平衡機的基礎知識

一. 平衡機概述

平(ping)衡(heng)機(ji)是測量(liang)旋轉(zhuan)物體(轉(zhuan)子)不平(ping)衡(heng)量(liang)大小和(he)位置(zhi)的(de)機(ji)器。

任何轉子在圍繞其軸線旋轉時，由于相對于軸線的質量分布不均勻而產生離心力。這種不平衡離心力作用在轉子軸承上會引起振動，產生噪聲和加速軸承磨損，以致嚴重影響產品的性能和壽命。濱海電機轉子、機床主軸、內燃機曲軸、汽輪(lun)機轉子、陀螺(luo)轉子和鐘表擺輪(lun)等旋(xuan)轉零部件在制造(zao)過程中，都需(xu)要經過平衡才(cai)能(neng)平穩正常地運(yun)轉。

根據平(ping)衡(heng)機(ji)測出的(de)(de)數據對轉子(zi)的(de)(de)不(bu)平(ping)衡(heng)量(liang)(liang)進行(xing)校正(zheng)，可改善轉子(zi)相對于軸(zhou)線的(de)(de)質量(liang)(liang)分布，使轉子(zi)旋轉時產(chan)生的(de)(de)振(zhen)(zhen)動或作用(yong)于軸(zhou)承上的(de)(de)振(zhen)(zhen)動力減少到允許(xu)的(de)(de)范圍之(zhi)內(nei)。因此，平(ping)衡(heng)機(ji)是減小振(zhen)(zhen)動、改善性能(neng)和(he)提高(gao)質量(liang)(liang)的(de)(de)必(bi)不(bu)可少的(de)(de)設備。

通常，轉子的(de)(de)(de)平(ping)(ping)衡(heng)(heng)包括不(bu)平(ping)(ping)衡(heng)(heng)量(liang)的(de)(de)(de)測量(liang)和校(xiao)(xiao)正(zheng)兩個步驟，平(ping)(ping)衡(heng)(heng)機主要(yao)用(yong)(yong)于(yu)不(bu)平(ping)(ping)衡(heng)(heng)量(liang)的(de)(de)(de)測量(liang)，而(er)不(bu)平(ping)(ping)衡(heng)(heng)量(liang)的(de)(de)(de)校(xiao)(xiao)正(zheng)則往(wang)往(wang)借助于(yu)鉆床(chuang)、銑床(chuang)和點焊機等(deng)其他輔助設備，或用(yong)(yong)手工方法完(wan)成。有(you)些平(ping)(ping)衡(heng)(heng)機已(yi)將(jiang)校(xiao)(xiao)正(zheng)裝置做(zuo)成為(wei)平(ping)(ping)衡(heng)(heng)機的(de)(de)(de)一(yi)個部分。

重(zhong)力式(shi)(shi)平衡機(ji)和(he)離心(xin)力式(shi)(shi)平衡機(ji)是兩類典(dian)型(xing)的平衡機(ji)。

1. 重(zhong)力式平(ping)衡(heng)機(ji)一般稱為靜平(ping)衡(heng)機(ji)。

它是依賴轉(zhuan)子自(zi)身(shen)的重力作用(yong)來測量靜不平衡的。

置于(yu)兩根(gen)水平導軌(gui)上的轉子如有不平衡量(liang)，則它對軸線(xian)的重力矩(ju)使轉子在導軌(gui)上滾(gun)動，直至這個不平衡量(liang)處于(yu)更低(di)位置時才(cai)靜止。

被平(ping)(ping)衡(heng)(heng)(heng)(heng)的(de)(de)轉(zhuan)子放在(zai)(zai)(zai)用靜壓軸承(cheng)支承(cheng)的(de)(de)支座(zuo)上，在(zai)(zai)(zai)支座(zuo)的(de)(de)下(xia)面(mian)嵌(qian)裝一片反(fan)射(she)(she)鏡(jing)。當轉(zhuan)子不(bu)存在(zai)(zai)(zai)不(bu)平(ping)(ping)衡(heng)(heng)(heng)(heng)量(liang)時，由光源(yuan)射(she)(she)出的(de)(de)光束(shu)經(jing)此反(fan)射(she)(she)鏡(jing)反(fan)射(she)(she)后，投射(she)(she)在(zai)(zai)(zai)不(bu)平(ping)(ping)衡(heng)(heng)(heng)(heng)量(liang)指示器(qi)的(de)(de)極(ji)坐(zuo)標(biao)原(yuan)點。如果轉(zhuan)子存在(zai)(zai)(zai)不(bu)平(ping)(ping)衡(heng)(heng)(heng)(heng)量(liang)，則轉(zhuan)子支座(zuo)在(zai)(zai)(zai)不(bu)平(ping)(ping)衡(heng)(heng)(heng)(heng)量(liang)的(de)(de)重力矩作用下(xia)發(fa)生傾斜(xie)，支座(zuo)下(xia)的(de)(de)反(fan)射(she)(she)鏡(jing)也隨之傾斜(xie)并使反(fan)射(she)(she)出的(de)(de)光束(shu)偏(pian)轉(zhuan)，這樣光束(shu)投在(zai)(zai)(zai)極(ji)坐(zuo)標(biao)指示器(qi)上的(de)(de)光點便離(li)開原(yuan)點。根(gen)據這個光點偏(pian)轉(zhuan)的(de)(de)坐(zuo)標(biao)位置，可以得到不(bu)平(ping)(ping)衡(heng)(heng)(heng)(heng)量(liang)的(de)(de)大(da)小和位置。

重力式平(ping)衡(heng)(heng)機僅適(shi)用于某些平(ping)衡(heng)(heng)要求不高(gao)的盤狀零(ling)件。對(dui)于平(ping)衡(heng)(heng)要求高(gao)的轉子，一(yi)般采用離(li)心式單(dan)面(mian)(mian)或雙面(mian)(mian)平(ping)衡(heng)(heng)機。

2. 離心式平衡機

離心(xin)式平(ping)(ping)衡(heng)(heng)(heng)機(ji)是在轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)子(zi)旋(xuan)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)的狀態下，根據轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)子(zi)不(bu)(bu)(bu)平(ping)(ping)衡(heng)(heng)(heng)引起的支承(cheng)振(zhen)動，或作用于支承(cheng)的振(zhen)動力來(lai)測(ce)量(liang)(liang)(liang)不(bu)(bu)(bu)平(ping)(ping)衡(heng)(heng)(heng)。其按校正平(ping)(ping)面(mian)數量(liang)(liang)(liang)的不(bu)(bu)(bu)同(tong)，可分為單面(mian)平(ping)(ping)衡(heng)(heng)(heng)機(ji)和(he)雙面(mian)平(ping)(ping)衡(heng)(heng)(heng)機(ji)。單面(mian)平(ping)(ping)衡(heng)(heng)(heng)機(ji)只能測(ce)量(liang)(liang)(liang)一(yi)個平(ping)(ping)面(mian)上的不(bu)(bu)(bu)平(ping)(ping)衡(heng)(heng)(heng)(靜不(bu)(bu)(bu)平(ping)(ping)衡(heng)(heng)(heng))，它雖然是在轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)子(zi)旋(xuan)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)時(shi)進行(xing)測(ce)量(liang)(liang)(liang)，但仍屬于靜平(ping)(ping)衡(heng)(heng)(heng)機(ji)。雙面(mian)平(ping)(ping)衡(heng)(heng)(heng)機(ji)能測(ce)量(liang)(liang)(liang)動不(bu)(bu)(bu)平(ping)(ping)衡(heng)(heng)(heng)，也能分別(bie)測(ce)量(liang)(liang)(liang)靜不(bu)(bu)(bu)平(ping)(ping)衡(heng)(heng)(heng)和(he)偶不(bu)(bu)(bu)平(ping)(ping)衡(heng)(heng)(heng)，一(yi)般稱為動平(ping)(ping)衡(heng)(heng)(heng)機(ji)。

離(li)心力(li)(li)式平衡(heng)機(ji)(ji)按支(zhi)承(cheng)(cheng)(cheng)特(te)性不同，又(you)可分為(wei)軟支(zhi)承(cheng)(cheng)(cheng)平衡(heng)機(ji)(ji)和硬(ying)支(zhi)承(cheng)(cheng)(cheng)平衡(heng)機(ji)(ji)。平衡(heng)轉速高于轉子一支(zhi)承(cheng)(cheng)(cheng)系(xi)統固有(you)頻率的(de)(de)稱為(wei)軟支(zhi)承(cheng)(cheng)(cheng)平衡(heng)機(ji)(ji)。這種(zhong)平衡(heng)機(ji)(ji)的(de)(de)支(zhi)承(cheng)(cheng)(cheng)剛度小，傳感(gan)器檢(jian)(jian)測出(chu)(chu)的(de)(de)信號(hao)與支(zhi)承(cheng)(cheng)(cheng)的(de)(de)振動位移成正比(bi)。平衡(heng)轉速低於轉子一支(zhi)承(cheng)(cheng)(cheng)系(xi)統固有(you)頻率的(de)(de)稱為(wei)硬(ying)支(zhi)承(cheng)(cheng)(cheng)平衡(heng)機(ji)(ji)，這種(zhong)平衡(heng)機(ji)(ji)的(de)(de)支(zhi)承(cheng)(cheng)(cheng)剛度大，傳感(gan)器檢(jian)(jian)測出(chu)(chu)的(de)(de)信號(hao)與支(zhi)承(cheng)(cheng)(cheng)的(de)(de)振動力(li)(li)成正比(bi)。

平(ping)(ping)衡(heng)(heng)(heng)(heng)機(ji)的(de)主要(yao)性能(neng)用最(zui)小可達剩(sheng)余不平(ping)(ping)衡(heng)(heng)(heng)(heng)量，和不平(ping)(ping)衡(heng)(heng)(heng)(heng)量減(jian)少率(lv)兩(liang)項綜(zong)合指標(biao)表(biao)示。前者是(shi)平(ping)(ping)衡(heng)(heng)(heng)(heng)機(ji)能(neng)使(shi)轉(zhuan)子(zi)達到的(de)剩(sheng)余不平(ping)(ping)衡(heng)(heng)(heng)(heng)量的(de)最(zui)小值，它是(shi)衡(heng)(heng)(heng)(heng)量平(ping)(ping)衡(heng)(heng)(heng)(heng)機(ji)更高平(ping)(ping)衡(heng)(heng)(heng)(heng)能(neng)力的(de)指標(biao)；后(hou)者是(shi)經過一(yi)(yi)次校(xiao)正后(hou)所減(jian)少的(de)不平(ping)(ping)衡(heng)(heng)(heng)(heng)量與初始不平(ping)(ping)衡(heng)(heng)(heng)(heng)量之(zhi)比(bi)，它是(shi)衡(heng)(heng)(heng)(heng)量平(ping)(ping)衡(heng)(heng)(heng)(heng)效率(lv)的(de)指標(biao)，一(yi)(yi)般用百(bai)分數表(biao)示。

在現代機械中，由于撓性轉子的廣泛應用，人們研制出了撓性轉子平衡機。這類平衡機必須在轉子工作轉速范圍內進行無級調速；除能測量支承的振動或振動力外，還能測量轉子的撓曲變形。撓性轉子平衡機有時安裝在真空防護室內，以適合汽輪機之類轉子的平衡，它配備有抽真空系統、潤滑系統、潤滑油除氣系統和數據處理用計算機系統等龐大的輔助設備。
  根據大(da)批量(liang)(liang)生產的(de)(de)需(xu)要，對特定的(de)(de)轉子能自動(dong)完成平(ping)衡(heng)測量(liang)(liang)和(he)平(ping)衡(heng)校正(zheng)的(de)(de)自動(dong)平(ping)衡(heng)機(ji)，以及平(ping)衡(heng)自動(dong)線，現代已大(da)量(liang)(liang)的(de)(de)裝(zhuang)備在汽車制(zhi)造(zao)、電(dian)機(ji)制(zhi)造(zao)等工業部門。

二. 平(ping)衡機常用術(shu)語解(jie)釋

1. 不平衡量

轉子某平面上不平衡量的量值大小，不涉及不平衡的角度位置。它等于不平衡質量和其質心至轉子 軸線的乘積，不平衡量單位是gmm或者gcm，俗稱“重徑積”。
2. 不平衡相位

轉子某平面上的不平衡質量相對于給定極坐標的角度值。
3. 不平衡度

轉子單位質量的不平衡量，單位是gmm/kg。在靜不平衡時相當于轉子的質量偏心距，單位為μm。
4. 初始不平衡量

平衡前轉子上存在的不平衡量。
5. 許用不平衡量

為保(bao)證旋(xuan)轉機械正(zheng)常工(gong)作所允許的轉子剩余不(bu)平(ping)衡(heng)(heng)量。該指(zhi)標用不(bu)平(ping)衡(heng)(heng)度表示時，稱為許用不(bu)平(ping)衡(heng)(heng)度（亦稱許用不(bu)平(ping)衡(heng)(heng)率）。

6. 剩余不平衡量

平衡校正后轉子上的剩余不平衡量。
7. 校正半徑

校正平面上校正質量的質心到轉子軸線的距離，一般用mm表示。
8. 校正平面的干擾（相互影響(xiang)）

在給定轉子某一校正面上不平衡量的變化引起另一校正平面上平衡機指示值的改變（有時稱為平面分離影響）
9. 轉子平衡品質

衡(heng)量(liang)轉(zhuan)子(zi)平衡(heng)優(you)劣程度的指標。

G=eperω/1000

式中：G－轉子平衡品質，單位mm/s。

          從G0.4-G4000分11級。
          eper－轉子允許的不平衡率gmm/kg或轉子質量偏心距μm
          ω－相應于轉子更高工作轉速的角速度＝2πn/60≈n/10，n為轉子的工作轉速r/min
10. 轉子單位質量的允許不平衡度（率）
        eper＝G×1000/n/10 

         單(dan)位：gmm/kg或μm

11. 最小可達(da)剩余不平衡量（Umar）

最(zui)小可達剩(sheng)余不平衡量（Umar）。單位是(shi)gmm。

其意義是指平衡機能使轉子達到的剩余不平衡量的最小值。是衡量平衡機更高平衡能力的性能指標。當該指標用不平衡度表示時，稱為最小可達剩余不平衡度。（單位gmm/kg）
12. 不平衡量減少率（URR）

經過一次平衡(heng)校正所減少的不(bu)平衡(heng)量與初始不(bu)平衡(heng)量之比(bi)值(zhi)。它(ta)是衡(heng)量平衡(heng)機效率的性能(neng)指標，以百分數表示：

 URR（％）＝（U1－U2）/U1＝（1－U2/U1）×100
  ;     式中：U1－初(chu)始不(bu)平衡量            

U2－一(yi)次平衡校正后的剩余不平衡量

13. 不平衡(heng)力偶干擾比

單面平(ping)衡機抑止(zhi)不平(ping)衡力偶(ou)影響的(de)性能指標。

轉子單位質量的不平衡量，單位是gmm/kg。在靜不平衡時相當于轉子的質量偏心距，單位為μm。
14. 校驗轉子

為(wei)校驗平衡機(ji)性能(neng)而設計的剛(gang)性轉(zhuan)子(zi)。其(qi)質量、大小、尺(chi)寸均有規定(ding)，分立式(shi)和(he)臥式(shi)兩種。立式(shi)轉(zhuan)子(zi)質量為(wei)1.1、3.5、11、35、110 kg。臥式(shi)轉(zhuan)子(zi)質量為(wei)0.5、1.6、5。16、50、160、500kg。

三. 平衡機的原理

平(ping)衡(heng)機從原(yuan)理方面可以分為硬支(zhi)(zhi)承(cheng)平(ping)衡(heng)機、軟(ruan)支(zhi)(zhi)承(cheng)平(ping)衡(heng)機、半硬支(zhi)(zhi)承(cheng)平(ping)衡(heng)機。

1. 硬(ying)支(zhi)(zhi)承(cheng)平衡(heng)機是(shi)平衡(heng)轉速遠低(di)于參振(zhen)系統共(gong)振(zhen)頻率(lv)的平衡(heng)機。平衡(heng)校驗時，支(zhi)(zhi)承(cheng)擺(bai)架相對處(chu)于“硬(ying)”狀態，因此轉子可以在接近實際軸(zhou)承(cheng)條件下進行平衡(heng)校正。具(ju)有操作簡便、安全性能好的特點。

2. 軟支(zhi)承(cheng)(cheng)平(ping)(ping)衡機是平(ping)(ping)衡轉速大于參振系統共振頻率的平(ping)(ping)衡機。平(ping)(ping)衡校驗時(shi)(shi)，支(zhi)承(cheng)(cheng)擺架(jia)相(xiang)對(dui)處(chu)于“軟”狀態，因此轉子校驗平(ping)(ping)衡時(shi)(shi)。支(zhi)承(cheng)(cheng)條(tiao)件與實際軸承(cheng)(cheng)工作(zuo)條(tiao)件不同。具有(you)測量(liang)精度高的特點。

3. 半硬(ying)支(zhi)承平衡(heng)機(ji)(ji)是平衡(heng)轉速在0.3~0.5倍參振(zhen)系統共振(zhen)頻率之間的(de)平衡(heng)機(ji)(ji)。同時具(ju)有(you)有(you)硬(ying)支(zhi)承平衡(heng)機(ji)(ji)支(zhi)承剛度高的(de)特點(dian)，又有(you)軟支(zhi)承平衡(heng)機(ji)(ji)精度高的(de)優(you)點(dian)。

平(ping)(ping)衡(heng)機從應用方面分可分為(wei)立式平(ping)(ping)衡(heng)機和臥式平(ping)(ping)衡(heng)機；專用平(ping)(ping)衡(heng)機和通用平(ping)(ping)衡(heng)機。

臥式平(ping)衡機是(shi)被平(ping)衡轉(zhuan)子的(de)旋轉(zhuan)軸(zhou)(zhou)在平(ping)衡機上呈水平(ping)狀態的(de)平(ping)衡機。適用于有(you)轉(zhuan)軸(zhou)(zhou)或可裝(zhuang)配工藝軸(zhou)(zhou)的(de)轉(zhuan)子，如(ru)機床主軸(zhou)(zhou)、滾(gun)筒、風機、增壓器、電機轉(zhuan)子、汽輪機等等。

立(li)式平(ping)衡(heng)機(ji)是被平(ping)衡(heng)轉(zhuan)子(zi)的旋轉(zhuan)軸在平(ping)衡(heng)機(ji)上呈垂直狀態下的平(ping)衡(heng)機(ji)。適用于轉(zhuan)子(zi)本身不(bu)具轉(zhuan)軸的盤(pan)(pan)狀工件如離合器(qi)、齒輪、風(feng)扇、壓(ya)盤(pan)(pan)及其總成、制動盤(pan)(pan)、風(feng)葉(xie)、水泵(beng)葉(xie)輪、汽車飛輪、剎車轂、皮帶(dai)輪、砂(sha)輪等盤(pan)(pan)類(lei)零(ling)件。

通用平(ping)(ping)衡(heng)機是指能對形狀(zhuang)和(he)支承形式比較規則的轉子進(jin)行動(dong)平(ping)(ping)衡(heng)的平(ping)(ping)衡(heng)機。通用平(ping)(ping)衡(heng)機操(cao)作(zuo)簡單，效率也較高。

專用平衡機(ji)是能對支承形式和(he)外觀與一般轉(zhuan)子(zi)不同(tong)的(de)轉(zhuan)子(zi)進(jin)行(xing)平衡的(de)平衡機(ji)，例如特別(bie)針對發動(dong)機(ji)的(de)曲(qu)軸，汽(qi)車的(de)傳動(dong)軸進(jin)行(xing)設(she)計的(de)平衡機(ji)。功能專一。  

四. 動(dong)平衡加工(gong)的方法

在平衡機的轉子進行動平衡測量后，可根據需要對轉子進行加重法和去重法的對轉子進行平衡加工：
1. 加重法

即在不平衡的相反方向配上校正重塊。常用的方式有焊接、錫焊、鉚接、擰螺釘、配加重塊等。
2. 去重法

即(ji)在不平衡方(fang)向去處一定的(de)重量。常用的(de)方(fang)式有：鏜(tang)削、鉆孔、鑿削、銑削、磨削等。  

五. 平衡精度等級

考慮到技術的先進性和經(jing)濟上的合理性，國際標(biao)準化(hua)組織(ISO)于(yu)(yu)1940年制定了世界公(gong)認(ren)的ISO1940平(ping)衡等級，它將轉子平(ping)衡等級分為(wei)11個級別，每個級別間以2.5倍為(wei)增(zeng)量，從要(yao)求更高的G0.4到要(yao)求更低(di)的G4000。單位為(wei)公(gong)克(ke)×毫米/公(gong)斤(jin)(gmm/kg)，代表不(bu)平(ping)衡對于(yu)(yu)轉子軸心(xin)的偏(pian)心(xin)距離。