剛性轉子的平衡分析和校正實驗

楊　陽

摘要:對旋轉機械的轉子部分進行動平衡試驗,是提高旋轉機械工作性能,延長設備維修時限的有力手段。在動平衡試驗過程中,要對校正方法、平衡找正位置、試驗參數等進行全面分析。

關鍵詞:旋轉機械;動平衡;平衡機;剛性轉子

中圖分類號:O247文獻標識碼:A

文章編號:1674-1145(2009)23-0142-02

機械運轉時,構件產生的慣性力或慣性力矩將會在機構各運動副中引起附加的動壓力,從而增大機構中的內應力和運動副中的磨擦、磨損,降低機械效率和使用壽命。同時,這些慣性力或慣性力矩還會傳到機架和基礎上,并隨著機械運轉的循環(huán)而產生周期性的變化,導致機械及其基礎產生強迫振動,降低了機械本身的工作精度、可靠性和零件的疲勞壽命并產生噪聲。嚴重時可能使機械破壞,甚至危及工作人員的安全。

隨著機械化工業(yè)進程的不斷向前推進,旋轉機械逐步向精密化、大型化、重載和高速化的方向發(fā)展,上述問題會變得更為突出,與過去的低速、小輸出機械相比,現代高速、高精度旋轉機械由于平衡因素而損害機械性能的比例更大,因此為了完全的或部分的消除機械不平衡的不良影響,就必須設法將構件的慣性力或慣性力矩加以消除或減小,這就是機械平衡的目的。

一、機械平衡的分類

機械的平衡可以歸納為兩方面的內容:一種為繞固定軸回轉構件的平衡;另一種為機構的平衡。

繞固定軸回轉構件的平衡簡稱為轉子的平衡,而轉子的平衡又分為剛性轉子的平衡與撓性轉子的平衡。一般的轉子屬于剛性轉子的平衡,所以這里我們主要討論的是剛性轉子的平衡。剛性轉子的平衡又分為剛性轉子的靜平衡和剛性轉子的動平衡。

二、剛性轉子的靜平衡和剛性轉子的動平衡原理

(一)剛性轉子的靜平衡原理

對于軸向尺寸較小的盤狀轉子,一般是指軸向寬度b與其直徑D之比b/D<0.2的轉子,例如帶輪、齒輪、鏈輪葉輪等?？砂阉鼈兊馁|量近似地認為分布在同一平面內。如圖1所示,若轉子的質心S不與回轉中心O重合,則當轉子等速轉動時其重量Q1將產生離心慣性力P1,從而在回轉副O(jiān)中引起附加的動壓力。為了消除這一附加的動壓力,可在同一平面上,在質心S相反的方向加一配重Q(也可在相同的方向減去某重量),而使S與O重合,此時配重Q所產生的慣性力P正好與Q1產生的慣性力P1大小相等方向相反而達到平衡(即其慣性力之和為零)。這就是剛性轉子靜平衡的原理。

(二)剛性轉子的動平衡原理

對于軸向尺寸較大的轉子,一般是指軸向寬度b與其直徑D之比b/D>0.2的轉子,例如電動機轉子、風機轉子等。它們的質量分布不能再近似地認為是位于同一平面內。而應看作分布在垂直于軸線而相互平行的回轉面內。

所謂剛性轉子的動平衡(亦稱完全平衡),就是不僅要使轉子在運動時,其各偏心重量所產生的慣性力之和為零,而且要使這些慣性力所構成的慣性力偶矩之和也等于零的一種平衡措施。

三、靜平衡和動平衡實驗

(一)靜平衡實驗

根據靜平衡產生的原理,我們可以看到,在理論上該剛性轉子是已經平衡了。但由于材料質量的不均勻以及制造和裝配上的誤差,而使轉子達不到原設計計算的要求,這種不平衡現象,在設計時是無法用計算的方法加以確定和設法消除的,而只能用實驗的方法來確定其不平衡重徑積的大小和方向,然后再用加(或減)配重的辦法來平衡。

靜平衡的試驗設備及試驗方法比較簡單。常用的有刀口式平衡架和滾子式靜平衡裝置。

(二)動平衡實驗

同樣,對于軸向寬度較大的轉子,經過平衡計算給予平衡后,還需要通過實驗的方法來最后確定其實際不平衡量的大小和方位。動平衡實驗的具體內容就是要確定轉子兩平衡面中的平衡配重的大小和方位。

四、動平衡實驗在我廠的應用

我廠于2003年購置H5U型硬支承平衡機,試驗轉子最大質量4400kg,同時配備有HEC831型氣電控制柜,先后于催化裂化裝置的DL100-36型離心式風機轉子、MCL904-16主風機轉子、YLⅡ-4000H型煙機轉子、MCL457氣壓機轉子、H38-9氣體壓縮機轉子和重整加氫裝置的YA355-2-W(185KW)電機轉子、BCL456-1型離心式氫壓機轉子進行了動平衡試驗。

針對煉油廠所作動平衡試驗實例,動平衡校正有兩種方法。一種是加重;一種是去重。無論采用何種方法,在校正時都不應損壞轉子性能,而且要采用適合轉子結構的合理方法,同時校正誤差應該最小化,且為施行校正所做的準備及校正操作應該簡單而高效。

(一)加重——在不平衡輕點方向附加質量

1.焊接。這種方法是按照測量值的大小將板狀重塊切斷并焊接在轉子上。通過動平衡機指示值按質量從大到小準備好幾種重塊,從中選擇與不平衡測量值相對應的重塊焊接到轉子上。一般是將重塊做成一定厚度,通過改變其長度或寬度來達到不同的質量。焊接的方法可選用點焊,按重塊的大小在幾點焊接或采用凸焊方法一次焊上。在轉子動平衡試驗中,該種方法較為常用。

2.錫焊。用板狀或條狀焊錫按不平衡的大小切斷成所需要的長度,將其加熱焊接到轉子上。這種方法我們在電機轉子動平衡試驗中應用過。

3.鉚焊。這種加重方法又分為兩種方式。一種是將鉚釘作為配重鉚接到轉子上;另一種是將焊接方法所述的板狀重塊鉆兩個孔,將板狀重塊用鉚釘鉚到轉子上。前者適合于在轉子的圓周上鉆幾個孔,用分量校正法校正。后者也可用于分量校正或極坐標校正,這時是在轉子的輕點方向用雙頭鉆鉆出底孔,然后將重塊用兩個鉚釘鉚上。

4.螺釘。在轉子一定半徑的圓周上加工好等間隔的螺孔,按不平衡的大小選用長度不同的螺釘擰入進行校正,一般多在軸端面沿軸向擰入,這是因為沿徑向擰入時,轉子旋轉時有松動飛出的危險。如果需要從外周徑向擰入,應采用止動螺釘,擰入后最好采取防松措施。這種方法我們常用于不能使用焊接方法達到加重要求的試驗。

(二)去重——從重點方向去除質量的方法

1.鉆削。用鉆頭在轉子上鉆孔以校正不平衡的方法是一種簡單易行并且去重準確的校正方法,在轉子動平衡試驗中最為常用。但也存在一些問題,當鉆孔深度過大時,有些轉子由于強度大使校正誤差增大,影響試驗結果的準確性。在徑向鉆深孔,則孔深與不平衡校正間的線性關系發(fā)生改變,而在軸向鉆深孔時會帶來校正平面分離誤差。根據實踐經驗,建議在初始不平衡較大時,盡量采用大直徑鉆頭,或采用多頭鉆。

2.磨削。對于需要保證表面的流體力學性質的光滑表面,在平衡校正時常采用磨削方法。在現場試驗時,均采用手動砂輪機進行校正,此種方法較為簡便。但也存在一些不足,用這種校正方式可去除的不平衡量小,校正的相位及大小難于判斷決定,所以往往需要反復進行校正及測量,工作效率一般不高。

3.鏨削。這是用鏨削在不平衡重點處去除質量的一種方法。它與磨削去重一樣,不易進行準確的校正。如果初始不平衡大,往往先用鏨削方法進行粗校正,為使表面光滑再用砂輪進行精密校正。

(三)剛性轉子的動平衡實驗實例

對煉廠現有的動設備來說,大部分屬于剛性轉子。剛性轉子的平衡分為單面平衡、雙面平衡和多面平衡?，F場試驗中,我們多采用雙面平衡的方法使試驗轉子達到動平衡。所謂雙面動平衡,就是指在轉子上選擇軸向位置不同的兩個平面校正其不平衡。H5U型硬支承平衡機幾種支撐模式如圖2所示。

現以動力東區(qū)風電機轉子動平衡試驗過程為例進行說明采用手動鉆削校正方法去重的具體應用。

1.試驗轉子的選擇:平衡轉速(由制造廠對校驗轉子規(guī)定的最低轉速):600轉/分;最大許用不平衡量(按設備說明書要求):300g·mm。

2.校正位置的選擇。校正平面:選擇依據為兩平面間距較大,且屬于非工作表面易于去重后不影響該轉子工作性能,該項試驗選擇如圖位置(轉子)為校正位置。支撐位置:一般選擇裝配軸承(該試驗為滾動軸承)處為支承位置。如圖3所示為轉子支撐位置及去重位置。

3.校驗程序。由于電機轉子質量集中于中部,因此對中部兩端找正面去重就能達到動平衡許用范圍。在校正過程中,經常采用極坐標法,即將轉子中部找正平面六等分,起始點與萬向聯軸節(jié)的零刻度線水平,按平衡機規(guī)定的程序和平衡轉速開機試驗,根椐測試度數和對應等分點確定去重位置,經多次去重后使該轉子達到動平衡許用范圍。

(四)試驗結果評估

電機轉子經動平衡校正后,進行現場安裝,在實際工況下運行,達到有關振動等參數要求。

五、結語

動平衡技術是一種新興的前景較為廣闊的實用技術,將來不僅僅局限于機械設備制造維修領域的測量和校正操作,而是將推廣至能把設備運行的最終控制參數(如高速泵的振動值、機床的加工精度等)直接反饋回來,使這些參數保持在期望狀態(tài),并能對平衡狀態(tài)進行自動調整。

對于煉廠現有電動機、泵、壓縮機等(待物特別是高速、高精度)大型轉動設備若經動平衡試驗后,在實際運轉狀態(tài)下達到平衡。無論是從設備工作性能的提高,還是從設備維護保養(yǎng)時限的延長等方面來講,都是非常有利的。從長遠來看,轉動設備的動平衡試驗也是企業(yè)挖潛增效的一種好方法。

參考文獻

[1](日)三輪修三,下村玄著,朱曉農譯.旋轉機械的平衡[M].北京:機械工業(yè)出版社,1992.

[2]通用臥式平衡機校驗法(GB4201-84).

作者簡介:楊陽,女,甘肅省玉門市油田分公司煉油化工總廠工程公司工程師,研究方向:化工設備與機械。