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简述现场动平衡技术的应用
杨 辉/邢台钢铁有限责任公司    
摘要：介绍了现场动平衡技术的优势、诊断和处理方法，通过具体的实例分析了应用现场动平衡技术为企业创造的经济效益。
关键词：通风机；动平衡；诊断；方法
中图分类号：TH113.2+5　　　　 文献标识码：B
The Application of Dynamic Balance Technology on Site
Abstract: This paper has introduced the advantage, the diagnosing and treating method of dynamic balance technology on site. The economical benefit for enterprise is obtained by applying dynamic balance technology on site through the concrete analysis of actual example.
Key words: fan; dynamic balance; diagnosis; method
0 　引言
　　现场动平衡技术是指旋转机械在与其工作状态相同或相近的转速、安装条件、支承条件和负载情况下，对其进行振动测量或平衡校正的一种平衡方法。实践证明，50%以上的机械振动可以归结为“不平衡”造成的。所以，成功地消除或减小转子不平衡是降低机械振动的主要手段。质量高的现场动平衡总会提高安全性、延长机器寿命和提高设备利用率。因此，平衡不仅是技术上的要求，也是经济效益的需要。
１　现场动平衡的必要性
　　（1）安装在实际设备上和安装在动平衡机上转子的工况不同。
　　① 现场设备安装误差。设备安装误差有轴承装配偏差、轴承同心度偏差、转子和轴装配偏差、转子变形等，这些对机器不平衡振动都有很大的影响，这和转子在动平衡机上旋转是完全不一样的。所以现场动平衡比机上动平衡精度更高。
　　② 在带负荷运行状态下，转子的不平衡会发生变化。机器带负荷运行引起转子不平衡变化的主要原因是热不平衡，转子局部热变形引起的不平衡。
　　③ 个别零件（如联轴器）未与转子一起进行高速动平衡。
　　（2）转子在使用过程中发生变化需要进行动平衡补偿。
　　这些变化有机械磨损，例如转子轴颈磨损、轴承磨损、转子叶片磨损。零部件损坏，例如转子叶片损坏，转轴弯曲。设备修理时，零部件的修改或更换，例如更换吐丝机的吐丝管和卡环会破坏转子的动平衡等。
　　（3）拆卸机器和运输转子到适合的动平衡机做动平衡，有时受条件限制，同时也不经济。
2 　不平衡的诊断
2.1　 信号特征
　　（1）通频时域波图形为近似的等幅正弦波。
　　（2频谱图上，以工频成分为主，其它频率成分相对较小。
　　（3）轴心轨迹图为一个稳定的、长短轴相差不大的椭圆。
　　（4）转速一定时，相位稳定。
　　（5）工频趋势图上，初始不平衡时，初次开车后振动值就大；渐发性不平衡时，振动值逐步参差缓慢增大（其间有时可能有所降低），相位同时产生较小的相应变化；突发性不平衡时，振幅突然显著增大，相位也同时突变。
　　（6）转子的涡动方向为同步正进动。
　　（7）旋转方向上（径向）各点的振动存在相位差。
　　（8）支承转子的两个轴承同一方向上测点的振动相位，纯静失衡时为同相，纯偶失衡时为反相，动失衡时存在0°～180°的相位差。
　　（9）转子外伸段，特别是悬臂转子不平衡时会同时，产生较大的轴向振动，支承转子的两轴承的轴向振动相位相同。
2.2 　方向性
　　由于不平衡振动是由离心惯性力所引起的横向振动，因此径向振动大。
2.3 　敏感参数
2.3.1　 转速
　　不平衡振动的振幅值大小与转速范围的变化密切相关，当转速低于临界转速时，振幅随转速的增加而明显上升；当转速等于或接近临界转速时，将产生共振，振幅急剧上升并达到最大峰值；当转速越过并远离临界转速时，振幅随转速的增加反而减小，并趋向于一个较小的稳定值。
2.3.2 　相位
　　除了与转速存在上述类似关系（即低于临界转速时相位随转速而变；通过临界转速时发生大的翻转变化；远离临界转速后趋向于一个稳定值）外，不平衡振动的相位还存在一个非常重要的敏感信息，这就是只要是发生了不平衡 ( 无论是突发性、还是渐发性 ) ，原质量偏心距的方位（重点）肯定要发生变化，工频的相位必然要随之发生变化。因此，在转速稳定的情况下，如果振幅、工频相位同时发生变化，基本上可以断定是发生了转子不平衡故障。
2.4　 故障甄别
　　由于不平衡故障的特征频率是工频，而旋转机械主要振动频率成分是工频的各类故障有 10类26种之多。因此，单凭工频成分这一特征是无法做出转子不平衡结论的，这就需要综合考虑方向性、转速、相位等因素，进行区分、甄别。
2.4.1 　弯曲类
　　如轴弯曲、裂纹引起的弯曲，刚性联轴器的角度不对中也可归入此类。与不平衡的主要区别点是弯曲类振动还存在较大的轴向工频振动。此外，转速变化时，永久性弯曲相位不变，临时性弯曲相位变化不明显；角度不对中时，联轴器两侧径向振动相位相同。
2.4.2　偏心类
　　如轴承偏心（间隙过大、合金磨损、轴颈与轴承偏心、轴承座刚度差异过大等）、转动部件（联轴器、齿轮、叶轮等）偏心、电机气隙不均等。与不平衡的主要区别点是偏心类振动其振动值随负荷而变化、对转速变化不敏感，此外在相位、轴心轨迹等方面也有所不同。
2.4.3　 变形类
　　如机壳、支座及基础的变形，松动，裂纹等。此类振动的工频幅值与负荷、转速的关系均不明显。变形类故障使机组的支撑刚度在某一方向上明显削弱。因此，相关各点的振动均在此方向上明显较大、相位一致，而不平衡引起的振动，同一轴承的不同测点和两端轴承的同方向测点都存在相位差。
2.4.4　 共振类
　　如基础共振和工作在临界转速区等。基础共振使机组各点都以同一频率、同一相位进行振动，而不平衡造成的振动各点都存在相位差。通过波特图和极联图确定转子的临界转速，看是否与实际运行转速相接近。
2.4.5　 假象类
　　如涡流传感器测量轴颈处的机械偏差（椭圆、不同心、损伤等）和电气偏差（剩磁）以及工作转速为3000r/min 时的50Hz交流电干扰信号等对于机械和电气偏差可通过波特图、极坐标图或低转速下运转加以确认和排除，而 50Hz 交流电干扰信号则是随机的冲击信号。
３　现场不平衡的处理方法
　　通过测量，当已确定振动原因为不平衡后，下一步的工作就是要对机器进行现场动平衡校正。笔者从工作实践中总结现场动平衡的关键步骤如下。
3.1 　振动传感器和光电传感器的正确安装
　　现场可以将光电传感器与振动传感器安装在同一角度，这样校正角度以光电标记计量即可。否则，必须将光电传感器对准光电标记后，以振动传感器的位置为起点计量校正角度。
3.2 　初始振动矢量分析
　　假设转子的两个支承分别为A和B,见表1，根据初始振动矢量分析[1] ，判断不平衡的类型。
表1 　SAO，SBO为A、B侧轴承的初始振幅
夹角θ
振幅关系
引起振动的主要原因
消除方法
接近90°
S AO ≈ S BO
静、力偶
双面
小于90°
S AO ≈ S BO
静
单（对称加）
接近180°
S AO ≈ S BO
力偶
双面
接近90°
S AO＞＞ S BO
A侧不平衡
单（A侧加）
小于90°
S AO＞＞S BO
A侧不平衡
单（A侧加）
接近180°
S AO ＞＞S BO
A侧不平衡
单（A侧加）

3.3 　试加质量和相位角成功与否的判断标准
　　振幅明显减小（30%）或相位明显变化（>60°）。若不成功，则需要调整试重质量，因为试重质量过大或角度偏差过大会引起振幅增大，这对机组安全不利；而试重质量过小，振幅无明显减小，会引起计算误差增大，降低平衡效果，甚至出现错误的计算结果[2] ，所以试重质量的选择很大程度上依赖经验。通常可以参考经验公式，在此基础上适当增加或减少试加质量。在实践中不断总结该设备的加重区间，同时广泛收集同类设备的平衡资料，因试加质量和滞后角具有可参考性，可提高试加成功率。关于试加角度，一般认为刚性转子试加角度比振动相位角加上180°的值略小，挠性转子试加角度比振动相位角的值略大，但实际现场测量上总是存在偏差，但一般偏差不大。实践证明，采用这种方法有时一次加重就可以将机器振动降低到合格范围，可节省检修时间。
3.4　 判断动平衡仪分析数据是否正确
　　在现场平衡过程中，若按照仪器计算的结果校正后，振动没有明显改善，且检查上述三步没有问题，可以通过作矢量图的方法加以验证，排除平衡仪器自身的问题。
４　现场动平衡效益分析
　　2008年11月28日，邢钢白灰厂套筒窑主抽风机，由于振动过大而无法运行。该风机转子直径2100mm，额定转速1490r/min，正常工作转速为1150r/min，由功率250kW电动机驱动，结构见图1, 振动验收标准为Vrms≤2.8mm/s

　　对风机进行监测，测点3的振动值达到11.9mm/s，经过分析诊断，确定风机的故障原因为不平衡，于是决定对风机做现场动平衡。自始至终用了6h，就恢复了正常生产。据设备部门介绍一台这样的风机如果拆下来修理需要24h，直接费用包括拆卸、安装、调试、运输、备件等需要16000元。但检修停机的生产损失，按每吨白灰的效益150元，每小时生产白灰20t计算，则增效为54000元。可见现场动平衡技术可以方便而快捷的解决不平衡问题，为企业创造巨大的经济效益。
　　总之，现场动平衡技术是一种成熟、实用的维修技术；实施现场动平衡技术一定能够为企业带来可观的经济效益。
参 考 文 献
[1] 安胜利,杨黎明.转子现场动平衡技术[M].国防工业出版社,2007.
[2] 寇胜利.汽轮发电机组的振动及现场平衡[M].中国电力出版社,2007.