转子动平衡知识精华版

转子动平衡知识及故障诊断
1, 什么是动平衡?定义解读
1)理想状态下，旋转设备转子动平衡绝对好，在不受外力干扰的情况下，其振动可为零。

但实际生产中，由于材质不均、工艺误差、转子叶片不均匀变形、不均匀磨损或局部掉块，安装问题及运行中多种因素的影响，导致其物理质量中心和旋转中心线之间存在一定量的偏心距e，导致存在不平衡离心力，使转子的平衡性被破坏。

2)转子不平衡是旋转设备振动主要的激振源。

举个简单例子，我们生活中使用的风扇，在
使用过程中叶片均匀分布，所受离心力叶片间相互抵消，但如果其中一片叶片缺失，那么就会引其风扇离心力变大，导致噪音和振动的增加，离心力F离=meω2(m质量，e偏心距，ω旋转角速度) 随着转速的增加，不平衡质量的增加而增加。

图1 风扇不平衡示例
3)转子不平衡的几种形式：-
a)静不平衡：-转子的质量轴线和旋转轴线不重合，有一定偏心距，但在转子长度L其
质量轴线与旋转轴线是平行的，因此不平衡将发生在单平面上，所产生的离心力作用域两端轴承上是相等同向的，可通过单平面来进行平衡矫正。

b)偶不平衡：-转子的质量轴线与旋转轴线不重合，但相交于转子重心，所产生的离心
力作用于两端轴承相等且180度反向。

c)实际不平衡：-转子的质量轴线和旋转轴线不相交，不平行不重合，不平衡产生的离
心力作用于两个平面上，可以认为动不平衡是静力不平衡和偶不平衡的组合，生产运行中多为此种动不平衡。

图2 转子不平衡种类
4)不平衡引起转子振动，加速轴承、轴封等部件的磨损，降低机器的使用寿命和效率，严
重时会导致机毁人亡，数据研究显示，40%-50%的旋转设备故障是由于动不平衡导致的，因此为了减小动不平衡的影响，需要对转子进行动平衡。

动平衡是通过在转子上去重或加配重的方法来改变转子的质量分布，使质心偏心离心力引起的转子振动或作用在轴承上的动载荷减小到允许范围之内，以达到旋转设备平稳运行的目的。

2，如何看懂动平衡报告？
检查旋转部件是否平衡，有静平衡测试和动平衡测试两种方法：-
1）静平衡检查：使用高精度飞轮检查转子的平衡性（图3）；使用高精度旋转平台测试圆盘D的平衡性（图4）。

图3转子平衡性检查图4 圆盘平衡性检查
2）动平衡检查：-静平衡好的旋转部件，旋转起来后动平衡性并不一定好，同时受限于大转子大不部件的平衡需求，工业生产中，常在动平衡机上采用低速和高速动平衡来检验和矫正旋转部件平衡性。

a)动平衡采用的标准是ISO1940（International organization for standardization, ISO）,
其它标准像API(American Petroleum Institute) 标准（API610，API612），ASME
（American society of mechanical engineers）美国机械工程师协会，也都在使用
ISO1940的动平衡标。

单位为公克×毫米/公斤(gmm/kg)，代表不平衡对于转子轴心的偏心距离
b)ISO 1940以g为单位衡量平衡度，G2.5 比G6.3更严格，但并不是说越严格越好，
还要考虑经济性，G2.5意思是振动速度信号在规定规格2.5mm/s之内，但这些只是理论状态下的规定规格，实际上还需要以操作条件为准。

例如3000rpm下要求动平衡G2.5的电机，查表可知道其单位质量允许的不平衡量为8g.mm/Kg，若转子质量为1000kg, 则允许的不平衡量为8000g.mm. 若矫正半径为200mm,则运行不平衡量为8000/200=40g, 也可用公式计算求得:-
e Per=M∗G∗60∗103
2Π∗r∗n
(g)
其中e per为单位质量下允许的不平衡量，单位为g;
M代表转子的自身重量，单位是kg；
G代表转子的平衡精度等级，单位是mm/s；
r 代表转子的校正半径，单位是mm；
n 代表转子的转速，单位是rpm。

举例:-如一个电机转子的平衡精度要求为G2.5级，转子的重量为1000kg，转子的转速为3000rpm，校正半径200mm，
则该转子的允许不平衡量为：
e Per=M∗G∗60∗103
2Π∗r∗n
(g)=
1000∗2.5∗60∗103
2Π∗200∗3000
=40g
考虑到电机转子一般都是双面校正平衡，故分配到每面的允许不平衡量为20g。

回转仪，高精密设备的主轴和驱动G0.4 0.4
表1 ISO1940 动平衡标准表
图5低速动平衡—残余不平衡量及相位图6高速动平衡—振动大小及相位
表2 电机转子动平衡报告
3，如何做动平衡？
图7 适用于大转子的平衡机图8 适用于小转子的平衡机
1）平衡机是测量旋转物体(转子)不平衡量大小和位置的机器，是减小振动、改善性能和提高质量的必不可少的设备。

因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，因此要运用平衡机进行检测。

2）平衡机分为圈带平衡机，万向节，单面立式，传动轴平衡机等。

3）根据转子的大小和类型，我们可选择合适的平衡机，通过键相信号和轴承底部的加速度传感器（多模态转子也会在中间使用涡流式振动探头）我们可以找到最大的不平衡点，然后计算求得应该在平衡盘上加减的配重；
4）转子有刚性和柔性之分，定义转子运行频率高于临界转速（通过固有频率时对应的转速）的为柔性转子；转子运行频率低于本身固有频率的为刚性转子。

但往往有些高于临界转速运行的转子视为刚性转子（例如增压机和膨胀机的转子），只需做低速动平衡，该类转子（转子挠曲变形对其平衡的影响可以忽略，视为类刚性转子）在平衡机上的支承条件与近似于现场机器支承条件，转子只需在平衡转速(一般取工作转速的20%左右)上，选择转子任意两个垂直与轴线的校正面进行平衡校正，将力和力偶的剩余不平衡量降低至平衡品质允许值以下，这种转子可视为刚性转子。

5）转子可做低速和高速动平衡，一般情况下刚性转子做低速动平衡而柔性转子做高速动平衡。

但由于不平衡量的分布给柔性转子带来的弯曲变形较为复杂，对于动平衡必须是在多个平面和多个转速内分别进行平衡，所以有时在低速和第一临界转速下平衡好的转子，在工作转速振动仍不合格，此时则需做高速动平衡解决，具体还需参考厂家设计建议。

低速动平衡可以按照ISO1940标准用残余不平衡量来衡量平衡是否合格，而高速动平衡有可能残余不平衡量很小，但振动很高，所以多用振动标准API612来进行衡量是否合格，振动合格了有可能残余不平衡量会高出一定标准。

图9用于汽轮机转子的平衡块图10 通过叶轮材料去除消除不平衡
4，动不平衡的案例分析
1）如何判断是动不平衡引起的故障？
a)动不平衡引起的故障，在频谱上表现为1倍频对应的振动贡献主要振动，在时域图
上波形表现为一个正弦波；
b)转子的轴心轨迹形状基本为一个圆或椭圆，进动方向为正进动方向；
c)不平衡导致的振动和转速很敏感，转速下降振幅下降很明显，有时可以通过调整转
速的大小查看是否为动不平衡引起的故障。

2）某喀麦隆空压机二级动不平衡不好，该压缩机总共四级，三级压缩空气，一级压缩氮气，叶轮布局及振动，相位分布如下图:-
图11 压缩机布局
在两年时间内该压缩机振动从0.7mils缓慢升至2.5mils, 现场检查使用工具ADER408，990适配器，使用ADRE系统收集振动信号。

a)进行现场动平衡之前，使用ADER408收集压缩机在加载和卸载情况下的频谱，轴心轨
迹和时域图，可以看出1倍频是二级振动高的主要原因，检查轴承及叶轮未发现明显问题，初步判断为转子动不平衡。

图12频谱及轴心轨迹，1X贡献主要振动
轴心轨迹及时域图，显示垂直方向振动偏大，与此方向载荷不足或轴承间隙过大有关b)考虑对压缩机二级做单面在线动平衡进行矫正，拆除二级入口管和叶轮帽，安装平衡盘，
布置振动信号，键相信号探头，连接数据采集仪。

平衡安装盘
涡流式振动探头
键相信号探头及轴感应槽
图13在线动平衡时，安装键相信号探头，振动探头及平衡盘，连接数据采集仪
c) 在线动平衡过程：-拆除二级管，安装数据采集仪器，启动设备收集原始振动数据---根
据振动大小及键相方向，添加试配重---计算安装调整配重---拆除配重盘，在叶轮螺帽上去除对应的配重质量---连接入口管，最终确认振动大小。

测量结果如下，在线动平衡后，振动降到正常值。

表3 在线动平衡测量数据表
d) 平衡后的频谱，1倍频振动很小。

图14压缩机二级振动频谱
参考文献
【1】 ISO1940—Mechanical Vibration —Balance quality requirements for rotors in a
constant(rigid) stage
【2】 API612—Petroleum, petrochemical and natural gas industries —steam turbines
—
ADRE408数据采集仪 振动信号变送器
special purpose applications 【3】压缩机在线动平衡测试报告。