现场动平衡

第一部分：动态平衡的理论和监管基础

Field dynamic balancing is one of the key operations in vibration commissioning and condition-based maintenance, aimed at extending the service life of industrial equipment and preventing emergency situations. The use of portable instruments such as Balanset-1A allows these operations to be performed directly at the operating site, minimizing downtime and costs associated with dismantling. However, successful balancing requires not only the ability to work with the instrument, but also a deep understanding of the physical processes underlying vibration, as well as knowledge of the regulatory framework governing the quality of work.

该方法的原理是基于安装试重并计算不平衡影响系数。简而言之，仪器测量旋转转子的振动（幅度和相位），然后用户在特定平面上依次添加小试重，以“校准”附加质量对振动的影响。根据振动幅度和相位的变化，仪器自动计算消除不平衡所需的校正重量和安装角度。

这种方法实现了所谓的 三次运行法 双平面平衡：首先进行初始测量，然后进行两次使用试砝码的平衡试验（每个平面一个试砝码）。单平面平衡通常只需两次试验——一次不加砝码，一次加一个试砝码。现代仪器可自动完成所有必要的计算，显著简化了操作流程，并降低了对操作人员资质的要求。

第 1.1 节：不平衡物理学：深入分析

旋转设备振动的核心在于不平衡。不平衡是指转子质量相对于其旋转轴分布不均匀的情况。这种不均匀分布会导致离心力的产生，进而引起支架和整个机器结构的振动。不平衡问题得不到解决，后果可能是灾难性的：从轴承过早磨损和损坏，到基础和机器本身的损坏。为了有效诊断和消除不平衡，必须明确区分其类型。

不平衡类型

静不平衡（单平面）： In this type of unbalance the rotor's central principal axis of inertia is displaced parallel to the axis of rotation - the center of mass is offset radially from the rotation axis. In a static state, such a rotor, installed on horizontal knife-edges (parallel ways), will always turn with the heavy side downward. Static unbalance is dominant for thin, disk-shaped rotors where the length-to-diameter ratio (L/D) is below approximately 0.5, for example, grinding wheels or narrow fan impellers. Static unbalance elimination is possible by installing one corrective weight in one correction plane, diametrically opposite to the heavy point - a single-plane approach that is valid at moderate speeds (roughly under 1000 rpm); high-speed narrow discs still require two-plane balancing.

力偶（矩）不平衡： 这种类型的力偶不平衡发生在转子的主轴与旋转轴在质心处相交但不平行时。力偶不平衡可以表示为两个大小相等但方向相反的不平衡质量位于不同的平面上。在静态下，这种转子处于平衡状态，不平衡仅在旋转过程中以“摇摆”或“摆动”的形式表现出来。为了补偿这种不平衡，需要在两个不同的平面上安装至少两个校正配重，以产生补偿力矩。

动态不平衡： 这是实际工况中最常见的不平衡类型，代表静不平衡和力偶不平衡的组合。在这种情况下，转子的主惯性中心轴与旋转轴不重合，也不在质心处相交。为了消除动不平衡，至少需要在两个平面上进行质量校正。Balanset-1A 等双通道仪器专为解决此类问题而设计。

准静态不平衡： 这是动态不平衡的一个特殊情况，其中主轴惯性与旋转轴相交，但不在转子的质心处。这对于诊断复杂的转子系统来说是一个微妙但重要的区别。

刚性转子和柔性转子：关键区别

平衡的基本概念之一是刚性转子和柔性转子之间的区别。这种区别决定了成功平衡的可能性和方法。

刚性转子： 如果转子的工作旋转频率明显低于其第一临界频率，并且在离心力作用下不会发生显著的弹性变形（挠曲），则转子被认为是刚性的。此类转子的平衡通常可以在两个校正平面上成功完成。Balanset-1A 仪器主要设计用于处理刚性转子。

柔性转子： 如果转子的旋转频率接近其临界频率或超过该频率，则认为转子具有挠性。在这种情况下，弹性轴的挠度与质心位移相当，并且本身对整体振动有显著的影响。

在开始工作之前，对转子进行分类至关重要，方法是将其运行速度与已知的（或计算出的）临界频率进行关联。如果无法绕过谐振，建议在平衡过程中暂时改变装置的安装条件，以改变谐振频率。

第 1.2 节：监管框架：ISO 标准

平衡领域的标准发挥着几个关键作用：它们建立了统一的技术术语，定义了质量要求，更重要的是，它们为技术必要性和经济可行性之间的妥协提供了基础。

ISO 21940-11（原 ISO 1940-1）：刚性转子平衡的质量要求

This standard is the fundamental document for determining permissible residual unbalance. It introduces the concept of balance quality grade (G), which is chosen by machine type only. The speed enters later, when the grade is converted into a permissible specific unbalance: e_每 = (G × 9549) / n.

质量等级G： Each type of equipment corresponds to a specific quality grade that remains constant regardless of rotation speed. For example, grade G6.3 is recommended for fans, pumps and general-purpose electric motors, G16 for crushers and agricultural machinery, and G2.5 for turbines and turbo-compressors.

允许残余不平衡量的计算（U_每): The standard allows calculation of a specific permissible unbalance value that serves as a target indicator during balancing. The calculation is performed in three stages:

1. 确定允许的特定不平衡量（e_每) 使用公式：
   每单位e = (G × 9549) / n
   式中，G为平衡质量等级（例如2.5），n为工作转速，rpm。e的计量单位_每 为g·mm/kg或μm。
2. 允许残余不平衡量的确定（U_每）对于整个转子：
   Uper = eper × M
   其中，M 为转子质量，单位为 kg。U 的计量单位为_每 为g·mm。
3. Allocation of U_每 between the two correction planes. For a symmetric rotor, split it 50/50 (in the example below: 19.9 g·mm per plane). For an asymmetric between-bearing rotor: U_左侧 = U_每 × (b/L), U_对 = U_每 × (a/L), where a and b are the distances from the center of mass to the left and right bearings and L = a + b. Overhung rotors require a moment-based recalculation with a tighter tolerance on the overhung plane. Balanset-1A performs this allocation automatically and shows the per-plane residual unbalance (D1, D2) next to the balancing tolerance on the Result tab.

ISO 20806:2009：中大型转子现场平衡的准则与防护措施

该标准直接规范了现场平衡过程。

优点： 原位平衡的主要优势在于，转子是在实际运行条件下，在其支撑结构上并承受运行载荷的情况下进行平衡的。这自动考虑了支撑系统的动态特性以及连接轴系部件的影响。

缺点和局限性：

• 限制访问： 通常，进入组装机器上的校正平面很困难，从而限制了重量安装的可能性。
• 试运行需求： 平衡过程需要机器进行多次"启动-停止"循环。
• 严重不平衡造成的困难： 在初始不平衡量非常大的情况下，平面选择和校正重量质量的限制可能无法实现所需的平衡质量。

第二部分：Balanset-1A 仪器平衡实用指南

The success of balancing depends overwhelmingly on the thoroughness of preparatory work. Most failures are related not to instrument malfunction, but to ignoring factors affecting measurement repeatability. The main preparation principle is to exclude all other possible sources of vibration so that the instrument measures only the effect of unbalance.

第 2.1 节：成功的基础：预平衡诊断和机器准备

步骤 1：初步振动诊断（真的不平衡吗？）

在进行动平衡之前，最好先在振动计模式下进行初步振动测量。Balanset-1A 软件具有"振动计"模式（F5 键），您可以在安装任何配重之前，测量整体振动以及旋转频率 (1×) 下各部件的振动。

经典的不平衡迹象： 振动频谱应以转子旋转频率处的峰值（1倍转速频率处的峰值）为主。该分量在水平和垂直方向上的振幅应相当，而其他谐波的振幅应明显较低。

其他缺陷的迹象： 如果频谱在其他频率（例如 2 倍、3 倍转速）或非多重频率处出现明显的峰值，则表明存在其他问题，必须在平衡之前消除这些问题。

第 2 步：全面机械检查（清单）

• 转子： Thoroughly clean all rotor surfaces from dirt, rust and built-up deposits (caked product). Even a small amount of dirt at a large radius creates significant unbalance. Check for absence of broken or missing elements.
• 轴承： 检查轴承组件是否存在过大的间隙、异常噪音和过热现象。磨损的轴承会导致读数不稳定。
• 基础和框架： Ensure that the unit is installed on a rigid foundation. Check the torque of the anchor bolts and the absence of cracks in the frame.
• 传动装置： 对于皮带传动，检查皮带张力和状况。对于联轴器连接，检查轴的对准情况。
• 安全： 确保所有防护装置均已配备并可使用。

第 2.2 节：仪器设置和配置

硬件安装

振动传感器（加速度计）：

• Connect sensor cables to corresponding instrument connectors (e.g., X1 and X2 for Balanset-1A; on newer revisions the connectors are labeled Ch-1 and Ch-2).
• 将传感器安装在尽可能靠近转子的轴承座上。
• 关键实践： 为了获得最大信号强度，传感器应安装在振动最大的方向上。使用强力磁性底座或螺纹安装座以确保牢固接触。

相位传感器（激光转速表）：

• Connect the sensor to the special input (X3 for Balanset-1A; labeled Tacho on newer revisions).
• 将一小块反光胶带贴在转子的轴或其他旋转部件上。
• 安装转速表，使激光束在整个旋转过程中稳定地击中标记。

软件配置（Balanset-1A）

• Launch the software and connect the USB interface module (administrator rights are not required).
• Go to the balancing module (F7 - Balancing). Create a new record for the unit being balanced.
• Select balancing type: 1-plane (static, the F2 - Single-plane tab) for narrow rotors or 2-plane (dynamic, the F3 - Two-plane tab) for most other cases.
• 确定校正平面：选择转子上可以安全安装校正配重的位置。

第 2.3 节：平衡程序：分步指南

运行 0：初始测量

• 启动机器并使其达到稳定的运行速度。确保后续所有运行中的转速保持一致，这一点至关重要。
• 程序启动后，仪器将记录初始振动幅值和相位值。

运行 1：在平面 1 上进行试重

• 停止机器。
• 试验重量选择： The trial weight mass should be sufficient to cause noticeable change in vibration parameters (amplitude change of at least 20-30% OR phase change of at least 20-30 degrees). You do not have to guess the starting mass: after Run 0 the software's First Trial Weight Estimator recommends both the trial weight mass and its installation angle from the tachometer mark, and the program warns if the installed weight turns out to be too small.
• 试重安装： 将称重后的试验砝码牢固地固定在平面 1 的已知半径处。记录角度位置。
• 以相同的稳定速度启动机器。
• 进行第二次测量。
• 停止机器并 remove the trial weight. If removing it is impractical, you can leave it installed - check the "Leave on rotor" box in the software so the calculation accounts for it.

运行 2：在平面 2 上试重（用于双平面平衡）

• 完全重复步骤 2 中的步骤，但将试验砝码安装在平面 2 中。
• 开始、测量、停止和 remove the trial weight (or leave it with the "Leave on rotor" box checked, as in Run 1).

校正重量的计算和安装

• 根据试运行期间记录的矢量变化，程序将自动计算每个平面的校正重量的质量和安装角度。
• 安装角度通常是从试重位置沿转子旋转方向测量的。
• 牢固地安装永久性矫正配重。使用焊接时，请记住焊缝本身也具有质量。

Run T (Trim): Verification measurement and fine balancing

• 再次启动机器。
• 执行控制测量以评估残余振动的水平。
• 将得到的值与根据 ISO 1940-1 计算的公差进行比较。
• 如果振动仍然超过容差范围，仪器将计算一个小的"微调"（修正）校正值。
• 完成后，保存报告和影响系数，以备将来可能使用。

第三部分：高级问题解决和故障排除

本节致力于讨论现场平衡最复杂的方面——标准程序无法产生结果的情况。

第 3.1 节：诊断和克服测量不稳定性

症状： 在相同条件下重复测量时，幅度和/或相位读数会发生显著变化（“浮动”、“跳跃”）。这使得无法进行校正计算。

根本原因： 仪器没有故障。它准确地报告说，系统的振动响应不稳定且不可预测。

系统诊断算法：

• 机械松动： 这是最常见的原因。检查轴承座安装螺栓和框架锚固螺栓的紧固情况。检查地基或框架是否有裂缝。
• 轴承缺陷： 滚动轴承内部间隙过大或轴承壳体磨损会导致轴在支撑件内无序运动。
• 与过程相关的不稳定性：
  • 空气动力学（风扇）： 湍流气流、叶片引起的气流分离会导致随机力效应。
  • 液压（泵）： 空化作用会产生强大的、随机的液压冲击，从而掩盖不平衡引起的周期性信号。
  • 内部质量运动（破碎机、磨机）： 转子内部的物质会重新分布，起到"移动不平衡"的作用。
• 谐振： 如果运行速度非常接近结构的固有频率，即使速度发生轻微变化也会导致振动幅度和相位发生巨大变化。
• 热效应： 机器升温时，热膨胀会导致轴弯曲或对准发生变化。

第 3.2 节：当平衡无济于事时：识别根本缺陷

症状： 平衡程序已完成，读数稳定，但最终振动仍然很高。

Using the vibration spectrum for differential diagnosis (in the Balanset software: F8 - Charts, "F5-Spectrum (Hz)" tab):

• 轴错位： 主要特征——在2倍转速频率处出现高振动峰值。高轴向振动是其特征之一。
• 滚动轴承缺陷： Manifest as high-frequency vibration at characteristic "bearing" frequencies (BPFO, BPFI, BSF, FTF). Note that detailed rolling-bearing diagnostics is beyond the scope of Balanset-1A: the instrument measures vibration velocity in the 5-1000 Hz band, the sensor response rolls off above roughly 550 Hz, and there is no envelope (demodulation) analysis - use a dedicated bearing analyzer for that task.
• 轴弯曲： Manifests as high peak at 1x RPM but often accompanied by noticeable component at 2x RPM. When the rotor is balanced on a mandrel, the software offers built-in runout compensation: the F7 - Run Ecc measurement (taken with the rotor turned 180 degrees on the mandrel) together with the "Subtract mandrel runout from measurements" option, so eccentricity is not mistaken for unbalance.
• 电气问题（电动机）： 磁场不对称会导致电源频率两倍（50 Hz 网络为 100 Hz）产生振动。

常见的平衡错误及预防技巧

• 平衡故障或脏污的转子： 平衡前务必检查机构状况。
• 试验重量太小： 以 20-30% 振动变化规则为目标。
• Inconsistent operating speed between runs: 在所有测量过程中，始终保持稳定且相同的旋转速度。
• 相位和标记错误： 仔细监测角度的确定。矫正配重角度通常是从试配重位置沿旋转方向测量的。
• 配重物安装不正确或丢失： Strictly follow the methodology - remove the trial weight after the run, or, if it stays on the rotor, make sure the "Leave on rotor" box is checked so the calculation accounts for it.

平衡质量标准

Note: the grade number is the product e_每·ω in mm/s. The permissible specific unbalance itself is speed-dependent: e_每 = (G × 9549) / n [μm]. Example: G6.3 at 1500 rpm gives e_每 = 40.1 μm; at 3000 rpm it gives 20.1 μm.

第四部分：常见问题和应用说明

第 4.1 节：常见问题 (FAQ)

何时应该使用单平面平衡，何时应该使用双平面平衡？
Use 1-plane (static) balancing for narrow, disk-shaped rotors where the length-to-diameter ratio (L/D) is below approximately 0.5 and the speed is moderate (roughly under 1000 rpm), such as grinding wheels or narrow fan impellers. Use 2-plane (dynamic) balancing for elongated rotors, for any L/D above approximately 0.5, and for high-speed narrow discs. Two-plane balancing corrects both static unbalance and couple (moment) unbalance.

如果试验用砝码导致振动加剧，造成危险，我该怎么办？
立即停止机器。这表明试配重块安装位置靠近原有重心，加剧了不平衡。解决方法是将试配重块旋转180度，然后重新测量。这样可以确保试配重块产生相反的作用，而不是增加原有的不平衡。

我能否将保存的影响系数用于其他机器？
是的，但前提是机器必须完全相同——相同的型号、相同的转子、相同的基础、相同的轴承。任何结构刚度的变化都会改变影响系数，使其失效。最佳做法是始终对每台新机器进行新的试运行，以确保修正计算的准确性。

静态不平衡和动态不平衡有什么区别？
In static unbalance the rotor's central principal axis of inertia is displaced parallel to the rotation axis - the center of mass is offset radially from the axis - and it can be detected without spinning by placing the rotor on knife-edge supports. Dynamic unbalance is a combination of static and couple unbalance where the principal axis of inertia doesn't coincide with the rotation axis - it only manifests during rotation and requires two-plane correction.

为什么我的平衡读数不稳定（波动）？
不稳定的读数表明系统的振动响应不可预测。常见原因包括：机械松动（螺栓松动、裂纹）、轴承磨损导致间隙过大、工艺不稳定（泵内空化、风机内湍流）、共振（运行速度接近固有频率）、预热期间的热效应或邻近设备的振动。在尝试进行动平衡之前，请先解决这些问题。

双平面平衡中的三步法是什么？
三步测量法包括：第 0 步 - 不使用任何试验砝码进行初始测量，以建立基线振动；第 1 步 - 在平面 1 上安装试验砝码进行测量，以确定其影响；第 2 步 - 将试验砝码移至平面 2 进行测量。基于这三个数据点，仪器使用影响系数法计算两个平面所需的精确校正砝码。

如何根据 ISO 1940-1 计算允许的剩余不平衡量？
First calculate permissible specific unbalance: e_每 = (G × 9549) / n, where G is the quality grade (e.g., 2.5 for turbines, 6.3 for fans) and n is RPM. Then calculate permissible residual unbalance: U_每 = e_每 × M, where M is rotor mass in kg. For example, a 5 kg rotor at 3000 RPM with G2.5: e_每 = (2.5 × 9549)/3000 = 7.96 μm, U_每 =7.96×5=39.8克·毫米。

要实现精确的平衡，所需的最小试验重量效应是多少？
试验砝码应至少引起振幅 20-30% 的变化或相位角 20-30 度的变化。如果影响太小，有效信号会被测量噪声淹没，导致校正计算不准确。如果没有任何变化，则增加试验砝码的质量（在安全范围内），直到获得足够的影响。

How do I account for keyways? (ISO 8821, now ISO 21940-32:2012)
Standard practice is to use a "half-key" in the shaft keyway when balancing without the mating part, as specified in ISO 21940-32:2012 (which superseded ISO 8821). This compensates for the mass of that part of the key that fills the groove on the shaft.

第 4.2 节：特定设备类型的平衡指南

Industrial fans and induced-draft (ID) fans:

• 问题： 由于刀片上积聚产品或磨损，最容易出现不平衡。
• 程序： 开始工作前务必彻底清洁叶轮。注意可能导致不稳定的空气动力。

泵：

• 问题： 主要敌人——空化。
• 程序： 平衡前，确保入口处有足够的空化裕度（NPSHa）。检查吸入管道是否堵塞。

破碎机、磨碎机和粉碎机：

• 问题： 磨损严重，锤头断裂或磨损可能导致较大的不平衡变化。
• 程序： 检查工作部件的完整性和连接情况。可能需要对机器框架进行额外的固定。

电动机电枢：

• 问题： 可能同时具有机械和电气振动源。
• 程序： Use the vibration spectrum (F8 - Charts) to check for vibration at twice the supply frequency. Its presence indicates electrical malfunction, not unbalance.

结论

使用 Balanset-1A 等便携式仪器对转子进行现场动平衡，是提高工业设备运行可靠性和效率的有效手段。然而，该工序的成功与否，与其说取决于仪器本身，不如说取决于专业人员的资质和系统化操作能力。

关键原则：

• 准备决定结果： 彻底清洁转子、检查轴承和基础状况以及初步振动诊断是成功进行动平衡的必要条件。
• 符合标准是质量的基础： ISO 1940-1 的应用将主观评价转化为客观、可测量且具有法律意义的结果。
• 该仪器不仅是一个平衡器，而且还是一个诊断工具： 无法保持平衡或阅读不稳定是重要的诊断体征，表明存在更严重的问题。
• 了解过程物理是解决非标准任务的关键： 了解刚性转子和柔性转子之间的差异，理解共振的影响，可以让专家做出正确的决定。

遵循本指南中概述的建议，技术专家不仅可以成功应对典型任务，还可以有效地诊断和解决旋转设备振动的复杂、非平凡问题。