摘 要：轉(zhuǎn)子的動平衡，是一項(xiàng)現(xiàn)代化生產(chǎn)中尖端的技術(shù)科研項(xiàng)目。風(fēng)阻效應(yīng)組合轉(zhuǎn)子是輔助動力裝置中最核心最重要的零部件之一，轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)復(fù)雜，裝配精度要求的較高，動平衡時(shí)不允許去材料，只允許相鄰的端齒配合面在0°～90°的范圍內(nèi)順航向調(diào)整整個(gè)轉(zhuǎn)子的質(zhì)量分布，每個(gè)葉輪均有自己的動平衡特性，旋轉(zhuǎn)調(diào)整后變化因素多，很難保證整體的平衡要求，是一項(xiàng)技術(shù)瓶頸問題。此類組合轉(zhuǎn)子的整體動平衡技術(shù)研究在國內(nèi)尚屬首例，無成熟的經(jīng)驗(yàn)可以借鑒，技術(shù)難度極高。通過理論分析和現(xiàn)場試驗(yàn)，采用錯(cuò)齒平衡、二倍頻分析、計(jì)算機(jī)輔助編程、影響系數(shù)等新工藝方法，攻克動平衡過程中轉(zhuǎn)子組合后跳動值超差、動平衡值飄移、振動大、旋轉(zhuǎn)不穩(wěn)定等的故障。

關(guān)鍵詞：整體動平衡；組合轉(zhuǎn)子；新工藝方法；平衡技術(shù)；葉輪

1 概述

現(xiàn)代社會，在機(jī)械加工精度已經(jīng)達(dá)到千分之一毫米量級，但機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)過程中的振動還是無法克服，而機(jī)械振動在機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)過程中絕大多數(shù)是有害的，它不僅能使轉(zhuǎn)子產(chǎn)生高軸疲勞斷裂，還會加速支撐件的磨損，從而加劇了機(jī)械振動，進(jìn)而惡性循環(huán)，例如，我們的計(jì)算機(jī)CPU散熱風(fēng)扇，新的產(chǎn)品運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，幾乎是無聲的，隨著使用，轉(zhuǎn)子的軸承磨損，風(fēng)扇聲音變大，則被形容成“拖拉機(jī)”，而一些質(zhì)量較好的散熱風(fēng)扇，使用的壽命更長，這就是其中原因，然而機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)過程的振動起因有很多，其中轉(zhuǎn)子自身的不平衡量產(chǎn)生的振動則普遍存在，為減小轉(zhuǎn)子的不平衡量，則需要將不平衡量測出，進(jìn)而想辦法消除。

2 轉(zhuǎn)子不平衡量產(chǎn)生的原理

轉(zhuǎn)子之所以產(chǎn)生不平衡量，其根本原因是質(zhì)量中心與回轉(zhuǎn)中心不重合，造成了轉(zhuǎn)子變成一個(gè)質(zhì)量為m的物體在繞著一個(gè)不在質(zhì)心的點(diǎn)在做回轉(zhuǎn)運(yùn)動，那么這就是典型的向心力模型。隨著向心力在不斷的作周期變化，那么振動也就產(chǎn)生了。

造成質(zhì)量中心與回轉(zhuǎn)中心不重合的原因有很多，比如機(jī)械加工誤差，轉(zhuǎn)子材料的不均勻等原因，一般消除轉(zhuǎn)子不平衡的方法有去重法和增重法，那么如何準(zhǔn)確的測出轉(zhuǎn)子的不平衡量大小及位置，則需要專業(yè)的儀器，動平衡機(jī)來進(jìn)行。

2.1 轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)特性

一般的轉(zhuǎn)子都是由工作部件和支撐軸組成，二者構(gòu)成了整個(gè)轉(zhuǎn)子，其中任何一部分不平衡，均可能產(chǎn)生整個(gè)轉(zhuǎn)子的不平衡。

2.2 轉(zhuǎn)子的不平衡狀態(tài)

在機(jī)械旋轉(zhuǎn)時(shí)，轉(zhuǎn)子由于轉(zhuǎn)子質(zhì)心的偏移，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)過程中就產(chǎn)生離心力，離心力的周期變化則產(chǎn)生的機(jī)械振動，進(jìn)而將力施加在支撐轉(zhuǎn)子的軸承上，該轉(zhuǎn)子處于不平衡的狀態(tài)，不平衡轉(zhuǎn)子的所有質(zhì)量單元產(chǎn)生的慣性力使轉(zhuǎn)子變形并使旋轉(zhuǎn)軸撓曲。

對于一般的轉(zhuǎn)子而言，當(dāng)離心力產(chǎn)生的力矩/力達(dá)到平衡時(shí)，即矢量合為零，則轉(zhuǎn)子的就達(dá)到了平衡，在不考慮其他因素時(shí)，轉(zhuǎn)子的機(jī)械振動就會消失。但如果合力不為零，則會出現(xiàn)如下狀態(tài)。

2.2.1 靜不平衡狀態(tài)

靜平衡狀態(tài)是指，一個(gè)轉(zhuǎn)子的大部分質(zhì)量在一個(gè)平面上，工程上則認(rèn)為長徑比小于0.2時(shí)，轉(zhuǎn)子可以作為靜平衡模型來考慮，這時(shí)，轉(zhuǎn)子的質(zhì)心不在旋轉(zhuǎn)軸線上，則在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動過程中就產(chǎn)生了偏心力，即離心力。此時(shí)的轉(zhuǎn)子為靜不平衡轉(zhuǎn)子。

2.2.2 動不平衡狀態(tài)

動不平衡的實(shí)質(zhì)是一個(gè)長軸轉(zhuǎn)子，其質(zhì)量中心軸與回轉(zhuǎn)軸線重合轉(zhuǎn)子質(zhì)量軸線與旋轉(zhuǎn)軸線成角度相交，那么，轉(zhuǎn)子在旋轉(zhuǎn)過程中，每個(gè)截面則產(chǎn)生了很多個(gè)離心力，所有離心力共同作用在轉(zhuǎn)子上，形成了合力矩，從而作用在轉(zhuǎn)子的兩個(gè)支撐上，此時(shí)的轉(zhuǎn)子即為動不平衡轉(zhuǎn)子。

3 平衡機(jī)的精密調(diào)整

現(xiàn)階段，為測量出轉(zhuǎn)子的不平衡量，需要使用專業(yè)的儀器進(jìn)行，這種儀器就叫平衡機(jī)，而平衡機(jī)的性能直接影響動平衡的效果，好的動平衡機(jī)應(yīng)具有足夠的靜態(tài)、動態(tài)剛度、熱穩(wěn)定性和精度。傳感器精度高、抗干擾力強(qiáng)、響應(yīng)速度快。

首先，介紹一下動平衡機(jī)的工作原理，不平衡量的測量，其主要測量的轉(zhuǎn)子的振動量，動平衡機(jī)需要測量轉(zhuǎn)子的質(zhì)量，轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)子的振動量。平衡機(jī)工作時(shí)，將被測轉(zhuǎn)子擺放在專用的安裝架上，安裝架上安裝振動傳感器，通過電機(jī)驅(qū)動轉(zhuǎn)子進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，再通過轉(zhuǎn)速測量裝置，一般為激光測速儀，測出轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)子上應(yīng)有一個(gè)標(biāo)記的零位，即測速儀對應(yīng)的反光紙，通過振動的量級，來算出轉(zhuǎn)子的偏心質(zhì)量，通過反光紙經(jīng)過激光測頭和振動產(chǎn)生的時(shí)間，來計(jì)算出偏心質(zhì)量的角度，因?yàn)檗D(zhuǎn)子在旋轉(zhuǎn)過程中，產(chǎn)生的振動因素有很多，其主要是轉(zhuǎn)子質(zhì)量偏心產(chǎn)生的振動，平衡機(jī)經(jīng)過反復(fù)測量，排除掉次要因素，通過軟件計(jì)算，來評估出轉(zhuǎn)子的不平衡量，現(xiàn)階段的平衡機(jī)給出的不平衡量都是一個(gè)估算值，其不可能像測量長度和質(zhì)量那樣精確。

通過平衡機(jī)的工作原理的分析，可以得出，影響測量精度的因素也主要由上述三種原因構(gòu)成：（1）轉(zhuǎn)子的質(zhì)量，當(dāng)轉(zhuǎn)子側(cè)質(zhì)量超出了安裝架的工作范圍，就會使安裝架振動過大，或過小，超出振動傳感器的測量精度或沒有達(dá)到傳感器的最小測量數(shù)值，結(jié)果也就不夠準(zhǔn)確。（2）轉(zhuǎn)速測量不準(zhǔn)，則影響了整個(gè)評估結(jié)果，無法準(zhǔn)確算出振動量，無法準(zhǔn)確算出偏心角度。（3）振動傳感器不準(zhǔn)，那么測出的振動量有誤差，測出的不平衡量也就不夠準(zhǔn)確。

3.1 定標(biāo)精度

定標(biāo)，給平衡機(jī)定標(biāo)和給其他測量儀器定標(biāo)的原理一樣，就是拿出一個(gè)已知不平衡量的轉(zhuǎn)子，在平衡機(jī)上進(jìn)行測量，比較測量結(jié)果和已知不平衡量，可以給出精度；定標(biāo)是否準(zhǔn)確的檢驗(yàn)方法：定標(biāo)程序完成后將轉(zhuǎn)子進(jìn)行簡單補(bǔ)償，測量后得到一個(gè)理想轉(zhuǎn)子的不平衡量，然后在已知角相，增加已知質(zhì)量的平衡塊，測量后如果得到相應(yīng)的已知角度和已知質(zhì)量的不平衡量，此時(shí)說明定標(biāo)有效，如果有偏差則定標(biāo)無效，需重新定標(biāo)。

3.2 補(bǔ)償模式

對于一些特殊的轉(zhuǎn)子，其自身沒有旋轉(zhuǎn)軸，這時(shí)就需要一個(gè)平衡芯軸來進(jìn)行模擬旋轉(zhuǎn)，由于芯軸的制造精度，及轉(zhuǎn)子與芯軸的安裝誤差，其測量結(jié)果就會不準(zhǔn)確，為此需要進(jìn)行將芯軸的不平衡量去掉，此方法為反轉(zhuǎn)補(bǔ)償。

假設(shè)轉(zhuǎn)子與芯軸的不平衡量不在同一個(gè)方向且不在一條直線上，那么兩者形成的旋轉(zhuǎn)體的不平衡量為兩者的合力，通過重新裝配轉(zhuǎn)子與芯軸，并成180°對轉(zhuǎn)，那么形成的合力就會產(chǎn)生不同方向的變化，通過計(jì)算兩者之間的變化，即可補(bǔ)償?shù)粜据S的不平衡量。

4 風(fēng)阻效應(yīng)組合轉(zhuǎn)子的動平衡技術(shù)研究

4.1 動平衡的技術(shù)關(guān)鍵性

工程上，所謂動平衡工序是指通過平衡機(jī)的測量，測出轉(zhuǎn)子的偏心質(zhì)量和偏位置（角度），再通過增重或減重的方法進(jìn)行校正，來達(dá)到預(yù)期的結(jié)果，整個(gè)工藝過程即為動平衡工序。

由于動平衡測量主要是測量振動力，外力的加入會影響整個(gè)測量結(jié)果，而有風(fēng)阻的轉(zhuǎn)子在旋轉(zhuǎn)過程中，會有外力對平衡過程進(jìn)行影響，從而影響測量結(jié)果，而當(dāng)將多個(gè)風(fēng)阻轉(zhuǎn)子組合成一個(gè)轉(zhuǎn)子，則會有更多的外力對其進(jìn)行影響，所以有風(fēng)阻的組合轉(zhuǎn)子動平衡就存在以下幾點(diǎn)技術(shù)難點(diǎn)。

4.1.1 技術(shù)難點(diǎn)1

多個(gè)零件組裝，轉(zhuǎn)子容易出現(xiàn)過長現(xiàn)象，在旋轉(zhuǎn)過程中每個(gè)轉(zhuǎn)子的不平衡力矩相互疊加，時(shí)轉(zhuǎn)子發(fā)生彎曲，轉(zhuǎn)子就成了非剛性轉(zhuǎn)子，而動平衡的轉(zhuǎn)速無法做到太高（大于15000r/min），由于轉(zhuǎn)子有風(fēng)阻，實(shí)際工作過程中，轉(zhuǎn)子會受軸向力，可能會使轉(zhuǎn)子的受力情況有所改善，這時(shí)，就出現(xiàn)的測量結(jié)果與實(shí)際工作狀態(tài)不符，而這是絕對不允許的。

4.1.2 技術(shù)難點(diǎn)2

轉(zhuǎn)子零件較多，存在安裝誤差，這就是為什么將每個(gè)轉(zhuǎn)子的不平衡量測出后，在按一定的角度安裝后，整體動不平衡量與計(jì)算結(jié)果不同。

4.1.3 技術(shù)難點(diǎn)3

由于轉(zhuǎn)子存在風(fēng)阻效應(yīng)，在轉(zhuǎn)動時(shí)阻力大，并且隨著轉(zhuǎn)速的增加，阻力隨轉(zhuǎn)速成線性放大趨勢，所以給平衡機(jī)的驅(qū)動電機(jī)增大了負(fù)擔(dān)，并且隨著氣流的擾動，使轉(zhuǎn)子的振動增大，從而影響平衡結(jié)果。

綜上所述，風(fēng)阻效應(yīng)下的組合轉(zhuǎn)子的動平衡工藝非常復(fù)雜，需要盡可能的排除外部影響。

4.2 動平衡輔助工具的設(shè)計(jì)

為了保證動平衡的精度及動平衡的安全性，需根據(jù)待平衡的轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)動平衡工裝，如果是雙軸承支承的轉(zhuǎn)子，則需要設(shè)計(jì)一套軸瓦工裝，將軸承抱緊，然后采用皮帶傳動，帶動轉(zhuǎn)子進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。

軸瓦的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)是保證動平衡質(zhì)量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，由于雙軸承支承又稱為浮動支承，在旋轉(zhuǎn)時(shí)不平衡量會產(chǎn)生漂移和波動，為此我們在軸瓦的內(nèi)部設(shè)計(jì)限位止口，保證轉(zhuǎn)子的軸向穩(wěn)定性。

4.3 整體轉(zhuǎn)子動平衡的工藝方法的研究

影響系數(shù)法是轉(zhuǎn)子動平衡的重要方法之一。影響系數(shù)法實(shí)質(zhì)上是矢量平衡法的發(fā)展，把矢量法從單測點(diǎn)、單平面擴(kuò)展到多測點(diǎn)、多平面場合。

影響系數(shù)法的最大優(yōu)點(diǎn)是使用簡便，對操作者的技術(shù)要求不太高，容易實(shí)現(xiàn)平衡工作的計(jì)算機(jī)化。缺點(diǎn)是仍有賴于經(jīng)驗(yàn)，對影響系數(shù)的讀取計(jì)算精度要求很高，需反復(fù)校核，各具優(yōu)缺點(diǎn)。

5 結(jié)束語

現(xiàn)階段，環(huán)保話題的熱度與日俱增，全球都面臨著碳排放的問題，因此，熱功轉(zhuǎn)換效率較高的燃?xì)廨啓C(jī)的應(yīng)用前景非?？捎^，另外風(fēng)能發(fā)電，水利發(fā)電中的風(fēng)扇及水力渦輪機(jī)的使用也比較廣泛，風(fēng)阻效應(yīng)組合轉(zhuǎn)子動平衡技術(shù)在我國民用燃?xì)廨啓C(jī)、船舶動力，風(fēng)力發(fā)電，水電站及核電站等領(lǐng)域均能得到廣泛的應(yīng)用，轉(zhuǎn)子不平衡量的減少，可減少轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動過程中的振動，對其使用壽命有很大的提高，可以直接減少其運(yùn)營成本，間接增加經(jīng)濟(jì)效益。為我國國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展提供幫助，為保護(hù)我們唯一的地球貢獻(xiàn)力量。

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