn)子上選擇軸向位置不同的兩個(gè)平面校正其不平衡。H5U型硬支承平衡機(jī)幾種支撐模式如圖2所示。

現(xiàn)以動(dòng)力東區(qū)風(fēng)電機(jī)轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡試驗(yàn)過程為例進(jìn)行說明采用手動(dòng)鉆削校正方法去重的具體應(yīng)用。

1.試驗(yàn)轉(zhuǎn)子的選擇:平衡轉(zhuǎn)速(由制造廠對(duì)校驗(yàn)轉(zhuǎn)子規(guī)定的最低轉(zhuǎn)速):600轉(zhuǎn)/分;最大許用不平衡量(按設(shè)備說明書要求):300g·mm。

2.校正位置的選擇。校正平面:選擇依據(jù)為兩平面間距較大,且屬于非工作表面易于去重后不影響該轉(zhuǎn)子工作性能,該項(xiàng)試驗(yàn)選擇如圖位置(轉(zhuǎn)子)為校正位置。支撐位置:一般選擇裝配軸承(該試驗(yàn)為滾動(dòng)軸承)處為支承位置。如圖3所示為轉(zhuǎn)子支撐位置及去重位置。

3.校驗(yàn)程序。由于電機(jī)轉(zhuǎn)子質(zhì)量集中于中部,因此對(duì)中部兩端找正面去重就能達(dá)到動(dòng)平衡許用范圍。在校正過程中,經(jīng)常采用極坐標(biāo)法,即將轉(zhuǎn)子中部找正平面六等分,起始點(diǎn)與萬向聯(lián)軸節(jié)的零刻度線水平,按平衡機(jī)規(guī)定的程序和平衡轉(zhuǎn)速開機(jī)試驗(yàn),根椐測試度數(shù)和對(duì)應(yīng)等分點(diǎn)確定去重位置,經(jīng)多次去重后使該轉(zhuǎn)子達(dá)到動(dòng)平衡許用范圍。

(四)試驗(yàn)結(jié)果評(píng)估

電機(jī)轉(zhuǎn)子經(jīng)動(dòng)平衡校正后,進(jìn)行現(xiàn)場安裝,在實(shí)際工況下運(yùn)行,達(dá)到有關(guān)振動(dòng)等參數(shù)要求。

五、結(jié)語

動(dòng)平衡技術(shù)是一種新興的前景較為廣闊的實(shí)用技術(shù),將來不僅僅局限于機(jī)械設(shè)備制造維修領(lǐng)域的測量和校正操作,而是將推廣至能把設(shè)備運(yùn)行的最終控制參數(shù)(如高速泵的振動(dòng)值、機(jī)床的加工精度等)直接反饋回來,使這些參數(shù)保持在期望狀態(tài),并能對(duì)平衡狀態(tài)進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整。

對(duì)于煉廠現(xiàn)有電動(dòng)機(jī)、泵、壓縮機(jī)等(待物特別是高速、高精度)大型轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備若經(jīng)動(dòng)平衡試驗(yàn)后,在實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下達(dá)到平衡。無論是從設(shè)備工作性能的提高,還是從設(shè)備維護(hù)保養(yǎng)時(shí)限的延長等方面來講,都是非常有利的。從長遠(yuǎn)來看,轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備的動(dòng)平衡試驗(yàn)也是企業(yè)挖潛增效的一種好方法。

參考文獻(xiàn)

[1](日)三輪修三,下村玄著,朱曉農(nóng)譯.旋轉(zhuǎn)機(jī)械的平衡[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1992.

[2]通用臥式平衡機(jī)校驗(yàn)法(GB4201-84).

作者簡介:楊陽,女,甘肅省玉門市油田分公司煉油化工總廠工程公司工程師,研究方向:化工設(shè)備與機(jī)械。