剛性轉子現場動平衡技術分析

黃峰

摘要：不平衡故障是旋轉機械中最常見的故障之一。本文分析了剛性轉子不平衡產生的原因及轉子不平衡的判斷方法，介紹了利用影響系數進行動平衡的原理。并通過分析一個典型實例，闡述了現場動平衡的具體步驟和方法，總結了剛性轉子現場動平衡的要點。

關鍵詞：剛性轉子;不平衡;現場動平衡;影響系數法

一、前言

旋轉機械如汽輪發電機、風機、泵等設備廣泛應用于電廠的各個系統中。振動超標是旋轉機械最常見的故障。大量的工程實踐表明，有很多旋轉機械的振動問題是由于轉子不平衡引起的。

由于設計缺陷、制造裝配誤差、熱變形等原因，轉子產生了質量不平衡。隨著轉子旋轉，不平衡質量就產生了不平衡離心力。不平衡力將引起轉子撓曲變形、產生內應力，并通過軸承傳遞給機座，從而使機器產生振動、噪聲。因此，研究解決轉子不平衡問題，已經成為消除旋轉機械振動問題的重要手段。

從平衡的觀點出發，常把轉子分成兩類：剛性轉子和撓性轉子。剛性轉子是指剛度較大，轉子在不平衡離心慣性力的作用下所產生的動撓度很小，以致在轉子工作和平衡的過程中可以忽略不計。在工程上，根據國家標準GB/T6557–2009[2]定義轉速n<0.7ncs（臨界轉速）的轉子為剛性轉子。在實際生產中絕大多數的機器轉子都是剛性轉子，本文分析的剛性轉子的現場動平衡技術。

二、轉子不平衡的判斷

轉動設備振動超標的故障原因很多，只有診斷了振動是由不平衡引起的，才可以對設備實施現場動平衡。轉子不平衡的判斷主要有以下方法：

（1）轉子不平衡故障的突出表現為一倍頻振動幅值最大。在頻譜分析中，一倍頻的振動幅值通常大于或等于振動總量幅值的80%。

（2）時域波形是轉子振動振幅的瞬態值隨時間延續而不斷變化所形成的動態圖像。不平衡振動反映在時域上的波形很接近于一個正弦波。

（3）發生不平衡故障時，當轉子轉速在臨界轉速以下的時候，振動幅值將和轉速的平方成正比，轉子轉速增加，振幅也會明顯增加。

（4）當轉子的轉速不變時，通常振動的相位會比較穩定。當不平衡是振動的主要原因時，軸承上X方向與Y方向振動相位差約為90度。

（5）轉子運行的軸心軌跡是橢圓。由于軸承的各方向的剛性不一樣，導致X方向與Y方向相位差并不是剛好90度的，所以轉子不平衡時的軸心軌跡不是標準的圓形，而是橢圓形。

三、現場動平衡的方法

剛性轉子滿足線性系統假設，即在某一轉速下，轉子的不平衡量和不平衡引起的振動響應之間是線性的關系。而這一線性關系的比例系數就是所謂的影響系數。利用求轉子系統的影響系數來對轉子進行平衡的方法，具有易于自動化、操作方便、停機次數較少等優點，適合現場動平衡。

（一）單面加重平衡法

現場動平衡最簡單，而且最普遍的基本方法是單平面動平衡。其計算步驟主要是：

（1）設轉子原有的不平衡量為（重量和相位）。轉子不加重，啟動至額定轉速，測取轉子的原始振動振幅的矢量（幅值和相位）。

（2）降速停機，在校正面上加試重，再次起動設備到穩定工作轉速，測得由原始不平衡量和配重共同引起的不平衡振動矢量。根據線性系統疊加原理可知與的向量之差是由配重就是所引起的振動。然后即可按影響系數的定義求影響系數為：

（3）由原始振動值和影響系數可以求得原始不平衡量為：

要使振動消除，平衡面上應加的配重即為。

如果依此次計算結果配重，振動測量結果有所減小但仍未達到理想效果，則還可以根據測得的振動值再次計算影響系數，再次計算配重，一直循環直到振動值滿足要求。

（二）試重相位的確定

在振動研究中，把不平衡的位置稱為重點，把振動幅度最大的位置稱為高點。由于轉子系統阻尼、剛度等因素的存在，轉子上的不平衡引起的振動在相位上落后于不平衡點，即沿著轉動方向觀察，重點在前，高點在后。重點和高點之間的相位差稱為機械滯后角。在轉速不變的條件下，滯后角是恒定的。通過測得振動的相位加上機械滯后角就能得到不平衡點的相位，試加質量就在不平衡點的相反方向。

以X方向的傳感器為例：該點測得的振動響應的相位為β，X方向自身的相位角為，振動高點的相位。機械滯后角為，因此，不平衡點的方位。而所需添加的平衡配重的方位為。對于機械滯后角，目前，還沒有直接的計算公式，只有通過測試才可以得到準確值。

四、現場動平衡實例

反應堆冷卻劑泵（簡稱主泵）是核電站的核心部件，其作用是使一回路的冷卻劑循環流動，冷卻堆芯，避免堆芯熔毀，同時將堆芯產生的熱能通過蒸汽發生器傳給二回路。

某核電站主泵額定轉速1485r/min，正常運行在15.5MPa壓力和293℃溫度下。某年該核電站3號機組主泵3RCP001PO運行期間振動偏高。經技術人員分析振動主要為不平衡引起，隨后對該主泵進行了現場動平衡試驗，并取得了良好效果。

（一）輔助在線振動測量裝置簡介

該主泵安裝有4個在線振動傳感器。其中兩個為速度傳感器106MV和107MV，夾角互為90°安裝在電動機殼體下法蘭上，以測量電動機軸承的振動。另外兩個傳感器為非接觸式位移傳感器150MM和151MM，互成90°安裝在泵驅動軸聯軸節高度上，其分布位置如圖2所示。在兩個位移傳感器中間安裝有零轉速傳感器，以提供鍵相信息。試驗時，可采集主泵的振動幅值、頻譜和相位等信息，生成對動平衡試驗有用的工頻矢量信號。

（二）振動測量及分析

該核電站技術人員分別兩次在機柜處測量了3RCP001PO的振動數據，如表1所示。3RCP001PO的Y向軸位移幅值最高達到164.5μm，雖然沒有達到250μm的報警值，但根據機組生產運行經驗，屬于較高振動水平。因此決定在機組小修期間進行處理。

為第二次測得的3RCP001PO的Y方向軸位移的頻譜圖，從該圖可以看出，振動主要出現在頻率為24.8Hz（即一倍頻）處，分量幅值為141μm，占通頻幅值（150.3μm）的94%，一倍頻的振動主要由不平衡引起，因此判斷引起該轉子振動大的主要原因為轉子不平衡。于是決定通過現場動平衡試驗來降低設備振動。

（三）動平衡試驗

廠家對該泵進行過動平衡試驗，并且在3RCP001PO的完工報告中記錄有相關的動平衡試驗數據：該主泵轉子的機械滯后角約為70o左右，影響系數約為0.125μm /g。在相同轉速下，轉子的機械滯后角和影響系數基本不變，因此可以直接利用廠家提供的數據計算出動平衡所需配重的大小和相位，從而減少了試加配重的的環節。

主泵動平衡試驗在熱停堆狀態下進行，這是因為該工況最接近主泵的正常運行狀態。Y方向的振動較大，因此以Y方向的振動數據進行平衡。

（1）Y方向的一倍頻振動值為141∠194o，即振動高點與Y方向的夾角為194o。振動高點與0相位點的夾角=194o+45o=239o。機械滯后角取70o，不平衡點的相位角=239o–70o=169o，因此平衡塊的位置要加在169o的相反方向，即349o。

主泵鍵槽（即0相位點）位置處于1#和14#螺栓孔之間，轉向為俯視逆時針旋向。可算出1#螺栓的角度為347o，和計算出的平衡塊的方位（349o）基本相同。因此平衡塊加在1#螺栓位置即可。

（2）如果要將不平衡量全部消除，所加平衡塊重量為

對于主泵這樣的大型轉動設備，并不要求振動值平衡到接近0。該主泵只要求軸位移的振動值降到100μm以下即可，因此選擇平衡塊的重量時會保守一些，因為如果平衡塊加得太大會不安全。該電廠的方案為在1#螺栓孔處加重700g，理想目標降低振動幅值為。

在1#螺栓孔處加重700g后，測得的振動數據見表2，圖6是Y方向軸位移頻譜圖，由表2和圖6可以看出主泵的一倍頻幅值由141μm降低至60μm，降了81μm。通頻幅值由加重前的150.3μm降低至77μm。泵的振動值穩定在優秀水平，達到平衡目的，動平衡試驗結束。

五、結論

（1）只有確定是由于不平衡引起的振動時，才可以對設備實施現場動平衡。本文總結了轉子不平衡的判斷方法，通過頻譜分析、相位分析等方法正確診斷故障，避免盲目實施動平衡。

（2）影響系數法是一種快速、高效、高精度的現場動平衡方法，本文介紹了利用影響系數進行剛性轉子動平衡的原理方法。

（3）現場動平衡過程中，試重的相位直接關系到平衡的成功率和精度，本文介紹了通過機械滯后角和初始振動相位確定試重相位范圍的方法。

（4）設備每次做完動平衡后，將影響系數和機械滯后角數據記錄下來。在下次做動平衡試驗時可以直接使用這些數據，從而省略了加試驗配重和試運轉環節，可以減少停機配重次數。

參考文獻

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