[科普中国]-转子动平衡

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等因素的影响．转子上总是存在着不平衡。转子不平衡是发动机主要的激振源。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。为此，在发动机制造或者维修过程中．甚至在运行过程中，都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，以达到发动机平稳运行的目的。

概念转子不平衡是造成转子振动过大以及产生噪音的主要原因之一，直接影响发动机的工作性能和使用寿命。因此，研究转子特别是柔性转子动平衡技术对航空发动机具有重要的意义。常用机械中包含着大量的作旋转运动的零部件，例如各种传动轴、主轴、电动机和汽轮机的转子等，统称为回转体。在理想的情况下回转体旋转时与不旋转时，对轴承产生的压力是一样的，这样的回转体是平衡的回转体。但工程中的各种回转体，由于材质不均匀或毛坯缺陷、加工及装配中产生的误差，甚至设计时就具有非对称的几何形状等多种因素，使得回转体在旋转时，其上每个微小质点产生的离心惯性力不能相互抵消，离心惯性力通过轴承作用到机械及其基础上，引起振动，产生了噪音，加速轴承磨损，缩短了机械寿命，严重时能造成破坏性事故。为此，必须对转子进行平衡，使其达到允许的平衡精度等级，或使因此产生的机械振动幅度降在允许的范围内。

转子产生不平衡的原因(1)加工制造上的原因

①毛坯制造过程中产生壁厚不均匀，材料密度不均(缩孔、砂眼和气孔)；在机械加工时产生不圆度和不同轴度(如轴颈偏心、轴颈倾斜、端面与轴线不垂直)；在热处理时产生金相组织的不均匀等。

②设计或加工的键槽、销和孔位置不对称而弓起的不平衡。

(2)装配上的原因装配质量误差使转子的重心与旋转中心线不相重合，如转子上套装的各个叶轮、轴套、平衡盘、推力盘等零件，装配时端面与旋转中心线不垂直，接触端面不平行;联轴器装配到转子上与旋转中心线不对中。

(3)运行上的原因

①转子弯曲 转子运行过程中由于操作不当使转子产生弯曲变形，如动静部分局部摩擦或转子在工作应力和温度应力的作用下产生弯曲变形等。

②转子平衡状态破坏 如汽轮机转子叶片飞离、零件缺损，围带松动或断裂；转子上零部件松动(配合松动或腐蚀性松动)；固体杂质在叶轮上的沉积等。

刚性转子动平衡动平衡分为刚性转子动平衡和挠性转子动平衡。动平衡即可以在平衡机上进行，也可以在机器本体上进行转子平衡。刚性转子定义有下列两种方法：

(1)《机械振动 平衡词汇》( GB/T 6444- -2008) 中规定的刚性转子定义

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。

(2)工程上通常用临界转速作为刚性转子与挠性转子分界。即工作转速低于第- -临界转速的转子，称为刚性转子；工作转速高于第一临界转速的转子，称为挠性转子。

刚性转子动平衡一般称作低速动平衡，这并不是由于平衡转速高低来划分的，而是由刚性转子定义所决定的。根据理论计算和试验结果证明，只有当转子转速低于0.4~0.5倍转子的第一临界转速时，转子挠曲变形对其平衡的影响可以忽略，根据这一原则，任何转子只要低于一定的转速，就可视为刚性转子。由于刚性转子动平衡和低速动平衡含义相同，因此将刚性转子动平衡直接称为低速动平衡。刚性转子平衡理论是假设转子在动态下不发生挠曲变形，转子本体内复杂的不平衡分布所产生的复杂的不平衡力系，以矢量叠加平移的原理分别叠加和平移到转子的两个端面上。所以，刚性转子的平衡只要通过调整转子两个端面上加重大小和方位，即可使整个转子从启动到工作转速范围内达到平衡要求。刚性转子平衡的方法一般为测振幅平衡法和测相平衡法两种。测相平衡法最早采用划线法、凸轮接触法、示波器法、闪光测相法，采用的是标准脉冲法。1

柔性转子的动平衡柔性转子往往工作在一阶甚至二、三阶弯曲临界转速之上。因此，平衡时不仅要消除转子刚体不平衡，而且要消除工作转速范围之内的振型不平衡。为此，人们建立了所谓的模态平衡法。该方法的应用条件是，所要平衡的各阶振型是可以解耦的。实际上，意味着阻尼必须很小，同时轴承刚度无交叉耦合效应。另外，需预先确知转子系统的模态。这种平衡方法对平衡人员的要求较高。在现场平衡时，往往并无有关转子动力学特性的先验知识；再则，可供使用的平衡校正面数目也受到限制，一般多为两个校正面，因此，难以应用模态平衡法进行平衡。实际上仍用影响系数法。在多数情况下，都能达到满意的效果。对于刚性转子的平衡，取两个校正面及一个平衡转速即能达到平衡目的。但对柔性转子，如只选一个平衡转速难以保证在某个转速范围之内都达到平衡。为此，必须选用多个平衡转速。2

转子动平衡校正汽车电机的转速较高，在制造过程中由于转子冲片材料的小均匀、绝缘不均匀、机加工精度误差等都会造成转子重心偏移，在高速转动时造成振动。K期运行则振动增大，转轴绕曲变形直至电机定转子相擦、毁坏。因此转子动平衡校正是必需的工艺环节。转子动平衡校正有专用的硬支承转子动平衡机，如图所示。

常用的校正方法有加重法和去重法两种，加重法为环氧配方的平衡胶泥粘贴，转子在进行动平衡测量时根据测量的不平衡度，在偏差点通过粘贴平衡胶泥，在粘贴过程还要同时检测，调整粘贴量或位置，使得转子达到要求的平衡值；去重法为转子两端局部切削，根据结果对超差部分转子硅钢片采用铣刀铣削缺口，减少偏移量达到平衡值。部分白动化程度高的动平衡机本身就有铣削专职，能够根据用户要求的动平衡精度自动切削缺口。3

本词条内容贡献者为:

张静 - 副教授 - 西南大学