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離心機轉(zhuǎn)子動平衡理論概述

轉(zhuǎn)子不平衡是指因轉(zhuǎn)子質(zhì)量分布不均勻?qū)е罗D(zhuǎn)子質(zhì)量中心與其旋轉(zhuǎn)中心軸線不重合，出現(xiàn)偏心距，從而產(chǎn)生周期性離心力干擾，使軸承系統(tǒng)承受周期性的動載荷，引起設(shè)備非正常振動,產(chǎn)生噪音，甚至損壞機器設(shè)備。統(tǒng)計資料表明，不平衡是機器損壞最常見的原因，嚴重不平衡會帶來軸承損壞、軸承座開裂、軸變形、聯(lián)接松動等機械風險。按照力學(xué)方法定義，不平衡分為靜不平衡、偶不平衡、動不平衡三類，靜不平衡是指質(zhì)心不在旋轉(zhuǎn)主軸上，但重心慣性主軸與旋轉(zhuǎn)軸處于平行狀態(tài)時所產(chǎn)生的不平衡，偶不平衡是指質(zhì)心在旋轉(zhuǎn)主軸上，但重心慣性主軸與旋轉(zhuǎn)軸不平行且在質(zhì)心處相交時所產(chǎn)生的不平衡，動不平衡則指重心慣性主軸不與旋轉(zhuǎn)軸平行，而且慣性主軸與旋轉(zhuǎn)軸交點不通過質(zhì)心時產(chǎn)生的不平衡。一般機械轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的不平衡都是既存在靜不平衡又存在偶不平衡的動不平衡狀態(tài)。靜不平衡、偶不平衡、動不平衡的力學(xué)特征如圖1所示

圖1：靜不平衡、偶不平衡、動不平衡的力學(xué)特征示意圖

轉(zhuǎn)子不平衡是由設(shè)計，材料，制造和裝配等因素引入的質(zhì)量分布不均衡引起的，即使在批量化生產(chǎn)中，由于材料密度分布不均勻和材料內(nèi)部顯微組織差異，以及轉(zhuǎn)子本身的制造誤差，都會不可避免的存在轉(zhuǎn)子質(zhì)量不均衡現(xiàn)象，每個轉(zhuǎn)子的不平衡量都各不相同。機械轉(zhuǎn)子的平衡校正就是檢查和調(diào)整轉(zhuǎn)子質(zhì)量分布的工藝過程，是一種改善轉(zhuǎn)子質(zhì)量分布的工藝方法，通過校正減小剩余不平衡量，以保證在對應(yīng)的工作轉(zhuǎn)速頻率下，剩余不平衡或者軸頸振動和作用于支承上的載荷在規(guī)定限值以內(nèi)。平衡工藝將轉(zhuǎn)子分為剛性轉(zhuǎn)子和撓性轉(zhuǎn)子，分別進行不同方式的平衡。剛性轉(zhuǎn)子是指轉(zhuǎn)子實際轉(zhuǎn)速小于0.5倍第一臨界轉(zhuǎn)速，慣性力作用產(chǎn)生的變形基本可以忽略。剛性轉(zhuǎn)子一般在低速下進行單面或雙面校正即可，撓性轉(zhuǎn)子是指轉(zhuǎn)子實際轉(zhuǎn)速大于0.7倍第一臨界轉(zhuǎn)速，此時慣性力作用會使轉(zhuǎn)子在高速旋轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生明顯的撓性變形，撓性轉(zhuǎn)子需要在實際轉(zhuǎn)速下進行現(xiàn)場校正。實際轉(zhuǎn)速介于0.5倍到0.7倍第一臨界轉(zhuǎn)速之間的轉(zhuǎn)子稱為準撓性轉(zhuǎn)子，一般按照撓性轉(zhuǎn)子的平衡工藝校正，要求不高的應(yīng)用場合也可按剛性轉(zhuǎn)子的平衡工藝校正。

實驗室通用低速和高速離心機轉(zhuǎn)子都屬于剛性轉(zhuǎn)子范疇，按照剛性轉(zhuǎn)子平衡工藝進行校正，超速離心機轉(zhuǎn)子則需要按照撓性轉(zhuǎn)子平衡工藝進行校正。

國際標準ISO 21940-11:2016中規(guī)定了各種剛性轉(zhuǎn)子的平衡等級要求（中國對應(yīng)的國家標準為GB/T 9239.1- 2006），一共分為11個級別，每個級別間以2.5倍為公比遞增，從要求最高的G0.4到要求最低的G4000。單位為公克×毫米/公斤(gmm/kg)，代表不平衡對于轉(zhuǎn)子軸心的偏心距離。具體分級如表1所示：

表1：剛性轉(zhuǎn)子平衡等級

剛性轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的動平衡試驗，一般是在動平衡機上進行調(diào)校。

平衡機是一種用于對剛性轉(zhuǎn)子進行動平衡校正的試驗機，按測量原理分為硬支承平衡機和軟支承平衡機，按機器型式分為臥式平衡機和立式平衡機。按應(yīng)用方式可以分為通用平衡機和專用平衡機（如汽車輪胎平衡機）。任何剛性轉(zhuǎn)子的不平衡均可采用在兩個校正面上加或減校正質(zhì)量的方法來平衡整個轉(zhuǎn)子。轉(zhuǎn)子在繞平衡機旋轉(zhuǎn)主軸旋轉(zhuǎn)時,因不平衡量產(chǎn)生的離心力使平衡機支承產(chǎn)生不同頻率的振動,通過振動測量傳感器測出振幅和相位差,再通過軟件系統(tǒng)中的動平衡數(shù)學(xué)模型計算出不平衡量和質(zhì)心位置,從而根據(jù)計算結(jié)果在校正平面進行增重或去重的質(zhì)量分布修正，減小不平衡量，直到滿足機器需要達到的平衡等級.. 

實驗室通用型低速離心機和高速離心機采用的離心機轉(zhuǎn)子動平衡工藝屬于剛性轉(zhuǎn)子的動平衡范疇，按照ISO 21940-11的規(guī)定，要求達到G6.3級的水平，通常采用硬支承方式的通用立式平衡機進行平衡校正，允許不平衡量的計算公式為

式中m_per為允許剩余不平衡量，單位是g；

 M代表轉(zhuǎn)子的自身重量，單位是kg；

 G代表轉(zhuǎn)子的平衡精度等級 ，單位是mm/s；

 r 代表轉(zhuǎn)子的校正半徑，單位是mm；

 n 代表轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，單位是rpm。

如一個24x1.5mL的離心機角轉(zhuǎn)子，平衡精度要求為G6.3級，轉(zhuǎn)子的重量為1.2kg，轉(zhuǎn)子在1200rpm轉(zhuǎn)速下校正，校正半徑85mm， 則該轉(zhuǎn)子的允許不平衡量為：

如采用雙面校正平衡，則允許分配到每面的不平衡量為0.35g

以上計算值為上限參考值，隨著動平衡技術(shù)工藝水平和自動化程度的提高，在考慮制造工藝經(jīng)濟適用性的基礎(chǔ)上，基于平衡要求在離心機應(yīng)用中的重要性，一般離心機轉(zhuǎn)子的允許不平衡量都低于這個上限值。如湖南湘立科學(xué)儀器有限公司采用的24x1.5mL離心機角轉(zhuǎn)子，要求單面動平衡允許不平衡量為0.3g。平衡品質(zhì)相對參考計算值的上限要求提高了一倍。