通俗易懂的振动基础知识

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本章是使用 Balanset-1A 时你需要掌握的最基本理论,让你不只是按按钮,而是真正理解自己在做什么。

什么是振动,机器为什么会晃动

任何旋转的转子(粉碎机转鼓、风机叶轮、轴)理想情况下其质心应恰好位于旋转轴线上。但实际上总会存在轻微的质量偏移—— 不平衡。转子旋转时,“重点”在每一转都会把转子往一侧拉,产生离心力,使机器以旋转频率发生晃动。

重要提示:不平衡量只是 其中一个 引起振动的原因。机器发生振动还可能是因为:

• 轴承间隙与磨损,
• 轴不对中(联轴器、皮带),
• 裂纹和紧固件松动(螺栓、机架),
• 轴弯曲,
• 结构共振,
• 气动力和电磁力(风机、变频器)。

动平衡只能消除不平衡量。其他问题都必须通过维修解决,而不是靠平衡。因此有一条黄金法则: 设备无法把一台已经损坏的机器“平衡好”.

振动的测量单位是什么

The Balanset-1A measures 振动速度 ——以 毫米/秒为单位的均方根值(RMS)。这是评估机器在工作频率范围内状态的标准量。

一个粗略快速评估等级表(基于 ISO 10816/20816,详情见 第06章):

对于农业机械(粉碎机、割草机),标准可以适当放宽:4.8 mm/s 以内属于正常,软支撑条件下可放宽到 7.1 mm/s,考虑到实际工况,“低于 8 mm/s 就已经算不错了”。

频率、转速与谐波

假设转子转速为 3000 rpm,即每秒 50 转= 50赫兹。振动可以被分解为若干频率分量——即 频谱(FFT)。频谱可以显示“到底是谁在引起振动”:

• 1x (旋转频率)——这是典型的 不平衡特征。这正是动平衡所要降低的分量。
• 2倍、3倍频 (二次、三次谐波)——更多情况下意味着 轴错位、紧固件松动、轴弯曲。如果2倍频高于1倍频——现在做平衡还为时过早,应先排查不对中/松动问题。
• 高频、“噪声” ——轴承和齿轮啮合缺陷。
• 与转速无关的低频 ——基础/安装松动、气动因素。
• 工频的倍频 (例如 6 × 50 Hz = 300 Hz)——来自变频器的电磁干扰。测试方法:在自由降速过程中切断变频器电源——如果峰值随之消失,说明是电气原因,而非机械原因。

技术支持给出的一条实用经验:如果频谱峰值 随转速成比例移动 ——说明它是旋转谐波;如果它 保持不动 ——那就是结构共振或外部干扰源。

屏幕上显示的效果:

相位——“重点所指的方向”

除振幅外,设备还会测量 相位 相位——即转速脉冲(反光标记经过激光点)与振动峰值之间的夹角。相位告诉你不平衡量具体位于哪个方向。根据安装试重后振幅和相位的变化,设备会计算出校正质量的大小和角度——即 影响系数法.

由此带来的实际影响:

• 在各次测量之间不能重新粘贴转速标记——否则相位“零点”会发生偏移。转速表本身的位置和瞄准方向也不能改变;
• 同一系列测量中的转速必须保持一致;
• 各次测量之间相位应保持稳定(波动不超过约10–20°)。如果相位漂移不定——说明测量结果不可信,应查找机械原因或共振。

共振——动平衡的头号大敌

每个结构(转子+支座+机架)都有其固有频率。如果工作转速与固有频率重合, 谐振 就会发生共振:振动急剧升高,相位跳动不定,设备的计算结果无法收敛,“设备似乎总在要求增加更多配重”。

共振的迹象:

• 转速略微变化,振动却成倍变化;
• 安装计算出的配重后,振动不降反升;
• 在工况不变的情况下,振幅和相位却不稳定。

应对方法:更换转速进行平衡——通常 低于 可以避开共振。粉碎机的典型做法是:先在 600–900 rpm 下进行粗平衡,然后再转到工作转速下进行。较新版本的软件还提供了 RunDown (coast-down) chart ——让转子升速后切断驱动,记录自由降速过程:图中的峰值即为共振频率,平衡转速应选在这些峰值之间。

真实案例:某客户的转子在 1600 rpm 下始终无法平衡,而在 1000 rpm 下却能顺利完成。原因是 1600 rpm 附近存在共振。

线性度,以及为什么要先装一半配重

设备的计算基于一个假设,即系统是 线形线性的:配重加倍,响应也随之加倍。对于基础良好的刚性机器,这一假设基本成立。但对于装在拖拉机上的粉碎机、软支撑上的机器,或存在间隙和裂纹的结构来说,其表现则是 非线性的:配重与响应之间往往不成正比。

因此,实践中总结出这样一条经验法则: 先安装计算值的 1/2(状态较差的机器为 1/3) ,然后进行一次校验测量,设备会据此计算出剩余部分。这比焊上一个过大的配重导致“超调”、再返工要快得多。

静不平衡与动不平衡

静态 静不平衡——重点位于转子的一侧。静止的转子放在自由支撑上时,会自动转到重的一侧朝下。可以通过在单一平面上加装一个配重来校正。

动态 动不平衡——重点分布在转子两端且方向不同。此时转子不仅会振动,旋转时还会“摆动”。需要在两个平面上分别加装配重。这种不平衡无法通过静态方法检测出来:转子转过90°后,两个配重看似互相抵消,但在旋转状态下,每个重点都会各自向不同方向施力。

单平面还是双平面？

• One plane ——适用于窄转子(圆盘、皮带轮、窄叶轮)。按照 ISO 21940-11 的经验法则:如果转子宽度小于其直径的一半(比例约为1:2,实践中技术支持建议取1:3)——单平面校正就足够了。
• 两架飞机 ——适用于长转子(粉碎机转鼓、轴、联合收割机转子、3000 rpm 及以上的风机)。转子两端的不平衡量会相互影响,因此设备会同时测量两个通道(传感器 X1 和 X2),一次性计算出两端的配重。

G 平衡品质等级(ISO 1940 / ISO 21940-11)

残余不平衡量以 克·毫米 按 G 等级规定:

转速越高、转子越小,要求的等级就越严格。Balanset 软件内置公差计算器:输入转子质量、转速和 G 等级,即可得出每个平面允许的残余不平衡量(单位 g·mm)。真实案例:一个 80 kg 的转子在 3000 rpm 下,按 G6.3 计算,每个平面的公差约为 802 g·mm。

不要混淆这两套评估体系:

• 毫米/秒 (振动速度)——按 ISO 10816/20816 标准,对已装配好、就地运行的整机进行评估;
• 克·毫米 (残余不平衡量)——按 ISO 1940/21940 标准,对转子本身进行评估。平衡机使用的单位是 g·mm;现场平衡通常关注的是 mm/s。

简明术语表