轉(zhuǎn)子的動平衡技術(shù)2

發(fā)布時間：

2024-07-03 17:36

不平衡的表示方法

我們把改變不平衡旋轉(zhuǎn)體的質(zhì)量分布來消除旋轉(zhuǎn)軸周圍的離心力作用，使轉(zhuǎn)子達到運轉(zhuǎn)平穩(wěn)的這個過程稱為“平衡”。

圖 8、動平衡試驗示意圖

如上圖8所示，有一總質(zhì)量為Ｍ的圓盤，其重心和旋轉(zhuǎn)中心的距離（偏心距）為ｅ，原始不平衡產(chǎn)生的離心力為Ｆ。如在相反方向上半徑為ｒ處加一平衡質(zhì)量ｍ，它所產(chǎn)生的離心力為Ｗ，假如Ｆ＝Ｗ，則轉(zhuǎn)子達到完全平衡，即

Ｆ＝Ｗ＝Ｍｅ ω2＝ｍｒ ω2

在實際平衡試驗過程中，達到轉(zhuǎn)子完全平衡是不可能的。因此經(jīng)過動平衡后各種轉(zhuǎn)子的允許殘余不平衡量怎樣要求，也就是確定平衡精度等級的依據(jù)是什么。從統(tǒng)計來求算故障的實際經(jīng)驗中表明，對于同類型的轉(zhuǎn)子（即幾何相似的轉(zhuǎn)子），允許的剩余不平衡度ｅ與轉(zhuǎn)速 ω成反比，這種關(guān)系可以表示為

ｅω＝G

式中

ｅ——轉(zhuǎn)子質(zhì)量重心和旋轉(zhuǎn)中心的偏心距， [ ｍｍ] ；

ω——轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)角速度， [ １／ｓ ] ；

Ｇ——轉(zhuǎn)子的平衡精度等級， [ ｍｍ／ｓ ] 。

上式中的Ｇ從物理概念上理解，是轉(zhuǎn)子質(zhì)量中心的線速度。很明顯，如果轉(zhuǎn)子質(zhì)量重心線速度越大，則轉(zhuǎn)子的振動也就越激烈；轉(zhuǎn)子質(zhì)量重心線速度越小，則轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)也就越平穩(wěn)。

各類剛性轉(zhuǎn)子的平衡精度等級

平衡精度等級Ｇ	eω[mm/s]	轉(zhuǎn) 子類型
G4000	4000	剛性安裝的具有奇數(shù)汽缸的慢速船用才油機的曲軸傳動裝置
G1600	1600	剛性安裝的大型兩沖程發(fā)動機的曲軸傳動裝置
G630	630	剛性安裝的大型四沖程發(fā)動機的曲軸傳動裝置，彈性安裝的船用柴油機曲軸傳動裝置
G250	250	剛性安裝的高速四缸柴油機曲軸傳動裝置
G100	100	具有六個或更多汽缸的高速柴油機的曲軸傳動裝置；汽車、卡車和機車的發(fā)動機總成（汽油機或柴油機）
G40	40	汽車輪胎、傳動軸、剎車鼓以及彈性安裝的具有六個或更多汽缸的高速四沖程的發(fā)動機（汽油機或柴油機）曲軸傳動裝置；汽車、卡車和機車的曲軸傳動裝置
G16	16	具有特殊要求的傳動軸（推進器、萬象聯(lián)軸節(jié)軸）；破碎機零件；農(nóng)業(yè)機械零件；汽車和機車發(fā)動機（汽油機或柴油機）部件；特殊要求的六缸或六缸以上的發(fā)動機部件
G6.3	6.3	作業(yè)機械的零件；船用主汽輪機齒輪；離心機鼓輪；風扇；組合式航空燃氣輪機轉(zhuǎn)子；泵轉(zhuǎn)子；機床和一般的機械零件；普通電機轉(zhuǎn)子；特殊要求的發(fā)動機部件
G2.5	2.5	蒸汽渦輪機，包括船用（商船用）主要剛性渦輪發(fā)動機轉(zhuǎn)子；剛性汽輪發(fā)電機轉(zhuǎn)子；透平壓縮機；機床傳動裝置；特殊要求的中型和大型電機轉(zhuǎn)子；透平驅(qū)動泵
G1	1	磁帶記錄儀和留聲機傳動裝置；磨床傳動裝置；具有特殊要求的小型電機轉(zhuǎn)子
G0.4	0.4	精密磨床的傳動軸，砂輪盤和電極轉(zhuǎn)子；陀螺轉(zhuǎn)子

國際標準化組織所制定的“剛性轉(zhuǎn)子平衡精度”標準ＩＳＯ１９４０，就是以Ｇ值來劃分精度等級的，Ｇ值范圍從０．１６到４０００ｍｍ／ｓ，共分成１１個等級，每個等級彼此按２．５倍分隔，例如：Ｇ值范圍從０．１６～０．４ｍｍ／ｓ，記為Ｇ０．４；Ｇ值范圍從０．４～１ｍｍ／ｓ，記為Ｇ１，余類推。上表給出了各種類型剛性轉(zhuǎn)子的平衡精度等級，可供確定轉(zhuǎn)子允許殘余不平衡度時使用。如果確定了轉(zhuǎn)子的平衡精度等級，即給定了Ｇ值之后，已知工作轉(zhuǎn)速ω，就可以計算出轉(zhuǎn)子的允許不平衡度ｅ。對于給定質(zhì)量Ｍ的轉(zhuǎn)子，則可計算出允許的不平衡量（不平衡力矩）。

剛性轉(zhuǎn)子平衡

從轉(zhuǎn)子平衡觀點看，工作中的轉(zhuǎn)子可分為剛性轉(zhuǎn)子和撓性轉(zhuǎn)子兩類。轉(zhuǎn)子在較低轉(zhuǎn)速下運轉(zhuǎn)時（一般認為工作轉(zhuǎn)速低于其一階臨界轉(zhuǎn)速的０．５倍），由于離心力產(chǎn)生的轉(zhuǎn)子動撓度變形很小，可以忽略不計，轉(zhuǎn)子可以看作不發(fā)生變形的“剛體”，這種轉(zhuǎn)子稱為剛性轉(zhuǎn)子。但在高轉(zhuǎn)速時（工作轉(zhuǎn)速超過一階臨界轉(zhuǎn)速的０．７倍），由于分布在軸向不同位置上的不平衡離心力作用，轉(zhuǎn)子產(chǎn)生很大的撓曲變形，

軸向彎矩增大，軸承振動也隨之增大，這種轉(zhuǎn)子就不能視為“剛體”，稱為撓性轉(zhuǎn)子。

大部分剛性轉(zhuǎn)子按照其厚度不同、結(jié)構(gòu)形式和平衡工藝的要求不同，分為靜平衡和動平衡兩種方法。靜不平衡的轉(zhuǎn)子所產(chǎn)生的不平衡作用力是在重心所在的徑向平面上，可以經(jīng)過動平衡或單純做靜平衡實驗加以消除。

最簡單的靜平衡試驗方法，是把轉(zhuǎn)子軸徑置于兩根摩檫系數(shù)很小的水平導(dǎo)軌上滾動，利用轉(zhuǎn)子上重的部分處于最低位置時滾動便停止的原理，在相反的方向上配置適當平衡塊，使轉(zhuǎn)子在任何位置均不發(fā)生自由滾動，就達到了平衡目的。

滾動法不能直接測出靜不平衡量，因此測量工作效率低。靜平衡的另一種形式是天平法，它是利用轉(zhuǎn)子重心對刃形支撐、扭形支撐或彈簧支點形成偏心的原理，產(chǎn)生力矩使框架傾斜，此時調(diào)整平衡砣使框架回到水平位置上，從而由平衡砣的移動量可求出靜不平衡量。

靜不平衡的校正通常適用于下列情況的轉(zhuǎn)子：

（1）轉(zhuǎn)子的形狀為薄圓盤，例如單級泵葉輪、風扇葉片、飛輪、皮帶輪等，這類轉(zhuǎn)子的回轉(zhuǎn)體件的外徑Ｄ與長度ｌ之比滿足Ｄ／ｌ≥５，此時，認為偶不平衡很小，所以實用上只須做靜平衡試驗。

（2）對于大型減速齒輪等焊接結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子的不平衡量很大，突然旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子有危險，在做動平衡前需要預(yù)先消除靜不平衡。

（3）對于已經(jīng)成型的砂輪等不易進行動平衡的轉(zhuǎn)子，或者由于制造上受轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)限制而無法進行動平衡的轉(zhuǎn)子，一定要預(yù)先消除靜不平衡。靜平衡的校正平面位置最好通過轉(zhuǎn)子質(zhì)心，否則校正質(zhì)量與轉(zhuǎn)子的初始不平衡會形成偶不平衡，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時將對軸承產(chǎn)生動反力。

圖 9、寬度較大的剛性轉(zhuǎn)子動平衡原理示意圖

如圖 9 所示，對于寬度較大的剛性轉(zhuǎn)子應(yīng)采用動平衡方法來解決不平衡問題。多數(shù)寬轉(zhuǎn)子的不平衡狀態(tài)是由靜不平衡和偶不平衡兩種基本類型疊加而成，疊加后的轉(zhuǎn)子動不平衡通?？梢栽趦蓚€任意選定的校正平面上（一般選在靠近兩側(cè)軸承處），用等效不平衡矢量來代替，然后在這兩個平面上對其合力進行校正。

圖 9 所示的剛性轉(zhuǎn)子進行兩個平面平衡的原理，在兩不平衡的薄圓盤上，其不平衡離心力為ｆ和ｆ2，力方向如圖所示?，F(xiàn)選Ａ、Ｂ兩個面為校正平面。由理論力學(xué)可知，一個力可以分解為與它相平行的兩個分力。將ｆ１按力的簡化法則分解為通過Ａ、Ｂ兩點的平行力Ｐ１和Ｎ１，則

Ｐ１＝（ｌ－ａ）ｆ１／ｌ

Ｎ１＝ａｆ１／ｌ

ｆ２將ｆ２按力的簡化法則分解為通過Ａ、Ｂ兩點的平行力Ｐ２和Ｎ２，則

Ｐ２＝ｂｆ２／ｌ

Ｎ２＝（ｌ－ｂ）ｆ２／ｌ

將Ａ平面內(nèi)的分力Ｐ１和Ｐ２合成為力ｒ１，將Ｂ平面內(nèi)的分力Ｎ１和Ｎ２合成為力ｒ２。ｒ１和ｒ２對于剛性轉(zhuǎn)子是等價于ｆ１和ｆ２的，因此在ｒ１和ｒ２的作用點上加上大小相等、方向相反的力即可將轉(zhuǎn)子平衡。按照這個方法，可已將任何一個不平衡的剛性轉(zhuǎn)子，通過兩個與轉(zhuǎn)子軸線相垂直的平面進行校正而得到平衡，這就是剛性轉(zhuǎn)子的兩面平衡原理．普通低速動平衡機就是根據(jù)兩面平衡的原理進行平衡的。

在采用平衡精度等級推薦數(shù)值時，應(yīng)注意下列不同的情況：

１、對于靜不平衡的回轉(zhuǎn)體，許用不平衡量取由表中計算出的值。

２、對于動不平衡的回轉(zhuǎn)體，由表中求出許用偏心距ｅ，并根據(jù)ｍｒ＝Ｍｅ求出許用不平衡重徑積后，應(yīng)將它分配到兩個平衡基面上。一般情況下，將其平分為兩部分，分別作為兩平衡基面上的許用不平衡重徑積就可以了。

當兩平衡基面對零件的重心并不對稱時（如圖 10 所示），則兩平衡基面上的許用不平衡重徑積可按下式求得：

圖 10、兩平衡基面對零件的重心并不對稱平衡重徑積

ｍ１ｒ１＝Ｍｅｂ／（ａ＋ｂ）

ｍ２ｒ２＝Ｍｅａ／（ａ＋ｂ）

式中ａ和ｂ分別為平衡基面１及２至零件重心的距離。

３、撓性轉(zhuǎn)子平衡

由于撓性轉(zhuǎn)子的工作轉(zhuǎn)速超過轉(zhuǎn)子的一階臨界轉(zhuǎn)速，這時轉(zhuǎn)子因撓曲變形而產(chǎn)生的質(zhì)心偏移將增大離心力的作用，而且撓曲變形又是隨著轉(zhuǎn)速的變化而變化的，因此它的平衡原理不同于剛性轉(zhuǎn)子。

撓性轉(zhuǎn)子由不平衡力引起振動時，在不同轉(zhuǎn)速下有其不同的型。無阻尼的轉(zhuǎn)子軸承系統(tǒng)各階振型基本上是一條繞轉(zhuǎn)子軸線旋轉(zhuǎn)平面曲線，但是有阻尼的轉(zhuǎn)子軸承系統(tǒng)，振型曲線將是一條繞轉(zhuǎn)子軸線旋轉(zhuǎn)的空間曲線，當轉(zhuǎn)速恒定不變時，該空間曲線形狀也不變，轉(zhuǎn) 速變化，動撓度曲線也跟隨變化。為使一根撓性轉(zhuǎn)子達到理想的平衡狀態(tài)，必須保證轉(zhuǎn)子的每階振型都得到平衡，即在各種振型下達到軸或軸承座的動載荷為零，轉(zhuǎn)子本身的動撓曲變形也為零。另外要求在高速下平衡轉(zhuǎn)子時所施加的校正量應(yīng)不破壞低速下的剛性轉(zhuǎn)子平衡以及低階振型平衡。

無