[科普中国]-挠性转子

挠性转子是指工作转速接近或者超越转子的一阶弯曲临界转速的转子。随着机组容量的增大，机组转子的轴向尺寸也越来越大，细而长的转子，挠（柔）性增加，使得转子的临界转速大大下降，工作转速将超过第一阶临界转速或第二、第三阶临界转速。对于这样的转子，称为挠性转子。挠性转子在高转速下会产生动不平衡现象，进而产生振动噪声，影响转子的使用寿命和传递效率。

简介随着机组容量的增大，机组转子的轴向尺寸也越来越大，细而长的转子，挠（柔）性增加，使得转子的临界转速大大下降，工作转速将超过第一阶临界转速或第二、第三阶临界转速。对于这样的转子，称为挠性转子。挠性转子在高转速下会产生动不平衡现象，进而产生振动噪声，影响转子的使用寿命和传递效率。不平衡的转子经过测量其不平衡量和不平衡相位，并加以校正以消除其不平衡量，使转子在旋转时，不致产生不平衡离心力的平衡工艺叫做转子的动平衡。动平衡就是要使由不平衡量引起的机器振动、轴挠度和作用于轴承的力低于规定的允许值。对于挠性转子来说，需要校正每个微小轴段上的不平衡量，使转子每个轴段上的质心都位于旋转轴线上。这种状态的转子将不会产生静不平衡、动不平衡和振型不平衡量，而是一个完全平衡的转子，在所有转速下均能理想的运转1。

挠性转子动力学分析挠性转子的结构和加工方法及组件的装配方式都能显著影响不平衡量的大小及其沿转子轴线的分布。由于不平衡量在转子轴线的分布是随机的，故同一种结构的两种转子的不平衡量分布也不相同。同时，挠性转子的不平衡量分布比刚性转子不平衡量的分布有更重要的意义，因为它决定了激发任一挠曲振型的程度。此外，沿转子上任一点的不平衡效应取决于转子的振型。动平衡时如果没在不平衡量产生的平面校正，而在转子的其它面校正不平衡，可能会在不同于原来校正转速的其它转速下引起振动，特别是在接近或达到挠曲临界转速时，这些振动可能更大。另外，转子的动平衡安装与转子平衡时的主振型的不同，也会引起转子在校正转速下的较大振动。挠性转子在平衡运转时如果产生受热弯曲，也会导致不平衡量的改变1。

挠性转子高速动平衡技术挠性转子不像刚性转子那样，经过低速动平衡就能达到工作转速上的平稳运行，而必须进行高速动平衡。挠性转子的平衡方法主要有模态平衡法和影响系数法。模态平衡法就是根据转子上随机分布的不平衡量能激起转子各阶振型及平衡重量组与主振型正交这一特点，采用了振型分离的方法，使转子逐阶得到平衡。影响系数法就是利用线性系统中校正量和所测量之间的线性关系，用影响系数求平衡转子的方法，它操作简单，具有较高的平衡精度，并且适合利用计算机辅助计算，是一种多转速多平面的平衡方法2。

动平衡设备对工件平衡的影响1.定标精度

对于给定的转子及其它类似转子，使规定的校正平面上的不平衡量指示器读数用选定的校正单位来表示的平衡机调整过程即为定标。必要时，可包括相角位置的调整。也就是将mr转换成g或g.mm。定标精度将直接影响转子的动平衡结果。

2.支承方式

HK4平衡机配两套摆架，一套是法兰式支承，驱动时需适配螺钉，用于平衡法兰连接的工件。另一套是滚轮支承，用于支承轴颈连接的工件。

3.振动速度及二倍频测量

在工作转速的范围内分二档进行振动速度或振动位移测量，转换为二倍频测量模式后显示二倍转速。此测量模式可以根据设置速度，在一个明确的速度范围内测量不平衡或振动速率，方便平衡工作的分析和测量。

4.平衡工装

转子动不平衡量公式为：M=m·ω（g·mm）

式中：M—动不平衡量；m—尾轴和平衡工装总重量；ω—重心偏移量。

5.转子的安装

平衡螺栓及螺母引起的不平衡量为：M=m·r（g·mm）式中：M—动不平衡量；m—重量差；r—螺栓安装位置半径（设半径为65mm）。每侧平衡螺栓及螺母重量差为1g，引起动不平衡量为65 g·mm。

由于连接螺栓与转子法兰盘配合存在间隙，每次装配时都不可能保证在同一位置， 由于工装对动平衡的影响是不可避免的，因此总会出现剩余不平衡量的抵消或叠加。同时零件三角法兰盘上的孔位置度也有影响，装配位置不同，偏心方向、大小就有差异。连接发兰盘的安装孔要求位置度要精，每一次安装都必须保证安装孔位置相对不变，不平衡量才不会变化，否则就会带来转子的偏心。

6.花键跳动对动平衡的影响

该因素影响不平衡量比重较大，是关键因素。所以在动平衡时尽量不采用花键与花键对接，而是采用弧形结构的工装将花键抱紧后进行动平衡。

7.平衡机的补偿模式

为了真实的反映出挠性轴的不平衡量值，消除工装、夹具带来的不平衡量，在平衡前需对轴进行120°翻转补偿，根据受力方向，矢量B值不变，为工件的不平衡量。矢量大小不变，角相相差120°的A 和A1，设备可以自动识别为工装、夹具的不平衡量，并将其补偿掉1。

挠性转子平衡的工艺方法1.挠性转子与刚性转子动平衡的区别

通过实践的反复的摸索，发现挠性转子在旋转时的挠度曲线是一条绕OS 轴随转轴旋转的空间曲线。

由于轴自身存在加工缺陷，为此在平衡过程中需在低转速下多次运转，找到挠性轴壁薄的角相，将壁薄处分成若干个校正面进行校正，努力的将轴还原成一个完美、均匀的轴，然后再进行其它转速的平衡。

2.克服挠性转子振动的研究

由于工件的规定校正位置可能不在不平衡量产生的平面，校正后就会在非校正转速下产生振动，尤其在挠性转子的临界转速下动平衡时，振动非常剧烈，以致于平衡机自动保护停车。

为了分析挠性转子的挠曲特性，可以采用激光测振仪，实时监控挠性轴的振动特性及振幅的变化，分别安装在轴中部的水平和垂直两个方向，该测振仪能精确的测出轴在高速旋转时的振动幅值。将监测结果在雷达图中进行实时监控，直至将轴平衡到振幅低于0.5mm 时再进行最高转速的平衡。

3.挠性转子不同转速下偶不平衡的分析

挠性轴在动平衡时，在临界转速和工作转速下的平衡过程中，发现两次转速下动平衡所贴的平衡块成180°角，呈偶不平衡的现象。将180°的平衡块互相抵消后，又无法保证能兼顾工作和临介转速下平衡量均合格。

4.最佳平衡安装方式的研究

转子在平衡时，应选择适当的支撑方式，尽量使其在平衡机上运转时的支撑条件与现场使用时的支撑条件相似，以使转子在现场运行时的振型在平衡过程中充分表现出来，因而减少以后现场平衡的必要性。以某挠性轴为例，探讨支撑方式对挠性轴动平衡的转速、振动及平衡效果的影响。挠性轴转速升到3000r/min左右时，挠性轴在平衡设备上产生强烈的激振和尖锐的噪音。该轴在设备上无法通过共振点，转速升到3500r/min 时，设备自动保护停车，导致平衡工作无法进行。因该轴组件的支撑基准一端是法兰连接，另一端是止口与滚轮连接，平衡机的支撑滚轮是鼓形的，且较宽。连接时只能与短轴较小面积的止口配合，形成线接触，在平衡升速时，短轴产生挠性变形后其止口在滚轮的弧面上产生运动，产生剧烈的振动和噪音。

5.平衡校正面的配置

校正面的选择及平衡块的粘贴位置是平衡中的一项技术性和经验性很强的工作。

通过长期的实践和总结，针对挠性轴我们总结出了一套行之有效的平衡方法，具体如下：首先进行轴的定标工作，然后是进行轴的翻转补偿工作。第一工序：进行轴的静平衡，在低转速进行，如超差则轴报废。第二工序：低转速下的动平衡，不平衡量为工作转速下不平衡量的2 倍。第三工序：在临介转速前的一个合适的转速下，进行轴的特殊定标的动平衡。第四工序：临介转速下的动平衡。第五工序：工作转速的动平衡。

挠性转子平衡的特点挠性转子平衡的特点是：

（1）在多转速（或在整个转速范围）下均能消除轴承的动反力。

（2）在工作转速时（或临界转速附近），消除转子的弯矩（或使转子动挠度最小）。

（3）高速平衡加重不应破坏已进行了的低阶平衡，并且要求全工作转速工况下达到运行平稳。

所以说挠性转子的平衡是多转速下的平衡，或全速工况下的平衡。

总结实践证明，挠性转子在平衡时，如果采用（不计转子变形影响的）刚性转子的动平衡理论和方法，对于挠性转子的平衡则达不到预期的效果。挠性转子的动平衡技术，是近代高速大型转子设计、制造及运行的重要技术关键问题之一。挠性转子与刚性转子振动的不同特点在于挠性转子在不平衡质量离心力作用下要产生变形，即所谓弹性弯曲（动挠度），同时其变形程度（弹性弯曲线）亦随转速而变化（即不同转速下对应的挠度曲线的形状不同）。挠性转子由于其本身的刚度差，在高速旋转时中，其不平衡离心力产生的转子动挠度将进一步产生附加离心力，甚至达到相当大以致造成转子强烈振动。显然，刚性转子动平衡方法不能消除挠性转子的振动，也达不到平衡的目的1。

本词条内容贡献者为:

徐恒山 - 讲师 - 西北农林科技大学