现场动平衡技术及其应用

2021-04-19林水泉

化工机械 2021年1期

林水泉

（广东石油化工学院广东省石化装备故障诊断重点实验室）

随着科技的进步，旋转机组广泛应用在石化、冶金及电力等工业领域。然而，旋转设备长时间运行难免会发生转子故障问题。转子不平衡是旋转设备中最常见的故障之一。据统计，旋转设备约有70%的故障是因转子振动故障造成的［1］。目前，转子动平衡校正方法有离线动平衡与现场动平衡两种。前者是将拆卸的故障转子放置于平衡机上进行校正，该方法会降低企业生产效率，且修复后的转子安装后有可能产生新的不平衡量误差；后者是在机组运转时进行校正，避免了不必要的拆卸，还不影响生产的正常进行。另外，旋转设备趋于向自动化、复杂化且大型化发展，转子的拆卸与安装越发不易。现场动平衡能够有效地解决以上问题。

1 现场动平衡原理

现场动平衡，又称为在线动平衡或整机动平衡［2］，顾名思义就是在实际环境下对机组进行检测并完成动平衡校正工作，即不拆卸机组，在设备正常运转时对转子进行动平衡校正［3］，降低机组振动的方法。

旋转设备中质量不平衡的转子在转动过程中，就会产生不平衡力，随着转速的增加，产生的离心力会越来越大，并通过振动的形式表现出来，如果设备长时间不正常的振动，可能会造成机组的损坏［4］。同时，机组产生不平衡故障的因素具有不确定性、多样性和复杂性，转子的质心不在回转轴线上必会产生不平衡量，而且所有分布在转子上的不平衡矢量之和都聚集在一个 “重点”上，现场动平衡就在其相应的位置上通过“去重”或“加重”的方式使之达到平衡状态。具体操作过程为：通过在机组上安装传感器，获取转子产生的振动信号，并以机组的机座作为平衡机底座；因转子与轴承的振动为线性系统，引起的振动为线性叠加，故把采集的振动信号进行处理，确定转子各平衡校正面的幅值和相位；通过现场动平衡的“去重”或“加重”消除不平衡量，让机组振动数值达到符合安全生产的标准。

综上，现场动平衡校正方法具有避免因拆卸与安装引起的误差、减少不必要的人力、操作方便、易于自动化以及确保机组安全运行等优点［5］。因此，现场动平衡是消除机组振动的一种重要方法［6］，确保设备安全、可靠且稳定运行。

2 现场动平衡技术

众所周知，转子是旋转设备的关键零部件，一旦转子发生故障，可能会造成机组轴承、齿轮或者其他部件的损坏，直接影响到机组的运转。然而，转子动平衡技术能够对离心泵转子、风机转子和汽轮机转子进行校正与修复，有效解决了机组的振动问题［7］。

现场动平衡校正并不会影响机组的正常运行，它是在转子已安装到位并正常运行，工作转速或其他选定的转速下，采用现场动平衡设备进行振动测量与分析，且通过配重手段以减少或消除转子的不平衡量。此外，现场动平衡测试选择的位置与配重的大小非常关键，一旦配重过大，又恰好安装在靠近转子的“重点”位置上，有可能产生更大的振动问题，造成机组的损坏；如果配重过小，那么可能产生的不平衡量与相位角度变化不明显，从而会产生计算误差。原则上，一般选择的配重大小应该使振幅与相位产生30%的变化［8］。

相对于离线动平衡，现场动平衡校正效果更佳，不仅避免了机组的停机、转子的拆卸与安装、减少了人力物力的消耗，而且避免拆装损失与运输风险、提高了转子的平衡精度，确保了企业的正常生产。

3 应用实例

3.1 设备概况

为了保证实验数据的准确性，对某实验室的泵机组进行现场动平衡校正，如图1 所示。该泵机组工作转速为2 950r/min，且平衡盘上平均设置有多个螺栓孔，主要用途为抽水。启动泵机组，现场便能听到有异响，并且伴随着噪声，利用EMT390 振动仪检测到振动烈度为4.3mm/s，根据JB/T 8097—1999 的振动评价标准，该机组振动等级为B 级，对机组安全生产有影响。在此，采用现场动平衡的校正方法对机组进行实验，以左、右两个平衡盘分别作为平衡面，采用配重螺丝、垫片进行不平衡量校正。

图1 泵机组现场动平衡现场

3.2 校正实验

本次动平衡校正实验采用SmartBalancer 申克便携式平衡仪操作。首先，将左右两个振动传感器分别接在两个轴承座上；其次，在转子转动轴上贴上反射标签，然后将中间的光传感器正对着标签；接着启动平衡仪，以左右两端平衡盘作为平衡面，设置好参数；最后，启动该泵机组进行测试操作。该平衡仪采用影响系数法，在测得各平面的原始振动后，分别在轴系的每一个平面试加重，测得每一次加重对各平面测点振动的响应。其操作涉及配重、影响参数分析、初次振动不平衡、再次配重及启动平衡仪检测等过程。

校正实验前期，通过对泵机组进行分析，现场动平衡选用双平面两端支撑的方式（图2），采用加重的校正方法，启动平衡仪，设置好相应的平衡方式。

图2 选用的支撑方式示意图

启动泵机组，将转子左右两个平衡盘分别作为平衡面A、B，以贴在泵机组转轴上的发射标签为0°，采用平衡仪测得初始数据（表1）。

表1 泵机组初始数据

泵机组左端配重，计算与分析初始数据，将18.4g 的螺丝安装在机组左端平衡盘0°位置上，测得的数据列于表2。

表2 左平衡盘配重后的数据

泵机组右端配重，把机组左端的配重去掉，把移除的18.4g 螺丝安装在机组右端平衡盘0°位置上，测得的数据列于表3。

表3 右平衡盘配重后的数据

将泵机组右端平衡盘的配重拆掉，按照表3中的不平衡量分别在A、B 平衡面上配重，测得的数据列于表4。

表4 校正中的数据

由表4 可得A、B 平衡面的不平衡量分别为5.7、3.7g，与表3 中的数据对比，结果有了明显的下降，说明配重起到了很好的效果。结合经验分析，不平衡量还是稍许大些，因此还需要继续按照表3 的不平衡量进行配重，平衡仪上显示结果如图3、4 所示，测得的最终校正数据列于表5。

图3 测试振幅与相位的显示界面

图4 测试不平衡量与振动角度的显示界面

表5 最终校正数据

由图3、4 和表5 中的数据可知，A、B 平衡面的振幅大小由之前的1.032、0.851mm/s 下降到现在的0.086、0.069mm/s，振幅明显降低。同时，泵机组的噪声也大幅减小了。根据JB/T 8097—1999振动评价标准，泵机组的转子中心高度大于225mm，加上泵机组转速为2 950r/min，振动类别为第3 类；又因A、B 平衡面的振幅最终为0.086、0.069mm/s，则属第3 类中的A 级别，即精确度最高的级别。说明本次动平衡校正成功，不平衡量也达到了标准的范围。