离心风机基础理论与动平衡技术深度解析

作者：王军（139-7298-9387）

关键词：离心风机、转子平衡、动平衡机、不平衡量、振动、平衡精度

引言

离心风机作为工业领域的“肺脏”，广泛应用于通风、空调、除尘、冷却、物料输送等众多关键环节。其性能的优劣直接关系到整个系统的能效、稳定性与可靠性。在风机设计与制造的众多技术中，转子的平衡技术是确保风机长期平稳、低振动、低噪音运行的核心基础。许多风机的早期故障、异常磨损以及高昂的维护成本，其根源往往可追溯至转子不平衡。本文将系统性地介绍离心风机的基础工作原理，并重点深入剖析转子平衡设备的原理、方法及实践应用，旨在为风机技术从业者提供一份实用的理论参考与操作指南。

第一章 离心风机基础知识概述

1.1 工作原理与结构

离心风机的工作原理基于牛顿第二定律和动量矩定理。当电机驱动叶轮高速旋转时，叶片间的气体在离心力的作用下被甩向叶轮外缘，动能和压力能随之增加。这股高速气流进入蜗壳形机壳后，速度逐渐降低，部分动能进一步转化为静压能，最终从出口排出。与此同时，叶轮中心部位形成低压区，外部气体在压差作用下被持续吸入，从而形成一个连续的气体流动过程。

其主要结构部件包括：

叶轮： 核心做功部件，由前盘、后盘、叶片及轮毂组成。其结构形式（如前向、后向、径向叶片）直接决定风机的压力-流量特性。 机壳： 通常为阿基米德螺旋线形的蜗壳，用于收集从叶轮出来的气体并将其导向出口，实现动能向压能的转换。 进风口： 收敛型结构，保证气体能平稳均匀地进入叶轮，减少流动损失。 主轴： 传递扭矩，支撑叶轮旋转。 轴承座： 支撑主轴及转子系统。 传动组： 包括电机、皮带轮或联轴器等，提供动力。

1.2 核心性能参数与定律

理解风机性能，需掌握以下几个关键参数与定律：

流量（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）。 全压（P）： 风机出口截面与进口截面全压之差，代表风机赋予每立方米气体的总能量，单位为帕斯卡（Pa）。 静压（Ps）： 全压与动压之差，是克服管道阻力的有效压力。 功率：
轴功率（Nz）： 电机输入给风机主轴的功率。计算公式为：
轴功率 = (流量 × 全压) / (1000 × 风机效率)
单位通常为千瓦（kW）。 有效功率（Ne）： 单位时间内气体从风机获得的能量。
有效功率 = (流量 × 全压) / 1000 风机效率（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。
风机效率 = (有效功率 / 轴功率) × 100%
相似定律（比例定律）： 对于同一系列几何相似的风机，当转速（n）改变时，其性能参数遵循以下规律：
流量与转速成正比： Q₁ / Q₂ = n₁ / n₂ 全压与转速的平方成正比： P₁ / P₂ = (n₁ / n₂)² 轴功率与转速的三次方成正比： Nz₁ / Nz₂ = (n₁ / n₂)³
这一定律在风机选型、性能预测和调速节能改造中至关重要。

第二章 转子不平衡的成因、类型与危害

2.1 不平衡的根源

转子不平衡的本质是转子质量分布不均匀，导致其重心与旋转中心不重合，从而产生离心力。这种不均匀性主要来源于：

设计原因： 结构不对称（如键槽、螺孔）。 制造原因： 材料密度不均、铸造缺陷、加工误差、装配间隙。 安装与运行原因： 连接件（如联轴器、皮带轮）不同心、叶轮表面积灰或结垢、叶片磨损不均、高温引起的热变形。

2.2 不平衡的三种类型

静不平衡： 转子的重心偏离旋转轴线，在静止状态下即可识别。其不平衡质量效应可以在单个校正平面上予以抵消。 偶不平衡： 转子的重心位于旋转轴线上，但质量分布不对称于重心所在的平面，形成了不平衡力偶。静止时表现平衡，旋转时才会产生振动。必须在两个校正平面上进行校正。 动不平衡： 实际工程中最常见的情况，是静不平衡和偶不平衡的综合。它既包含不平衡力，也包含不平衡力偶。绝大多数风机转子的平衡都是指动平衡。

2.3 不平衡的危害

不平衡产生的离心力与转速的平方成正比。对于高速旋转的风机转子，即使微小的不平衡量也会产生巨大的周期性激振力，引发：

剧烈振动： 导致轴承、地脚螺栓疲劳损坏。 异常噪音： 环境污染，人员不适。 机械磨损加速： 严重损害轴承、密封件、轴本身，缩短设备寿命。 能耗增加： 额外能量消耗在振动和发热上。 生产工艺恶化： 影响系统稳定性，如送风不均。
因此，对转子进行精确平衡是风机生产制造和维护中不可或缺的环节。

第三章 平衡设备解析：动平衡机的工作原理与操作

3.1 动平衡机的基本构成

现代动平衡机是集机械、传感器、电子测量和分析于一体的精密设备。其主要组成部分包括：

机械床身与支撑架： 为转子提供稳定的支撑。支撑方式通常有硬支撑（低挠性）和软支撑（高挠性）两种，适用于不同重量和特性的转子。 驱动系统： 通常由电机、皮带或万向节等组成，用于驱动转子达到并稳定在平衡转速。 振动传感器（拾振器）： 核心检测元件，通常为压电式加速度传感器，安装在左右支撑架上，用于采集转子不平衡引起的振动信号。 转速传感器（相位基准器）： 通常为光电或激光传感器，用于检测转子的旋转速度和提供相位参考点（键相），从而确定不平衡质量的角度位置。 电控系统与测量系统： 大脑中枢。负责控制驱动、采集传感器信号、进行快速傅里叶变换（FFT）等数据处理，最终计算出不平衡量的大小和相位，并显示在人机界面上。

3.2 测量原理：影响系数法

动平衡机的核心测量原理普遍采用“影响系数法”。其基本思想是“试重校准”，步骤如下：

第一次测量： 在不加试重的情况下，启动转子至平衡转速，测量系统记录下左右支撑点处的初始振动幅值A₁₀和相位φ₁₀（左测点）和A₂₀和φ₂₀（右测点）。 加试重： 在转子右侧校正平面（通常选为平面I）上一个已知角度位置（如0度）添加一个已知质量m₁的试重。 第二次测量： 再次启动转子至相同转速，测量系统记录下新的振动响应A₁₁、φ₁₁和A₂₁、φ₂₁。 计算影响系数： 两次测量的响应变化是由试重m₁引起的。由此可以计算出该试重在当前转速下，对两个测量平面（左右支撑）的影响系数α。这是一个复数，包含幅值和相位信息。
对左测点的影响系数： α₁₁ = (A₁₁ - A₁₀) / m₁ 对右测点的影响系数： α₂₁ = (A₂₁ - A₂₀) / m₁
解算不平衡量： 建立方程组。系统原始的初始振动响应是由两个校正平面（I, II）上的未知不平衡量U和V引起的。通过已测得的影响系数，可以建立如下方程：
左测点响应： α₁₁ * U + α₁₂ * V = A₁₀ 右测点响应： α₂₁ * U + α₂₂ * V = A₂₀
测量系统自动解算这个方程组，即可精确得到两个校正平面上需要校正的不平衡量U和V的大小和相位角。

现代动平衡机自动化程度高，上述过程通常在软件引导下快速完成，操作者只需按提示安装试重即可。

3.3 平衡操作流程

转子安装： 将风机叶轮或转子总成可靠地安装在平衡机两端的支撑架上，并连接好驱动装置。 参数设置： 输入转子参数，如校正平面半径、左右支撑距离、校正平面距离等。 试重运行（测量影响系数）： 按设备提示进行试重运行，机器自动学习转子的动力学特性。 测量与计算： 机器自动测量并计算出两个校正平面上不平衡量的大小（单位：克·毫米 g·mm）和相位（单位：度 °）。 校正： 根据显示结果，在不平衡质量点相反方向（相位相差180°）的指定半径上，通过去重（如钻孔、打磨）或配重（如焊接平衡块、加装平衡螺丝） 的方式进行校正。 验证： 取下试重，再次运行动平衡机进行验证测量。若剩余不平衡量满足精度要求，则平衡完成；若不满足，需重复步骤4-5进行精平衡。

第四章 平衡精度与现场动平衡

4.1 平衡精度等级

平衡的好坏不是绝对的，而是有等级之分的。国际标准IS1940-1定义了“平衡精度等级G”，单位为毫米/秒（mm/s），其计算公式为：
G = e × ω / 1000
其中：

e 是转子单位质量的许用剩余不平衡量（偏心距），单位微米（μm）。e = U / m，其中U是许用剩余不平衡量（g·mm），m是转子质量（kg）。 ω 是转子工作的最高角速度，单位弧度/秒（rad/s）。ω = 2πn / 60，n为工作转速（rpm）。

常见风机转子的平衡精度等级通常要求达到G6.3或G2.5级。G6.3适用于一般通风机，G2.5适用于要求较高的高速风机、空调风机等。精度等级的选择需根据风机的类型、功率和用途来确定。

4.2 现场动平衡技术

对于已安装在设备上的大型风机或拆卸不便的转子，可以使用便携式现场动平衡仪进行操作。其原理与离线动平衡机类似，但测量的是风机轴承座处的振动。

仪器组成： 振动传感器、转速传感器、手持式分析仪。 操作步骤：
在轴承座处安装振动传感器和转速传感器。 测量初始振动幅值和相位。 停机，在转子某一平面添加一个已知试重。 再次开机，测量加试重后的振动幅值和相位。 仪器根据矢量计算，给出应在何处添加多少配重。 加配重后验证。
现场动平衡技术高效、经济，无需拆卸设备，是风机日常维护和故障处理的重要手段。

结语

离心风机的平衡技术是一门理论与实践紧密结合的学问。深刻理解其基础理论，熟练掌握动平衡设备的工作原理和操作流程，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。从精密的制造环节到关键的维护现场，对转子不平衡的有效控制，始终是提升风机品质、延长设备寿命、降低运营成本的核心环节。随着传感器技术和数字信号处理技术的不断发展，动平衡设备的智能化、便捷化和精准化程度将越来越高，为风机技术的发展提供更强大的支撑。

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