刚性转子的平衡分析和校正实验

杨　阳

摘要:对旋转机械的转子部分进行动平衡试验,是提高旋转机械工作性能,延长设备维修时限的有力手段。在动平衡试验过程中,要对校正方法、平衡找正位置、试验参数等进行全面分析。

关键词:旋转机械;动平衡;平衡机;刚性转子

中图分类号:O247文献标识码:A

文章编号:1674-1145(2009)23-0142-02

机械运转时,构件产生的惯性力或惯性力矩将会在机构各运动副中引起附加的动压力,从而增大机构中的内应力和运动副中的磨擦、磨损,降低机械效率和使用寿命。同时,这些惯性力或惯性力矩还会传到机架和基础上,并随着机械运转的循环而产生周期性的变化,导致机械及其基础产生强迫振动,降低了机械本身的工作精度、可靠性和零件的疲劳寿命并产生噪声。严重时可能使机械破坏,甚至危及工作人员的安全。

随着机械化工业进程的不断向前推进,旋转机械逐步向精密化、大型化、重载和高速化的方向发展,上述问题会变得更为突出,与过去的低速、小输出机械相比,现代高速、高精度旋转机械由于平衡因素而损害机械性能的比例更大,因此为了完全的或部分的消除机械不平衡的不良影响,就必须设法将构件的惯性力或惯性力矩加以消除或减小,这就是机械平衡的目的。

一、机械平衡的分类

机械的平衡可以归纳为两方面的内容:一种为绕固定轴回转构件的平衡;另一种为机构的平衡。

绕固定轴回转构件的平衡简称为转子的平衡,而转子的平衡又分为刚性转子的平衡与挠性转子的平衡。一般的转子属于刚性转子的平衡,所以这里我们主要讨论的是刚性转子的平衡。刚性转子的平衡又分为刚性转子的静平衡和刚性转子的动平衡。

二、刚性转子的静平衡和刚性转子的动平衡原理

(一)刚性转子的静平衡原理

对于轴向尺寸较小的盘状转子,一般是指轴向宽度b与其直径D之比b/D<0.2的转子,例如带轮、齿轮、链轮叶轮等。可把它们的质量近似地认为分布在同一平面内。如图1所示,若转子的质心S不与回转中心O重合,则当转子等速转动时其重量Q1将产生离心惯性力P1,从而在回转副O中引起附加的动压力。为了消除这一附加的动压力,可在同一平面上,在质心S相反的方向加一配重Q(也可在相同的方向减去某重量),而使S与O重合,此时配重Q所产生的惯性力P正好与Q1产生的惯性力P1大小相等方向相反而达到平衡(即其惯性力之和为零)。这就是刚性转子静平衡的原理。

(二)刚性转子的动平衡原理

对于轴向尺寸较大的转子,一般是指轴向宽度b与其直径D之比b/D>0.2的转子,例如电动机转子、风机转子等。它们的质量分布不能再近似地认为是位于同一平面内。而应看作分布在垂直于轴线而相互平行的回转面内。

所谓刚性转子的动平衡(亦称完全平衡),就是不仅要使转子在运动时,其各偏心重量所产生的惯性力之和为零,而且要使这些惯性力所构成的惯性力偶矩之和也等于零的一种平衡措施。

三、静平衡和动平衡实验

(一)静平衡实验

根据静平衡产生的原理,我们可以看到,在理论上该刚性转子是已经平衡了。但由于材料质量的不均匀以及制造和装配上的误差,而使转子达不到原设计计算的要求,这种不平衡现象,在设计时是无法用计算的方法加以确定和设法消除的,而只能用实验的方法来确定其不平衡重径积的大小和方向,然后再用加(或减)配重的办法来平衡。

静平衡的试验设备及试验方法比较简单。常用的有刀口式平衡架和滚子式静平衡装置。

(二)动平衡实验

同样,对于轴向宽度较大的转子,经过平衡计算给予平衡后,还需要通过实验的方法来最后确定其实际不平衡量的大小和方位。动平衡实验的具体内容就是要确定转子两平衡面中的平衡配重的大小和方位。

四、动平衡实验在我厂的应用

我厂于2003年购置H5U型硬支承平衡机,试验转子最大质量4400kg,同时配备有HEC831型气电控制柜,先后于催化裂化装置的DL100-36型离心式风机转子、MCL904-16主风机转子、YLⅡ-4000H型烟机转子、MCL457气压机转子、H38-9气体压缩机转子和重整加氢装置的YA355-2-W(185KW)电机转子、BCL456-1型离心式氢压机转子进行了动平衡试验。

针对炼油厂所作动平衡试验实例,动平衡校正有两种方法。一种是加重;一种是去重。无论采用何种方法,在校正时都不应损坏转子性能,而且要采用适合转子结构的合理方法,同时校正误差应该最小化,且为施行校正所做的准备及校正操作应该简单而高效。

(一)加重——在不平衡轻点方向附加质量

1.焊接。这种方法是按照测量值的大小将板状重块切断并焊接在转子上。通过动平衡机指示值按质量从大到小准备好几种重块,从中选择与不平衡测量值相对应的重块焊接到转子上。一般是将重块做成一定厚度,通过改变其长度或宽度来达到不同的质量。焊接的方法可选用点焊,按重块的大小在几点焊接或采用凸焊方法一次焊上。在转子动平衡试验中,该种方法较为常用。

2.锡焊。用板状或条状焊锡按不平衡的大小切断成所需要的长度,将其加热焊接到转子上。这种方法我们在电机转子动平衡试验中应用过。

3.铆焊。这种加重方法又分为两种方式。一种是将铆钉作为配重铆接到转子上;另一种是将焊接方法所述的板状重块钻两个孔,将板状重块用铆钉铆到转子上。前者适合于在转子的圆周上钻几个孔,用分量校正法校正。后者也可用于分量校正或极坐标校正,这时是在转子的轻点方向用双头钻钻出底孔,然后将重块用两个铆钉铆上。

4.螺钉。在转子一定半径的圆周上加工好等间隔的螺孔,按不平衡的大小选用长度不同的螺钉拧入进行校正,一般多在轴端面沿轴向拧入,这是因为沿径向拧入时,转子旋转时有松动飞出的危险。如果需要从外周径向拧入,应采用止动螺钉,拧入后最好采取防松措施。这种方法我们常用于不能使用焊接方法达到加重要求的试验。

(二)去重——从重点方向去除质量的方法

1.钻削。用钻头在转子上钻孔以校正不平衡的方法是一种简单易行并且去重准确的校正方法,在转子动平衡试验中最为常用。但也存在一些问题,当钻孔深度过大时,有些转子由于强度大使校正误差增大,影响试验结果的准确性。在径向钻深孔,则孔深与不平衡校正间的线性关系发生改变,而在轴向钻深孔时会带来校正平面分离误差。根据实践经验,建议在初始不平衡较大时,尽量采用大直径钻头,或采用多头钻。

2.磨削。对于需要保证表面的流体力学性质的光滑表面,在平衡校正时常采用磨削方法。在现场试验时,均采用手动砂轮机进行校正,此种方法较为简便。但也存在一些不足,用这种校正方式可去除的不平衡量小,校正的相位及大小难于判断决定,所以往往需要反复进行校正及测量,工作效率一般不高。

3.錾削。这是用錾削在不平衡重点处去除质量的一种方法。它与磨削去重一样,不易进行准确的校正。如果初始不平衡大,往往先用錾削方法进行粗校正,为使表面光滑再用砂轮进行精密校正。

(三)刚性转子的动平衡实验实例

对炼厂现有的动设备来说,大部分属于刚性转子。刚性转子的平衡分为单面平衡、双面平衡和多面平衡。现场试验中,我们多采用双面平衡的方法使试验转子达到动平衡。所谓双面动平衡,就是指在转子上选择轴向位置不同的两个平面校正其不平衡。H5U型硬支承平衡机几种支撑模式如图2所示。

现以动力东区风电机转子动平衡试验过程为例进行说明采用手动钻削校正方法去重的具体应用。

1.试验转子的选择:平衡转速(由制造厂对校验转子规定的最低转速):600转/分;最大许用不平衡量(按设备说明书要求):300g·mm。

2.校正位置的选择。校正平面:选择依据为两平面间距较大,且属于非工作表面易于去重后不影响该转子工作性能,该项试验选择如图位置(转子)为校正位置。支撑位置:一般选择装配轴承(该试验为滚动轴承)处为支承位置。如图3所示为转子支撑位置及去重位置。

3.校验程序。由于电机转子质量集中于中部,因此对中部两端找正面去重就能达到动平衡许用范围。在校正过程中,经常采用极坐标法,即将转子中部找正平面六等分,起始点与万向联轴节的零刻度线水平,按平衡机规定的程序和平衡转速开机试验,根椐测试度数和对应等分点确定去重位置,经多次去重后使该转子达到动平衡许用范围。

(四)试验结果评估

电机转子经动平衡校正后,进行现场安装,在实际工况下运行,达到有关振动等参数要求。

五、结语

动平衡技术是一种新兴的前景较为广阔的实用技术,将来不仅仅局限于机械设备制造维修领域的测量和校正操作,而是将推广至能把设备运行的最终控制参数(如高速泵的振动值、机床的加工精度等)直接反馈回来,使这些参数保持在期望状态,并能对平衡状态进行自动调整。

对于炼厂现有电动机、泵、压缩机等(待物特别是高速、高精度)大型转动设备若经动平衡试验后,在实际运转状态下达到平衡。无论是从设备工作性能的提高,还是从设备维护保养时限的延长等方面来讲,都是非常有利的。从长远来看,转动设备的动平衡试验也是企业挖潜增效的一种好方法。

参考文献

[1](日)三轮修三,下村玄著,朱晓农译.旋转机械的平衡[M].北京:机械工业出版社,1992.

[2]通用卧式平衡机校验法(GB4201-84).

作者简介:杨阳,女,甘肃省玉门市油田分公司炼油化工总厂工程公司工程师,研究方向:化工设备与机械。