風阻效應下的組合轉子動平衡

摘 要：轉子的動平衡，是一項現(xiàn)代化生產(chǎn)中尖端的技術科研項目。風阻效應組合轉子是輔助動力裝置中最核心最重要的零部件之一，轉子結構復雜，裝配精度要求的較高，動平衡時不允許去材料，只允許相鄰的端齒配合面在0°～90°的范圍內(nèi)順航向調(diào)整整個轉子的質量分布，每個葉輪均有自己的動平衡特性，旋轉調(diào)整后變化因素多，很難保證整體的平衡要求，是一項技術瓶頸問題。此類組合轉子的整體動平衡技術研究在國內(nèi)尚屬首例，無成熟的經(jīng)驗可以借鑒，技術難度極高。通過理論分析和現(xiàn)場試驗，采用錯齒平衡、二倍頻分析、計算機輔助編程、影響系數(shù)等新工藝方法，攻克動平衡過程中轉子組合后跳動值超差、動平衡值飄移、振動大、旋轉不穩(wěn)定等的故障。

關鍵詞：整體動平衡；組合轉子；新工藝方法；平衡技術；葉輪

1 概述

現(xiàn)代社會，在機械加工精度已經(jīng)達到千分之一毫米量級，但機械運轉過程中的振動還是無法克服，而機械振動在機械運轉過程中絕大多數(shù)是有害的，它不僅能使轉子產(chǎn)生高軸疲勞斷裂，還會加速支撐件的磨損，從而加劇了機械振動，進而惡性循環(huán)，例如，我們的計算機CPU散熱風扇，新的產(chǎn)品運轉時，幾乎是無聲的，隨著使用，轉子的軸承磨損，風扇聲音變大，則被形容成“拖拉機”，而一些質量較好的散熱風扇，使用的壽命更長，這就是其中原因，然而機械運轉過程的振動起因有很多，其中轉子自身的不平衡量產(chǎn)生的振動則普遍存在，為減小轉子的不平衡量，則需要將不平衡量測出，進而想辦法消除。

2 轉子不平衡量產(chǎn)生的原理

轉子之所以產(chǎn)生不平衡量，其根本原因是質量中心與回轉中心不重合，造成了轉子變成一個質量為m的物體在繞著一個不在質心的點在做回轉運動，那么這就是典型的向心力模型。隨著向心力在不斷的作周期變化，那么振動也就產(chǎn)生了。

造成質量中心與回轉中心不重合的原因有很多，比如機械加工誤差，轉子材料的不均勻等原因，一般消除轉子不平衡的方法有去重法和增重法，那么如何準確的測出轉子的不平衡量大小及位置，則需要專業(yè)的儀器，動平衡機來進行。

2.1 轉子的結構特性

一般的轉子都是由工作部件和支撐軸組成，二者構成了整個轉子，其中任何一部分不平衡，均可能產(chǎn)生整個轉子的不平衡。

2.2 轉子的不平衡狀態(tài)

在機械旋轉時，轉子由于轉子質心的偏移，轉子旋轉過程中就產(chǎn)生離心力，離心力的周期變化則產(chǎn)生的機械振動，進而將力施加在支撐轉子的軸承上，該轉子處于不平衡的狀態(tài)，不平衡轉子的所有質量單元產(chǎn)生的慣性力使轉子變形并使旋轉軸撓曲。

對于一般的轉子而言，當離心力產(chǎn)生的力矩/力達到平衡時，即矢量合為零，則轉子的就達到了平衡，在不考慮其他因素時，轉子的機械振動就會消失。但如果合力不為零，則會出現(xiàn)如下狀態(tài)。

2.2.1 靜不平衡狀態(tài)

靜平衡狀態(tài)是指，一個轉子的大部分質量在一個平面上，工程上則認為長徑比小于0.2時，轉子可以作為靜平衡模型來考慮，這時，轉子的質心不在旋轉軸線上，則在轉子轉動過程中就產(chǎn)生了偏心力，即離心力。此時的轉子為靜不平衡轉子。

2.2.2 動不平衡狀態(tài)

動不平衡的實質是一個長軸轉子，其質量中心軸與回轉軸線重合轉子質量軸線與旋轉軸線成角度相交，那么，轉子在旋轉過程中，每個截面則產(chǎn)生了很多個離心力，所有離心力共同作用在轉子上，形成了合力矩，從而作用在轉子的兩個支撐上，此時的轉子即為動不平衡轉子。

3 平衡機的精密調(diào)整

現(xiàn)階段，為測量出轉子的不平衡量，需要使用專業(yè)的儀器進行，這種儀器就叫平衡機，而平衡機的性能直接影響動平衡的效果，好的動平衡機應具有足夠的靜態(tài)、動態(tài)剛度、熱穩(wěn)定性和精度。傳感器精度高、抗干擾力強、響應速度快。

首先，介紹一下動平衡機的工作原理，不平衡量的測量，其主要測量的轉子的振動量，動平衡機需要測量轉子的質量，轉子的旋轉轉速，轉子的振動量。平衡機工作時，將被測轉子擺放在專用的安裝架上，安裝架上安裝振動傳感器，通過電機驅動轉子進行旋轉，再通過轉速測量裝置，一般為激光測速儀，測出轉子的轉速，轉子上應有一個標記的零位，即測速儀對應的反光紙，通過振動的量級，來算出轉子的偏心質量，通過反光紙經(jīng)過激光測頭和振動產(chǎn)生的時間，來計算出偏心質量的角度，因為轉子在旋轉過程中，產(chǎn)生的振動因素有很多，其主要是轉子質量偏心產(chǎn)生的振動，平衡機經(jīng)過反復測量，排除掉次要因素，通過軟件計算，來評估出轉子的不平衡量，現(xiàn)階段的平衡機給出的不平衡量都是一個估算值，其不可能像測量長度和質量那樣精確。

通過平衡機的工作原理的分析，可以得出，影響測量精度的因素也主要由上述三種原因構成：（1）轉子的質量，當轉子側質量超出了安裝架的工作范圍，就會使安裝架振動過大，或過小，超出振動傳感器的測量精度或沒有達到傳感器的最小測量數(shù)值，結果也就不夠準確。（2）轉速測量不準，則影響了整個評估結果，無法準確算出振動量，無法準確算出偏心角度。（3）振動傳感器不準，那么測出的振動量有誤差，測出的不平衡量也就不夠準確。

3.1 定標精度

定標，給平衡機定標和給其他測量儀器定標的原理一樣，就是拿出一個已知不平衡量的轉子，在平衡機上進行測量，比較測量結果和已知不平衡量，可以給出精度；定標是否準確的檢驗方法：定標程序完成后將轉子進行簡單補償，測量后得到一個理想轉子的不平衡量，然后在已知角相，增加已知質量的平衡塊，測量后如果得到相應的已知角度和已知質量的不平衡量，此時說明定標有效，如果有偏差則定標無效，需重新定標。

3.2 補償模式

對于一些特殊的轉子，其自身沒有旋轉軸，這時就需要一個平衡芯軸來進行模擬旋轉，由于芯軸的制造精度，及轉子與芯軸的安裝誤差，其測量結果就會不準確，為此需要進行將芯軸的不平衡量去掉，此方法為反轉補償。

假設轉子與芯軸的不平衡量不在同一個方向且不在一條直線上，那么兩者形成的旋轉體的不平衡量為兩者的合力，通過重新裝配轉子與芯軸，并成180°對轉，那么形成的合力就會產(chǎn)生不同方向的變化，通過計算兩者之間的變化，即可補償?shù)粜据S的不平衡量。

4 風阻效應組合轉子的動平衡技術研究

4.1 動平衡的技術關鍵性

工程上，所謂動平衡工序是指通過平衡機的測量，測出轉子的偏心質量和偏位置（角度），再通過增重或減重的方法進行校正，來達到預期的結果，整個工藝過程即為動平衡工序。

由于動平衡測量主要是測量振動力，外力的加入會影響整個測量結果，而有風阻的轉子在旋轉過程中，會有外力對平衡過程進行影響，從而影響測量結果，而當將多個風阻轉子組合成一個轉子，則會有更多的外力對其進行影響，所以有風阻的組合轉子動平衡就存在以下幾點技術難點。

4.1.1 技術難點1

多個零件組裝，轉子容易出現(xiàn)過長現(xiàn)象，在旋轉過程中每個轉子的不平衡力矩相互疊加，時轉子發(fā)生彎曲，轉子就成了非剛性轉子，而動平衡的轉速無法做到太高（大于15000r/min），由于轉子有風阻，實際工作過程中，轉子會受軸向力，可能會使轉子的受力情況有所改善，這時，就出現(xiàn)的測量結果與實際工作狀態(tài)不符，而這是絕對不允許的。

4.1.2 技術難點2

轉子零件較多，存在安裝誤差，這就是為什么將每個轉子的不平衡量測出后，在按一定的角度安裝后，整體動不平衡量與計算結果不同。

4.1.3 技術難點3

由于轉子存在風阻效應，在轉動時阻力大，并且隨著轉速的增加，阻力隨轉速成線性放大趨勢，所以給平衡機的驅動電機增大了負擔，并且隨著氣流的擾動，使轉子的振動增大，從而影響平衡結果。

綜上所述，風阻效應下的組合轉子的動平衡工藝非常復雜，需要盡可能的排除外部影響。

4.2 動平衡輔助工具的設計

為了保證動平衡的精度及動平衡的安全性，需根據(jù)待平衡的轉子設計動平衡工裝，如果是雙軸承支承的轉子，則需要設計一套軸瓦工裝，將軸承抱緊，然后采用皮帶傳動，帶動轉子進行旋轉。

軸瓦的設計結構是保證動平衡質量的關鍵環(huán)節(jié)，由于雙軸承支承又稱為浮動支承，在旋轉時不平衡量會產(chǎn)生漂移和波動，為此我們在軸瓦的內(nèi)部設計限位止口，保證轉子的軸向穩(wěn)定性。

4.3 整體轉子動平衡的工藝方法的研究

影響系數(shù)法是轉子動平衡的重要方法之一。影響系數(shù)法實質上是矢量平衡法的發(fā)展，把矢量法從單測點、單平面擴展到多測點、多平面場合。

影響系數(shù)法的最大優(yōu)點是使用簡便，對操作者的技術要求不太高，容易實現(xiàn)平衡工作的計算機化。缺點是仍有賴于經(jīng)驗，對影響系數(shù)的讀取計算精度要求很高，需反復校核，各具優(yōu)缺點。

5 結束語

現(xiàn)階段，環(huán)保話題的熱度與日俱增，全球都面臨著碳排放的問題，因此，熱功轉換效率較高的燃氣輪機的應用前景非?？捎^，另外風能發(fā)電，水利發(fā)電中的風扇及水力渦輪機的使用也比較廣泛，風阻效應組合轉子動平衡技術在我國民用燃氣輪機、船舶動力，風力發(fā)電，水電站及核電站等領域均能得到廣泛的應用，轉子不平衡量的減少，可減少轉子轉動過程中的振動，對其使用壽命有很大的提高，可以直接減少其運營成本，間接增加經(jīng)濟效益。為我國國民經(jīng)濟的發(fā)展提供幫助，為保護我們唯一的地球貢獻力量。

參考文獻

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