石油化工廠離心泵轉子動平衡技術的研究與應用

傅樹霞 孫 鐵 伊輝芹 李多民

(1.遼寧石油化工大學；2.撫順石化經濟技術開發實業總公司；3.廣東石油化工學院)

在種類繁多的石化泵中，離心泵的使用率大約占到了80%[1]，其中轉子不平衡會造成離心泵設備的振動，引起轉子反復彎曲和內應力，導致轉子疲勞損壞、斷裂，引起旋轉機械產生振動與噪聲，加速軸承、軸封等零件的磨損，降低機組的工作效率和使用壽命。轉子的振動可以通過軸承、基座傳遞到基礎和周圍的建筑物上，惡化周圍的工作環境，嚴重時會威脅到操作人員的生命[2]。根據統計，回轉機械的振動以至失效，有50%以上都是由轉子不平衡造成的。因此研究轉子動平衡技術具有重要意義[3]。

1 離心泵常見結構分析

離心泵是按照不同的支撐方式，分為懸臂式離心泵和雙支撐式離心泵。按照葉輪的級數，分為單級離心泵和多級離心泵。根據葉輪與支撐的組合，有單級懸臂式離心泵、雙級懸臂式離心泵、單級雙支撐式離心泵和多級雙支撐式離心泵4種形式。

離心泵的葉輪主要有閉式葉輪、半開式葉輪與開式葉輪。閉式葉輪由前后蓋板和葉片組成，工作效率較高，在離心泵中應用最多。半開式葉輪分為前開式葉輪和后開式葉輪，前開式葉輪由后蓋板和葉片組成，后開式葉輪由前蓋板和葉片組成。開式葉輪效率低，很少使用。

2 動平衡的原理與技術

2.1 轉子不平衡原因

造成轉子不平衡的原因有多方面，歸納起來主要分為3類：

a. 材料與結構的原因。轉子的葉輪多為鑄鐵，材料質量分布不均勻。軸的鍵槽多是開在一側，則轉子軸系質量分布相對于旋轉中心不對稱。

b. 加工與裝配的原因。加工與裝配多為人工操作，為了保證各零部件的配合，難免會有誤差。在葉輪的鑄造過程和軸的機加工過程中的誤差，使得每片葉輪的葉根槽不能完全徑向對稱，軸也不是完整的圓柱體。在裝配過程中，由于配合間隙、聯軸器等的存在，使得轉子的同心度降低。且對于多級葉輪的軸系而言，裝配完成后，葉輪的質量對軸會產生壓力，軸無法保證絕對的剛度，多少都會有撓度的變形。

c. 運轉過程的不平衡。隨著轉子的運行，流道內的流體不斷對葉輪進行腐蝕、沖擊，軸與軸承不斷進行摩擦，物料逐漸堆積，這些都會造成葉輪和軸質量分布的不均勻，使得旋轉中心與質量中心不重合。另外，零部件的松動，甚至脫落也會引起不平衡，產生振動[2,4～6]。

2.2 轉子的平衡原理

由轉子的不平衡原因可知，欲對轉子進行平衡，就要將不平衡質量造成的離心力消除，使得轉子力系的合力矢與合力矩均為零，即∑F=0、∑M=0，這便是轉子平衡的力學原理。

如圖1所示，在對轉子進行實際的平衡時，需采用雙面平衡原理，將所有葉輪上的不平衡力在其葉輪平面內進行兩個垂直方向上的分解，然后根據力系的合并原理，將其匯總到兩個平面內，得到整個轉子軸系的合力系。這樣只需要找出兩個方便操作的校正平面，將不平衡力消除，即可達到轉子的平衡[7,8]。

圖1 雙面平衡原理

2.3 動平衡技術

針對不同類型的轉子，動平衡技術有所不同，常見的動平衡技術包括平衡機動平衡技術、現場動平衡技術和在線動平衡技術。平衡機平衡技術是發展最早的一種動平衡技術，也是目前仍然在廣泛使用的一種動平衡技術，由于平衡成本較低、平衡成功經驗豐富及易于操作等原因而被廣泛采用，但其具有操作工況同實際的工況條件有較大差別的缺點，在平衡機上平衡的轉子，重新裝機后不一定能達到動平衡，所以學者們又研究了現場動平衡技術，即在現場不拆機的情況下對整個泵進行動平衡。但是現場動平衡依然需要停車操作，對生產會造成一定的影響，于是研究人員又研究出在線動平衡技術，即在設備正常工作的情況下，直接在轉子的轉軸上安裝一定的平衡裝置，使得整個設備達到動平衡。目前，現場動平衡技術和在線動平衡機不甚完善，仍在試驗研究中[9,10]。

3 離心泵動平衡技術

3.1 懸臂式離心泵轉子動平衡

懸臂式離心泵轉子分為單級懸臂式和雙級懸臂式。由于葉輪位于支撐位一側，平衡面不易選取，因此懸臂式離心泵轉子的動平衡操作通常較為困難。在綜合考慮加重、去重和其他影響因素后，通常用以下3種方式選取校正面進行平衡：

a. 以葉輪為校正面打磨去重(圖2)。主要用于葉輪厚度比較厚且不平衡量不是很大時。

b. 以葉輪和對輪為校正面(圖3)，葉輪去重，主要采用打磨方法，對輪采取內側打磨、鉆孔去重或在輪轂上焊接加重。主要用于葉輪較薄或轉子不平衡較大時，但要保證葉輪結構強度，若要更換對輪，一般需重新校正。

c. 以葉輪為校正面加重，主要手段是焊接加重，應用于轉子不平衡較大或對輪不方便進行校正的情況，轉子為鑄鐵材料時，不可采用此方法。

圖2 葉輪較厚的懸臂式轉子

圖3 葉輪較薄的懸臂式轉子

3.2 雙支撐式離心泵轉子動平衡

雙支撐式離心泵轉子根據葉輪的個數分為單級離心泵轉子和多級離心泵轉子。單級離心泵轉子的校正面通常為葉輪的兩個面，但對于多級離心泵轉子而言，要視具體情況進行分析, 選擇校正面應遵循的原則有：

a. 兩校正面的距離盡量遠一些。多級離心泵轉子的葉輪個數較多，根據力臂平衡原理，兩個平衡面離得越遠，不平衡量的數值相對較小，通?？紤]選用首級與末級葉輪進行平衡。

b. 將不平衡量平均分配到多個葉輪。對于不平衡量數值較大，或者是葉輪較薄的轉子，如果只在一個葉輪上進行平衡，很容易將葉輪的厚度打的非常薄，直接影響葉輪的工作強度，所以盡量采用多個葉輪為一組，將不平衡量平均分配到各個葉輪上。

c. 在離葉輪中心較遠的區域進行磨削。根據離心力的表達公式F=Mrω2，在轉速和不平衡力相同的情況下，離葉輪中心越遠，不平衡質量越小。

4 應用實例

2012某油廠聯合一、三催化車間的堿液循環泵的轉子出現劇烈異常振動，經測定分析，發現振幅已超出安全標準。最后分析確定為轉子不平衡造成的振動，需進行動平衡校正。

該轉子為6級雙支撐式，其結構示意圖如圖4所示，全長1 010mm，質量20kg，工作轉速2 980r/min，葉輪最大處直徑144mm，葉輪厚度15mm。

圖4 轉子結構示意圖

根據上述理論方法，采用打磨去重的方式，對于多級轉子，首先選用第一級和最后一級葉輪，以增大力臂、減小不平衡力，校正方案如圖5所示。經上機測試，得到初始不平衡量，進行打磨去重后，平衡數據見表1。

圖5 校正方案一

校正過程轉速r·min-1左校正面右校正面質量/g角度/(°)質量/g角度/(°)初始平衡量6024.46019213.100134方案一 6024.17018912.700136 6024.87018913.500135方案二 60211.9001546.580135方案三 6024.78020214.300132 6022.1601959.790133 6020.2021631.410191 6020.4022820.459338

由表1所列數據可知，質量變化不明顯，方案一平衡效果不好。于是考慮采用對輪和首級葉輪為校正平面，采用校正方案二(圖6)，平衡數據見表1。此校正方案下，不平衡質量仍然較大，葉輪厚度較薄，如果在單個葉輪進行磨削，將破壞葉輪的工作強度。經研究決定采用3個葉輪為一組進行平衡校正(方案三)，將不平衡質量均分到多個葉輪(圖7)。由表1可知，經過平衡校正后，轉子剩余不平衡量不足1.000g，精度等級達到G0.4，且葉輪的強度沒有受到影響，回廠安裝運行測定新的振動數據，發現振動指標達到要求，完全符合安全生產的標準要求，本次動平衡操作成功。

圖6 校正方案二

圖7 校正方案三

5 結束語

筆者列出的動平衡校正方法基本可以適用大部分在平衡機上進行平衡校正的轉子。但是，很多大型的轉子不方便運輸，還有很多離心泵不方便拆卸，使得轉子無法送到平衡機上進行平衡。由于平衡機的平衡工況與現場整機平衡工況仍然存在較大區別，因此現場動平衡、在線動平衡及虛擬動平衡等新的平衡技術正在逐漸發展起來，并不斷地被試驗于現場生產中?，F場動平衡、在線動平衡和虛擬動平衡隨著計算機電子技術與智能化技術的發展，將會以更加便捷、高速和智能的形式向前發展，使得轉子動平衡的校正操作更加精確，平衡效率也會進一步提高。

[1] 趙純善.石油化工用泵[J].沈陽化工，1985,(2),6～16.

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[8] 譚興斌，孫國民，興成宏.淺談轉子動平衡技術[J].石油和化工設備，2013,16(4),53～54.

[9] 劉曦澤，段滋華，李多民.轉子動平衡技術的研究現狀和進展[J].廣東石油化工學院學報，2012,22(3), 69～72.

[10] 張婧.現場動平衡技術研究與儀器的研制[D].重慶：重慶汽車學院，2008.