矢量法現場動平衡研究

張帝

（沈陽鼓風機集團股份有限公司 透平工藝部，遼寧 沈陽 110869）

轉子現場動平衡，又稱整機動平衡，是利用較常見的測振儀器，直接在工作機械上對失衡轉子加以檢測平衡。與轉子在專門的平衡機上平衡相比，現場動平衡具有一些顯著的，甚至是不可替代的優點。現場動平衡是指不用把轉子從機器中取出來，對機組進行振動校正的一種平衡方法。具有工作量小、快速等優點。現場動平衡常用的方法有三元法現場動平衡和矢量法現場動平衡。三元法現場動平衡需要機器反復起停多次，把圓周方向均分三處，在每處分別加等量配重并計算配重對振幅的影響，最后根據振幅的變化算出理論位置輕點。在輕點位置加配重達到平衡轉子的目的。但是針對那些加配重振動變化不敏感的轉子，三元法現場動平衡平衡的精度不高，平衡失敗的情況也很多。本文介紹的是矢量法現場動平衡，主要是依據振動相位及振動數值在聯軸器上加重對機組進行校平衡的方法。矢量法現場動平衡只通過一次配重便能計算出理論重點，大大提高現場動平衡的效率。

1 準備工作

1.1 原始振動數據的選取

原始振動的選擇包括振動測點的選擇和振動數據的選擇。在進行現場動平衡之前，必須對原始振動進行認真篩選，要對振動大的測點進行初步分析，如存在工頻為主、振動隨轉速變化敏感、帶負荷過程中振動值增大且相位穩定等現象，初步分析認為存在轉子不平衡現象。平衡哪個轉子就要以該轉子兩端軸承的數據作為計算依據。現在機組都安裝有在線監測系統，用于測量機組機械狀態各項參數。在線監測系統監測機組一般每側都有X、Y 兩個測點，取X、Y 振動的最大值用于計算第一次平衡配重重量。另外，工作轉速下的動平衡的原始數據的選擇，一般選擇接近定轉速或者初定速的數據作為平衡數據，因為長時間空轉會出現其他不穩定因素，如碰磨、熱彎曲等。

1.2 第一次平衡配重重量的選取

對于平衡配重的選擇，一般可參考如下經驗公式來推算：

P=A0Gg/rω2s

式中，P 為轉子某一側端面試加重，單位kg；A0為轉子原始振動，um；r 為加重半徑，m；ω 為轉子角速度，rad/s；ω=2πf，f=n/60，n 為平衡轉速；g 為重力加速度，m/s2；G 為轉子質量，kg；S 為靈敏系數，見表1。

表1 轉子試加重量的靈敏度 S

1.3 第一次平衡試加重位置的選取

盤轉子，用萬用表測量聯軸器側振幅大測點的間隙電壓，當間隙電壓突變時，振動大的探頭對應的聯軸器螺栓的位置定義1#，相位為0°，在盤轉子過程中記錄振幅大測點的初始相位，機械滯后角為60°～90°（機械滯后角指的是轉子撓曲方向滯后于轉子不平衡力的角度，即轉子高點滯后于重點的角度的選定對于剛性轉子來說相對簡單，一般選取0°就不會有太大的偏差。對于柔性轉子來說，滯后角的選定就需要多方面的考慮。在臨界轉速下，不論是一階臨界還是二階臨界轉速下，滯后角都可取90°，在一階臨界轉速以下，滯后角比90°低一些。），逆著旋轉方向為角度增加方向。根據振幅大測點的初始相位和滯后角計算出重點位置，重點位置對面為第一次試加重位置。例如，聯軸器螺栓為12 個，振幅大測點的初始相位為120°，旋轉方向為逆時針。試加重位置簡圖如圖1。

圖1 試加重位置簡圖

圖2 矢量法現場平衡原理圖

（1）萬用表間隙電壓突變時，為1#螺栓對應的位置，即相位0°位置。

（2）逆旋轉方向為相位增加的方向。

（3）振幅大測點的初始相位為120°，對應5#螺栓位置，為高點。

（4）假設滯后角為60°，3#螺栓對應的位置為重點。

（5）3#螺栓對面9#螺栓為第一次試加重位置。

如現場不具備盤轉子、測間隙電壓的條件，可以選圓周方向任意一位置按計算出的試加重量進行配重。

2 矢量法現場平衡

2.1 配重位置確定

(1)記錄原始數據的工況條件、轉速、振動幅值A 及其相位P1。

(2)停車，加試重，記錄試重塊重量m1 和實際位置p,再次開車到第一次記錄原始數據的工況條件、轉速。記錄振動幅值C 及其相位P2。B=C-A 為試重塊加在p 位置引起的振動矢量，要想將A 振動值降低到最小，需使得B 大小及方向與-A 重合。P3=B-(-A),根據圖2 顯示P3 為正值，計算理論加重位置為p 按機組運轉方向移動P3 角度。

2.2 配重重量確定

m1=試重塊重量

m2=理論配重重量

m2=m1×A/B

2.3 案例

某化肥廠氮氫壓縮機，工作轉速為12000rpm，在工作轉速運轉過程中，驅動側一測點VT62932 振幅80um，相位角度為120°，同一支撐軸承另外一測點VT62931 振幅35um,相位角度為4°。兩測點顯示的現象為過臨界轉速后振動隨轉速升高上漲且頻譜顯示主頻為工頻且上漲頻率為1 倍頻。該轉子重量為400kg，聯軸器中間端把合螺釘位置中心距為300mm。

根據題目分析該測點振幅大明顯是轉子不平衡造成的。根據公式P=A0Gg/rω2s，試加重重量P=80×400 ×9.8/150×10-3×150×(2π×12000/60)2=8.8g。

圖3 案例計算圖

由于受現場條件限制無法在盤轉子狀態下測量VT62932測點的間隙電壓，在聯軸器中間段任一螺釘位置加配重8.8g。再次開車到工作轉速12000rpm 時，VT62932 振幅60um,相位角度為100°。VT62931 振幅28um,相位角度為347°。根據VT62932 原始振動數據、相位角和第一次試加重后的VT62932 振動數據、相位角等相關的關系及計算詳見圖3。

A 為VT62932 原始振動矢量，C 為VT62932 試加重8.8g后的振動矢量。B 為8.8g 配重引起的矢量。要想將A 引起的不平衡量全部抵銷，加的配重需引起-A 振動矢量。B 與-A 之間角度差為60°-19.014°=40.986°，由于逆著旋轉方向為角度增加方向，因此，配重位置加在-A 方向需在第一次配重位置順著旋轉方向40.986°加配重，理想的配重的重量為8.8×80/31.288=22.5g。再次開車到工作轉速為12000rpm，VT62932 振幅15um。

3 結語

采用矢量法現場動平衡，其具有平衡次數少、效果明顯的特點。本文主要針對矢量法現場動平衡的準備工作、平衡過程進行分析研究，希望對旋轉機械的現場動平衡的操作有借鑒作用。