转子动平衡技术研究与应用

韩震宇

摘 要：旋转零件在当今汽车乃至整个工业的发展都变得尤为重要，随之而来的对于旋转零件的平衡技术也变得日趋严峻。在力学原理上有刚性转子的平衡理论和方法，其发展具体体现在平衡上一些新工艺、新技术。

关键词：离心力；静平衡；动平衡；刚性转子；挠性转子

由于现在机械的高速发展，尤其是汽车企业的发展速度不断提高，转子的速度、长径比在不断增加，在旋转中已经呈现挠曲状，如果按原有的刚性转子的平衡理论因为实在低速下进行的平衡理论已经不能完全满足现在的工艺要求，就必须按照挠性转子的重新进行计算。

在理想的情況下回转体旋转与不旋转时，对轴承产生的压力是一样的，但在实际生产中每个回转物由于材料分配不均匀或者铸造缺陷、加工时产生的误差等多种因素都造成了回转体的不平衡，这种状态称之为静态不平衡，但当回转体在旋转时因为微小的质点所产生的离心力不能相互抵消，从而产生了不平衡的离心力，也就是动态的不平衡。

不平衡的原因大体分为以下几种：

（1）转动件本身形状不对称；

（2）加工过程中产生的误差；

（3）安装不正确；

（4）旋转运动时的误差；

（5）零件的磨损；

（6）转动件上有其他物质附着。

动平衡的作用如下：

（1）提高转子何其组装产品的质量；

（2）降低噪声；

（3）减少振动；

（4）提高轴承的使用寿命；

（5）降低使用者的不舒适感；

（6）将能能源的消耗。

在零件中围绕轴线旋转的零件称之为转子：

对于是否需要平衡的转子姑且分为两大类：平衡类转子，在旋转或不旋转时对于轴承只有静压力的转子。不平衡类转子，转子在旋转时对轴承除了有静压力外，还有其他的压力（如动压力），则称为不平衡转子。如果转子是不平衡的，其动压力将通过轴承传递到机器上，引起机械振动。

根据IOS的标准，转子是由轴承支撑的旋转体，多为机械零件中的主要旋转件。典型的转子有电机转子，曲轴，凸轮轴等还包括各位泵的转子。

（1） 定义一：刚性转子既可以在任意选定的两个校正平面上进行平衡校正，并且完成校正之后，在直至最高工作转速的任何转速以及无限接近实际工作转速的条件下，其残余不平衡量无明显改变的转子。

挠性转子既由于弹性挠曲而不能满足刚性转子定义的转子。

（2）定义二：工程上常用临界转速作为区分挠性转子和刚性转子的分界。

工作转速低于一介临界转速时，其不平衡离心力较小，由此引起的挠曲变形因为很小所以可以忽略不计，这种类型的转子被称为刚性转子。相反如果工作转速高于一阶转速临界点，其挠曲变形不能被忽略的转子则被称为挠性转子。

（3）定义三： 在转子任意两端面上，加上质量相同的块M，如果只考虑一阶的挠曲振型，在工作转速下测得轴承的振幅为A1，然后把两质量块同时移到转子中央，测得轴承振幅为A2，放大系数β=（A2-A1）/A1，以此作为转子的度量称之为“柔度”。而根据转子得被放大系数不同，我们可将转子分为：

（1） 当0< β<0.4时为刚性转子；

（2） 当0.4《 β<1.25时为准刚性或半挠性转子；

（3） 当β》1.25时为挠性转子。

刚性和挠性只是相对于某一定义标量而言的。

不平衡可以分为静不平衡、偶不平衡、动不平衡三种不平衡状态，对它们的平衡方法也是不一样的。

（1）静不平衡在某一半径为R、质量为M的平衡转子中心平面上加上一个质量为m的不平衡质量。此时转子的重心与原重心之间产生了一个距离为e（e=mR/M）的偏心距，新的中心惯性主轴和转动轴线之间始终处于平行状态，当转子重新旋转时，由于这个新产生的偏心距而引起的离心惯性力使轴承产生振动，如果要使这转子平衡就必须在它对等的重心平面位置上加上同一个质量m，转子便平衡了。

（2） 偶不平衡其平衡转子的一个平面上180度加两个相等重量的不平衡量。两个大小相同但是方向相反的不平衡量。带有这种不平衡量的转子不会在薄片支撑上自己稳定在特定的位置，所以不能再用这种转子自稳定找位置的办法来检测出转子的不平衡量。即不能在同一个平面上加重或者去重，必须在两个平面上加重或去重，转子才能得到平衡。

（3）动不平衡是静不平衡与偶不平衡的组合。转子的中心惯性主轴和实际转动轴线既不相交也不平衡，如果需要平衡这样的转子就必须在两个或者两个以上平面内加重或者去重才能使转子得到新的平衡。

无论哪一种类的转子只要经过了平衡校正之后，消除了它的偶不平衡的同时也消除了它的静不平衡，此时转子的中心惯性主轴和转动轴线就基本一致了，转子也达到了平衡状态。但在实际生产和加工过程中这些都是理论上的数据，如果想得到一个不平衡量为零的转子那完全是不可能的，因为我们还需考虑到平衡机本身的精度和转子的局限性。所以对于不同的零件我们要做的只是达到转子所需要达到的平衡精度即可。

当刚性转子的转轴通过质心并且为惯性主轴时，刚性转子转动时不会出现轴承的动约束力，这种现象称之为“动平衡”。动平衡实际上就是所谓的动不平衡，是运用在旋转零件或者精度要求非常高的设备上。转子在围绕轴线旋转时，由于轴线上质量分布不均匀而产生离心力。这种不平衡的离心力在转子轴承旋转上会引起振动，产生噪声从而加速轴承磨损，严重影响设备的使用性能和寿命，如果平衡不好会使旋转零件在运转中飞出去。

旋转零部件在制造过程中，都需要稳定正常地运转。举例：如汽车车轮制动盘、发动机曲轴、液力变矩器、增压器、齿轮、风叶等。

如果一个转动的物体质量分布不均匀，转动起来就会产生振动。不均匀程度越大，振动也越大。消除振动的方法很简单，就是把不均匀的质量点找出来并去掉它或者在它对面人为地加一块相同的质量去平衡它。

任何旋转零件都存在不平衡，而我们做动平衡的目的就是要使旋转零件（转子）在其工作转速范围内甚至更高转速范围内运转平稳，而转子在工作转速范围内通过临界转速时不至于引起比较大的振动，就需要做动平衡，或者想办法降低不平衡量，使之达到某一精度要求。

国际标准化组织（ISO）于1940年制定了平衡等级“ISO1940”，它将转子的平衡等级一共分为11个等级，每个级之间以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（g.mm/kg），用来代表对于转子不平衡轴心的偏心距离。该标准建立了转子的实际最高转速与允许接受的残余不平衡量两者之间的关系，其中罗列了每个等级中分别具有代表的转子和其建议理论不平衡等级间的关系介绍了质量不平衡等级G（等效于一个不受约束的转子所产生的eω），因为它可用来对别设备在不同速率运转时的物理特性。标准中的G值在数字上相当于以9500r/min运转的转子用μm来表示的偏心率e。转子的不平衡等级或质量不平衡可以参照一台已校准的动平衡机来进行评定。平衡质量等级（G）代表回转体处于不平衡状态时回转体重心的线速度，是用来判定转子动态负载的一种机械比较量。如果G值越小，则回转体旋转相对是平稳的。