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      06

      2022

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      石油化工大型旋轉機組轉子動平衡技術

      作者:


        煉化企業旋轉機組不斷地運轉,轉子可能會產生噪聲與振動,這是由轉子的不平衡引起的,當其超過允許界限時,必會影響企業的生產效率,從而引發一系列的安全事故。據統計,在旋轉機械中約四分之三的機組故障都是由于轉子不平衡引起的,所以定期為轉子進行動平衡的校正顯得非常重要。不但確保了設備的正常運行,而且提高了工作效率,為企業創造更大的效益。
        
        轉子動平衡技術的原理和特點
        
        通過對存在故障的轉子進行檢測,得到對應不平衡量的大小與角度,并采用校正以消除其不平衡量,從而使轉子在轉動時沒有產生不平衡離心力的平衡工藝叫做動平衡。
        
        根據力學特性與工作狀態的不同,轉子可分為撓性轉子和剛性轉子。其中,前者定義條件為:其臨界轉速低于工作轉速,且轉子運行的各項參數都在允許范圍之內;后者定義條件為:臨界轉速高于工作轉速,且轉子運行的各項參數都在允許范圍之內。
        
        在實際應用中,轉子類型可根據工作轉速與一階臨界轉速的比值來確定,如果工作轉速與一階臨界轉速的比值大于或等于0.7則為撓性轉子,比值小于0.5則為剛性轉子,之間數值則為準剛性轉子。針對轉子的平衡校正試驗,1940年國際標準化組織制定了ISO1940平衡等級,并將其分為11個等級,從高到低分別為:G0.4,G1,G2.5,G6.3,G16……G4000,單位為g.mm/kg,其等級指的是不平衡量對于轉子軸心的偏心距離。
        
        一 轉子動平衡原理
        
        轉子動平衡技術起源于旋轉設備零部件,隨著離心風機、泵、發動機等旋轉設備的廣泛使用,從此動平衡技術便逐步得到了重視與發展。對轉子進行受力分析,其原理為:假設轉子質量為M,角速度為w,O為坐標原點,轉軸為Z。對其內部任一質點

      石油化工大型旋轉機組轉子動平衡技術

        坐標軸各方向矢量為a、b、c,如果質點H的矢量為rH,那么

      石油化工大型旋轉機組轉子動平衡技術

        則質點H的離心力為:

      石油化工大型旋轉機組轉子動平衡技術

        轉子產生不平衡量,是因為轉子旋轉軸線與中心慣性軸發生偏差,為了校正轉子不平衡量,關鍵要消除轉子對軸承的動壓力,讓旋轉軸線與其中心慣性軸相重合。
        
        為了設備安全運行、防止事故的發生,對于出現振動故障的轉子,技術人員必須及時對其進行動平衡校正。轉子動平衡技術校正的工作原理為:根據轉子轉動產生的振動信號,利用光傳感器將其信號傳送到測量裝置,通過信號的轉換,得出該轉子產生的不平衡量大小,以及對應的角度。最后,通過對轉子進行動平衡校正與修復,讓其達到符合工業安全生產的標準。
        
        二 轉子動平衡技術的特點
        
        這種不平衡離心力作用在轉子軸承上會引起振動、產生噪聲和加速軸承磨損,以致嚴重影響產品的性能和壽命。對于旋轉設備的轉子存在不平衡量,根據平衡機檢測的數據對其進行校正,可改善轉子相對于軸線的質量分布,使轉子旋轉時產生的振動或作用于軸承上的振動力減少到允許的范圍之內。因此,平衡機是減小振動、改善性能和提高質量必不可少的設備。通常,轉子的動平衡包括不平衡量的檢測和校正兩個步驟,平衡機主要用于不平衡量的檢測,而不平衡量的校正則需要借助鉆床、銑床和電焊機等輔助設備,或用手工方法完成。由于轉子的種類非常多,對于不同類型的轉子,要綜合考慮其結構與平衡的特點,選取合適的校正裝置、修復方式與平衡方法。
        
        轉子進行動平衡校正前,首先應確定平衡面,一般將與轉子軸線垂直的平面作為平衡面。假設L為轉子的長度,D為轉子的外徑尺寸,那么:
        
       ?。?)對于長軸類的轉子,也就是長度L/外徑D>5,那么該類轉子平衡可稱為多面平衡、雙面平衡或動平衡,因為其校正是要選取兩個或兩個以上的平衡面;
        
       ?。?)對于薄盤類的轉子,也就是長度L/外徑D≤5,那么該類轉子平衡可稱為靜平衡或單面平衡,因為其校正只需選取一個平衡面就可以了;
        
       ?。?)對于曲軸類的轉子,平衡校正時應選用專門的曲軸動平衡機上進行修復;
        
       ?。?)對于振動大、初始不平衡量過多類的轉子,平衡校正時一般先對其進行單面靜平衡,然后再對其進行動平衡校正。
        
        轉子動平衡技術的方法
        
        轉子的不平衡力產生的主要原因為:
        
       ?。?)轉子制造時的原始不平衡量;
        
       ?。?)轉子長期運轉摩擦發熱造成的彎曲;
        
       ?。?)轉子運行時產生漸發性的不平衡量;
        
       ?。?)轉子受到外界的變化影響從而生產轉子彎曲。
        
        針對轉子的不平衡問題,通常采用離線動平衡校正方法和在線動平衡校正方法。前者通常將設備的轉子拆卸下來,然后送至平衡機上進行校正;后者與前者最大的區別就是轉子不用拆卸,而是直接在現場對其進行不平衡量修復。
        
        一 離線動平衡校正法
        
        轉子離線動平衡,又叫工藝動平衡。它是把待檢測轉子裝在平衡機上,將傳感器對準貼在轉子上的反射標簽,并將產生的信號反饋到平衡機上,技術人員通過平衡機上顯示的不平衡量大小與角度,對其進行適當的校正與修復。其主要過程為:
        
        首先,將旋轉設備停機并取出故障的轉子;接著把轉子送至動平衡機上并確定轉子軸承位;此時,固定好轉子、設置好參數并啟動平衡機;
        
        然后將待測轉子的周期性振動信號轉化成電感信號,測出轉子校正面對應的不平衡量與相位;最后通過去重或加重的方式加以校正與消除其不平衡量,從而達到安全生產的要求。
        
        總的來說,離線動平衡校正法是一種使轉子本身整體達到平衡的方法。
        
        二 在線動平衡校正法
        
        在線動平衡,又叫現場動平衡或整機動平衡,顧名思義就是在現場對設備在工作轉速下進行檢測并完成動平衡操作。在線動平衡是指不拆卸機組,在其正常運行情況下對轉子進行動平衡,使振動降低的方法。在線動平衡技術指的是通過對傳感器采集到轉子的振動信號,將其不平衡量、相位進行計算與分析,以及利用相關控制系統輸入量的變化來消除其不平衡量。具體是通過傳感器對轉子振動信號的檢測,以設備機座作為平衡機底座,轉子和軸承的振動為線性系統,引起的振動為線性疊加,將采集的振動信息進行處理,確定轉子各平衡校正面的不平衡量與角度,最后進行加重或去重的方法來消除不平衡量,從而達到校正的目的。所以說,在線動平衡校正方法具有避免因拆卸與安裝引起的誤差、減少不必要的人力、操作方便、易于自動化、確保機組安全有序地運行等優點。因此在線動平衡是消除設備振動的一項重要措施,同時這也是我國石化行業、機械設備等行業以后的發展趨勢。
        
        總的來說,在線與離線轉子動平衡都能夠對轉子進行不平衡量校正,兩者的校正精度都很高,修復后都符合安全生產的要求。因此,對一個轉子進行動平衡時,我們要結合實際對其效率、成本等方面進行綜合分析,判斷在線或離線動平衡哪個適合,然后選擇最恰當的方法進行操作。一方面可以大大提高效率;另一方面對轉子動平衡操作的精度也有幫助。但是,由于設備支承結構與轉子的多樣性,在線動平衡比離線動平衡復雜很多,加上在線要求在最短的時間內達到標準的動平衡效果,其難度很大。因此在線與離線動平衡的區別為:
        
       ?。?)兩者所使用的測試儀器不一樣;
        
       ?。?)在線動平衡能夠使用的校正面比離線的少;
        
       ?。?)在線動平衡操作時人數較多;
        
       ?。?)兩者的平衡標準不一樣;
        
       ?。?)兩者在經濟與時間要求不同。
        
        三 校正方式
        
        轉子的不平衡量校正方式包括轉子動平衡與轉子靜平衡兩種。對于不同類型的轉子,根據實際情況綜合考慮選取合適的校正方式。目前,轉子動平衡的主要校正方法為加重校正法與去重校正法。
        
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        對于轉子動平衡的加重校正法,其原理為通過轉子偏心量的反面配上恰當的質量塊,到達平衡的作用。加重法比去重法實用范圍更廣,具有優良的可操作性。具體實施步驟如下:測量不平衡量、調整平衡量、檢測調整后的剩余不平衡量、緊固平衡塊。其中,加重校正法主要分為:焊接與加螺絲、墊片兩種。
        
        a)焊接加重法,如圖1所示。

      石油化工大型旋轉機組轉子動平衡技術

        對于轉子葉輪、平衡盤等厚度比較薄,或者葉輪不適宜磨削,或者不平衡量較大時,應采用焊接的方法。但需要注意的是,焊接材料跟葉輪、平衡盤等要一致;焊接時不能造成轉子的損壞;一般焊接前要預先用膠泥進行配重。
        
        b)加螺絲、墊片加重法,如圖2、圖3所示。

      石油化工大型旋轉機組轉子動平衡技術石油化工大型旋轉機組轉子動平衡技術

        對于轉子葉輪不能進行加工時,且平衡盤有螺紋孔或者預留可以裝墊片的柱子,此時應采用加螺絲、墊片的方法。在轉子動平衡修復時,轉子加重校正法相對比較簡單、速度快、成本低等,所以在機械領域中應用廣泛。然而,轉子正常工作時,由于工作環境處在高溫、轉速高、磨損、腐蝕、周期長等影響因素,可能會出現轉子平衡塊變形、敲擊與掉落等結果。
        
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        對于轉子動平衡的去重校正法,其原理為通過轉子校正面上去掉多出的質量,達到平衡的作用。其中,去重校正法主要分為:磨削與鉆孔兩種。
        
        a)磨削去重法,如圖4所示。

      石油化工大型旋轉機組轉子動平衡技術

        對于轉子葉輪、聯軸器比較厚,且磨削對其結構不會有影響,平衡量不大時,應采用打磨機進行磨削的方法。但需要注意的是,若其直徑較大、厚度較厚時,打磨角度范圍在15°左右;若其直徑較小、厚度較薄時,打磨角度范圍在30°左右,確保減少打磨厚度保證轉子的結構強度不受破壞。
        
        b)鉆孔去重法,如圖5所示。

      石油化工大型旋轉機組轉子動平衡技術

        對于轉子的葉輪、對輪等無法進行磨削、加重,或其不平衡量較大時,應采用對其進行鉆孔。但注意的是,鉆孔前要先用較小的鉆頭定位;要確定材料的材質進行合理的選擇鉆頭;盡量選擇在其根部、厚度較厚處進行鉆。去重校正法,總體來說操作面廣、簡單、容易調整,有效達到平衡效果,節約了生產成本。但是,該方法對于厚度比較薄的轉子并不適用。

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