转子动平衡校正方法研究

唐景凡，陆 海，杨健伟，谢德强

(国营长虹机械厂，广西 桂林 541003)

发动机压气机转子、涡轮转子等转动部件长期处于高速、高温、高载荷等严苛服役条件下，会出现热变形、支承系统磨损、环境介质附着、同心度变化等问题[1-4]，导致转子部件高速旋转时产生一定的离心力，此离心力通过轴承座传递到机匣等受力部件，使发动机产生振动。其中质量不平衡引起的振动是常见的故障之一[5-7]，容易造成发动机性能降低，轴承和叶片损坏，缩短了在役时间，导致发动机提前返厂维修[8]。因此，在发动机研发、修理、排故等过程中，研究发动机转子动平衡技术，可减少发动机振动过大和维修次数，对保障发动机的长期安全、可靠、稳定运行具有重大意义[9]。目前，国内外学者针对发动机转子动平衡技术展开了广泛研究，例如全勇等[10]根据双转子系统的结构特点，提出了双转子振动耦合共振平衡法，完成了模拟双转子系统的高速动平衡试验，平衡效果良好，解决了双转子系统在多种工况下的振动超限问题。黎飞龙等[11]针对某小型涡扇发动机转子进行高速动平衡试验，根据转子幅频特性，证明了多平面多转速影响系数法对该型转子一、二阶高速动平衡是可行的，能取得良好的平衡效果。

根据某型发动机的实际工作情况，选用涡轮转子为研究对象，以提高转子动平衡校正效率为目的，考察3种校正方法对转子动平衡的影响，最终确定高效、快速的平衡校正方法，对类似转子部件的动平衡试验具有技术指导意义和工程应用价值。

1 动平衡设备及平衡要求

根据平衡转子的质量、尺寸、结构特点、平衡精度、驱动方式和平衡转速等指标，选用了德国申克公司Pasio50HS卧式动平衡机，这是一款操作方便、测量精度高(测量不准确度为0.353 g·mm)的硬支承平衡机。根据转子的结构设计，两支点处的轴颈符合发动机转子工作时支点位置，为了利于装配拆卸，选择滚轮支承形式。

国内中小企业受技术和财力的制约，目前仍广泛采用手动动平衡校正方式，即通过动平衡机测出的不平衡位置和不平衡量进行手动校正。动平衡测试无论采用哪种设备和手动校正方法，几乎做不到理论与实际没有误差，很难保证一次性调整成功，应对转子进行反复校正，即通过多次增(去)重来调整不平衡量。因此，探索不同校正方法、提高转子动平衡矫正效率及平衡精度是当前亟需解决的技术问题。

依据该型发动机涡轮转子动平衡的设计技术文件要求，应满足如下技术要求。

1)在平衡机上进行测试，观察数据变化，待数据平稳后，通过数据采集分析系统连续采集，确定不平衡相位角θ和不平衡质量M。

2)平衡转速为1 500 r/min。

3)左、右两边固定校正面半径分别为71和80 mm。

4)转子平衡精度为：左、右剩余不平衡量U左=3 g·mm，U右=2.5 g·mm，转化为左、右不平衡质量分别为M左=42 mg，M右=31 mg。

2 测试结果分析

针对该型发动机涡轮转子，采用双面同时去重、先双面去重再单面去重、仅单面去重这3种方法对转子不平衡进行校正，探索哪种方法能更高效、快速使转子达到平衡要求。

双面同时去重试验记录的不平衡相位角θ和不平衡质量M的数据见表1。从表1中可看出，转子的左、右2个校正面初始状态的不平衡质量分别为703和677 mg。第1次校正措施选择左、右2个特定的不平衡相位角及半径，M左和M右分别去重703和677 mg。经过第1次校正后，不平衡质量变化非常明显，左、右2个校正面的不平衡质量大幅度降低，但仍没达到平衡要求。第2～6次校正分别按照动平衡机测试出的不平衡角度和质量进行反复去重调整，直到达到平衡要求。从第2～6次校正测试结果可知，当左、右2面校正面的不平衡量较少时，继续采用双面同时去重的方法，不平衡量变化不明显，2面同时去重会相互影响，导致每次校正出现的误差较大，很难进一步降低不平衡量，应不断增加校正次数才能达到平衡要求。

表1 双面同时去重校正测试数据

根据表1研究的结果，仍选用相同类型的转子，采用先双面去重再单面去重的方法来调整不平衡量，具体校正测试结果见表2。由于转子初始状态下的不平衡量较大，根据表1的校正方法，仍先选用双面同时校正，第1次校正选择双面同时去重(M左去重728 mg，M右去重701 mg)，校正后M左和M右不平衡质量分别降低至114和102 mg，不平衡质量显著降低，与表1测试结果趋势一致。第2次校对左、右两边进行校正(M左去重114 mg，M右去重102 mg)，校正后发现左、右两边不平衡质量分别降低至53和68 mg。经前2次校正后，左、右两边不平衡量已明显降低，第3次仅对右边进行校正(M右去重68 mg)，右边不平衡质量有所降低，而对左边的不平衡量影响不大。经过前3次的校正，转子的不平衡量已接近平衡要求，第4次仅需对其进行微调校正即可达到平衡要求。

表2 先双面去重再单面去重校正测试数据

转子单面去重校正试验记录不平衡相位角θ和不平衡质量M的数据见表3。初始状态，左、右2个校正面不平衡质量分别为746和698 mg。第1次校正选择左边单面去重(M左去重746 mg)，校正后M左的不平衡质量明显降低，而右边不平衡量变化不明显，第1次校正后M左和M右不平衡质量分别为95和708 mg。第2次仅对右边不平衡量进行校正(M右去重708 mg)，校正后M右的不平衡质量也大幅度降低，左、右两边不平衡质量分别为108和95 mg。后续针对左、右两边不平衡量依次进行单面配重校正，直至达到平衡要求。单面去重的方法共需5次校正才可满足平衡要求。

表3 单面去重校正测试数据

根据表1～表3的测试数据及分析可以得出，当转子初始状态不平衡量较大时，应选择双面同时去重校正的方法，可以使转子的不平衡量迅速降低。当不平衡量较少且转子的精度要求较高时，若对转子再进行双面同时去重，去重的位置与理论的角度存在了一定的偏差，2个校正平面就会相互影响，转子重心偏移，需反复校正才能达到平衡要求，效率低；若选择单面分别进行校正，则能更快、更好地保证校正面的平衡精度且校正的次数明显减少。

3 结语

通过对某型发动机转子的动平衡试验研究，可得出如下结论。

1)若转子初始不平衡量较大，则应选用双面同时校正，可使转子的不平衡量迅速降低；若不平衡量较少且转子平衡精度要求较高，则双面校正很难保证理论与实际相一致，造成2个校正面相互影响，需反复校正才可达到平衡，增加了校正次数。当转子不平衡量较少时，应采用单面分别校正的办法，转子可更快地达到平衡精度要求。

2)通过3种动平衡试验的研究，探索了该型发动机提高转子动平衡校正效率的方式，也为类似转子部件的动平衡研究提供了参考依据，具有技术指导意义和工程应用价值。