張慧鋒,楊 陽(yáng)
(1.石家莊郵電職業(yè)技術(shù)學(xué)院,河北石家莊 050021;2.甘肅玉門(mén)油田分公司煉油化工總廠,甘肅玉門(mén) 735200)
動(dòng)平衡技術(shù)在機(jī)械設(shè)備轉(zhuǎn)子中的應(yīng)用研究?
張慧鋒1,楊 陽(yáng)2
(1.石家莊郵電職業(yè)技術(shù)學(xué)院,河北石家莊 050021;2.甘肅玉門(mén)油田分公司煉油化工總廠,甘肅玉門(mén) 735200)
隨著旋轉(zhuǎn)機(jī)械逐步向精密化、大型化、高速化方向發(fā)展,機(jī)械的劇烈震動(dòng)對(duì)機(jī)械本身及周?chē)鷰?lái)一系列危害。利用H5U型硬支承平衡機(jī),采用去(配)重方法校正失去動(dòng)平衡的轉(zhuǎn)子,對(duì)催化煙機(jī)轉(zhuǎn)子、動(dòng)力東區(qū)風(fēng)電機(jī)轉(zhuǎn)子、酸性水鼓風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子、焦化鼓風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子等進(jìn)行動(dòng)平衡校驗(yàn),改變了以往必須送外做動(dòng)平衡或更換新轉(zhuǎn)子的情況,節(jié)約了設(shè)備配件資源。
動(dòng)平衡技術(shù);轉(zhuǎn)子;旋轉(zhuǎn)震動(dòng);重心偏移
現(xiàn)代動(dòng)平衡技術(shù)是隨著蒸汽機(jī)的出現(xiàn)而發(fā)展起來(lái)的。隨著工業(yè)生產(chǎn)的飛速發(fā)展,旋轉(zhuǎn)機(jī)械逐步向精密化、大型化、高速化方向發(fā)展,使機(jī)械振動(dòng)問(wèn)題越來(lái)越突出。機(jī)械的劇烈振動(dòng)對(duì)機(jī)器本身及其周?chē)h(huán)境都會(huì)帶來(lái)一系列危害。產(chǎn)生振動(dòng)的原因很多,但普遍認(rèn)為“不平衡力”是主要原因[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì),有50%左右的機(jī)械振動(dòng)是由不平衡力引起的。因此,有必要改變旋轉(zhuǎn)機(jī)械運(yùn)動(dòng)部分的質(zhì)量,減小不平衡力,即對(duì)轉(zhuǎn)子進(jìn)行平衡[2-4]。
H5U型硬支承平衡機(jī)是煉化總廠在上海申克試驗(yàn)機(jī)有限公司購(gòu)進(jìn)的,自投運(yùn)使用以來(lái),對(duì)煉廠許多設(shè)備的轉(zhuǎn)子進(jìn)行過(guò)動(dòng)平衡校驗(yàn),主要有催化煙機(jī)轉(zhuǎn)子、動(dòng)力東區(qū)風(fēng)電機(jī)轉(zhuǎn)子、酸性水鼓風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子、焦化鼓風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子等,通過(guò)去(配)重方法校正失去動(dòng)平衡的轉(zhuǎn)子,使這些轉(zhuǎn)子能快速重新投入應(yīng)用,改變了以往必須送外做動(dòng)平衡或更換新轉(zhuǎn)子的情況,為煉廠節(jié)約了大量設(shè)備配件資源。
硬支承平衡機(jī)是目前使用較為廣泛的通用平衡機(jī),它具有效率高、操作簡(jiǎn)便、顯示直觀、測(cè)量迅速、穩(wěn)定性好等特點(diǎn),在使用中只需將各種類(lèi)別、開(kāi)頭各異的待平衡工件轉(zhuǎn)子的幾何尺寸、支承形式及其參數(shù)、校正半徑等數(shù)據(jù)輸入電測(cè)系統(tǒng),即可在一次啟動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)后,準(zhǔn)確地顯示出受檢轉(zhuǎn)子剩余不平衡量的量值和相位,對(duì)于單件或批量轉(zhuǎn)子都十分方便,是一種較為先進(jìn)的動(dòng)平衡校驗(yàn)和檢測(cè)設(shè)備[5]。
常用機(jī)械中包含大量的作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的零部件,例如各種傳動(dòng)軸、主軸、電動(dòng)機(jī)和汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)子等,統(tǒng)稱(chēng)為回轉(zhuǎn)體。
在理想情況下,回轉(zhuǎn)體旋轉(zhuǎn)與不旋轉(zhuǎn)時(shí),對(duì)軸承產(chǎn)生的壓力是一樣的,這樣的回轉(zhuǎn)體是平衡的回轉(zhuǎn)體[6-7]。但工程中的各種回轉(zhuǎn)體,由于材質(zhì)不均勻或毛坯缺陷、加工及裝配中產(chǎn)生的誤差,甚至設(shè)計(jì)時(shí)就具有非對(duì)稱(chēng)的幾何形狀等多種因素,使得回轉(zhuǎn)體在旋轉(zhuǎn)時(shí),其上每個(gè)微小質(zhì)點(diǎn)產(chǎn)生的離心慣性力不能相互抵消,離心慣性力通過(guò)軸承作用到機(jī)械及其基礎(chǔ)上引起振動(dòng)產(chǎn)生噪音,加速了軸承磨損,縮短了機(jī)械壽命,嚴(yán)重時(shí)可能造成破壞性事故。為此,必須對(duì)轉(zhuǎn)子進(jìn)行平衡,使其達(dá)到允許的平衡精度等級(jí),或使因此產(chǎn)生的機(jī)械振動(dòng)幅度降在允許的范圍內(nèi)。轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的不平衡離心力,其值由下式計(jì)算:
式中:G為轉(zhuǎn)子的質(zhì)量,kg;e為轉(zhuǎn)子重心對(duì)旋轉(zhuǎn)軸線的偏移,即偏心距,mm;n為轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速,r/min;w為轉(zhuǎn)子的角速度,rad/s;g為重力加速度9.8 m/s2。
由式(1)可知,重型或高轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)子,即使具有很小的偏心距,也會(huì)引起極大的不平衡的離心力,成為軸或軸承的磨損、機(jī)器或基礎(chǔ)振動(dòng)的主要原因之一。所以,機(jī)器在裝配時(shí),轉(zhuǎn)子必須進(jìn)行平衡。轉(zhuǎn)子不平衡有兩種情況:①靜不平衡,即轉(zhuǎn)子主慣性軸與旋轉(zhuǎn)軸線不相重合,但相互平行,即轉(zhuǎn)子重心不在旋轉(zhuǎn)軸線上,如圖1(a)所示。當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí),將產(chǎn)生不平衡的離心力;②動(dòng)不平衡,即轉(zhuǎn)子的主慣性軸與旋轉(zhuǎn)軸線交錯(cuò),且相交于轉(zhuǎn)子的重心上,即轉(zhuǎn)子的重心在旋轉(zhuǎn)軸線上,如圖1(b)所示。這時(shí)轉(zhuǎn)子雖處于靜平衡狀態(tài),但轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí),將產(chǎn)生不平衡力矩。在大多數(shù)情況下,轉(zhuǎn)子既存在靜不平衡,又存在動(dòng)不平衡,這種情況稱(chēng)靜動(dòng)不平衡。此時(shí),轉(zhuǎn)子主慣性軸線與旋轉(zhuǎn)軸線既不重合,又不平行,而相交于轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)軸線中非重心的任何一點(diǎn),如圖1(c)所示。當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí),產(chǎn)生1個(gè)不平衡的離心力和1個(gè)力矩。轉(zhuǎn)子靜不平衡只須在1個(gè)平面(即校正正面)安裝1個(gè)平衡重量,就可以使轉(zhuǎn)子達(dá)到平衡,故又稱(chēng)單面平衡。平衡重量的數(shù)值和位置,在轉(zhuǎn)子靜力狀態(tài)下確定,即將轉(zhuǎn)子的頸擱置在水平刀刃支撐上,加以觀察,就可以看出其不平衡狀態(tài),較重部分會(huì)向下轉(zhuǎn)動(dòng),這種方法為靜平衡。靜平衡主要應(yīng)用于轉(zhuǎn)子端面之間的距離比軸承之間的距離小許多的盤(pán)形轉(zhuǎn)子,如齒輪、飛輪、皮帶輪等。轉(zhuǎn)子動(dòng)不平衡及靜動(dòng)不平衡必須在垂直于旋轉(zhuǎn)軸的2個(gè)平面(即校正平面)內(nèi)各加1個(gè)平衡重量,使轉(zhuǎn)子達(dá)到平衡[8-9]。平衡重量的數(shù)值和位置,必須使轉(zhuǎn)子在動(dòng)力狀態(tài)下,即轉(zhuǎn)子在旋轉(zhuǎn)的情況下確定,這種方法為動(dòng)平衡。因需2個(gè)平面作平衡校正,故又稱(chēng)雙面平衡。
圖1 轉(zhuǎn)子不平衡的三種情況
本機(jī)由主軸驅(qū)動(dòng)裝置、支承架、床身、傳感器、機(jī)械放大機(jī)構(gòu)、萬(wàn)向節(jié)傳動(dòng)軸及電測(cè)箱、電控柜等部分組成。主軸驅(qū)動(dòng)裝置由DC型電動(dòng)機(jī)通過(guò)皮帶驅(qū)動(dòng)變速箱的花鍵輸入軸,經(jīng)變速箱的各檔速比,當(dāng)電動(dòng)機(jī)達(dá)到額定功率轉(zhuǎn)速時(shí),輸出軸的各檔轉(zhuǎn)速及最大扭矩如表1所列。
表1 轉(zhuǎn)速扭矩表
當(dāng)輸出軸經(jīng)過(guò)帶刻度的聯(lián)接法蘭與額定扭矩相當(dāng)?shù)娜f(wàn)向節(jié)傳動(dòng)軸聯(lián)接后拖動(dòng)工件轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn),供選擇的2種萬(wàn)向節(jié)傳動(dòng)軸的額定扭矩分別為250 N·m、700 N·m。
硬支承動(dòng)平衡機(jī)其支承剛度大,轉(zhuǎn)子支承系統(tǒng)固有頻率遠(yuǎn)高于平衡轉(zhuǎn)速。因支承系統(tǒng)的振幅很小,故轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的慣性力可忽略不計(jì),且其支承系統(tǒng)用低阻尼結(jié)構(gòu)。在這種小阻尼情況下,轉(zhuǎn)子不平衡量所產(chǎn)生的振動(dòng)頻率遠(yuǎn)小于轉(zhuǎn)子支承系統(tǒng)的固有頻率,所以支承振幅與轉(zhuǎn)子不平衡量成正比,且振動(dòng)的相位和不平衡相同,現(xiàn)行硬支承平衡機(jī)工作原理如圖2所示。
圖2 硬支承轉(zhuǎn)子及支承系統(tǒng)
硬支承平衡機(jī)根據(jù)動(dòng)反力NL、NR來(lái)確定兩校正面上離心力FL和FR,從而確定兩校正面上的不平衡量。由于測(cè)量是在軸承處,而校正是在選定兩校正面上,所以它們之間的關(guān)系為動(dòng)平衡關(guān)系;由于轉(zhuǎn)子慣性力忽略不計(jì),故支承反力和不平衡力是平衡的,由于各力都是變化矢量,故均可用復(fù)數(shù)表示,所以可推導(dǎo)出如下平衡方程:
由此可見(jiàn),由不平衡量m1r1、m2r2所產(chǎn)生的離心力,僅與兩軸承處反力NL、NR和軸承及校正面位置尺寸A、B、C有關(guān)。軸承處反動(dòng)力可以通過(guò)傳感器測(cè)出,各位置尺寸可以直接測(cè)量。最后的數(shù)據(jù)計(jì)算機(jī)輔助進(jìn)行。
(1)按轉(zhuǎn)子軸頸大小及其所需旋轉(zhuǎn)扭矩,選擇相應(yīng)的滾輪架和合適的萬(wàn)向節(jié)傳動(dòng)軸。
(2)測(cè)量轉(zhuǎn)子安裝軸承部位之間的距離,按照實(shí)際尺寸調(diào)節(jié)支承架之間的距離,使其和萬(wàn)向節(jié)傳動(dòng)軸連接達(dá)到合適尺寸并緊固,按轉(zhuǎn)子軸頸尺寸參照滾輪架上的軸頸范圍標(biāo)尺,調(diào)節(jié)好滾輪架的高度并緊固。
(3)將轉(zhuǎn)子吊裝到支承架上,調(diào)節(jié)主軸驅(qū)動(dòng)裝置軸向端面的可逆式輪扳手,使萬(wàn)向節(jié)傳動(dòng)軸端面與轉(zhuǎn)子連接端面貼合良好,在保證同心度的要求下,用螺絲緊固。
(4)選擇質(zhì)量和長(zhǎng)短相同的螺栓,使萬(wàn)向節(jié)傳動(dòng)軸與轉(zhuǎn)子均布連接并緊固,將安全防護(hù)罩罩好。
(5)以上準(zhǔn)備工作在檢查確認(rèn)無(wú)誤后回到操作臺(tái),按下RESET按鈕,顯示屏上將出現(xiàn)支承方式的選擇,按數(shù)字鈕選擇支承方式。選定實(shí)際支承方式后,按“繼續(xù)”鈕,屏幕上依次顯示a、c、c、r1、r2,按被校正轉(zhuǎn)子實(shí)際尺寸輸入a、c、c、r1、r2參數(shù),通過(guò)“繼續(xù)”按鈕和數(shù)字按鈕,依次輸入顯示方式面1或面2和極坐標(biāo)m,選擇去重或加重,設(shè)定公差值、設(shè)定轉(zhuǎn)速。
(6)按轉(zhuǎn)子質(zhì)量、轉(zhuǎn)子最大外徑、初始不平衡量等選擇平衡轉(zhuǎn)速,并按轉(zhuǎn)速標(biāo)牌調(diào)整變速手柄的位置。若轉(zhuǎn)子的初始不平衡量過(guò)大,甚至引起轉(zhuǎn)子在滾輪架上跳動(dòng)時(shí),要先低速校正,有時(shí)雖然轉(zhuǎn)子質(zhì)量不大,但外徑較大,影響拖動(dòng)功率時(shí),只能選擇低速校正。
(7)以上操作經(jīng)確認(rèn)無(wú)誤后,按起動(dòng)按鈕,緩慢旋轉(zhuǎn)開(kāi)速鈕,當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速超過(guò)100 r/min時(shí),將自動(dòng)顯示轉(zhuǎn)速,當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到預(yù)設(shè)轉(zhuǎn)速的95%時(shí),自動(dòng)檢測(cè)。當(dāng)連續(xù)檢測(cè)后,顯示屏將顯示測(cè)量結(jié)果。然后緩慢反方向旋轉(zhuǎn)開(kāi)速鈕,直至轉(zhuǎn)子回到靜止?fàn)顟B(tài)。
(8)當(dāng)轉(zhuǎn)子停止旋轉(zhuǎn)后按顯示器顯示位置找到轉(zhuǎn)子相應(yīng)點(diǎn)進(jìn)行去(配)重。
(9)反復(fù)第(6)、(7)步驟直至轉(zhuǎn)子剩余不平衡量達(dá)到要求。
平衡品質(zhì)或平衡質(zhì)量等級(jí)G,每個(gè)級(jí)別以2.5倍為增量,表示回轉(zhuǎn)體處于不平衡狀態(tài)時(shí)回轉(zhuǎn)體重心的線速度,G值越小則回轉(zhuǎn)體旋轉(zhuǎn)越平穩(wěn)。ISO1940中,把剛性轉(zhuǎn)子的平衡品質(zhì)劃分為11級(jí),從G0.4到G4000,有 G0.4、G1、G2.5、G6.3、G16、G40、G100、G250、G630、G1600、G4000。對(duì)于機(jī)床平衡等級(jí)一般應(yīng)達(dá)到G6.3;機(jī)床驅(qū)動(dòng)件,電機(jī)轉(zhuǎn)子等應(yīng)達(dá)到G2.5;對(duì)于磨床驅(qū)動(dòng)件應(yīng)2011-9-307機(jī)轉(zhuǎn)子等應(yīng)達(dá)到G2.5;對(duì)于磨床驅(qū)動(dòng)件應(yīng)達(dá)到G1.0;精密磨床的主軸、砂輪要求達(dá)到G0.4。允許不平衡量的計(jì)算允許不平衡量的計(jì)算的公式為:
式中:mper為允許不平衡量,g;M為轉(zhuǎn)子自身的重量,kg;G為轉(zhuǎn)子的平衡精度等級(jí),mm/s;r為轉(zhuǎn)子的校正半徑,mm;n為轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速,r/min。
在日常運(yùn)行中,由于設(shè)備轉(zhuǎn)子磨損、沖蝕等原因,造成轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡量超標(biāo)進(jìn)而引起振動(dòng)的情況比較普遍,所以對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備,尤其是大型機(jī)組進(jìn)行動(dòng)平衡修復(fù)非常必要,在煉化廠購(gòu)進(jìn)動(dòng)平衡機(jī)以前,設(shè)備轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡實(shí)驗(yàn)要送到蘭州或廠家去做,這樣即增長(zhǎng)了檢修周期增加了費(fèi)用,對(duì)裝置正常生產(chǎn)影響很大,動(dòng)平衡機(jī)的應(yīng)用改變了這種被動(dòng)局面。
以催化裝置YLⅡ-13000A煙機(jī)轉(zhuǎn)子為例,在運(yùn)行過(guò)程中,由于煙氣介質(zhì)中帶有固體顆粒,在煙機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)下,對(duì)葉片的沖蝕很?chē)?yán)重,造成轉(zhuǎn)子動(dòng)不平衡量超標(biāo),使煙機(jī)振動(dòng)增大,無(wú)法正常運(yùn)行,需對(duì)轉(zhuǎn)子進(jìn)行動(dòng)平衡校驗(yàn)。
煙機(jī)動(dòng)平衡實(shí)驗(yàn)相關(guān)參數(shù):轉(zhuǎn)子質(zhì)量2 000 kg;平衡精度要求為G2.5級(jí);轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速5 445 r/min;后端校正半徑為600 mm;前端校正半徑為220 mm。
則該轉(zhuǎn)子的允許不平衡量理論計(jì)算值:
通過(guò)動(dòng)平衡機(jī)實(shí)驗(yàn)最后得到的不衡量如表2所列。由表2可知,經(jīng)過(guò)動(dòng)平衡找正后,遠(yuǎn)端剩余不平衡量為3.36 g,在允許不平衡量范圍之內(nèi),符合要求。
動(dòng)平衡技術(shù)在生產(chǎn)中的實(shí)際應(yīng)用,極大節(jié)約了設(shè)備配件成本,能快速及時(shí)地對(duì)設(shè)備轉(zhuǎn)子進(jìn)行修復(fù)并重新投入使用,縮短了檢修工期,保證了重要設(shè)備的正常運(yùn)行,為裝置平穩(wěn)運(yùn)行打好基礎(chǔ)。隨著旋轉(zhuǎn)機(jī)械逐步向精密化、大型化、高速化方向發(fā)展,機(jī)械的劇烈震動(dòng)對(duì)機(jī)械本身及周?chē)鷰?lái)一系列危害。筆者利用H5U型硬支承平衡機(jī),通過(guò)去(配)重方法校正失去動(dòng)平衡的轉(zhuǎn)子,對(duì)催化煙機(jī)轉(zhuǎn)子、動(dòng)力東區(qū)風(fēng)電機(jī)轉(zhuǎn)子、酸性水鼓風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子、焦化鼓風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子等進(jìn)行動(dòng)平衡校驗(yàn),改變了以往必須送外做動(dòng)平衡或更換新轉(zhuǎn)子的情況,大大節(jié)約了設(shè)備配件資源。
表2 機(jī)修車(chē)間動(dòng)平衡實(shí)驗(yàn)報(bào)告書(shū)
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Research and Application of Dynamic Balance Technology in Mechanical Equipment Rotor
ZHANG Hui-feng1,YANG Yang2
(1.Shijiazhuang Post&Telecommunication Technical College,Shijiazhuang Hebei 050021,China;2.Branch of PetroChina Yumen Oilfield,Petrochemical General Factory,Yumen Gansu 735200,China)
With the development of the precision,large-scale and high-speed to rotating machinery,severe vibration of the mechanical machinery brings a range of hazards to itself and the surrounding.H5U-h(huán)ard bearing balancing machine and the counterweight method is used to correct the loss of rotor balancing,and the situation that must be sent outside to do the balan?cing or replacement rotor in the past is changed by the balancing correction of catalytic hood rotor,power wind turbine rotor,acidic water blower rotor,and coking gas blower rotor.And a significant reduction is brought in equipment accessories re?sources.
dynamic balance technology;rotor;rotating vibration;centre-of-gravity shift
TH132.41
A
1007-4414(2013)04-0066-04
2013-05-26
張慧鋒(1977-),男,河北正定人,碩士,講師,主要從事高等教育方面的研究工作。