平衡機的基礎(chǔ)知識

一. 平衡機概述

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

任何轉(zhuǎn)子在圍繞其軸線旋轉(zhuǎn)時，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)子軸承上會引起振動，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。長寧電機轉(zhuǎn)子、機床主軸、內(nèi)燃機曲軸、汽輪機轉(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)正常地運轉(zhuǎn)。

根據(jù)平衡機測出的數(shù)據(jù)對轉(zhuǎn)子的不平衡量進行校正，可改善轉(zhuǎn)子相對于軸線的質(zhì)量分布，使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的振動或作用于軸承上的振動力減少到允許的范圍之內(nèi)。因此，平衡機是減小振動、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步驟，平衡機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、銑床和點焊機等其他輔助設(shè)備，或用手工方法完成。有些平衡機已將校正裝置做成為平衡機的一個部分。

重力式平衡機和離心力式平衡機是兩類典型的平衡機。

1. 重力式平衡機一般稱為靜平衡機。

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，直至這個不平衡量處于更低位置時才靜止。

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，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。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)指示器上的光點便離開原點。根據(jù)這個光點偏轉(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。

2. 離心式平衡機

離心式平衡機是在轉(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，或作用于支承的振動力來測量不平衡。其按校正平面數(shù)量的不同，可分為單面平衡機和雙面平衡機。單面平衡機只能測量一個平面上的不平衡(靜不平衡)，它雖然是在轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時進行測量，但仍屬于靜平衡機。雙面平衡機能測量動不平衡，也能分別測量靜不平衡和偶不平衡，一般稱為動平衡機。

離心力式平衡機按支承特性不同，又可分為軟支承平衡機和硬支承平衡機。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。這種平衡機的支承剛度小，傳感器檢測出的信號與支承的振動位移成正比。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，這種平衡機的支承剛度大，傳感器檢測出的信號與支承的振動力成正比。

平衡機的主要性能用最小可達剩余不平衡量，和不平衡量減少率兩項綜合指標(biāo)表示。前者是平衡機能使轉(zhuǎn)子達到的剩余不平衡量的最小值，它是衡量平衡機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。這類平衡機必須在轉(zhuǎn)子工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)進行無級調(diào)速；除能測量支承的振動或振動力外，還能測量轉(zhuǎn)子的撓曲變形。撓性轉(zhuǎn)子平衡機有時安裝在真空防護室內(nèi)，以適合汽輪機之類轉(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)處理用計算機系統(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)子能自動完成平衡測量和平衡校正的自動平衡機，以及平衡自動線，現(xiàn)代已大量的裝備在汽車制造、電機制造等工業(yè)部門。

二. 平衡機常用術(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，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指示值的改變（有時稱為平面分離影響）
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. 最小可達剩余不平衡量（Umar）

最小可達剩余不平衡量（Umar）。單位是gmm。

其意義是指平衡機能使轉(zhuǎn)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(biāo)。當(dāng)該指標(biāo)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(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。在靜不平衡時相當(dāng)于轉(zhuǎn)子的質(zhì)量偏心距，單位為μm。
14. 校驗轉(zhuǎn)子

為校驗平衡機性能而設(shè)計的剛性轉(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. 平衡機的原理

平衡機從原理方面可以分為硬支承平衡機、軟支承平衡機、半硬支承平衡機。

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

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

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

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

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

立式平衡機是被平衡轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)軸在平衡機上呈垂直狀態(tài)下的平衡機。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。

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

專用平衡機是能對支承形式和外觀與一般轉(zhuǎn)子不同的轉(zhuǎn)子進行平衡的平衡機，例如特別針對發(fā)動機的曲軸，汽車的傳動軸進行設(shè)計的平衡機。功能專一。  

四. 動平衡加工的方法

在平衡機的轉(zhuǎn)子進行動平衡測量后，可根據(jù)需要對轉(zhuǎn)子進行加重法和去重法的對轉(zhuǎn)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)的先進性和經(jīng)濟上的合理性，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個級別，每個級別間以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。