转子动力学的一个研究内容,指确定转子转动时产生的不平衡量(离心力和离心力偶,见相对运动)的位置和大小并加以消除的操作。不平衡量会引起转子的横向振动,并使转子受到不必要的动载荷,这不利于转子正常运转。所以,大多数转子应该进行动平衡。在机器制造或维修中,动平衡成为一道工序。

转子转动时产生的不平衡量是因转子各微段的质心不严格处于回转轴线上引起的。各微段因质心偏离回转轴线而产生的离心力都垂直于回转轴线。通过力的合成可把离心力系合成为少数的集中力,其方向仍垂直于轴线。一般说,至少要用分别作用于两个横截面上的两个集中力才能代表原来的离心力系。若这两个集中力刚好形成力偶,则原来的不平衡量在转子不旋转时是无法察觉和测量的;旋转时,力偶才形成横向干扰并引起转子的振动。这种不平衡的效应只有在旋转的动态中才能察觉和测量,所以需要进行动平衡。与此相对的静平衡是指当转子的质量很集中以致可以看作一个垂直于回转轴线的不计厚度的薄盘时,不需旋转就能进行的平衡。其作法是将转子水平放置,偏重的一边受重力作用会垂到下方,设法调整转子质心的位置,使之位于回转轴线上。

在测出不平衡的位置和大小后,或是直接将它去掉,或是在它的对称方向加上和它相应的质量来平衡它的效应,即通过去重或配重完成动平衡。

根据转子的变形和质量分布的情况,动平衡分为刚性转子的动平衡和柔性转子的动平衡。

刚性转子的动平衡

对于工作转速远低于临界转速的转子,不平衡量引起的变形很小。这种转子可按刚体处理,动平衡可在低速下进行,称为刚性转子的动平衡。在进行刚性转子动平衡时,各微段的不平衡量引起的离心惯性力系可以简化到任意选定的两个截面上去,在这两个面上作相应的校正(去重或配重)即可完成动平衡。为找到两个截面上不平衡量的方位和大小可使用动平衡机。常见的动平衡机分为软支承式和硬支承式两类,前者检测不平衡量引起的振动;后者检测不平衡转子对支承的作用力。刚性转子的动平衡问题已解决得较好。国际标准化组织(ISO)已规定出各类刚性转子动平衡的精度。

柔性转子的动平衡

超临界转速工作的转子在启动和制动时,转速必定通过临界转速,这时不平衡量会使转子产生明显的变形。若转子各微段质心对回转轴线的偏离对变形有明显的影响,则转子不能按刚性转子处理,相应的动平衡称为柔性转子的动平衡。

方法有两种:

①振型法。将不平衡量按转子的各阶固有振型分解。若动平衡时的转速接近某临界转速,则这一阶固有振型突出于其他各阶之上。通过检测该振型,就可找到为消除这一阶不平衡分量所需的校正质量的大小和应放置的位置。逐阶进行,就可完成动平衡。

②影响系数法。在转子上选定若干个校正面和若干个测量面并进行多次运转校正。某校正面上单位校正量在一定转速下引起的某测量面的振动就是一个影响系数。通过测量或计算求出这些影响系数,便可根据不平衡量引起的振动,确定为将各测量面的振动限制在某量值以下,各校正面应加配重(或去重)的位置和大小。在这两个方法的基础上还发展了其他方法,例如振型圆法等。

转子作为机械系统的重要组成部分,它的不平衡量常引起的振动,将导致设备振动、噪声及机构破坏,尤其是对于高速旋转的柔性转子,产生的机械事故将更明显,转子不平衡引起的故障约占机械全部故障的60%以上。随着当前精密数控加工技术的发展,高速转子在加工生产过程中产生的严重影响其加工精度的动平衡问题显得尤为重要,动平衡仪可以有效地保障设备运行的可靠性与安全性,能取得良好的经济效益和社会效益,具有重大的实际意义。

工程中的各种回转体,由于材质不均匀或毛坯缺陷、加工及装配中产生的误差,甚至设计时就具有非对称的几何形状等多种因素,使得回转体在旋转时,其上每个微小质点产生的离心惯性力不能相互抵消,离心惯性力通过轴承作用到机械及其基础上,引起振动,产生了噪音,加速轴承磨损,缩短了机械寿命,严重时能造成破坏性事故。为此,必须对转子进行平衡,使其达到允许的平衡精度等级,或使因此产生的机械振动幅度降在允许的范围内。转子动平衡和静平衡的区别。

各类机器所使用的平衡方法较多,例如单面平衡(亦称静平衡)常使用平衡架,双面平衡(亦称动平衡)使用各类动平衡试验机。静平衡精度太低,平衡时间长;动平衡试验机虽能较好地对转子本身进行平衡,但是对于转子尺寸相差较大时,往往需要不同规格尺寸的动平衡机,而且试验时仍需将转子从机器上拆下来,这样明显是既不经济,也十分费工(如大修后的汽轮机转子)。特别是动平衡机无法消除由于装配或其它随动元件引发的系统振动。使转子在正常安装与运转条件下进行平衡通常称为"现场平衡"。现场平衡不但可以减少拆装转子的劳动量,不再需要动平衡机;同时由于试验的状态与实际工作状态无二致,有利于提高测算不平衡量的精度,降低系统振动。国际标准ISOl940一1973(E)"刚体旋转体的平衡精度"中规定,要求平衡精度为G0.4的精密转子,必须使用现场平衡,否则平衡毫无意义。

现代的动平衡技术是在本世纪初随着蒸汽透平的出现而发展起来的。随着工业生产的飞速发展,旋转机械逐步向精密化、大型化、高速化方向发展,使机械振动问题越来越突出。机械的剧烈振动对机器本身及其周围环境都会带来一系列危害。虽然产生振动的原因多种多样,但普遍认为"不平衡力"是主要原因。据统计,有50%左右的机械振动是由不平衡力引起的。因此,有必要改变旋转机械运动部分的质量,减小不平衡力,即对转子进行平衡。

造成转子不平衡的因素很多,例如:转子材质的不均匀性,联轴器的不平衡、键槽不对称,转子加工误差,转子在运动过程中产生的腐蚀、磨损及热变形等。这些因素造成的不平衡量一般都是随机的,无法进行计算,需要通过重力试验(静平衡)和旋转试验(动平衡)来测定和校正,使它降低到允许的范围内。应用最广的平衡方法是工艺平衡法和整机现场动平衡法。作为整机现场动平衡技术的一个重要分支,在线动平衡技术也正处于蓬勃发展之中,很有前途。由于工艺平衡法是起步最早的一种经典动平衡方法。

整机现场动平衡技术是为了解决工艺平衡技术中存在的问题而提出的。

工艺平衡法的测试系统所受干扰小,平衡精度高,效率高,特别适于对生产过程中的旋转机械零件作单体平衡,在动平衡领域中发挥着相当重要的作用,汽轮机、航空发动机普遍采用这种平衡方法。但是,工艺平衡法仍存在以下问题:

1、平衡时的转速和工作转速不一致,造成平衡精度下降。例如:有不少转子属于二阶临界转速的扰性转子,由于平衡机本身转速有限,这些转子若采用工艺平衡,则无法有效的防止转子在高速下发生变形而造成的不平衡。

2、平衡机(特别是高速立式平衡机)价格昂贵。

3、在动平衡机上平衡好的转子,装机后其平衡精度难以保证。因为动平衡时的支承条件不同于转子在实际工作条件下的支承条件,且转子同平衡装置之间的配合也不同于转子与其自身转轴之间的配合条件,即使出厂前已在动平衡机上达到高精度平衡的转子,经过运输、再装配等过程,平衡精度在使用前难免有所下降,当处于工作转速下运转时,仍可能产生不允许的振动。

4、有些转子,由于受到尺寸和重量上的限制,很难甚至无法在平衡机上平衡。例如:对于大型发电机及透平一类的特大转子,由于没有相应的特大平衡装置,往往会造成无法平衡;对于大型的高温汽轮机转子,一般易发生弹性热翘曲,停机后会自动消失,这类转子需进行热动态平衡,用平衡机显然是无法平衡的。

5、转子要拆下来才能进行动平衡,停机时间长、平衡速度慢、经济损失大。

为了克服上述工艺平衡法的缺点,人们提出了整机现场动平衡法。

将组装完毕的旋转机械在现场安装状态下进行的平衡操作称为整体现场平衡。这种方法是机器作为动平衡机座,通过传感器测的转子有关部位的振动信息,进行数据处理,以确定在转子各平衡校正面上的不平衡及其方位,并通过去重或加重来消除不平衡量,从而达到高精度平衡的目的。

有于整机现场动平衡是直接接在整机上进行,不需要动平衡机,只需要一套价格低廉的测试系统,因而较为经济。此外,由于转子在实际工况条件下进行平衡,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。

1、现场动平衡的先决条件是不平衡故障的判定,以及平衡面数的确定和各项准备工作的完成,这样能保证平衡工作的省时、省力。如设备已经停机,更换反光带。

2、检查平衡仪器功能和电源是否充足及电缆线的连接状况。

3、振动传感器和光电传感器安装位置应始终保持不变。

4、每次数据记录要准确,同时将第一次加试重后的振动幅值和相位与原始记录比较,如变化不大,没有达到20%以上,说明试重不合适,要重新考虑其大小和位置。

5、试重块的安装原则是:安装合理,转子运转时,不能掉下,同时还要便于取下。

6、计算配重大小时,将原始记录、加试重记录及试重块数据准确输入计算器。配重块加在指定位置后,一定要牢固,防止运行时掉下。

7、进入工作现场后,要熟悉周围环境状况,特别注意安全问题和防火问题。

8、启动设备前应及时与现场操作人员联系,确认无误后,方可启动设备。

9、全部现场平衡工作过程中,要时刻注意并观察设备运行状态,发现设备有异常现象时,应马上示意停机,保护人身与设备安全。

磨床是精密机械加工必不可少的工作母机,为了适应日趋精密的工作精度需求及不断追求的高效率和低成本的目标,全球的磨床制造业都在不懈地致力于:提高机床的几何精度,刚性和性能稳定性。

众所周知,砂轮是磨床的必要工具。想要让砂轮磨削出准确的尺寸和光洁的表面,必须防止磨削过程中的振动。砂轮的结构是由分布不均的大量颗粒组成,先天的不平衡无法避免,这必然会引起一定的偏心振动。而砂轮安装的偏心度、砂轮的厚度不均、主轴的不平衡及砂轮对冷却液的吸附等,会使振动更加增大。这些振动不仅仅影响到磨床的加工质量,还会降低磨床的主轴寿命、砂轮寿命,增加砂轮修正次数及修整金刚石的消耗等。

磨床砂轮在在线动平衡校正的应用为现代研磨工艺不可或缺的重要工程,当磨床内外环境振动较好的时候,经在在线动平衡校正后的砂轮残余振动量,会比一般传统手动静平衡效果再优化一个数量级,以峰到峰值(PeaktoPeak)的量测基准来评比,当静平衡后为3μm时,动平衡可达0.3μm,综合在线动平衡校正作业的优势,研磨加工业者可获得以下的经济利益:

可大幅改善被研磨工件的真圆度、圆筒度和面粗度;

可延长被研磨工件寿命、减少研磨烧伤裂损现象,并控制其低频工作噪音;

提高研磨加工精密度、稳定性和批量一致性(CP值);

可延长传统砂轮和金刚石砂轮修整装置寿命;

可确保磨床主轴与轴承寿命,延长磨床维修间隔,降低磨床维修成本。

考虑到技术的先进性和经济上的合理性,国际标准化组织(ISO)于1940年制定了世界公认的ISO1940平衡等级,它将转子平衡等级分为11个级别,每个级别间以2.5倍为增量,从要求最高的G0.4到要求最低的G4000。单位为公克×毫米/公斤(gmm/kg),代表不平衡对于转子轴心的偏心距离。如下表所示:

动平衡等级