傅樹霞 孫 鐵 伊輝芹 李多民

(1.遼寧石油化工大學(xué)；2.撫順石化經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)實(shí)業(yè)總公司；3.廣東石油化工學(xué)院)

在種類繁多的石化泵中，離心泵的使用率大約占到了80%[1]，其中轉(zhuǎn)子不平衡會造成離心泵設(shè)備的振動，引起轉(zhuǎn)子反復(fù)彎曲和內(nèi)應(yīng)力，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子疲勞損壞、斷裂，引起旋轉(zhuǎn)機(jī)械產(chǎn)生振動與噪聲，加速軸承、軸封等零件的磨損，降低機(jī)組的工作效率和使用壽命。轉(zhuǎn)子的振動可以通過軸承、基座傳遞到基礎(chǔ)和周圍的建筑物上，惡化周圍的工作環(huán)境，嚴(yán)重時(shí)會威脅到操作人員的生命[2]。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，回轉(zhuǎn)機(jī)械的振動以至失效，有50%以上都是由轉(zhuǎn)子不平衡造成的。因此研究轉(zhuǎn)子動平衡技術(shù)具有重要意義[3]。

1 離心泵常見結(jié)構(gòu)分析

離心泵是按照不同的支撐方式，分為懸臂式離心泵和雙支撐式離心泵。按照葉輪的級數(shù)，分為單級離心泵和多級離心泵。根據(jù)葉輪與支撐的組合，有單級懸臂式離心泵、雙級懸臂式離心泵、單級雙支撐式離心泵和多級雙支撐式離心泵4種形式。

離心泵的葉輪主要有閉式葉輪、半開式葉輪與開式葉輪。閉式葉輪由前后蓋板和葉片組成，工作效率較高，在離心泵中應(yīng)用最多。半開式葉輪分為前開式葉輪和后開式葉輪，前開式葉輪由后蓋板和葉片組成，后開式葉輪由前蓋板和葉片組成。開式葉輪效率低，很少使用。

2 動平衡的原理與技術(shù)

2.1 轉(zhuǎn)子不平衡原因

造成轉(zhuǎn)子不平衡的原因有多方面，歸納起來主要分為3類：

a. 材料與結(jié)構(gòu)的原因。轉(zhuǎn)子的葉輪多為鑄鐵，材料質(zhì)量分布不均勻。軸的鍵槽多是開在一側(cè)，則轉(zhuǎn)子軸系質(zhì)量分布相對于旋轉(zhuǎn)中心不對稱。

b. 加工與裝配的原因。加工與裝配多為人工操作，為了保證各零部件的配合，難免會有誤差。在葉輪的鑄造過程和軸的機(jī)加工過程中的誤差，使得每片葉輪的葉根槽不能完全徑向?qū)ΨQ，軸也不是完整的圓柱體。在裝配過程中，由于配合間隙、聯(lián)軸器等的存在，使得轉(zhuǎn)子的同心度降低。且對于多級葉輪的軸系而言，裝配完成后，葉輪的質(zhì)量對軸會產(chǎn)生壓力，軸無法保證絕對的剛度，多少都會有撓度的變形。

c. 運(yùn)轉(zhuǎn)過程的不平衡。隨著轉(zhuǎn)子的運(yùn)行，流道內(nèi)的流體不斷對葉輪進(jìn)行腐蝕、沖擊，軸與軸承不斷進(jìn)行摩擦，物料逐漸堆積，這些都會造成葉輪和軸質(zhì)量分布的不均勻，使得旋轉(zhuǎn)中心與質(zhì)量中心不重合。另外，零部件的松動，甚至脫落也會引起不平衡，產(chǎn)生振動[2,4～6]。

2.2 轉(zhuǎn)子的平衡原理

由轉(zhuǎn)子的不平衡原因可知，欲對轉(zhuǎn)子進(jìn)行平衡，就要將不平衡質(zhì)量造成的離心力消除，使得轉(zhuǎn)子力系的合力矢與合力矩均為零，即∑F=0、∑M=0，這便是轉(zhuǎn)子平衡的力學(xué)原理。

如圖1所示，在對轉(zhuǎn)子進(jìn)行實(shí)際的平衡時(shí)，需采用雙面平衡原理，將所有葉輪上的不平衡力在其葉輪平面內(nèi)進(jìn)行兩個垂直方向上的分解，然后根據(jù)力系的合并原理，將其匯總到兩個平面內(nèi)，得到整個轉(zhuǎn)子軸系的合力系。這樣只需要找出兩個方便操作的校正平面，將不平衡力消除，即可達(dá)到轉(zhuǎn)子的平衡[7,8]。

圖1 雙面平衡原理

2.3 動平衡技術(shù)

針對不同類型的轉(zhuǎn)子，動平衡技術(shù)有所不同，常見的動平衡技術(shù)包括平衡機(jī)動平衡技術(shù)、現(xiàn)場動平衡技術(shù)和在線動平衡技術(shù)。平衡機(jī)平衡技術(shù)是發(fā)展最早的一種動平衡技術(shù)，也是目前仍然在廣泛使用的一種動平衡技術(shù)，由于平衡成本較低、平衡成功經(jīng)驗(yàn)豐富及易于操作等原因而被廣泛采用，但其具有操作工況同實(shí)際的工況條件有較大差別的缺點(diǎn)，在平衡機(jī)上平衡的轉(zhuǎn)子，重新裝機(jī)后不一定能達(dá)到動平衡，所以學(xué)者們又研究了現(xiàn)場動平衡技術(shù)，即在現(xiàn)場不拆機(jī)的情況下對整個泵進(jìn)行動平衡。但是現(xiàn)場動平衡依然需要停車操作，對生產(chǎn)會造成一定的影響，于是研究人員又研究出在線動平衡技術(shù)，即在設(shè)備正常工作的情況下，直接在轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)軸上安裝一定的平衡裝置，使得整個設(shè)備達(dá)到動平衡。目前，現(xiàn)場動平衡技術(shù)和在線動平衡機(jī)不甚完善，仍在試驗(yàn)研究中[9,10]。

3 離心泵動平衡技術(shù)

3.1 懸臂式離心泵轉(zhuǎn)子動平衡

懸臂式離心泵轉(zhuǎn)子分為單級懸臂式和雙級懸臂式。由于葉輪位于支撐位一側(cè)，平衡面不易選取，因此懸臂式離心泵轉(zhuǎn)子的動平衡操作通常較為困難。在綜合考慮加重、去重和其他影響因素后，通常用以下3種方式選取校正面進(jìn)行平衡：

a. 以葉輪為校正面打磨去重(圖2)。主要用于葉輪厚度比較厚且不平衡量不是很大時(shí)。

b. 以葉輪和對輪為校正面(圖3)，葉輪去重，主要采用打磨方法，對輪采取內(nèi)側(cè)打磨、鉆孔去重或在輪轂上焊接加重。主要用于葉輪較薄或轉(zhuǎn)子不平衡較大時(shí)，但要保證葉輪結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，若要更換對輪，一般需重新校正。

c. 以葉輪為校正面加重，主要手段是焊接加重，應(yīng)用于轉(zhuǎn)子不平衡較大或?qū)啿环奖氵M(jìn)行校正的情況，轉(zhuǎn)子為鑄鐵材料時(shí)，不可采用此方法。

圖2 葉輪較厚的懸臂式轉(zhuǎn)子

圖3 葉輪較薄的懸臂式轉(zhuǎn)子

3.2 雙支撐式離心泵轉(zhuǎn)子動平衡

雙支撐式離心泵轉(zhuǎn)子根據(jù)葉輪的個數(shù)分為單級離心泵轉(zhuǎn)子和多級離心泵轉(zhuǎn)子。單級離心泵轉(zhuǎn)子的校正面通常為葉輪的兩個面，但對于多級離心泵轉(zhuǎn)子而言，要視具體情況進(jìn)行分析, 選擇校正面應(yīng)遵循的原則有：

a. 兩校正面的距離盡量遠(yuǎn)一些。多級離心泵轉(zhuǎn)子的葉輪個數(shù)較多，根據(jù)力臂平衡原理，兩個平衡面離得越遠(yuǎn)，不平衡量的數(shù)值相對較小，通常考慮選用首級與末級葉輪進(jìn)行平衡。

b. 將不平衡量平均分配到多個葉輪。對于不平衡量數(shù)值較大，或者是葉輪較薄的轉(zhuǎn)子，如果只在一個葉輪上進(jìn)行平衡，很容易將葉輪的厚度打的非常薄，直接影響葉輪的工作強(qiáng)度，所以盡量采用多個葉輪為一組，將不平衡量平均分配到各個葉輪上。

c. 在離葉輪中心較遠(yuǎn)的區(qū)域進(jìn)行磨削。根據(jù)離心力的表達(dá)公式F=Mrω2，在轉(zhuǎn)速和不平衡力相同的情況下，離葉輪中心越遠(yuǎn)，不平衡質(zhì)量越小。

4 應(yīng)用實(shí)例

2012某油廠聯(lián)合一、三催化車間的堿液循環(huán)泵的轉(zhuǎn)子出現(xiàn)劇烈異常振動，經(jīng)測定分析，發(fā)現(xiàn)振幅已超出安全標(biāo)準(zhǔn)。最后分析確定為轉(zhuǎn)子不平衡造成的振動，需進(jìn)行動平衡校正。

該轉(zhuǎn)子為6級雙支撐式，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示，全長1 010mm，質(zhì)量20kg，工作轉(zhuǎn)速2 980r/min，葉輪最大處直徑144mm，葉輪厚度15mm。

圖4 轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)示意圖

根據(jù)上述理論方法，采用打磨去重的方式，對于多級轉(zhuǎn)子，首先選用第一級和最后一級葉輪，以增大力臂、減小不平衡力，校正方案如圖5所示。經(jīng)上機(jī)測試，得到初始不平衡量，進(jìn)行打磨去重后，平衡數(shù)據(jù)見表1。

圖5 校正方案一

校正過程轉(zhuǎn)速r·min-1左校正面右校正面質(zhì)量/g角度/(°)質(zhì)量/g角度/(°)初始平衡量6024.46019213.100134方案一 6024.17018912.700136 6024.87018913.500135方案二 60211.9001546.580135方案三 6024.78020214.300132 6022.1601959.790133 6020.2021631.410191 6020.4022820.459338

由表1所列數(shù)據(jù)可知，質(zhì)量變化不明顯，方案一平衡效果不好。于是考慮采用對輪和首級葉輪為校正平面，采用校正方案二(圖6)，平衡數(shù)據(jù)見表1。此校正方案下，不平衡質(zhì)量仍然較大，葉輪厚度較薄，如果在單個葉輪進(jìn)行磨削，將破壞葉輪的工作強(qiáng)度。經(jīng)研究決定采用3個葉輪為一組進(jìn)行平衡校正(方案三)，將不平衡質(zhì)量均分到多個葉輪(圖7)。由表1可知，經(jīng)過平衡校正后，轉(zhuǎn)子剩余不平衡量不足1.000g，精度等級達(dá)到G0.4，且葉輪的強(qiáng)度沒有受到影響，回廠安裝運(yùn)行測定新的振動數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)振動指標(biāo)達(dá)到要求，完全符合安全生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)要求，本次動平衡操作成功。

圖6 校正方案二

圖7 校正方案三

5 結(jié)束語

筆者列出的動平衡校正方法基本可以適用大部分在平衡機(jī)上進(jìn)行平衡校正的轉(zhuǎn)子。但是，很多大型的轉(zhuǎn)子不方便運(yùn)輸，還有很多離心泵不方便拆卸，使得轉(zhuǎn)子無法送到平衡機(jī)上進(jìn)行平衡。由于平衡機(jī)的平衡工況與現(xiàn)場整機(jī)平衡工況仍然存在較大區(qū)別，因此現(xiàn)場動平衡、在線動平衡及虛擬動平衡等新的平衡技術(shù)正在逐漸發(fā)展起來，并不斷地被試驗(yàn)于現(xiàn)場生產(chǎn)中?，F(xiàn)場動平衡、在線動平衡和虛擬動平衡隨著計(jì)算機(jī)電子技術(shù)與智能化技術(shù)的發(fā)展，將會以更加便捷、高速和智能的形式向前發(fā)展，使得轉(zhuǎn)子動平衡的校正操作更加精確，平衡效率也會進(jìn)一步提高。

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