自动化高速动平衡机生产技术应用现状分析

第一节 自动化高速动平衡机产品分类

1、从测量原理上划分，可分为两大类：

1）硬支承动平衡机

动平衡机具有平衡转速低于转子支承系统的固有频率，可在低转速下平衡，操作简单方便、安全性能好的特点。

2）软支承动平衡机

具有平衡转速高于转子支承系统的固有频率，受外界振动信号影响小、测量精度高、适用于大批量生产的特点。

2、从应用方面划分，可分为两大类：

1）卧式和立式动平衡机

（1）卧式动平衡机

是指被平衡转子的旋转轴线在平衡机上呈水平状态的平衡机，一般具有旋转轴或方便装配工艺轴的转子，如电机转子、风轮、风叶、滚筒、胶辊、轴类、印刷机械等都适用于卧式动平衡机。

（2）立式动平衡机

是指被平衡转子的旋转轴线在平衡机上呈铅垂状态下的平衡机，一般没有旋转轴的盘状工件，如风扇风叶、水泵叶轮、油烟机风轮、飞轮、砂轮、锯片、卡盘、制动器等都适用于立式动平衡机。

2）通用动平衡机和专用动平衡机

（1）通用动平衡机

是在规定的转子重量和转速范围内，能平衡多种转子的动平衡机。

（2）专用动平衡机

是针对某一类型转子专门设计制造的动平衡机。

第二节 国内自动化高速动平衡机生产技术应用现状

一、变频器控制技术在平衡机中的应用

近十多年来，随着电力技术，微电子技术及现代控制技术发展，变频器已经广泛地应用于交流电动机的速度控制。其中最主要的特点是，具有高效率的驱动性能和良好的控制特性。变频器以调速精度高，响应速度快、保护功能完善、过载能力强、维护方便及节能显著等优点，赢得广大用户的信赖。在机械 行业 ，变频器应用改造传统产业，实现机电一体化的重要手段。在工厂自动化技术中，交流伺服系统正在取代直流伺服系统。在电器 行业 中变频器应用技术，有效地提高了经济效益和产品质量，同时也减少机械振动和噪声。

平衡机在国内从70年代开始 研究 开发，多年来，人们一直以一些大型平衡机机械系统的变速机构复杂，旋转时启动停车时间比较长，工作效率少，操作繁琐，而且机器庞大。所以为了减少平衡机变速机构，进一步提高平衡机工作效率及使用性能，采用变频器，调速、制动刹车等功能，使机械系统变得更加简单，操作方便。

系统构成及工作原理：系统主要由电动机，机械振动系统、控制系统（变频器）、电测箱等组成。
系统通过变频器调节电机转速达到工件所需平衡转速，根据交流电机转速特性，，在电机选定之后P、S为定值，电机转速n与电源频率f成正比，通过变频器改变电机驱动电源频率，来实现对电机的变频进行无级调速。由于变频功能齐全，停车时可通过变频器设定停车时间，使电机立即停车。

电机旋转时通过传动带带动平衡机主轴，主轴与工件相连一起旋转，由于工件本身不平衡，旋转产生振动通过传感器将机械信号转换成电讯号，输入电测箱，经电测箱运算处理后，再由显示器显示工件不平衡量的大小和相位。3变频器主要参数设定3.1频率上限下限设定：本文以Panasonc变频器为例，最高频率为120Hz，最低0Hz。

为了适用不同工件平衡转速，只有通过调整电机转速，达到工件要求。通常设定50-100Hz，即电机最高转速限制在4450rpm以内，以防工件平衡时转速太高，造成平衡机系统某些部件损坏等问题，甚至造成破坏事故。

系统设定最低频率为28Hz，即平衡机启动时频率可迅速上升到28Hz，电机转速线性增加到对应的转速。同时避免因频率过低，启动时间过长，启动转矩不足，启动电流过大，损坏电机。

二、汽车发电机转子动平衡自动去重设计

随着汽车发电机转子转速的提高，对转子不平衡的控制要求越来越严格，因此，转子的动平衡越来越受到发电机生产单位和发动机主机生产单位的重视。

对汽车发电机转子的动平衡，目前普遍还是采用手工动平衡的方法，这种方法有如下缺点：

1、效率低。由于操作员凭经验操作，因而往往一台转子动平衡要反复多次；

2、精度差。由于加工中人的因素，因而平衡品质不可避免地会受人的情绪等影响；

3、操作员劳动强度大。

因此，在大规模生产中手工动平衡方法必然被机器自动加工所代替，目前，国内只有一些条件较好的发电机生产单位配备了相关设备，其中有国内科研单位开发生产的，也有引进的，但它们各自存在不足。从引进设备来讲，虽然其技术比较先进，性能较好，但存在成本较高、维护困难和不太适合中国国情等缺点。就国产设备来讲，也主要存在测试稳定性不够、调整操作复杂和机械系统设计自动化程度低等不足。

三、柔性转子全息现场动平衡技术及其应用

柔性转子全息现场动平衡技术是涉及旋转机械振动与控制领域的现场动平衡技术。它适用于对电力、石化、化工等 行业 中大型回转设备的失衡问题进行识别、平衡和平衡过程模拟。

大型回转机械是工业生产中的重大关键设备，其事故停车将造成重大经济损失。柔性转子动平衡历来是电力、石化、化工等国民经济支柱产业中的一项关键技术。大量统计数据表明：近50%的事故停车是由于转子失衡引起。转子的不平衡通常是引起回转机械振动的主要原因，不平衡会引起转子的挠曲和内应力，使机器振动加剧，加速轴承和轴封等零件的磨损，降低机器的工作效率，严重时会引起各种事故。不平衡不仅是旋转机械主要的激振源，也是多种自激振动的诱发因素，一旦平衡状况得以改善，一些故障现象也随之消失。因此，转子动平衡技术一直是现代工业中的关键技术。自20世纪50年代以来，国内外发展了一系列动平衡技术和设备，为保障大型回转机械的稳定运行起到了积极作用。近年来，随着大型回转机械向高速、高效方向发展，对转子动平衡技术也提出了更高要求。

目前，大型高速转子，特别是大型离心式压缩机，通常是在制造厂家的动平衡机上平衡，与现场工况差异较大，平衡精度往往不易得到保证。现代工业中的大型回转机械整个机组由多个转子组成。对于多个挠性转子组成的轴系，即使各个转子在制造后经过高速动平衡，在装配成轴系或大修后，其平衡状态也会发生变化。而且离线动平衡的周期相当长，为了进行高速动平衡，不得不将转子取出，长途运输到生产厂家。现场的实际工况与动平衡机上存在较大差异，无论是支承状况的变化、外来的激励、机组热变形和内应力的变化都是动平衡机所无法全面考虑到的，而这些因素恰恰影响着转子的不平衡响应。因此，用现场动平衡代替离线平衡已是一个明确的发展方向。近年，国外生产的离心压缩机，在透平与低压缸的半联轴节附近设计有专用的平衡面，在结构上提供了不揭盖，在现场进行单面动平衡的便利。所以， 研究 可以实现精确平衡的现场动平衡技术，提高现场动平衡效率，具有重大经济效益，是当代工业提出的新要求。

课题组于1988年提出和公开了用于回转机械振动诊断的全息谱原理和技术。它有效集成了转子的幅频相信息，提高了对回转机械故障的识别能力。1993年后，又在此基础上，将该理论与转子现场动平衡技术相结合，形成全息动平衡理论和技术。它将当代的前沿信息和计算机技术引入到大型转子动平衡中，在转子振动信息的收集、信息的集成融合以及综合利用方面具有独特优势。全息动平衡理论和技术旨在确诊机组的各类转频故障，降低对专家的经验要求，提高动平衡精度，减少动平衡的起车次数。这一技术的应用将提高电力、石化、化工等 行业 大型回转设备的利用率，缩短动平衡时间。

全息谱理论和技术为全息动平衡技术的建立奠定了理论基础。全息谱方法将多传感器信息进行集成与融合成多维信息，使各单独传感器信息之间的内在联系被充分利用，不平衡振动信息的特征更为突出、明显。从而能够从更深层次揭示转子振动的全貌，提高平衡的效率和精度。

该项目基于课题组独创的全息谱理论，用全息谱集成和融合转子或轴系的全部振动信息，准确判断机组的主导故障，评定转子失衡的状态和失重的影响，确定平衡配重的大小和方位。其本质是将信息融合技术与柔性转子动平衡技术充分结合，简化平衡操作，提高平衡精度和效率，从理论和实践的结合上，实现柔性转子现场动平衡技术的新突破。该项目从全息谱理论、全息动平衡原理，到全息动平衡技术皆为课题组独创，具有自主知识产权。

其主要内容如下：

1、基于全息谱理论，首次阐明了转子平衡过程在全息谱上的表现：转频椭圆上初相点的行为和作用；提出了移相椭圆的概念和利用移相椭圆预测平衡效果的技术，获得了“转子全息动平衡方法”的国家发明专利（ZL97108694.X）。

2、对非对称转子的全息动平衡，提出了测点模态比的概念和四种确定方法。进而可在任意非临界转速下求解转子的平衡配重，以一次试重起车实现转子两阶模态的平衡。获得了“非对称转子的全息动平衡方法”的国家发明专利（ZL00113755.7）。

3、发明了多转子、多支承轴系的全息动平衡技术。包括用N个平衡面平衡N＋1个支承处振动的策略；计算机模拟和微调代替常规多次起停车；以及用遗传算法优化配重；设计了全息现场动平衡的虚拟仪器。获得了“柔性转子轴系全息动平衡方法”的国家发明专利（ZL02114673.X）。

该项目的创新要点如下：

1、首创用全息谱技术识别和诊断机组的故障，确诊失衡是主导故障，消除现有平衡操作的盲目性。

2、用二维、三维全息谱集成和融合双向传感器提供的振动信息，消除了转子支承系统刚度不对称性的影响和用单向传感器进行现场动平衡所带来的相位误差。

3、首次阐明了转子平衡过程在全息谱上的表现：转频椭圆上初相点的行为和作用，它与转子失衡质量分布间的对应关系；提出了移相椭圆的概念和利用移相椭圆预测平衡效果的技术。

4、发明三维全息谱分解技术，将原始振动分解为静力失衡与力偶失衡两种响应，达到在一次试重起车中两个平衡面同时加重，在任意非临界转速下实现两阶模态的平衡。

5、提出测点模态比的概念及其四种确定方法。利用测点模态比和全息谱分解技术，以一次试重起车，在任意非临界转速下，实现非对称转子（如悬臂转子）两阶模态的平衡。

6、发明了多转子、多支承轴系平衡新技术。包括：①平衡支承的对偶性；②原始振动椭圆与配重椭圆的初相点互成镜面对称的平衡原则；③用遗传算法逐次优化配重的大小和方位。

7、在现场动平衡领域中采用计算机动态模拟、微调技术，直观显示平衡效果，以获得最佳可行的平衡方案，代替了现场多次起停车操作。采用虚拟仪器的形式，研制和开发了商品化的全息现场动平衡仪器。
该项目采用上述技术，在计算机上准确确定配重质量及方位，最大限度地减少现场机组起停车次数，缩短动平衡停车时间，提高转子或轴系的平衡质量。与现有的离线动平衡技术相比，全息现场动平衡技术动平衡过程时间短，能源消耗少，价格低廉，平衡精度高。

从1991年开始，该项目在10余年 研究 过程中，先后在中石化长岭炼油厂、贵州赤天化有限公司、云天化集团有限公司、中原油田炼油化工总厂、上海高桥石化公司上海炼油厂、新疆克拉玛依炼油厂、渭河化肥厂、渭河发电厂、陕西省蒲城电厂、河南电力试验 研究 所等单位应用及现场试验验证。应用过程中正确识别判断机组不平衡故障，准确提供不平衡数据，取得了巨大的经济效益。并逐步在全国石化、电力、核能、化工等 行业 推广，受到国内外同行的高度重视。

全息动平衡原理和技术将当代前沿技术，特别是信息技术和计算机技术引入大型高速转子动平衡领域中，以全新角度构造转子动平衡技术，建立了柔性转子全息动平衡理论，实现了动平衡理论方法的新突破。从工程实用角度出发，将信息融合技术与柔性转子动平衡技术充分结合， 研究 出一种新的动平衡技术，简化了平衡操作，提高了平衡的精度和效率，推动了传统的机械动平衡技术的进步。

第三节 国外自动化高速动平衡机生产技术应用现状

一、美国

自动化高速动平衡机主要应用于汽车制造和电机生产中，而美国又是这两个产业的制造大国，故对动平衡机的需求也相当可观。2008年，美国汽车产量为868.1万辆,同比减少19.3%,位居世界第三。由于2008年经济危机的影响和制造业像第三世界国家转移的趋势，美国市场的恢复还需一段时间观察，预计市场表现不及新兴发展中国家火热。

二、日本

日本国际计测器株式会社在1994年与孝感试验机厂组建合资公司，孝感松林国际计测器有限公司。公司生产的动平衡器已广泛应用于航天、航空、汽车制造、内燃机、列车机车、摩托车、电机、风机、水泵、农业机械、造纸机械、轻工机械、家用电器等许多领域。

三、欧盟

德国卡尔-申克股份有限公司是引领欧洲乃至世界的工业动平衡机制造技术的著名企业，公司生产的动平衡设备从卧式、立式、半自动到自动平衡机以及专用于工具、汽车摩托车曲轴、传动轴、高速纺机等特殊平衡机，覆盖汽车、电气、航天航空、涡轮机、通用机械等 行业 。

第四节 我国自动化高速动平衡机技术应用成熟度 分析

我国自动化高速动平衡机还处在技术研发阶段，目前该产品技术主要被德国、日本等的几家公司所掌握。我国相关科研单位及企业正在加紧对产品技术的开发，目前所掌握与开发出的技术与国外先进水平存在很大差距，因此，我国自动化高速动平衡机技术应用并不成熟。

第五节 不同生产工艺优缺点比较 分析

我国的平衡机是以二十世纪五十年代的火花式平衡机为起点逐步发展起来的。目前在机械支承座的设计方面：不仅从谐振式结构、软支承结构发展到硬支承结构，还研制成功具有各向同性变刚度支承座的80t和200t高速平衡机，在装备了我国电站设备工业的同时，也在国外市场上争得了良好声誉；在电测仪方面：经历了真空管，半导体分立元件，集成电路元件和大规模集成电路元件等几个发展阶段后，目前已应用电子计算机技术开发研制成功电脑平衡电测仪，使平衡机的技术水平得以不断提升；在传感器方面：我们不仅研制出不同灵敏度的磁电式传感器、压电式力传感器，而且一种新型的传感器正在设计开发中。
 

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