浅谈转动设备转子不平衡及经验探讨

岳景春　马忠仁　王克

摘 要：本文简述了转动设备刚性转子的四种不平衡类型和挠性转子的高速动平衡技术。列举了通过高速动平衡技术成功解决压缩机组振动超标问题的案例。进一步验证了转子动平衡是大型转动设备检维修的重中之重。

关键词：转动设备；压缩机组；转子；动平衡；

中图分类号：TH13 文献标识码：A 文章编号：1674-3520（2015）-01-00-02

大型转动设备，如压缩机、汽轮机、发电机、风机、泵等是大型生产装置的关键设备。它们通常具有大型、高速、连续工作及处于核心地位的特点，其运行状况好坏直接影响装置生产，一旦故障停机，将造成巨大的经济损失和严重的乃至灾难性的后果。例如，1988年某单位电厂5号机组主轴断裂，造成经济损失过亿元；1986年4月前苏联的切尔诺贝利核电站四号机组发生严重振动而造成核泄露，致使2000多人死亡，直接经济损失达30亿美元。转动设备的主要功能是由转子旋转来实现的，据统计转动设备约有近70%的故障与转子不平衡有关。

一、刚性转子的不平衡

刚性转子的不平衡从效果上可分为四种类型，即静不平衡、力偶不平衡、准静不平衡和动不平衡。其中静不平衡和力偶不平衡是基本的，而准不平衡和动不平衡是派生的，但动不平衡是最常见的，其它类型又可看成是它的特殊情况。这些类型可通过对一个完全平衡的转子，以一定分布方式、增加一定的不平衡质量所引起的主惯性轴相对于几何轴心线产生的位移来进行理解。

（一）静不平衡

静不平衡也称力不平衡，当主惯性轴产生平行于轴线的位移时，就出现静不平衡。这种不平衡主要存在于狭窄的圆盘形零件上，如单级离心泵叶轮、风机叶轮和小型汽轮机叶轮上。其不平衡可用一个校正质量进行校正，校正质量放在垂直于轴线且与重心相交的平面内，位置与重心相对。

（二）力偶不平衡

力偶不平衡也称力矩不平衡，它的条件是主惯性轴与轴心线在重心处相交，当两个相等的不平衡质量位于转子相对的两端且相隔180°时就出现力偶不平衡。此类型转子放在刃形支架上不会旋转，故必须用动力方法才能测出力偶不平衡，转子旋转时，每端将以相反的方向振动，显示出转子不均匀的质量分布。

（三）准静不平衡

准静不平衡的状态为主惯性轴与轴心线相较于重心以外的一点。它是静不平衡和力偶不平衡的特殊结合，即不平衡力偶的一个分量的角度位置和静不平衡的角度位置相重合。这是动不平衡的一种特殊情况。

（四）动不平衡

动不平衡的状态为主惯性轴既不平行于轴心线，也不与轴心线相交。动不平衡与力偶不平衡都是最常见的不平衡，动不平衡只能在垂直于轴线的两个平面内用校正质量进行校正。只要实验系统的灵敏度足够，刚性转子动平衡可用较低的平衡转速（相对于工作转速），所以也称为低速动平衡。根据低速动平衡机的转速档位，可选接近的档位或较高的档位，一般在转子工作转速的20%左右。低速动平衡最大的特点是校正面个数为2个，为使校正量减小，总是使校正面间距尽量大些（接近于支承轴承）。低速动平衡方法是通过测量转子轴承振动，用动平衡机附带软件分析出位于校正面与不平衡分布函数等效的不平衡当量，然后使校正量与不平衡当量大小相同，方向相反。

二、挠性转子的动平衡

挠性转子的动平衡在原理上与刚性转子不同。由于转子在运转中轴线变形比较明显，因此除了力和力偶两个基本不平衡量外，还存在第三种基本的不平衡量—-振型不平衡量。挠性转子不像刚性转子那样，经过低速动平衡就能达到工作转速上的平稳运行，而必须进行高速动平衡所以高速动平衡有时也称为挠性转子动平衡。但是如平衡中出现的是刚性临界转速，转子属于半挠性的，则平衡中主要校正力和力偶不平衡量只是灵敏度高些，所以高速动平衡又不完全是挠性转子动平衡。

在高速动平衡技术尚未问世以前，大多数离心式压缩机和汽轮机的挠性转子工作转速较低，工程上采用改良的低速动平衡工艺，即传统的逐级平衡法也可解决不平衡问题。当转子工作转速提高后，尽管采用逐级平衡法对降低原始振型不平衡量扔有好处，但却不能确保转子运行平稳。同时相对于高速动平衡，采用逐级平衡法的成本反而提高。

高速动平衡方法详细的罗列起来，不下十余种，但是都可以归纳入振型分离法与影响系数法的范畴。振型分离法的优点是：1、在最高平衡转速上测量实验次数最少；2、在最高平衡转速上能得到良好的灵敏度；3、不影响低阶的平衡状态。其缺点是：1、转子轴承系统阻尼较大时效果不好；2、要求操作者具有较丰富的经验和知识；3、只能考虑1～2个测量数据。影响系数法的优点是：1、两个振型或更多的振型可同时进行平衡；2、可以采用计算机辅助和自动化；3、对于测量值较多的情况可用最小二乘法；4、可以利用测量误差补偿优化影响系数；5、要求操作者所具有的相关知识不是很高。其缺点是：1、在最高平衡转速上测量次数可能很多；2、对于高阶振型的灵敏度不可能很高；3、要求具有前期平衡振型数据；4、校正面选择不当会出现无法实施的校正量。

挠性转子是否顺利地平衡到合格要求，不仅与实验方法有关，还与结构设计等因素有关。例如，汽轮机和压缩机转子上的校正面不是可以任意选择的（理论上校正面个数可与轮盘数相同），一般只允许在轮盘上去重或加重；压缩机转子至今还都采用去重校正，而平衡试验中只能用试加重；且试加重半径与轴向位置还不可能与去重的一样，这给动平衡带来了不少困难。又如早期的转子做高速动平衡前必须加工与动平衡机连接的接手，接手内孔应与联轴器内孔锥度一致，保证良好接触，并与轴颈热装过盈配合，接手外圆在装配后精车，动平衡完毕后采用车削拆卸而不是气烤，以防止转子轴颈变形。这些过程使动平衡前期的准备时间较长（至少3天），且有一定的安全隐患（某制造厂曾因转子接手热装量不够，造成高速动平衡时的飞脱事故）。因此，为方便挠性转子的动平衡过程，转子设计应满足除刚性转子的要求外，还有其他要求：新设计的转子不要采用磨、锉、铲等去重方式进行不平衡量的校正，应尽量采用加重的方式；其高速动平衡使用的校正面，如果通用于低速动平衡中的校正面，此平面上最好设计两个平衡槽或两列平衡螺孔。如两者直径不同，一般直径大的用于低速，小的用于高速；转子上的拆换件（如平衡盘、联轴器及盘车齿轮等）最好自带平衡槽或平衡孔；转子在高速平衡中的驱动端，在设计上应安排驱动连接螺孔，全部螺钉所能承受的最大驱动力矩，应按照转子的转动惯量来设计，并且应大于动平衡中驱动联轴器所传输的最大转矩。

三、通过动平衡排除转动设备故障事例

某炼油厂催化车间气压机组，由汽轮机、同步离合器、气压机、齿轮箱、电动机几部分串联而成，如图A。气压机型号为2MCL-456，压缩气体为瓦斯气，入口压力为0.102MPa，转速10700r/min，轴承型式为5块可倾瓦，联轴器均为膜片式。该机运行数年后为增大气量，更换了转子，扩大了转子隔板，并且对转子做了高速动平衡。改造后的转子出现了振动超标，靠近齿轮箱一侧的振动测点VI375、VI376的振幅达到60um左右，此后又上升至90um左右。信号分析显示振动频率中工频成分占绝对优势，VI375、VI376的轴心轨迹为椭圆，确认是转子不平衡引起的振动。尤其是转子在到达工作转速时，振幅迅速增长，相位也有明显变化。该转子在做动平衡时，也曾显示9700～11000r/min之间具有明显峰值，因此分析认为，该转子的工作转速在它的二阶临界转速附近，对于不平衡振动具有较强的敏感性。考虑到气压机靠齿轮箱一侧的VI375、VI376测点振幅最高，决定在这一侧的联轴器上做现场动平衡。动平衡后VI375、VI376测点振值明显下降，分析其原因是：（1）气压机和齿轮箱之间的联轴器长度较长，达302mm，气压机转子在这一端具有较长的外伸端，因此该联轴器上的不平衡对于引发转子振动十分敏感；（2）转子工作转速接近第二临界转速，微量的不平衡将在工作转速下引起明显的转子振动；当转速下降至10000r/min以下，转子脱离了二阶临界转速时，振幅的下降程度就十分明显；（3）联轴器本身可能存在不平衡，因为联轴器出厂时单独做动平衡和转子加联轴器一起做动平衡时，两种动平衡操作在联轴器上重复去重，造成了联轴器新的不平衡。

四、结论

以上是十几年来检修转动设备时对动平衡方面的一点浅显经验总结，写在这里与大家共同探讨。个人认为由于转动设备的结构、零部件设计加工、安装调试、维护检修等多方面因素都会造成设备的动不平衡，动不平衡是造成设备损坏的主要原因，因此转子动平衡是大型转动设备检维修的重中之重。

参考文献：

[1]<<机械设备故障诊断实用技术>>（杨国安编著中国石化出版社出版2007）

[2]<<化工维修钳工>>（李和春主编中国化工机械动力技术协会组织编写2009）