1、转子平衡原理及应用主讲人：曾令虎2014年10月目录 转子平衡的原理及作用1 1 转子平衡方案的选择2 2 转子平衡的应用3 3CONTENTS 众所周知，旋转机械产生振动几乎不可避免，且不说制造、安装工艺及环境条件等因素会引起振动， 即使以上各方面都很理想， 转子也会因运行过程中磨损及负载冲击而产生较大的振动。虽然产生振动的原因多种多样，但通常情况下“不平衡力”是主要原因。据资料统计， 由于振动原因导致设备失效的大约为60 70，其中由于转子不平衡失效的比例为30左右， 因此研究转子平衡问题具有重要的意义。1.转子平衡的原理及作用原理Principle 机械中有许多构件是绕固定轴线回转的，这
2、类作回转运动的构件称为回转件（回转件构成的组件称为转子）。如果回转件的结构不对称、制造不准确或材质不均匀，都会使整个回转件在转动时产生离心力系的不平衡，它们的方向随着回转件的转动而发生周期性的变化并在轴承中引起一种附加的动压力，使整个机械产生周期性的振动，且转子的转速越高，振动越大，破坏性越大。轻微不平衡会造成振动增大，损坏支承轴承，同时由于不平衡引起的过大的振幅造成产品质量下降，导致机组运行不稳定或停机；严重不平衡可能引起机器基础开裂、转子撕裂，造成巨大的人身和财产损失。1.转子平衡的原理及作用 近年来，由于高速重载和精密机械的发展，使上述问题显得尤为突出。检查和调整回转件的质量分布，使回转
3、件工作时离心力系达到平衡，以消除附加动压力、尽量减轻有害的机械振动，这就是回转件或转子平衡的目的。 转子动平衡技术应运而生并在之后的百余年间蓬勃发展， 先后出现了多种动平衡理论和方法，大体可以分为如下四类： 刚性转子动平衡技术：拆机进行； 挠性转子动平衡技术：拆机进行； 现场动平衡技术：不需要拆机，停机进行； 在线动平衡技术：不需要停机就可以进行，保证转子持续自动平衡 ；1.转子平衡的原理及作用挠性转子的特性曲线图中：Nc1转子第1阶临界转速(中心频率)； Ncn 转子第n阶临界转速； Nmin 最低运行转速； Nmc 最高连续转速，105%1.转子平衡的原理及作用【插入说明】 根据转子不平衡
4、产生的离心力作用与两支承端的形式的不同，可以将不平衡分为以下几种形式： 静不平衡：质量轴线与旋转轴线不重合但平行，主矢不为零，主矩为零； 准静不平衡：质量轴线与旋转轴线相交于某一点，主矢和主矩均不为零； 力偶不平衡：质量轴线与旋转轴线相交于某一点，主矢为零，主矩不为零； 动不平衡：质量轴线与旋转轴线不平行也不相交，主矢和主矩均不为零； 振型不平衡：对挠性转子而言，转子在运行的时候会产生弯曲，造成不平衡，不同转速下其振动型式均不一样。1.转子平衡的原理及作用不平衡问题种类Classification静不平衡：R0=Mrc20 ；M0=01.转子平衡的原理及作用准静不平衡：R0=Mrc20；M0
5、0 且两轴线相交1.转子平衡的原理及作用力偶不平衡：R0=Mrc2=0 ；M0 0 且两轴线相交1.转子平衡的原理及作用动不平衡：R0=Mrc2 0 ；M0 0 且两轴线不相交也不垂直1.转子平衡的原理及作用 振动频谱典型特征：不平衡问题通常是较高的转频振动占主导，一般其转频振动成份大于或等于其通频振动的80%以上； 不平衡力具有一定的方向性：离心力在径向基本是均匀的，轴及支承轴承的运动轨迹近似为一个圆，然而，由于轴承座的垂直支承刚度大于水平方向，所以正常的轴及支承轴承的运动轨迹为椭圆，即正常情况下水平方向振动要比垂直方向振动大1.5到2倍，若超出这个范围，可能存在其它问题，特别是可能存在共振
6、问题； 径向与轴向振动比较，当是不平衡问题占主导时，径向振动（水平和垂直）要比轴向方向的振动大得多（悬臂转子除外） ；1.转子平衡的原理及作用不平衡问题特征Features1.转子平衡的原理及作用不对中松动引起的谐波不平衡油膜涡动、碰摩0 2 4 6 8 10 12 14FREQUENCY IN ORDER 悬臂转子不平衡问题的方向性，通常情况下，径向和轴向振动都比较大，它是静不平衡和力偶不平衡同时存在，所以通常情况下需要二平面进行平衡修正； 有不平衡振动问题转子，其振动相位是稳定和可重复的； 不平衡问题会促使共振幅值增大，如果转子的工作转速比较靠近其系统自振频率处的共振点时，少量的不平衡振动
7、会增大10到50倍；1.转子平衡的原理及作用不平衡问题特征Features装配错误或装配误差导致零件的质量中心线与转动中心线不重合；铸造气孔或其他原因导致回转件材料质量不均匀；由于残余应力、受热不均、长期同一方向放置等引起转子变形；输送介质含杂质或黏性物质多造成转子上有沉积物；设计不均称，如电动机转子绕线一侧与另一侧是不均称的；运行时多种不确定因素（如局部磨损或损坏）破坏转子的平衡； 以上原因引起转子某种程度的不平衡问题，分布在转子上的所有不平衡矢量的和可以认为是集中在“重点”上的一个矢量，动平衡就是确定不平衡转子重点的位置和大小，然后在其相对应的位置处移去或添加一个相同大小的配重的工艺。1.
8、转子平衡的原理及作用引起不平衡的原因Causes一、低速动平衡和高速动平衡 机械中对多数转子而言，都是通过作低速动平衡而达到平稳运转的目的。低速动平衡周期短、费用低， 因此在不需要作高速动平衡的情况下，理所当然地选择低速动平衡方案。但由于作低速平衡只能平衡转子的静不平衡和力偶不平衡，无法解决由于转子弯曲而产生的不平衡，即振型不平衡量。因而某些已作了良好低速动平衡的转子有可能在通过临界转速时或在工作转速下仍发生比较大的振动而无法工作。这就是通常所说的高速破坏低速的问题，而实际上是振型不平衡太大所致。但是高速动平衡设备和操作成本太高，所以在选择动平衡方式时必须根据实际情况作出合理选择。 1、低速动
9、平衡方案的选用： 1）、在转子装配过程中，采用每个零部件多次低速动平衡方法可取得良好的效果。国内外几乎所有的制造厂家都使用这种办法。虽然次数多，但其周期和成本仍比高速动平衡低得多。 2.转子平衡方案的选择2）、在转子各种单级转子以及悬臂部分只有一个叶轮的单悬臂转子和双悬臂转子。这类转子由于主要的不平衡量集中在几个主要叶轮上，可以做到当地平衡，因此平衡效果也是好的。再比如， 目前国产转速最高的H100 离心压缩机，高速轴转速达 24000 r/min ，超二临界转速运行，也是作低速动平衡而能平稳运转。2.转子平衡方案的选择3）、如果转子在二、三阶临界转速间运行，而前两阶临界转速为刚体型振动。这类
10、转子可视为刚性转子或准刚性转子，采用低速动平衡方案是合理的 ，比如 DH56离心压缩机，其前两阶临界转速为刚体型振动。2.转子平衡方案的选择 2、高速动平衡的选用 对于整体多级转子，如果只作低速动平衡达不到要求，或者该转子特别重要，要求运转特别平稳，则应采用高速动平衡方案，以保证机组的安垒运转。图 2所示的 CO2 压缩机高压 转子，各厂采用不同的动平衡方案，有的采用低速动平衡，有的采用高速动平衡，可视具体 情况而定。 石化企业对于压缩机等大型机组的挠性转子不平衡故障通常都采用通过高速动平衡机进行校验。2.转子平衡方案的选择二、动平衡精度的确定 衡量一个转子的平衡情况过去常用的指标是残余不平衡
11、质量矩和校正平面的重心偏移，而现在大多用动平衡精度指标。根据选定的动平衡精度G可以计算允许不平衡量为：式中 ：M转子质量 mper 允许不平衡量(g) 平衡精度包括了转子的实际不平衡量、尺寸重量以及转子的工作转速，是一个综合性的指标。虽然在有关的国际标准（ GB/T 9239-2006）中对各类旋转机械的动平衡精度已作了规定，但是各种转子情况不同，包括本身的结构参数及其重要性不同，还应有不同的要求。合理地确定动平衡精度，既要保证运转可靠，又要考虑工作周期和经济性。2.转子平衡方案的选择在确定动平衡精度时须注意：1、有的转子在设计中， 由于种种原因，使工作转速无法避开共振转速区，使机组被迫在共振
12、转速区工作，那么同样的不平衡状态振动就要大得多，因此必须使动平衡精度尽量提高。反之，如果工作转速离开临界转速比较远，则不必要求过高的动平衡精度。 2、在确定动平衡精度时，还应考虑机组的实际工作转速的高低、机组的重要性等。转子在工作过程中总免不了由于种种原因而使平衡遭到破坏，因此对那些重要的机组，又要求长周期安全运转的，也应当确定比较高的动平衡精度，以保证在较长周期的运转中，虽然平衡被破坏一些，但仍处于比较好的状态或可 接受的状态。如果原来的平衡精度不高，一旦破坏就无法继续运行了。2.转子平衡方案的选择3、同样是柔性转子，但不同情况的转子其刚度可以有很大差别。例如两个在一、二阶临界转速之 间运行
13、的柔性转子，如果第一临界转速都是5000 r/min，第二临界转速都是10000r/min ，但是转子 I 的工作转速是6000 r/min，刚好超过第一临界转速20%，避 开了第一临界转速共振区而且远离第二临界转速，可以说它在柔性范围内处于转子刚度最大的状态，因而它抵抗各种激振力当然也包括抵抗不平衡力的能力最强。而转子就不同了， 的工作转速是8000 r/min，它虽然也避开了一、二阶临界转速共振区，它处于转子刚度最弱的陡态，因而抵抗各种激振力的能力就弱。很明显，转子 I、 要达到同样的运转要求，转子 I的平衡精度可以低些，而转子的平衡精度则必须高些。国标GB/T 9239-2006规定了一
14、些旋转机械的动平衡精度参考标准，如下表所示：2.转子平衡方案的选择2.转子平衡方案的选择2.转子平衡方案的选择2.转子平衡方案的选择【说明】根据平衡品质级别G和工作转速n来确定许用剩余不平衡量（如左图所示）三、平衡面的选取1、对于刚性转子，任何类型的不平衡问题都可以通过任选的二个平面得以平衡。2、对于挠性转子，当在一个转速下平衡好后，在另一个转速下又会出现不平衡问题。当一个挠性转子首先在低于它的70%第一监界转速下，在它的两端平面内加配重平衡好后，这两个加好的配重将补偿掉分布在整个转子上的不平衡质量，如果把这个转子的转速提高到它的第一临界转速的70%以上，这个转子由于位于转子中心处的不平衡质量
15、所产生的离心力的作用，而产生变形。由于转子的弯曲或变形，转子的重心会偏离转动中心线，而产生新的不平衡问题，此时在新的转速下又有必要在转子两端的平衡面内重新进行动平衡工作，而以后当转子转速降下来后转子又会进入到不平衡状态。为了能在一定的转速范围内，确保转子都能处在平衡的工作状态下，唯一的解决办法是采用多平面平衡法。2.转子平衡方案的选择2.转子平衡方案的选择挠性转子平衡种类：如果转子只是在一个工作转速下运转，小量的变形不会产生过快的磨损或影响产品的质量，那么可以在任意二个平面内进行平衡，使轴承的振动降低到最小即可。如果一个挠性转子，只是在一个工作转速下工作，但是将转子的变形量降低到最小是极其重要
16、的，这时最好采用多平面动平衡修正。如果一个转子必须在一个宽广的转速范围内都能平稳地工作，即该转子在低转速时是刚性的，在高转速时是挠性的，这时最好采用多平面动平衡修正。2.转子平衡方案的选择双面动平衡：需选两个加重平面及两个测振点。在其中一个面加试重时，需同时对两个测点的振动进行测量，即要考虑所谓交叉效应。其步骤大致如下： 1. 测量两个测点的初始振动2. 第1面加试重，测量两个测点的振动3. 第2面加试重，测量两个测点的振动4. 仪器自动计算出影响系数、两个面上的应加重量和位置测点1测点2平面1平面2相位测量一、刚性转子动平衡 3.转子平衡的应用 对于刚性转子，可以在任一转速下用选定的校正平面
17、加以平衡，由于转子是刚性的，转子质量的不平衡分布不会因为转速的变化而变化，并且转子也不发生挠曲变形，所以动平衡好的转子在其他的任何转速下也能保持平衡状态。 一般采用硬支撑动平衡机、软支撑动平衡机或现场动平衡法进行操作。二、挠性转子动平衡 3.转子平衡的应用 挠性转子的动平衡原理要比刚性转子复杂，原因就是旋转机械转子在转速超过一阶临界转速后由于离心力的作用会产生挠曲变形，挠性转子的转速不同时，不平衡离心力大小也不一样， 因此转子具有不同的挠曲变形，转子的挠曲变形改变了转子的质量分布，也就改变了不平衡量的分布，所以挠性转子的不平衡状况是随着转速的变化而变化的。 挠性转子区别于刚性转子的就是多出振型
18、不平衡量，因此要对挠性转子进行动平衡校正， 就必须消除振型不平衡量。一般情况下采用高速动平衡的挠性转子都需要先作低速动平衡，以避免转子进入高速时下出现振动增大而破坏的情况。3.转子平衡的应用哈电集团320吨转子高速动平衡试验装置三、现场动平衡 一般来说，对大多数转动设备，最好是在现场进行动平衡操作，这是因为现场进行动平衡测量及操作是在实际的操作条下、实际的工作转速下进行，不需要传统的动平衡机，只需一套价格低廉的测试系统，因而较为经济。此外，转子是在自身支承轴承和基础之上，不需要再装配等工序， 整机在工作状态下就可获得较高的平衡精度， 同时也免去了拆卸机器、 来回运送转子以及后期安装校正的工作。
19、3.转子平衡的应用三点法动平衡原理及操作流程如下：1、以工作转速启动转子，测量和记录原始振动幅值为O。 例如：O6 mils（152um）2、以O为半径，画圆，如图1所示。3、停下转子，在转子上取三个点“A”、“B”和 “C”，相隔近似120。不一定是很准确的120，然而三点相隔的角度必须是已知的，在我们的例子中如图2所示，“A”点是起点标注为0。其它点标注如图2所示。3.转子平衡的应用4、选择一块合适的试重，安装到转子点“A”处，此处可参考计算试加重的公式。 例如： 试加重（TW） 10 ounces （283.5克）5、启动转子达到正常工作转速，测量并记录此时的振动幅值记为 O+T1。在我
20、们的例子中 O+T14 mils（102um）。6、如图3所示，以A点为圆心，以O+T1为半径做圆。在我们的例子中以点“A”为圆心，以O+T14 mils为半径做圆。7、停下转子，将在A点处所加的试重移到B点处。8、启动转子达到正常工作转速，测量和记录新的振动幅值记为O+T2。在我们的例子中 O+T28 mils（203um）。3.转子平衡的应用9、以B点为圆心，以O+T2为半径做圆。在我们的例子中 此圆半径为O+T28 mils（203um）如图4所示。10、停下转子将在B点处的试加重量移到C点处。11、启动转子达到正常工作转速，测量和记录新的振动幅值记为O+T3。在我们的例子中 O+T31
21、1 mils（279um）。12、以C点为圆心，以O+T3为半径做圆。在我们的例子中 此圆半径为O+T311 mils（279um）如图5所示：【注】从A、B、C绘制的三个圆相交公共区域取其重心点标记为点D。3.转子平衡的应用13、从原始振幅圆的圆心“O”按图6所示方式画直线OD，该直线标记为“T”。14、使用与画原始振动圆时相同的比例，测量直线段“T”的长度。在我们的例子中，经过测量后，此“T”直线的长度为5.25in（133mm）。15、使用下面的公式，计算修正重量：CW=TW(O/T)式中：CW修正重量 TW试加重量 O 原始不平衡振幅读数 T 测量的结果矢量3.转子平衡的应用在我们的例
22、子中，计算结果如下：CW=TW(O/T)CW=10oz（6.0/5.25）CW=11.4oz或 CW=TW(O/T)CW=283.5克（152/133）CW=323克16、按图7所示，使用量角器，测量直线“T”与直线“OA”之间的角度，此角度即是修正重量相对于转子上的“A”点的安装角度。在我们的例子中，这个角度经测量得41。3.转子平衡的应用17、停下转子，从“C”点处拆下试加重。18、按在第15步中经过计算确定的配重，安装到经过第16步确定的角度处。在我们的例子中，经计算的配重为11.4oz（323克），将其安装到转子上从“A”点处，顺时针转过41的位置处，如图8所示。 按照上述说明，将计算
23、的修正重量加到经计算的角度处后，此转子应该到此平衡完毕。3.转子平衡的应用四、在线动平衡 不论是刚性转子动平衡、 挠性转子动平衡， 还是现场动平衡都需要在至少开关机数次的情况下进行， 但是有一些特别重要的设备， 必须保证不间断地连续工作而不能停机， 但是长期工作积累下来的热变形、 磨损和尘垢、 物料的不均匀堆积等因素都会使转子的平衡性遭受破坏， 为了保证转子的正常工作， 就需要一种不停机就可对转子进行平衡的方法， 这就是转子在线动平衡技术。 转子在线动平衡技术是利用振动传感器和电气检测装置， 在线检测出工作状态下转子的不平衡量的大小及相位， 然后根据此信息， 再手动或自动控制平衡机构的工作，
24、使其产生相应的校正平衡量， 从而使转子及时得到平衡。在线动平衡具有避免频繁开关机， 高平衡效率和精度， 同时可实现旋转机械工作过程中的自动平衡等优点。3.转子平衡的应用如右图所示是一种高速转子动平衡头总体设计模型图。该装置采用悬臂平衡头系统 ，转子工作过程中预先设定了振动大小（最大质量重心偏移量）的极限 ，当测量的振动值高于设定的参考值时 ，程序执行动平衡 ，甚至在程序完成平衡之后，随着旋转速度的改变而产生的新的振动量再次大于设定值时，系统仍继续监测转子状态 ，程序执行动平衡。3.转子平衡的应用平衡头结构原理图3.转子平衡的应用控制过程原理图3.转子平衡的应用 从上世纪中叶发展至今， 转子动平
25、衡技术已经逐渐成熟，日趋完备， 人们研究了许多动平衡技术方法并孜孜不倦的对其进行改良， 但是随着工业技术的不断进步， 对转子转速和精密度的要求也在不断提高，因此新的动平衡技术研究仍然不能停止脚步。 现在使用的几种转子动平衡技术虽然是按照时间先后产生的， 但是每种技术的适用范围不尽不同： 刚性转子动平衡技术仍然是使用最为广泛的平衡技术； 挠性转子平衡技术用于工作转速超过了一阶临界转速的高速转子； 现场动平衡技术多用于难以或者无法拆卸的巨型转子系统； 而在线动平衡技术则常使用于一些非常重要的需要时刻保证平衡的高精度转子。 由此可见， 各种动平衡技术都有继续发展的空间， 但是随着传感器精度的提高和自动一体化技术的不断提高， 在线动平衡这种技术含量较高的平衡技术， 应该得到更加广泛的重视。但是目前看来在线动平衡系统造价过高， 无法大面积安装， 因此如何降低在线动平衡的成本同时保证精度就成了未来动平衡发展的重要问题。 3.转子平衡的应用谢谢聆听！地址：北京市海淀区长春桥路5号新起点嘉园号楼1602室邮编：100089电话：010-8256 3248
