轉子靜平衡與動平衡的選擇

時間：2023/6/28閱讀：704

一. 靜平衡

靜平衡在轉子一個校正面上進行校正平衡，校正后的剩余不平衡量以保證轉子在靜態時是在許用不平衡量的規定范圍內，稱為靜平衡又稱單面平衡。

二. 動平衡

動平衡在轉子兩個或者兩個以上校正面上同時進行校正平衡，校正后的剩余不平衡量以保證轉子在動態時是在許用不平衡量的規定范圍內，稱為動平衡又稱雙面或者多面平衡。

三. 轉子平衡的選擇與確定

如何選擇轉子的平衡方式，是一個關鍵問題。其選擇有這樣一個原則：

只要滿足于轉子平衡后用途需要的前提下，能做靜平衡的，則不要做動平衡，能做動平衡的，則不要做靜動平衡。原因很簡單，靜平衡要比動平衡容易做，省功、省力、省費用。

那么如何進行轉子平衡型式的確定呢？需要從以下幾個因素和依據來確定：

1.轉子的幾何形狀、結構尺寸，特別是轉子的直徑D與轉子的兩校正面間的距離尺寸b之比值，以及轉子的支撐間距等。

2.轉子的工作轉速

關轉子平衡技術要求的技術標準，如GB3215、API610、GB9239和ISO1940等。

3.轉子做靜平衡的條件在GB9239平衡標準中，對剛性轉子做靜平衡的條件定義為：

如果盤狀轉子的支撐間距足夠大并且旋轉時盤狀部位的軸向跳動很小，從而可忽略偶不平衡（動平衡），這時可用一個校正面校正不平衡即單面（靜）平衡，對具體轉子必須驗證這些條件是否滿足。在對大量的某種類型的轉子在一個平面上平衡后，就可求得最大的剩余偶不平衡量，并除以支撐距離。如果在最不利的情況下這個值不大于許用剩余不平衡量的一半，則采用單面（靜）平衡就足夠了。

從這個定義中不難看出轉子只做單面（靜）平衡的條件主要有三個方面：

（1）一個是轉子幾何形狀為盤狀；

（2）一個是轉子在平衡機上做平衡時的支撐間距要大；

（3）再一個是轉子旋轉時其校正面的端面跳動要很小。

對以上三個條件作如下說明：

（1）何謂盤狀轉子主要用轉子的直徑D與轉子的兩校正面間的距離尺寸b之比值來確定。在API610標準中規定D/b＜6時，轉子只做單面平衡就可以了；D/b≥6時可以作為轉子是否為盤狀轉子的條件規定，但不能絕對化，因為轉子做何種平衡還要考慮轉子的工作轉速。

（2）支撐間距要大無具體的參數規定，但與轉子校正面間距b之比值≥5以上均視為支撐間距足夠大。

（3）轉子的軸向跳動主要指轉子旋轉時校正面的端面跳動，因為任何轉子做平衡試都是經過精加工的，加工后已保證了轉子的孔與校正面之間的行為公差，端面跳動很小。

根據上述轉子做單面（靜）平衡的條件，再結合有關泵方面的技術標準（如GB3215和API610），只做靜平衡的轉子條件如下：

（1）對單級泵、兩級泵的轉子，凡工作轉速＜1800轉/分時，不論D/b＜6或D/b≥6只做靜平衡即可。但是如果要求做動平衡時，必須要保證D/b＜6，否則只能做靜平衡。

（2）對單級泵、兩級泵的轉子，凡工作轉速≥1800轉/分時，如果D/b≥6只做靜平衡即可。但平衡后的剩余不平衡量要等于或小于許用不平衡量的1/2。如果要求做動平衡，要看兩個校正面的平衡是否能在平衡機上分離開，如果分離不開，則只能做靜平衡。

（3）對一些開式葉輪等轉子，如果不能實現兩端支撐，只做靜平衡即可。因為兩端不能支撐，勢必進行懸臂，這樣在平衡機上做動平衡很危險，只能在平衡架上進行單面（靜）平衡。

4.轉子做動平衡的條件在GB9239標準中規定：凡剛性轉子如果不能滿足做靜平衡的盤狀轉子的條件，則需要進行兩個平面來平衡，即動平衡。

只做靜平衡的轉子條件如下（平衡靜度G0.4級為最高精度，一般情況下泵葉輪的動平衡靜度選擇G6.3級或G2.5）：

（1）對單級泵、兩級泵的轉子，凡工作轉速≥1800轉/分時，只要D/b＜6時，應做動平衡。

（2）對多級泵和組合轉子（3級或3級以上），不論工作轉速多少，應做組合轉子的動平衡。

四、為什么要做動平衡

由于轉子在制造加工過程中及組裝過程中，最后裝配完畢的轉子總是不能做到動力上的軸對稱(稱為軸偏心)，因此也就存在一定的不平衡量。這種不平衡量通常稱之為原始不平衡量。

造成轉子具有原始不平衡量的原因多種多樣，但是如果轉子存在不平衡量，當轉子旋轉時，轉子的不平衡量將產生一個離心力。該離心力隨著轉速升高逐漸變大。離心力通過軸承傳達到機器上，引起整個機器的振動，產生噪音、加速軸承的磨損、降低機器的壽命，甚至使機器控制失靈，發生嚴重事故。

動不平衡是普遍的不平衡現象。它是靜不平衡和偶不平衡的組合。

不平衡的轉子經過動平衡校正后，不僅消除了偶不平衡，同時也消除了靜不平衡，這時轉子的中心慣性主軸和轉動軸線也就一致，使轉子達到平衡。但理想是豐滿的現實是骨感的，想要把一個不平衡的轉子平衡到不平衡量為零，是不可能的。因為受到動平衡設備的精度和轉子局限性的影響。因此，就有了平衡精度的概念，即在現有的條件下，我們能達到的合理的一個數值量級，這樣即滿足了生產生活的要求，又滿足了經濟性的要求。

動平衡試驗是對轉子進行動平衡檢測、校正，并達到使用要求的過程。

當零件作旋轉運動的零部件時，例如各種傳動軸、主軸、風機、水泵葉輪、刀具、電動機和汽輪機的轉子等，統稱為回轉體。在理想的情況下回轉體旋轉與不旋轉時，對軸承產生的壓力是一樣的，這樣的回轉體是平衡的回轉體。但工程中的各種回轉體，由于材質不均勻或毛坯缺陷、加工及裝配中產生的誤差，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，其上每個微小質點產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，產生了噪音，加速軸承磨損，縮短了機械壽命，嚴重時能造成破壞性事故。

為此，必須對轉子進行平衡，使其達到允許的平衡精度等級，或使因此產生的機械振動幅度降在允許的范圍內。

五、對動平衡機的精度要求

最小可達剩余不平衡量是平衡機平衡轉子時所能達到的最小剩余不平衡量，是衡量平衡機最高平衡能力的性能指標。

硬支承平衡機可直接用校正面上的最小剩余不平衡量表示，單位為(克/毫米)，有些也使用克/厘米。

最小可達剩余不平衡量受平衡機的型式、測量方式、傳動方式、軸承形式及校正面的平面分離比和平衡機的靈敏度等等因素的影響。

要使轉子的平衡精度很高(即剩余的不平衡量很小)，就要盡量排除影響不平衡精度的因素。這些影響因素中平衡機的傳動方式和傳動件的不平衡影響最大。轉子的軸頸精度也都應受到嚴格的限制，還有裝有葉輪的轉子件，重心不在轉子中心的轉子，裝有軸承底套和密封使用盤根的轉子。

考慮到技術的先進性和經濟上的合理性，國際標準化組織(ISO)于1940年制定了ISO1940平衡等級，它將轉子平衡等級分為11個級別，每個級別間以2.5倍為增量，平衡機從要求最高的G0.4到要求低的G4000。單位為公克×毫米/公斤(gmm/kg)，代表不平衡對于轉子軸心的偏心距離。

六、轉子動平衡技術的方法

轉子的不平衡力產生的主要原因為：

（1）轉子制造時的原始不平衡量；

（2）轉子長期運轉摩擦發熱造成的彎曲；

（3）轉子運行時產生漸發性的不平衡量；

（4）轉子受到外界的變化影響從而生產轉子彎曲。

針對轉子的不平衡問題，通常采用離線動平衡校正方法和在線動平衡校正方法。前者通常將設備的轉子拆卸下來，然后送至平衡機上進行校正；后者與前者最大的區別就是轉子不用拆卸，而是直接在現場對其進行不平衡量修復。

6.1離線動平衡校正法

轉子離線動平衡，又叫工藝動平衡。它是把待檢測轉子裝在平衡機上，將傳感器對準貼在轉子上的反射標簽，并將產生的信號反饋到平衡機上，技術人員通過平衡機上顯示的不平衡量大小與角度，對其進行適當的校正與修復。其主要過程為：

首先，將旋轉設備停機并取出故障的轉子；接著把轉子送至動平衡機上并確定轉子軸承位；此時，固定好轉子、設置好參數并啟動平衡機；

然后將待測轉子的周期性振動信號轉化成電感信號，測出轉子校正面對應的不平衡量與相位；最后通過去重或加重的方式加以校正與消除其不平衡量，從而達到安全生產的要求。

總的來說，離線動平衡校正法是一種使轉子本身整體達到平衡的方法。

6.2在線動平衡校正法

在線動平衡，又叫現場動平衡或整機動平衡，顧名思義就是在現場對設備在工作轉速下進行檢測并完成動平衡操作。在線動平衡是指不拆卸機組，在其正常運行情況下對轉子進行動平衡，使振動降低的方法。在線動平衡技術指的是通過對傳感器采集到轉子的振動信號，將其不平衡量、相位進行計算與分析，以及利用相關控制系統輸入量的變化來消除其不平衡量。具體是通過傳感器對轉子振動信號的檢測，以設備機座作為平衡機底座，轉子和軸承的振動為線性系統，引起的振動為線性疊加，將采集的振動信息進行處理，確定轉子各平衡校正面的不平衡量與角度，最后進行加重或去重的方法來消除不平衡量，從而達到校正的目的。所以說，在線動平衡校正方法具有避免因拆卸與安裝引起的誤差、減少不必要的人力、操作方便、易于自動化、確保機組安全有序地運行等優點。因此在線動平衡是消除設備振動的一項重要措施，同時這也是我國石化行業、機械設備等行業以后的發展趨勢。

總的來說，在線與離線轉子動平衡都能夠對轉子進行不平衡量校正，兩者的校正精度都很高，修復后都符合安全生產的要求。因此，對一個轉子進行動平衡時，我們要結合實際對其效率、成本等方面進行綜合分析，判斷在線或離線動平衡哪個適合，然后選擇最恰當的方法進行操作。一方面可以大大提高效率；另一方面對轉子動平衡操作的精度也有幫助。但是，由于設備支承結構與轉子的多樣性，在線動平衡比離線動平衡復雜很多，加上在線要求在最短的時間內達到標準的動平衡效果，其難度很大。因此在線與離線動平衡的區別為：

（1）兩者所使用的測試儀器不一樣；

（2）在線動平衡能夠使用的校正面比離線的少；

（3）在線動平衡操作時人數較多；

（4）兩者的平衡標準不一樣；

（5）兩者在經濟與時間要求不同。

七、平衡工藝與方法

不平衡的轉子經過測量其不平衡量，并加以校正以消除其不平衡，這就是轉子平衡的工藝過程，也稱平衡試驗。它是轉子機械加工中的重要工序。

1.校正面的選擇

消除轉子的不平衡，使其處于平衡狀態的操作叫做平衡校正。平衡校正是在垂直轉子軸線的平面上進行的，該平面稱為校正平面。只需要在一個校正面內校正平衡的方式稱為單面平衡或靜平衡，必須在兩個或多個校正平面內進行校正的方式稱為雙面平衡或多面平衡或稱動平衡。

對于初始不平衡量很大，旋轉時振動過大的轉子，在動平衡校驗之前要先進行單面平衡，以消除靜不平衡。有時由于校正面位置選擇不當(即重心不在選擇的校正面內)，校正靜平衡后反而會使偶不平衡增大。因此，校正面最好是選擇在重心所在平面內進行，以減少偶不平衡。若重心所在平面不允許去重時，一般應在位于重心所在平面兩側的兩個平面上進行。

對于剛性轉子，一般具有靜不平衡與偶不平衡。要達到平衡，可在任意選擇的與軸線相垂直的兩個校正平面內校正其不平衡，即所謂雙面平衡。校正方法一般采用加重(如配平衡塊)或去重(如打孔)方式進行。校正平面的位置一般由轉子的結構決定。

為減少在平衡操作中所花費的時間和勞力，應設法減少校正量，為此在可能的條件下，盡可能的增加兩校正面的距離和校正半徑，以取得好的平衡效果。

2.校驗方法

轉子的不平衡是因其中心主慣性軸與旋轉軸線不重合而產生的，而平衡校正就是改變轉子的質量分布，使其中心主慣性軸與旋轉軸線相重合從而達到平衡。常用的校正方法有調整校正重量，加重或去重等。

加重可采用螺釘連接，鉚接，焊接，這種方法能使轉子達到更好的平衡效果和更高的平衡精度，而且方便、安全。

去重多采用鉆孔，磨削，鏨削，銑削等方法。對機泵的轉子件、葉輪上采用磨削去重，或在聯軸節上配重。

選用哪一種校正方法，取決于轉子結構和工藝要求以及校正面的幾何形狀等。一般轉子在設計時就考慮好加重或去重的位置。

3.校正誤差

在平衡過程中，除平衡機的測量誤差外，還存在因平衡校正的不準確(包括校正量的大小和位置)而產生的誤差，這種誤差稱為校正誤差。可分為校正角度誤差、校正幅值誤差、校正半徑誤差和校正平面位置誤差等。

在實際校正中，上述的四種誤差大多數情況是綜合出現的，分析時就應該綜合考慮。另外，還應考慮初始不平衡量與剩余不平衡量之間的比例，以及平衡機的不平衡減低率的影響。

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轉子靜平衡與動平衡的選擇

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