現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡技術(shù)及其應(yīng)用

林水泉

（廣東石油化工學(xué)院 廣東省石化裝備故障診斷重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）

隨著科技的進(jìn)步， 旋轉(zhuǎn)機(jī)組廣泛應(yīng)用在石化、冶金及電力等工業(yè)領(lǐng)域。 然而，旋轉(zhuǎn)設(shè)備長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行難免會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)子故障問(wèn)題。 轉(zhuǎn)子不平衡是旋轉(zhuǎn)設(shè)備中最常見(jiàn)的故障之一。 據(jù)統(tǒng)計(jì)，旋轉(zhuǎn)設(shè)備約有70%的故障是因轉(zhuǎn)子振動(dòng)故障造成的［1］。目前，轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡校正方法有離線(xiàn)動(dòng)平衡與現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡兩種。 前者是將拆卸的故障轉(zhuǎn)子放置于平衡機(jī)上進(jìn)行校正， 該方法會(huì)降低企業(yè)生產(chǎn)效率，且修復(fù)后的轉(zhuǎn)子安裝后有可能產(chǎn)生新的不平衡量誤差；后者是在機(jī)組運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)進(jìn)行校正，避免了不必要的拆卸，還不影響生產(chǎn)的正常進(jìn)行。 另外，旋轉(zhuǎn)設(shè)備趨于向自動(dòng)化、 復(fù)雜化且大型化發(fā)展，轉(zhuǎn)子的拆卸與安裝越發(fā)不易。 現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡能夠有效地解決以上問(wèn)題。

1 現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡原理

現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡，又稱(chēng)為在線(xiàn)動(dòng)平衡或整機(jī)動(dòng)平衡［2］，顧名思義就是在實(shí)際環(huán)境下對(duì)機(jī)組進(jìn)行檢測(cè)并完成動(dòng)平衡校正工作，即不拆卸機(jī)組，在設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)對(duì)轉(zhuǎn)子進(jìn)行動(dòng)平衡校正［3］，降低機(jī)組振動(dòng)的方法。

旋轉(zhuǎn)設(shè)備中質(zhì)量不平衡的轉(zhuǎn)子在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中，就會(huì)產(chǎn)生不平衡力，隨著轉(zhuǎn)速的增加，產(chǎn)生的離心力會(huì)越來(lái)越大， 并通過(guò)振動(dòng)的形式表現(xiàn)出來(lái)，如果設(shè)備長(zhǎng)時(shí)間不正常的振動(dòng)，可能會(huì)造成機(jī)組的損壞［4］。同時(shí)，機(jī)組產(chǎn)生不平衡故障的因素具有不確定性、多樣性和復(fù)雜性，轉(zhuǎn)子的質(zhì)心不在回轉(zhuǎn)軸線(xiàn)上必會(huì)產(chǎn)生不平衡量，而且所有分布在轉(zhuǎn)子上的不平衡矢量之和都聚集在一個(gè) “重點(diǎn)”上，現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡就在其相應(yīng)的位置上通過(guò)“去重”或“加重”的方式使之達(dá)到平衡狀態(tài)。 具體操作過(guò)程為：通過(guò)在機(jī)組上安裝傳感器，獲取轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的振動(dòng)信號(hào)，并以機(jī)組的機(jī)座作為平衡機(jī)底座；因轉(zhuǎn)子與軸承的振動(dòng)為線(xiàn)性系統(tǒng)，引起的振動(dòng)為線(xiàn)性疊加， 故把采集的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行處理，確定轉(zhuǎn)子各平衡校正面的幅值和相位；通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡的“去重”或“加重”消除不平衡量，讓機(jī)組振動(dòng)數(shù)值達(dá)到符合安全生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)。

綜上，現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡校正方法具有避免因拆卸與安裝引起的誤差、減少不必要的人力、操作方便、易于自動(dòng)化以及確保機(jī)組安全運(yùn)行等優(yōu)點(diǎn)［5］。因此，現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡是消除機(jī)組振動(dòng)的一種重要方法［6］，確保設(shè)備安全、可靠且穩(wěn)定運(yùn)行。

2 現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡技術(shù)

眾所周知， 轉(zhuǎn)子是旋轉(zhuǎn)設(shè)備的關(guān)鍵零部件，一旦轉(zhuǎn)子發(fā)生故障，可能會(huì)造成機(jī)組軸承、齒輪或者其他部件的損壞， 直接影響到機(jī)組的運(yùn)轉(zhuǎn)。然而，轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡技術(shù)能夠?qū)﹄x心泵轉(zhuǎn)子、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子和汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子進(jìn)行校正與修復(fù)，有效解決了機(jī)組的振動(dòng)問(wèn)題［7］。

現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡校正并不會(huì)影響機(jī)組的正常運(yùn)行，它是在轉(zhuǎn)子已安裝到位并正常運(yùn)行，工作轉(zhuǎn)速或其他選定的轉(zhuǎn)速下，采用現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡設(shè)備進(jìn)行振動(dòng)測(cè)量與分析，且通過(guò)配重手段以減少或消除轉(zhuǎn)子的不平衡量。 此外，現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡測(cè)試選擇的位置與配重的大小非常關(guān)鍵， 一旦配重過(guò)大，又恰好安裝在靠近轉(zhuǎn)子的“重點(diǎn)”位置上，有可能產(chǎn)生更大的振動(dòng)問(wèn)題，造成機(jī)組的損壞；如果配重過(guò)小，那么可能產(chǎn)生的不平衡量與相位角度變化不明顯，從而會(huì)產(chǎn)生計(jì)算誤差。 原則上，一般選擇的配重大小應(yīng)該使振幅與相位產(chǎn)生30%的變化［8］。

相對(duì)于離線(xiàn)動(dòng)平衡，現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡校正效果更佳，不僅避免了機(jī)組的停機(jī)、轉(zhuǎn)子的拆卸與安裝、減少了人力物力的消耗，而且避免拆裝損失與運(yùn)輸風(fēng)險(xiǎn)、提高了轉(zhuǎn)子的平衡精度，確保了企業(yè)的正常生產(chǎn)。

3 應(yīng)用實(shí)例

3.1 設(shè)備概況

為了保證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，對(duì)某實(shí)驗(yàn)室的泵機(jī)組進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡校正，如圖1 所示。 該泵機(jī)組工作轉(zhuǎn)速為2 950r/min， 且平衡盤(pán)上平均設(shè)置有多個(gè)螺栓孔，主要用途為抽水。 啟動(dòng)泵機(jī)組，現(xiàn)場(chǎng)便能聽(tīng)到有異響， 并且伴隨著噪聲， 利用EMT390 振動(dòng)儀檢測(cè)到振動(dòng)烈度為4.3mm/s，根據(jù)JB/T 8097—1999 的振動(dòng)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，該機(jī)組振動(dòng)等級(jí)為B 級(jí)，對(duì)機(jī)組安全生產(chǎn)有影響。 在此，采用現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡的校正方法對(duì)機(jī)組進(jìn)行實(shí)驗(yàn)， 以左、右兩個(gè)平衡盤(pán)分別作為平衡面， 采用配重螺絲、墊片進(jìn)行不平衡量校正。

圖1 泵機(jī)組現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡現(xiàn)場(chǎng)

3.2 校正實(shí)驗(yàn)

本次動(dòng)平衡校正實(shí)驗(yàn)采用SmartBalancer 申克便攜式平衡儀操作。 首先，將左右兩個(gè)振動(dòng)傳感器分別接在兩個(gè)軸承座上；其次，在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)軸上貼上反射標(biāo)簽，然后將中間的光傳感器正對(duì)著標(biāo)簽；接著啟動(dòng)平衡儀，以左右兩端平衡盤(pán)作為平衡面，設(shè)置好參數(shù)；最后，啟動(dòng)該泵機(jī)組進(jìn)行測(cè)試操作。 該平衡儀采用影響系數(shù)法，在測(cè)得各平面的原始振動(dòng)后，分別在軸系的每一個(gè)平面試加重， 測(cè)得每一次加重對(duì)各平面測(cè)點(diǎn)振動(dòng)的響應(yīng)。 其操作涉及配重、影響參數(shù)分析、初次振動(dòng)不平衡、再次配重及啟動(dòng)平衡儀檢測(cè)等過(guò)程。

校正實(shí)驗(yàn)前期， 通過(guò)對(duì)泵機(jī)組進(jìn)行分析，現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡選用雙平面兩端支撐的方式（圖2），采用加重的校正方法，啟動(dòng)平衡儀，設(shè)置好相應(yīng)的平衡方式。

圖2 選用的支撐方式示意圖

啟動(dòng)泵機(jī)組，將轉(zhuǎn)子左右兩個(gè)平衡盤(pán)分別作為平衡面A、B，以貼在泵機(jī)組轉(zhuǎn)軸上的發(fā)射標(biāo)簽為0°，采用平衡儀測(cè)得初始數(shù)據(jù)（表1）。

表1 泵機(jī)組初始數(shù)據(jù)

泵機(jī)組左端配重， 計(jì)算與分析初始數(shù)據(jù)，將18.4g 的螺絲安裝在機(jī)組左端平衡盤(pán)0°位置上，測(cè)得的數(shù)據(jù)列于表2。

表2 左平衡盤(pán)配重后的數(shù)據(jù)

泵機(jī)組右端配重， 把機(jī)組左端的配重去掉，把移除的18.4g 螺絲安裝在機(jī)組右端平衡盤(pán)0°位置上，測(cè)得的數(shù)據(jù)列于表3。

表3 右平衡盤(pán)配重后的數(shù)據(jù)

將泵機(jī)組右端平衡盤(pán)的配重拆掉， 按照表3中的不平衡量分別在A、B 平衡面上配重，測(cè)得的數(shù)據(jù)列于表4。

表4 校正中的數(shù)據(jù)

由表4 可得A、B 平衡面的不平衡量分別為5.7、3.7g，與表3 中的數(shù)據(jù)對(duì)比，結(jié)果有了明顯的下降，說(shuō)明配重起到了很好的效果。 結(jié)合經(jīng)驗(yàn)分析，不平衡量還是稍許大些，因此還需要繼續(xù)按照表3 的不平衡量進(jìn)行配重，平衡儀上顯示結(jié)果如圖3、4 所示，測(cè)得的最終校正數(shù)據(jù)列于表5。

圖3 測(cè)試振幅與相位的顯示界面

圖4 測(cè)試不平衡量與振動(dòng)角度的顯示界面

表5 最終校正數(shù)據(jù)

由圖3、4 和表5 中的數(shù)據(jù)可知，A、B 平衡面的振幅大小由之前的1.032、0.851mm/s 下降到現(xiàn)在的0.086、0.069mm/s，振幅明顯降低。同時(shí)，泵機(jī)組的噪聲也大幅減小了。 根據(jù)JB/T 8097—1999振動(dòng)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)， 泵機(jī)組的轉(zhuǎn)子中心高度大于225mm，加上泵機(jī)組轉(zhuǎn)速為2 950r/min，振動(dòng)類(lèi)別為第3 類(lèi)；又因A、B 平衡面的振幅最終為0.086、0.069mm/s，則屬第3 類(lèi)中的A 級(jí)別，即精確度最高的級(jí)別。 說(shuō)明本次動(dòng)平衡校正成功，不平衡量也達(dá)到了標(biāo)準(zhǔn)的范圍。

4 結(jié)束語(yǔ)

現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡校正實(shí)驗(yàn)在泵機(jī)組上的應(yīng)用取得了成功，充分體現(xiàn)轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡校正在不拆卸的條件下具有的便捷性與準(zhǔn)確性。 轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡技術(shù)有效地對(duì)轉(zhuǎn)子進(jìn)行校正與修復(fù)，確保旋轉(zhuǎn)機(jī)組安全、可靠且穩(wěn)定運(yùn)行。