平衡機(jī)的基礎(chǔ)知識

一. 平衡機(jī)概述

平衡機(jī)是測量旋轉(zhuǎn)物體(轉(zhuǎn)子)不平衡量大小和位置的機(jī)器。

任何轉(zhuǎn)子在圍繞其軸線旋轉(zhuǎn)時(shí)，由于相對于軸線的質(zhì)量分布不均勻而產(chǎn)生離心力。這種不平衡離心力作用在轉(zhuǎn)子軸承上會(huì)引起振動(dòng)，產(chǎn)生噪聲和加速軸承磨損，以致嚴(yán)重影響產(chǎn)品的性能和壽命。普陀電機(jī)轉(zhuǎn)子、機(jī)床主軸、內(nèi)燃機(jī)曲軸、汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子、陀螺轉(zhuǎn)子和鐘表擺輪等旋轉(zhuǎn)零部件在制造過程中，都需要經(jīng)過平衡才能平穩(wěn)正常地運(yùn)轉(zhuǎn)。

根據(jù)平衡機(jī)測出的數(shù)據(jù)對轉(zhuǎn)子的不平衡量進(jìn)行校正，可改善轉(zhuǎn)子相對于軸線的質(zhì)量分布，使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)或作用于軸承上的振動(dòng)力減少到允許的范圍之內(nèi)。因此，平衡機(jī)是減小振動(dòng)、改善性能和提高質(zhì)量的必不可少的設(shè)備。

通常，轉(zhuǎn)子的平衡包括不平衡量的測量和校正兩個(gè)步驟，平衡機(jī)主要用于不平衡量的測量，而不平衡量的校正則往往借助于鉆床、銑床和點(diǎn)焊機(jī)等其他輔助設(shè)備，或用手工方法完成。有些平衡機(jī)已將校正裝置做成為平衡機(jī)的一個(gè)部分。

重力式平衡機(jī)和離心力式平衡機(jī)是兩類典型的平衡機(jī)。

1. 重力式平衡機(jī)一般稱為靜平衡機(jī)。

它是依賴轉(zhuǎn)子自身的重力作用來測量靜不平衡的。

置于兩根水平導(dǎo)軌上的轉(zhuǎn)子如有不平衡量，則它對軸線的重力矩使轉(zhuǎn)子在導(dǎo)軌上滾動(dòng)，直至這個(gè)不平衡量處于更低位置時(shí)才靜止。

被平衡的轉(zhuǎn)子放在用靜壓軸承支承的支座上，在支座的下面嵌裝一片反射鏡。當(dāng)轉(zhuǎn)子不存在不平衡量時(shí)，由光源射出的光束經(jīng)此反射鏡反射后，投射在不平衡量指示器的極坐標(biāo)原點(diǎn)。如果轉(zhuǎn)子存在不平衡量，則轉(zhuǎn)子支座在不平衡量的重力矩作用下發(fā)生傾斜，支座下的反射鏡也隨之傾斜并使反射出的光束偏轉(zhuǎn)，這樣光束投在極坐標(biāo)指示器上的光點(diǎn)便離開原點(diǎn)。根據(jù)這個(gè)光點(diǎn)偏轉(zhuǎn)的坐標(biāo)位置，可以得到不平衡量的大小和位置。

重力式平衡機(jī)僅適用于某些平衡要求不高的盤狀零件。對于平衡要求高的轉(zhuǎn)子，一般采用離心式單面或雙面平衡機(jī)。

2. 離心式平衡機(jī)

離心式平衡機(jī)是在轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的狀態(tài)下，根據(jù)轉(zhuǎn)子不平衡引起的支承振動(dòng)，或作用于支承的振動(dòng)力來測量不平衡。其按校正平面數(shù)量的不同，可分為單面平衡機(jī)和雙面平衡機(jī)。單面平衡機(jī)只能測量一個(gè)平面上的不平衡(靜不平衡)，它雖然是在轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)進(jìn)行測量，但仍屬于靜平衡機(jī)。雙面平衡機(jī)能測量動(dòng)不平衡，也能分別測量靜不平衡和偶不平衡，一般稱為動(dòng)平衡機(jī)。

離心力式平衡機(jī)按支承特性不同，又可分為軟支承平衡機(jī)和硬支承平衡機(jī)。平衡轉(zhuǎn)速高于轉(zhuǎn)子一支承系統(tǒng)固有頻率的稱為軟支承平衡機(jī)。這種平衡機(jī)的支承剛度小，傳感器檢測出的信號與支承的振動(dòng)位移成正比。平衡轉(zhuǎn)速低於轉(zhuǎn)子一支承系統(tǒng)固有頻率的稱為硬支承平衡機(jī)，這種平衡機(jī)的支承剛度大，傳感器檢測出的信號與支承的振動(dòng)力成正比。

平衡機(jī)的主要性能用最小可達(dá)剩余不平衡量，和不平衡量減少率兩項(xiàng)綜合指標(biāo)表示。前者是平衡機(jī)能使轉(zhuǎn)子達(dá)到的剩余不平衡量的最小值，它是衡量平衡機(jī)更高平衡能力的指標(biāo)；后者是經(jīng)過一次校正后所減少的不平衡量與初始不平衡量之比，它是衡量平衡效率的指標(biāo)，一般用百分?jǐn)?shù)表示。

在現(xiàn)代機(jī)械中，由于撓性轉(zhuǎn)子的廣泛應(yīng)用，人們研制出了撓性轉(zhuǎn)子平衡機(jī)。這類平衡機(jī)必須在轉(zhuǎn)子工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)進(jìn)行無級調(diào)速；除能測量支承的振動(dòng)或振動(dòng)力外，還能測量轉(zhuǎn)子的撓曲變形。撓性轉(zhuǎn)子平衡機(jī)有時(shí)安裝在真空防護(hù)室內(nèi)，以適合汽輪機(jī)之類轉(zhuǎn)子的平衡，它配備有抽真空系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)、潤滑油除氣系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)等龐大的輔助設(shè)備。
  根據(jù)大批量生產(chǎn)的需要，對特定的轉(zhuǎn)子能自動(dòng)完成平衡測量和平衡校正的自動(dòng)平衡機(jī)，以及平衡自動(dòng)線，現(xiàn)代已大量的裝備在汽車制造、電機(jī)制造等工業(yè)部門。

二. 平衡機(jī)常用術(shù)語解釋

1. 不平衡量

轉(zhuǎn)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(zhì)量和其質(zhì)心至轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子某平面上的不平衡質(zhì)量相對于給定極坐標(biāo)的角度值。
3. 不平衡度

轉(zhuǎn)子單位質(zhì)量的不平衡量，單位是gmm/kg。在靜不平衡時(shí)相當(dāng)于轉(zhuǎn)子的質(zhì)量偏心距，單位為μm。
4. 初始不平衡量

平衡前轉(zhuǎn)子上存在的不平衡量。
5. 許用不平衡量

為保證旋轉(zhuǎn)機(jī)械正常工作所允許的轉(zhuǎn)子剩余不平衡量。該指標(biāo)用不平衡度表示時(shí)，稱為許用不平衡度（亦稱許用不平衡率）。

6. 剩余不平衡量

平衡校正后轉(zhuǎn)子上的剩余不平衡量。
7. 校正半徑

校正平面上校正質(zhì)量的質(zhì)心到轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(jī)指示值的改變（有時(shí)稱為平面分離影響）
9. 轉(zhuǎn)子平衡品質(zhì)

衡量轉(zhuǎn)子平衡優(yōu)劣程度的指標(biāo)。

G=eperω/1000

式中：G－轉(zhuǎn)子平衡品質(zhì)，單位mm/s。

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

         單位：gmm/kg或μm

11. 最小可達(dá)剩余不平衡量（Umar）

最小可達(dá)剩余不平衡量（Umar）。單位是gmm。

其意義是指平衡機(jī)能使轉(zhuǎn)子達(dá)到的剩余不平衡量的最小值。是衡量平衡機(jī)更高平衡能力的性能指標(biāo)。當(dāng)該指標(biāo)用不平衡度表示時(shí)，稱為最小可達(dá)剩余不平衡度。（單位gmm/kg）
12. 不平衡量減少率（URR）

經(jīng)過一次平衡校正所減少的不平衡量與初始不平衡量之比值。它是衡量平衡機(jī)效率的性能指標(biāo)，以百分?jǐn)?shù)表示：

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

U2－一次平衡校正后的剩余不平衡量

13. 不平衡力偶干擾比

單面平衡機(jī)抑止不平衡力偶影響的性能指標(biāo)。

轉(zhuǎn)子單位質(zhì)量的不平衡量，單位是gmm/kg。在靜不平衡時(shí)相當(dāng)于轉(zhuǎn)子的質(zhì)量偏心距，單位為μm。
14. 校驗(yàn)轉(zhuǎn)子

為校驗(yàn)平衡機(jī)性能而設(shè)計(jì)的剛性轉(zhuǎn)子。其質(zhì)量、大小、尺寸均有規(guī)定，分立式和臥式兩種。立式轉(zhuǎn)子質(zhì)量為1.1、3.5、11、35、110 kg。臥式轉(zhuǎn)子質(zhì)量為0.5、1.6、5。16、50、160、500kg。

三. 平衡機(jī)的原理

平衡機(jī)從原理方面可以分為硬支承平衡機(jī)、軟支承平衡機(jī)、半硬支承平衡機(jī)。

1. 硬支承平衡機(jī)是平衡轉(zhuǎn)速遠(yuǎn)低于參振系統(tǒng)共振頻率的平衡機(jī)。平衡校驗(yàn)時(shí)，支承擺架相對處于“硬”狀態(tài)，因此轉(zhuǎn)子可以在接近實(shí)際軸承條件下進(jìn)行平衡校正。具有操作簡便、安全性能好的特點(diǎn)。

2. 軟支承平衡機(jī)是平衡轉(zhuǎn)速大于參振系統(tǒng)共振頻率的平衡機(jī)。平衡校驗(yàn)時(shí)，支承擺架相對處于“軟”狀態(tài)，因此轉(zhuǎn)子校驗(yàn)平衡時(shí)。支承條件與實(shí)際軸承工作條件不同。具有測量精度高的特點(diǎn)。

3. 半硬支承平衡機(jī)是平衡轉(zhuǎn)速在0.3~0.5倍參振系統(tǒng)共振頻率之間的平衡機(jī)。同時(shí)具有有硬支承平衡機(jī)支承剛度高的特點(diǎn)，又有軟支承平衡機(jī)精度高的優(yōu)點(diǎn)。

平衡機(jī)從應(yīng)用方面分可分為立式平衡機(jī)和臥式平衡機(jī)；專用平衡機(jī)和通用平衡機(jī)。

臥式平衡機(jī)是被平衡轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)軸在平衡機(jī)上呈水平狀態(tài)的平衡機(jī)。適用于有轉(zhuǎn)軸或可裝配工藝軸的轉(zhuǎn)子，如機(jī)床主軸、滾筒、風(fēng)機(jī)、增壓器、電機(jī)轉(zhuǎn)子、汽輪機(jī)等等。

立式平衡機(jī)是被平衡轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)軸在平衡機(jī)上呈垂直狀態(tài)下的平衡機(jī)。適用于轉(zhuǎn)子本身不具轉(zhuǎn)軸的盤狀工件如離合器、齒輪、風(fēng)扇、壓盤及其總成、制動(dòng)盤、風(fēng)葉、水泵葉輪、汽車飛輪、剎車轂、皮帶輪、砂輪等盤類零件。

通用平衡機(jī)是指能對形狀和支承形式比較規(guī)則的轉(zhuǎn)子進(jìn)行動(dòng)平衡的平衡機(jī)。通用平衡機(jī)操作簡單，效率也較高。

專用平衡機(jī)是能對支承形式和外觀與一般轉(zhuǎn)子不同的轉(zhuǎn)子進(jìn)行平衡的平衡機(jī)，例如特別針對發(fā)動(dòng)機(jī)的曲軸，汽車的傳動(dòng)軸進(jìn)行設(shè)計(jì)的平衡機(jī)。功能專一。  

四. 動(dòng)平衡加工的方法

在平衡機(jī)的轉(zhuǎn)子進(jìn)行動(dòng)平衡測量后，可根據(jù)需要對轉(zhuǎn)子進(jìn)行加重法和去重法的對轉(zhuǎn)子進(jìn)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

即在不平衡方向去處一定的重量。常用的方式有：鏜削、鉆孔、鑿削、銑削、磨削等。  

五. 平衡精度等級

考慮到技術(shù)的先進(jìn)性和經(jīng)濟(jì)上的合理性，國際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)于1940年制定了世界公認(rèn)的ISO1940平衡等級，它將轉(zhuǎn)子平衡等級分為11個(gè)級別，每個(gè)級別間以2.5倍為增量，從要求更高的G0.4到要求更低的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。