无试重的动平衡技术的研究

张禄林，段滋华，李多民，程云芬，傅树霞

(1.太原理工大学，山西太原 030000; 2.广东石油化工学院，广东茂名 525000; 3.广东省石化装备故障诊断重点实验室，广东茂名 525000)

无试重的动平衡技术的研究

张禄林1，2，3，段滋华1，李多民2，3，程云芬1，2，3，傅树霞2，3

(1.太原理工大学，山西太原 030000; 2.广东石油化工学院，广东茂名 525000; 3.广东省石化装备故障诊断重点实验室，广东茂名 525000)

平衡配重过程作为动平衡的一个重要步骤，会直接影响到动平衡的质量。探索了平衡配重与平衡量之间的关系，不平衡量与振动之间的关系。经理论分析与实验研究，导出了关于平衡配重的数学表达式。依据该式，机械仅停车一次，可实现无试重的动平衡。最后，在转子上随机增加不平衡量后，使用现场动平衡技术，对该结论进行了验证。

无试重;动平衡;转子

旋转机械在化工、电力、航天等领域占据着举足轻重的作用，为保证其工作性能、安全运行，振动问题一直受到科研、技术人员的关注。据统计，70%的振动都与不平衡有关。转子材质的不均匀性、加工与装配误差，机器运行过程中物料磨擦、腐蚀，积垢，零部件脱落都会产生不平衡。DIKEN等［1］发现质量偏心会引起弯曲共振。通过加重或去重的方式可以达到校正目的。动平衡后，机器的安全性、可靠性、效率、寿命得到提高。一直以来，动平衡技术的研究受到了众多学者的关注与重视［2－5］。现场动平衡技术减少了平衡机动平衡中拆卸、安装等步骤。实现了机械的及时重新运转。测试时，考虑了实际工况中热不平衡、支撑刚度等因素;避免转子拆装所带来的误差，得到实际振动数据，动平衡效果更好。而现场动平衡技术依然要求停车试重，根据原始振动与试重后振动判断不平衡量。文献 ［6－9］对无试重的动平衡技术进行了研究。本文作者探索了一种新方法实现了无试重的动平衡。

作者依据动平衡原理，通过特制的平衡盘加重，探索了几种转速下平衡配重与平衡量的对应关系，不平衡量与振动值之间的关系。以研究的数学模型为基础，形成无试重的现场动平衡理论。最后，在转子叶轮上随机增加不平衡量，使用DH5901动态信号分析仪测试转子振动，成功运用该方法进行了不平衡校正。

1 无试重动平衡机制研究与试验设计

转子由于存在不平衡，在转动时会产生惯性离心力，成为其强迫振动的持续激发力。根据动力学理论，运动微分方程为:

式中:m为转子质量;s(t)为振动位移，s(t)=Ssin (Ωt+α);¨s(t)为振动加速度，¨s(t)=－SΩ2sin(Ωt+α);˙s(t)为振动速度，˙s(t)=SΩcos(Ωt+α);C为阻尼系数;k为支撑刚度;f(t)为不平衡离心力，f(t)=Fsin(ωt+φ)，其中F=urω2;u为不平衡质量;r为不平衡质量所在半径;ω为激振力的角频率;t为时间;φ为不平衡相位;Ω为振动频率;α为不平衡振动相位。

不平衡振动频率Ω与激振力频率ω相同，设θ= φ－α为滞后角。整理式 (1)得:

由式 (3)可知，转子的振动位移与激振力成正比［10］。只要用振动传感器测得振动位移，就可以得到转子不平衡量。

式中:l为两校正面间距，li为左测试面到A校正面间距。

将分解在A、B校正面的力分别合成后，在A校正面和B校正面上通过加重或者去重的方式，达到动平衡的目的。以上即为两面动平衡原理［10］。

以下基于两平面动平衡原理，对无试重动平衡进行了研究，在转子轴承位附近设计了平衡盘作为A、B校正面。依据实验室动平衡资料，确定了平衡盘尺寸，平衡孔尺寸、位置。依据两平面动平衡原理对转子系统进行平衡校正。

图1 两平面动平衡原理图

2 无试重动平衡机理的实验研究

图2转子上平衡盘为试验所设计、使用的配重装置，配用M5的螺栓、螺母、垫片作为平衡配重。将两平衡盘放置在轴承位附近如图2、3所示。该转子质量41.5 kg，全长1 200 mm，有9个直径为φ200 mm的叶轮。将转子放置在动平衡机上，测试振动。

图2 装配有平衡盘的转子

图3 动平衡机校正转子不平衡

2.1 平衡配重与平衡量对应关系的研究

通过试验对平衡配重进行了研究，探索了不同平衡配重对应的平衡量的关系。推导出3种转速下的数学关系式。试验过程中，使用M5的不锈钢螺栓、螺母、垫片作为平衡配重，以在自制的平衡盘上加重的方式，实现了不平衡量的变化。选择 600、800、1 000 r/min 3种转速，进行了测试。使用申克动平衡机HM3BU测试转子系统的平衡量、DH5901动态信号分析仪采集转子系统的振动信号。经过分析，使用Origin软件处理，得到转子系统的测试曲线与拟合曲线及数学表达式。

观察图4，可知在600、800、1 000 r/min 3种转速下，随着平衡配重的增加，平衡量也逐渐增加。3条曲线较为接近，表明3种转速下，平衡配重所代表的平衡量相近。

图4 3种转速下平衡配重的动平衡效果

图5—7为不同转速下的拟合曲线。

图5 转速为600 r/min时，平衡配重与平衡量对应关系

图6 转速为800 r/min时，平衡配重与平衡量对应关系

图7 转速为1 000 r/min时，平衡配重与平衡量对应关系

拟合曲线的数学表达式:

式中:Y为振动值;

A为初始不平衡量;

B为振动值随不平衡量的变化率。

3种转速下关于配重的参量值见表1。

表1 3种转速下关于配重的参量值 μm

2.2 不平衡量与振动值对应关系的研究

通过试验，研究了转子系统不平衡量与振动值的对应关系。数据使用了origin软件进行处理，得到了转子系统的测试曲线与拟合曲线，以及拟合曲线的数学表达式。

图8中3条曲线分别代表600、800、1 000 r/min转速下，0～11 g平衡量所对应的振动值。随着不平衡量的增加，振动值逐渐变大。转速变大，相同不平衡量对应的振动值变大。600、800 r/min转速下，相同不平衡量对应的振动值较为接近;1 000 r/min转速下，较600、800 r/min两种转速，相同的不平衡量对应的振动值差较大。

图8 3种转速下不平衡量对应振动值

图9—11为600、800、1 000 r/min 3种转速下，不平衡量对应的振动值。导出拟合曲线，其数学表达式为:

式中:Y为振动值;

A为初始不平衡量;

B为振动值随不平衡量的变化率。

图9 600 r/min不平衡量对应振动值

图10 800 r/min不平衡量对应振动值

图11 1 000 r/min不平衡量对应振动值

3种转速下关于振动的参量值见表2。

表2 3种转速下关于振动的参量值 μm

根据各转速下，平衡配重对应的平衡量关系以及不平衡量对应的振动值关系，就可以在测得振动值后，直接判断平衡配重的大小，达到仅停车一次，实现无试重的动平衡。

3 无试重的动平衡技术的运用

试验转速为600 r/min，用振动测试仪测试转子的振动情况，利用转子上的平衡盘进行配重，运用无试重的动平衡技术校正了该转子系统的不平衡。

试验装置如图12、13所示。

图12 振动测试仪校正转子不平衡

图13 在转子叶轮上加橡皮泥

其试验过程如下:

(1)在转子叶轮上任意位置贴橡皮泥，增加转子的不平衡量。并在转子左侧平衡盘旁边贴上反光标签。

(2)将一个光电传感器与两个振动传感器固定好，现场动平衡全过程传感器位置保持不变。

(3)启动电机，转子运转到600 r/min。使用DH5901动态信号分析仪测试转子振动。得到左右测试面振动值分别为:0.054 3 μm，0.072 3 μm。

(4)关闭电机，使用长度为33 mm的螺栓，螺母、垫片作为平衡配重。左侧配重2.5 g，右侧配重6.7 g，且为对称布置。

(5)重新启动电机，转子运转到600 r/min。测试得到测试面振动值分别为:0.041 0 μm，0.050 0 μm。

将平衡配重加在平衡盘上后，转子左右测试面振动值分别降低了24.5%、30.8%，参照振动烈度评定标准表 (表3)以及振动速度、加速度、位移关系图 (图14)，振动值符合平衡要求。

表3 转动设备振动烈度评定标准

图14 振动速度、加速度、位移关系图

4 结论

转子运转过程中的不平衡可以使用特制的平衡盘，通过加重的方式得到校正。文中得到了600、800、1 000 r/min转速下平衡配重对应平衡量的数学表达式，以及不平衡量对应振动值的数学表达式。将其成功运用于动平衡后，可以仅停车一次，实现无试重的动平衡。

［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］罗挺，刘淑莲，郑水英.弯曲转子系统的模态动平衡方法研究［J］.机床与液压，2012，40(3):5－7.

［3］高昱，周保堂，贺世正.转子自动平衡用释液式平衡头的研究［J］.流体机械，1994，22(2):10－14.

［4］刘曦泽，李多民，段滋华.双支撑离心泵转子动平衡技术的研究［J］.流体机械，2012，40(10):54－57.

［5］李宇斌，刘政一，袁光远.旋转机械转子的现场动平衡［J］.流体机械，1994，22(9):41－44.

［6］王维民，高金吉，江志农，等.旋转机械无试重现场动平衡原理与应用［J］.振动与冲击，2010，29(2):212－215，232.

［7］章云，梅雪松，邹冬林，等.应用动力学模型的高速主轴无试重动平衡方法［J］.西安交通大学学报，2011，45 (7):34－37，59.

［8］钱广华.转子无试重现场动平衡方法研究［J］.机床与液压，2012，40(3):58－61.

［9］汪海良，刘思汉.柔性转子无试重动平衡法的实验研究［J］.振动与冲击，1992(3):57－65.

［10］安胜利，杨黎明.转子现场动平衡技术［M］.北京:国防工业出版社，2007:23，34－35.

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

张禄林 (1986—)，男，硕士，研究方向为现场动平衡。E－mail:jacson1949@126.com。