转子的动平衡和静平衡

转子的动平衡和静平衡

1、定义1）静平衡在转子一个校正面上进行校正平衡，校正后的剩余不平衡量，以保证转子在静态时是在许用不平衡量的规定范围内，为静平衡又称单面平衡。2）动平衡在转子两个校正面上同时进行校正平衡，校正后的剩余不平衡量，以保证转子在动态时是在许用不平衡量的规定范围内，为动平衡又称双面平衡。

2、转子平衡的选择与确定如何选择转子的平衡方式，是一个关键问题。其选择有这样一个原则：只要满足于转子平衡后用途需要的前提下，能做静平衡的，则不要做动平衡，能做动平衡的，则不要做静动平衡。原因很简单，静平衡要比动平衡容易做，动平衡要比静动平衡容易做，省功、省力、省费用。那么如何进行转子平衡型式的确定呢？需要从以下几个因素和依据来确定：1）转子的几何形状、结构尺寸，特别是转子的直径D与转子的两校正面间的距离尺寸b之比值，以及转子的支撑间距等。2）转子的工作转速。3）有关转子平衡技术要求的技术标准，如GB3215、API610第八版、GB9239和ISO1940等。

3、转子做静平衡的条件在GB9239-88平衡标准中，对刚性转子做静平衡的条件定义为："如果盘状转子的支撑间距足够大并且旋转时盘状部位的轴向跳动很小，从而可忽略偶不平衡（动平衡），这时可用一个校正面校正不平衡即单面（静）平衡，对具体转子必须验证这些条件是否满足。在对大量的某种类型的转子在一个平面上平衡后，就可求得最大的剩余偶不平衡量，并除以支撑距离。如果在最不利的情况下这个值不大于许用剩余不平衡量的一半，则采用单面（静）平衡就足够了?quot;从这个定义中不难看出转子只做单面（静）平衡的条件主要有三个方面：一个是转子几何形状为盘状；一个是转子在平衡机上做平衡时的支撑间距要大；再一个是转子旋转时其校正面的端面跳动要很小。对以上三个条件作如下说明：1）何谓盘状转子主要用转子的直径D与转子的两校正面间的距离尺寸b之比值来确定。在API610第八版标准中规定D/b＜6时，转子只做单面平衡就可以了；D/b≥6时可以作为转子是否为盘状转子的条件规定，但不能绝对化，因为转子做何种平衡还要考虑转子的工作转速。2、支撑间距要大无具体的参数规定，但与转子校正面间距b之比值≥5以上均视为支撑间距足够大。3、转子的轴向跳动主要指转子旋转时校正面的端面跳动，因为任何转子做平衡试都是经过精加工的，加工后已保证了转子的孔与校正面之间的行为公差，端面跳动很小。根据上述转子做单面（静）平衡的条件，再结合有关泵方面的技术标准（如GB3215和API610第八版），只做静平衡的转子条件如下：1＝对单级泵、两级泵的转子，凡工作转速＜1800转/分时，不论D/b＜6或D/b≥6只做静平衡即可。但是如果要求做动平衡时，必须要保证D/b＜6，否则只能做静平衡。2＝对单级泵、两级泵的转子，凡工作转速≥1800转/分时，如果D/b≥6只做静平衡即可。但平衡后的剩余不平衡量要等于或小于许用不平衡量的1/2。如果要求做动平衡，要看两个校正面的平衡是否能在平衡机上分离开，如果分离不开，则只能做静平衡。3＝对一些开式叶轮等转子，如果不能实现两端支撑，只做静平衡即可。因为两端不能支撑，势必进行悬臂，这样在平衡机上做动平衡很危险，只能在平衡架上进行单面（静）平衡。

4、转子做动平衡的条件在GB9239标准中规定："凡刚性转子如果不能满足做静平衡的盘状转子的条件，则需要进行两个平面来平衡，即动平衡。"只做静平衡的转子条件如下（平衡静度G0.4级为最高精度，一般情况下泵叶轮的动平衡静度选择G6.3级或G2.5）：1、对单级泵、两级泵的转子，凡工作转速≥1800转/分时，只要D/b＜6时，应做动平衡。2、对多级泵和组合转子（3级或3级以上），不论工作转速多少，应做组合转子的动平衡。

由于动平衡同时满足静平衡条件，所以经过动平衡的转子一定静平衡；反之，经过静平衡的转子则不一定是动平衡的。

动平衡条件为，其惯性力的矢量和等于零，其惯性力矩的矢量和也等于零。即∑ Fi =0 , ∑ Mi =0 。凡满足这一条件的回转件称为动平衡回转件。由此可见，由于动平衡同时满足了静平衡的条件，所以，达到动平衡的回转件也一定是静平衡的。

一、动平衡的概念(Definition of Dynamic Balance)

当转子的宽径比(b/D)大于等于0.2时，其质量就不能视为

分布在同一垂直于轴线的平面内了。这时，其偏心质量分

布在几个不同的回转平面内，如右图所示。既使转子的质

心在回转轴线上，也将产生不可忽略的惯性力矩，这种状

态只有在转子转动时才能显示出来称为动不平衡。

动平衡不仅平衡各偏心质量产生的惯性力，而且还要平衡

这些惯性力所产生的惯性力矩。

二、动平衡的计算(Calculation of Dynamic Balance)

刚性转子动平衡的条件为：各偏心质量与平衡质量所产生的惯性力矢量和为零，且其惯性力矩的矢量和也为零。即

∑P=0,∑M=0

动不平衡的各偏心质量产生的惯性力不在同一垂直于轴线的平面内，若在各离心惯性力所在回转平面内一一进行静平衡，从理论上看虽可实现转子的完全平衡，但因为有的回转面内无法实现加（减）平衡质量（如曲轴中曲轴颈质心回转面），况且这样做也过于烦琐，所以实际上往往不能用简单的静平衡方法，而采用一种称为双面平衡的动平衡方法，其计算方法和步骤是：

<1>在适当位置选择两个垂直于轴线的平衡基面，两平衡基面内应可增加或除去平衡质量，二者之间距离应适当大些。

<2>根据一个力可分解为与其相平行的两个力的原理，将所有的离心惯性力分别分解到两个平衡基面内。

<3>分别在两个平衡基面内加（减）平衡质量，进行静平衡，该转子便达到了动平衡，即其所有的离心惯性力的合力及合力矩都为零。

由上可知，动平衡的转子一定是静平衡的，而静平衡的转子不一定是动平衡的。

如下图所示的长转子，具有偏心质量分别为m1、m2、m3，并分别位于平面1、2、3上，其回转半径分别为r1、r2、r3，方向如下图所示。当转子以等角速度回转时，它们产生的惯性力P1、P2、P3形成一空间力系。由理论力学可知，一个力可以分解为与它相平行的两个分力。根据该转子的结构，选定两个相互平行的平面作平衡基面，则分

布在三个平面内的不平衡质量完全可以用集中在两平衡基面内的各个不平衡质量的分量来代替，代替后所引起的平衡效果是相同的。同样仿照静平衡计算，在两个相互平行的平衡基面上做力封闭多边形，可用下式计算，便可求出在两个平衡基面上所加的平衡质量mb'、mb"及向径rb'、rb"。

性质：用去重或加重的方法将运转机械的转子的重心点调整到其回转中心线上的过程。不论转子的制造过程精度多么高，但由于材料的不均匀和不可避免的制造误差，平衡试验都是不可少的工序。具体做法是将带有心轴的转子支撑在水平的导轨上。偏离了回转中心的重心点1(图暂缺)，总要下坠转到最低点位置，平衡块2需加在通过点1的直径另一端。改变平衡块2的质量直到可“随遇平衡”时为止，再将2最终固定，即完成静平衡工序。设转子原质量M，平衡块2质量m，通过上述试验必有Me=mR。转子以角速度ω运转时也必有Meω2=mRω2，即是说重心的偏移所产生的离心惯性力被平衡块的反向的离心力所抵消，可达到无振动运行。但实际上总是有误差存在，平衡只是相对的，Me-mR=h≠0。h称为质径积，是代表平衡精度或误差指标的参数。上述静平衡试验只解决了离心惯性力的不平衡问题。对于长径比较大或高速旋转的转子，还有惯性力矩不平衡问题，需要进行动平衡试验加以彻底解决。

动平衡机的工作原理（如何进行测量）

平衡机是测量旋转物体(转子)不平衡量大小和位置的机器。何转子在围绕其轴线旋转时，由于相对于轴线的质量分布不均匀而产生离心力。这种不平衡离心力作用在转子轴承上会引起振动，产生噪声和加速轴承磨损，以致严重影响产品的性能和寿命。电机转子、机床主轴、内燃机曲轴、汽轮机转子、陀螺转子和钟表摆轮等旋转零部件在制造过程中，都需要经过平衡才能平稳正常地运转。根据平衡机测出的数据对转子的不平衡量进行校正，可改善转子相对于轴线的质量分布，使转子旋转时产生的振动或作用于轴承上的振动力减少到允许的范围之内。因此，平衡机是减小振动、改善性能和提高质量的必不可少的设备。

通常，转子的平衡包括不平衡量的测量和校正两个步骤，平衡机主要用于不平衡量的测量，而不平衡量的校正则往往借助于钻床、铣床和点焊机等其他辅助设备，或用手工方法完成。有些平衡机已将校正装置做成为平衡机的一个部分。重力式平衡机和离心力式平衡机是两类典型的平衡机。重力式平衡机一般称为静平衡机。它是依赖转子自身的重力作用来测量静不平衡的。。置于两根水平导轨上的转子如有不平衡量，则它对轴线的重力矩使转子在导轨上滚动，直至这个不平衡量处于最低位置时才静止。

被平衡的转子放在用静压轴承支承的支座上，在支座的下面嵌装一片反射镜。当转子不存在不平衡量时，由光源射出的光束经此反射镜反射后，投射在不平衡量指示器的极坐标原点。如果转子存在不平衡量，则转子支座在不平衡量的重力矩作用下发生倾斜，支座下的反射镜也随之倾斜并使反射出的光束偏转，这样光束投在极坐标指示器上的光点便离开原点。根据这个光点偏转的坐标位置，可以得到不平衡量的大小和位置。

重力式平衡机仅适用于某些平衡要求不高的盘状零件。对于平衡要求高的转子，一般采用离心式单面或双面平衡机。离心式平衡机是在转子旋转的状态下，根据转子不平衡引起的支承振动，或作用于支承的振动力来测量不平衡。其按校正平面数量的不同，可分为单面平衡机和双面平衡机。单面平衡机只能测量一个平面上的不平衡(静不平衡)，它虽然是在转子旋转时进行测量，但仍

属于静平衡机。双面平衡机能测量动不平衡，也能分别测量静不平衡和偶不平衡，一般称为动平衡机。离心力式平衡机按支承特性不同，又可分为软支承平衡机和硬支承平衡机。平衡转速高于转子一支承系统固有频率的称为软支承平衡机。这种平衡机的支承刚度小，传感器检测出的信号与支承的振动位移成正比。平衡转速低於转子一支承系统固有频率的称为硬支承平衡机，这种平衡机的支承刚度大，传感器检测出的信号与支承的振动力成正比。

平衡机的主要性能用最小可达剩余不平衡量，和不平衡量减少率两项综合指标表示。前者是平衡机能使转子达到的剩余不平衡量的最小值，它是衡量平衡机最高平衡能力的指标；后者是经过一次校正后所减少的不平衡量与初始不平衡量之比，它是衡量平衡效率的指标，一般用百分数表示。

在现代机械中，由于挠性转子的广泛应用，人们研制出了挠性转子平衡机。这类平衡机必须在转子工作转速范围内进行无级调速；除能测量支承的振动或振动力外，还能测量转子的挠曲变形。挠性转子平衡机有时安装在真空防护室内，以适合汽轮机之类转子的平衡，它配备有抽真空系统、润滑系统、润滑油除气系统和数据处理用计算机系统等庞大的辅助设备。

根据大批量生产的需要，对特定的转子能自动完成平衡测量和平衡校正的自动平衡机，以及平衡自动线，现代已大量的装备在汽车制造、电机制造等工业部门。

第一台平衡机的出现乞今已有一百多年的历史。而平衡技术的发展主要还是近四十年的事。它与科学技术的发展密切关联。我国动平衡理论和装置的研究及新产品的开发是从五十年代开始的。

机械中绕轴线旋转的零部件，称为机器的转子。如果一个转子的质量分布均匀，制造和安装都合格，则运转是平衡的。理想情况下，其对轴承的压力，除重力之外别其它的力，即与转子不旋转时一样，只有静压力。这种旋转与不旋转时对轴承都只有静压力的转子，称为平衡的转子。如果转子在旋转时对轴承除有静压力外还附加有动压力，则称之为不平衡的转子。

从牛顿运动定律知道，任何物体在匀速旋转时，旋转体内各个质点，都有将产生离心惯性力，简称离心力，如图一所示，盘状转子，转子是以角速度ω作匀速转动，则转子体内任一质点都将产生离心力 F ，则离心力 F=mrω2, 这无数个离心力组成一个惯性力系作用在轴承上，形成转子对轴承的动压力，其大小则决定于转子质量的分布情况。如果转子的质量对转轴对称分布，则动压力为零，即各质量的离心力互相平衡。否则将产生动压力，尤其在高速旋转时动压力是很大的。因此，对旋转体，特别是高速旋转体进行动平衡校正是必须的。

近年来，许多机械制造业都在被迫接受着残酷的市场竞争，特别是 WTO 的加入，简直是内忧外患。价格战、技术战一场接着一场，使得众多企业身心疲累，怨声载道。在激烈的市场竞争环境下，提高产品质量成为致胜的有力武器，而动平衡校正则是产品质量的前提和保证。

平衡机是一种检测旋转体动平衡的检测设备。从结构上讲，主要是由机械振动系统、驱动系统和电气测量系统等三大部件组成。

机械振动系统主要功能是支承转子，并允许转子在旋转时产生有规则的振动。振动的物理量经传感器检测后转换成电信号送入测量系统进行处理。

平衡机的种类很多，就其机械振动系统的工作状态分类，目前所见的不外乎两大类：硬支承平衡机和软支承平衡机。硬支承平衡机是指平衡转速远低于参振系统共振频率的平衡机。而软支承平衡机则是平衡转速远大于参振系统共振频率的平衡机。简单来说，硬支承平衡机的机械振动系统刚度大，外力不能使其自由摆动。软支承平衡机的机械振动系统刚度小，一般来说，外力可以使其自由摆动。以下是软、硬支承平衡机的性能比较：

驱动系统的主要功能是驱动转子，使转子在额定的平衡转速下旋转。

目前常见的驱动系统主要有万向联轴节驱动和圈带驱动。万向联轴节因本身结构中存在间隙和与工件安装时存在安装几何偏差，这些误差将直接影响工件的平衡精度，在特大工件时和心轴安装时更为突出。因此，万向联轴节驱动主要用于普通的、平衡精度要求不是很高的卧式平衡机。

在圈带驱动中，由于传动带具有减振作用，能减少驱动马达的振动对转子的影响，且转子不需要在平衡机上作准备，也不需要附加连接件如螺栓、插销等转换固定装置，因此安装迅速。与万向节驱动相比，它不存在结构间隙及安装几何偏差，能大大的提高测量精度。

电气测量系统是的主要功能是处理由传感器来的电信号，显示出转子不平衡量所处的位置和大小。它是平衡机中的关键部件，其好坏直接影响平衡机的性能。型测量系统是我公司在吸收国内外平衡机顶尖技术的基础上和国内多所大中院校联系自行设计、开发的平衡机检测系统，工业计算机（单片机）控制系统，采用台湾、日本；美国多种电子元件及芯片，用先进的技术制造，所有产品均经过严格的品质管制；保障系统高效率、高安全、长期稳定运行。

不平衡量的校正过程，即是从转子上较重的部分去掉一部分材料，或者在转子较轻的部分加上一些平衡配重，使转子趋于平衡的过程。不平衡量的校正通常有加重和去重两种平衡校正方法。

由于各种原因的影响，一些转子的平衡状态在使用过程中会发生变化，对这些转子通常就要采用加配重的方法进行校正。这样做的好处是便于转子（以及整机）的再行校正。在不平衡量较大时，去重校正显然不及加重校正方便快捷。用户必须根据工件的具体情况选择合理的平衡校正方式。

平衡机的技术指标中，有一个精度的参数：

这几个公式表明平衡机的测量精度在微米的数量级以上，而工件的几何加工精度在 1 丝 --10 丝之间，也就是说在 10 微米－ 100 微米之间。从这个数量级的具体意义来看，转子的平衡精度主要决定于工艺轴的几何加工精度。下面就几何偏心引起的误差举个简单的例子：

设：转子的质量 M ＝ 2000 公斤，

工艺轴的加工跳动为ｅ＝ 5 丝＝ 50 微米

转子的校正半径为ｒ＝ 250 毫米

那么，由工艺轴的跳动引起的不平衡质量ｍ

ｍ＝M ×ｅ／ｒ＝2000 ×５０／２ 50 ＝ 400 （克）

由此看来 ,5 丝的精度有如此大的影响，而 5 丝的保证已经有所不易，所以平衡工艺轴的加工一定要经过磨削工艺，这样才能保证平衡的最终精度目的。

平衡工艺轴的修正极限为：当跳动大于 5 丝时，必需修正，否则平衡效果为假平衡。

不平衡合格量的计算：

根据国际标准化组织推荐，精度等级分为： G4000 、 G1600 、 G630 、 G250 、 G100 、 G40 、 G16 、 G6.3 、 G2.5 、G0.4 共 11 级。风机、电机、胶棍的平衡精度要求为Ｇ＝ 6.3 级。设：转子的质量 M=2000 公斤

转子的校正半径为ｒ =250 毫米

工件的工作转速为 n=500 ( 转 / 分 )

精度等级选用 G=6.3 级

则不平衡合格量 m =2000x6.3x10000/250x500=1008 ( 克 )