现场动平衡

第一部分：动态平衡的理论和监管基础

现场动平衡，是振动调试以及状态维护工作当中的一项关键操作，其目的在于延长工业设备的使用寿命，并预防各类紧急故障情况的发生。使用像Balanset-1A这样的便携式仪器，可以让这些作业直接在设备的运行现场完成，从而把因拆卸设备而产生的停机时间与相关成本，都降到最低限度。然而需要指出的是，要想成功完成平衡工作，不仅需要具备操作仪器本身的能力，还需要对振动背后所涉及的各种物理过程，有着深入的理解，同时也需要了解规范这项作业质量的相关标准体系。

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）： 在这种类型的不平衡当中，转子的中心主惯性轴，是与旋转轴保持平行、但发生了错位——也就是说，转子的质心相对于旋转轴，发生了径向方向上的偏移。在静态条件下，这样的转子如果安装在水平的刀口（也就是平行导轨）上，就总是会以较重的一侧朝下的方式转动、停下来。对于薄的盘状转子而言——也就是长径比（L/D）低于大约0.5的转子，例如砂轮，或者是窄型的风机叶轮——静态不平衡往往占据主导地位。要消除这种静态不平衡，可以采取的办法是：在一个校正平面之内，于与重点位置径向相对的地方，安装一个校正配重——这是一种单平面的处理方法，适用于中等转速的场合（大致是转速低于1000转/分的情况）；而对于高速运转的窄型圆盘来说，则仍然需要采用双平面平衡的方法。

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

该标准是确定许用残余不平衡量的基础性文件。它引入了平衡品质等级（G）的概念，该等级仅根据机器类型来选取。转速是在后续步骤中才被引入的，即当等级被换算为许用比不平衡量时：e_每 = (G × 9549) / n.

质量等级G： 每一类设备都对应一个特定的质量等级，该等级与转速无关，保持恒定。例如，G6.3等级推荐用于风机、泵和通用电动机，G16用于破碎机和农业机械，G2.5用于涡轮机和涡轮压缩机。

允许残余不平衡量的计算（U_每): 该标准可用于计算一个具体的许用不平衡值，作为平衡过程中的目标指标。计算分为三个阶段：

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. U 的分配_每 在两个校正平面之间分配。对于对称转子，按50/50平均分配（下例中每个平面为19.9 g·mm）。对于轴承间不对称的转子：U_左侧 = U_每 × (b/L), U_对 = U_每 × (a/L)，其中a和b分别是质心到左、右轴承的距离，L = a + b。悬臂转子需要基于力矩进行重新分配计算，并对悬臂平面采用更严格的公差。Balanset-1A会自动完成这一分配，并在Result（结果）选项卡中，将各平面的残余不平衡量（D1、D2）与平衡公差一并显示。

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

平衡工作能否成功，很大程度上取决于前期准备是否到位。大多数失败并非源于仪器故障，而是因为忽视了影响测量重复性的各种因素。前期准备的核心原则，是排除所有其他可能的振动源，使仪器只测得不平衡本身产生的影响。

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： 彻底清除转子表面的污垢、铁锈及积垢（结块物料）。即使是大半径处的少量污垢，也会产生显著的不平衡。检查是否存在破损或缺失的部件。
• 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： 确保设备安装在刚性基础上。检查地脚螺栓的紧固力矩，并确认机架上没有裂纹。
• 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）：

• 将传感器电缆连接到仪器上对应的接口（例如Balanset-1A的X1和X2；较新版本的接口标注为Ch-1和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）：

• 将传感器连接到专用输入端（Balanset-1A为X3；较新版本标注为Tacho）。
• 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）

• 启动软件并连接USB接口模块（无需管理员权限）。
• 进入平衡模块（F7 - Balancing）。为待平衡的设备创建一条新记录。
• 选择平衡类型：窄转子选用单平面（静平衡，F2 - Single-plane标签页），其他大多数情况选用双平面（动平衡，F3 - Two-plane标签页）。
• 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： 试重质量应足以引起振动参数的明显变化（振幅变化至少20–30%，或相位变化至少20–30度）。无需自己猜测初始质量：完成Run 0后，软件的首次试重估算器会根据转速表标记，同时给出试重质量和安装角度的建议，如果实际安装的试重偏小，程序也会提示。
• 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 取下试重。如果取下试重不方便，也可以将其保留在原位——只需在软件中勾选“Leave on rotor”复选框，让计算过程将其纳入考虑。

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 取下试重 （或者保持“Leave on rotor”复选框勾选状态，如同Run 1中一样）。

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（微调）：验证测量与精细平衡

• 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。

利用振动频谱进行鉴别诊断（在Balanset软件中：F8 - Charts，"F5-Spectrum (Hz)"选项卡）：

• 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： 表现为在特征“轴承”频率（BPFO、BPFI、BSF、FTF）上的高频振动。需要注意的是，详细的滚动轴承诊断超出了Balanset-1A的范围：该仪器测量的是5-1000 Hz频段内的振动速度，传感器响应在约550 Hz以上开始衰减，也不具备包络（解调）分析功能——如需此类分析，应使用专用的轴承分析仪。
• 轴弯曲： 表现为1x RPM处的高峰值，但常常伴有明显的2x RPM分量。当转子在心轴上进行平衡时，软件提供内置的跳动补偿功能：F7 - Run Ecc测量（在心轴上将转子转过180度后进行）配合“Subtract mandrel runout from measurements”（从测量值中扣除心轴跳动）选项，可避免将偏心误判为不平衡。
• 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。
• 运行之间转速不一致： 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： 请严格遵循操作方法——运行结束后取下试重；如果试重留在转子上，请务必勾选“Leave on rotor”（保留在转子上）复选框，以便计算时将其纳入考虑。

平衡质量标准

注意：等级数值是乘积 e_每·ω，单位mm/s。许用比不平衡量本身与转速相关：e_每 = (G × 9549) / n [μm]。示例：G6.3等级在1500 rpm下给出e_每 = 40.1 μm；在 3000 rpm 时为 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？
对于长径比（L/D）低于约0.5、转速适中（大致低于1000 rpm）的窄盘状转子，例如砂轮或窄型风机叶轮，应采用单平面（静）平衡。对于细长转子、L/D大于约0.5的转子，以及高速窄盘，应采用两平面（动）平衡。两平面平衡可同时校正静不平衡和偶（力矩）不平衡。

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？
静不平衡是指转子的中心惯性主轴与旋转轴平行错位——即质心相对于旋转轴发生径向偏移——不需要旋转，把转子放在刀口支承上即可检测出来。动不平衡则是静不平衡与偶不平衡的组合，此时惯性主轴与旋转轴既不平行也不重合——只有在旋转时才会显现，需要采用两平面校正。

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？
首先计算允许的特定不平衡量：e_每 = (G × 9549) / n，其中G为品质等级（例如涡轮机为2.5，风机为6.3），n为转速（RPM）。然后计算许用残余不平衡量：U_每 = e_每 × M，其中M为转子质量，单位kg。例如，一个5 kg的转子在3000 RPM下按G2.5计算：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。

如何考虑键槽的影响？（ISO 8821，现为ISO 21940-32:2012）
标准做法是：在没有配对部件的情况下进行平衡时，按照ISO 21940-32:2012（取代ISO 8821）的规定，在轴的键槽中使用“半键”。这样可以补偿键中填充轴上凹槽部分的质量。

第 4.2 节：特定设备类型的平衡指南

工业风机和引风机 (ID)：

• 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： 使用振动频谱（F8 - Charts）检查是否存在电源频率二倍频处的振动。若存在，说明是电气故障，而非不平衡。

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。