轉子動平衡技術研究與應用

韓震宇

摘 要：旋轉零件在當今汽車乃至整個工業的發展都變得尤為重要，隨之而來的對于旋轉零件的平衡技術也變得日趨嚴峻。在力學原理上有剛性轉子的平衡理論和方法，其發展具體體現在平衡上一些新工藝、新技術。

關鍵詞：離心力；靜平衡；動平衡；剛性轉子；撓性轉子

由于現在機械的高速發展，尤其是汽車企業的發展速度不斷提高，轉子的速度、長徑比在不斷增加，在旋轉中已經呈現撓曲狀，如果按原有的剛性轉子的平衡理論因為實在低速下進行的平衡理論已經不能完全滿足現在的工藝要求，就必須按照撓性轉子的重新進行計算。

在理想的情況下回轉體旋轉與不旋轉時，對軸承產生的壓力是一樣的，但在實際生產中每個回轉物由于材料分配不均勻或者鑄造缺陷、加工時產生的誤差等多種因素都造成了回轉體的不平衡，這種狀態稱之為靜態不平衡，但當回轉體在旋轉時因為微小的質點所產生的離心力不能相互抵消，從而產生了不平衡的離心力，也就是動態的不平衡。

不平衡的原因大體分為以下幾種：

（1）轉動件本身形狀不對稱；

（2）加工過程中產生的誤差；

（3）安裝不正確；

（4）旋轉運動時的誤差；

（5）零件的磨損；

（6）轉動件上有其他物質附著。

動平衡的作用如下：

（1）提高轉子何其組裝產品的質量；

（2）降低噪聲；

（3）減少振動；

（4）提高軸承的使用壽命；

（5）降低使用者的不舒適感；

（6）將能能源的消耗。

在零件中圍繞軸線旋轉的零件稱之為轉子：

對于是否需要平衡的轉子姑且分為兩大類：平衡類轉子，在旋轉或不旋轉時對于軸承只有靜壓力的轉子。不平衡類轉子，轉子在旋轉時對軸承除了有靜壓力外，還有其他的壓力（如動壓力），則稱為不平衡轉子。如果轉子是不平衡的，其動壓力將通過軸承傳遞到機器上，引起機械振動。

根據IOS的標準，轉子是由軸承支撐的旋轉體，多為機械零件中的主要旋轉件。典型的轉子有電機轉子，曲軸，凸輪軸等還包括各位泵的轉子。

（1） 定義一：剛性轉子既可以在任意選定的兩個校正平面上進行平衡校正，并且完成校正之后，在直至最高工作轉速的任何轉速以及無限接近實際工作轉速的條件下，其殘余不平衡量無明顯改變的轉子。

撓性轉子既由于彈性撓曲而不能滿足剛性轉子定義的轉子。

（2）定義二：工程上常用臨界轉速作為區分撓性轉子和剛性轉子的分界。

工作轉速低于一介臨界轉速時，其不平衡離心力較小，由此引起的撓曲變形因為很小所以可以忽略不計，這種類型的轉子被稱為剛性轉子。相反如果工作轉速高于一階轉速臨界點，其撓曲變形不能被忽略的轉子則被稱為撓性轉子。

（3）定義三： 在轉子任意兩端面上，加上質量相同的塊M，如果只考慮一階的撓曲振型，在工作轉速下測得軸承的振幅為A1，然后把兩質量塊同時移到轉子中央，測得軸承振幅為A2，放大系數β=（A2-A1）/A1，以此作為轉子的度量稱之為“柔度”。而根據轉子得被放大系數不同，我們可將轉子分為：

（1） 當0< β<0.4時為剛性轉子；

（2） 當0.4《 β<1.25時為準剛性或半撓性轉子；

（3） 當β》1.25時為撓性轉子。

剛性和撓性只是相對于某一定義標量而言的。

不平衡可以分為靜不平衡、偶不平衡、動不平衡三種不平衡狀態，對它們的平衡方法也是不一樣的。

（1）靜不平衡在某一半徑為R、質量為M的平衡轉子中心平面上加上一個質量為m的不平衡質量。此時轉子的重心與原重心之間產生了一個距離為e（e=mR/M）的偏心距，新的中心慣性主軸和轉動軸線之間始終處于平行狀態，當轉子重新旋轉時，由于這個新產生的偏心距而引起的離心慣性力使軸承產生振動，如果要使這轉子平衡就必須在它對等的重心平面位置上加上同一個質量m，轉子便平衡了。

（2） 偶不平衡其平衡轉子的一個平面上180度加兩個相等重量的不平衡量。兩個大小相同但是方向相反的不平衡量。帶有這種不平衡量的轉子不會在薄片支撐上自己穩定在特定的位置，所以不能再用這種轉子自穩定找位置的辦法來檢測出轉子的不平衡量。即不能在同一個平面上加重或者去重，必須在兩個平面上加重或去重，轉子才能得到平衡。

（3）動不平衡是靜不平衡與偶不平衡的組合。轉子的中心慣性主軸和實際轉動軸線既不相交也不平衡，如果需要平衡這樣的轉子就必須在兩個或者兩個以上平面內加重或者去重才能使轉子得到新的平衡。

無論哪一種類的轉子只要經過了平衡校正之后，消除了它的偶不平衡的同時也消除了它的靜不平衡，此時轉子的中心慣性主軸和轉動軸線就基本一致了，轉子也達到了平衡狀態。但在實際生產和加工過程中這些都是理論上的數據，如果想得到一個不平衡量為零的轉子那完全是不可能的，因為我們還需考慮到平衡機本身的精度和轉子的局限性。所以對于不同的零件我們要做的只是達到轉子所需要達到的平衡精度即可。

當剛性轉子的轉軸通過質心并且為慣性主軸時，剛性轉子轉動時不會出現軸承的動約束力，這種現象稱之為“動平衡”。動平衡實際上就是所謂的動不平衡，是運用在旋轉零件或者精度要求非常高的設備上。轉子在圍繞軸線旋轉時，由于軸線上質量分布不均勻而產生離心力。這種不平衡的離心力在轉子軸承旋轉上會引起振動，產生噪聲從而加速軸承磨損，嚴重影響設備的使用性能和壽命，如果平衡不好會使旋轉零件在運轉中飛出去。

旋轉零部件在制造過程中，都需要穩定正常地運轉。舉例：如汽車車輪制動盤、發動機曲軸、液力變矩器、增壓器、齒輪、風葉等。

如果一個轉動的物體質量分布不均勻，轉動起來就會產生振動。不均勻程度越大，振動也越大。消除振動的方法很簡單，就是把不均勻的質量點找出來并去掉它或者在它對面人為地加一塊相同的質量去平衡它。

任何旋轉零件都存在不平衡，而我們做動平衡的目的就是要使旋轉零件（轉子）在其工作轉速范圍內甚至更高轉速范圍內運轉平穩，而轉子在工作轉速范圍內通過臨界轉速時不至于引起比較大的振動，就需要做動平衡，或者想辦法降低不平衡量，使之達到某一精度要求。

國際標準化組織（ISO）于1940年制定了平衡等級“ISO1940”，它將轉子的平衡等級一共分為11個等級，每個級之間以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（g.mm/kg），用來代表對于轉子不平衡軸心的偏心距離。該標準建立了轉子的實際最高轉速與允許接受的殘余不平衡量兩者之間的關系，其中羅列了每個等級中分別具有代表的轉子和其建議理論不平衡等級間的關系介紹了質量不平衡等級G（等效于一個不受約束的轉子所產生的eω），因為它可用來對別設備在不同速率運轉時的物理特性。標準中的G值在數字上相當于以9500r/min運轉的轉子用μm來表示的偏心率e。轉子的不平衡等級或質量不平衡可以參照一臺已校準的動平衡機來進行評定。平衡質量等級（G）代表回轉體處于不平衡狀態時回轉體重心的線速度，是用來判定轉子動態負載的一種機械比較量。如果G值越小，則回轉體旋轉相對是平穩的。