平衡机的基础知识

一. 平衡机概述

平衡机是测量旋转物体(转子)不平衡量大小和位置的机器。

任何转子在围绕其轴线旋转时，由于相对于轴线的质量分布不均匀而产生离心力。这种不平衡离心力作用在转子轴承上会引起振动，产生噪声和加速轴承磨损，以致严重影响产品的性能和寿命。磐石电机转子、机床主轴、内燃机曲轴、汽轮机转子、陀螺转子和钟表摆轮等旋转零部件在制造过程中，都需要经过平衡才能平稳正常地运转。

根据平衡机测出的数据对转子的不平衡量进行校正，可改善转子相对于轴线的质量分布，使转子旋转时产生的振动或作用于轴承上的振动力减少到允许的范围之内。因此，平衡机是减小振动、改善性能和提高质量的必不可少的设备。

通常，转子的平衡包括不平衡量的测量和校正两个步骤，平衡机主要用于不平衡量的测量，而不平衡量的校正则往往借助于钻床、铣床和点焊机等其他辅助设备，或用手工方法完成。有些平衡机已将校正装置做成为平衡机的一个部分。

重力式平衡机和离心力式平衡机是两类典型的平衡机。

1. 重力式平衡机一般称为静平衡机。

它是依赖转子自身的重力作用来测量静不平衡的。

置于两根水平导轨上的转子如有不平衡量，则它对轴线的重力矩使转子在导轨上滚动，直至这个不平衡量处于更低位置时才静止。

被平衡的转子放在用静压轴承支承的支座上，在支座的下面嵌装一片反射镜。当转子不存在不平衡量时，由光源射出的光束经此反射镜反射后，投射在不平衡量指示器的极坐标原点。如果转子存在不平衡量，则转子支座在不平衡量的重力矩作用下发生倾斜，支座下的反射镜也随之倾斜并使反射出的光束偏转，这样光束投在极坐标指示器上的光点便离开原点。根据这个光点偏转的坐标位置，可以得到不平衡量的大小和位置。

重力式平衡机仅适用于某些平衡要求不高的盘状零件。对于平衡要求高的转子，一般采用离心式单面或双面平衡机。

2. 离心式平衡机

离心式平衡机是在转子旋转的状态下，根据转子不平衡引起的支承振动，或作用于支承的振动力来测量不平衡。其按校正平面数量的不同，可分为单面平衡机和双面平衡机。单面平衡机只能测量一个平面上的不平衡(静不平衡)，它虽然是在转子旋转时进行测量，但仍属于静平衡机。双面平衡机能测量动不平衡，也能分别测量静不平衡和偶不平衡，一般称为动平衡机。

离心力式平衡机按支承特性不同，又可分为软支承平衡机和硬支承平衡机。平衡转速高于转子一支承系统固有频率的称为软支承平衡机。这种平衡机的支承刚度小，传感器检测出的信号与支承的振动位移成正比。平衡转速低於转子一支承系统固有频率的称为硬支承平衡机，这种平衡机的支承刚度大，传感器检测出的信号与支承的振动力成正比。

平衡机的主要性能用最小可达剩余不平衡量，和不平衡量减少率两项综合指标表示。前者是平衡机能使转子达到的剩余不平衡量的最小值，它是衡量平衡机更高平衡能力的指标；后者是经过一次校正后所减少的不平衡量与初始不平衡量之比，它是衡量平衡效率的指标，一般用百分数表示。

在现代机械中，由于挠性转子的广泛应用，人们研制出了挠性转子平衡机。这类平衡机必须在转子工作转速范围内进行无级调速；除能测量支承的振动或振动力外，还能测量转子的挠曲变形。挠性转子平衡机有时安装在真空防护室内，以适合汽轮机之类转子的平衡，它配备有抽真空系统、润滑系统、润滑油除气系统和数据处理用计算机系统等庞大的辅助设备。
  根据大批量生产的需要，对特定的转子能自动完成平衡测量和平衡校正的自动平衡机，以及平衡自动线，现代已大量的装备在汽车制造、电机制造等工业部门。

二. 平衡机常用术语解释

1. 不平衡量

转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。它等于不平衡质量和其质心至转子 轴线的乘积，不平衡量单位是gmm或者gcm，俗称“重径积”。
2. 不平衡相位

转子某平面上的不平衡质量相对于给定极坐标的角度值。
3. 不平衡度

转子单位质量的不平衡量，单位是gmm/kg。在静不平衡时相当于转子的质量偏心距，单位为μm。
4. 初始不平衡量

平衡前转子上存在的不平衡量。
5. 许用不平衡量

为保证旋转机械正常工作所允许的转子剩余不平衡量。该指标用不平衡度表示时，称为许用不平衡度（亦称许用不平衡率）。

6. 剩余不平衡量

平衡校正后转子上的剩余不平衡量。
7. 校正半径

校正平面上校正质量的质心到转子轴线的距离，一般用mm表示。
8. 校正平面的干扰（相互影响）

在给定转子某一校正面上不平衡量的变化引起另一校正平面上平衡机指示值的改变（有时称为平面分离影响）
9. 转子平衡品质

衡量转子平衡优劣程度的指标。

G=eperω/1000

式中：G－转子平衡品质，单位mm/s。

          从G0.4-G4000分11级。
          eper－转子允许的不平衡率gmm/kg或转子质量偏心距μm
          ω－相应于转子更高工作转速的角速度＝2πn/60≈n/10，n为转子的工作转速r/min
10. 转子单位质量的允许不平衡度（率）
        eper＝G×1000/n/10 

         单位：gmm/kg或μm

11. 最小可达剩余不平衡量（Umar）

最小可达剩余不平衡量（Umar）。单位是gmm。

其意义是指平衡机能使转子达到的剩余不平衡量的最小值。是衡量平衡机更高平衡能力的性能指标。当该指标用不平衡度表示时，称为最小可达剩余不平衡度。（单位gmm/kg）
12. 不平衡量减少率（URR）

经过一次平衡校正所减少的不平衡量与初始不平衡量之比值。它是衡量平衡机效率的性能指标，以百分数表示：

 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. 不平衡力偶干扰比

单面平衡机抑止不平衡力偶影响的性能指标。

转子单位质量的不平衡量，单位是gmm/kg。在静不平衡时相当于转子的质量偏心距，单位为μm。
14. 校验转子

为校验平衡机性能而设计的刚性转子。其质量、大小、尺寸均有规定，分立式和卧式两种。立式转子质量为1.1、3.5、11、35、110 kg。卧式转子质量为0.5、1.6、5。16、50、160、500kg。

三. 平衡机的原理

平衡机从原理方面可以分为硬支承平衡机、软支承平衡机、半硬支承平衡机。

1. 硬支承平衡机是平衡转速远低于参振系统共振频率的平衡机。平衡校验时，支承摆架相对处于“硬”状态，因此转子可以在接近实际轴承条件下进行平衡校正。具有操作简便、安全性能好的特点。

2. 软支承平衡机是平衡转速大于参振系统共振频率的平衡机。平衡校验时，支承摆架相对处于“软”状态，因此转子校验平衡时。支承条件与实际轴承工作条件不同。具有测量精度高的特点。

3. 半硬支承平衡机是平衡转速在0.3~0.5倍参振系统共振频率之间的平衡机。同时具有有硬支承平衡机支承刚度高的特点，又有软支承平衡机精度高的优点。

平衡机从应用方面分可分为立式平衡机和卧式平衡机；专用平衡机和通用平衡机。

卧式平衡机是被平衡转子的旋转轴在平衡机上呈水平状态的平衡机。适用于有转轴或可装配工艺轴的转子，如机床主轴、滚筒、风机、增压器、电机转子、汽轮机等等。

立式平衡机是被平衡转子的旋转轴在平衡机上呈垂直状态下的平衡机。适用于转子本身不具转轴的盘状工件如离合器、齿轮、风扇、压盘及其总成、制动盘、风叶、水泵叶轮、汽车飞轮、刹车毂、皮带轮、砂轮等盘类零件。

通用平衡机是指能对形状和支承形式比较规则的转子进行动平衡的平衡机。通用平衡机操作简单，效率也较高。

专用平衡机是能对支承形式和外观与一般转子不同的转子进行平衡的平衡机，例如特别针对发动机的曲轴，汽车的传动轴进行设计的平衡机。功能专一。  

四. 动平衡加工的方法

在平衡机的转子进行动平衡测量后，可根据需要对转子进行加重法和去重法的对转子进行平衡加工：
1. 加重法

即在不平衡的相反方向配上校正重块。常用的方式有焊接、锡焊、铆接、拧螺钉、配加重块等。
2. 去重法

即在不平衡方向去处一定的重量。常用的方式有：镗削、钻孔、凿削、铣削、磨削等。  

五. 平衡精度等级

考虑到技术的先进性和经济上的合理性，国际标准化组织(ISO)于1940年制定了世界公认的ISO1940平衡等级，它将转子平衡等级分为11个级别，每个级别间以2.5倍为增量，从要求更高的G0.4到要求更低的G4000。单位为公克×毫米/公斤(gmm/kg)，代表不平衡对于转子轴心的偏心距离。