刚性转子平衡技术

Theodore

　　刚性转子一般指工作转速低于第一阶临界转速，转子挠曲对振动影响可以忽略的转子。

　　理想的转子应具有对称的几何形状和均匀的质量分布，在每个轴平面上质量中心与几何中心重合在同一位置，假设没有其他影响，理想的转子在金属强度足够的情况下可以任意速度绝对平稳地旋转且没有振动。

　　但实际中的转子往往因锻件或铸件材质不均匀、加工制造公差、装配公差、不均匀磨损腐蚀、转子永久弯曲、转子参数导致的热弯曲等原因，转子质心往往偏离旋转中心。

　　在转子某个任意的轴向位置转子质心都与转子的几何中心偏离一定的距离e并与几何中心有一固定的角度位置，转子系统的不平衡等于转子质量M与e的乘积，当该值超过允许值时，则称该转子处于不平衡状态。

　　对于长径比较小，转轴直径及质量均较小的单圆盘转子(如单级风机)，该类转子不平衡质量可认为主要集中在叶轮上，也被称为不平衡质量轴向分布已知的转子。

　　对于有一定长度轴向分布质量的转子(如汽轮机转子)，该类转子沿轴向每一截面均有不平衡质量分布，并在空间具有一定的三维形状，不平衡质量沿轴向每一截面分别矢量合成后类似于转子模态振型，如果该不平衡质量分布形状与转子某一模态一致，则不平衡将强烈激起此振动模态。该类转子也被称为不平衡质量轴向分布未知的转子。

　　转子平衡即是调整转子质量分布，将质心偏离转子几何中心的距离e减小的过程。

　　一、 平衡精度等级的表示方法
　　(一) 转子平衡精度分类
　　ISO1940/1973对转子平衡精度做了分类，以转子质量偏心е和工作角速度ω之积G来表示，若e取微米为单位,则G=e.ω/1000，单位mm/s 。G的大小作为精度标号，精度等级之间的公比为2.5。等级分为：G4000、G1600、G630、G250、G100、G40、G16、G6.3、G2.5、G1、G0.4共十一级。与电厂转动设备关的精度等级为G6.3、G2.5级，G6.3级包括的转子或转动部件有，工作母机零件、船舶涡轮机传动机构、离心风机、风扇、组合式燃气轮机、飞轮、水泵、机床和普通机械零件、普通电枢、特殊要求的发电机单个组件;G2.5级包含的转子或转动部件包括汽油机或蒸汽涡轮机(包括船舶主要涡轮机、刚性汽轮发电机转子)、涡轮压缩机转子、机床传动装置、特殊要求的中型和大型电枢、小型电枢、涡轮驱动泵等。

　　(二) 允许残余不平衡量计算

　　例如一台G2.5等级的平衡精度，重量200KG，工作转速3000r/min，平衡矫正位置半径200mm的转子，残余不平衡量计算为：

　　二、 转子静平衡
　　静平衡技术可使转子达到粗略的平衡，消除大的不平衡质量，减少后续动平衡工作量，装配过程每一级均先实施静平衡可消除每一级的较大不平衡量，且所加平衡质量符合不平衡质量轴向分布，并符合柔性转子平衡原理。

　　(一) 较大不平衡质量的静平衡
　　将转子或转子上单独的旋转部件放在专用的圆导轨上，旋转转子部件，理论上转子不平衡质量重点总会旋转到最低点，利用这一原理在其对称位置加重或在不平衡重点位置去重，以达到质量平衡的目的。重复这一矫正过程，直到没有明显不平衡量。

　　式1-1、2-1说明当不平衡量力矩与加重矫正量力矩差值等于平衡机构摩擦力矩时，转子可以在任一位置停留。但是残余不平衡量由静平衡圆导轨机构摩擦力形成的摩擦力矩决定，因客观存在的摩擦力距，所以该平衡方法只能实现粗略的平衡。

　　(二) 较小不平衡质量的静平衡
　　因圆导轨在旋转过程中摩擦力不可避免，当旋转部件上的不平衡质量不足以克服系统上存在的摩擦力时，虽然转子可以在任意位置停留，但上诉静平衡无法继续进行下去，所以平衡精度较低。为进一步提高静平衡精度，可继续采用平衡重量周移的静平衡技术消除平衡机构内摩擦力影响，提高平衡精度。

　　1. 转子圆周8等分(或者更多)

　　2. 分别将每一等分点盘到同一水平位置，分别试加一定重量直到旋转部件开始转动为止，记录每一等分点所加重量汇成曲线。如图1-1

　　图1-1 等分点加重示意

　　由图中可见，最大加重量位置在2和3点之间，最小加重量在6和7点之间。所以不平衡质量应在6和7点之间，须在2和3点之间加重，以平衡6和7点之间的不平衡质量，加重量应为ΔW/2。

　　重复以上步骤，直到ΔW值显著减小，最大加重和最小加重无明显区别为止。

　　三、 转子测振幅动平衡
　　(一) 三点法动平衡是现场比较常用，在没有相位测量条件下比较实用的一种测振幅动平衡方法，对于刚性转子，尤其单圆盘型的转子较适用。

　　(二) 平衡步骤

　　如图1-2所示，依次按照如下步骤实施。
　　1. 启动转子至额定转速测取原始振幅A0;
　　2. 以原始振幅A0为半径，一般放大1000倍画圆，并在图上120度等分三个点S1、S2、S3;
　　3. 停机在转子圆周与图纸对应位置 120度等分三个点分别试加重量P，并测取每次试加后的振幅A1、A2、A3。
　　注：第二次、第三次需将之前的试加重量取下;
　　4. 在原图三个等分点S1、S2、S3上分别以A1、A2、A3为半径放大同样的比例画圆，三个圆应交于一点O’。
　　5. 测量出OO’长度后计算应加重量及角度。

　　图1-2 三点法图示

　　应加重量Q计算如下

　　以图1-2为例应加角度为OO’所指方向，也即是S1位置逆转向旋转а角。

　　6. 因测量等误差存在，三个圆往往不能交于一点，此时可做与三个圆均相切的圆，圆心为O’。连接OO’即为应加角度方向，加重量按照式1-3计算。如图1-3

　　图1-3 三个圆不能交于一点时三点法图示

　　四、 划线法配合图解法动平衡
　　(一) 划线法动平衡实际上是初级测相位平衡方法的一种，在没有振动测量仪器的情况下在现场比较实用。

　　(二) 如图1-4所示，依次按照如下步骤实施。
　　1. 在振动较大轴承的外露端，找一段光洁的轴颈，轴颈表面无明显麻点、划痕等缺陷，轴颈低速下晃度值应小于0.02mm，清理表面油污灰尘锈迹;
　　2. 启动转子至平衡转速，利用彩色铅笔轻轻靠近轴颈，感觉到接触后迅速退回，并沿轴向一定宽度内反复多次触碰;
　　3. 停机后观察轴颈上铅笔触碰位置，选择着色弧段的中心即为振动高点位置O1;
　　4. 在图上以初始振幅A0的长度按比例(一般放大1000倍)画指向O1的矢量线;
　　5. 选择试加重量P，P值可按同类型转子获取的影响系数计算获得。如没有影响系数，也可按照其在平衡转速下产生的离心力为转子重力的10%选择。如平衡转速3000r/min，5000Kg的转子，加重半径400mm，可选择试加重量P=(5000*9.8*10%)/0.4*(2*3.14*50)2=124g;
　　6. 加重角度除根据同类型转子获取的影响系数计算获得外，也可根据机组结构分析获得，一般系统刚度正常的刚性转子滞后角可在5-20度之间选择;
　　7. 加上试加重量P后重新升速至平衡转速，再次利用彩色铅笔重复步骤2-步骤3，测取试加重量后的振动位移高点02;
　　8. 以试加重量P后的振幅A1的长度，按比例(一般放大1000倍)画指向O2的矢量线;
　　9. A1即为原始不平衡量和试加重量P共同作用下的振幅值也即是：
　　A1=A0 + A2
　　10. 应加重量Q计算为：

　　11. 加重角度以图1-4为例，在原加重位置逆转向转动а角度。

　　图1-4 划线法动平衡