螺桿壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡工藝介紹

王 東 錢金寶 高世剛

（煙臺(tái)冰輪集團(tuán)，煙臺(tái) 264002)

人們通常將一個(gè)沒有考慮加工能力與制造誤差的設(shè)計(jì)認(rèn)為是無(wú)經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)，平衡性通常在設(shè)計(jì)中被忽略，但作為一個(gè)優(yōu)良的有經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)，產(chǎn)品的平衡性在設(shè)計(jì)之初就應(yīng)被考慮進(jìn)去。如今，幾乎所有的快速旋轉(zhuǎn)類零部件都需要進(jìn)行平衡校正，而零件良好的平衡性有助于提高產(chǎn)品的使用性能和壽命。

ISO1925對(duì)動(dòng)平衡做出定義為：檢驗(yàn)并在必要時(shí)調(diào)整質(zhì)量分布，以保證在相應(yīng)工作轉(zhuǎn)速的頻率下，剩余不平衡量或者軸頸振動(dòng)和作用于軸承的力在規(guī)定范圍之內(nèi)的工藝過(guò)程。從上述定義中，可以總結(jié)出動(dòng)平衡的兩個(gè)主要過(guò)程，檢驗(yàn)與調(diào)整，即檢驗(yàn)零件的動(dòng)平衡情況是否符合要求的平衡等級(jí)，若不符合，則對(duì)零件進(jìn)行動(dòng)平衡數(shù)值進(jìn)行調(diào)整校正使其符合要求的平衡等級(jí)。

近年來(lái)，螺桿壓縮機(jī)依靠其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、零部件及易損件少、可靠性高、操作維護(hù)方便、適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)在各行業(yè)中應(yīng)用越來(lái)越廣泛，而壓縮機(jī)在振動(dòng)、噪音方面的劣勢(shì)也限制了其在更多行業(yè)中的應(yīng)用。轉(zhuǎn)子作為壓縮機(jī)中最主要的運(yùn)動(dòng)件，其動(dòng)平衡的好壞對(duì)壓縮機(jī)的振動(dòng)與噪音有重要影響。

轉(zhuǎn)子工作時(shí)其平衡性是由結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料、制造方式、零件數(shù)等眾多因素決定的，因此，對(duì)于轉(zhuǎn)子的動(dòng)平衡校正，沒有標(biāo)準(zhǔn)的模式方法，也沒有任何的捷徑可走，唯一的做法就是參照動(dòng)平衡原理，借助平衡機(jī)的校正而得到一個(gè)理想的平衡轉(zhuǎn)子。

1 動(dòng)平衡原理

動(dòng)平衡技術(shù)起源于旋轉(zhuǎn)零件，隨著發(fā)動(dòng)機(jī)、馬達(dá)、泵、壓縮機(jī)等的出現(xiàn)，動(dòng)平衡技術(shù)逐漸得到重視并開始發(fā)展。

質(zhì)量為m的零部件在運(yùn)動(dòng)中必然會(huì)附帶慣性力，若這些慣性力在運(yùn)動(dòng)件內(nèi)部在不施加外力的情況下無(wú)法相互抵消，則我們認(rèn)為該零部件為不平衡。

假設(shè)轉(zhuǎn)子不平衡質(zhì)量為m，不平衡位置半徑為r，則不平衡量U=mr，即不平衡量是由不平衡質(zhì)量與不平衡位置共同決定的。

進(jìn)一步假設(shè)不平衡量導(dǎo)致轉(zhuǎn)子質(zhì)心相對(duì)旋轉(zhuǎn)中心的偏心距為e，轉(zhuǎn)子總質(zhì)量為M，則不平衡量U=Me。

因?yàn)檗D(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)性，必然有離心力產(chǎn)生，而質(zhì)心的偏移所導(dǎo)致的離心力便產(chǎn)生了不平衡量。

角速度與轉(zhuǎn)速關(guān)系：ω≈n/10

則離心力：F=m×r×ω2=U×（n/10）2

因?yàn)橘|(zhì)心偏移的不確定性，所以不平衡量應(yīng)該作為一個(gè)矢量來(lái)考慮，且方向不變的前提下，它的運(yùn)動(dòng)軌跡可以進(jìn)行線性轉(zhuǎn)移，也可以與力一樣進(jìn)行合成、分解與疊加。

對(duì)于一根轉(zhuǎn)子，無(wú)論存在多少不平衡量，按照矢量疊加原則，都可以合成為一個(gè)不平衡量，且可以分解至轉(zhuǎn)子的兩端，借助與平衡機(jī)將兩端面上的不平衡量消除即可實(shí)現(xiàn)零件最終的動(dòng)平衡。

平衡精度等級(jí)G則決定著平衡的質(zhì)量，G=e×ω，而平衡精度等級(jí)的確定則由如下三種方法確定：根據(jù)積累的經(jīng)驗(yàn)決定平衡的精度等級(jí)；根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果決定平衡等級(jí)；根據(jù)軸承允許受力情況決定平衡等級(jí)。

2 動(dòng)平衡機(jī)的應(yīng)用

轉(zhuǎn)子的不平衡量有很多個(gè)矢量組成，且具有一定的方向性，若借助普通的動(dòng)平衡手段很難完成對(duì)不平衡量大小及位置的確定，因此，需要借助動(dòng)平衡機(jī)完成不平衡量的確定。

動(dòng)平衡機(jī)按測(cè)量模式可分為力檢測(cè)硬支撐平衡機(jī)、位移檢測(cè)軟支撐平衡機(jī)；按平衡機(jī)的的結(jié)構(gòu)可分為臥式平衡機(jī)、立式平衡機(jī)；按平衡機(jī)的驅(qū)動(dòng)形式可分為萬(wàn)向節(jié)驅(qū)動(dòng)、皮帶驅(qū)動(dòng)、壓縮空氣驅(qū)動(dòng)、自驅(qū)動(dòng)。煙臺(tái)冰輪集團(tuán)采用的平衡機(jī)申克HM30系列為臥式皮帶驅(qū)動(dòng)的硬支撐平衡機(jī)。平衡機(jī)的原理是當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)達(dá)到設(shè)定轉(zhuǎn)速后，進(jìn)入穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)階段，兩硬支撐處的振動(dòng)傳感器開始收集各種振動(dòng)信號(hào)，包括因存在不平衡量而產(chǎn)生的振動(dòng)、外界振動(dòng)、動(dòng)平衡機(jī)自身震動(dòng)等，傳感器將收集信號(hào)傳至電測(cè)箱內(nèi)，信號(hào)處理器開始對(duì)信號(hào)進(jìn)行分離，對(duì)沒有意義的信號(hào)分離處理，僅保留因不平衡量而產(chǎn)生的振動(dòng)信號(hào)，并分析出不平衡量的大小及方向，在電測(cè)箱顯示器上顯示。操作者根據(jù)顯示即可完成轉(zhuǎn)子不平衡量的校正。

3 動(dòng)平衡時(shí)參數(shù)選擇

平衡過(guò)程中需要確定諸多參數(shù)才可完成整個(gè)動(dòng)平衡過(guò)程，包括計(jì)算參數(shù)、測(cè)量參數(shù)及經(jīng)驗(yàn)參數(shù)。

3.1 計(jì)算參數(shù)

計(jì)算參數(shù)指的是轉(zhuǎn)子的合理不平衡量值。根據(jù)平衡等級(jí)計(jì)算公式及角速度與轉(zhuǎn)速的關(guān)系，按如下公式e=10000G/n即可計(jì)算出不平衡量相對(duì)轉(zhuǎn)子中心的偏移量，再根據(jù)U=Me計(jì)算出該轉(zhuǎn)子的合理不平衡量值。

3.2 測(cè)量參數(shù)

測(cè)量參數(shù)指的是各可以通過(guò)測(cè)量工具直接測(cè)量出來(lái)的參數(shù)，包括轉(zhuǎn)子的重量，去重半徑，a、b、c數(shù)值。其中，a指的是左側(cè)支撐與左側(cè)校正面間距離，b指的是兩校正面之間的距離，c指的是右側(cè)支撐與右側(cè)校正面間的距離。

3.3 經(jīng)驗(yàn)參數(shù)

經(jīng)驗(yàn)參數(shù)指的是動(dòng)平衡時(shí)的平衡轉(zhuǎn)速。平衡轉(zhuǎn)速若選擇過(guò)低，則會(huì)導(dǎo)致無(wú)法正確測(cè)出不平衡量值，若選擇過(guò)高，則會(huì)導(dǎo)致沒必要的能量浪費(fèi)及較低的平衡效率。按照經(jīng)驗(yàn)、轉(zhuǎn)速的選擇主要取決于轉(zhuǎn)子的質(zhì)量、可允許剩余不平衡量、轉(zhuǎn)子的特性三方面。根據(jù)離心力的計(jì)算公式，當(dāng)需要的振動(dòng)值確定后，零件質(zhì)量越大，需要的轉(zhuǎn)速就越小。若需求的可允許剩余不平衡量越大，則對(duì)振動(dòng)反饋要求越低，當(dāng)零件質(zhì)量一定的情況下，需要的轉(zhuǎn)速就越小。若轉(zhuǎn)子為剛性轉(zhuǎn)子，工作轉(zhuǎn)速并沒有超過(guò)臨界轉(zhuǎn)速，動(dòng)平衡時(shí)可以用低速代替高速進(jìn)行平衡。

4 動(dòng)平衡時(shí)的差錯(cuò)處理

動(dòng)平衡出現(xiàn)的差錯(cuò)主要包括平衡數(shù)值不顯示、平衡數(shù)值不穩(wěn)定、平衡數(shù)值明顯不合理三方面。

4.1 平衡數(shù)值不顯示

平衡數(shù)值不顯示說(shuō)明在按要求的不平衡量進(jìn)行動(dòng)平衡操作時(shí)，選擇的轉(zhuǎn)速所產(chǎn)生的振動(dòng)信號(hào)過(guò)小，不足以被平衡機(jī)傳感器所接受，因此，該問(wèn)題的處理方法為提高動(dòng)平衡轉(zhuǎn)速即可。

4.2 平衡數(shù)值不穩(wěn)定

平衡數(shù)值不穩(wěn)定說(shuō)明平衡機(jī)電測(cè)箱在處理信號(hào)的過(guò)程中受到了一定程度的干擾，主要是指同頻干擾，即外界存在的某一不確定振動(dòng)的振動(dòng)頻率與轉(zhuǎn)子不平衡量所產(chǎn)生的振動(dòng)頻率相同，電測(cè)箱無(wú)法將這一無(wú)關(guān)振動(dòng)信號(hào)過(guò)濾掉，從而導(dǎo)致動(dòng)平衡數(shù)值的不穩(wěn)定。該問(wèn)題的處理方法為首先要確保平衡機(jī)各鎖緊部位的鎖緊狀態(tài)，包括地腳螺栓、支撐架、支撐滾輪等，其次要保證支撐滾輪與支撐軸頸的尺寸不能相同，皮帶驅(qū)動(dòng)軸頸與皮帶盤軸頸不能相同。同時(shí)，更換動(dòng)平衡轉(zhuǎn)速即可排除外界的同頻干擾。

4.3 平衡數(shù)值明顯不合理

平衡數(shù)值明顯不合理指的是平衡結(jié)果明顯超出了正常值，出現(xiàn)這種情況主要是平衡轉(zhuǎn)速過(guò)快，導(dǎo)致大量數(shù)值溢出，處理方法為降低轉(zhuǎn)速即可。

5 結(jié)論

當(dāng)前，越來(lái)越多制造商對(duì)于動(dòng)平衡的重要性都有了共識(shí)，越來(lái)越多企業(yè)都會(huì)根據(jù)本行業(yè)的實(shí)際情況，制定切實(shí)可行的平衡方案。而對(duì)于螺桿壓縮機(jī)制造商來(lái)說(shuō)，對(duì)動(dòng)平衡的重視對(duì)于進(jìn)軍更多的行業(yè)市場(chǎng)與領(lǐng)域也有重大意義。