工业排气扇平衡：从理论到实践的完整指南

第一节：不平衡的基本原理——理解“为什么”

平衡旋转质量是工业设备维护和维修中的关键操作之一，对于 排气平衡 应用。为了有效、明智地消除与过度振动相关的问题，必须深入了解不平衡背后的物理过程、其种类、原因和破坏性后果。

1.1. 不平衡物理学：振动科学

理想情况下，像排气扇叶轮这样的旋转体应该达到完美平衡。从机械角度来看，这意味着其主中心惯性轴与几何旋转轴完全重合。然而，在现实中，由于制造缺陷和操作因素，会出现一种称为不平衡的情况，即转子的质心相对于其旋转轴发生偏移。

当这种不平衡的转子开始旋转时，这种质量偏移会产生离心力。该力不断改变方向，垂直于旋转轴，并通过轴传递到轴承支架，再传递到整个结构。这种周期性力是振动的根本原因。

其中 F 为离心力，m 为不平衡质量大小，ω 为角速度，r 为旋转轴到不平衡质量的距离（偏心率）。

这一关系的关键在于惯性力与转速（ω²）的平方成正比。这对于以下方面具有巨大的实际意义： 排气平衡 程序。例如，排气扇转速加倍会使振动力增加四倍。这种非线性增长解释了为什么低速下运行正常的排气扇在达到标称转速或加速时（例如通过变频器控制时）会出现灾难性的振动水平。

1.2. 不平衡的分类：三类问题

转子不平衡根据惯性轴和旋转轴的相互排列不同，分为三种主要类型：

静态不平衡（力/静态不平衡）

定义： 当惯性轴与旋转轴平行移动时发生。这可以形象地理解为转子上有一个“重点”。

诊断： 这种不平衡现象的独特之处在于，即使在静止状态下也会显现。如果将这样的转子放置在摩擦力较小的水平支撑上（称为“刀刃”），它将始终在重力作用下转动，最终重心向下停止。

更正： 通过在与已识别的重心成180度角的平面上增加（或移除）校正质量，相对简单地消除。静态不平衡是长径比（L/D）较低（例如小于0.5）的窄盘形转子的特征。

夫妻关系不平衡

定义： 当惯性轴与旋转轴在转子质心处相交时发生。物理上，这相当于两个相等的不平衡质量位于转子长度方向上的两个不同平面上，彼此相距 180 度。

诊断： 在静态位置，这样的转子是平衡的，不会倾向于占据任何特定位置。然而，在旋转过程中，这对质量块会产生“摇摆”或“摆动”力矩，使转子倾向于垂直于旋转轴，从而导致支架产生强烈振动。

更正： 需要至少在两个平面上进行校正来补偿这个力矩。

动态不平衡

       

定义： 这是实践中最常见、最常见的情况，惯性轴既不平行也不与旋转轴相交，而是在空间中与其倾斜。动态不平衡通常是静态不平衡和耦合不平衡的组合。

诊断： 仅在转子旋转时显现。

更正： 始终需要在至少两个校正平面上进行平衡，以同时补偿力和力矩分量。

1.3 问题的根源：不平衡从何而来？

造成不平衡的原因可以分为两大类，尤其与 排气平衡 应用：

运营因素（最常见）：

• 材料积累： 排气扇在污染环境中运行的最常见原因。叶轮叶片上灰尘、污垢、油漆、加工产品或水分的不均匀积聚会改变质量分布。
• 磨损和腐蚀： 叶片的不均匀磨损、液体进入的液滴侵蚀或化学腐蚀会导致某些区域的质量损失并随之产生不平衡。
• 热变形： 转子加热或冷却不均匀，特别是在热设备长时间停机期间，会导致轴或叶轮暂时或永久弯曲。
• 失去平衡重量： 先前安装的矫正重量可能会由于振动、腐蚀或机械冲击而脱落。

制造和装配缺陷：

• 制造缺陷： 材料不均匀（例如，铸造孔隙率）、加工不准确或叶轮叶片组装质量差。
• 组装和安装错误： 叶轮在轴上的安装不当、未对准、轮毂紧固件松动、电机和风扇轴未对准。
• 相关组件问题： 使用非标准或磨损的传动带、轴承缺陷、装置安装到基础上松动（称为“软脚”的状况）。

1.4. 失衡的后果：连锁破坏反应

忽视不平衡问题会导致一系列破坏性后果的连锁反应，影响机械设备部件和经济性能，尤其对排气系统至关重要：

机械后果：

• 振动和噪音： 最明显的后果是振动和噪声的急剧增加，导致工作条件恶化，并成为故障的第一个信号。
• 加速轴承磨损： 最常见、最昂贵、最危险的后果。离心力产生的循环载荷会加速滚动体和滚道的疲劳和破坏，使轴承寿命缩短数十倍。
• 疲劳失效： 长时间的振动会导致金属疲劳积累，可能导致轴、支撑结构、焊缝损坏，甚至导致将设备固定到基础上的锚栓断裂。
• 相邻部件的损坏： 振动还会破坏联轴器连接、皮带传动和轴密封。

经济和运营后果：

• 增加能源消耗： 电机能量的很大一部分不是用于移动空气，而是用于产生振动，从而导致直接的经济损失。
• 性能下降： 振动会破坏叶轮的空气动力学特性，导致排气扇产生的气流和压力降低。
• 紧急停机： 最终，不平衡会导致设备紧急停机，造成昂贵的维修费用和生产线停机造成的损失。
• 安全威胁： 在危急情况下，叶轮可能在高速下损坏，对人员的生命和健康构成直接威胁。

第 2 部分：振动诊断 - 精确诊断的艺术

正确的诊断是成功平衡的基石。在进行质量校正之前，必须高度确信不平衡确实是导致过度振动的主要原因。本节将介绍仪器方法，它们不仅可以检测问题，还可以精确识别问题的性质。

2.1. 为什么振动并不总是不平衡：鉴别诊断

每个维护专家都必须理解的一个关键原则是：过度振动是一种症状，而不是诊断。虽然不平衡是排气扇振动最常见的原因之一，但其他几种缺陷也可能导致类似的振动模式，必须在开始之前排除。 排气平衡 工作。

“伪装”为不平衡的主要缺陷：

• 错位： 电机与风扇轴之间错位。振动频谱中，在两倍运行频率（2x）处出现明显峰值，尤其在轴向。
• 机械松动： 轴承支撑螺栓松动，基础框架出现裂缝。表现为一系列运行频率谐波（1x、2x、3x等），严重情况下还会出现次谐波（0.5x、1.5x）。
• 滚动轴承缺陷： 滚道或滚动体上的剥落、裂纹。根据轴承几何形状计算，产生特征性高频、非同步（非旋转频率的倍数）分量的振动。
• 弯曲轴： 在运行频率（1x）和双倍运行频率（2x）下产生振动，大大增加了诊断的复杂度，并且需要强制进行相位分析应用来区分不平衡和错位。
• 谐振： 当工作旋转频率与结构的固有频率之一重合时，振动会急剧放大数倍。这种极其危险的情况无法通过平衡消除。

2.2. 专家工具包：工程师的眼睛和耳朵

精确的振动诊断和后续 排气平衡 需要专门的设备：

• 振动传感器（加速度计）： 主要数据收集手段。为了获得完整的三维机器振动图像，传感器安装在轴承箱上的三个相互垂直的方向：水平、垂直和轴向。
• 便携式振动分析仪/平衡器： 现代乐器如 Balanset-1A 结合振动仪（总振动级测量）、快速傅里叶变换 (FFT) 频谱分析仪、相位计和平衡计算器的功能。它们允许在设备运行现场直接进行完整的诊断和平衡。
• 转速表（光学或激光）： 任何平衡套件的组成部分。精确测量转速和相位测量同步的必备工具。操作时，将一小块反光胶带粘贴在轴或其他旋转部件上。
• 软件 专用软件可以维护设备数据库、分析随时间变化的振动趋势、进行深入的频谱诊断并自动生成工作报告。

2.3. 读取振动频谱（FFT分析）：解读机器信号

加速度计测量的振动信号具有复杂的振幅-时间依赖性。对于诊断而言，此类信号信息量有限。关键的分析方法是快速傅里叶变换 (FFT)，它以数学方式将复杂的时间信号分解为其频谱。频谱可以准确显示哪些频率包含振动能量，从而识别这些振动源。

振动频谱中的关键不平衡指标是在与转子旋转频率完全相同的频率处出现一个主峰。该频率指定为1x。该峰的幅度（高度）与不平衡程度成正比。

2.4 阶段分析的关键作用：确认诊断

相位分析是一种强大的工具，可以明确确认“不平衡”诊断，并将其与运行频率 1x 下出现的其他缺陷区分开来。

相位本质上是两个相同频率振动信号之间的时间关系，以度为单位。它显示了机器不同点相对于彼此以及相对于轴上反射标记的移动情况。

按阶段确定不平衡类型：

• 静态不平衡： 两个轴承支架同步移动，“同相”。因此，在同一径向方向的两个支架上测量的相位角差将接近 0° (±30°)。
• 耦合或动态不平衡： 支架以“反相”方式进行振荡运动。相应地，它们之间的相位差将接近 180° (±30°)。

设备

便携式平衡器和振动分析仪 Balanset-1A

€1,751.00

部件

振动传感器。

€90.00

部件

光学传感器（激光转速计）。

€124.00

设备

Balanset-4

€6,803.00

部件

磁座尺寸-60-kgf。

€46.00

部件

反射胶带。

€10.00

设备

Dynamic balancer "Balanset-1A" OEM

€1,561.00

第三部分：实用平衡指南——分步方法和专业技巧

本节提供执行的详细、逐步指导 排气平衡 工作，从准备操作到不同类型排气扇的专门技术。

3.1. 准备阶段——50% 成功之路

高质量的准备是成功和安全的关键 排气平衡。忽视这个阶段往往会导致错误的结果和时间的损失。

安全第一

开始任何工作前，设备必须完全断电。采用标准上锁/挂牌 (LOTO) 程序，防止意外启动。必须确认电机端子无电压。

清洁和目视检查：

这不是初步操作，而是主要操作。必须彻底清除叶轮上的任何积垢——污垢、灰尘和物料。很多情况下，高质量的清洁就能完全消除或显著降低不平衡，无需进一步进行平衡。清洁后，应仔细目视检查叶片、轮盘和焊缝，检查是否有裂纹、凹痕、变形和磨损迹象。

机械检查（“干预层次”）：

在校正质量分布之前，必须验证整个组件的机械健全性：

• 螺栓连接紧固： 检查并根据需要拧紧将叶轮固定到轮毂、将轮毂固定到轴、将轴承箱固定到框架的螺栓以及将框架固定到地基的螺栓。
• 几何检查： 使用千分表检查轴和叶轮的径向和轴向跳动。同时，通过目视或使用模板和测量工具检查叶片的对准度及其攻角的均匀性。

3.2 静态平衡：简单情况的简单方法

当动态平衡在技术上不可能或经济上不切实际时，静态平衡适用于狭窄的圆盘形转子（例如，具有小 L/D 比的叶轮）。

刀口法：

经典且非常精确的方法。将转子（从装置中取出）放置在两个完全水平、平行且光滑的棱柱体或低摩擦支架上。在重力作用下，转子的“重心”始终倾向于位于底部位置。在此重心的正对面（180°）安装一个校正配重。重复此过程，直到转子在任何位置都保持中性平衡。

自由旋转法（“铅垂线”）：

此简化方法适用于叶片直接安装的风扇。拆除传动带（如有），缓慢旋转叶轮并将其释放。最重的叶片将向下坠落。通过在最轻的叶片上添加小重量（例如使用胶带或磁铁）进行校正，直到叶轮停止寻找任何特定位置。

3.3. 动态场平衡：专业方法

这是工业 排气平衡，使用专门的仪器进行，例如 Balanset-1A 无需拆卸设备。该过程包含几个必需的步骤。

步骤 1：初始测量（初始运行）

• 振动传感器安装在轴承座上，反光胶带贴在转速表的轴上。
• 排气扇启动并达到标称运行速度。
• 使用振动分析仪记录初始数据：运行频率 1x 下的振动振幅（通常以 mm/s 为单位）和相位角（以度为单位）。该数据代表初始不平衡矢量。

第二步：试举重量

逻辑： 为了使仪器准确计算如何纠正不平衡，需要将已知的变化引入系统并观察其反应。这就是安装试重的目的。

• 质量和位置选择： 所选试重应能引起振动矢量明显但安全的变化（例如，振幅变化 20-30% 和/或相移 20-30°）。试重需临时固定在选定的校正平面上，角度位置已知。
• 测量： 重复启动和执行测量，记录新的幅度和相位值。

步骤3：校正重量计算与安装

现代平衡仪器如 Balanset-1A 自动从用试重获得的矢量中减去初始振动矢量。根据此差值（影响矢量），仪器计算出必须安装永久校正重块以补偿初始不平衡的精确质量和精确角度。

可以通过增加质量（焊接金属板、安装带螺母的螺栓）或减少质量（钻孔、打磨）来进行校正。增加质量是更可取的，因为它是一个可逆且更可控的过程。

步骤 4：验证运行和调整平衡

• 安装永久校正重量（并移除试验重量）后，进行验证运行以评估结果。
• 如果振动水平下降但仍超出可接受标准，则进行微调平衡。重复此过程，但验证运行结果将作为初始数据。这允许以迭代的方式逐步达到所需的平衡质量。

3.4. 单平面还是双平面动平衡？实用的选择标准

选择单平面还是双平面平衡是影响整个过程成功的关键决策，尤其对于 排气平衡 应用程序。

主要标准：转子长度（L）与直径（D）的比率。

• 如果 L/D < 0.5 且转速低于 1000 RPM，通常以静态不平衡为主，单平面平衡即可。
• 如果 L/D > 0.5 或转速较高（>1000 RPM），耦合不平衡就会开始发挥重要作用，需要双平面平衡来消除。

3.5. 悬垂风扇平衡特性

悬臂式排气扇的工作轮（叶轮）位于轴承支架之外，因此平衡特别复杂。

问题： 此类系统本质上动态不稳定，对不平衡（尤其是耦合不平衡）极其敏感，通常表现为异常高的轴向振动。

并发症： 将标准双平面法应用于悬臂转子通常会产生不理想的结果，或者需要安装过大的校正配重。系统对试验配重的反应可能不直观：例如，在叶轮上安装配重可能会导致远端支撑（电机侧）的振动变化大于近端支撑。

建议： 悬臂式排气扇的平衡需要更丰富的专业经验和动力学知识。通常需要使用振动分析仪中的专用软件模块，采用静力/耦合力分离法，以便更精确地计算校正质量。

第四节：复杂案件与专业技术

即使严格遵守程序，专家仍可能遇到标准方法无法奏效的情况。这些情况需要更深入的分析，并应用非标准技术。

4.1. 典型错误及其避免方法

错误一：诊断错误

最常见且代价高昂的错误——试图平衡因错位、机械松动或共振引起的振动。

解决方案 务必先进行全面的振动分析（频谱和相位分析）。如果频谱没有显示明显的1x峰值主导性，但在其他频率上出现明显的峰值，则在排除主要原因之前，无法开始平衡。

错误二：忽视准备阶段

跳过叶轮清洁或螺栓连接紧固检查阶段。

解决方案 严格遵循第 3.1 节中描述的“干预层次”。清洁和紧固不是可选项，而是强制性的第一步。

错误3：拆除所有旧平衡配重

此操作会破坏先前（可能是工厂）的平衡结果，并且通常会使工作变得非常复杂，因为初始不平衡可能会变得非常大。

解决方案 无正当理由，切勿移除所有配重。如果叶轮在之前的平衡过程中积累了许多小配重，可以先移除它们，然后将它们的矢量和合并成一个等效配重，再安装到位。

错误4：不检查数据重复性

使用不稳定的初始幅度和相位读数开始平衡。

解决方案 在安装试重之前，进行2-3次控制启动。如果振幅或相位从启动到停止都“浮动”，则表明存在更复杂的问题（例如共振、热弯曲、气动不稳定性）。在这种情况下进行平衡无法获得稳定的结果。

4.2. 平衡近谐振：当相位

问题： 当排气扇的运行速度非常接近系统固有振动频率（共振）时，相位角会变得极不稳定，并且对最轻微的速度波动非常敏感。这使得基于相位测量的标准矢量计算变得不准确，甚至完全不可能。

解决方案：四次运行方法

本质： 这种独特的平衡方法不使用相位测量，仅根据振动幅度的变化来计算校正重量。

过程： 方法需要连续运行四次：

1. 测量初始振动幅度
2. 在条件 0° 位置安装试重，测量振幅
3. 将相同重量移动到 120° 来测量振幅
4. 将相同重量移动到 240° 测量振幅

根据得到的四个振幅值，构建图解（圆交会法）或进行数学计算，从而确定必要的质量和矫正重量的安装角度。

4.3 当问题不在于平衡时：结构力和空气动力

结构问题：

地基薄弱或有裂缝、支撑松动会与排气扇的运行频率产生共振，使振动增加很多倍。

诊断： 为了确定结构在关闭状态下的固有频率，需要进行冲击试验（碰撞试验）。该试验使用专用模态锤和加速度计进行。如果发现的固有频率之一接近工作旋转频率，则问题确实存在。

空气动力：

入口处的气流湍流（由于障碍物或风门过度关闭，即所谓的“风扇缺氧”）或出口处会引起低频、通常不稳定的振动，与质量不平衡无关。

诊断： 在恒定转速下进行气动载荷变化试验（例如，逐渐打开/关闭减震器）。如果振动水平发生显著变化，则其性质很可能是气动的。

4.4. 实例分析（案例研究）

例1（共振）：

在一个记录案例中，由于相位读数极不稳定，使用标准方法进行的送风机平衡未能取得预期效果。分析显示，运行转速（29 Hz）非常接近叶轮固有频率（28 Hz）。采用与相位无关的四次运行法，成功将振动降低到可接受的水平，并提供了临时解决方案，直到更换更可靠的风扇为止。

示例 2（多个缺陷）：

糖厂排气扇的振动分析揭示了复杂的问题。一台风扇的频谱显示存在角度错位（轴向出现较高的1x和2x峰值），而另一台风扇则显示存在机械松动（1x、2x、3x均匀谐波）。这表明了循序渐进地消除缺陷的重要性：首先进行对中和紧固，然后（如有必要）再进行平衡。

第 5 节：标准、公差和预防性维护

任何技术工作的最后阶段都是根据监管要求评估其质量并制定长期维护设备处于良好状态的策略。

5.1. 主要标准概述（ISO）

有几项国际标准用于评估排气扇的平衡质量和振动状况。

ISO 14694:2003：

工业风扇的主要标准。根据风扇应用类别（BV-1、BV-2、BV-3等）、功率和安装类型，制定平衡质量和最大允许振动水平的要求。

ISO 1940-1:2003：

本标准定义了刚性转子的平衡质量等级（G）。质量等级表征允许的残余不平衡量。对于大多数工业排气扇，适用以下等级：

• G6.3： 标准工业质量，适用于大多数一般工业应用。
• G2.5： 增强的质量，适用于对振动要求更为严格的高速或特别关键的排气扇。

ISO 10816-3:2009：

该标准基于对非旋转部件（例如轴承座）的测量，规范工业机械振动状态评估。标准引入了四个状态区域：

• A 区： “好”（新设备）
• B区： “满意”（允许无限制操作）
• C区： “在有限时间内可接受”（需要识别和消除原因）
• D区： “不可接受”（振动可能造成损坏）

ISO 14695:2003：

该标准建立了工业风机振动测量的统一方法和条件，以确保在不同时间和不同设备上获得的结果的可比性和可重复性。

5.2. 长期战略：融入预测性维护计划

排气平衡 不应被视为一次性维修操作。它是现代预测性维护策略不可或缺的一部分。

定期进行振动监测（例如，使用便携式分析仪通过路线数据收集）可以追踪设备随时间的变化情况。趋势分析，尤其是在运行频率 1 倍时振动幅度的逐渐增长，是判断不平衡状况的可靠指标。

这种方法允许：

• 在振动水平达到 ISO 10816-3 标准规定的临界值之前，提前规划平衡。
• 防止轴承、联轴器和支撑结构在长时间运行且振动过大的情况下不可避免地发生二次损坏。
• 通过将维修工作转换为计划预防类别来消除计划外的紧急停机。

建立关键设备振动状况的电子数据库并定期进行趋势分析，为做出技术合理、经济有效的维护决策奠定基础，最终提高可靠性和整体生产效率。