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轉(zhuǎn)子不平衡是指因轉(zhuǎn)子質(zhì)量分布不均勻?qū)е罗D(zhuǎn)子質(zhì)量中心與其旋轉(zhuǎn)中心軸線不重合，出現(xiàn)偏心距，從而產(chǎn)生周期性離心力干擾，使軸承系統(tǒng)承受周期性的動(dòng)載荷，引起設(shè)備非正常振動(dòng),產(chǎn)生噪音，甚至損壞機(jī)器設(shè)備。統(tǒng)計(jì)資料表明，不平衡是機(jī)器損壞最常見(jiàn)的原因，嚴(yán)重不平衡會(huì)帶來(lái)軸承損壞、軸承座開裂、軸變形、聯(lián)接松動(dòng)等機(jī)械風(fēng)險(xiǎn)。按照力學(xué)方法定義，不平衡分為靜不平衡、偶不平衡、動(dòng)不平衡三類，靜不平衡是指質(zhì)心不在旋轉(zhuǎn)主軸上，但重心慣性主軸與旋轉(zhuǎn)軸處于平行狀態(tài)時(shí)所產(chǎn)生的不平衡，偶不平衡是指質(zhì)心在旋轉(zhuǎn)主軸上，但重心慣性主軸與旋轉(zhuǎn)軸不平行且在質(zhì)心處相交時(shí)所產(chǎn)生的不平衡，動(dòng)不平衡則指重心慣性主軸不與旋轉(zhuǎn)軸平行，而且慣性主軸與旋轉(zhuǎn)軸交點(diǎn)不通過(guò)質(zhì)心時(shí)產(chǎn)生的不平衡。一般機(jī)械轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的不平衡都是既存在靜不平衡又存在偶不平衡的動(dòng)不平衡狀態(tài)。靜不平衡、偶不平衡、動(dòng)不平衡的力學(xué)特征如圖1所示

 

 

圖1：靜不平衡、偶不平衡、動(dòng)不平衡的力學(xué)特征示意圖

轉(zhuǎn)子不平衡是由設(shè)計(jì)，材料，制造和裝配等因素引入的質(zhì)量分布不均衡引起的，即使在批量化生產(chǎn)中，由于材料密度分布不均勻和材料內(nèi)部顯微組織差異，以及轉(zhuǎn)子本身的制造誤差，都會(huì)不可避免的存在轉(zhuǎn)子質(zhì)量不均衡現(xiàn)象，每個(gè)轉(zhuǎn)子的不平衡量都各不相同。機(jī)械轉(zhuǎn)子的平衡校正就是檢查和調(diào)整轉(zhuǎn)子質(zhì)量分布的工藝過(guò)程，是一種改善轉(zhuǎn)子質(zhì)量分布的工藝方法，通過(guò)校正減小剩余不平衡量，以保證在對(duì)應(yīng)的工作轉(zhuǎn)速頻率下，剩余不平衡或者軸頸振動(dòng)和作用于支承上的載荷在規(guī)定限值以內(nèi)。平衡工藝將轉(zhuǎn)子分為剛性轉(zhuǎn)子和撓性轉(zhuǎn)子，分別進(jìn)行不同方式的平衡。剛性轉(zhuǎn)子是指轉(zhuǎn)子實(shí)際轉(zhuǎn)速小于0.5倍第一臨界轉(zhuǎn)速，慣性力作用產(chǎn)生的變形基本可以忽略。剛性轉(zhuǎn)子一般在低速下進(jìn)行單面或雙面校正即可，撓性轉(zhuǎn)子是指轉(zhuǎn)子實(shí)際轉(zhuǎn)速大于0.7倍第一臨界轉(zhuǎn)速，此時(shí)慣性力作用會(huì)使轉(zhuǎn)子在高速旋轉(zhuǎn)過(guò)程中產(chǎn)生明顯的撓性變形，撓性轉(zhuǎn)子需要在實(shí)際轉(zhuǎn)速下進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)校正。實(shí)際轉(zhuǎn)速介于0.5倍到0.7倍第一臨界轉(zhuǎn)速之間的轉(zhuǎn)子稱為準(zhǔn)撓性轉(zhuǎn)子，一般按照撓性轉(zhuǎn)子的平衡工藝校正，要求不高的應(yīng)用場(chǎng)合也可按剛性轉(zhuǎn)子的平衡工藝校正。

實(shí)驗(yàn)室通用低速和高速離心機(jī)轉(zhuǎn)子都屬于剛性轉(zhuǎn)子范疇，按照剛性轉(zhuǎn)子平衡工藝進(jìn)行校正，超速離心機(jī)轉(zhuǎn)子則需要按照撓性轉(zhuǎn)子平衡工藝進(jìn)行校正。

 

國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO 21940-11:2016中規(guī)定了各種剛性轉(zhuǎn)子的平衡等級(jí)要求（中國(guó)對(duì)應(yīng)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 9239.1- 2006），一共分為11個(gè)級(jí)別，每個(gè)級(jí)別間以2.5倍為公比遞增，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。具體分級(jí)如表1所示：

 

表1：剛性轉(zhuǎn)子平衡等級(jí)

G4000	具有單數(shù)個(gè)氣缸的剛性安裝的低速船用柴油機(jī)的曲軸驅(qū)動(dòng)件
G1600	剛性安裝的大型二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)的曲軸驅(qū)動(dòng)件
G630	剛性安裝的大型四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)的曲軸驅(qū)動(dòng)件 彈性安裝的船用柴油機(jī)的曲軸驅(qū)動(dòng)件
G250	剛性安裝的高速四缸柴油機(jī)的曲軸驅(qū)動(dòng)件
G100	六缸和多缸高速柴油機(jī)的曲軸傳動(dòng)件；汽車、貨車和機(jī)車用的發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)
G40	汽車車輪、輪轂、車輪整體、傳動(dòng)軸，彈性安裝的六缸和多缸高速四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)的曲軸驅(qū)動(dòng)件
G16	特殊要求的驅(qū)動(dòng)軸（螺旋槳、萬(wàn)向節(jié)傳動(dòng)軸）；粉碎機(jī)的零件；農(nóng)業(yè)機(jī)械的零件；汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的個(gè)別零件；特殊要求的六缸和多缸發(fā)動(dòng)機(jī)的曲軸驅(qū)動(dòng)件
G6.3	商船、海輪的主渦輪機(jī)的齒輪；高速分離機(jī)的鼓輪；風(fēng)扇；航空燃?xì)鉁u輪機(jī)的轉(zhuǎn)子部件；泵的葉輪；機(jī)床及一般機(jī)器零件；普通電機(jī)轉(zhuǎn)子；特殊要求的發(fā)動(dòng)機(jī)的個(gè)別零件
G2.5	燃?xì)夂驼羝麥u輪；機(jī)床驅(qū)動(dòng)件；特殊要求的中型和大型電機(jī)轉(zhuǎn)子；小電機(jī)轉(zhuǎn)子；渦輪泵
G1	磁帶錄音機(jī)及電唱機(jī)、CD、DVD的驅(qū)動(dòng)件；磨床驅(qū)動(dòng)件；特殊要求的小型電樞
G0.4	精密磨床的主軸；電機(jī)轉(zhuǎn)子；陀螺儀

 

剛性轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的動(dòng)平衡試驗(yàn)，一般是在動(dòng)平衡機(jī)上進(jìn)行調(diào)校。

平衡機(jī)是一種用于對(duì)剛性轉(zhuǎn)子進(jìn)行動(dòng)平衡校正的試驗(yàn)機(jī)，按測(cè)量原理分為硬支承平衡機(jī)和軟支承平衡機(jī)，按機(jī)器型式分為臥式平衡機(jī)和立式平衡機(jī)。按應(yīng)用方式可以分為通用平衡機(jī)和專用平衡機(jī)（如汽車輪胎平衡機(jī)）。任何剛性轉(zhuǎn)子的不平衡均可采用在兩個(gè)校正面上加或減校正質(zhì)量的方法來(lái)平衡整個(gè)轉(zhuǎn)子。轉(zhuǎn)子在繞平衡機(jī)旋轉(zhuǎn)主軸旋轉(zhuǎn)時(shí),因不平衡量產(chǎn)生的離心力使平衡機(jī)支承產(chǎn)生不同頻率的振動(dòng),通過(guò)振動(dòng)測(cè)量傳感器測(cè)出振幅和相位差,再通過(guò)軟件系統(tǒng)中的動(dòng)平衡數(shù)學(xué)模型計(jì)算出不平衡量和質(zhì)心位置,從而根據(jù)計(jì)算結(jié)果在校正平面進(jìn)行增重或去重的質(zhì)量分布修正，減小不平衡量，直到滿足機(jī)器需要達(dá)到的平衡等級(jí).. 

實(shí)驗(yàn)室通用型低速離心機(jī)和高速離心機(jī)采用的離心機(jī)轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡工藝屬于剛性轉(zhuǎn)子的動(dòng)平衡范疇，按照ISO 21940-11的規(guī)定，要求達(dá)到G6.3級(jí)的水平，通常采用硬支承方式的通用立式平衡機(jī)進(jìn)行平衡校正，允許不平衡量的計(jì)算公式為

 

 

式中m_per為允許剩余不平衡量，單位是g；

 M代表轉(zhuǎn)子的自身重量，單位是kg；

 G代表轉(zhuǎn)子的平衡精度等級(jí) ，單位是mm/s；

 r 代表轉(zhuǎn)子的校正半徑，單位是mm；

 n 代表轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，單位是rpm。

 

如一個(gè)24x1.5mL的離心機(jī)角轉(zhuǎn)子，平衡精度要求為G6.3級(jí)，轉(zhuǎn)子的重量為1.2kg，轉(zhuǎn)子在1200rpm轉(zhuǎn)速下校正，校正半徑85mm， 則該轉(zhuǎn)子的允許不平衡量為：

 

如采用雙面校正平衡，則允許分配到每面的不平衡量為0.35g

以上計(jì)算值為上限參考值，隨著動(dòng)平衡技術(shù)工藝水平和自動(dòng)化程度的提高，在考慮制造工藝經(jīng)濟(jì)適用性的基礎(chǔ)上，基于平衡要求在離心機(jī)應(yīng)用中的重要性，一般離心機(jī)轉(zhuǎn)子的允許不平衡量都低于這個(gè)上限值。如湖南湘立科學(xué)儀器有限公司采用的24x1.5mL離心機(jī)角轉(zhuǎn)子，要求單面動(dòng)平衡允許不平衡量為0.3g。平衡品質(zhì)相對(duì)參考計(jì)算值的上限要求提高了一倍。