張慧鋒，楊 陽

（1.石家莊郵電職業(yè)技術學院，河北石家莊 050021；2.甘肅玉門油田分公司煉油化工總廠，甘肅玉門 735200）

動平衡技術在機械設備轉子中的應用研究?

張慧鋒1，楊 陽2

（1.石家莊郵電職業(yè)技術學院，河北石家莊 050021；2.甘肅玉門油田分公司煉油化工總廠，甘肅玉門 735200）

隨著旋轉機械逐步向精密化、大型化、高速化方向發(fā)展，機械的劇烈震動對機械本身及周圍帶來一系列危害。利用H5U型硬支承平衡機，采用去（配）重方法校正失去動平衡的轉子，對催化煙機轉子、動力東區(qū)風電機轉子、酸性水鼓風機轉子、焦化鼓風機轉子等進行動平衡校驗，改變了以往必須送外做動平衡或更換新轉子的情況，節(jié)約了設備配件資源。

動平衡技術；轉子；旋轉震動；重心偏移

1 引 言

現(xiàn)代動平衡技術是隨著蒸汽機的出現(xiàn)而發(fā)展起來的。隨著工業(yè)生產(chǎn)的飛速發(fā)展，旋轉機械逐步向精密化、大型化、高速化方向發(fā)展，使機械振動問題越來越突出。機械的劇烈振動對機器本身及其周圍環(huán)境都會帶來一系列危害。產(chǎn)生振動的原因很多，但普遍認為“不平衡力”是主要原因［1］。據(jù)統(tǒng)計，有50%左右的機械振動是由不平衡力引起的。因此，有必要改變旋轉機械運動部分的質(zhì)量，減小不平衡力，即對轉子進行平衡［2－4］。

H5U型硬支承平衡機是煉化總廠在上海申克試驗機有限公司購進的，自投運使用以來，對煉廠許多設備的轉子進行過動平衡校驗，主要有催化煙機轉子、動力東區(qū)風電機轉子、酸性水鼓風機轉子、焦化鼓風機轉子等，通過去（配）重方法校正失去動平衡的轉子，使這些轉子能快速重新投入應用，改變了以往必須送外做動平衡或更換新轉子的情況，為煉廠節(jié)約了大量設備配件資源。

硬支承平衡機是目前使用較為廣泛的通用平衡機，它具有效率高、操作簡便、顯示直觀、測量迅速、穩(wěn)定性好等特點，在使用中只需將各種類別、開頭各異的待平衡工件轉子的幾何尺寸、支承形式及其參數(shù)、校正半徑等數(shù)據(jù)輸入電測系統(tǒng)，即可在一次啟動運轉后，準確地顯示出受檢轉子剩余不平衡量的量值和相位，對于單件或批量轉子都十分方便，是一種較為先進的動平衡校驗和檢測設備［5］。

2 機械動平衡概述

常用機械中包含大量的作旋轉運動的零部件，例如各種傳動軸、主軸、電動機和汽輪機的轉子等，統(tǒng)稱為回轉體。

在理想情況下，回轉體旋轉與不旋轉時，對軸承產(chǎn)生的壓力是一樣的，這樣的回轉體是平衡的回轉體［6－7］。但工程中的各種回轉體，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，甚至設計時就具有非對稱的幾何形狀等多種因素，使得回轉體在旋轉時，其上每個微小質(zhì)點產(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械及其基礎上引起振動產(chǎn)生噪音，加速了軸承磨損，縮短了機械壽命，嚴重時可能造成破壞性事故。為此，必須對轉子進行平衡，使其達到允許的平衡精度等級，或使因此產(chǎn)生的機械振動幅度降在允許的范圍內(nèi)。轉子產(chǎn)生的不平衡離心力，其值由下式計算：

式中：G為轉子的質(zhì)量，kg；e為轉子重心對旋轉軸線的偏移，即偏心距，mm；n為轉子的轉速，r／min；w為轉子的角速度，rad／s；g為重力加速度9.8 m／s2。

由式（1）可知，重型或高轉速的轉子，即使具有很小的偏心距，也會引起極大的不平衡的離心力，成為軸或軸承的磨損、機器或基礎振動的主要原因之一。所以，機器在裝配時，轉子必須進行平衡。轉子不平衡有兩種情況：①靜不平衡，即轉子主慣性軸與旋轉軸線不相重合，但相互平行，即轉子重心不在旋轉軸線上，如圖1（a）所示。當轉子旋轉時，將產(chǎn)生不平衡的離心力；②動不平衡，即轉子的主慣性軸與旋轉軸線交錯，且相交于轉子的重心上，即轉子的重心在旋轉軸線上，如圖1（b）所示。這時轉子雖處于靜平衡狀態(tài)，但轉子旋轉時，將產(chǎn)生不平衡力矩。在大多數(shù)情況下，轉子既存在靜不平衡，又存在動不平衡，這種情況稱靜動不平衡。此時，轉子主慣性軸線與旋轉軸線既不重合，又不平行，而相交于轉子旋轉軸線中非重心的任何一點，如圖1（c）所示。當轉子旋轉時，產(chǎn)生1個不平衡的離心力和1個力矩。轉子靜不平衡只須在1個平面（即校正正面）安裝1個平衡重量，就可以使轉子達到平衡，故又稱單面平衡。平衡重量的數(shù)值和位置，在轉子靜力狀態(tài)下確定，即將轉子的頸擱置在水平刀刃支撐上，加以觀察，就可以看出其不平衡狀態(tài)，較重部分會向下轉動，這種方法為靜平衡。靜平衡主要應用于轉子端面之間的距離比軸承之間的距離小許多的盤形轉子，如齒輪、飛輪、皮帶輪等。轉子動不平衡及靜動不平衡必須在垂直于旋轉軸的2個平面（即校正平面）內(nèi)各加1個平衡重量，使轉子達到平衡［8－9］。平衡重量的數(shù)值和位置，必須使轉子在動力狀態(tài)下，即轉子在旋轉的情況下確定，這種方法為動平衡。因需2個平面作平衡校正，故又稱雙面平衡。

圖1 轉子不平衡的三種情況

3 基本參數(shù)和工作原理

3.1 H5U型硬支承平衡機的基本參數(shù)及結構簡介

本機由主軸驅動裝置、支承架、床身、傳感器、機械放大機構、萬向節(jié)傳動軸及電測箱、電控柜等部分組成。主軸驅動裝置由DC型電動機通過皮帶驅動變速箱的花鍵輸入軸，經(jīng)變速箱的各檔速比，當電動機達到額定功率轉速時，輸出軸的各檔轉速及最大扭矩如表1所列。

表1 轉速扭矩表

當輸出軸經(jīng)過帶刻度的聯(lián)接法蘭與額定扭矩相當?shù)娜f向節(jié)傳動軸聯(lián)接后拖動工件轉子旋轉，供選擇的2種萬向節(jié)傳動軸的額定扭矩分別為250 N·m、700 N·m。

3.2 硬支承平衡機的工作原理

硬支承動平衡機其支承剛度大，轉子支承系統(tǒng)固有頻率遠高于平衡轉速。因支承系統(tǒng)的振幅很小，故轉子系統(tǒng)的慣性力可忽略不計，且其支承系統(tǒng)用低阻尼結構。在這種小阻尼情況下，轉子不平衡量所產(chǎn)生的振動頻率遠小于轉子支承系統(tǒng)的固有頻率，所以支承振幅與轉子不平衡量成正比，且振動的相位和不平衡相同，現(xiàn)行硬支承平衡機工作原理如圖2所示。

圖2 硬支承轉子及支承系統(tǒng)

硬支承平衡機根據(jù)動反力NL、NR來確定兩校正面上離心力FL和FR，從而確定兩校正面上的不平衡量。由于測量是在軸承處，而校正是在選定兩校正面上，所以它們之間的關系為動平衡關系；由于轉子慣性力忽略不計，故支承反力和不平衡力是平衡的，由于各力都是變化矢量，故均可用復數(shù)表示，所以可推導出如下平衡方程：

由此可見，由不平衡量m1r1、m2r2所產(chǎn)生的離心力，僅與兩軸承處反力NL、NR和軸承及校正面位置尺寸A、B、C有關。軸承處反動力可以通過傳感器測出，各位置尺寸可以直接測量。最后的數(shù)據(jù)計算機輔助進行。

4 動平衡技術校驗法和允許不平衡量計算

4.1動平衡的校驗方法

（1）按轉子軸頸大小及其所需旋轉扭矩，選擇相應的滾輪架和合適的萬向節(jié)傳動軸。

（2）測量轉子安裝軸承部位之間的距離，按照實際尺寸調(diào)節(jié)支承架之間的距離，使其和萬向節(jié)傳動軸連接達到合適尺寸并緊固，按轉子軸頸尺寸參照滾輪架上的軸頸范圍標尺，調(diào)節(jié)好滾輪架的高度并緊固。

（3）將轉子吊裝到支承架上，調(diào)節(jié)主軸驅動裝置軸向端面的可逆式輪扳手，使萬向節(jié)傳動軸端面與轉子連接端面貼合良好，在保證同心度的要求下，用螺絲緊固。

（4）選擇質(zhì)量和長短相同的螺栓，使萬向節(jié)傳動軸與轉子均布連接并緊固，將安全防護罩罩好。

（5）以上準備工作在檢查確認無誤后回到操作臺，按下RESET按鈕，顯示屏上將出現(xiàn)支承方式的選擇，按數(shù)字鈕選擇支承方式。選定實際支承方式后，按“繼續(xù)”鈕，屏幕上依次顯示a、c、c、r1、r2，按被校正轉子實際尺寸輸入a、c、c、r1、r2參數(shù)，通過“繼續(xù)”按鈕和數(shù)字按鈕，依次輸入顯示方式面1或面2和極坐標m，選擇去重或加重，設定公差值、設定轉速。

（6）按轉子質(zhì)量、轉子最大外徑、初始不平衡量等選擇平衡轉速，并按轉速標牌調(diào)整變速手柄的位置。若轉子的初始不平衡量過大，甚至引起轉子在滾輪架上跳動時，要先低速校正，有時雖然轉子質(zhì)量不大，但外徑較大，影響拖動功率時，只能選擇低速校正。

（7）以上操作經(jīng)確認無誤后，按起動按鈕，緩慢旋轉開速鈕，當轉子轉速超過100 r／min時，將自動顯示轉速，當轉速達到預設轉速的95%時，自動檢測。當連續(xù)檢測后，顯示屏將顯示測量結果。然后緩慢反方向旋轉開速鈕，直至轉子回到靜止狀態(tài)。

（8）當轉子停止旋轉后按顯示器顯示位置找到轉子相應點進行去（配）重。

（9）反復第（6）、（7）步驟直至轉子剩余不平衡量達到要求。

4.2 平衡質(zhì)量等級

平衡品質(zhì)或平衡質(zhì)量等級G，每個級別以2.5倍為增量，表示回轉體處于不平衡狀態(tài)時回轉體重心的線速度，G值越小則回轉體旋轉越平穩(wěn)。ISO1940中，把剛性轉子的平衡品質(zhì)劃分為11級，從G0.4到G4000，有 G0.4、G1、G2.5、G6.3、G16、G40、G100、G250、G630、G1600、G4000。對于機床平衡等級一般應達到G6.3；機床驅動件，電機轉子等應達到G2.5；對于磨床驅動件應2011－9－307機轉子等應達到G2.5；對于磨床驅動件應達到G1.0；精密磨床的主軸、砂輪要求達到G0.4。允許不平衡量的計算允許不平衡量的計算的公式為：

式中：mper為允許不平衡量，g；M為轉子自身的重量，kg；G為轉子的平衡精度等級，mm／s；r為轉子的校正半徑，mm；n為轉子的轉速，r／min。

5 動平衡技術的實際應用

在日常運行中，由于設備轉子磨損、沖蝕等原因，造成轉子動平衡量超標進而引起振動的情況比較普遍，所以對轉動設備，尤其是大型機組進行動平衡修復非常必要，在煉化廠購進動平衡機以前，設備轉子動平衡實驗要送到蘭州或廠家去做，這樣即增長了檢修周期增加了費用，對裝置正常生產(chǎn)影響很大，動平衡機的應用改變了這種被動局面。

以催化裝置YLⅡ－13000A煙機轉子為例，在運行過程中，由于煙氣介質(zhì)中帶有固體顆粒，在煙機高速運轉下，對葉片的沖蝕很嚴重，造成轉子動不平衡量超標，使煙機振動增大，無法正常運行，需對轉子進行動平衡校驗。

煙機動平衡實驗相關參數(shù)：轉子質(zhì)量2 000 kg；平衡精度要求為G2.5級；轉子的轉速5 445 r／min；后端校正半徑為600 mm；前端校正半徑為220 mm。

則該轉子的允許不平衡量理論計算值：

通過動平衡機實驗最后得到的不衡量如表2所列。由表2可知，經(jīng)過動平衡找正后，遠端剩余不平衡量為3.36 g，在允許不平衡量范圍之內(nèi)，符合要求。

6 結 論

動平衡技術在生產(chǎn)中的實際應用，極大節(jié)約了設備配件成本，能快速及時地對設備轉子進行修復并重新投入使用，縮短了檢修工期，保證了重要設備的正常運行，為裝置平穩(wěn)運行打好基礎。隨著旋轉機械逐步向精密化、大型化、高速化方向發(fā)展，機械的劇烈震動對機械本身及周圍帶來一系列危害。筆者利用H5U型硬支承平衡機，通過去（配）重方法校正失去動平衡的轉子，對催化煙機轉子、動力東區(qū)風電機轉子、酸性水鼓風機轉子、焦化鼓風機轉子等進行動平衡校驗，改變了以往必須送外做動平衡或更換新轉子的情況，大大節(jié)約了設備配件資源。

表2 機修車間動平衡實驗報告書

［1］ 陳愛萍，張志新.風機現(xiàn)場整機動平衡儀的開發(fā)與應用［J］.機電工程，2005，22（6）：1－3.

［2］ 于 鳴，賀淑君.400MW燃氣輪發(fā)電機轉子動平衡試驗方法［J］.東方電機，2009（1）：14－17.

［3］ 曹雛清，陳國聰.剛性轉子現(xiàn)場動平衡儀的設計與開發(fā)［J］.機械制造，2007，45（518）：69－72.

［4］ 姜占平，唐一科.高精度現(xiàn)場動平衡智能測試系統(tǒng)的開發(fā)與研究［J］.機床與液壓，2010，38（1）：75－77.

［5］ 黃 偉，呂偉軍.基于影響系數(shù)法的撓性轉子動平衡的軟件系統(tǒng)［J］.森林工程，2005，21（3）：13－14.

［6］ 陳非凡，吳燕瑞，杜建軍.基于虛擬儀器的現(xiàn)場動平衡測試系統(tǒng)的研究［J］.裝備制造技術，2011（6）：40－42.

［7］ 伍良生，賀江波，張云禧，等.高速主軸在線動平衡機構驅動器設計［J］.北京工業(yè)大學學報，2007，33（12）：1233－1238.

［8］ 朱景琳.基于DSP的智能現(xiàn)場整機動平衡儀的開發(fā)和研制［D］.杭州：浙江大學，2001.

［9］ 徐 平，周保堂，賀世正.整機和在線動平衡技術的現(xiàn)狀［J］.化工裝備技術，1995，16（1）：43－47.

Research and Application of Dynamic Balance Technology in Mechanical Equipment Rotor

ZHANG Hui－feng1，YANG Yang2

（1.Shijiazhuang Post＆Telecommunication Technical College，Shijiazhuang Hebei 050021，China；2.Branch of PetroChina Yumen Oilfield，Petrochemical General Factory，Yumen Gansu 735200，China）

With the development of the precision，large－scale and high－speed to rotating machinery，severe vibration of the mechanical machinery brings a range of hazards to itself and the surrounding.H5U－h(huán)ard bearing balancing machine and the counterweight method is used to correct the loss of rotor balancing，and the situation that must be sent outside to do the balan?cing or replacement rotor in the past is changed by the balancing correction of catalytic hood rotor，power wind turbine rotor，acidic water blower rotor，and coking gas blower rotor.And a significant reduction is brought in equipment accessories re?sources.

dynamic balance technology；rotor；rotating vibration；centre－of－gravity shift

TH132.41

A

1007－4414（2013）04－0066－04

2013－05－26

張慧鋒（1977－），男，河北正定人，碩士，講師，主要從事高等教育方面的研究工作。