如何利用加速度计做转子动平衡?

第一步:传感器布置与信号选取(最关键的准备)

  • 测点位置:将加速度计刚性固定在靠近轴承中心的垂直(或水平)方向。务必使用磁座(吸力>50N)或强力胶,手扶绝对禁止

  • 信号类型:加速度计输出的原始信号是“加速度(g)”,但在动平衡中,必须将其二次积分转换为“位移(μm)”或一次积分转换为“速度(mm/s)”。国内大多数动平衡仪默认采用位移峰峰值(μm)作为平衡目标,因为这与转子弯曲应力的关联更直接。

第二步:采集原始振动(获取“原始影响”)

  1. 启动机组,将转速稳定在工作转速(如3000rpm)或临界转速之外的某个恒定转速(动平衡必须在恒速下进行)。

  2. 记录此时的振动幅值 A₀(单位:μm)和相位角 φ₀(需要键相传感器提供,若无键相,则需用频闪仪打标记)。

  3. 关键动作:将A₀和φ₀转化为矢量形式V0=A0ϕ0(即极坐标)。

第三步:加试重(获取“影响系数”)

这是整个流程中最容易出错的环节:

  1. 选择试重质量:经验公式为:试重(g) ≈ (转子质量(kg) × 振动幅值(μm)) / (半径(mm) × 系数)。对于刚性转子,通常取转子质量的0.5‰~1‰。宁轻勿重,以免损坏轴瓦。

  2. 安装位置:将试重固定在转子上预先划好的等分圆周(如0°、90°、180°、270°标记)上的某个已知角度(定义为 θ_T,通常设为0°)。

  3. 再次启动:升速至完全相同的工作转速,记录此时的振动矢量 V1=A1ϕ1

第四步:计算影响系数与配重(数学核心)

这一步可由动平衡仪自动计算,但工程师必须理解其物理意义,否则极易算错相位补偿。

  1. 影响系数 K 的计算:

    K=V1V0WT

    其中 WT 是试重矢量(质量克数 ∠ 安装角度)。K 表示“每克试重能引起多大的振动变化”。

  2. 目标配重 WC 的计算:
    要消除振动,我们需要施加一个配重,使其引起的振动变化恰好抵消原始振动:

    WC=V0K

第五步:关键“坑点”与相位补偿(实战经验)

在计算出理论配重后,现场有两个致命陷阱必须手动处理:

  • 陷阱一:滞后角(相位延迟)
    由于转子在临界转速以下运行时,重点(不平衡质量) 与 高点(振动最大位置) 存在相位差(即滞后角,通常为0°~90°)。
    对策:如果你的键相传感器和加速度计位置相差90°安装,计算出的配重角度必须加上或减去这个滞后角。最简单的办法:不要在理论计算上纠结,直接用动平衡仪的“试重法”功能,仪器会自动反向推算,无需人工补偿。

  • 陷阱二:加速度计的“倒相”现象
    当测点位于轴承正上方(垂直方向)时,若加速度计安装方向反向(线缆朝上或朝下),输出的相位会相差180°
    对策务必统一安装方向,并在仪器内设定“传感器灵敏度极性为正”。若不确认,建议在轴颈上贴反光纸,用频闪仪实测高点位置来验证计算角度。

第六步:最终配重与验证

  1. 按照计算出的 WC(角度和质量),在转子上对称或指定位置焊接或紧固配重块。

  2. 拆除试重(非常重要!试重若未取掉,配重会叠加出错)。

  3. 第三次启动机组,测量残余振动 V2

  4. 合格标准:对于3000rpm汽轮机,残余振动位移通常要求 。若仍超标,则需进行双面动平衡(即在两个平面上分别加试重,计算两个配重,原理相同,但需解二元一次方程组)。

最后,一个99%的工程师都会忽略的“红线”

千万不要试图用加速度计去平衡柔性转子(如大型汽轮机低压转子)!
因为加速度计测的是轴承座振动,而柔性转子在过临界时,轴颈与轴承座的振动相位关系会发生180°翻转。此时,如果单纯用加速度计数据做平衡,很可能导致“越加越振”,甚至损坏轴瓦。对于柔性转子,必须采用电涡流位移传感器轴振,并按厂家给出的柔性转子模态平衡法操作。