動平衡

高速旋轉機械受物料的影響較大,衝擊、腐蝕、磨損、結焦都會對機器的轉子系統造成不平衡故障。而旋轉機械的振動故障有70%來源於轉子系統的不平衡。通常,維護人員對於振動較大的轉子,進行拆除處理,直接更換葉輪等,重新安裝後運行,達到降低振動的目的。然而,由於旋轉部件原始不平衡量的存在,導致機器運轉後,有時振動依然超過標準的允許值。為防止毀機,威脅現場人員的安全與保障生產的正常運行,需進行動平衡校正。

基本介紹

• 中文名：動平衡
• 外文名：dynamic balance
• 類屬 :：轉子動力學:
• 意義 :：重要的學術和工程套用價值

定義

轉子動力學的一個研究內容，指確定轉子轉動時產生的不平衡量（離心力和離心力偶，見相對運動）的位置和大小並加以消除的操作。不平衡量會引起轉子的橫向振動，並使轉子受到不必要的動載荷，這不利於轉子正常運轉。所以，大多數轉子應該進行動平衡。在機器製造或維修中，動平衡成為一道工序。

轉子轉動時產生的不平衡量是因轉子各微段的質心不嚴格處於迴轉軸線上引起的。各微段因質心偏離迴轉軸線而產生的離心力都垂直於迴轉軸線。通過力的合成可把離心力系合成為少數的集中力，其方向仍垂直於軸線。一般說，至少要用分別作用於兩個橫截面上的兩個集中力才能代表原來的離心力系。若這兩個集中力剛好形成力偶，則原來的不平衡量在轉子不旋轉時是無法察覺和測量的；旋轉時，力偶才形成橫向干擾並引起轉子的振動。這種不平衡的效應只有在旋轉的動態中才能察覺和測量，所以需要進行動平衡。與此相對的靜平衡是指當轉子的質量很集中以致可以看作一個垂直於迴轉軸線的不計厚度的薄盤時，不需旋轉就能進行的平衡。其作法是將轉子水平放置，偏重的一邊受重力作用會垂到下方，設法調整轉子質心的位置，使之位於迴轉軸線上。

在測出不平衡的位置和大小後，或是直接將它去掉，或是在它的對稱方向加上和它相應的質量來平衡它的效應，即通過去重或配重完成動平衡。

根據轉子的變形和質量分布的情況，動平衡分為剛性轉子的動平衡和柔性轉子的動平衡。

類型

剛性轉子的動平衡

對於工作轉速遠低於臨界轉速的轉子，不平衡量引起的變形很小。這種轉子可按剛體處理，動平衡可在低速下進行，稱為剛性轉子的動平衡。在進行剛性轉子動平衡時，各微段的不平衡量引起的離心慣性力系可以簡化到任意選定的兩個截面上去，在這兩個面上作相應的校正（去重或配重）即可完成動平衡。為找到兩個截面上不平衡量的方位和大小可使用動平衡機。常見的動平衡機分為軟支承式和硬支承式兩類，前者檢測不平衡量引起的振動；後者檢測不平衡轉子對支承的作用力。剛性轉子的動平衡問題已解決得較好。國際標準化組織(ISO)已規定出各類剛性轉子動平衡的精度。

柔性轉子的動平衡

超臨界轉速工作的轉子在啟動和制動時，轉速必定通過臨界轉速，這時不平衡量會使轉子產生明顯的變形。若轉子各微段質心對迴轉軸線的偏離對變形有明顯的影響，則轉子不能按剛性轉子處理，相應的動平衡稱為柔性轉子的動平衡。

方法有兩種：

①振型法。將不平衡量按轉子的各階固有振型分解。若動平衡時的轉速接近某臨界轉速，則這一階固有振型突出於其他各階之上。通過檢測該振型，就可找到為消除這一階不平衡分量所需的校正質量的大小和應放置的位置。逐階進行，就可完成動平衡。

②影響係數法。在轉子上選定若干個校正面和若干個測量面並進行多次運轉校正。某校正面上單位校正量在一定轉速下引起的某測量面的振動就是一個影響係數。通過測量或計算求出這些影響係數，便可根據不平衡量引起的振動，確定為將各測量面的振動限制在某量值以下，各校正面應加配重（或去重）的位置和大小。在這兩個方法的基礎上還發展了其他方法，例如振型圓法等。

工程問題

轉子作為機械系統的重要組成部分,它的不平衡量常引起的振動,將導致設備振動、噪聲及機構破壞,尤其是對於高速旋轉的柔性轉子,產生的機械事故將更明顯,轉子不平衡引起的故障約占機械全部故障的60%以上。隨著當前精密數控加工技術的發展,高速轉子在加工生產過程中產生的嚴重影響其加工精度的動平衡問題顯得尤為重要,動平衡儀可以有效地保障設備運行的可靠性與安全性,能取得良好的經濟效益和社會效益,具有重大的實際意義。
工程中的各種迴轉體，由於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，使得迴轉體在旋轉時，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範圍內。轉子動平衡和靜平衡的區別。

現代動平衡技術

各類機器所使用的平衡方法較多，例如單面平衡(亦稱靜平衡)常使用平衡架，雙面平衡(亦稱動平衡)使用各類動平衡試驗機。靜平衡精度太低，平衡時間長；動平衡試驗機雖能較好地對轉子本身進行平衡，但是對於轉子尺寸相差較大時，往往需要不同規格尺寸的動平衡機，而且試驗時仍需將轉子從機器上拆下來，這樣明顯是既不經濟，也十分費工(如大修後的汽輪機轉子)。特別是動平衡機無法消除由於裝配或其它隨動元件引發的系統振動。使轉子在正常安裝與運轉條件下進行平衡通常稱為“現場平衡”。現場平衡不但可以減少拆裝轉子的勞動量，不再需要動平衡機；同時由於試驗的狀態與實際工作狀態無二致，有利於提高測算不平衡量的精度，降低系統振動。國際標準ISOl940一1973(E)“剛體旋轉體的平衡精度”中規定，要求平衡精度為G0.4的精密轉子，必須使用現場平衡，否則平衡毫無意義。
現代的動平衡技術是在本世紀初隨著蒸汽透平的出現而發展起來的。隨著工業生產的飛速發展，旋轉機械逐步向精密化、大型化、高速化方向發展，使機械振動問題越來越突出。機械的劇烈振動對機器本身及其周圍環境都會帶來一系列危害。雖然產生振動的原因多種多樣，但普遍認為“不平衡力”是主要原因。據統計，有50%左右的機械振動是由不平衡力引起的。因此，有必要改變旋轉機械運動部分的質量，減小不平衡力，即對轉子進行平衡。
造成轉子不平衡的因素很多，例如：轉子材質的不均勻性，聯軸器的不平衡、鍵槽不對稱，轉子加工誤差，轉子在運動過程中產生的腐蝕、磨損及熱變形等。這些因素造成的不平衡量一般都是隨機的，無法進行計算，需要通過重力試驗（靜平衡）和旋轉試驗（動平衡）來測定和校正，使它降低到允許的範圍內。套用最廣的平衡方法是工藝平衡法和整機現場動平衡法。作為整機現場動平衡技術的一個重要分支，線上動平衡技術也正處於蓬勃發展之中，很有前途。由於工藝平衡法是起步最早的一種經典動平衡方法。
整機現場動平衡技術是為了解決工藝平衡技術中存在的問題而提出的。

工藝平衡法存在的問題

工藝平衡法的測試系統所受干擾小，平衡精度高，效率高，特別適於對生產過程中的旋轉機械零件作單體平衡，在動平衡領域中發揮著相當重要的作用，汽輪機、航空發動機普遍採用這種平衡方法。但是，工藝平衡法仍存在以下問題：
(1)平衡時的轉速和工作轉速不一致，造成平衡精度下降。例如：有不少轉子屬於二階臨界轉速的擾性轉子，由於平衡機本身轉速有限，這些轉子若採用工藝平衡，則無法有效的防止轉子在高速下發生變形而造成的不平衡。
(2)平衡機（特別是高速立式平衡機）價格昂貴。
(3)在動平衡機上平衡好的轉子，裝機後其平衡精度難以保證。因為動平衡時的支承條件不同於轉子在實際工作條件下的支承條件，且轉子同平衡裝置之間的配合也不同於轉子與其自身轉軸之間的配合條件，即使出廠前已在動平衡機上達到高精度平衡的轉子，經過運輸、再裝配等過程，平衡精度在使用前難免有所下降，當處於工作轉速下運轉時，仍可能產生不允許的振動。
(4)有些轉子，由於受到尺寸和重量上的限制，很難甚至無法在平衡機上平衡。例如：對於大型發電機及透平一類的特大轉子，由於沒有相應的特大平衡裝置，往往會造成無法平衡；對於大型的高溫汽輪機轉子，一般易發生彈性熱翹曲，停機後會自動消失，這類轉子需進行熱動態平衡，用平衡機顯然是無法平衡的。
(5)轉子要拆下來才能進行動平衡，停機時間長、平衡速度慢、經濟損失大。
為了克服上述工藝平衡法的缺點，人們提出了整機現場動平衡法。
將組裝完畢的旋轉機械在現場安裝狀態下進行的平衡操作稱為整體現場平衡。這種方法是機器作為動平衡機座，通過感測器測的轉子有關部位的振動信息，進行數據處理，以確定在轉子各平衡校正面上的不平衡及其方位，並通過去重或加重來消除不平衡量，從而達到高精度平衡的目的。
有於整機現場動平衡是直接接在整機上進行，不需要動平衡機，只需要一套價格低廉的測試系統，因而較為經濟。此外，由於轉子在實際工況條件下進行平衡，不需要再裝配等工序，整機在工作狀態下就可獲得較高的平衡精度。

注意事項

1.現場動平衡的先決條件是不平衡故障的判定，以及平衡面數的確定和各項準備工作的完成，這樣能保證平衡工作的省時、省力。如設備已經停機，更換反光帶。
2.檢查平衡儀器功能和電源是否充足及電纜線的連線狀況。
3.振動感測器和光電感測器安裝位置應始終保持不變。
4.每次數據記錄要準確，同時將第一次加試重後的振動幅值和相位與原始記錄比較，如變化不大，沒有達到20%以上，說明試重不合適，要重新考慮其大小和位置。
5.試重塊的安裝原則是：安裝合理，轉子運轉時，不能掉下，同時還要便於取下。
6.計算配重大小時，將原始記錄、加試重記錄及試重塊數據準確輸入計算器。配重塊加在指定位置後，一定要牢固，防止運行時掉下。
7.進入工作現場後，要熟悉周圍環境狀況，特別注意安全問題和防火問題。
8.啟動設備前應及時與現場操作人員聯繫，確認無誤後，方可啟動設備。
9.全部現場平衡工作過程中，要時刻注意並觀察設備運行狀態，發現設備有異常現象時，應馬上示意停機，保護人身與設備安全。

意義

磨床是精密機械加工必不可少的工作母機，為了適應日趨精密的工作精度需求及不斷追求的高效率和低成本的目標，全球的磨床製造業都在不懈地致力於:提高工具機的幾何精度，剛性和性能穩定性。
眾所周知，砂輪是磨床的必要工具。想要讓砂輪磨削出準確的尺寸和光潔的表面，必須防止磨削過程中的振動。砂輪的結構是由分布不均的大量顆粒組成，先天的不平衡無法避免，這必然會引起一定的偏心振動。而砂輪安裝的偏心度、砂輪的厚度不均、主軸的不平衡及砂輪對冷卻液的吸附等，會使振動更加增大。這些振動不僅僅影響到磨床的加工質量，還會降低磨床的主軸壽命、砂輪壽命，增加砂輪修正次數及修整金剛石的消耗等。
磨床砂輪在線上動平衡校正的套用為現代研磨工藝不可或缺的重要工程,當磨床內外環境振動較好的時候,經在線上動平衡校正後的砂輪殘餘振動量,會比一般傳統手動靜平衡效果再最佳化一個數量級,以峰到峰值(PeaktoPeak)的量測基準來評比,當靜平衡後為3μm時,動平衡可達0.3μm,綜合線上動平衡校正作業的優勢,研磨加工業者可獲得以下的經濟利益:
‧可大幅改善被研磨工件的真圓度、圓筒度和面粗度;
‧可延長被研磨工件壽命、減少研磨燒傷裂損現象,並控制其低頻工作噪音;
‧提高研磨加工精密度、穩定性和批量一致性(CP值);
‧可延長傳統砂輪和金剛石砂輪修整裝置壽命;
‧可確保磨床主軸與軸承壽命,延長磨床維修間隔,降低磨床維修成本。

精度等級

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)於1940年制定了世界公認的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，從要求最高的G0.4到要求最低的G4000。單位為公克×毫米/公斤(gmm/kg)，代表不平衡對於轉子軸心的偏心距離。如下表所示：

動平衡等級

精度等級G	g.mm/kg	轉子類型舉例
G630	630	剛性安裝的船用柴油機的曲軸驅動件；剛性安裝的大型四衝程發動機曲軸驅動件
G250	250	剛性安裝的高速四缸柴油機的曲軸驅動件
G100	100	六缸和多缸柴油機的曲軸驅動件。汽車、貨車和機車用的（汽油、柴油）發動機整機。
G40	40	汽車車輪、箍輪、車輪整體；汽車、貨車和機車用的發動機的驅動件。
G16	16	粉碎機、農業機械的零件；汽車、貨車和機車用的（汽油、柴油）發動機個別零件。
G6.3	6.3	燃氣和蒸氣渦輪、包括海輪（商船）主渦輪剛性渦輪發動機轉子；透平增壓器；工具機驅動件；特殊要求的中型和大型電機轉子；小電機轉子；渦輪泵。
G2.5	2.5	海輪（商船）主渦輪機的齒輪；離心分離機、泵的葉輪；風扇；航空燃氣渦輪機的轉子部件；飛輪；工具機的一般零件；普通電機轉子；特殊要求的發動機的個別零件。
G1	1	磁帶錄音機及電唱機驅動件；磨床驅動件；特殊要求的小型電樞。
G0.4	0.4	精密磨床的主軸、磨輪及電樞、迴轉儀。