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轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)的一個(gè)研究?jī)?nèi)容,指確定轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的不平衡量(離心力和離心力偶,見相對(duì)運(yùn)動(dòng))的位置和大小并加以消除的操作。不平衡量會(huì)引起轉(zhuǎn)子的橫向振動(dòng),并使轉(zhuǎn)子受到不必要的動(dòng)載荷,這不利于轉(zhuǎn)子正常運(yùn)轉(zhuǎn)。所以,大多數(shù)轉(zhuǎn)子應(yīng)該進(jìn)行動(dòng)平衡。在機(jī)器制造或維修中,動(dòng)平衡成為一道工序。

轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的不平衡量是因轉(zhuǎn)子各微段的質(zhì)心不嚴(yán)格處于回轉(zhuǎn)軸線上引起的。各微段因質(zhì)心偏離回轉(zhuǎn)軸線而產(chǎn)生的離心力都垂直于回轉(zhuǎn)軸線。通過力的合成可把離心力系合成為少數(shù)的集中力,其方向仍垂直于軸線。一般說,至少要用分別作用于兩個(gè)橫截面上的兩個(gè)集中力才能代表原來(lái)的離心力系。若這兩個(gè)集中力剛好形成力偶,則原來(lái)的不平衡量在轉(zhuǎn)子不旋轉(zhuǎn)時(shí)是無(wú)法察覺和測(cè)量的;旋轉(zhuǎn)時(shí),力偶才形成橫向干擾并引起轉(zhuǎn)子的振動(dòng)。這種不平衡的效應(yīng)只有在旋轉(zhuǎn)的動(dòng)態(tài)中才能察覺和測(cè)量,所以需要進(jìn)行動(dòng)平衡。與此相對(duì)的靜平衡是指當(dāng)轉(zhuǎn)子的質(zhì)量很集中以致可以看作一個(gè)垂直于回轉(zhuǎn)軸線的不計(jì)厚度的薄盤時(shí),不需旋轉(zhuǎn)就能進(jìn)行的平衡。其作法是將轉(zhuǎn)子水平放置,偏重的一邊受重力作用會(huì)垂到下方,設(shè)法調(diào)整轉(zhuǎn)子質(zhì)心的位置,使之位于回轉(zhuǎn)軸線上。

在測(cè)出不平衡的位置和大小后,或是直接將它去掉,或是在它的對(duì)稱方向加上和它相應(yīng)的質(zhì)量來(lái)平衡它的效應(yīng),即通過去重或配重完成動(dòng)平衡。

根據(jù)轉(zhuǎn)子的變形和質(zhì)量分布的情況,動(dòng)平衡分為剛性轉(zhuǎn)子的動(dòng)平衡和柔性轉(zhuǎn)子的動(dòng)平衡。

剛性轉(zhuǎn)子的動(dòng)平衡

對(duì)于工作轉(zhuǎn)速遠(yuǎn)低于臨界轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)子,不平衡量引起的變形很小。這種轉(zhuǎn)子可按剛體處理,動(dòng)平衡可在低速下進(jìn)行,稱為剛性轉(zhuǎn)子的動(dòng)平衡。在進(jìn)行剛性轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡時(shí),各微段的不平衡量引起的離心慣性力系可以簡(jiǎn)化到任意選定的兩個(gè)截面上去,在這兩個(gè)面上作相應(yīng)的校正(去重或配重)即可完成動(dòng)平衡。為找到兩個(gè)截面上不平衡量的方位和大小可使用動(dòng)平衡機(jī)。常見的動(dòng)平衡機(jī)分為軟支承式和硬支承式兩類,前者檢測(cè)不平衡量引起的振動(dòng);后者檢測(cè)不平衡轉(zhuǎn)子對(duì)支承的作用力。剛性轉(zhuǎn)子的動(dòng)平衡問題已解決得較好。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)已規(guī)定出各類剛性轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡的精度。

柔性轉(zhuǎn)子的動(dòng)平衡

超臨界轉(zhuǎn)速工作的轉(zhuǎn)子在啟動(dòng)和制動(dòng)時(shí),轉(zhuǎn)速必定通過臨界轉(zhuǎn)速,這時(shí)不平衡量會(huì)使轉(zhuǎn)子產(chǎn)生明顯的變形。若轉(zhuǎn)子各微段質(zhì)心對(duì)回轉(zhuǎn)軸線的偏離對(duì)變形有明顯的影響,則轉(zhuǎn)子不能按剛性轉(zhuǎn)子處理,相應(yīng)的動(dòng)平衡稱為柔性轉(zhuǎn)子的動(dòng)平衡。

方法有兩種:

①振型法。將不平衡量按轉(zhuǎn)子的各階固有振型分解。若動(dòng)平衡時(shí)的轉(zhuǎn)速接近某臨界轉(zhuǎn)速,則這一階固有振型突出于其他各階之上。通過檢測(cè)該振型,就可找到為消除這一階不平衡分量所需的校正質(zhì)量的大小和應(yīng)放置的位置。逐階進(jìn)行,就可完成動(dòng)平衡。

②影響系數(shù)法。在轉(zhuǎn)子上選定若干個(gè)校正面和若干個(gè)測(cè)量面并進(jìn)行多次運(yùn)轉(zhuǎn)校正。某校正面上單位校正量在一定轉(zhuǎn)速下引起的某測(cè)量面的振動(dòng)就是一個(gè)影響系數(shù)。通過測(cè)量或計(jì)算求出這些影響系數(shù),便可根據(jù)不平衡量引起的振動(dòng),確定為將各測(cè)量面的振動(dòng)限制在某量值以下,各校正面應(yīng)加配重(或去重)的位置和大小。在這兩個(gè)方法的基礎(chǔ)上還發(fā)展了其他方法,例如振型圓法等。

轉(zhuǎn)子作為機(jī)械系統(tǒng)的重要組成部分,它的不平衡量常引起的振動(dòng),將導(dǎo)致設(shè)備振動(dòng)、噪聲及機(jī)構(gòu)破壞,尤其是對(duì)于高速旋轉(zhuǎn)的柔性轉(zhuǎn)子,產(chǎn)生的機(jī)械事故將更明顯,轉(zhuǎn)子不平衡引起的故障約占機(jī)械全部故障的60%以上。隨著當(dāng)前精密數(shù)控加工技術(shù)的發(fā)展,高速轉(zhuǎn)子在加工生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的嚴(yán)重影響其加工精度的動(dòng)平衡問題顯得尤為重要,動(dòng)平衡儀可以有效地保障設(shè)備運(yùn)行的可靠性與安全性,能取得良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益,具有重大的實(shí)際意義。

工程中的各種回轉(zhuǎn)體,由于材質(zhì)不均勻或毛坯缺陷、加工及裝配中產(chǎn)生的誤差,甚至設(shè)計(jì)時(shí)就具有非對(duì)稱的幾何形狀等多種因素,使得回轉(zhuǎn)體在旋轉(zhuǎn)時(shí),其上每個(gè)微小質(zhì)點(diǎn)產(chǎn)生的離心慣性力不能相互抵消,離心慣性力通過軸承作用到機(jī)械及其基礎(chǔ)上,引起振動(dòng),產(chǎn)生了噪音,加速軸承磨損,縮短了機(jī)械壽命,嚴(yán)重時(shí)能造成破壞性事故。為此,必須對(duì)轉(zhuǎn)子進(jìn)行平衡,使其達(dá)到允許的平衡精度等級(jí),或使因此產(chǎn)生的機(jī)械振動(dòng)幅度降在允許的范圍內(nèi)。轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡和靜平衡的區(qū)別。

各類機(jī)器所使用的平衡方法較多,例如單面平衡(亦稱靜平衡)常使用平衡架,雙面平衡(亦稱動(dòng)平衡)使用各類動(dòng)平衡試驗(yàn)機(jī)。靜平衡精度太低,平衡時(shí)間長(zhǎng);動(dòng)平衡試驗(yàn)機(jī)雖能較好地對(duì)轉(zhuǎn)子本身進(jìn)行平衡,但是對(duì)于轉(zhuǎn)子尺寸相差較大時(shí),往往需要不同規(guī)格尺寸的動(dòng)平衡機(jī),而且試驗(yàn)時(shí)仍需將轉(zhuǎn)子從機(jī)器上拆下來(lái),這樣明顯是既不經(jīng)濟(jì),也十分費(fèi)工(如大修后的汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子)。特別是動(dòng)平衡機(jī)無(wú)法消除由于裝配或其它隨動(dòng)元件引發(fā)的系統(tǒng)振動(dòng)。使轉(zhuǎn)子在正常安裝與運(yùn)轉(zhuǎn)條件下進(jìn)行平衡通常稱為"現(xiàn)場(chǎng)平衡"�，F(xiàn)場(chǎng)平衡不但可以減少拆裝轉(zhuǎn)子的勞動(dòng)量,不再需要?jiǎng)悠胶鈾C(jī);同時(shí)由于試驗(yàn)的狀態(tài)與實(shí)際工作狀態(tài)無(wú)二致,有利于提高測(cè)算不平衡量的精度,降低系統(tǒng)振動(dòng)。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISOl940一1973(E)"剛體旋轉(zhuǎn)體的平衡精度"中規(guī)定,要求平衡精度為G0.4的精密轉(zhuǎn)子,必須使用現(xiàn)場(chǎng)平衡,否則平衡毫無(wú)意義。

現(xiàn)代的動(dòng)平衡技術(shù)是在本世紀(jì)初隨著蒸汽透平的出現(xiàn)而發(fā)展起來(lái)的。隨著工業(yè)生產(chǎn)的飛速發(fā)展,旋轉(zhuǎn)機(jī)械逐步向精密化、大型化、高速化方向發(fā)展,使機(jī)械振動(dòng)問題越來(lái)越突出。機(jī)械的劇烈振動(dòng)對(duì)機(jī)器本身及其周圍環(huán)境都會(huì)帶來(lái)一系列危害。雖然產(chǎn)生振動(dòng)的原因多種多樣,但普遍認(rèn)為"不平衡力"是主要原因。據(jù)統(tǒng)計(jì),有50%左右的機(jī)械振動(dòng)是由不平衡力引起的。因此,有必要改變旋轉(zhuǎn)機(jī)械運(yùn)動(dòng)部分的質(zhì)量,減小不平衡力,即對(duì)轉(zhuǎn)子進(jìn)行平衡。

造成轉(zhuǎn)子不平衡的因素很多,例如:轉(zhuǎn)子材質(zhì)的不均勻性,聯(lián)軸器的不平衡、鍵槽不對(duì)稱,轉(zhuǎn)子加工誤差,轉(zhuǎn)子在運(yùn)動(dòng)過程中產(chǎn)生的腐蝕、磨損及熱變形等。這些因素造成的不平衡量一般都是隨機(jī)的,無(wú)法進(jìn)行計(jì)算,需要通過重力試驗(yàn)(靜平衡)和旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)(動(dòng)平衡)來(lái)測(cè)定和校正,使它降低到允許的范圍內(nèi)。應(yīng)用最廣的平衡方法是工藝平衡法和整機(jī)現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡法。作為整機(jī)現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡技術(shù)的一個(gè)重要分支,在線動(dòng)平衡技術(shù)也正處于蓬勃發(fā)展之中,很有前途。由于工藝平衡法是起步最早的一種經(jīng)典動(dòng)平衡方法。

整機(jī)現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡技術(shù)是為了解決工藝平衡技術(shù)中存在的問題而提出的。

工藝平衡法的測(cè)試系統(tǒng)所受干擾小,平衡精度高,效率高,特別適于對(duì)生產(chǎn)過程中的旋轉(zhuǎn)機(jī)械零件作單體平衡,在動(dòng)平衡領(lǐng)域中發(fā)揮著相當(dāng)重要的作用,汽輪機(jī)、航空發(fā)動(dòng)機(jī)普遍采用這種平衡方法。但是,工藝平衡法仍存在以下問題:

1、平衡時(shí)的轉(zhuǎn)速和工作轉(zhuǎn)速不一致,造成平衡精度下降。例如:有不少轉(zhuǎn)子屬于二階臨界轉(zhuǎn)速的擾性轉(zhuǎn)子,由于平衡機(jī)本身轉(zhuǎn)速有限,這些轉(zhuǎn)子若采用工藝平衡,則無(wú)法有效的防止轉(zhuǎn)子在高速下發(fā)生變形而造成的不平衡。

2、平衡機(jī)(特別是高速立式平衡機(jī))價(jià)格昂貴。

3、在動(dòng)平衡機(jī)上平衡好的轉(zhuǎn)子,裝機(jī)后其平衡精度難以保證。因?yàn)閯?dòng)平衡時(shí)的支承條件不同于轉(zhuǎn)子在實(shí)際工作條件下的支承條件,且轉(zhuǎn)子同平衡裝置之間的配合也不同于轉(zhuǎn)子與其自身轉(zhuǎn)軸之間的配合條件,即使出廠前已在動(dòng)平衡機(jī)上達(dá)到高精度平衡的轉(zhuǎn)子,經(jīng)過運(yùn)輸、再裝配等過程,平衡精度在使用前難免有所下降,當(dāng)處于工作轉(zhuǎn)速下運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí),仍可能產(chǎn)生不允許的振動(dòng)。

4、有些轉(zhuǎn)子,由于受到尺寸和重量上的限制,很難甚至無(wú)法在平衡機(jī)上平衡。例如:對(duì)于大型發(fā)電機(jī)及透平一類的特大轉(zhuǎn)子,由于沒有相應(yīng)的特大平衡裝置,往往會(huì)造成無(wú)法平衡;對(duì)于大型的高溫汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子,一般易發(fā)生彈性熱翹曲,停機(jī)后會(huì)自動(dòng)消失,這類轉(zhuǎn)子需進(jìn)行熱動(dòng)態(tài)平衡,用平衡機(jī)顯然是無(wú)法平衡的。

5、轉(zhuǎn)子要拆下來(lái)才能進(jìn)行動(dòng)平衡,停機(jī)時(shí)間長(zhǎng)、平衡速度慢、經(jīng)濟(jì)損失大。

為了克服上述工藝平衡法的缺點(diǎn),人們提出了整機(jī)現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡法。

將組裝完畢的旋轉(zhuǎn)機(jī)械在現(xiàn)場(chǎng)安裝狀態(tài)下進(jìn)行的平衡操作稱為整體現(xiàn)場(chǎng)平衡。這種方法是機(jī)器作為動(dòng)平衡機(jī)座,通過傳感器測(cè)的轉(zhuǎn)子有關(guān)部位的振動(dòng)信息,進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,以確定在轉(zhuǎn)子各平衡校正面上的不平衡及其方位,并通過去重或加重來(lái)消除不平衡量,從而達(dá)到高精度平衡的目的。

有于整機(jī)現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡是直接接在整機(jī)上進(jìn)行,不需要?jiǎng)悠胶鈾C(jī),只需要一套價(jià)格低廉的測(cè)試系統(tǒng),因而較為經(jīng)濟(jì)。此外,由于轉(zhuǎn)子在實(shí)際工況條件下進(jìn)行平衡,不需要再裝配等工序,整機(jī)在工作狀態(tài)下就可獲得較高的平衡精度。

1、現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡的先決條件是不平衡故障的判定,以及平衡面數(shù)的確定和各項(xiàng)準(zhǔn)備工作的完成,這樣能保證平衡工作的省時(shí)、省力。如設(shè)備已經(jīng)停機(jī),更換反光帶。

2、檢查平衡儀器功能和電源是否充足及電纜線的連接狀況。

3、振動(dòng)傳感器和光電傳感器安裝位置應(yīng)始終保持不變。

4、每次數(shù)據(jù)記錄要準(zhǔn)確,同時(shí)將第一次加試重后的振動(dòng)幅值和相位與原始記錄比較,如變化不大,沒有達(dá)到20%以上,說明試重不合適,要重新考慮其大小和位置。

5、試重塊的安裝原則是:安裝合理,轉(zhuǎn)子運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí),不能掉下,同時(shí)還要便于取下。

6、計(jì)算配重大小時(shí),將原始記錄、加試重記錄及試重塊數(shù)據(jù)準(zhǔn)確輸入計(jì)算器。配重塊加在指定位置后,一定要牢固,防止運(yùn)行時(shí)掉下。

7、進(jìn)入工作現(xiàn)場(chǎng)后,要熟悉周圍環(huán)境狀況,特別注意安全問題和防火問題。

8、啟動(dòng)設(shè)備前應(yīng)及時(shí)與現(xiàn)場(chǎng)操作人員聯(lián)系,確認(rèn)無(wú)誤后,方可啟動(dòng)設(shè)備。

9、全部現(xiàn)場(chǎng)平衡工作過程中,要時(shí)刻注意并觀察設(shè)備運(yùn)行狀態(tài),發(fā)現(xiàn)設(shè)備有異�，F(xiàn)象時(shí),應(yīng)馬上示意停機(jī),保護(hù)人身與設(shè)備安全。

磨床是精密機(jī)械加工必不可少的工作母機(jī),為了適應(yīng)日趨精密的工作精度需求及不斷追求的高效率和低成本的目標(biāo),全球的磨床制造業(yè)都在不懈地致力于:提高機(jī)床的幾何精度,剛性和性能穩(wěn)定性。

眾所周知,砂輪是磨床的必要工具。想要讓砂輪磨削出準(zhǔn)確的尺寸和光潔的表面,必須防止磨削過程中的振動(dòng)。砂輪的結(jié)構(gòu)是由分布不均的大量顆粒組成,先天的不平衡無(wú)法避免,這必然會(huì)引起一定的偏心振動(dòng)。而砂輪安裝的偏心度、砂輪的厚度不均、主軸的不平衡及砂輪對(duì)冷卻液的吸附等,會(huì)使振動(dòng)更加增大。這些振動(dòng)不僅僅影響到磨床的加工質(zhì)量,還會(huì)降低磨床的主軸壽命、砂輪壽命,增加砂輪修正次數(shù)及修整金剛石的消耗等。

磨床砂輪在在線動(dòng)平衡校正的應(yīng)用為現(xiàn)代研磨工藝不可或缺的重要工程,當(dāng)磨床內(nèi)外環(huán)境振動(dòng)較好的時(shí)候,經(jīng)在在線動(dòng)平衡校正后的砂輪殘余振動(dòng)量,會(huì)比一般傳統(tǒng)手動(dòng)靜平衡效果再優(yōu)化一個(gè)數(shù)量級(jí),以峰到峰值(PeaktoPeak)的量測(cè)基準(zhǔn)來(lái)評(píng)比,當(dāng)靜平衡后為3μm時(shí),動(dòng)平衡可達(dá)0.3μm,綜合在線動(dòng)平衡校正作業(yè)的優(yōu)勢(shì),研磨加工業(yè)者可獲得以下的經(jīng)濟(jì)利益:

可大幅改善被研磨工件的真圓度、圓筒度和面粗度;

可延長(zhǎng)被研磨工件壽命、減少研磨燒傷裂損現(xiàn)象,并控制其低頻工作噪音;

提高研磨加工精密度、穩(wěn)定性和批量一致性(CP值);

可延長(zhǎng)傳統(tǒng)砂輪和金剛石砂輪修整裝置壽命;

可確保磨床主軸與軸承壽命,延長(zhǎng)磨床維修間隔,降低磨床維修成本。

考慮到技術(shù)的先進(jìn)性和經(jīng)濟(jì)上的合理性,國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)于1940年制定了世界公認(rèn)的ISO1940平衡等級(jí),它將轉(zhuǎn)子平衡等級(jí)分為11個(gè)級(jí)別,每個(gè)級(jí)別間以2.5倍為增量,從要求最高的G0.4到要求最低的G4000。單位為公克×毫米/公斤(gmm/kg),代表不平衡對(duì)于轉(zhuǎn)子軸心的偏心距離。如下表所示:

動(dòng)平衡等級(jí)