什么是動(dòng)平衡？??

華銳風(fēng)電

2018年12月18日 11:12

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來源：模態(tài)空間

作者：譚祥軍

對于旋轉(zhuǎn)機(jī)械而言，動(dòng)平衡是一個(gè)經(jīng)常會(huì)遇到的問題。如果不平衡量過大會(huì)導(dǎo)致更大的振動(dòng)噪聲問題，同時(shí)降低了設(shè)備的使用壽命、效率轉(zhuǎn)化等。因此，旋轉(zhuǎn)機(jī)械的NVH分析必然包括平衡，有效地減少動(dòng)平衡，可優(yōu)化設(shè)備的NVH性能。

1 什么是不平衡

不平衡是由旋轉(zhuǎn)軸上的質(zhì)量分布不均勻?qū)е碌摹．?dāng)質(zhì)心位置與作用在轉(zhuǎn)子上的離心力的旋轉(zhuǎn)中心不一致時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)不平衡。通常，不平衡分為靜不平衡、耦合不平衡和動(dòng)不平衡。

為了平衡處于不平衡的旋轉(zhuǎn)軸（或其他旋轉(zhuǎn)部件），必須在旋轉(zhuǎn)部件特定位置上增加或移除一定的質(zhì)量。因此，進(jìn)行平衡處理包括在旋轉(zhuǎn)部件上確定相應(yīng)的位置和質(zhì)量，以便降低不平衡量。

不平衡會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生過大的振動(dòng)：

由于振動(dòng)過大導(dǎo)致噪聲過大
降低軸承或其他部件的壽命
增大效率損失
存在安全隱患

2 不平衡產(chǎn)生的原因

導(dǎo)致不平衡的原因有多種，包括質(zhì)量分布不均、軸不直、運(yùn)行間隙、軸彎曲和安裝不良等多種原因：

質(zhì)量分布不均勻：沿著旋轉(zhuǎn)中心，質(zhì)量分布不均勻，如圖1所示

圖1 在旋轉(zhuǎn)中心上質(zhì)量分布不均

軸不直：軸本身不直，可能在生產(chǎn)軸時(shí)，加工成了這樣，或者由于彈性特性發(fā)生了變形。

圖2 軸本身不直

間隙：通用接頭、花鍵、軸承和其他部件的運(yùn)動(dòng)間隙使得軸的運(yùn)動(dòng)偏離中心。

圖3 軸承間的過大間隙使得軸出現(xiàn)晃動(dòng)

軸彎曲：如果某個(gè)運(yùn)行轉(zhuǎn)速，如臨界轉(zhuǎn)速，激起了一個(gè)彎曲共振，那么，軸將發(fā)生彎曲變形。

圖4 軸被激起了彎曲模態(tài)

安裝不良：旋轉(zhuǎn)部件，如軸、葉片自身99.5%都是平衡的，但裝配的葉片、軸等旋轉(zhuǎn)部件99.5%都是平衡的嗎？答案是否定的。對于安裝而言，經(jīng)常存在不對中的情況，而不對中又分為軸線角度錯(cuò)位（軸中心線相交但不平行）和平行偏置（軸中心線平行但不相交），如圖5所示。另外，通常不對中很少只存在一種類型，更多是兩種類型的組合。

（a）對中完美

（b）角度錯(cuò)位

（c）平行偏置

圖5 不對中的情形

對于角度錯(cuò)位而言，通常軸向1倍頻振動(dòng)大，但也可能是2倍頻或3倍頻；徑向振動(dòng)的幅值可能還會(huì)低于軸向振動(dòng)；徑向振動(dòng)的大小依賴于中心線的相交位置，如果角度太大，通過聯(lián)軸器的軸向相對位移明顯。對于中心線存在平行偏置而言，徑向1倍頻的振動(dòng)更大；軸向2倍頻振動(dòng)可能同一1倍頻一樣大甚至更大。

3 不平衡的類型

不平衡分為靜不平衡、耦合不平衡和動(dòng)不平衡。

1）靜不平衡（單面）

當(dāng)慣性主軸與旋轉(zhuǎn)幾何中心平行時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)靜不平衡，如圖6所示。如果沒有其他問題存在，它只會(huì)引起純正弦振動(dòng)，因此，峰值出現(xiàn)在1倍頻處。

圖6 旋轉(zhuǎn)幾何中心與質(zhì)心不一致

對于靜不平衡，由于不平衡量引起的離心力F計(jì)算如下

其中，U是不平衡量，M是轉(zhuǎn)子質(zhì)量，r_e是質(zhì)心與旋轉(zhuǎn)中心的距離，m是不平衡的質(zhì)量，r_u是旋轉(zhuǎn)中心與不平衡圓的距離，ω是轉(zhuǎn)子的角速度，形象化的示意如圖7所示。

圖7 不平衡方程各術(shù)語示意性表示

不平衡量的單位是【質(zhì)量】×【距離】，常用的單元是克-厘米[g-cm]。圖8是離心力與轉(zhuǎn)速的關(guān)系圖。顯然，隨著轉(zhuǎn)速的增加，不平衡量增加，離心力也增加。注意到，在某一轉(zhuǎn)速下，不平衡的質(zhì)量加倍會(huì)使得離心力加倍。而轉(zhuǎn)速加倍會(huì)導(dǎo)致離心力變?yōu)樵瓉淼?倍。為了修正靜不平衡，必須在軸的單個(gè)截面上增加或移除一定的質(zhì)量。