轉子動平衡校正方法研究

唐景凡，陸 海，楊健偉，謝德強

(國營長虹機械廠，廣西 桂林 541003)

發動機壓氣機轉子、渦輪轉子等轉動部件長期處于高速、高溫、高載荷等嚴苛服役條件下，會出現熱變形、支承系統磨損、環境介質附著、同心度變化等問題[1-4]，導致轉子部件高速旋轉時產生一定的離心力，此離心力通過軸承座傳遞到機匣等受力部件，使發動機產生振動。其中質量不平衡引起的振動是常見的故障之一[5-7]，容易造成發動機性能降低，軸承和葉片損壞，縮短了在役時間，導致發動機提前返廠維修[8]。因此，在發動機研發、修理、排故等過程中，研究發動機轉子動平衡技術，可減少發動機振動過大和維修次數，對保障發動機的長期安全、可靠、穩定運行具有重大意義[9]。目前，國內外學者針對發動機轉子動平衡技術展開了廣泛研究，例如全勇等[10]根據雙轉子系統的結構特點，提出了雙轉子振動耦合共振平衡法，完成了模擬雙轉子系統的高速動平衡試驗，平衡效果良好，解決了雙轉子系統在多種工況下的振動超限問題。黎飛龍等[11]針對某小型渦扇發動機轉子進行高速動平衡試驗，根據轉子幅頻特性，證明了多平面多轉速影響系數法對該型轉子一、二階高速動平衡是可行的，能取得良好的平衡效果。

根據某型發動機的實際工作情況，選用渦輪轉子為研究對象，以提高轉子動平衡校正效率為目的，考察3種校正方法對轉子動平衡的影響，最終確定高效、快速的平衡校正方法，對類似轉子部件的動平衡試驗具有技術指導意義和工程應用價值。

1 動平衡設備及平衡要求

根據平衡轉子的質量、尺寸、結構特點、平衡精度、驅動方式和平衡轉速等指標，選用了德國申克公司Pasio50HS臥式動平衡機，這是一款操作方便、測量精度高(測量不準確度為0.353 g·mm)的硬支承平衡機。根據轉子的結構設計，兩支點處的軸頸符合發動機轉子工作時支點位置，為了利于裝配拆卸，選擇滾輪支承形式。

國內中小企業受技術和財力的制約，目前仍廣泛采用手動動平衡校正方式，即通過動平衡機測出的不平衡位置和不平衡量進行手動校正。動平衡測試無論采用哪種設備和手動校正方法，幾乎做不到理論與實際沒有誤差，很難保證一次性調整成功，應對轉子進行反復校正，即通過多次增(去)重來調整不平衡量。因此，探索不同校正方法、提高轉子動平衡矯正效率及平衡精度是當前亟需解決的技術問題。

依據該型發動機渦輪轉子動平衡的設計技術文件要求，應滿足如下技術要求。

1)在平衡機上進行測試，觀察數據變化，待數據平穩后，通過數據采集分析系統連續采集，確定不平衡相位角θ和不平衡質量M。

2)平衡轉速為1 500 r/min。

3)左、右兩邊固定校正面半徑分別為71和80 mm。

4)轉子平衡精度為：左、右剩余不平衡量U左=3 g·mm，U右=2.5 g·mm，轉化為左、右不平衡質量分別為M左=42 mg，M右=31 mg。

2 測試結果分析

針對該型發動機渦輪轉子，采用雙面同時去重、先雙面去重再單面去重、僅單面去重這3種方法對轉子不平衡進行校正，探索哪種方法能更高效、快速使轉子達到平衡要求。

雙面同時去重試驗記錄的不平衡相位角θ和不平衡質量M的數據見表1。從表1中可看出，轉子的左、右2個校正面初始狀態的不平衡質量分別為703和677 mg。第1次校正措施選擇左、右2個特定的不平衡相位角及半徑，M左和M右分別去重703和677 mg。經過第1次校正后，不平衡質量變化非常明顯，左、右2個校正面的不平衡質量大幅度降低，但仍沒達到平衡要求。第2～6次校正分別按照動平衡機測試出的不平衡角度和質量進行反復去重調整，直到達到平衡要求。從第2～6次校正測試結果可知，當左、右2面校正面的不平衡量較少時，繼續采用雙面同時去重的方法，不平衡量變化不明顯，2面同時去重會相互影響，導致每次校正出現的誤差較大，很難進一步降低不平衡量，應不斷增加校正次數才能達到平衡要求。

表1 雙面同時去重校正測試數據

根據表1研究的結果，仍選用相同類型的轉子，采用先雙面去重再單面去重的方法來調整不平衡量，具體校正測試結果見表2。由于轉子初始狀態下的不平衡量較大，根據表1的校正方法，仍先選用雙面同時校正，第1次校正選擇雙面同時去重(M左去重728 mg，M右去重701 mg)，校正后M左和M右不平衡質量分別降低至114和102 mg，不平衡質量顯著降低，與表1測試結果趨勢一致。第2次校對左、右兩邊進行校正(M左去重114 mg，M右去重102 mg)，校正后發現左、右兩邊不平衡質量分別降低至53和68 mg。經前2次校正后，左、右兩邊不平衡量已明顯降低，第3次僅對右邊進行校正(M右去重68 mg)，右邊不平衡質量有所降低，而對左邊的不平衡量影響不大。經過前3次的校正，轉子的不平衡量已接近平衡要求，第4次僅需對其進行微調校正即可達到平衡要求。

表2 先雙面去重再單面去重校正測試數據

轉子單面去重校正試驗記錄不平衡相位角θ和不平衡質量M的數據見表3。初始狀態，左、右2個校正面不平衡質量分別為746和698 mg。第1次校正選擇左邊單面去重(M左去重746 mg)，校正后M左的不平衡質量明顯降低，而右邊不平衡量變化不明顯，第1次校正后M左和M右不平衡質量分別為95和708 mg。第2次僅對右邊不平衡量進行校正(M右去重708 mg)，校正后M右的不平衡質量也大幅度降低，左、右兩邊不平衡質量分別為108和95 mg。后續針對左、右兩邊不平衡量依次進行單面配重校正，直至達到平衡要求。單面去重的方法共需5次校正才可滿足平衡要求。

表3 單面去重校正測試數據

根據表1～表3的測試數據及分析可以得出，當轉子初始狀態不平衡量較大時，應選擇雙面同時去重校正的方法，可以使轉子的不平衡量迅速降低。當不平衡量較少且轉子的精度要求較高時，若對轉子再進行雙面同時去重，去重的位置與理論的角度存在了一定的偏差，2個校正平面就會相互影響，轉子重心偏移，需反復校正才能達到平衡要求，效率低；若選擇單面分別進行校正，則能更快、更好地保證校正面的平衡精度且校正的次數明顯減少。

3 結語

通過對某型發動機轉子的動平衡試驗研究，可得出如下結論。

1)若轉子初始不平衡量較大，則應選用雙面同時校正，可使轉子的不平衡量迅速降低；若不平衡量較少且轉子平衡精度要求較高，則雙面校正很難保證理論與實際相一致，造成2個校正面相互影響，需反復校正才可達到平衡，增加了校正次數。當轉子不平衡量較少時，應采用單面分別校正的辦法，轉子可更快地達到平衡精度要求。

2)通過3種動平衡試驗的研究，探索了該型發動機提高轉子動平衡校正效率的方式，也為類似轉子部件的動平衡研究提供了參考依據，具有技術指導意義和工程應用價值。