离心风机基础理论与静平衡设备深度解析

作者：王军（139-7298-9387）

关键词：离心风机、转子平衡、静平衡、动平衡、平衡机、许用不平衡量、平衡精度

引言

在工业通风、物料输送、气体处理等诸多领域，离心风机作为核心动力设备，其运行的稳定性、可靠性与能耗水平直接关系到整个系统的性能与经济效益。作为一名风机技术从业者，深刻理解其基础原理并掌握关键部件的制造与维护技术至关重要。在风机的诸多技术环节中，转子的平衡校正，尤其是作为基础环节的静平衡，是保证风机平稳、低振动、长寿命运行的首要前提。本文将系统性地阐述离心风机的基础工作原理，并重点对静平衡设备及其应用进行深入的解析与说明。

第一章 离心风机基础工作原理

离心风机，顾名思义，其工作原理主要依赖于离心力。当风机叶轮被驱动旋转时，充满在叶轮流道中的气体介质随叶轮一起旋转，并在离心力的作用下被加速甩离叶轮中心，沿蜗壳形机壳向出口方向运动。

1.1 基本结构
一台典型的离心风机主要由以下几部分组成：

进风口： 保证气体能均匀地、阻力损失最小地流入叶轮。 叶轮（转子）： 风机的核心做功部件，由前盘、后盘、叶片以及轮毂组成。其结构形式（如叶片出口角、前向、径向或后向）决定了风机的主要性能特性。 机壳（蜗壳）： 收集从叶轮中甩出的气体，并将其动能部分转化为静压能，最后引导至出口。 传动组： 包括主轴、轴承箱、轴承、联轴器或皮带轮等，用于传递动力，支撑叶轮旋转。 驱动装置： 通常是电动机。

1.2 核心理论简述与性能参数
风机的工作过程实质上是将机械能传递给气体，转化为气体动能和压力能的过程。其核心性能参数包括：

风量（Q）： 单位时间内风机输送的气体体积，单位为立方米每秒 (m³/s) 或立方米每小时 (m³/h)。 风压（P）： 气体流经风机后所获得的能量增值，分为全压（Pt）、静压（Ps）和动压（Pd）。单位通常为帕斯卡（Pa）或千帕（kPa）。三者关系为：全压 等于 静压 加 动压。 功率：
有效功率（Pe）： 单位时间内气体从风机中获得的总能量。计算公式为：有效功率 等于 风量 乘以 全压。 轴功率（Psh）： 单位时间内由原动机传递到风机主轴上的功率。其值大于有效功率。
效率（η）： 有效功率与轴功率之比，是衡量风机能量转换效能的关键指标。计算公式为：效率 等于 （有效功率 除以 轴功率） 乘以 百分之百。

风机的性能曲线（风量-风压曲线、风量-功率曲线、风量-效率曲线）形象地描述了这些参数间的相互关系，是风机选型和运行的依据。

第二章 转子不平衡的成因、类型与危害

2.1 不平衡的成因
风机转子（主要是叶轮）在制造和运行过程中，不可避免地会存在质量分布不均匀的情况，导致其中心主惯性轴与旋转轴线不重合，这种现象称为“不平衡”。其主要原因包括：

设计原因： 结构不对称。 制造原因： 材料密度不均（如铸件有砂眼、气孔）、毛坯余量不均、加工误差（如键槽、孔位偏差）、装配误差（如叶片安装角、重量不一致）、焊接变形等。 运行原因： 介质磨损或粘附导致叶片质量改变（如除尘风机叶轮粘灰）、高温热变形、零部件松动等。

2.2 不平衡的类型

静不平衡： 转子的重心不在其旋转轴线上。如果将转子自由地支撑在水平刀刃导轨上，它会在自身重力的作用下转动，直到重心位于最低点。这种不平衡在静态下即可检测出来。 偶不平衡： 转子的重心在其旋转轴线上，但中心主惯性轴与旋转轴线呈一角度交叉。其特点是转子在静平衡架上可以保持平衡，但一旦旋转起来就会产生一个力偶，引起两端支撑的反相振动。静平衡无法检测和校正此种不平衡。 动不平衡： 实际转子中最普遍存在的不平衡形式，是静不平衡和偶不平衡的综合体现。即重心不在轴线上，主惯性轴也与轴线交叉。它同时产生离心力和力偶矩。

2.3 不平衡的危害
转子不平衡是风机振动最主要的激振源，其危害极大：

加剧振动与噪音： 导致风机本体及相连管道剧烈振动，产生高分贝噪音，恶化工作环境。 降低性能与效率： 振动会破坏流场的稳定性，增加附加能量损失，导致风机效率下降。 缩短机械寿命： 振动会加速轴承、密封、联轴器等部件的磨损和疲劳，导致其过早损坏。长期振动还会引起基础松动、地脚螺栓断裂等严重问题。 引发安全事故： 极端情况下，剧烈的共振可能导致转子或整个机组损坏，甚至造成停机停产等生产事故。

因此，对风机转子进行精确的平衡校正，是风机生产制造和维修保养中不可或缺的关键工序。

第三章 静平衡技术与设备解析

平衡校正分为静平衡和动平衡两类。对于盘状转子（其直径D与宽度L之比，D/L ≥ 5），通常只需进行静平衡即可满足要求。大部分离心风机的叶轮都属于此类。

3.1 静平衡原理
静平衡的目的是消除静不平衡，使转子的重心回归到其旋转轴线上。其原理是基于力矩平衡：在转子不平衡质量产生的“偏重”侧的反方向（或称“轻侧”）添加配重质量，或在“偏重”侧去除质量，使得添加或去除质量产生的离心力与原有不平衡质量产生的离心力大小相等、方向相反，从而相互抵消。

计算公式为：
不平衡量 乘以 半径 等于 校正质量 乘以 校正半径
即：U = m · r
其中，U为不平衡量（常用单位：克·毫米 g·mm），m为校正质量（克 g），r为校正半径（毫米 mm）。此公式是平衡计算的核心。

3.2 主要静平衡设备及工作解析
静平衡通常在专用的静平衡架上进行。以下是几种常见类型的深度解析：

1. 圆刃式静平衡架

结构与组成： 这是最经典、最常见的静平衡设备。主要由两根相互平行、经过淬火硬化并精磨的钢制刀口导轨（刃口）和两个支撑座组成。两根导轨的安装水平度和平行度要求极高，以确保精度。 工作过程：
准备： 将平衡架调至水平。将待平衡转子的轴颈或心轴（对于无轴转子）擦拭干净，无毛刺、油污。 放置： 轻轻地将转子轴颈置于导轨上。 寻找偏重： 由于静不平衡，转子会自行滚动。待其静止后，其重心必然位于正下方。此时，正上方的那一点即为“轻点”，与之对称的正下方即为“重点”。 试重： 在“轻点”所在的半径上某处（预先做好的试重圈）临时添加一小块橡皮泥或磁铁作为试重质量。 验证： 再次轻轻转动转子，观察其是否能在任意位置停下。如果仍会转动至固定位置，说明试重不足或过量，需调整试重质量的大小或位置。 校正： 当转子达到“随遇平衡”（可在任意角度停留）时，记下试重质量的大小和位置。根据公式，在试重位置焊接平衡块，或在其对称位置（重点侧）钻孔去除等量材料。 复检： 取下试重，进行最终平衡验证。
优点： 结构简单、成本低、直观易懂。 缺点： 精度受轴颈和导轨表面光洁度、摩擦力影响较大；对于重量较大的转子，刀口易产生压痕而失准；人工操作，效率和精度依赖于操作者经验。

2. 滚柱式静平衡架

结构与组成： 用一对经过精磨的滚柱轴承替代了刀口导轨。转子轴颈支撑在滚柱上。 工作过程： 与圆刃式类似。 优点： 摩擦力更小，对轴颈的损伤小，更适合较重转子的平衡。 缺点： 滚柱自身可能存在跳动误差，对安装精度要求高。

3. 球面或盘式静平衡架

结构： 支撑件为球面或圆盘。 应用： 主要用于不具备圆柱轴颈的盘状零件，如砂轮、小型叶轮等。将零件的心轴直接置于球面或盘式支撑上。 特点： 适用性特殊，但通用性和精度一般。

4. 电子式静平衡仪

结构与组成： 这是现代工业中更高精度的选择。它通常由一个高精度传感器（测量转子停摆位置或微小振动）、一个数据采集单元和一个显示控制单元组成。 工作过程：
将转子置于平衡仪支架上。 手动轻轻转动转子，传感器会自动检测并记录其停止后的角度位置。 仪器通过算法计算不平衡量的大小和相位角（“重点”所在的角度），并直接在屏幕上显示：例如，“在120°方位角处，存在50 g·mm的不平衡量”。 操作者根据指示，在相应位置添加或去除质量即可。
优点： 自动化、数字化，大大减少了对操作者经验的依赖，平衡精度和效率显著提高，结果可量化、可记录。 缺点： 设备成本较高。

第四章 静平衡的操作工艺与标准

4.1 操作工艺流程

清洁检查： 彻底清洁转子轴颈、孔道及叶片，确保无装配松动、无残留物。 选择工装： 对于无轴孔的叶轮，必须使用与工作轴同轴度极高的工艺心轴。 设备校验： 使用前校验平衡架的水平度和精度。 初始不平衡测试： 测定初始不平衡量的大小和方位。 试重与校正： 遵循“少量多次”的原则，逐步逼近最佳平衡状态。优先采用去重法（钻孔），若结构不允许则采用加重法（焊接平衡块、加平衡螺钉）。焊接时需注意控制热变形。 最终验证： 确保转子达到“随遇平衡”或满足许用不平衡量要求。

4.2 许用不平衡量与平衡精度
平衡的目标并非完全消除不平衡量（这在经济和技术上都不现实），而是将其控制在允许的范围内。

许用不平衡量（Uper）： 为保证风机平稳运行所允许残留的最大不平衡量。单位：g·mm。 平衡精度等级（G）： 一个更科学通用的指标，定义为：转子重心处的偏心速度（毫米/秒）。单位：mm/s。其计算公式为：
G = [Uper · ω] / (1000 · M)
其中，ω 为转子工作角速度（弧度/秒），M 为转子质量（kg）。此公式可变形为 Uper = (G · 1000 · M) / ω

国际标准IS1940-1对各类转子给出了推荐的平衡精度等级G。对于离心风机，通常要求G值在2.5 ~ 6.3 mm/s之间。高速高效风机要求更高（G2.5甚至G1.0），普通通风机可适当放宽（G6.3）。

计算示例：
某风机叶轮质量M=200 kg，工作转速n=1500 rpm（则角速度 ω = 2πn/60 ≈ 157 rad/s），要求平衡精度达到G6.3级。
则其许用不平衡量 Uper = (6.3 × 1000 × 200) / 157 ≈ 8025 g·mm。
这意味着，该转子校正后残留的总不平衡量应小于8025克·毫米。这个总不平衡量可以按比例分配至两个校正平面（如果适用）。

第五章 静平衡与动平衡的关系与选择

静平衡是动平衡的基础： 一个动平衡良好的转子，必定是静平衡的；但一个静平衡的转子，不一定是动平衡的。 选择依据： 主要根据转子的长径比（L/D）来抉择。
L/D < 0.5 (盘状转子)： 只需做静平衡。如大部分离心风机叶轮、齿轮、飞轮、砂轮等。 L/D ≥ 0.5 (长轴类转子)： 必须进行动平衡。如电机转子、多级离心鼓风机转子、汽轮机转子等。动平衡需要在动平衡机上，在转子旋转状态下，在两个以上的校正平面内进行校正。

在实际风机维修中，对于已运行一段时间的中小型风机，若振动增大，可先检查叶轮粘灰情况，清洁后上静平衡架进行复校，往往能解决大部分振动问题。但对于新制造的高速风机或刚性转子，通常需先进行静平衡以消除大的不平衡量，再上动平衡机进行精平衡。

结语

静平衡作为转子平衡技术的基石，其重要性在离心风机的制造与维护领域不言而喻。从简单的圆刃式平衡架到数字化的电子平衡仪，设备在演进，但核心的力矩平衡原理亘古不变。深刻理解不平衡的成因与危害，熟练掌握静平衡设备的操作工艺，并能科学运用许用不平衡量与平衡精度等级标准，是每一位风机技术工作者保障设备安全、稳定、高效运行的基本功。在实践中，应根据转子具体结构、转速及工艺要求，合理选择平衡方案，将不平衡这一“振动之源”牢牢控制在标准之内，方能铸就风机的“宁静之心”与“稳健之躯”

风机型号解析 风机配件说明 风机维护 风机故障排除

★化铁炉节能风机★脱碳脱硫风机★水泥立窑风机★造气炉节能风机★煤气加压风机★粮食节能风机★

★烧结节能风机★高速离心风机★硫酸离心风机★浮选洗煤风机★冶炼高炉风机★污水处理风机★各种通用风机★

★GHYH系列送风机★多级小流量风机★多级大流量风机★硫酸炉通风机★GHYH系列引风机★

全天服务热线:1345 1281 114《风机维护，风机故障排除，急需风机配件》