張祿林，段滋華，李多民，程云芬，傅樹霞

(1.太原理工大學(xué)，山西太原 030000; 2.廣東石油化工學(xué)院，廣東茂名 525000; 3.廣東省石化裝備故障診斷重點實驗室，廣東茂名 525000)

無試重的動平衡技術(shù)的研究

張祿林1，2，3，段滋華1，李多民2，3，程云芬1，2，3，傅樹霞2，3

(1.太原理工大學(xué)，山西太原 030000; 2.廣東石油化工學(xué)院，廣東茂名 525000; 3.廣東省石化裝備故障診斷重點實驗室，廣東茂名 525000)

平衡配重過程作為動平衡的一個重要步驟，會直接影響到動平衡的質(zhì)量。探索了平衡配重與平衡量之間的關(guān)系，不平衡量與振動之間的關(guān)系。經(jīng)理論分析與實驗研究，導(dǎo)出了關(guān)于平衡配重的數(shù)學(xué)表達(dá)式。依據(jù)該式，機械僅停車一次，可實現(xiàn)無試重的動平衡。最后，在轉(zhuǎn)子上隨機增加不平衡量后，使用現(xiàn)場動平衡技術(shù)，對該結(jié)論進行了驗證。

無試重;動平衡;轉(zhuǎn)子

旋轉(zhuǎn)機械在化工、電力、航天等領(lǐng)域占據(jù)著舉足輕重的作用，為保證其工作性能、安全運行，振動問題一直受到科研、技術(shù)人員的關(guān)注。據(jù)統(tǒng)計，70%的振動都與不平衡有關(guān)。轉(zhuǎn)子材質(zhì)的不均勻性、加工與裝配誤差，機器運行過程中物料磨擦、腐蝕，積垢，零部件脫落都會產(chǎn)生不平衡。DIKEN等［1］發(fā)現(xiàn)質(zhì)量偏心會引起彎曲共振。通過加重或去重的方式可以達(dá)到校正目的。動平衡后，機器的安全性、可靠性、效率、壽命得到提高。一直以來，動平衡技術(shù)的研究受到了眾多學(xué)者的關(guān)注與重視［2－5］?，F(xiàn)場動平衡技術(shù)減少了平衡機動平衡中拆卸、安裝等步驟。實現(xiàn)了機械的及時重新運轉(zhuǎn)。測試時，考慮了實際工況中熱不平衡、支撐剛度等因素;避免轉(zhuǎn)子拆裝所帶來的誤差，得到實際振動數(shù)據(jù)，動平衡效果更好。而現(xiàn)場動平衡技術(shù)依然要求停車試重，根據(jù)原始振動與試重后振動判斷不平衡量。文獻(xiàn) ［6－9］對無試重的動平衡技術(shù)進行了研究。本文作者探索了一種新方法實現(xiàn)了無試重的動平衡。

作者依據(jù)動平衡原理，通過特制的平衡盤加重，探索了幾種轉(zhuǎn)速下平衡配重與平衡量的對應(yīng)關(guān)系，不平衡量與振動值之間的關(guān)系。以研究的數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)，形成無試重的現(xiàn)場動平衡理論。最后，在轉(zhuǎn)子葉輪上隨機增加不平衡量，使用DH5901動態(tài)信號分析儀測試轉(zhuǎn)子振動，成功運用該方法進行了不平衡校正。

1 無試重動平衡機制研究與試驗設(shè)計

轉(zhuǎn)子由于存在不平衡，在轉(zhuǎn)動時會產(chǎn)生慣性離心力，成為其強迫振動的持續(xù)激發(fā)力。根據(jù)動力學(xué)理論，運動微分方程為:

式中:m為轉(zhuǎn)子質(zhì)量;s(t)為振動位移，s(t)=Ssin (Ωt+α);¨s(t)為振動加速度，¨s(t)=－SΩ2sin(Ωt+α);˙s(t)為振動速度，˙s(t)=SΩcos(Ωt+α);C為阻尼系數(shù);k為支撐剛度;f(t)為不平衡離心力，f(t)=Fsin(ωt+φ)，其中F=urω2;u為不平衡質(zhì)量;r為不平衡質(zhì)量所在半徑;ω為激振力的角頻率;t為時間;φ為不平衡相位;Ω為振動頻率;α為不平衡振動相位。

不平衡振動頻率Ω與激振力頻率ω相同，設(shè)θ= φ－α為滯后角。整理式 (1)得:

由式 (3)可知，轉(zhuǎn)子的振動位移與激振力成正比［10］。只要用振動傳感器測得振動位移，就可以得到轉(zhuǎn)子不平衡量。

式中:l為兩校正面間距，li為左測試面到A校正面間距。

將分解在A、B校正面的力分別合成后，在A校正面和B校正面上通過加重或者去重的方式，達(dá)到動平衡的目的。以上即為兩面動平衡原理［10］。

以下基于兩平面動平衡原理，對無試重動平衡進行了研究，在轉(zhuǎn)子軸承位附近設(shè)計了平衡盤作為A、B校正面。依據(jù)實驗室動平衡資料，確定了平衡盤尺寸，平衡孔尺寸、位置。依據(jù)兩平面動平衡原理對轉(zhuǎn)子系統(tǒng)進行平衡校正。

圖1 兩平面動平衡原理圖

2 無試重動平衡機理的實驗研究

圖2轉(zhuǎn)子上平衡盤為試驗所設(shè)計、使用的配重裝置，配用M5的螺栓、螺母、墊片作為平衡配重。將兩平衡盤放置在軸承位附近如圖2、3所示。該轉(zhuǎn)子質(zhì)量41.5 kg，全長1 200 mm，有9個直徑為φ200 mm的葉輪。將轉(zhuǎn)子放置在動平衡機上，測試振動。

圖2 裝配有平衡盤的轉(zhuǎn)子

圖3 動平衡機校正轉(zhuǎn)子不平衡

2.1 平衡配重與平衡量對應(yīng)關(guān)系的研究

通過試驗對平衡配重進行了研究，探索了不同平衡配重對應(yīng)的平衡量的關(guān)系。推導(dǎo)出3種轉(zhuǎn)速下的數(shù)學(xué)關(guān)系式。試驗過程中，使用M5的不銹鋼螺栓、螺母、墊片作為平衡配重，以在自制的平衡盤上加重的方式，實現(xiàn)了不平衡量的變化。選擇 600、800、1 000 r/min 3種轉(zhuǎn)速，進行了測試。使用申克動平衡機HM3BU測試轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的平衡量、DH5901動態(tài)信號分析儀采集轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的振動信號。經(jīng)過分析，使用Origin軟件處理，得到轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的測試曲線與擬合曲線及數(shù)學(xué)表達(dá)式。

觀察圖4，可知在600、800、1 000 r/min 3種轉(zhuǎn)速下，隨著平衡配重的增加，平衡量也逐漸增加。3條曲線較為接近，表明3種轉(zhuǎn)速下，平衡配重所代表的平衡量相近。

圖4 3種轉(zhuǎn)速下平衡配重的動平衡效果

圖5—7為不同轉(zhuǎn)速下的擬合曲線。

圖5 轉(zhuǎn)速為600 r/min時，平衡配重與平衡量對應(yīng)關(guān)系

圖6 轉(zhuǎn)速為800 r/min時，平衡配重與平衡量對應(yīng)關(guān)系

圖7 轉(zhuǎn)速為1 000 r/min時，平衡配重與平衡量對應(yīng)關(guān)系

擬合曲線的數(shù)學(xué)表達(dá)式:

式中:Y為振動值;

A為初始不平衡量;

B為振動值隨不平衡量的變化率。

3種轉(zhuǎn)速下關(guān)于配重的參量值見表1。

表1 3種轉(zhuǎn)速下關(guān)于配重的參量值 μm

2.2 不平衡量與振動值對應(yīng)關(guān)系的研究

通過試驗，研究了轉(zhuǎn)子系統(tǒng)不平衡量與振動值的對應(yīng)關(guān)系。數(shù)據(jù)使用了origin軟件進行處理，得到了轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的測試曲線與擬合曲線，以及擬合曲線的數(shù)學(xué)表達(dá)式。

圖8中3條曲線分別代表600、800、1 000 r/min轉(zhuǎn)速下，0～11 g平衡量所對應(yīng)的振動值。隨著不平衡量的增加，振動值逐漸變大。轉(zhuǎn)速變大，相同不平衡量對應(yīng)的振動值變大。600、800 r/min轉(zhuǎn)速下，相同不平衡量對應(yīng)的振動值較為接近;1 000 r/min轉(zhuǎn)速下，較600、800 r/min兩種轉(zhuǎn)速，相同的不平衡量對應(yīng)的振動值差較大。

圖8 3種轉(zhuǎn)速下不平衡量對應(yīng)振動值

圖9—11為600、800、1 000 r/min 3種轉(zhuǎn)速下，不平衡量對應(yīng)的振動值。導(dǎo)出擬合曲線，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為:

式中:Y為振動值;

A為初始不平衡量;

B為振動值隨不平衡量的變化率。

圖9 600 r/min不平衡量對應(yīng)振動值

圖10 800 r/min不平衡量對應(yīng)振動值

圖11 1 000 r/min不平衡量對應(yīng)振動值

3種轉(zhuǎn)速下關(guān)于振動的參量值見表2。

表2 3種轉(zhuǎn)速下關(guān)于振動的參量值 μm

根據(jù)各轉(zhuǎn)速下，平衡配重對應(yīng)的平衡量關(guān)系以及不平衡量對應(yīng)的振動值關(guān)系，就可以在測得振動值后，直接判斷平衡配重的大小，達(dá)到僅停車一次，實現(xiàn)無試重的動平衡。

3 無試重的動平衡技術(shù)的運用

試驗轉(zhuǎn)速為600 r/min，用振動測試儀測試轉(zhuǎn)子的振動情況，利用轉(zhuǎn)子上的平衡盤進行配重，運用無試重的動平衡技術(shù)校正了該轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的不平衡。

試驗裝置如圖12、13所示。

圖12 振動測試儀校正轉(zhuǎn)子不平衡

圖13 在轉(zhuǎn)子葉輪上加橡皮泥

其試驗過程如下:

(1)在轉(zhuǎn)子葉輪上任意位置貼橡皮泥，增加轉(zhuǎn)子的不平衡量。并在轉(zhuǎn)子左側(cè)平衡盤旁邊貼上反光標(biāo)簽。

(2)將一個光電傳感器與兩個振動傳感器固定好，現(xiàn)場動平衡全過程傳感器位置保持不變。

(3)啟動電機，轉(zhuǎn)子運轉(zhuǎn)到600 r/min。使用DH5901動態(tài)信號分析儀測試轉(zhuǎn)子振動。得到左右測試面振動值分別為:0.054 3 μm，0.072 3 μm。

(4)關(guān)閉電機，使用長度為33 mm的螺栓，螺母、墊片作為平衡配重。左側(cè)配重2.5 g，右側(cè)配重6.7 g，且為對稱布置。

(5)重新啟動電機，轉(zhuǎn)子運轉(zhuǎn)到600 r/min。測試得到測試面振動值分別為:0.041 0 μm，0.050 0 μm。

將平衡配重加在平衡盤上后，轉(zhuǎn)子左右測試面振動值分別降低了24.5%、30.8%，參照振動烈度評定標(biāo)準(zhǔn)表 (表3)以及振動速度、加速度、位移關(guān)系圖 (圖14)，振動值符合平衡要求。

表3 轉(zhuǎn)動設(shè)備振動烈度評定標(biāo)準(zhǔn)

圖14 振動速度、加速度、位移關(guān)系圖

4 結(jié)論

轉(zhuǎn)子運轉(zhuǎn)過程中的不平衡可以使用特制的平衡盤，通過加重的方式得到校正。文中得到了600、800、1 000 r/min轉(zhuǎn)速下平衡配重對應(yīng)平衡量的數(shù)學(xué)表達(dá)式，以及不平衡量對應(yīng)振動值的數(shù)學(xué)表達(dá)式。將其成功運用于動平衡后，可以僅停車一次，實現(xiàn)無試重的動平衡。

［1］DIKEN H，TADJBAKHSH I G.Unbalance Response of Flexible Rotor Coupled with Torsion［J］.Journal of Vibration A-coustics Stress and Reliability in Design，1989，1(1):179－186.

［2］羅挺，劉淑蓮，鄭水英.彎曲轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的模態(tài)動平衡方法研究［J］.機床與液壓，2012，40(3):5－7.

［3］高昱，周保堂，賀世正.轉(zhuǎn)子自動平衡用釋液式平衡頭的研究［J］.流體機械，1994，22(2):10－14.

［4］劉曦澤，李多民，段滋華.雙支撐離心泵轉(zhuǎn)子動平衡技術(shù)的研究［J］.流體機械，2012，40(10):54－57.

［5］李宇斌，劉政一，袁光遠(yuǎn).旋轉(zhuǎn)機械轉(zhuǎn)子的現(xiàn)場動平衡［J］.流體機械，1994，22(9):41－44.

［6］王維民，高金吉，江志農(nóng)，等.旋轉(zhuǎn)機械無試重現(xiàn)場動平衡原理與應(yīng)用［J］.振動與沖擊，2010，29(2):212－215，232.

［7］章云，梅雪松，鄒冬林，等.應(yīng)用動力學(xué)模型的高速主軸無試重動平衡方法［J］.西安交通大學(xué)學(xué)報，2011，45 (7):34－37，59.

［8］錢廣華.轉(zhuǎn)子無試重現(xiàn)場動平衡方法研究［J］.機床與液壓，2012，40(3):58－61.

［9］汪海良，劉思漢.柔性轉(zhuǎn)子無試重動平衡法的實驗研究［J］.振動與沖擊，1992(3):57－65.

［10］安勝利，楊黎明.轉(zhuǎn)子現(xiàn)場動平衡技術(shù)［M］.北京:國防工業(yè)出版社，2007:23，34－35.

Research on Dynamic Balancing Technology without Trial Weight

ZHANG Lulin1，2，3，DUAN Zihua1，LI Duomin2，3，CHENG Yunfen1，2，3，F(xiàn)U Shuxia2，3
(1.Taiyuan University of Technology，Taiyuan Shanxi 030000，China; 2.Guangdong University of Petrochemical Technology，Maoming Guangdong 525000，China; 3.Guangdong Petrochemical Equipment Diagnostic Laboratory，Maoming Guangdong 525000，China)

The counterweight process as an important step in dynamic balancing，will directly affect the quality of dynamic balancing.The relationship between the counterweight and the amount of balance，the amount of unbalance and vibration were researched.The mathematical expression about the balance counterweight was obtained through experimental research and theoretical analysis.Based on the formula，stopping only once，the dynamic balancing without trial weight could be realized.Finally，with the rotor randomly increased the amount of unbalance，by using field balancing technology，this conclusion is verified.

Without trial weight;Dynamic balancing;Rotor

TH17

A

1001－3881(2014)9－113－4

10.3969/j.issn.1001－3881.2014.09.031

2013－04－23

張祿林 (1986—)，男，碩士，研究方向為現(xiàn)場動平衡。E－mail:jacson1949@126.com。