离心风机基础理论与平衡工艺方法深度解析

作者：王军（139-7298-9387）

本篇关键词：离心风机、转子平衡、动平衡、静平衡、不平衡量、平衡精度、振动

引言

离心风机作为工业领域不可或缺的流体输送与增压设备，广泛应用于通风、空调、冶炼、发电、化工、环保等各行各业。其性能的优劣与运行的可靠性直接关系到整个生产系统的稳定与能效。在风机诸多技术指标中，振动与噪声是最为关键的评价参数，而这两者很大程度上源于一个核心问题—转子不平衡。因此，转子平衡工艺是风机设计、制造及维修过程中至关重要的一环。本文旨在系统阐述离心风机的基础知识，并重点对其平衡工艺与方法进行深入的解析与说明，以期为同行提供切实可行的技术参考。

第一章 离心风机基础概述

1.1 基本结构与工作原理

离心风机主要由进风口、叶轮、机壳、传动组（主轴、轴承箱、轴承）、支架及电机等部分组成。其核心部件是叶轮。

工作原理：当电机通过传动件驱动叶轮旋转时，叶轮叶片间的气体在离心力的作用下，被甩向叶轮周围，从叶轮中心形成真空低压区，外界气体在大气压作用下即刻被吸入补充。被甩出的气体进入机壳，机壳的蜗形结构将气体的部分动能转化为静压能，最终从出风口以高于进口的压力排出，形成连续的气流。

1.2 主要性能参数

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）：气体在风机内压力的升高值，分为静压、动压和全压。单位为帕斯卡（Pa）或千帕（kPa）。 功率（N）：包括有效功率（空气功率）和轴功率。轴功率是电机输入给风机主轴的功率，有效功率是单位时间内气体从风机获得的能量。风机效率为有效功率与轴功率之比。 转速（n）：风机叶轮每分钟的旋转次数，单位为转每分钟（r/min）。

1.3 关键动力学问题—不平衡

风机转子（主要指叶轮与主轴的组合体）由于材料密度不均、铸造缺陷、加工装配误差、结构不对称（如键槽）以及运行中的磨损、积灰、腐蚀等原因，其质量分布并非完全均匀于旋转轴线。这种质量中心与旋转中心的偏离，就产生了“不平衡”。

转子旋转时，不平衡质量会产生一个离心力（F），其计算公式为：
离心力 (F) = 不平衡质量 (m) × 偏心距 (r) × 角速度 (ω) 的平方
其中，角速度 ω = 2 × π × 转速 (n) / 60。

这个离心力是一种周期性激振力，它会引发风机轴承、机座乃至整个基础的振动，产生噪声，加速轴承、密封件等部件的磨损，严重时甚至会导致结构疲劳断裂，造成重大事故。因此，对转子进行平衡校正，消除或减小不平衡量，是保证风机长周期安全稳定运行的前提。

第二章 转子不平衡的类型

在进行平衡之前，必须准确识别不平衡的类型，从而选择正确的平衡方法。不平衡主要分为以下四类：

静不平衡：转子的主惯性轴仅平行偏离于旋转轴线。其特征是转子质心不在旋转轴线上。将转子放在水平导轨上，它会在重力作用下滚动，直到质心位于最低点。静不平衡可以在单个校正平面上进行校正。 力偶不平衡：转子的主惯性轴与旋转轴线在质心处相交并呈一角度。它表现为两个大小相等、方向相反的不平衡量分布在两个不同的平面上，形成一个不平衡力偶。转子静平衡时是平衡的，但一旦旋转就会产生一个振动力矩。必须在两个校正平面上进行校正。 动不平衡：这是最常见的不平衡形式。转子的主惯性轴与旋转轴线既不平行也不相交，而是在空间交错。它可以看作是静不平衡和力偶不平衡的综合。动不平衡也必须通过在两个校正平面上添加（或去除）配重来消除。 准静不平衡：是动不平衡的一种特例，其不平衡效应等效于一个单一的静不平衡量。它可以在两个平面上进行校正，但通过计算，也可以在一个平面上进行校正（尽管这不是最优方案）。

第三章 平衡工艺与方法解析

平衡工艺分为“静平衡”和“动平衡”两大类。

3.1 静平衡法

静平衡主要用于盘状转子（转子直径D与宽度L之比，D/L ≥ 5），如单级风机叶轮、皮带轮等。

方法原理：利用重力场，通过寻找转子重心偏移的最低点，并在其对称点（最高点）添加配重，或在最低点去除材料，使转子达到随遇平衡的状态。 常用工具：平行导轨式平衡架、滚柱式平衡架、圆盘式平衡台等。 操作步骤（以导轨式为例）：
将平衡架调至水平。 将转子轴颈轻轻放置在导轨上。 轻轻转动转子，待其静止后，在转子正下方作一标记。 反复转动数次，若标记点总是停在最低位置，则该点即为“重点”。 在“重点”的对称180°方向（即“轻点”）试加配重（如橡皮泥）。 重复步骤3-4，不断调整试加重的大小和位置，直到转子能够随机静止在任何位置。 称量所加配重的质量，并以同等质量的金属块永久性地焊接到相应位置，或以钻孔方式在“重点”去除等效质量。
优缺点：设备简单，操作方便，成本低。但精度较低，无法校正力偶不平衡和动不平衡。

3.2 动平衡法

动平衡适用于长转子（D/L < 5）或经过静平衡后运行时仍振动较大的盘状转子。这是风机转子最主流、最有效的平衡方法。

方法原理：在转子旋转状态下，通过动平衡机测量系统检测出转子在两个预先选定的校正平面上的不平衡量的大小和相位（角度），并通过在其相反方向添加或去除相应质量，使转子惯性轴与旋转轴线重合。 核心设备：动平衡机。主要由驱动系统、支撑系统、振动传感系统、信号处理与解算系统（电测箱）等组成。 操作流程：
安装转子：将风机转子正确安装在平衡机的支撑架上，并连接好驱动装置。 参数设置：输入转子参数，如两个校正平面的距离、校正半径、平衡转速等。 第一次测量：启动平衡机至设定转速，测量系统会采集支撑架的振动信号，经解算后，在仪表上显示出左平面（L）和右平面（R）的不平衡量大小和相位（例如：左面 120克 @ 30度；右面 80克 @ 210度）。相位通常以反光标记为0°基准。 试加重：根据测量结果，分别在两个平面的指定相位处添加试重（通常为橡皮泥或配重块）。 第二次测量：再次启动平衡机，测量剩余不平衡量。平衡机系统会根据两次测量的数据，自动计算出为达到完全平衡所需添加（或去除）的最终配重质量和准确相位。 校正：根据计算结果，进行永久性配重（焊接、铆接平衡块）或去重（钻孔、磨削）。 验证：最后进行一次验证测量，确认剩余不平衡量已低于允许的平衡精度等级。
现场动平衡：对于已安装在工作现场的大型风机，或拆装运输困难时，可采用现场动平衡技术。其原理与离线动平衡相同，但使用的是便携式动平衡仪，通过测量风机轴承座的振动来分析不平衡量。传感器吸附在轴承座上，反光贴纸贴在转子轴上。通过“影响系数法”，经过一次或多次试重运行，仪器即可计算出校正方案。此法高效、经济，无需拆卸转子。

第四章 平衡精度与评定

平衡并非要求绝对的不平衡量为零，这在工程上既不经济也不现实。因此，需要有一个公认的标准来评定转子平衡的优良程度，即“平衡精度”。

平衡精度等级：国际标准IS1940-1和国家标准GB/T 9239.1定义了转子平衡的精度等级，用G表示，单位是毫米每秒（mm/s）。其计算公式为：
平衡精度等级 (G) = [偏心距 (e) × 角速度 (ω)] / 1000
其中，e是转子单位质量的许用残余不平衡量（g·mm/kg），ω是转子最大工作角速度（rad/s）。

G值越小，表示精度要求越高。例如：

G6.3 级：适用于通用风机、机床等一般机械的转子。 G2.5 级：适用于燃气轮机、压缩机、高速风机等。 G1.0 级：适用于精密磨床、高速电机等。 G0.4 级：适用于陀螺仪、精密主轴等超精密装置。
许用残余不平衡量（Uper）：对于一个特定的转子，根据其平衡精度等级G和最高工作转速n，可以计算出其允许的最大残余不平衡量。
许用残余不平衡量 (Uper) = (G × 1000 × 转子质量 M) / (ω)
或更常用的工程表达式：
Uper (g·mm) = (G × 60000 × M) / (n × π)
其中M为转子质量（kg），n为工作转速（r/min）。

对于双面平衡的转子，此总许用值通常按1：1或根据两个校正平面至质心的距离按反比分配到两个校正平面上。

第五章 平衡工艺中的注意事项

平衡转速的选择：动平衡机的工作转速应尽量接近转子的实际工作转速。对于柔性转子（工作转速高于其一阶临界转速的转子），必须在其挠曲临界转速以上进行高速动平衡，以准确模拟其工作状态。 校正方法的选择：是“加重”还是“去重”需根据转子结构决定。焊接叶轮通常采用焊接平衡块（加重）；铸造叶轮可在较厚的盘盖处钻孔（去重）；有时也采用安装可调平衡块的方式。 安全操作：平衡过程中，特别是高速动平衡，必须在防护罩内进行，确保人身安全。所有添加的配重必须牢固可靠，防止在高速旋转时飞出。 环境影响：平衡机基础应稳固，避免外界振动干扰。环境风力、温度等对高精度平衡也可能产生影响。 数据的准确性：转子安装的同轴度、键槽的处理（应使用“半键”）、测量参数的输入等都必须准确无误，否则会引入误差。

结语

转子平衡是一项理论与实践结合极其紧密的精密工艺。它不仅是风机出厂前的必检工序，更是设备维护中解决振动问题的重要手段。深刻理解不平衡的机理，熟练掌握静平衡与动平衡，尤其是现代动平衡设备的操作与精度评定方法，对于一名风机技术工作者而言，是保证产品质量、提升设备可靠性、延长设备寿命的核心技能。随着传感器技术及数字信号处理技术的发展，动平衡技术的智能化、精准化和便捷化程度将不断提高，但其背后的基础理论与工艺逻辑始终是指导我们正确实践的基石。

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