無試重的動平衡技術的研究

張祿林，段滋華，李多民，程云芬，傅樹霞

(1.太原理工大學，山西太原 030000; 2.廣東石油化工學院，廣東茂名 525000; 3.廣東省石化裝備故障診斷重點實驗室，廣東茂名 525000)

無試重的動平衡技術的研究

張祿林1，2，3，段滋華1，李多民2，3，程云芬1，2，3，傅樹霞2，3

(1.太原理工大學，山西太原 030000; 2.廣東石油化工學院，廣東茂名 525000; 3.廣東省石化裝備故障診斷重點實驗室，廣東茂名 525000)

平衡配重過程作為動平衡的一個重要步驟，會直接影響到動平衡的質量。探索了平衡配重與平衡量之間的關系，不平衡量與振動之間的關系。經理論分析與實驗研究，導出了關于平衡配重的數學表達式。依據該式，機械僅停車一次，可實現無試重的動平衡。最后，在轉子上隨機增加不平衡量后，使用現場動平衡技術，對該結論進行了驗證。

無試重;動平衡;轉子

旋轉機械在化工、電力、航天等領域占據著舉足輕重的作用，為保證其工作性能、安全運行，振動問題一直受到科研、技術人員的關注。據統計，70%的振動都與不平衡有關。轉子材質的不均勻性、加工與裝配誤差，機器運行過程中物料磨擦、腐蝕，積垢，零部件脫落都會產生不平衡。DIKEN等［1］發現質量偏心會引起彎曲共振。通過加重或去重的方式可以達到校正目的。動平衡后，機器的安全性、可靠性、效率、壽命得到提高。一直以來，動平衡技術的研究受到了眾多學者的關注與重視［2－5］。現場動平衡技術減少了平衡機動平衡中拆卸、安裝等步驟。實現了機械的及時重新運轉。測試時，考慮了實際工況中熱不平衡、支撐剛度等因素;避免轉子拆裝所帶來的誤差，得到實際振動數據，動平衡效果更好。而現場動平衡技術依然要求停車試重，根據原始振動與試重后振動判斷不平衡量。文獻 ［6－9］對無試重的動平衡技術進行了研究。本文作者探索了一種新方法實現了無試重的動平衡。

作者依據動平衡原理，通過特制的平衡盤加重，探索了幾種轉速下平衡配重與平衡量的對應關系，不平衡量與振動值之間的關系。以研究的數學模型為基礎，形成無試重的現場動平衡理論。最后，在轉子葉輪上隨機增加不平衡量，使用DH5901動態信號分析儀測試轉子振動，成功運用該方法進行了不平衡校正。

1 無試重動平衡機制研究與試驗設計

轉子由于存在不平衡，在轉動時會產生慣性離心力，成為其強迫振動的持續激發力。根據動力學理論，運動微分方程為:

式中:m為轉子質量;s(t)為振動位移，s(t)=Ssin (Ωt+α);¨s(t)為振動加速度，¨s(t)=－SΩ2sin(Ωt+α);˙s(t)為振動速度，˙s(t)=SΩcos(Ωt+α);C為阻尼系數;k為支撐剛度;f(t)為不平衡離心力，f(t)=Fsin(ωt+φ)，其中F=urω2;u為不平衡質量;r為不平衡質量所在半徑;ω為激振力的角頻率;t為時間;φ為不平衡相位;Ω為振動頻率;α為不平衡振動相位。

不平衡振動頻率Ω與激振力頻率ω相同，設θ= φ－α為滯后角。整理式 (1)得:

由式 (3)可知，轉子的振動位移與激振力成正比［10］。只要用振動傳感器測得振動位移，就可以得到轉子不平衡量。

式中:l為兩校正面間距，li為左測試面到A校正面間距。

將分解在A、B校正面的力分別合成后，在A校正面和B校正面上通過加重或者去重的方式，達到動平衡的目的。以上即為兩面動平衡原理［10］。

以下基于兩平面動平衡原理，對無試重動平衡進行了研究，在轉子軸承位附近設計了平衡盤作為A、B校正面。依據實驗室動平衡資料，確定了平衡盤尺寸，平衡孔尺寸、位置。依據兩平面動平衡原理對轉子系統進行平衡校正。

圖1 兩平面動平衡原理圖

2 無試重動平衡機理的實驗研究

圖2轉子上平衡盤為試驗所設計、使用的配重裝置，配用M5的螺栓、螺母、墊片作為平衡配重。將兩平衡盤放置在軸承位附近如圖2、3所示。該轉子質量41.5 kg，全長1 200 mm，有9個直徑為φ200 mm的葉輪。將轉子放置在動平衡機上，測試振動。

圖2 裝配有平衡盤的轉子

圖3 動平衡機校正轉子不平衡

2.1 平衡配重與平衡量對應關系的研究

通過試驗對平衡配重進行了研究，探索了不同平衡配重對應的平衡量的關系。推導出3種轉速下的數學關系式。試驗過程中，使用M5的不銹鋼螺栓、螺母、墊片作為平衡配重，以在自制的平衡盤上加重的方式，實現了不平衡量的變化。選擇 600、800、1 000 r/min 3種轉速，進行了測試。使用申克動平衡機HM3BU測試轉子系統的平衡量、DH5901動態信號分析儀采集轉子系統的振動信號。經過分析，使用Origin軟件處理，得到轉子系統的測試曲線與擬合曲線及數學表達式。

觀察圖4，可知在600、800、1 000 r/min 3種轉速下，隨著平衡配重的增加，平衡量也逐漸增加。3條曲線較為接近，表明3種轉速下，平衡配重所代表的平衡量相近。

圖4 3種轉速下平衡配重的動平衡效果

圖5—7為不同轉速下的擬合曲線。

圖5 轉速為600 r/min時，平衡配重與平衡量對應關系

圖6 轉速為800 r/min時，平衡配重與平衡量對應關系

圖7 轉速為1 000 r/min時，平衡配重與平衡量對應關系

擬合曲線的數學表達式:

式中:Y為振動值;

A為初始不平衡量;

B為振動值隨不平衡量的變化率。

3種轉速下關于配重的參量值見表1。

表1 3種轉速下關于配重的參量值 μm

2.2 不平衡量與振動值對應關系的研究

通過試驗，研究了轉子系統不平衡量與振動值的對應關系。數據使用了origin軟件進行處理，得到了轉子系統的測試曲線與擬合曲線，以及擬合曲線的數學表達式。

圖8中3條曲線分別代表600、800、1 000 r/min轉速下，0～11 g平衡量所對應的振動值。隨著不平衡量的增加，振動值逐漸變大。轉速變大，相同不平衡量對應的振動值變大。600、800 r/min轉速下，相同不平衡量對應的振動值較為接近;1 000 r/min轉速下，較600、800 r/min兩種轉速，相同的不平衡量對應的振動值差較大。

圖8 3種轉速下不平衡量對應振動值

圖9—11為600、800、1 000 r/min 3種轉速下，不平衡量對應的振動值。導出擬合曲線，其數學表達式為:

式中:Y為振動值;

A為初始不平衡量;

B為振動值隨不平衡量的變化率。

圖9 600 r/min不平衡量對應振動值

圖10 800 r/min不平衡量對應振動值

圖11 1 000 r/min不平衡量對應振動值

3種轉速下關于振動的參量值見表2。

表2 3種轉速下關于振動的參量值 μm

根據各轉速下，平衡配重對應的平衡量關系以及不平衡量對應的振動值關系，就可以在測得振動值后，直接判斷平衡配重的大小，達到僅停車一次，實現無試重的動平衡。

3 無試重的動平衡技術的運用

試驗轉速為600 r/min，用振動測試儀測試轉子的振動情況，利用轉子上的平衡盤進行配重，運用無試重的動平衡技術校正了該轉子系統的不平衡。

試驗裝置如圖12、13所示。

圖12 振動測試儀校正轉子不平衡

圖13 在轉子葉輪上加橡皮泥

其試驗過程如下:

(1)在轉子葉輪上任意位置貼橡皮泥，增加轉子的不平衡量。并在轉子左側平衡盤旁邊貼上反光標簽。

(2)將一個光電傳感器與兩個振動傳感器固定好，現場動平衡全過程傳感器位置保持不變。

(3)啟動電機，轉子運轉到600 r/min。使用DH5901動態信號分析儀測試轉子振動。得到左右測試面振動值分別為:0.054 3 μm，0.072 3 μm。

(4)關閉電機，使用長度為33 mm的螺栓，螺母、墊片作為平衡配重。左側配重2.5 g，右側配重6.7 g，且為對稱布置。

(5)重新啟動電機，轉子運轉到600 r/min。測試得到測試面振動值分別為:0.041 0 μm，0.050 0 μm。

將平衡配重加在平衡盤上后，轉子左右測試面振動值分別降低了24.5%、30.8%，參照振動烈度評定標準表 (表3)以及振動速度、加速度、位移關系圖 (圖14)，振動值符合平衡要求。

表3 轉動設備振動烈度評定標準

圖14 振動速度、加速度、位移關系圖

4 結論

轉子運轉過程中的不平衡可以使用特制的平衡盤，通過加重的方式得到校正。文中得到了600、800、1 000 r/min轉速下平衡配重對應平衡量的數學表達式，以及不平衡量對應振動值的數學表達式。將其成功運用于動平衡后，可以僅停車一次，實現無試重的動平衡。

［1］DIKEN H，TADJBAKHSH I G.Unbalance Response of Flexible Rotor Coupled with Torsion［J］.Journal of Vibration A-coustics Stress and Reliability in Design，1989，1(1):179－186.

［2］羅挺，劉淑蓮，鄭水英.彎曲轉子系統的模態動平衡方法研究［J］.機床與液壓，2012，40(3):5－7.

［3］高昱，周保堂，賀世正.轉子自動平衡用釋液式平衡頭的研究［J］.流體機械，1994，22(2):10－14.

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［6］王維民，高金吉，江志農，等.旋轉機械無試重現場動平衡原理與應用［J］.振動與沖擊，2010，29(2):212－215，232.

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［8］錢廣華.轉子無試重現場動平衡方法研究［J］.機床與液壓，2012，40(3):58－61.

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Research on Dynamic Balancing Technology without Trial Weight

ZHANG Lulin1，2，3，DUAN Zihua1，LI Duomin2，3，CHENG Yunfen1，2，3，FU Shuxia2，3
(1.Taiyuan University of Technology，Taiyuan Shanxi 030000，China; 2.Guangdong University of Petrochemical Technology，Maoming Guangdong 525000，China; 3.Guangdong Petrochemical Equipment Diagnostic Laboratory，Maoming Guangdong 525000，China)

The counterweight process as an important step in dynamic balancing，will directly affect the quality of dynamic balancing.The relationship between the counterweight and the amount of balance，the amount of unbalance and vibration were researched.The mathematical expression about the balance counterweight was obtained through experimental research and theoretical analysis.Based on the formula，stopping only once，the dynamic balancing without trial weight could be realized.Finally，with the rotor randomly increased the amount of unbalance，by using field balancing technology，this conclusion is verified.

Without trial weight;Dynamic balancing;Rotor

TH17

A

1001－3881(2014)9－113－4

10.3969/j.issn.1001－3881.2014.09.031

2013－04－23

張祿林 (1986—)，男，碩士，研究方向為現場動平衡。E－mail:jacson1949@126.com。