高速动平衡机的描述与检验探析

盛德恩，郭卫建

(1.衡超装试(北京)科技有限公司，北京 100080； 2.北京双元天衡检测科技有限公司，北京 100085)

1 引 言

在动平衡技术领域，低速动平衡的相关技术标准已经相当全面并且得到了广泛应用。关于通用型动平衡机的描述与评价的国家标准[1]和国际标准[2]，从1975年至今更新了四版，其详细规定了平衡机的性能指标和检验方法，包括用于检验平衡机的校验转子和试验质量，已成为业内描述和检验平衡机的主要依据。航空及燃气轮机行业较多采用的SAE标准，其用独立的标准分别规定立式和卧式平衡机以及检验用的标准转子[3-6]。另一方面，低速平衡机的平衡对象刚性转子的平衡精度也有相应标准[7]。与之相比，高速动平衡目前只有挠性转子动平衡方法国际标准[8]，缺少高速动平衡机描述与评价的国家标准或国际标准。我国2017年制定了高速平衡机行业标准《高速平衡机》(JB/T 13220-2017)[9]，这是世界上第一部关于高速平衡机的标准。

在该标准颁布之前，因一直没有相应的国际标准、国家标准或行业标准，高速平衡机用户和制造厂家之间往往只能依据厂家的技术规格书来约定机器的配置、性能和验收等事项，缺乏双方共同的对话平台。该行业标准的颁布，对于规范高速平衡领域的技术行为，为高速平衡机供需双方提供了一个对话的基础和依据，为促进我国高速平衡机制造业健康发展，具有重要的意义。

但该标准目前还只是第一版，在高速平衡机性能指标的定义和检验方法等方面还有许多需要完善和提高的地方。因此，为了更好地反映高速动平衡机的技术特征，更清晰地定义其技术指标，并给出正确且可行的检验方法，有必要对该标准进行一些修订。本文对该领域的基础理论和基本原理做了简要论述，进而提出了一些关于高速动平衡机性能的描述与检验方法的建议，供业内专家和广大用户讨论，为将来进行标准修订提供参考意见。

2 高速动平衡机的工作原理

根据文献[9]的定义，高速平衡机是指对各类卧式挠性转子进行高速平衡的试验测量装置。其工作原理可这样表述：高速动平衡机是用来将被平衡的挠性转子支承在特殊设计的摆架上高速旋转，通过测量摆架轴承座的振动速度基频成分的大小和相位，用影响系数法求解各平面上需要修正的不平衡量大小和相位，从而使挠性转子在直至其最高工作转速范围内摆架的振动降低至可接受水平的设备。这里包括几层含义：

第一，其平衡对象是挠性转子，即工作转速高于至少一阶临界转速的转子。虽然高速动平衡机也有低速平衡功能，但这不是其主要功能，是用来在高速平衡前对转子刚性状态进行预平衡的。根据文献[8]，有些挠性转子的平衡问题是在低速平衡机上进行低速平衡来解决的，这种情况不属于高速动平衡机应用的范畴。

第二，支承摆架是高速动平衡机的关键部件，有其独特的设计特征以保证在规定的转速范围内测量的正确性。文献[8]指出，转子应安装在合适的轴承座上，理想的情况是转子在平衡机上的支承条件与其工作现场的类似，使得工作条件下转子的运行状态在平衡机上得以充分地展现。

第三，测量参数通常是振动速度基频成分的有效值和相位，其是表征在一定转速下挠性转子由于不平衡量存在引起转子挠曲变形而产生的离心动载荷的较为理想的参数。

第四，高速动平衡机上不能直接测得各指定修正平面上不平衡量的大小和相位，而要通过加试重并经多次测量运转，用影响系数法来求得各修正面上不平衡量的大小和相位。

第五，高速动平衡的结果不是以转子上剩余不平衡量的大小来衡量的，而是以轴承座上的振动(或轴颈振动位移)降低至可接受的水平来衡量的。

从机械振动和转子动力学理论上讲，可以对高速动平衡机做如下表述：被平衡的挠性转子通过滑动轴承支承在具有专门设计的各自由度方向刚度的摆架上被驱动旋转，由于滑动轴承油膜具有系统隔离作用，转子与摆架表现为各自独立但又相互作用的振动系统。一方面，转子在动平衡机上呈现出的动态特性，即临界转速和振型，与其工作状态近似，从而使得转子在平衡机上平衡后在其工作支承条件下也能获得平稳的运转状态；另一方面，转子对摆架的作用表现为不平衡离心力作为激励施加于摆架自身构成的一个机械振动系统，其工作在亚共振区，其振动基频成分的幅值正比于激励的大小，其相位与激励的相位对应。因此，在转子不同的平面上加试重进行旋转能够激起转子不同的临界转速和振型，用影响系数法就能计算出对应平面上的校正质量的大小和相位，将对应阶振动降低，如果用此方法从低阶到高阶逐步平衡各阶振型，则称作振型平衡法；如果逐次在多个不同校正平面加试重并进行测量运转，采集足够多的数据，由计算机软件一次建立起各试重在不同转速下与其所引起的摆架振动之间的关系，即影响系数矩阵，由影响系数矩阵进一步计算出各平面上修正不平衡量的大小和相位，此法称为影响系数法。

由此可见，振型平衡法和影响系数法仅是操作步骤上不同，其背后所基于的理论都是影响系数法，是线性系统假设。

此外，高速动平衡机还具有超速试验功能，但这里的超速试验不是为了试验转子的强度，而是试验转子的动态特性，比如工作转速附近滑动轴承的稳定性、工作转速是否接近更高阶临界转速等。

综上所述，高速动平衡机的关键在于摆架支承系统，包括摆架、摆架底座(如果有)和舱体支承结构，其在测量方向(通常为垂直方向)的固有频率必须高于摆架最高工作转速对应的频率，或者换一种表述，摆架支承系统的动刚度，即激振力除以振幅，在直至摆架最高工作转速内始终保持正值，不能接近或等于0以远离共振；其次，高速动平衡机的测量系统，包括传感器和跟踪滤波测量系统，必须具有足够的测量精度和分辨率，以保证测得的振动值是正确的、可信的和具有足够精度的；最后，高速动平衡软件的性能主要体现在计算的正确性与计算速度、功能的丰富性、操作的方便性和工作的可靠性等方面，一般没有具体的技术指标来描述其性能优劣。

3 高速平衡机性能的描述

低速平衡机的标准《机械振动 转子平衡 第21部分：平衡机的描述与评定》(GB/T 9239.21-2019)为高速平衡机标准的制定提供了很好的参考，高速平衡机的标准应能反映高速动平衡机的技术特征，恰当地定义和描述高速动平衡机性能指标和检验方法。本文认为以下指标是描述高速平衡机的重要和关键指标。

(1)摆架动刚度

摆架动刚度是摆架支承系统动态特性的直接表述，是作用于摆架轴承座上动态力与其振动位移幅值的比值，量纲为N/μm。其不是一个具体的数字，而是一条曲线，从低转速到最高工作转速呈下降趋势。最低速端的数值为静刚度，其大小反映了低速平衡测量灵敏度；在高速端，其也必须保持一定的正值才能保证摆架测量方向的固有频率高于最高工作转速对应的频率。取决于动平衡测量传感器测得的是摆架轴承座的相对振动还是绝对振动，动刚度也有相对动刚度和绝对动刚度之分。相对振动是摆架轴承座相对于摆架底脚的振动，用相对振动换算得到的刚度为相对动刚度，其是摆架自身的刚度。绝对振动是摆架轴承座相对于大地的振动，用绝对振动换算得到的刚度为绝对动刚度，其是包含了摆架杆簧及摆架底座和舱体支承结构的整个支承系统的动刚度。相对刚度总是大于绝对刚度的。如果在某转速上绝对振动幅值趋于无穷大，则换算得到的动刚度接近0，表明遇到系统共振频率了。

绝对动刚度曲线需在现场通过激振试验测得，而摆架设计参数只能给出摆架本体(不包括底座和舱体支承结构)的静刚度。摆架在出厂前的检验，其相对动刚度对于摆架制造质量控制是有意义的，而绝对动刚度只能代表摆架在制造车间地基刚度条件下的动刚度，并不能代表摆架安装在实际真空防爆舱内条件下整个支承系统的性能与质量。在机器技术规格书中给出最高工作转速实际上就已包含了动刚度的含义，也就是说，机器的最高工作转速指标是通过动刚度测试来检验的。

(2)低速平衡功能

如前所述，低速平衡测量并不是高速平衡机的主要功能和应用。由于高速平衡机的静刚度远大于同等吨位大小的低速平衡机的摆架刚度，测量灵敏度远低于低速平衡机，两者之间呈上百倍甚至数百倍的关系。因此，低速平衡精度，即剩余不平衡量克毫米数，通常达不到低速平衡机那样水平。工程实际中，低速平衡测量并非最终平衡任务，而是主要用于高速平衡前的预平衡。但低速平衡测量指标仍然是重要的，因为其表征了测量系统测量结果的正确性与性能的高低。

对高速平衡机的低速测量功能的描述应当给出某指定转速上的最小可测不平衡量指标，类似于低速平衡机的最小可达不平衡量Umar，比如1000rpm时不平衡量最小可测不平衡量400g·mm，同时再给出其与转速的关系，转速越高，这个值越小。该指标代表了在摆架刚度确定了的基础上测量系统的测试能力。

关于一次不平衡减低率URR，由于没有像低速平衡机那样的标准转子，也没有平衡效率方面的追求，所以不能够也没必要像低速平衡机那样规定该指标。

由于低速平衡测量的含义是指在转子刚性状态下测量系统的永久性标定的适用范围，类似但又不同于低速平衡机中的Wn2常数，在高速平衡机上进行低速平衡测量时要求测量转速低于转子第一阶临界转速的30%。也就是说，选择平衡转速的上限是由转子的临界转速决定的，而不是像低速平衡机那样由转子质量与摆架刚度决定的。

(3)振动测量系统的灵敏度与精度

如前所述，由于高速动平衡的测量参数和平衡结果的评判都是振动参数，通常为振动速度基频成分，因此振动测量系统的灵敏度和精度成为高速平衡机的一项重要性能指标。这里的振动测量系统指的是平衡机自身所配备的用于平衡测量目的的传感器和测量仪，而不是有些设备上增配的宽带振动测量系统。对该项指标的描述，平衡机技术规格书应给出传感器类型，是振动位移、速度或加速度传感器，测量参数是相对振动还是绝对振动，给出传感器灵敏度和机械放大器(如果有)的放大比。测量系统与传感器的综合测量精度以好于+/-5%为宜。

(4)高速动平衡功能

如前所述，高速动平衡测量是基于影响系数法理论的，而影响系数，即振动与不平衡量之间的对应关系在很大程度上是由被平衡转子，而不仅仅是由高速动平衡机决定的。因此，不可能存在一个数值指标来定义高速平衡机的高速动平衡的性能，只能定性地描述和验证。在前述三项指标得以保证的条件下，测量结果的正确性是可以得到保证的，高速动平衡的效果便取决于测量系统的影响系数计算能力。

现代高速动平衡机，其测量系统都已计算机化，甚至配备有功能强大的计算机辅助高速动平衡系统。对于前者，至少应具备“特定转子标定”功能，能够计算单转速的影响系数。而对于后者，则更能计算多面多转速的影响系数矩阵和各平面的不平衡校正量的大小和相位，并能根据给定的条件进行优化，甚至还能够计算预期的残余振动等。所以，对于高速平衡功能只需描述具备怎样的影响系数和不平衡校正量的计算功能，实际验证则需结合具体的被平衡转子。

用户方总是期望能够规定“高速动平衡精度”这一指标并且能够检验，但这一期望是不现实的。文献[8]给出了挠性转子的平衡指导，即不同类型挠性转子的平衡方法和怎样确定不同情况下挠性转子的平衡目标，而给不出挠性转子的具体的平衡精度。对于使用方的这一期望，供需双方可在合同中约定具体的实际转子，其平衡后的振动基频成分(通常为轴承座绝对振动速度有效值或轴颈相对振动位移峰峰值)低于双方约定值，此约定值的确定可参考文献[8]的有关说明，应低于该转子工作状态下的振动允许值。

(5)其它功能

同其它机器一样，一些常规参数、配置组成和软件功能等，在机器的技术规格书中也必须予以描述，包括但不限于：适用的转子参数范围，如转子质量范围、直径和长度范围、摆架轴承座孔接口尺寸；摆架的能力参数，如最高测量转速和最高超速试验转速、允许最大动载荷或最大振动，摆架的基本相对刚度和带附加刚度后的总相对刚度；驱动系统参数，如驱动功率、齿轮箱各挡输出转速、所配各传动轴的扭矩与转速；辅机系统参数，如舱体最低可达真空压力和抽真空时间，大气及真空油站供油流量和压力；真空防爆舱的防护等级须达到平衡机安全防护标准[10]规定的D级，即防护转子爆裂的能力。

4 高速动平衡机的检验

高速动平衡机难以像低速平衡机那样制定出校验转子和试验质量的标准，依据标准制造出各规格的校验转子与试验质量，用以检验规定的性能指标。高速动平衡机可行的和目前实践中应用的方法是用激振器进行激振检验。

第一，系统动刚度检验。行业标准《高速平衡机》(JB/T 13220-2017)给出了摆架动刚度检验方法和参数计算公式，也就是用激振器来对摆架进行全转速的激振试验，在直至最高转速的范围内均匀选取10个速度点进行测量，将各转速上测得的数据，根据给出的参数计算公式由不平衡量、转速和测得的振值，计算出各转速点上的刚度值，标示在坐标图上，绘制刚度-转速曲线。

该项检验应该用平衡机自身的测量系统测量振动，在传感器灵敏度已知和测量仪已正确设置的前提下进行，测量参数为振动位移或振动速度的基频幅值。

现有标准[9]推荐的是检验摆架的动刚度，本文认为应该检验整个支承系统的动刚度，也就是绝对振动动刚度，因为这里谈的是高速动平衡机整体，而不仅是摆架这一部件，摆架以下的支承结构的刚度也对整机性能产生影响。如果检测的是相对动刚度，为了检出摆架以外的结构共振频率，测点应加密到20点以上，如果有测点数值明显偏离整体动刚度曲线，此转速点附加应加密测量。

现有标准[9]称检验结果应符合第6.3.1.2条要求，但此条并未给出具体要求，结合其上一条6.3.1.1条的含义，本文认为，最高转速上的动刚度值不应低于静刚度值的25%。

除了基本刚度条件下的动刚度需要检测，施加了附加刚度条件下的动刚度也应检测，但该检测只用来验证附加刚度系统的功能，其具体数据并无更多含义。

激振器的激振质量和其安装半径(二者的乘积为不平衡量)应予以精确规定，并在激振器的合格证书中予以记载。

关于对摆架轴承座进行六个自由度上用冲击锤进行固有频率试验，本文认为做了全转速动刚度检验后不再具有必要性。

第二，低速动平衡功能检验。建议在摆架最高工作转速的10～30%范围内用激振器检验低速不平衡量测量精度这一指标。低端转速选取10%主要是考虑由于摆架刚度在极低转速下的测量灵敏度很低，另一方面则是10%以下基本不会用到。高端转速范围选取摆架最高工作转速的30%的原因在于，在高速平衡机上进行低速平衡测量时要求转子必须处于近似刚性状态，要求转速不能高于转子一阶临界转速的30%，因此实践中低速平衡的测量转速不可能高于摆架最高工作转速的30%。更高的转速则无必要进行检验。

关于不平衡量幅值量精度检验，可以借鉴低速平衡机的Umar检验方法，激振器的不平衡量取平衡机标称最小可测不平衡量的10倍，在摆架最高工作转速的10～30%范围内均匀取10点转速进行测量，而不是像低速平衡机那样固定测量转速而改变不平衡量的相位角，测量结果数据波动幅值不应超过平均值的±12%。

关于不平衡测量相位精度检验，由于不再进行URR检验，所以应在上述不平衡量幅值测量的同时一并测量相位，同时规定相位的波动量不应超过一个合理的数值，比如±3°。

需要说明的是，低速平衡功能反映了整个测量系统的平衡解算功能和综合精度，包括摆架、传感器和滤波测量系统。需首先用激振器对摆架和测量系统标定，然后再对该指标予以检验。所谓标定，本质上就是摆架静刚度的测试和设定。

第三，测量系统精度检验。摆架上所配备的振动传感器的灵敏度特性曲线应由原始制造厂家提供，其定期检验应按照传感器的相关标准[11]执行。平衡机调试期间按照传感器灵敏度设置测量系统，测量值应与实际振动值一致，但整个测量系统的测量精度值应予以检验。

由于平衡机上测量的是滤波后的振动基频成分，与通常的宽度振动测量系统不同，所以不能直接引用机械振动测量仪的相关标准[12]来进行检验。

对于高速平衡机振动测量系统的检验，本文主张用激振器的方法，在10～30%转速范围内予以检验。低端转速选取10%的理由同低速平衡测量一条，高端转速选取30%主要是考虑排除动刚度值下降的影响。本文建议用动刚度检验得到的10～30%转速范围的刚度值的平均值作为静刚度值，用文献[9]中给出的计算动刚度公式的反函数，由激振不平衡量、转速和静刚度值计算出理论振动幅值，将实测振动值与理论值比较，误差应在+/-5%以内。在10～30%转速范围内均匀选取10点转速进行测量。

此项检验与动刚度检验有互相检验印证之嫌，但这里检验的是测量误差，而不是灵敏度，并且摆架静刚度的正确性在低速平衡检验中已经得到了保证，因此本文认为是可行的。

由此可以看出，上述三项检验是一个整体，缺一不可。

第四，高速动平衡与超速试验功能检验。本文建议的检

验方法为：高速平衡功能检验由制造商和使用方约定，针对约定的实际转子在约定的转速(如临界转速或工作转速)，经过平衡后振动低于双方约定值，该约定值应根据文献[8]确定，其应低于转子工作状态时轴承座振动允许值。

超速试验功能检验应在高速动平衡完成后进行，超速试验时允许施加附加刚度，同时也检验了附加刚度装置的功能。

5 小 结

本文简要叙述了高速动平衡机的工作原理，对于确定高速动平衡机性能的描述方法、指标的定义和检验提供了理论基础，给出的高速平衡机性能指标、描述和检测方法能较好地反映高速平衡机的技术特点和实际应用，所提出的技术指标含义清晰，检验方法具有可操作性，为高速平衡机制造方和使用方达成共识提供了技术依据，有利于促进该领域的技术进步。本文提出的建议可作为现有行业标准进一步修订的参考。