岳景春　馬忠仁　王克

摘 要：本文簡(jiǎn)述了轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備剛性轉(zhuǎn)子的四種不平衡類(lèi)型和撓性轉(zhuǎn)子的高速動(dòng)平衡技術(shù)。列舉了通過(guò)高速動(dòng)平衡技術(shù)成功解決壓縮機(jī)組振動(dòng)超標(biāo)問(wèn)題的案例。進(jìn)一步驗(yàn)證了轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡是大型轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備檢維修的重中之重。

關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備；壓縮機(jī)組；轉(zhuǎn)子；動(dòng)平衡；

中圖分類(lèi)號(hào)：TH13 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-3520（2015）-01-00-02

大型轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備，如壓縮機(jī)、汽輪機(jī)、發(fā)電機(jī)、風(fēng)機(jī)、泵等是大型生產(chǎn)裝置的關(guān)鍵設(shè)備。它們通常具有大型、高速、連續(xù)工作及處于核心地位的特點(diǎn)，其運(yùn)行狀況好壞直接影響裝置生產(chǎn)，一旦故障停機(jī)，將造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和嚴(yán)重的乃至災(zāi)難性的后果。例如，1988年某單位電廠5號(hào)機(jī)組主軸斷裂，造成經(jīng)濟(jì)損失過(guò)億元；1986年4月前蘇聯(lián)的切爾諾貝利核電站四號(hào)機(jī)組發(fā)生嚴(yán)重振動(dòng)而造成核泄露，致使2000多人死亡，直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)30億美元。轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備的主要功能是由轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，據(jù)統(tǒng)計(jì)轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備約有近70%的故障與轉(zhuǎn)子不平衡有關(guān)。

一、剛性轉(zhuǎn)子的不平衡

剛性轉(zhuǎn)子的不平衡從效果上可分為四種類(lèi)型，即靜不平衡、力偶不平衡、準(zhǔn)靜不平衡和動(dòng)不平衡。其中靜不平衡和力偶不平衡是基本的，而準(zhǔn)不平衡和動(dòng)不平衡是派生的，但動(dòng)不平衡是最常見(jiàn)的，其它類(lèi)型又可看成是它的特殊情況。這些類(lèi)型可通過(guò)對(duì)一個(gè)完全平衡的轉(zhuǎn)子，以一定分布方式、增加一定的不平衡質(zhì)量所引起的主慣性軸相對(duì)于幾何軸心線產(chǎn)生的位移來(lái)進(jìn)行理解。

（一）靜不平衡

靜不平衡也稱(chēng)力不平衡，當(dāng)主慣性軸產(chǎn)生平行于軸線的位移時(shí)，就出現(xiàn)靜不平衡。這種不平衡主要存在于狹窄的圓盤(pán)形零件上，如單級(jí)離心泵葉輪、風(fēng)機(jī)葉輪和小型汽輪機(jī)葉輪上。其不平衡可用一個(gè)校正質(zhì)量進(jìn)行校正，校正質(zhì)量放在垂直于軸線且與重心相交的平面內(nèi)，位置與重心相對(duì)。

（二）力偶不平衡

力偶不平衡也稱(chēng)力矩不平衡，它的條件是主慣性軸與軸心線在重心處相交，當(dāng)兩個(gè)相等的不平衡質(zhì)量位于轉(zhuǎn)子相對(duì)的兩端且相隔180°時(shí)就出現(xiàn)力偶不平衡。此類(lèi)型轉(zhuǎn)子放在刃形支架上不會(huì)旋轉(zhuǎn)，故必須用動(dòng)力方法才能測(cè)出力偶不平衡，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)，每端將以相反的方向振動(dòng)，顯示出轉(zhuǎn)子不均勻的質(zhì)量分布。

（三）準(zhǔn)靜不平衡

準(zhǔn)靜不平衡的狀態(tài)為主慣性軸與軸心線相較于重心以外的一點(diǎn)。它是靜不平衡和力偶不平衡的特殊結(jié)合，即不平衡力偶的一個(gè)分量的角度位置和靜不平衡的角度位置相重合。這是動(dòng)不平衡的一種特殊情況。

（四）動(dòng)不平衡

動(dòng)不平衡的狀態(tài)為主慣性軸既不平行于軸心線，也不與軸心線相交。動(dòng)不平衡與力偶不平衡都是最常見(jiàn)的不平衡，動(dòng)不平衡只能在垂直于軸線的兩個(gè)平面內(nèi)用校正質(zhì)量進(jìn)行校正。只要實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的靈敏度足夠，剛性轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡可用較低的平衡轉(zhuǎn)速（相對(duì)于工作轉(zhuǎn)速），所以也稱(chēng)為低速動(dòng)平衡。根據(jù)低速動(dòng)平衡機(jī)的轉(zhuǎn)速檔位，可選接近的檔位或較高的檔位，一般在轉(zhuǎn)子工作轉(zhuǎn)速的20%左右。低速動(dòng)平衡最大的特點(diǎn)是校正面?zhèn)€數(shù)為2個(gè)，為使校正量減小，總是使校正面間距盡量大些（接近于支承軸承）。低速動(dòng)平衡方法是通過(guò)測(cè)量轉(zhuǎn)子軸承振動(dòng)，用動(dòng)平衡機(jī)附帶軟件分析出位于校正面與不平衡分布函數(shù)等效的不平衡當(dāng)量，然后使校正量與不平衡當(dāng)量大小相同，方向相反。

二、撓性轉(zhuǎn)子的動(dòng)平衡

撓性轉(zhuǎn)子的動(dòng)平衡在原理上與剛性轉(zhuǎn)子不同。由于轉(zhuǎn)子在運(yùn)轉(zhuǎn)中軸線變形比較明顯，因此除了力和力偶兩個(gè)基本不平衡量外，還存在第三種基本的不平衡量—-振型不平衡量。撓性轉(zhuǎn)子不像剛性轉(zhuǎn)子那樣，經(jīng)過(guò)低速動(dòng)平衡就能達(dá)到工作轉(zhuǎn)速上的平穩(wěn)運(yùn)行，而必須進(jìn)行高速動(dòng)平衡所以高速動(dòng)平衡有時(shí)也稱(chēng)為撓性轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡。但是如平衡中出現(xiàn)的是剛性臨界轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)子屬于半撓性的，則平衡中主要校正力和力偶不平衡量只是靈敏度高些，所以高速動(dòng)平衡又不完全是撓性轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡。

在高速動(dòng)平衡技術(shù)尚未問(wèn)世以前，大多數(shù)離心式壓縮機(jī)和汽輪機(jī)的撓性轉(zhuǎn)子工作轉(zhuǎn)速較低，工程上采用改良的低速動(dòng)平衡工藝，即傳統(tǒng)的逐級(jí)平衡法也可解決不平衡問(wèn)題。當(dāng)轉(zhuǎn)子工作轉(zhuǎn)速提高后，盡管采用逐級(jí)平衡法對(duì)降低原始振型不平衡量扔有好處，但卻不能確保轉(zhuǎn)子運(yùn)行平穩(wěn)。同時(shí)相對(duì)于高速動(dòng)平衡，采用逐級(jí)平衡法的成本反而提高。

高速動(dòng)平衡方法詳細(xì)的羅列起來(lái)，不下十余種，但是都可以歸納入振型分離法與影響系數(shù)法的范疇。振型分離法的優(yōu)點(diǎn)是：1、在最高平衡轉(zhuǎn)速上測(cè)量實(shí)驗(yàn)次數(shù)最少；2、在最高平衡轉(zhuǎn)速上能得到良好的靈敏度；3、不影響低階的平衡狀態(tài)。其缺點(diǎn)是：1、轉(zhuǎn)子軸承系統(tǒng)阻尼較大時(shí)效果不好；2、要求操作者具有較豐富的經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)；3、只能考慮1～2個(gè)測(cè)量數(shù)據(jù)。影響系數(shù)法的優(yōu)點(diǎn)是：1、兩個(gè)振型或更多的振型可同時(shí)進(jìn)行平衡；2、可以采用計(jì)算機(jī)輔助和自動(dòng)化；3、對(duì)于測(cè)量值較多的情況可用最小二乘法；4、可以利用測(cè)量誤差補(bǔ)償優(yōu)化影響系數(shù)；5、要求操作者所具有的相關(guān)知識(shí)不是很高。其缺點(diǎn)是：1、在最高平衡轉(zhuǎn)速上測(cè)量次數(shù)可能很多；2、對(duì)于高階振型的靈敏度不可能很高；3、要求具有前期平衡振型數(shù)據(jù)；4、校正面選擇不當(dāng)會(huì)出現(xiàn)無(wú)法實(shí)施的校正量。

撓性轉(zhuǎn)子是否順利地平衡到合格要求，不僅與實(shí)驗(yàn)方法有關(guān)，還與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等因素有關(guān)。例如，汽輪機(jī)和壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子上的校正面不是可以任意選擇的（理論上校正面?zhèn)€數(shù)可與輪盤(pán)數(shù)相同），一般只允許在輪盤(pán)上去重或加重；壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子至今還都采用去重校正，而平衡試驗(yàn)中只能用試加重；且試加重半徑與軸向位置還不可能與去重的一樣，這給動(dòng)平衡帶來(lái)了不少困難。又如早期的轉(zhuǎn)子做高速動(dòng)平衡前必須加工與動(dòng)平衡機(jī)連接的接手，接手內(nèi)孔應(yīng)與聯(lián)軸器內(nèi)孔錐度一致，保證良好接觸，并與軸頸熱裝過(guò)盈配合，接手外圓在裝配后精車(chē)，動(dòng)平衡完畢后采用車(chē)削拆卸而不是氣烤，以防止轉(zhuǎn)子軸頸變形。這些過(guò)程使動(dòng)平衡前期的準(zhǔn)備時(shí)間較長(zhǎng)（至少3天），且有一定的安全隱患（某制造廠曾因轉(zhuǎn)子接手熱裝量不夠，造成高速動(dòng)平衡時(shí)的飛脫事故）。因此，為方便撓性轉(zhuǎn)子的動(dòng)平衡過(guò)程，轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)應(yīng)滿(mǎn)足除剛性轉(zhuǎn)子的要求外，還有其他要求：新設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)子不要采用磨、銼、鏟等去重方式進(jìn)行不平衡量的校正，應(yīng)盡量采用加重的方式；其高速動(dòng)平衡使用的校正面，如果通用于低速動(dòng)平衡中的校正面，此平面上最好設(shè)計(jì)兩個(gè)平衡槽或兩列平衡螺孔。如兩者直徑不同，一般直徑大的用于低速，小的用于高速；轉(zhuǎn)子上的拆換件（如平衡盤(pán)、聯(lián)軸器及盤(pán)車(chē)齒輪等）最好自帶平衡槽或平衡孔；轉(zhuǎn)子在高速平衡中的驅(qū)動(dòng)端，在設(shè)計(jì)上應(yīng)安排驅(qū)動(dòng)連接螺孔，全部螺釘所能承受的最大驅(qū)動(dòng)力矩，應(yīng)按照轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量來(lái)設(shè)計(jì)，并且應(yīng)大于動(dòng)平衡中驅(qū)動(dòng)聯(lián)軸器所傳輸?shù)淖畲筠D(zhuǎn)矩。

三、通過(guò)動(dòng)平衡排除轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備故障事例

某煉油廠催化車(chē)間氣壓機(jī)組，由汽輪機(jī)、同步離合器、氣壓機(jī)、齒輪箱、電動(dòng)機(jī)幾部分串聯(lián)而成，如圖A。氣壓機(jī)型號(hào)為2MCL-456，壓縮氣體為瓦斯氣，入口壓力為0.102MPa，轉(zhuǎn)速10700r/min，軸承型式為5塊可傾瓦，聯(lián)軸器均為膜片式。該機(jī)運(yùn)行數(shù)年后為增大氣量，更換了轉(zhuǎn)子，擴(kuò)大了轉(zhuǎn)子隔板，并且對(duì)轉(zhuǎn)子做了高速動(dòng)平衡。改造后的轉(zhuǎn)子出現(xiàn)了振動(dòng)超標(biāo)，靠近齒輪箱一側(cè)的振動(dòng)測(cè)點(diǎn)VI375、VI376的振幅達(dá)到60um左右，此后又上升至90um左右。信號(hào)分析顯示振動(dòng)頻率中工頻成分占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，VI375、VI376的軸心軌跡為橢圓，確認(rèn)是轉(zhuǎn)子不平衡引起的振動(dòng)。尤其是轉(zhuǎn)子在到達(dá)工作轉(zhuǎn)速時(shí)，振幅迅速增長(zhǎng)，相位也有明顯變化。該轉(zhuǎn)子在做動(dòng)平衡時(shí)，也曾顯示9700～11000r/min之間具有明顯峰值，因此分析認(rèn)為，該轉(zhuǎn)子的工作轉(zhuǎn)速在它的二階臨界轉(zhuǎn)速附近，對(duì)于不平衡振動(dòng)具有較強(qiáng)的敏感性?？紤]到氣壓機(jī)靠齒輪箱一側(cè)的VI375、VI376測(cè)點(diǎn)振幅最高，決定在這一側(cè)的聯(lián)軸器上做現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡。動(dòng)平衡后VI375、VI376測(cè)點(diǎn)振值明顯下降，分析其原因是：（1）氣壓機(jī)和齒輪箱之間的聯(lián)軸器長(zhǎng)度較長(zhǎng)，達(dá)302mm，氣壓機(jī)轉(zhuǎn)子在這一端具有較長(zhǎng)的外伸端，因此該聯(lián)軸器上的不平衡對(duì)于引發(fā)轉(zhuǎn)子振動(dòng)十分敏感；（2）轉(zhuǎn)子工作轉(zhuǎn)速接近第二臨界轉(zhuǎn)速，微量的不平衡將在工作轉(zhuǎn)速下引起明顯的轉(zhuǎn)子振動(dòng)；當(dāng)轉(zhuǎn)速下降至10000r/min以下，轉(zhuǎn)子脫離了二階臨界轉(zhuǎn)速時(shí)，振幅的下降程度就十分明顯；（3）聯(lián)軸器本身可能存在不平衡，因?yàn)槁?lián)軸器出廠時(shí)單獨(dú)做動(dòng)平衡和轉(zhuǎn)子加聯(lián)軸器一起做動(dòng)平衡時(shí)，兩種動(dòng)平衡操作在聯(lián)軸器上重復(fù)去重，造成了聯(lián)軸器新的不平衡。

四、結(jié)論

以上是十幾年來(lái)檢修轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備時(shí)對(duì)動(dòng)平衡方面的一點(diǎn)淺顯經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，寫(xiě)在這里與大家共同探討。個(gè)人認(rèn)為由于轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備的結(jié)構(gòu)、零部件設(shè)計(jì)加工、安裝調(diào)試、維護(hù)檢修等多方面因素都會(huì)造成設(shè)備的動(dòng)不平衡，動(dòng)不平衡是造成設(shè)備損壞的主要原因，因此轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡是大型轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備檢維修的重中之重。

參考文獻(xiàn)：

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