离心风机基础知识与不平衡量校正技术深度解析

作者：王军（139-7298-9387）

关键词：离心风机、转子平衡、动平衡、静平衡、不平衡量、校正方法、振动分析、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、除尘、冷却、物料输送等众多关键流程中。其性能的稳定性和运行的可靠性直接关系到整个生产系统的效率与安全。在风机长期运行或维修后，转子不平衡是引发异常振动、噪音、轴承损坏乃至严重事故的最主要因素之一。因此，深刻理解离心风机的基础知识，并熟练掌握转子不平衡量的校正技术，是每一位风机技术从业者的核心技能。本文旨在系统性地阐述离心风机的工作原理，并重点对不平衡量的成因、危害及校正方法进行深入的解析与说明。

第一章 离心风机基础概述

一、 基本结构与工作原理

离心风机主要由进气口、叶轮、机壳、主轴、轴承座、驱动装置（如电机）以及传动部件（如联轴器、皮带轮）等构成。

其核心工作原理是：驱动装置通过主轴带动叶轮高速旋转，叶轮叶片间的空气在离心力的作用下被甩向叶轮边缘，动能和压力能随之增加。这些高速气体被汇集到截面逐渐扩大的蜗形机壳中，流速降低，进一步将动能转化为静压能，最终从出气口以高于进口的压力排出。与此同时，叶轮中心部位因气体被甩出而形成低压区，外部空气在大气压作用下被持续吸入进气口，从而形成一个连续的气体流动过程。

二、 关键性能参数

风量（Q）：单位时间内风机输送气体的体积，单位为立方米每秒（m³/s）或立方米每小时（m³/h）。它是衡量风机输送能力的关键指标。 风压（P）：风机进出口气体全压之差，单位为帕斯卡（Pa）或千帕（kPa）。全压包括静压和动压两部分，它代表了风机克服管网阻力的能力。 功率（N）：
有效功率（Ne）：单位时间内气体从风机获得的实际能量。
有效功率（瓦特） = 风量（立方米每秒） × 全压（帕斯卡）
轴功率（Nsh）：单位时间内由原动机传递到风机主轴上的功率。由于存在各种损失，轴功率总是大于有效功率。
效率（η）：风机的有效功率与轴功率之比，是评价风机经济性的重要指标。
* 效率 = （有效功率 / 轴功率） × 100%

三、 主要类型

根据叶轮结构的不同，离心风机可分为前向（多翼）、后向（翼型）和径向（直板）三大类，其在压力、效率、特性曲线等方面各有特点，适用于不同的工况场景。

第二章 转子不平衡的深入解析

一、 不平衡的成因与分类

转子不平衡的本质是转子质量分布不均匀，导致其重心或惯性主轴与旋转中心线不重合，从而在旋转时产生离心力。

主要成因包括：

设计制造缺陷：材料不均、铸造/焊接缺陷、加工装配误差。 安装运行问题：叶轮粘附异物（粉尘、结垢）、叶片磨损不均、零件松动。 维修保养不当：更换部件后未进行平衡校正、热变形。

不平衡主要分为三类：

静不平衡：转子的重心不在其旋转轴线上。将转子放在水平导轨上，它会自行转动直至重心位于最低点。这是一种最简单的不平衡状态。 偶不平衡：转子的重心位于旋转轴线上，但其惯性主轴与旋转轴线呈一角度相交。这意味着转子在静态下是平衡的，但旋转时会产生一个力偶（大小相等、方向相反的离心力）。 动不平衡：实际工程中最常见的情况，它是静不平衡和偶不平衡的综合。即转子的重心既不在轴线上，惯性主轴也不与轴线平行。动不平衡必须在两个或多个校正平面上进行校正。

二、 不平衡的危害

不平衡产生的离心力与转速的平方成正比（离心力 F = m × r × ω²，其中 m 为不平衡质量，r 为半径，ω 为旋转角速度）。在高速风机中，即使微小的不平衡量也会产生巨大的周期性激振力，导致：

有害振动：恶化工作环境，影响设备基础。 噪音污染：气流脉动和结构振动产生刺耳噪音。 机械损伤：加速轴承、轴、联轴器、密封件的磨损与疲劳破坏。 性能下降：振动可能导致气封间隙变化，降低风机效率。 安全事故：严重时可能导致转子断裂、部件飞出，造成 catastrophic failure（灾难性故障）。

第三章 不平衡量的校正方法与流程

校正的核心思想是在转子不平衡的相反方向（或在特定相位上）添加或去除一定的质量，从而生成一个反向的离心力，用以抵消原有的不平衡力（或力偶），使转子达到平衡状态。

一、 校正前的准备工作

清洁检查：彻底清理叶轮上的所有附着物，检查是否有严重磨损、裂纹或变形。必须在转子洁净无损的前提下进行平衡。 平衡机选择：根据转子重量、尺寸和平衡精度要求，选择合适的平衡机（卧式或立式）并正确安装。 工具准备：准备好配重块（焊条、平衡胶泥、螺丝配重等）、去重工具（角磨机、钻头）以及测量工具。

二、 校正方法详解

1. 静平衡校正法（单面平衡）
适用于长径比较小、转速较低的盘类转子（如简单的皮带轮）。

步骤：
a. 将转子置于精度较高的水平导轨式平衡架上。 b. 轻轻转动转子，待其静止后，在转子正上方（最轻点）做一标记。 c. 重复此操作数次，若标记点总是停在下方，说明该方向为重侧。 d. 在重侧的对称方向（轻侧）试加配重，直至转子能在任意位置保持静止不动。 e. 称量所加配重的质量，并将其永久固定（焊接或铆接）在相应位置，或从重侧去除等效质量。
局限性：无法校正偶不平衡和动不平衡。

2. 动平衡校正法（双面或多面平衡）
这是校正离心风机转子的标准且必需的方法。需要在转子两端（至少两个）选定的校正平面上进行。

步骤（以在动平衡机上为例）：
a. 安装与测量：将转子安装于动平衡机支撑上，设置好转子的几何参数（两支撑点距离、校正平面位置等）。启动平衡机至工作转速。 b. 初始振动测量：平衡机的传感器会测量出左右两个支撑点处的初始振动幅值和相位角。相位角指示了不平衡质量所在的角度位置。 c. 试重运行：在任一校正平面（如左平面）的零度相位处添加一个已知质量的试重块。 d. 再次测量：再次启动转子至相同转速，测量并记录添加试重后的新振动幅值和相位。 e. 矢量计算：平衡机内置软件或通过手工矢量计算，将三次测量结果（初始值、加试重后的值、试重本身的影响）进行解算，即可精确计算出左右两个校正平面上需要添加（或去除）的配重质量和相位角。
计算基本原理：不平衡量引起的振动矢量 + 试重引起的振动矢量 = 测量到的合成振动矢量。通过解这个矢量方程，即可分离出原始不平衡量的大小和方向。
f. 施加校正质量：根据计算结果，在指定相位角上添加精确的配重，或从反方向去除材料。 g. 验证：取下试重，安装最终配重后，再次运行平衡机进行验证。若残余振动量小于标准允许值（平衡精度等级），则校正完成。否则，需进行精细修正。

3. 现场动平衡法
对于大型风机或不便拆卸的转子，可采用现场动平衡技术。其原理与动平衡机法相同，但使用便携式振动分析仪和相位计在设备原轴承座上测量振动。通过“影响系数法”，经过1-2次试重和计算，也能精确找到校正质量和位置，高效解决现场问题。

三、 校正方式的选择：加重与去重

加重法：通过在轻侧焊接、铆接或加装螺丝配重块的方式增加质量。此法操作简单，应用最广。 去重法：通过在重侧钻孔、磨削等方式去除材料。此法永久性好，不影响气流，但不可逆，需谨慎操作。常用于叶轮本身强度要求高或不允许外加物的场合。

第四章 平衡精度与标准

校正并非要求绝对零不平衡，而是将残余不平衡量控制在一定范围内。这个范围由平衡精度等级（G） 来定义。

概念：平衡精度等级 G 表示了转子重心处的偏心速度（e × ω），单位是毫米每秒（mm/s）。
偏心距（e，单位微米μm） × 角速度（ω，弧度/秒） = G值（mm/s）
标准：国际标准IS1940-1对各类转子给出了推荐的平衡精度等级。例如，通常的离心风机转子要求达到G6.3或G2.5级。G值越小，平衡精度要求越高。 意义：相同的残余不平衡量（g·mm），对于高速转子可能已超标，但对于低速转子则可能完全合格。因此，必须根据转子的工作转速来制定合理的平衡目标。

第五章 总结与最佳实践建议

对离心风机转子进行精确的不平衡量校正，是一项理论与实践紧密结合的技术工作。它不仅是消除振动、保障设备长周期安全运行的关键措施，也是体现风机技术工作者专业水平的重要标志。

最佳实践建议：

预防为主：保持进气洁净，定期清理叶轮，防止不均匀磨损和结垢。 规范操作：检修装配时，确保所有零件安装到位、紧固可靠。 科学校正：优先选择动平衡机进行高精度校正。对于大型设备，掌握现场动平衡技能能极大提高工作效率。 遵循标准：校正后必须达到设计或国际标准要求的平衡精度等级，并做好记录。 安全第一：所有校正操作，尤其是在高速旋转部件上进行的焊接、打磨、钻孔等，必须严格遵守安全操作规程，确保人身与设备安全。

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