平衡機的基礎知識

一. 平衡機概述

平衡機是測量(liang)(liang)旋轉(zhuan)物體(轉(zhuan)子)不平衡量(liang)(liang)大小和位置的機器。

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。云陽電機轉(zhuan)(zhuan)子、機(ji)床主軸(zhou)、內燃機(ji)曲軸(zhou)、汽(qi)輪(lun)機(ji)轉(zhuan)(zhuan)子、陀螺轉(zhuan)(zhuan)子和鐘表擺輪(lun)等旋轉(zhuan)(zhuan)零部件在制造過程中，都(dou)需要經過平衡才能平穩正常地(di)運(yun)轉(zhuan)(zhuan)。

根據(ju)平(ping)衡機測出(chu)的(de)數據(ju)對轉(zhuan)子(zi)的(de)不平(ping)衡量(liang)進行校(xiao)正，可改(gai)善轉(zhuan)子(zi)相(xiang)對于軸線的(de)質(zhi)量(liang)分布，使轉(zhuan)子(zi)旋(xuan)轉(zhuan)時產生的(de)振動(dong)(dong)或作用于軸承上的(de)振動(dong)(dong)力(li)減(jian)少到允許(xu)的(de)范圍之(zhi)內。因此，平(ping)衡機是減(jian)小振動(dong)(dong)、改(gai)善性(xing)能和提高質(zhi)量(liang)的(de)必不可少的(de)設備。

通常，轉子(zi)的平衡(heng)包括不平衡(heng)量(liang)(liang)的測(ce)量(liang)(liang)和校正(zheng)兩個步驟，平衡(heng)機主要用(yong)于不平衡(heng)量(liang)(liang)的測(ce)量(liang)(liang)，而不平衡(heng)量(liang)(liang)的校正(zheng)則(ze)往往借助(zhu)(zhu)于鉆(zhan)床、銑床和點焊機等(deng)其他輔助(zhu)(zhu)設(she)備，或用(yong)手工方法(fa)完成。有些平衡(heng)機已將校正(zheng)裝置做(zuo)成為平衡(heng)機的一個部分。

重力式平衡機(ji)和(he)離心力式平衡機(ji)是兩類典型的平衡機(ji)。

1. 重力式平衡(heng)機一(yi)般稱為(wei)靜(jing)平衡(heng)機。

它是(shi)依賴轉子自身的重力作(zuo)用來測量靜不平衡的。

置于兩根水(shui)平(ping)導軌上的(de)轉(zhuan)子如(ru)有不平(ping)衡量(liang)，則它對軸線的(de)重力(li)矩使轉(zhuan)子在導軌上滾動(dong)，直至(zhi)這個不平(ping)衡量(liang)處于更低(di)位(wei)置時(shi)才(cai)靜止。

被(bei)平衡(heng)的轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)子(zi)放在(zai)(zai)用靜壓(ya)軸(zhou)承支承的支座(zuo)(zuo)上(shang)，在(zai)(zai)支座(zuo)(zuo)的下(xia)面(mian)嵌裝一片反(fan)(fan)(fan)射鏡。當(dang)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)子(zi)不(bu)存(cun)在(zai)(zai)不(bu)平衡(heng)量(liang)(liang)(liang)(liang)(liang)時(shi)，由光(guang)(guang)源射出的光(guang)(guang)束(shu)經此反(fan)(fan)(fan)射鏡反(fan)(fan)(fan)射后(hou)，投(tou)射在(zai)(zai)不(bu)平衡(heng)量(liang)(liang)(liang)(liang)(liang)指(zhi)(zhi)示器的極坐標(biao)原點(dian)(dian)。如果轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)子(zi)存(cun)在(zai)(zai)不(bu)平衡(heng)量(liang)(liang)(liang)(liang)(liang)，則轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)子(zi)支座(zuo)(zuo)在(zai)(zai)不(bu)平衡(heng)量(liang)(liang)(liang)(liang)(liang)的重力矩(ju)作用下(xia)發生傾斜，支座(zuo)(zuo)下(xia)的反(fan)(fan)(fan)射鏡也隨之傾斜并使反(fan)(fan)(fan)射出的光(guang)(guang)束(shu)偏(pian)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)，這樣光(guang)(guang)束(shu)投(tou)在(zai)(zai)極坐標(biao)指(zhi)(zhi)示器上(shang)的光(guang)(guang)點(dian)(dian)便離開原點(dian)(dian)。根(gen)據這個(ge)光(guang)(guang)點(dian)(dian)偏(pian)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)的坐標(biao)位(wei)置，可以得(de)到不(bu)平衡(heng)量(liang)(liang)(liang)(liang)(liang)的大小和位(wei)置。

重力式(shi)平(ping)(ping)衡(heng)機(ji)僅(jin)適用于(yu)某些平(ping)(ping)衡(heng)要(yao)求(qiu)(qiu)不高(gao)的盤狀(zhuang)零件。對于(yu)平(ping)(ping)衡(heng)要(yao)求(qiu)(qiu)高(gao)的轉(zhuan)子，一般采用離(li)心式(shi)單面或雙面平(ping)(ping)衡(heng)機(ji)。

2. 離心式平衡機

離(li)心(xin)式(shi)平衡(heng)(heng)(heng)(heng)(heng)(heng)機(ji)是在轉(zhuan)子(zi)旋轉(zhuan)的(de)(de)狀態下，根(gen)據轉(zhuan)子(zi)不平衡(heng)(heng)(heng)(heng)(heng)(heng)引起的(de)(de)支承(cheng)振動(dong)，或作用于(yu)支承(cheng)的(de)(de)振動(dong)力來測量(liang)不平衡(heng)(heng)(heng)(heng)(heng)(heng)。其按校(xiao)正平面數量(liang)的(de)(de)不同，可分為單(dan)面平衡(heng)(heng)(heng)(heng)(heng)(heng)機(ji)和(he)雙面平衡(heng)(heng)(heng)(heng)(heng)(heng)機(ji)。單(dan)面平衡(heng)(heng)(heng)(heng)(heng)(heng)機(ji)只能測量(liang)一(yi)個平面上(shang)的(de)(de)不平衡(heng)(heng)(heng)(heng)(heng)(heng)(靜不平衡(heng)(heng)(heng)(heng)(heng)(heng))，它雖然是在轉(zhuan)子(zi)旋轉(zhuan)時進行測量(liang)，但仍屬于(yu)靜平衡(heng)(heng)(heng)(heng)(heng)(heng)機(ji)。雙面平衡(heng)(heng)(heng)(heng)(heng)(heng)機(ji)能測量(liang)動(dong)不平衡(heng)(heng)(heng)(heng)(heng)(heng)，也能分別測量(liang)靜不平衡(heng)(heng)(heng)(heng)(heng)(heng)和(he)偶(ou)不平衡(heng)(heng)(heng)(heng)(heng)(heng)，一(yi)般稱(cheng)為動(dong)平衡(heng)(heng)(heng)(heng)(heng)(heng)機(ji)。

離心力式(shi)平(ping)衡(heng)(heng)機按支(zhi)(zhi)承(cheng)(cheng)(cheng)特性不同，又(you)可分為(wei)(wei)軟(ruan)支(zhi)(zhi)承(cheng)(cheng)(cheng)平(ping)衡(heng)(heng)機和硬支(zhi)(zhi)承(cheng)(cheng)(cheng)平(ping)衡(heng)(heng)機。平(ping)衡(heng)(heng)轉(zhuan)速高于轉(zhuan)子一支(zhi)(zhi)承(cheng)(cheng)(cheng)系統固(gu)有頻率的(de)稱為(wei)(wei)軟(ruan)支(zhi)(zhi)承(cheng)(cheng)(cheng)平(ping)衡(heng)(heng)機。這(zhe)種平(ping)衡(heng)(heng)機的(de)支(zhi)(zhi)承(cheng)(cheng)(cheng)剛(gang)度(du)小，傳感(gan)器(qi)(qi)檢測出的(de)信(xin)號與支(zhi)(zhi)承(cheng)(cheng)(cheng)的(de)振動(dong)位移成(cheng)正比。平(ping)衡(heng)(heng)轉(zhuan)速低於轉(zhuan)子一支(zhi)(zhi)承(cheng)(cheng)(cheng)系統固(gu)有頻率的(de)稱為(wei)(wei)硬支(zhi)(zhi)承(cheng)(cheng)(cheng)平(ping)衡(heng)(heng)機，這(zhe)種平(ping)衡(heng)(heng)機的(de)支(zhi)(zhi)承(cheng)(cheng)(cheng)剛(gang)度(du)大(da)，傳感(gan)器(qi)(qi)檢測出的(de)信(xin)號與支(zhi)(zhi)承(cheng)(cheng)(cheng)的(de)振動(dong)力成(cheng)正比。

平(ping)(ping)衡(heng)(heng)(heng)機的主要性能(neng)用(yong)最(zui)小可(ke)達剩余不(bu)(bu)平(ping)(ping)衡(heng)(heng)(heng)量(liang)(liang)，和不(bu)(bu)平(ping)(ping)衡(heng)(heng)(heng)量(liang)(liang)減(jian)少(shao)率兩項(xiang)綜合指(zhi)標表(biao)示(shi)。前(qian)者是平(ping)(ping)衡(heng)(heng)(heng)機能(neng)使轉子(zi)達到的剩余不(bu)(bu)平(ping)(ping)衡(heng)(heng)(heng)量(liang)(liang)的最(zui)小值，它是衡(heng)(heng)(heng)量(liang)(liang)平(ping)(ping)衡(heng)(heng)(heng)機更高平(ping)(ping)衡(heng)(heng)(heng)能(neng)力的指(zhi)標；后(hou)者是經過一次校(xiao)正后(hou)所(suo)減(jian)少(shao)的不(bu)(bu)平(ping)(ping)衡(heng)(heng)(heng)量(liang)(liang)與初始不(bu)(bu)平(ping)(ping)衡(heng)(heng)(heng)量(liang)(liang)之比，它是衡(heng)(heng)(heng)量(liang)(liang)平(ping)(ping)衡(heng)(heng)(heng)效(xiao)率的指(zhi)標，一般用(yong)百分(fen)數(shu)表(biao)示(shi)。

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(liang)生產的(de)需要，對特(te)定的(de)轉子能自(zi)動(dong)完成平(ping)衡(heng)測(ce)量(liang)和平(ping)衡(heng)校正的(de)自(zi)動(dong)平(ping)衡(heng)機(ji)，以及平(ping)衡(heng)自(zi)動(dong)線，現代已大量(liang)的(de)裝備(bei)在汽車制造(zao)、電(dian)機(ji)制造(zao)等工業部門。

二. 平衡機常用術語解釋

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(ji)械正常工作(zuo)所允許的轉子剩余不(bu)平(ping)衡量。該(gai)指(zhi)標用不(bu)平(ping)衡度(du)表示時，稱為許用不(bu)平(ping)衡度(du)（亦稱許用不(bu)平(ping)衡率(lv)）。

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(de)干擾(rao)（相互(hu)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(heng)量(liang)轉子平(ping)衡(heng)優劣(lie)程度的指標(biao)。

G=eperω/1000

式中：G－轉子(zi)平衡品質，單(dan)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 

         單位：gmm/kg或μm

11. 最小可(ke)達剩余不平(ping)衡(heng)量（Umar）

最小(xiao)可達剩余不平(ping)衡量(liang)（Umar）。單(dan)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（URR）

經過一(yi)次平衡(heng)校正所減少的不平衡(heng)量與初始不平衡(heng)量之比值。它是衡(heng)量平衡(heng)機(ji)效率的性能指(zhi)標，以百分數表示：

 URR（％）＝（U1－U2）/U1＝（1－U2/U1）×100
       式(shi)中：U1－初始不平衡(heng)量            

U2－一次平(ping)衡(heng)校正后的剩余不平(ping)衡(heng)量

13. 不(bu)平衡力(li)偶干擾比(bi)

單(dan)面(mian)平(ping)衡(heng)機(ji)抑止(zhi)不平(ping)衡(heng)力(li)偶影響的性能指標。

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(xiao)驗(yan)平衡(heng)機性能而(er)設計(ji)的剛性轉子。其質(zhi)(zhi)量(liang)、大小、尺(chi)寸均有規(gui)定，分立式(shi)(shi)和臥式(shi)(shi)兩種。立式(shi)(shi)轉子質(zhi)(zhi)量(liang)為(wei)1.1、3.5、11、35、110 kg。臥式(shi)(shi)轉子質(zhi)(zhi)量(liang)為(wei)0.5、1.6、5。16、50、160、500kg。

三. 平衡機的原理

平(ping)(ping)(ping)(ping)衡(heng)(heng)(heng)機(ji)從原(yuan)理(li)方面可以分為(wei)硬支(zhi)承(cheng)平(ping)(ping)(ping)(ping)衡(heng)(heng)(heng)機(ji)、軟支(zhi)承(cheng)平(ping)(ping)(ping)(ping)衡(heng)(heng)(heng)機(ji)、半硬支(zhi)承(cheng)平(ping)(ping)(ping)(ping)衡(heng)(heng)(heng)機(ji)。

1. 硬(ying)(ying)支(zhi)承平衡機(ji)是平衡轉速遠低于參振系統(tong)共振頻率的(de)平衡機(ji)。平衡校(xiao)驗時(shi)，支(zhi)承擺架相對(dui)處于“硬(ying)(ying)”狀態，因此轉子可以在接近實際軸承條件下進(jin)行平衡校(xiao)正。具有操作簡便、安全性(xing)能好(hao)的(de)特點。

2. 軟支(zhi)承(cheng)平(ping)衡(heng)機是平(ping)衡(heng)轉速(su)大于(yu)(yu)參(can)振(zhen)系統共振(zhen)頻率的平(ping)衡(heng)機。平(ping)衡(heng)校(xiao)驗(yan)時(shi)，支(zhi)承(cheng)擺架相對處于(yu)(yu)“軟”狀態，因(yin)此轉子校(xiao)驗(yan)平(ping)衡(heng)時(shi)。支(zhi)承(cheng)條(tiao)件(jian)與(yu)實際軸(zhou)承(cheng)工作條(tiao)件(jian)不同(tong)。具有測量精度高(gao)的特點。

3. 半硬支承(cheng)平(ping)(ping)(ping)衡機(ji)(ji)是平(ping)(ping)(ping)衡轉速在(zai)0.3~0.5倍參振(zhen)系統(tong)共振(zhen)頻率之(zhi)間的平(ping)(ping)(ping)衡機(ji)(ji)。同時(shi)具有有硬支承(cheng)平(ping)(ping)(ping)衡機(ji)(ji)支承(cheng)剛度高的特點(dian)，又有軟(ruan)支承(cheng)平(ping)(ping)(ping)衡機(ji)(ji)精度高的優點(dian)。

平(ping)(ping)(ping)衡(heng)(heng)(heng)機(ji)從應用(yong)方面分(fen)可分(fen)為立式平(ping)(ping)(ping)衡(heng)(heng)(heng)機(ji)和(he)臥式平(ping)(ping)(ping)衡(heng)(heng)(heng)機(ji)；專用(yong)平(ping)(ping)(ping)衡(heng)(heng)(heng)機(ji)和(he)通用(yong)平(ping)(ping)(ping)衡(heng)(heng)(heng)機(ji)。

臥式平衡機(ji)是被(bei)平衡轉(zhuan)(zhuan)子(zi)的(de)旋轉(zhuan)(zhuan)軸在平衡機(ji)上呈水(shui)平狀(zhuang)態(tai)的(de)平衡機(ji)。適用于有轉(zhuan)(zhuan)軸或可裝配工藝軸的(de)轉(zhuan)(zhuan)子(zi)，如機(ji)床主軸、滾筒(tong)、風機(ji)、增(zeng)壓器、電機(ji)轉(zhuan)(zhuan)子(zi)、汽(qi)輪機(ji)等等。

立式平衡(heng)機(ji)是被平衡(heng)轉子的旋(xuan)轉軸在平衡(heng)機(ji)上呈垂直狀態下的平衡(heng)機(ji)。適用于轉子本身不具轉軸的盤狀工件(jian)如離(li)合器、齒輪、風扇(shan)、壓盤及其總成、制動盤、風葉、水泵(beng)葉輪、汽車(che)飛輪、剎車(che)轂、皮帶(dai)輪、砂輪等盤類零件(jian)。

通用平(ping)衡機(ji)是指(zhi)能對(dui)形狀(zhuang)和支承形式比較規則(ze)的(de)轉(zhuan)子進行動平(ping)衡的(de)平(ping)衡機(ji)。通用平(ping)衡機(ji)操作簡單，效率也較高。

專用(yong)平(ping)衡機(ji)是能(neng)對支承形式和外觀與一般(ban)轉子不同的(de)轉子進(jin)行(xing)平(ping)衡的(de)平(ping)衡機(ji)，例如特別(bie)針對發(fa)動機(ji)的(de)曲軸，汽車的(de)傳動軸進(jin)行(xing)設計的(de)平(ping)衡機(ji)。功能(neng)專一。  

四. 動平(ping)衡(heng)加工的方(fang)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(ping)衡(heng)方(fang)向去處一(yi)定的重量。常用的方(fang)式(shi)有：鏜削、鉆孔、鑿削、銑削、磨削等。  

五. 平衡精度等級

考慮到技術的先(xian)進性和經濟上的合理性，國際標(biao)準化組織(ISO)于1940年(nian)制定(ding)了世界公認的ISO1940平衡(heng)等級(ji)(ji)，它將(jiang)轉(zhuan)子平衡(heng)等級(ji)(ji)分為11個(ge)級(ji)(ji)別(bie)，每個(ge)級(ji)(ji)別(bie)間以2.5倍為增量，從(cong)要(yao)求更(geng)高的G0.4到要(yao)求更(geng)低的G4000。單位為公克(ke)×毫(hao)米/公斤(gmm/kg)，代表不平衡(heng)對(dui)于轉(zhuan)子軸心的偏心距離(li)。