动平衡机的工作原理

平衡机是测量旋转物体(转子)不平衡量大小和位置的机器。

任何转子在围绕其轴线旋转时，由于相对于轴线的质量分布不均匀而产生离心力。这种不平衡离心力作用在转子轴承上会引起振动，产生噪声和加速轴承磨损，以致严重影响产品的性能和寿命。电机转子、机床主轴、内燃机曲轴、汽轮机转子、陀螺转子和钟表摆轮等旋转零部件在制造过程中，都需要经过平衡才能平稳正常地运转。

根据平衡机测出的数据对转子的不平衡量进行校正，可改善转子相对于轴线的质量分布，使转子旋转时产生的振动或作用于轴承上的振动力减少到允许的范围之内。因此，平衡机是减小振动、改善性能和提高质量的必不可少的设备。通常，转子的平衡包括不平衡量的测量和校正两个步骤，平衡机主要用于不平衡量的测量，而不平衡量的校正则往往借助于钻床、铣床和点焊机等其他辅助设备，或用手工方法完成。有些平衡机已将校正装置做成平衡机的一个部分，比如宣化正力单面立式带钻床系列。

重力式平衡机和离心力式平衡机是两类典型的平衡机。重力式平衡机一般称为静平衡机。它是依赖转子自身的重力作用来测量静不平衡的。 

如右图，置于两根水平导轨上的转子如有不平衡量，则它对轴线的重力矩使转子在导轨上滚动，直至这个不平衡量处于最低位置时才静止。

被平衡的转子放在用静压轴承支承的支座上，在支座的下面嵌装一片反射镜。当转子不存在不平衡量时，由光源射出的光束经此反射镜反射后，投射在不平衡量指示器的极坐标原点。如果转子存在不平衡量，则转子支座在不平衡量的重力矩作用下发生倾斜，支座下的反射镜也随之倾斜并使反射出的光束偏转，这样光束投在极坐标指示器上的光点便离开原点。根据这个光点偏转的坐标位置，可以得到不平衡量的大小和位置。

重力式平衡机仅适用于某些平衡要求不高的盘状零件。对于平衡要求高的转子，一般采用离心式单面或双面平衡机。离心式平衡机是在转子旋转的状态下，根据转子不平衡引起的支承振动，或作用于支承的振动力来测量不平衡。其按校正平面数量的不同，可分为单面平衡机和双面平衡机。单面平衡机只能测量一个平面上的不平衡(静不平衡)，它虽然是在转子旋转时进行测量，但仍属于静平衡机。双面平衡机能测量动不平衡，也能分别测量静不平衡和偶不平衡，一般称为动平衡机。

离心力式平衡机按支承特性不同，又可分为软支承平衡机和硬支承平衡机。平衡转速高于转子一支承系统固有频率的称为软支承平衡机。这种平衡机的支承刚度小，传感器检测出的信号与支承的振动位移成正比。平衡转速低於转子一支承系统固有频率的称为硬支承平衡机，这种平衡机的支承刚度大，传感器检测出的信号与支承的振动力成正比。

平衡机的主要性能用最小可达剩余不平衡量，和不平衡量减少率两项综合指标表示。前者是平衡机能使转子达到的剩余不平衡量的最小值，它是衡量平衡机最高平衡能力的指标；后者是经过一次校正后所减少的不平衡量与初始不平衡量之比，它是衡量平衡效率的指标，一般用百分数表示。

在现代机械中，由于挠性转子的广泛应用，人们研制出了挠性转子平衡机。这类平衡机必须在转子工作转速范围内进行无级调速；除能测量支承的振动或振动力外，还能测量转子的挠曲变形。挠性转子平衡机有时安装在真空防护室内，以适合汽轮机之类转子的平衡，它配备有抽真空系统、润滑系统、润滑油除气系统和数据处理用计算机系统等庞大的辅助设备。

根据大批量生产的需要，对特定的转子能自动完成平衡测量和平衡校正的自动平衡机，以及平衡自动线，现代已大量的装备在汽车制造、电机制造等工业部门。

　　常用机械中包含着大量的作旋转运动的零部件，例如各种传动轴、主轴、电动机和汽轮机的转子等，统称为回转体。在理想的情况下回转体旋转时与不旋转时，对轴承产生的压力是一样的，这样的回转体是平衡的回转体。但工程中的各种回转体，由于材质不均匀或毛坯缺陷、加工及装配中产生的误差，甚至设计时就具有非对称的几何形状等多种因素，使得回转体在旋转时，其上每个微小质点产生的离心惯性力不能相互抵消，离心惯性力通过轴承作用到机械及其基础上，引起振动，产生了噪音，加速轴承磨损，缩短了机械寿命，严重时能造成破坏性事故。为此，必须对转子进行平衡，使其达到允许的平衡精度等级，或使因此产生的机械振动幅度降在允许的范围内。转子动平衡和静平衡的区别

　　1、定义

　　1）静平衡

　　在转子一个校正面上进行校正平衡，校正后的剩余不平衡量，以保证转子在静态时是在许用不平衡量的规定范围内，为静平衡又称单面平衡。

　　2）动平衡 （Dynamic Balancing ）

　　在转子两个校正面上同时进行校正平衡，校正后的剩余不平衡量，以保证转子在动态时是在许用不平衡量的规定范围内，为动平衡又称双面平衡。

　　2、转子平衡的选择与确定

　　如何选择转子的平衡方式，是一个关键问题。其选择有这样一个原则：只要满足于转子平衡后用途需要的前提下，能做静平衡的，则不要做动平衡，能做动平衡的，则不要做静动平衡。原因很简单，静平衡要比动平衡容易做，省功、省力、省费用。

    现在，各类机器所使用的平衡方法较多，例如单面平衡(亦称静平衡[1])常使用平衡架，双面平衡(亦称动平衡)使用各类动平衡试验机。静平衡精度太低，平衡时间长；动平衡试验机虽能较好地对转子本身进行平衡，但是对于转子尺寸相差较大时，往往需要不同规格尺寸的动平衡机，而且试验时仍需将转子从机器上拆下来，这样明显是既不经济，也十分费工(如大修后的汽轮机转子)。特别是动平衡机无法消除由于装配或其它随动元件引发的系统振动。使转子在正常安装与运转条件下进行平衡通常称为“现场平衡”。现场平衡不但可以减少拆装转子的劳动量，不再需要动平衡机；同时由于试验的状态与实际工作状态二致，有利于提高测算不平衡量的精度，降低系统振动。国际标准ISOl940一1973(E)“刚体旋转体的平衡精度”中规定，要求平衡精度为G0.4的精密转子，必须使用现场平衡，否则平衡毫无意义。

　　近代动平衡技术是在本世纪初随着蒸汽透平的出现而发展起来的。随着工业生产的飞速发展，旋转机械逐步向精密化、大型化、高速化方向发展，使机械振动问题越来越突出。机械的剧烈振动对机器本身及其周围环境都会带来一系列危害。虽然产生振动的原因多种多样，但普遍认为“不平衡力”是主要原因。据统计，有50%左右的机械振动是由不平衡力引起的。因此，有必要改变旋转机械运动部分的质量，减小不平衡力，即对转子进行平衡。

　　造成转子不平衡的因素很多，例如：转子材质的不均匀性，联轴器的不平衡、键槽不对称，转子加工误差，转子在运动过程中产生的腐蚀、磨损及热变形等。这些因素造成的不平衡量一般都是随机的，无法进行计算，需要通过重力试验（静平衡）和旋转试验（动平衡）来测定和校正，使它降低到允许的范围内。应用最广的平衡方法是工艺平衡法和整机现场动平衡法。作为整机现场动平衡技术的一个重要分支，在线动平衡技术也正处于蓬勃发展之中，很有前途。由于工艺平衡法是起步最早的一种经典动平衡方法。

    整机现场动平衡技术是为了解决工艺平衡技术中存在的问题而提出的。

　　工艺平衡法的测试系统所受干扰小，平衡精度高，效率高，特别适于对生产过程中的旋转机械零件作单体平衡，目前在动平衡领域中发挥着相当重要的作用，汽轮机、航空发动机普遍采用这种平衡方法。但是，工艺平衡法仍存在以下问题：

　　(1)平衡时的转速和工作转速不一致，造成平衡精度下降。例如：有不少转子属于二阶临界转速的扰性转子，由于平衡机本身转速有限，这些转子若采用工艺平衡，则无法有效的防止转子在高速下发生变形而造成的不平衡。

　　(2)平衡机（特别是高速立式平衡机）价格昂贵。

　　(3)在动平衡机上平衡好的转子，装机后其平衡精度难以保证。因为动平衡时的支承条件不同于转子在实际工作条件下的支承条件，且转子同平衡装置之间的配合也不同于转子与其自身转轴之间的配合条件，即使出厂前已在动平衡机上达到高精度平衡的转子，经过运输、再装配等过程，平衡精度在使用前难免有所下降，当处于工作转速下运转时，仍可能产生不允许的振动。

　　(4)有些转子，由于受到尺寸和重量上的限制，很难甚至无法在平衡机上平衡。例如：对于大型发电机及透平一类的特大转子，由于没有相应的特大平衡装置，往往会造成无法平衡；对于大型的高温汽轮机转子，一般易发生弹性热翘曲，停机后会自动消失，这类转子需进行热动态平衡，用平衡机显然是无法平衡的。

　　(5) 转子要拆下来才能进行动平衡，停机时间长、平衡速度慢、经济损失大。

　　为了克服上述工艺平衡法的缺点，人们提出了整机现场动平衡法。

    将组装完毕的旋转机械在现场安装状态下进行的平衡操作称为整体现场平衡。这种方法是机器作为动平衡机座，通过传感器测的转子有关部位的振动信息，进行数据处理，以确定在转子各平衡校正面上的不平衡及其方位，并通过去重或加重来消除不平衡量，从而达到高精度平衡的目的。

　　有于整机现场动平衡是直接接在整机上进行，不需要动平衡机，只需要一套价格低廉的测试系统，因而较为经济。此外，由于转子在实际工况条件下进行平衡，不需要再装配等工序，整机在工作状态下就可获得较高的平衡精度。

　　砂轮在线动平衡的意义

　　磨床是精密机械加工必不可少的工作母机，为了适应日趋精密的工作精度需求及不断追求的高效率和低成本的目标，全球的磨床制造业都在不懈地致力于:提高机床的几何精度，刚性和性能稳定性。

　　众所周知，砂轮是磨床的必要工具。想要让砂轮磨削出准确的尺寸和光洁的表面，必须防止磨削过程中的振动。砂轮的结构是由分布不均的大量颗粒组成，先天的不平衡无法避免，这必然会引起一定的偏心振动。而砂轮安装的偏心度、砂轮的厚度不均、主轴的不平衡及砂轮对冷却液的吸附等，会使振动更加增大。这些振动不仅仅影响到磨床的加工质量，还会降低磨床的主轴寿命、砂轮寿命，增加砂轮修正次数及修整金刚石的消耗等。

　　磨床砂轮在在线动平衡校正的应用为现代研磨工艺不可或缺的重要工程,当磨床内外环境振动较好的时候,经在在线动平衡校正后的砂轮残余振动量,会比一般传统手动静平衡效果再优化一个数量级,以峰到峰值(Peak to Peak)的量测基准来评比,当静平衡后为3μm时,动平衡可达0.3μm,综合在线动平衡校正作业的优势,研磨加工业者可获得以下的经济利益:

　　‧可大幅改善被研磨工件的真圆度、圆筒度和面粗度;

　　‧可延长被研磨工件寿命、减少研磨烧伤裂损现象,并控制其低频工作噪音;

　　‧提高研磨加工精密度、稳定性和批量一致性(CP值);

　　‧可延长传统砂轮和金刚石砂轮修整装置寿命;

　　‧可确保磨床主轴与轴承寿命,延长磨床维修间隔,降低磨床维修成本。