风阻效应下的组合转子动平衡

风阻效应下的组合转子动平衡

转子的动平衡，是一项现代化生产中尖端的技术科研项目。风阻效应组合转子是辅助动力装置中最核心最重要的零部件之一，转子结构复杂，装配精度要求的较高，动平衡时不允许去材料，只允许相邻的端齿配合面在0°～90°的范围内顺航向调整整个转子的质量分布，每个叶轮均有自己的动平衡特性，旋转调整后变化因素多，很难保证整体的平衡要求，是一项技术瓶颈问题。此类组合转子的整体动平衡技术研究在国内尚属首例，无成熟的经验可以借鉴，技术难度极高。通过理论分析和现场试验，采用错齿平衡、二倍频分析、计算机辅助编程、影响系数等新工艺方法，攻克动平衡过程中转子组合后跳动值超差、动平衡值飘移、振动大、旋转不稳定等的故障。

标签：整体动平衡；组合转子；新工艺方法；平衡技术；叶轮

1 概述

现代社会，在机械加工精度已经达到千分之一毫米量级，但机械运转过程中的振动还是无法克服，而机械振动在机械运转过程中绝大多数是有害的，它不仅能使转子产生高轴疲劳断裂，还会加速支撑件的磨损，从而加剧了机械振动，进而恶性循环，例如，我们的计算机CPU散热风扇，新的产品运转时，几乎是无声的，随着使用，转子的轴承磨损，风扇声音变大，则被形容成“拖拉机”，而一些质量较好的散热风扇，使用的寿命更长，这就是其中原因，然而机械运转过程的振动起因有很多，其中转子自身的不平衡量产生的振动则普遍存在，为减小转子的不平衡量，则需要将不平衡量测出，进而想办法消除。

2 转子不平衡量产生的原理

转子之所以产生不平衡量，其根本原因是质量中心与回转中心不重合，造成了转子变成一个质量为m的物体在绕着一个不在质心的点在做回转运动，那么这就是典型的向心力模型。随着向心力在不断的作周期变化，那么振动也就产生了。

造成质量中心与回转中心不重合的原因有很多，比如机械加工误差，转子材料的不均匀等原因，一般消除转子不平衡的方法有去重法和增重法，那么如何准确的测出转子的不平衡量大小及位置，则需要专业的仪器，动平衡机来进行。

2.1 转子的结构特性

一般的转子都是由工作部件和支撑轴组成，二者构成了整个转子，其中任何一部分不平衡，均可能产生整个转子的不平衡。

2.2 转子的不平衡状态

在机械旋转时，转子由于转子质心的偏移，转子旋转过程中就产生离心力，离心力的周期变化则产生的机械振动，进而将力施加在支撑转子的轴承上，该转子处于不平衡的状态，不平衡转子的所有质量单元产生的惯性力使转子变形并使旋转轴挠曲。

对于一般的转子而言，当离心力产生的力矩/力达到平衡时，即矢量合为零，则转子的就达到了平衡，在不考虑其他因素时，转子的机械振动就会消失。但如果合力不为零，则会出现如下状态。

2.2.1 静不平衡状态

静平衡状态是指，一个转子的大部分质量在一个平面上，工程上则认为长径比小于0.2时，转子可以作为静平衡模型来考虑，这时，转子的质心不在旋转轴线上，则在转子转动过程中就产生了偏心力，即离心力。此时的转子为静不平衡转子。

2.2.2 动不平衡状态

动不平衡的实质是一个长轴转子，其质量中心轴与回转轴线重合转子质量轴线与旋转轴线成角度相交，那么，转子在旋转过程中，每个截面则产生了很多个离心力，所有离心力共同作用在转子上，形成了合力矩，从而作用在转子的两个支撑上，此时的转子即为动不平衡转子。

3 平衡机的精密调整

现阶段，为测量出转子的不平衡量，需要使用专业的仪器进行，这种仪器就叫平衡机，而平衡机的性能直接影响动平衡的效果，好的动平衡机应具有足够的静态、动态刚度、热稳定性和精度。传感器精度高、抗干扰力强、响应速度快。

首先，介绍一下动平衡机的工作原理，不平衡量的测量，其主要测量的转子的振动量，动平衡机需要测量转子的质量，转子的旋转转速，转子的振动量。平衡机工作时，将被测转子摆放在专用的安装架上，安装架上安装振动传感器，通过电机驱动转子进行旋转，再通过转速测量装置，一般为激光测速仪，测出转子的转速，转子上应有一个标记的零位，即测速仪对应的反光纸，通过振动的量级，来算出转子的偏心质量，通过反光纸经过激光测头和振动产生的时间，来计算出偏心质量的角度，因为转子在旋转过程中，产生的振动因素有很多，其主要是转子质量偏心产生的振动，平衡机经过反复测量，排除掉次要因素，通过软件计算，来评估出转子的不平衡量，现阶段的平衡机给出的不平衡量都是一个估算值，其不可能像测量长度和质量那样精确。

通过平衡机的工作原理的分析，可以得出，影响测量精度的因素也主要由上述三种原因构成：（1）转子的质量，当转子侧质量超出了安装架的工作范围，就会使安装架振动过大，或过小，超出振动传感器的测量精度或没有达到传感器的最小测量数值，结果也就不够准确。（2）转速测量不准，则影响了整个评估结果，

无法准确算出振动量，无法准确算出偏心角度。（3）振动传感器不准，那么测出的振动量有误差，测出的不平衡量也就不够准确。

3.1 定标精度

定标，给平衡机定标和给其他测量仪器定标的原理一样，就是拿出一个已知不平衡量的转子，在平衡机上进行测量，比较测量结果和已知不平衡量，可以给出精度；定标是否准确的检验方法：定标程序完成后将转子进行简单补偿，测量后得到一个理想转子的不平衡量，然后在已知角相，增加已知质量的平衡块，测量后如果得到相应的已知角度和已知质量的不平衡量，此时说明定标有效，如果有偏差则定标无效，需重新定标。

3.2 补偿模式

对于一些特殊的转子，其自身没有旋转轴，这时就需要一个平衡芯轴来进行模拟旋转，由于芯轴的制造精度，及转子与芯轴的安装误差，其测量结果就会不准确，为此需要进行将芯轴的不平衡量去掉，此方法为反转补偿。假设转子与芯轴的不平衡量不在同一个方向且不在一条直线上，那么两者形成的旋转体的不平衡量为两者的合力，通过重新装配转子与芯轴，并成180°对转，那么形成的合力就会产生不同方向的变化，通过计算两者之间的变化，即可补偿掉芯轴的不平衡量。

4 风阻效应组合转子的动平衡技术研究

4.1 动平衡的技术关键性

工程上，所谓动平衡工序是指通过平衡机的测量，测出转子的偏心质量和偏位置（角度），再通过增重或减重的方法进行校正，来达到预期的结果，整个工艺过程即为动平衡工序。

由于动平衡测量主要是测量振动力，外力的加入会影响整个测量结果，而有风阻的转子在旋转过程中，会有外力对平衡过程进行影响，从而影响测量结果，而当将多个风阻转子组合成一个转子，则会有更多的外力对其进行影响，所以有风阻的组合转子动平衡就存在以下几点技术难点。

4.1.1 技术难点1

多个零件组装，转子容易出现过长现象，在旋转过程中每个转子的不平衡力矩相互叠加，时转子发生弯曲，转子就成了非刚性转子，而动平衡的转速无法做到太高（大于15000r/min），由于转子有风阻，实际工作过程中，转子会受轴向力，可能会使转子的受力情况有所改善，这时，就出现的测量结果与实际工作状态不符，而这是绝对不允许的。

4.1.2 技术难点2