平衡機的基礎知識

一. 平衡機概述

平(ping)衡機是測(ce)量旋轉物體(轉子)不平(ping)衡量大(da)小和位置的機器。

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。上海電機轉(zhuan)(zhuan)子、機床主(zhu)軸、內燃機曲(qu)軸、汽(qi)輪機轉(zhuan)(zhuan)子、陀(tuo)螺轉(zhuan)(zhuan)子和鐘表擺輪等(deng)旋(xuan)轉(zhuan)(zhuan)零部件在制造過(guo)程(cheng)中，都需(xu)要經過(guo)平衡才(cai)能平穩正(zheng)常地(di)運轉(zhuan)(zhuan)。

根據平(ping)(ping)衡(heng)機(ji)測出的(de)(de)數據對轉子(zi)(zi)的(de)(de)不平(ping)(ping)衡(heng)量(liang)進行(xing)校正(zheng)，可(ke)改善(shan)轉子(zi)(zi)相對于(yu)軸線的(de)(de)質量(liang)分(fen)布，使轉子(zi)(zi)旋轉時產生的(de)(de)振動(dong)或作用(yong)于(yu)軸承上的(de)(de)振動(dong)力減少到允許(xu)的(de)(de)范圍之內。因此，平(ping)(ping)衡(heng)機(ji)是減小振動(dong)、改善(shan)性能和提高質量(liang)的(de)(de)必不可(ke)少的(de)(de)設備(bei)。

通常，轉子的(de)(de)平衡包括不(bu)平衡量(liang)的(de)(de)測量(liang)和校(xiao)正兩個步驟，平衡機主要用于(yu)不(bu)平衡量(liang)的(de)(de)測量(liang)，而不(bu)平衡量(liang)的(de)(de)校(xiao)正則往往借助于(yu)鉆床(chuang)、銑床(chuang)和點焊(han)機等其他(ta)輔助設(she)備，或用手工方法完成。有些平衡機已將校(xiao)正裝置做成為平衡機的(de)(de)一個部(bu)分。

重(zhong)力式(shi)(shi)平衡機(ji)和離心(xin)力式(shi)(shi)平衡機(ji)是兩(liang)類(lei)典型(xing)的平衡機(ji)。

1. 重力式(shi)平(ping)衡(heng)機(ji)一般稱為靜平(ping)衡(heng)機(ji)。

它是依賴轉子自身(shen)的重力作用來測量靜不平衡的。

置于兩(liang)根水平(ping)(ping)導軌上的轉(zhuan)子如有不(bu)平(ping)(ping)衡量，則(ze)它(ta)對(dui)軸線的重力矩使轉(zhuan)子在(zai)導軌上滾(gun)動，直至這個(ge)不(bu)平(ping)(ping)衡量處于更低位置時才靜止。

被平衡(heng)的(de)(de)轉(zhuan)子(zi)放在(zai)(zai)用靜壓軸承(cheng)支承(cheng)的(de)(de)支座(zuo)上，在(zai)(zai)支座(zuo)的(de)(de)下面嵌裝一片反(fan)射(she)鏡(jing)。當(dang)轉(zhuan)子(zi)不(bu)(bu)存在(zai)(zai)不(bu)(bu)平衡(heng)量時，由光(guang)(guang)源射(she)出的(de)(de)光(guang)(guang)束(shu)經此反(fan)射(she)鏡(jing)反(fan)射(she)后，投(tou)射(she)在(zai)(zai)不(bu)(bu)平衡(heng)量指示器的(de)(de)極坐(zuo)標(biao)原點。如果(guo)轉(zhuan)子(zi)存在(zai)(zai)不(bu)(bu)平衡(heng)量，則轉(zhuan)子(zi)支座(zuo)在(zai)(zai)不(bu)(bu)平衡(heng)量的(de)(de)重(zhong)力矩作用下發生傾斜(xie)(xie)，支座(zuo)下的(de)(de)反(fan)射(she)鏡(jing)也(ye)隨(sui)之傾斜(xie)(xie)并(bing)使反(fan)射(she)出的(de)(de)光(guang)(guang)束(shu)偏轉(zhuan)，這(zhe)樣(yang)光(guang)(guang)束(shu)投(tou)在(zai)(zai)極坐(zuo)標(biao)指示器上的(de)(de)光(guang)(guang)點便離開原點。根據這(zhe)個光(guang)(guang)點偏轉(zhuan)的(de)(de)坐(zuo)標(biao)位(wei)(wei)置，可以得到不(bu)(bu)平衡(heng)量的(de)(de)大小和位(wei)(wei)置。

重力式平(ping)衡(heng)機僅適用于某些平(ping)衡(heng)要求不高的盤(pan)狀零(ling)件。對于平(ping)衡(heng)要求高的轉子，一般采用離心式單面或雙面平(ping)衡(heng)機。

2. 離心式平衡機

離心式平(ping)(ping)(ping)衡(heng)(heng)(heng)(heng)機(ji)是(shi)在(zai)轉(zhuan)(zhuan)子旋轉(zhuan)(zhuan)的(de)(de)狀態下，根據轉(zhuan)(zhuan)子不(bu)(bu)平(ping)(ping)(ping)衡(heng)(heng)(heng)(heng)引起(qi)的(de)(de)支承振動(dong)，或作用于支承的(de)(de)振動(dong)力來測量不(bu)(bu)平(ping)(ping)(ping)衡(heng)(heng)(heng)(heng)。其按校正平(ping)(ping)(ping)面(mian)(mian)(mian)(mian)數(shu)量的(de)(de)不(bu)(bu)同，可分為(wei)單(dan)面(mian)(mian)(mian)(mian)平(ping)(ping)(ping)衡(heng)(heng)(heng)(heng)機(ji)和(he)(he)雙面(mian)(mian)(mian)(mian)平(ping)(ping)(ping)衡(heng)(heng)(heng)(heng)機(ji)。單(dan)面(mian)(mian)(mian)(mian)平(ping)(ping)(ping)衡(heng)(heng)(heng)(heng)機(ji)只能測量一個平(ping)(ping)(ping)面(mian)(mian)(mian)(mian)上的(de)(de)不(bu)(bu)平(ping)(ping)(ping)衡(heng)(heng)(heng)(heng)(靜不(bu)(bu)平(ping)(ping)(ping)衡(heng)(heng)(heng)(heng))，它雖然是(shi)在(zai)轉(zhuan)(zhuan)子旋轉(zhuan)(zhuan)時進行測量，但仍屬(shu)于靜平(ping)(ping)(ping)衡(heng)(heng)(heng)(heng)機(ji)。雙面(mian)(mian)(mian)(mian)平(ping)(ping)(ping)衡(heng)(heng)(heng)(heng)機(ji)能測量動(dong)不(bu)(bu)平(ping)(ping)(ping)衡(heng)(heng)(heng)(heng)，也能分別(bie)測量靜不(bu)(bu)平(ping)(ping)(ping)衡(heng)(heng)(heng)(heng)和(he)(he)偶不(bu)(bu)平(ping)(ping)(ping)衡(heng)(heng)(heng)(heng)，一般稱為(wei)動(dong)平(ping)(ping)(ping)衡(heng)(heng)(heng)(heng)機(ji)。

離心力式平(ping)(ping)(ping)衡(heng)機(ji)(ji)(ji)按(an)支(zhi)承(cheng)特性不同，又可(ke)分為軟支(zhi)承(cheng)平(ping)(ping)(ping)衡(heng)機(ji)(ji)(ji)和硬支(zhi)承(cheng)平(ping)(ping)(ping)衡(heng)機(ji)(ji)(ji)。平(ping)(ping)(ping)衡(heng)轉(zhuan)速(su)高于轉(zhuan)子一(yi)支(zhi)承(cheng)系(xi)統固有(you)(you)頻率(lv)的稱(cheng)為軟支(zhi)承(cheng)平(ping)(ping)(ping)衡(heng)機(ji)(ji)(ji)。這種平(ping)(ping)(ping)衡(heng)機(ji)(ji)(ji)的支(zhi)承(cheng)剛(gang)度(du)小，傳(chuan)感器檢測出(chu)的信(xin)號與支(zhi)承(cheng)的振(zhen)動位移成(cheng)正比。平(ping)(ping)(ping)衡(heng)轉(zhuan)速(su)低於轉(zhuan)子一(yi)支(zhi)承(cheng)系(xi)統固有(you)(you)頻率(lv)的稱(cheng)為硬支(zhi)承(cheng)平(ping)(ping)(ping)衡(heng)機(ji)(ji)(ji)，這種平(ping)(ping)(ping)衡(heng)機(ji)(ji)(ji)的支(zhi)承(cheng)剛(gang)度(du)大(da)，傳(chuan)感器檢測出(chu)的信(xin)號與支(zhi)承(cheng)的振(zhen)動力成(cheng)正比。

平衡(heng)(heng)機(ji)(ji)的(de)主要性能(neng)用(yong)(yong)最(zui)(zui)小(xiao)可達(da)剩余不平衡(heng)(heng)量(liang)，和不平衡(heng)(heng)量(liang)減(jian)(jian)少(shao)率兩項綜合(he)指(zhi)標(biao)表示。前者是(shi)平衡(heng)(heng)機(ji)(ji)能(neng)使轉子達(da)到(dao)的(de)剩余不平衡(heng)(heng)量(liang)的(de)最(zui)(zui)小(xiao)值，它(ta)是(shi)衡(heng)(heng)量(liang)平衡(heng)(heng)機(ji)(ji)更(geng)高平衡(heng)(heng)能(neng)力的(de)指(zhi)標(biao)；后(hou)者是(shi)經過一(yi)次校正(zheng)后(hou)所減(jian)(jian)少(shao)的(de)不平衡(heng)(heng)量(liang)與(yu)初始不平衡(heng)(heng)量(liang)之比，它(ta)是(shi)衡(heng)(heng)量(liang)平衡(heng)(heng)效率的(de)指(zhi)標(biao)，一(yi)般用(yong)(yong)百分數表示。

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。
  根據大批量生產的(de)需要，對特(te)定的(de)轉子(zi)能自動完成平衡(heng)(heng)測量和平衡(heng)(heng)校正的(de)自動平衡(heng)(heng)機，以及平衡(heng)(heng)自動線，現代已(yi)大量的(de)裝備在汽(qi)車制(zhi)造(zao)、電機制(zhi)造(zao)等工業部門。

二. 平衡機常(chang)用術語(yu)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

為保證旋轉機械正常工(gong)作(zuo)所允許(xu)(xu)的轉子剩余不平(ping)衡(heng)量。該指標用(yong)不平(ping)衡(heng)度(du)(du)表示(shi)時(shi)，稱為許(xu)(xu)用(yong)不平(ping)衡(heng)度(du)(du)（亦稱許(xu)(xu)用(yong)不平(ping)衡(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）

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

衡量轉子平衡優劣程度(du)的指標。

G=eperω/1000

式(shi)中：G－轉子平(ping)衡品質(zhi)，單位(wei)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. 最小可達剩余不平衡量（Umar）

最小可(ke)達剩(sheng)余不平衡量（Umar）。單位是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(lv)（URR）

經過(guo)一次平(ping)衡(heng)校正所(suo)減少(shao)的不平(ping)衡(heng)量與初始不平(ping)衡(heng)量之比值(zhi)。它是衡(heng)量平(ping)衡(heng)機效率的性能指標(biao)，以百(bai)分數表示(shi)：

 URR（％）＝（U1－U2）/U1＝（1－U2/U1）×100
       式中：U1－初始不平(ping)衡量            

U2－一(yi)次(ci)平(ping)衡校(xiao)正后的(de)剩余不(bu)平(ping)衡量

13. 不平衡(heng)力偶干擾比

單面(mian)平衡機抑止(zhi)不平衡力偶影響的(de)性能指(zhi)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

為校(xiao)驗平衡(heng)機性能而設(she)計的剛(gang)性轉子(zi)(zi)。其(qi)質(zhi)量、大(da)小(xiao)、尺寸均有規定(ding)，分立式(shi)和(he)臥式(shi)兩種。立式(shi)轉子(zi)(zi)質(zhi)量為1.1、3.5、11、35、110 kg。臥式(shi)轉子(zi)(zi)質(zhi)量為0.5、1.6、5。16、50、160、500kg。

三. 平衡機的原理

平(ping)衡機(ji)從原理方面可(ke)以分為(wei)硬支承平(ping)衡機(ji)、軟支承平(ping)衡機(ji)、半硬支承平(ping)衡機(ji)。

1. 硬支(zhi)承平衡(heng)機(ji)是平衡(heng)轉(zhuan)速遠低于(yu)參振系統共振頻率的平衡(heng)機(ji)。平衡(heng)校(xiao)驗時，支(zhi)承擺架相對(dui)處(chu)于(yu)“硬”狀(zhuang)態(tai)，因此轉(zhuan)子可以在(zai)接近實際軸承條(tiao)件(jian)下進行平衡(heng)校(xiao)正。具(ju)有操(cao)作簡(jian)便、安全性能好的特點。

2. 軟支(zhi)(zhi)承(cheng)(cheng)平衡(heng)(heng)機(ji)(ji)是(shi)平衡(heng)(heng)轉速大于參振系統共振頻(pin)率的(de)平衡(heng)(heng)機(ji)(ji)。平衡(heng)(heng)校(xiao)驗時，支(zhi)(zhi)承(cheng)(cheng)擺架相對處于“軟”狀態(tai)，因(yin)此轉子校(xiao)驗平衡(heng)(heng)時。支(zhi)(zhi)承(cheng)(cheng)條件與實際軸承(cheng)(cheng)工作條件不同。具有測量精(jing)度(du)高的(de)特點。

3. 半硬支承(cheng)平(ping)(ping)(ping)衡(heng)(heng)機(ji)是平(ping)(ping)(ping)衡(heng)(heng)轉速在0.3~0.5倍參振(zhen)系統(tong)共振(zhen)頻(pin)率之間的(de)平(ping)(ping)(ping)衡(heng)(heng)機(ji)。同時具(ju)有(you)有(you)硬支承(cheng)平(ping)(ping)(ping)衡(heng)(heng)機(ji)支承(cheng)剛度(du)高(gao)的(de)特(te)點(dian)，又有(you)軟(ruan)支承(cheng)平(ping)(ping)(ping)衡(heng)(heng)機(ji)精度(du)高(gao)的(de)優點(dian)。

平(ping)(ping)衡機(ji)從應(ying)用(yong)(yong)方面分可分為立式平(ping)(ping)衡機(ji)和臥(wo)式平(ping)(ping)衡機(ji)；專用(yong)(yong)平(ping)(ping)衡機(ji)和通用(yong)(yong)平(ping)(ping)衡機(ji)。

臥式(shi)平衡機(ji)(ji)(ji)(ji)是被(bei)平衡轉(zhuan)子的(de)旋轉(zhuan)軸在平衡機(ji)(ji)(ji)(ji)上呈(cheng)水(shui)平狀態的(de)平衡機(ji)(ji)(ji)(ji)。適用于有轉(zhuan)軸或可裝配工藝軸的(de)轉(zhuan)子，如機(ji)(ji)(ji)(ji)床(chuang)主軸、滾筒、風機(ji)(ji)(ji)(ji)、增壓(ya)器、電機(ji)(ji)(ji)(ji)轉(zhuan)子、汽(qi)輪機(ji)(ji)(ji)(ji)等等。

立(li)式(shi)平衡機是被(bei)平衡轉子的(de)旋(xuan)轉軸(zhou)在平衡機上呈垂直(zhi)狀態下(xia)的(de)平衡機。適用于轉子本身不具轉軸(zhou)的(de)盤狀工件如離(li)合器、齒輪、風扇、壓盤及其總(zong)成、制動盤、風葉(xie)、水泵葉(xie)輪、汽車飛輪、剎車轂、皮帶輪、砂輪等(deng)盤類零件。

通用(yong)(yong)平(ping)衡(heng)機是指能對形(xing)狀(zhuang)和支承形(xing)式比較(jiao)規則的轉子進行動(dong)平(ping)衡(heng)的平(ping)衡(heng)機。通用(yong)(yong)平(ping)衡(heng)機操作(zuo)簡單，效(xiao)率也較(jiao)高。

專用平衡機(ji)是能(neng)對(dui)支承形式和外觀與一般(ban)轉子(zi)不同的轉子(zi)進行(xing)平衡的平衡機(ji)，例如特別針對(dui)發動機(ji)的曲軸(zhou)，汽車(che)的傳(chuan)動軸(zhou)進行(xing)設計的平衡機(ji)。功能(neng)專一。  

四. 動平衡加(jia)工的(de)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)在不平衡方向去處一定的重量。常(chang)用的方式(shi)有：鏜(tang)削(xue)(xue)、鉆孔、鑿削(xue)(xue)、銑削(xue)(xue)、磨削(xue)(xue)等。  

五. 平衡精度等級

考慮到技術的(de)(de)先(xian)進(jin)性(xing)(xing)和經濟上(shang)的(de)(de)合理性(xing)(xing)，國際(ji)標(biao)準化組織(ISO)于(yu)1940年制定了世界公(gong)(gong)認的(de)(de)ISO1940平衡等(deng)級(ji)，它將轉子(zi)(zi)平衡等(deng)級(ji)分(fen)為(wei)11個級(ji)別，每個級(ji)別間(jian)以2.5倍為(wei)增量(liang)，從要求更(geng)(geng)高的(de)(de)G0.4到要求更(geng)(geng)低的(de)(de)G4000。單位為(wei)公(gong)(gong)克×毫米/公(gong)(gong)斤(jin)(gmm/kg)，代表不平衡對于(yu)轉子(zi)(zi)軸心的(de)(de)偏心距離。