轉(zhuǎn)子靜平衡與動平衡的選擇
更新時間：2023-06-28 點擊次數(shù)：676
靜平衡在轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子在靜態(tài)時是在許用不平衡量的規(guī)定范圍內(nèi)，稱為靜平衡又稱單面平衡。動平衡在轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子在動態(tài)時是在許用不平衡量的規(guī)定范圍內(nèi)，稱為動平衡又稱雙面或者多面平衡。
如何選擇轉(zhuǎn)子的平衡方式，是一個關(guān)鍵問題。其選擇有這樣一個原則：只要滿足于轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子平衡型式的確定呢？需要從以下幾個因素和依據(jù)來確定：1.轉(zhuǎn)子的幾何形狀、結(jié)構(gòu)尺寸，特別是轉(zhuǎn)子的直徑D與轉(zhuǎn)子的兩校正面間的距離尺寸b之比值，以及轉(zhuǎn)子的支撐間距等。關(guān)轉(zhuǎn)子平衡技術(shù)要求的技術(shù)標準，如GB3215、API610、GB9239和ISO1940等。3.轉(zhuǎn)子做靜平衡的條件在GB9239平衡標準中，對剛性轉(zhuǎn)子做靜平衡的條件定義為：如果盤狀轉(zhuǎn)子的支撐間距足夠大并且旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子必須驗證這些條件是否滿足。在對大量的某種類型的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子只做單面（靜）平衡的條件主要有三個方面：（2）一個是轉(zhuǎn)子在平衡機上做平衡時的支撐間距要大；（3）再一個是轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時其校正面的端面跳動要很小。（1）何謂盤狀轉(zhuǎn)子主要用轉(zhuǎn)子的直徑D與轉(zhuǎn)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(guī)定D/b＜6時，轉(zhuǎn)子只做單面平衡就可以了；D/b≥6時可以作為轉(zhuǎn)子是否為盤狀轉(zhuǎn)子的條件規(guī)定，但不能絕對化，因為轉(zhuǎn)子做何種平衡還要考慮轉(zhuǎn)子的工作轉(zhuǎn)速。（2）支撐間距要大無具體的參數(shù)規(guī)定，但與轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子的軸向跳動主要指轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時校正面的端面跳動，因為任何轉(zhuǎn)子做平衡試都是經(jīng)過精加工的，加工后已保證了轉(zhuǎn)子的孔與校正面之間的行為公差，端面跳動很小。根據(jù)上述轉(zhuǎn)子做單面（靜）平衡的條件，再結(jié)合有關(guān)泵方面的技術(shù)標準（如GB3215和API610），只做靜平衡的轉(zhuǎn)子條件如下：（1）對單級泵、兩級泵的轉(zhuǎn)子，凡工作轉(zhuǎn)速＜1800轉(zhuǎn)/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(zhuǎn)子，凡工作轉(zhuǎn)速≥1800轉(zhuǎn)/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(zhuǎn)子，如果不能實現(xiàn)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(zhuǎn)子做動平衡的條件在GB9239標準中規(guī)定：凡剛性轉(zhuǎn)子如果不能滿足做靜平衡的盤狀轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)子，凡工作轉(zhuǎn)速≥1800轉(zhuǎn)/分時，只要D/b＜6時，應(yīng)做動平衡。（2）對多級泵和組合轉(zhuǎn)子（3級或3級以上），不論工作轉(zhuǎn)速多少，應(yīng)做組合轉(zhuǎn)子的動平衡。由于轉(zhuǎn)子在制造加工過程中及組裝過程中，最后裝配完畢的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子具有原始不平衡量的原因多種多樣，但是如果轉(zhuǎn)子存在不平衡量，當轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時，轉(zhuǎn)子的不平衡量將產(chǎn)生一個離心力。該離心力隨著轉(zhuǎn)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(chǎn)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(fā)生嚴重事故。動不平衡是普遍的不平衡現(xiàn)象。它是靜不平衡和偶不平衡的組合。不平衡的轉(zhuǎn)子經(jīng)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(zhuǎn)子的中心慣性主軸和轉(zhuǎn)動軸線也就一致，使轉(zhuǎn)子達到平衡。但理想是豐滿的現(xiàn)實是骨感的，想要把一個不平衡的轉(zhuǎn)子平衡到不平衡量為零，是不可能的。因為受到動平衡設(shè)備的精度和轉(zhuǎn)子局限性的影響。因此，就有了平衡精度的概念，即在現(xiàn)有的條件下，我們能達到的合理的一個數(shù)值量級，這樣即滿足了生產(chǎn)生活的要求，又滿足了經(jīng)濟性的要求。動平衡試驗是對轉(zhuǎn)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(zhuǎn)運動的零部件時，例如各種傳動軸、主軸、風(fēng)機、水泵葉輪、刀具、電動機和汽輪機的轉(zhuǎn)子等，統(tǒng)稱為回轉(zhuǎn)體。在理想的情況下回轉(zhuǎn)體旋轉(zhuǎn)與不旋轉(zhuǎn)時，對軸承產(chǎn)生的壓力是一樣的，這樣的回轉(zhuǎn)體是平衡的回轉(zhuǎn)體。但工程中的各種回轉(zhuǎn)體，由于材質(zhì)不均勻或毛坯缺陷、加工及裝配中產(chǎn)生的誤差，甚至設(shè)計時就具有非對稱的幾何形狀等多種因素，使得回轉(zhuǎn)體在旋轉(zhuǎn)時，其上每個微小質(zhì)點產(chǎn)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(chǔ)上，引起振動，產(chǎn)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(zhuǎn)子進行平衡，使其達到允許的平衡精度等級，或使因此產(chǎn)生的機械振動幅度降在允許的范圍內(nèi)。最小可達剩余不平衡量是平衡機平衡轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)子的軸頸精度也都應(yīng)受到嚴格的限制，還有裝有葉輪的轉(zhuǎn)子件，重心不在轉(zhuǎn)子中心的轉(zhuǎn)子，裝有軸承底套和密封使用盤根的轉(zhuǎn)子。
考慮到技術(shù)的先進性和經(jīng)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(zhuǎn)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(zhuǎn)子軸心的偏心距離。轉(zhuǎn)子的不平衡力產(chǎn)生的主要原因為：（2）轉(zhuǎn)子長期運轉(zhuǎn)摩擦發(fā)熱造成的彎曲；（3）轉(zhuǎn)子運行時產(chǎn)生漸發(fā)性的不平衡量；（4）轉(zhuǎn)子受到外界的變化影響從而生產(chǎn)轉(zhuǎn)子彎曲。針對轉(zhuǎn)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(shè)備的轉(zhuǎn)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(qū)別就是轉(zhuǎn)子不用拆卸，而是直接在現(xiàn)場對其進行不平衡量修復(fù)。轉(zhuǎn)子離線動平衡，又叫工藝動平衡。它是把待檢測轉(zhuǎn)子裝在平衡機上，將傳感器對準貼在轉(zhuǎn)子上的反射標簽，并將產(chǎn)生的信號反饋到平衡機上，技術(shù)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?shù)男Ｕc修復(fù)。其主要過程為：首先，將旋轉(zhuǎn)設(shè)備停機并取出故障的轉(zhuǎn)子；接著把轉(zhuǎn)子送至動平衡機上并確定轉(zhuǎn)子軸承位；此時，固定好轉(zhuǎn)子、設(shè)置好參數(shù)并啟動平衡機；然后將待測轉(zhuǎn)子的周期性振動信號轉(zhuǎn)化成電感信號，測出轉(zhuǎn)子校正面對應(yīng)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(chǎn)的要求。總的來說，離線動平衡校正法是一種使轉(zhuǎn)子本身整體達到平衡的方法。在線動平衡，又叫現(xiàn)場動平衡或整機動平衡，顧名思義就是在現(xiàn)場對設(shè)備在工作轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子進行動平衡，使振動降低的方法。在線動平衡技術(shù)指的是通過對傳感器采集到轉(zhuǎn)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(guān)控制系統(tǒng)輸入量的變化來消除其不平衡量。具體是通過傳感器對轉(zhuǎn)子振動信號的檢測，以設(shè)備機座作為平衡機底座，轉(zhuǎn)子和軸承的振動為線性系統(tǒng)，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(zhuǎn)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(yōu)點。因此在線動平衡是消除設(shè)備振動的一項重要措施，同時這也是我國石化行業(yè)、機械設(shè)備等行業(yè)以后的發(fā)展趨勢。總的來說，在線與離線轉(zhuǎn)子動平衡都能夠?qū)D(zhuǎn)子進行不平衡量校正，兩者的校正精度都很高，修復(fù)后都符合安全生產(chǎn)的要求。因此，對一個轉(zhuǎn)子進行動平衡時，我們要結(jié)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?shù)姆椒ㄟM行操作。一方面可以大大提高效率；另一方面對轉(zhuǎn)子動平衡操作的精度也有幫助。但是，由于設(shè)備支承結(jié)構(gòu)與轉(zhuǎn)子的多樣性，在線動平衡比離線動平衡復(fù)雜很多，加上在線要求在最短的時間內(nèi)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(qū)別為：不平衡的轉(zhuǎn)子經(jīng)過測量其不平衡量，并加以校正以消除其不平衡，這就是轉(zhuǎn)子平衡的工藝過程，也稱平衡試驗。它是轉(zhuǎn)子機械加工中的重要工序。消除轉(zhuǎn)子的不平衡，使其處于平衡狀態(tài)的操作叫做平衡校正。平衡校正是在垂直轉(zhuǎn)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(nèi)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(nèi)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(zhuǎn)時振動過大的轉(zhuǎn)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(nèi))，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(nèi)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(yīng)在位于重心所在平面兩側(cè)的兩個平面上進行。對于剛性轉(zhuǎn)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(nèi)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(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)決定。為減少在平衡操作中所花費的時間和勞力，應(yīng)設(shè)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。轉(zhuǎn)子的不平衡是因其中心主慣性軸與旋轉(zhuǎn)軸線不重合而產(chǎn)生的，而平衡校正就是改變轉(zhuǎn)子的質(zhì)量分布，使其中心主慣性軸與旋轉(zhuǎn)軸線相重合從而達到平衡。常用的校正方法有調(diào)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(zhuǎn)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(zhuǎn)子件、葉輪上采用磨削去重，或在聯(lián)軸節(jié)上配重。選用哪一種校正方法，取決于轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)和工藝要求以及校正面的幾何形狀等。一般轉(zhuǎn)子在設(shè)計時就考慮好加重或去重的位置。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(chǎn)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(shù)情況是綜合出現(xiàn)的，分析時就應(yīng)該綜合考慮。另外，還應(yīng)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。
