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轉(zhuǎn)子動力學(xué)的一個研究內(nèi)容,指確定轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時產(chǎn)生的不平衡量(離心力和離心力偶,見相對運動)的位置和大小并加以消除的操作。不平衡量會引起轉(zhuǎn)子的橫向振動,并使轉(zhuǎn)子受到不必要的動載荷,這不利于轉(zhuǎn)子正常運轉(zhuǎn)。所以,大多數(shù)轉(zhuǎn)子應(yīng)該進行動平衡。在機器制造或維修中,動平衡成為一道工序。

轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時產(chǎn)生的不平衡量是因轉(zhuǎn)子各微段的質(zhì)心不嚴格處于回轉(zhuǎn)軸線上引起的。各微段因質(zhì)心偏離回轉(zhuǎn)軸線而產(chǎn)生的離心力都垂直于回轉(zhuǎn)軸線。通過力的合成可把離心力系合成為少數(shù)的集中力,其方向仍垂直于軸線。一般說,至少要用分別作用于兩個橫截面上的兩個集中力才能代表原來的離心力系。若這兩個集中力剛好形成力偶,則原來的不平衡量在轉(zhuǎn)子不旋轉(zhuǎn)時是無法察覺和測量的;旋轉(zhuǎn)時,力偶才形成橫向干擾并引起轉(zhuǎn)子的振動。這種不平衡的效應(yīng)只有在旋轉(zhuǎn)的動態(tài)中才能察覺和測量,所以需要進行動平衡。與此相對的靜平衡是指當轉(zhuǎn)子的質(zhì)量很集中以致可以看作一個垂直于回轉(zhuǎn)軸線的不計厚度的薄盤時,不需旋轉(zhuǎn)就能進行的平衡。其作法是將轉(zhuǎn)子水平放置,偏重的一邊受重力作用會垂到下方,設(shè)法調(diào)整轉(zhuǎn)子質(zhì)心的位置,使之位于回轉(zhuǎn)軸線上。

在測出不平衡的位置和大小后,或是直接將它去掉,或是在它的對稱方向加上和它相應(yīng)的質(zhì)量來平衡它的效應(yīng),即通過去重或配重完成動平衡。

根據(jù)轉(zhuǎn)子的變形和質(zhì)量分布的情況,動平衡分為剛性轉(zhuǎn)子的動平衡和柔性轉(zhuǎn)子的動平衡。

剛性轉(zhuǎn)子的動平衡

對于工作轉(zhuǎn)速遠低于臨界轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)子,不平衡量引起的變形很小。這種轉(zhuǎn)子可按剛體處理,動平衡可在低速下進行,稱為剛性轉(zhuǎn)子的動平衡。在進行剛性轉(zhuǎn)子動平衡時,各微段的不平衡量引起的離心慣性力系可以簡化到任意選定的兩個截面上去,在這兩個面上作相應(yīng)的校正(去重或配重)即可完成動平衡。為找到兩個截面上不平衡量的方位和大小可使用動平衡機。常見的動平衡機分為軟支承式和硬支承式兩類,前者檢測不平衡量引起的振動;后者檢測不平衡轉(zhuǎn)子對支承的作用力。剛性轉(zhuǎn)子的動平衡問題已解決得較好。國際標準化組織(ISO)已規(guī)定出各類剛性轉(zhuǎn)子動平衡的精度。

柔性轉(zhuǎn)子的動平衡

超臨界轉(zhuǎn)速工作的轉(zhuǎn)子在啟動和制動時,轉(zhuǎn)速必定通過臨界轉(zhuǎn)速,這時不平衡量會使轉(zhuǎn)子產(chǎn)生明顯的變形。若轉(zhuǎn)子各微段質(zhì)心對回轉(zhuǎn)軸線的偏離對變形有明顯的影響,則轉(zhuǎn)子不能按剛性轉(zhuǎn)子處理,相應(yīng)的動平衡稱為柔性轉(zhuǎn)子的動平衡。

方法有兩種:

①振型法。將不平衡量按轉(zhuǎn)子的各階固有振型分解。若動平衡時的轉(zhuǎn)速接近某臨界轉(zhuǎn)速,則這一階固有振型突出于其他各階之上。通過檢測該振型,就可找到為消除這一階不平衡分量所需的校正質(zhì)量的大小和應(yīng)放置的位置。逐階進行,就可完成動平衡。

②影響系數(shù)法。在轉(zhuǎn)子上選定若干個校正面和若干個測量面并進行多次運轉(zhuǎn)校正。某校正面上單位校正量在一定轉(zhuǎn)速下引起的某測量面的振動就是一個影響系數(shù)。通過測量或計算求出這些影響系數(shù),便可根據(jù)不平衡量引起的振動,確定為將各測量面的振動限制在某量值以下,各校正面應(yīng)加配重(或去重)的位置和大小。在這兩個方法的基礎(chǔ)上還發(fā)展了其他方法,例如振型圓法等。

轉(zhuǎn)子作為機械系統(tǒng)的重要組成部分,它的不平衡量常引起的振動,將導(dǎo)致設(shè)備振動、噪聲及機構(gòu)破壞,尤其是對于高速旋轉(zhuǎn)的柔性轉(zhuǎn)子,產(chǎn)生的機械事故將更明顯,轉(zhuǎn)子不平衡引起的故障約占機械全部故障的60%以上。隨著當前精密數(shù)控加工技術(shù)的發(fā)展,高速轉(zhuǎn)子在加工生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的嚴重影響其加工精度的動平衡問題顯得尤為重要,動平衡儀可以有效地保障設(shè)備運行的可靠性與安全性,能取得良好的經(jīng)濟效益和社會效益,具有重大的實際意義。

工程中的各種回轉(zhuǎn)體,由于材質(zhì)不均勻或毛坯缺陷、加工及裝配中產(chǎn)生的誤差,甚至設(shè)計時就具有非對稱的幾何形狀等多種因素,使得回轉(zhuǎn)體在旋轉(zhuǎn)時,其上每個微小質(zhì)點產(chǎn)生的離心慣性力不能相互抵消,離心慣性力通過軸承作用到機械及其基礎(chǔ)上,引起振動,產(chǎn)生了噪音,加速軸承磨損,縮短了機械壽命,嚴重時能造成破壞性事故。為此,必須對轉(zhuǎn)子進行平衡,使其達到允許的平衡精度等級,或使因此產(chǎn)生的機械振動幅度降在允許的范圍內(nèi)。轉(zhuǎn)子動平衡和靜平衡的區(qū)別。

各類機器所使用的平衡方法較多,例如單面平衡(亦稱靜平衡)常使用平衡架,雙面平衡(亦稱動平衡)使用各類動平衡試驗機。靜平衡精度太低,平衡時間長;動平衡試驗機雖能較好地對轉(zhuǎn)子本身進行平衡,但是對于轉(zhuǎn)子尺寸相差較大時,往往需要不同規(guī)格尺寸的動平衡機,而且試驗時仍需將轉(zhuǎn)子從機器上拆下來,這樣明顯是既不經(jīng)濟,也十分費工(如大修后的汽輪機轉(zhuǎn)子)。特別是動平衡機無法消除由于裝配或其它隨動元件引發(fā)的系統(tǒng)振動。使轉(zhuǎn)子在正常安裝與運轉(zhuǎn)條件下進行平衡通常稱為"現(xiàn)場平衡"�，F(xiàn)場平衡不但可以減少拆裝轉(zhuǎn)子的勞動量,不再需要動平衡機;同時由于試驗的狀態(tài)與實際工作狀態(tài)無二致,有利于提高測算不平衡量的精度,降低系統(tǒng)振動。國際標準ISOl940一1973(E)"剛體旋轉(zhuǎn)體的平衡精度"中規(guī)定,要求平衡精度為G0.4的精密轉(zhuǎn)子,必須使用現(xiàn)場平衡,否則平衡毫無意義。

現(xiàn)代的動平衡技術(shù)是在本世紀初隨著蒸汽透平的出現(xiàn)而發(fā)展起來的。隨著工業(yè)生產(chǎn)的飛速發(fā)展,旋轉(zhuǎn)機械逐步向精密化、大型化、高速化方向發(fā)展,使機械振動問題越來越突出。機械的劇烈振動對機器本身及其周圍環(huán)境都會帶來一系列危害。雖然產(chǎn)生振動的原因多種多樣,但普遍認為"不平衡力"是主要原因。據(jù)統(tǒng)計,有50%左右的機械振動是由不平衡力引起的。因此,有必要改變旋轉(zhuǎn)機械運動部分的質(zhì)量,減小不平衡力,即對轉(zhuǎn)子進行平衡。

造成轉(zhuǎn)子不平衡的因素很多,例如:轉(zhuǎn)子材質(zhì)的不均勻性,聯(lián)軸器的不平衡、鍵槽不對稱,轉(zhuǎn)子加工誤差,轉(zhuǎn)子在運動過程中產(chǎn)生的腐蝕、磨損及熱變形等。這些因素造成的不平衡量一般都是隨機的,無法進行計算,需要通過重力試驗(靜平衡)和旋轉(zhuǎn)試驗(動平衡)來測定和校正,使它降低到允許的范圍內(nèi)。應(yīng)用最廣的平衡方法是工藝平衡法和整機現(xiàn)場動平衡法。作為整機現(xiàn)場動平衡技術(shù)的一個重要分支,在線動平衡技術(shù)也正處于蓬勃發(fā)展之中,很有前途。由于工藝平衡法是起步最早的一種經(jīng)典動平衡方法。

整機現(xiàn)場動平衡技術(shù)是為了解決工藝平衡技術(shù)中存在的問題而提出的。

工藝平衡法的測試系統(tǒng)所受干擾小,平衡精度高,效率高,特別適于對生產(chǎn)過程中的旋轉(zhuǎn)機械零件作單體平衡,在動平衡領(lǐng)域中發(fā)揮著相當重要的作用,汽輪機、航空發(fā)動機普遍采用這種平衡方法。但是,工藝平衡法仍存在以下問題:

1、平衡時的轉(zhuǎn)速和工作轉(zhuǎn)速不一致,造成平衡精度下降。例如:有不少轉(zhuǎn)子屬于二階臨界轉(zhuǎn)速的擾性轉(zhuǎn)子,由于平衡機本身轉(zhuǎn)速有限,這些轉(zhuǎn)子若采用工藝平衡,則無法有效的防止轉(zhuǎn)子在高速下發(fā)生變形而造成的不平衡。

2、平衡機(特別是高速立式平衡機)價格昂貴。

3、在動平衡機上平衡好的轉(zhuǎn)子,裝機后其平衡精度難以保證。因為動平衡時的支承條件不同于轉(zhuǎn)子在實際工作條件下的支承條件,且轉(zhuǎn)子同平衡裝置之間的配合也不同于轉(zhuǎn)子與其自身轉(zhuǎn)軸之間的配合條件,即使出廠前已在動平衡機上達到高精度平衡的轉(zhuǎn)子,經(jīng)過運輸、再裝配等過程,平衡精度在使用前難免有所下降,當處于工作轉(zhuǎn)速下運轉(zhuǎn)時,仍可能產(chǎn)生不允許的振動。

4、有些轉(zhuǎn)子,由于受到尺寸和重量上的限制,很難甚至無法在平衡機上平衡。例如:對于大型發(fā)電機及透平一類的特大轉(zhuǎn)子,由于沒有相應(yīng)的特大平衡裝置,往往會造成無法平衡;對于大型的高溫汽輪機轉(zhuǎn)子,一般易發(fā)生彈性熱翹曲,停機后會自動消失,這類轉(zhuǎn)子需進行熱動態(tài)平衡,用平衡機顯然是無法平衡的。

5、轉(zhuǎn)子要拆下來才能進行動平衡,停機時間長、平衡速度慢、經(jīng)濟損失大。

為了克服上述工藝平衡法的缺點,人們提出了整機現(xiàn)場動平衡法。

將組裝完畢的旋轉(zhuǎn)機械在現(xiàn)場安裝狀態(tài)下進行的平衡操作稱為整體現(xiàn)場平衡。這種方法是機器作為動平衡機座,通過傳感器測的轉(zhuǎn)子有關(guān)部位的振動信息,進行數(shù)據(jù)處理,以確定在轉(zhuǎn)子各平衡校正面上的不平衡及其方位,并通過去重或加重來消除不平衡量,從而達到高精度平衡的目的。

有于整機現(xiàn)場動平衡是直接接在整機上進行,不需要動平衡機,只需要一套價格低廉的測試系統(tǒng),因而較為經(jīng)濟。此外,由于轉(zhuǎn)子在實際工況條件下進行平衡,不需要再裝配等工序,整機在工作狀態(tài)下就可獲得較高的平衡精度。

1、現(xiàn)場動平衡的先決條件是不平衡故障的判定,以及平衡面數(shù)的確定和各項準備工作的完成,這樣能保證平衡工作的省時、省力。如設(shè)備已經(jīng)停機,更換反光帶。

2、檢查平衡儀器功能和電源是否充足及電纜線的連接狀況。

3、振動傳感器和光電傳感器安裝位置應(yīng)始終保持不變。

4、每次數(shù)據(jù)記錄要準確,同時將第一次加試重后的振動幅值和相位與原始記錄比較,如變化不大,沒有達到20%以上,說明試重不合適,要重新考慮其大小和位置。

5、試重塊的安裝原則是:安裝合理,轉(zhuǎn)子運轉(zhuǎn)時,不能掉下,同時還要便于取下。

6、計算配重大小時,將原始記錄、加試重記錄及試重塊數(shù)據(jù)準確輸入計算器。配重塊加在指定位置后,一定要牢固,防止運行時掉下。

7、進入工作現(xiàn)場后,要熟悉周圍環(huán)境狀況,特別注意安全問題和防火問題。

8、啟動設(shè)備前應(yīng)及時與現(xiàn)場操作人員聯(lián)系,確認無誤后,方可啟動設(shè)備。

9、全部現(xiàn)場平衡工作過程中,要時刻注意并觀察設(shè)備運行狀態(tài),發(fā)現(xiàn)設(shè)備有異�，F(xiàn)象時,應(yīng)馬上示意停機,保護人身與設(shè)備安全。

磨床是精密機械加工必不可少的工作母機,為了適應(yīng)日趨精密的工作精度需求及不斷追求的高效率和低成本的目標,全球的磨床制造業(yè)都在不懈地致力于:提高機床的幾何精度,剛性和性能穩(wěn)定性。

眾所周知,砂輪是磨床的必要工具。想要讓砂輪磨削出準確的尺寸和光潔的表面,必須防止磨削過程中的振動。砂輪的結(jié)構(gòu)是由分布不均的大量顆粒組成,先天的不平衡無法避免,這必然會引起一定的偏心振動。而砂輪安裝的偏心度、砂輪的厚度不均、主軸的不平衡及砂輪對冷卻液的吸附等,會使振動更加增大。這些振動不僅僅影響到磨床的加工質(zhì)量,還會降低磨床的主軸壽命、砂輪壽命,增加砂輪修正次數(shù)及修整金剛石的消耗等。

磨床砂輪在在線動平衡校正的應(yīng)用為現(xiàn)代研磨工藝不可或缺的重要工程,當磨床內(nèi)外環(huán)境振動較好的時候,經(jīng)在在線動平衡校正后的砂輪殘余振動量,會比一般傳統(tǒng)手動靜平衡效果再優(yōu)化一個數(shù)量級,以峰到峰值(PeaktoPeak)的量測基準來評比,當靜平衡后為3μm時,動平衡可達0.3μm,綜合在線動平衡校正作業(yè)的優(yōu)勢,研磨加工業(yè)者可獲得以下的經(jīng)濟利益:

可大幅改善被研磨工件的真圓度、圓筒度和面粗度;

可延長被研磨工件壽命、減少研磨燒傷裂損現(xiàn)象,并控制其低頻工作噪音;

提高研磨加工精密度、穩(wěn)定性和批量一致性(CP值);

可延長傳統(tǒng)砂輪和金剛石砂輪修整裝置壽命;

可確保磨床主軸與軸承壽命,延長磨床維修間隔,降低磨床維修成本。

考慮到技術(shù)的先進性和經(jīng)濟上的合理性,國際標準化組織(ISO)于1940年制定了世界公認的ISO1940平衡等級,它將轉(zhuǎn)子平衡等級分為11個級別,每個級別間以2.5倍為增量,從要求最高的G0.4到要求最低的G4000。單位為公克×毫米/公斤(gmm/kg),代表不平衡對于轉(zhuǎn)子軸心的偏心距離。如下表所示:

動平衡等級