李 程，傅樹霞，呂 明

(1.廣東省特種設(shè)備檢驗研究院茂名檢測院，廣東 茂名 525000；2.廣東石油化工學(xué)院廣東省石化裝備故障診斷重點實驗室，廣東 茂名 525000；3.中國石油撫順石化分公司烯烴廠， 遼寧 撫順 113008)

多級離心泵現(xiàn)場動平衡技術(shù)的實驗研究

李 程1，傅樹霞2，呂 明3

(1.廣東省特種設(shè)備檢驗研究院茂名檢測院，廣東 茂名 525000；2.廣東石油化工學(xué)院廣東省石化裝備故障診斷重點實驗室，廣東 茂名 525000；3.中國石油撫順石化分公司烯烴廠， 遼寧 撫順 113008)

對轉(zhuǎn)子平衡技術(shù)的原理進(jìn)行了研究，介紹了一些基礎(chǔ)概念。對旋轉(zhuǎn)機械發(fā)生故障的主要特征進(jìn)行了研究。設(shè)計搭建了自己的現(xiàn)場動平衡模擬試驗臺。在實驗室設(shè)計搭建的現(xiàn)場動平衡模擬試驗臺和HM3BU動平衡機上進(jìn)行了振動測試的試驗，得到了振動值與不平衡量之間的關(guān)系。

多級離心泵；現(xiàn)場動平衡；振動測量；轉(zhuǎn)子

離心泵等旋轉(zhuǎn)機械在現(xiàn)代生活中占有舉足輕重的地位，被廣泛應(yīng)用于石油化工、紡織、冶金、食品、釀造、制藥、工業(yè)和城市給排水、高層建筑增壓送水、園林噴灌、消防增壓、遠(yuǎn)距離輸水等多個行業(yè)多個領(lǐng)域，直接關(guān)系到國家的生產(chǎn)和人民的生活。為了滿足更高、更遠(yuǎn)距離的運輸，達(dá)到更高的生產(chǎn)效率，多級離心泵得到了愈加廣泛的應(yīng)用。隨著社會工業(yè)生產(chǎn)的需要和科技的日新月異，離心泵等旋轉(zhuǎn)機械逐漸向著大型化、精密化和高速化發(fā)展，這就對旋轉(zhuǎn)機械的性能提出了更高的要求。

1 多級離心泵轉(zhuǎn)子動平衡原理

轉(zhuǎn)子系統(tǒng)實現(xiàn)動平衡，需要滿足以下條件：

即慣性力的矢量和等于零，并且慣性力矩的矢量和也等于零。

在支承系統(tǒng)上，轉(zhuǎn)子由于被驅(qū)動而產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)，進(jìn)行動平衡測量時，要求支承系統(tǒng)必須具有必要的自由度[1]。這樣在不平衡離心力的作用下，才能保證支承系統(tǒng)有規(guī)律的振動，并且能夠與轉(zhuǎn)子的不平衡質(zhì)量成正比。

由此轉(zhuǎn)子——支承系統(tǒng)就組成了某種形式的質(zhì)量--彈簧系統(tǒng)，如果想要測得轉(zhuǎn)子校正面的不平衡質(zhì)量的大小和相位，只需要測量轉(zhuǎn)子系統(tǒng)支承處的振動即可。然后我們再根據(jù)需要進(jìn)行加重或者去重的平衡操作，這就是動平衡的原理。

2 場動平衡技術(shù)的試驗研究

2.1 試驗?zāi)康?/p>

傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)設(shè)備故障的診斷和分析，主要是通過使用測振儀器，獲得設(shè)備的振動值，然后根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)，如幅值、相位、軸心軌跡等振動參數(shù)的不同特征，分析判斷設(shè)備可能存在的故障，并找到引起機器振動的原因[2]。

本實驗正好相反，我們意圖通過對不平衡質(zhì)量的改變，來引起設(shè)備的振動，利用測振儀器獲得設(shè)備的振動值，如有可能我們期望得出振動值——不平衡量——配重值三者之間的對應(yīng)關(guān)系[3]，這樣我們便可以更好的根據(jù)測得的振動值找出不平衡的原因，并準(zhǔn)確的進(jìn)行不平衡校正，從而降低振動，達(dá)到設(shè)備的穩(wěn)定運行。

2.2 試驗裝置

本實驗采用自主設(shè)計的二級，三級，四級轉(zhuǎn)子為實驗對象，在每個葉輪上都鉆有M8的螺紋孔，用螺栓來改變不平衡質(zhì)量的大小。在兩個平衡盤上也都鉆有M8的螺紋孔，用來進(jìn)行平衡配重。如圖1所示：

圖1 現(xiàn)場動平衡模擬試驗臺正面圖

2.2.1 現(xiàn)場動平衡試驗臺

如圖2.1所示，主要由軸承，轉(zhuǎn)子支架，電機支架，電機組成。現(xiàn)場動平衡試驗臺區(qū)別于動平衡機的不同在于它的支承剛度，而且轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速達(dá)到3000RPM，即在轉(zhuǎn)子是工作轉(zhuǎn)速下運作。我們在動平衡試驗臺上測得轉(zhuǎn)子的振動值。

2.2.2 HM3BU動平衡機

HM3BU動平衡機是德國申克公司生產(chǎn)的，主要由平衡機和電控箱組成。平衡機由光電傳感器、振動傳感器、放大器組成。光電傳感器測量轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速和不平衡相位。振動傳感器測量轉(zhuǎn)子的振動值。放大器將傳感器輸入的信號進(jìn)行放大。在試驗臺上測試完轉(zhuǎn)子的振動值后，要將轉(zhuǎn)子拆卸下來，放到動平衡機上進(jìn)行平衡配置，記錄配重值[4]。

首先要測量轉(zhuǎn)子支承處的直徑，和驅(qū)動處的直徑，計算兩者與動平衡機支承處和驅(qū)動處的差值，兩者差值要小于10%，以防止產(chǎn)生共振對動平衡造成影響。檢查皮帶是否完好，調(diào)整兩個支承的距離，將轉(zhuǎn)子放好在平衡機上。找準(zhǔn)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的方向，防止轉(zhuǎn)子的反向旋轉(zhuǎn)。加潤滑油，在轉(zhuǎn)子軸端貼好反光標(biāo)簽，固定好光電傳感器。

在控制箱處輸入轉(zhuǎn)子的校正方式，校正面等參數(shù)，選擇合適的平衡轉(zhuǎn)速進(jìn)行實驗。

2.3 試驗方法

2.3.1實驗前準(zhǔn)備

我們將轉(zhuǎn)子的四個葉輪和兩個平衡盤進(jìn)行編號，如圖2所示：

圖2 葉輪的編號

2.3.2 調(diào)平轉(zhuǎn)子

圖3 HM3BU動平衡機

如圖3所示，首先，量取皮帶輪的直徑和轉(zhuǎn)子的驅(qū)動直徑，計算他們的百分比，選擇合適的驅(qū)動皮帶輪。然后將轉(zhuǎn)子放在動平衡機上，貼上黑色膠帶，反光標(biāo)，將光電傳感器放置在適宜的高度處，聚光點對準(zhǔn)反光標(biāo)，開啟壓縮機，將驅(qū)動皮帶拉緊。打開操作箱，啟動操作軟件，進(jìn)行調(diào)平操作。分別將二級、三級、四級轉(zhuǎn)子在進(jìn)行實驗前，進(jìn)行平衡。根據(jù)平衡標(biāo)準(zhǔn)得知，在3000r/min的轉(zhuǎn)速下，得許用剩余不平衡質(zhì)量為3.4g·mm/kg。計算我們的剩余不平衡質(zhì)量為2.43g·mm/kg,達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)范圍之內(nèi)，我們可以認(rèn)為該轉(zhuǎn)子達(dá)到平衡[5]。

2.3.3 實驗步驟：

(1)將轉(zhuǎn)子放在現(xiàn)場動平衡試驗臺上，在不同位置改變不平衡質(zhì)量的大小，記錄數(shù)據(jù)。

(2)利用EMT390數(shù)據(jù)采集振動儀測量振動值，并記錄數(shù)據(jù)。

(3)將轉(zhuǎn)子從現(xiàn)場動平衡試驗臺上拆卸下來，安裝到HM3BU動平衡機上，進(jìn)行動平衡校正。記錄配重的質(zhì)量和相位。

2.4 試驗結(jié)果

不同位置的不平衡質(zhì)量對振動值的影響，試驗得到如下圖4所示：

圖4 葉輪1、2、3、4的振動值

Fig.4 Vibration of impeller 1、2、3、4

由圖4的分析我們可以看出，每個葉輪的各個相位的振動值相差不大，垂直方向的振動值也幾乎相同。說明將同一質(zhì)量的不平衡質(zhì)量放在不同位置，對振動值測量的幾乎沒有影響。而且從數(shù)據(jù)我們可看出，水平方向的振動較大，垂直方向的振動較小。這是因為垂直方向由于支架和地基的支承，導(dǎo)致支承的剛度很多，將很大一部分振動抵消掉。這樣，我們采用水平方向的振動值，作為后續(xù)的實驗參數(shù)，進(jìn)行測量。隨著不平衡質(zhì)量在不同葉輪同一相位的變化，振動值也發(fā)生變化。當(dāng)不平衡質(zhì)量靠近左側(cè)葉輪時，左側(cè)所測得的振動值變大；當(dāng)不平衡質(zhì)量靠近右側(cè)時，右側(cè)測得的振動值變大。由此，我們可以得知，不平衡質(zhì)量在軸向位置的分布，對不平衡的振動是會產(chǎn)生影響的[6]。

3 結(jié)論

(1)不平衡的振動值，在軸向方向的振動值，要遠(yuǎn)遠(yuǎn)比垂直方向的振動值明顯，這是因為垂直方向的支架和基礎(chǔ)等的支撐剛性過大，將很大一部分振動抵消，因此我們在測振動值的時候，只需要測量水平方向的振動值即可[7]；

(2)在不同葉輪的同一相位，不平衡質(zhì)量的影響基本是相同的；

(3)當(dāng)不平衡質(zhì)量靠近左側(cè)軸承時，左側(cè)的振動值較大；當(dāng)不平衡質(zhì)量靠近右側(cè)時，右側(cè)的不平衡質(zhì)量較大，這說明，不平衡質(zhì)量在軸向位置的分布，會對振動值造成影響；

(4)隨著不平衡質(zhì)量的增加，不平衡的振動值也是在逐漸增加的，兩者呈現(xiàn)線性關(guān)系；

(5)隨著不平衡質(zhì)量的增加，配重值也是逐漸增大的，并且兩者呈現(xiàn)線性關(guān)系；

(6)不平衡質(zhì)量在軸向位置的變動，對總的配重結(jié)果幾乎沒有影響。

[1] Goodman T P.A least-squares method for computing balance corrections[J]. Journal of Manufacturing Science & Engineering,1964, 86(3) 273 - 277.

[2] 劉貴杰.轉(zhuǎn)子系統(tǒng)現(xiàn)場動平衡技術(shù)的實驗研究[J].機械工程師，1999(2)：40-41.

[3] 謝志江.轉(zhuǎn)子雙面現(xiàn)場動平衡的不卸試重平衡法[J].重慶大學(xué)學(xué)報，2002，25(09)：101-103.

[4] 陳敬平，嚴(yán)普強.轉(zhuǎn)子現(xiàn)場動平衡的相對影響系數(shù)法[J].振動、測試與診斷，1994，14(04)：1-6.

[5] 劉正式，陳心昭.轉(zhuǎn)子動平衡的相對系數(shù)法及其在動態(tài)信號分析儀上的實現(xiàn)[J].機械強度，1994,16(4)：53-57.

[6] 劉榮強，武新華，夏松波,等.影響系數(shù)余量平衡法及其在初始彎曲轉(zhuǎn)子動平衡中的應(yīng)用[J].汽輪機技術(shù)，1994,36(4)：200-203.

[7] 付大鵬，林淑杰.M=N≤2轉(zhuǎn)子動平衡最優(yōu)化新算法[J].機械，1994,21(2)，10-11.

(本文文獻(xiàn)格式：李 程，傅樹霞，呂 明.多級離心泵現(xiàn)場動平衡技術(shù)的實驗研究[J].山東化工，2016，45(14)：81-82，84.)

2016-05-16

李 程(1987—)，遼寧撫順人，化工過程機械專業(yè)，碩士研究生，助理工程師。現(xiàn)從事特種設(shè)備檢測技術(shù)工作。

TH311

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1008-021X(2016)14-0081-02