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離心機轉子動平衡理論概述

轉子不平衡是指因轉子質量分布不均勻導致轉子質量中心與其旋轉中心軸線不重合，出現偏心距，從而產生周期性離心力干擾，使軸承系統承受周期性的動載荷，引起設備非正常振動,產生噪音，甚至損壞機器設備。統計資料表明，不平衡是機器損壞最常見的原因，嚴重不平衡會帶來軸承損壞、軸承座開裂、軸變形、聯接松動等機械風險。按照力學方法定義，不平衡分為靜不平衡、偶不平衡、動不平衡三類，靜不平衡是指質心不在旋轉主軸上，但重心慣性主軸與旋轉軸處于平行狀態時所產生的不平衡，偶不平衡是指質心在旋轉主軸上，但重心慣性主軸與旋轉軸不平行且在質心處相交時所產生的不平衡，動不平衡則指重心慣性主軸不與旋轉軸平行，而且慣性主軸與旋轉軸交點不通過質心時產生的不平衡。一般機械轉子系統的不平衡都是既存在靜不平衡又存在偶不平衡的動不平衡狀態。靜不平衡、偶不平衡、動不平衡的力學特征如圖1所示

圖1：靜不平衡、偶不平衡、動不平衡的力學特征示意圖

轉子不平衡是由設計，材料，制造和裝配等因素引入的質量分布不均衡引起的，即使在批量化生產中，由于材料密度分布不均勻和材料內部顯微組織差異，以及轉子本身的制造誤差，都會不可避免的存在轉子質量不均衡現象，每個轉子的不平衡量都各不相同。機械轉子的平衡校正就是檢查和調整轉子質量分布的工藝過程，是一種改善轉子質量分布的工藝方法，通過校正減小剩余不平衡量，以保證在對應的工作轉速頻率下，剩余不平衡或者軸頸振動和作用于支承上的載荷在規定限值以內。平衡工藝將轉子分為剛性轉子和撓性轉子，分別進行不同方式的平衡。剛性轉子是指轉子實際轉速小于0.5倍第一臨界轉速，慣性力作用產生的變形基本可以忽略。剛性轉子一般在低速下進行單面或雙面校正即可，撓性轉子是指轉子實際轉速大于0.7倍第一臨界轉速，此時慣性力作用會使轉子在高速旋轉過程中產生明顯的撓性變形，撓性轉子需要在實際轉速下進行現場校正。實際轉速介于0.5倍到0.7倍第一臨界轉速之間的轉子稱為準撓性轉子，一般按照撓性轉子的平衡工藝校正，要求不高的應用場合也可按剛性轉子的平衡工藝校正。

實驗室通用低速和高速離心機轉子都屬于剛性轉子范疇，按照剛性轉子平衡工藝進行校正，超速離心機轉子則需要按照撓性轉子平衡工藝進行校正。

國際標準ISO 21940-11:2016中規定了各種剛性轉子的平衡等級要求（中國對應的國家標準為GB/T 9239.1- 2006），一共分為11個級別，每個級別間以2.5倍為公比遞增，從要求最高的G0.4到要求最低的G4000。單位為公克×毫米/公斤(gmm/kg)，代表不平衡對于轉子軸心的偏心距離。具體分級如表1所示：

表1：剛性轉子平衡等級

剛性轉子系統的動平衡試驗，一般是在動平衡機上進行調校。

平衡機是一種用于對剛性轉子進行動平衡校正的試驗機，按測量原理分為硬支承平衡機和軟支承平衡機，按機器型式分為臥式平衡機和立式平衡機。按應用方式可以分為通用平衡機和專用平衡機（如汽車輪胎平衡機）。任何剛性轉子的不平衡均可采用在兩個校正面上加或減校正質量的方法來平衡整個轉子。轉子在繞平衡機旋轉主軸旋轉時,因不平衡量產生的離心力使平衡機支承產生不同頻率的振動,通過振動測量傳感器測出振幅和相位差,再通過軟件系統中的動平衡數學模型計算出不平衡量和質心位置,從而根據計算結果在校正平面進行增重或去重的質量分布修正，減小不平衡量，直到滿足機器需要達到的平衡等級.. 

實驗室通用型低速離心機和高速離心機采用的離心機轉子動平衡工藝屬于剛性轉子的動平衡范疇，按照ISO 21940-11的規定，要求達到G6.3級的水平，通常采用硬支承方式的通用立式平衡機進行平衡校正，允許不平衡量的計算公式為

式中m_per為允許剩余不平衡量，單位是g；

 M代表轉子的自身重量，單位是kg；

 G代表轉子的平衡精度等級 ，單位是mm/s；

 r 代表轉子的校正半徑，單位是mm；

 n 代表轉子的轉速，單位是rpm。

如一個24x1.5mL的離心機角轉子，平衡精度要求為G6.3級，轉子的重量為1.2kg，轉子在1200rpm轉速下校正，校正半徑85mm， 則該轉子的允許不平衡量為：

如采用雙面校正平衡，則允許分配到每面的不平衡量為0.35g

以上計算值為上限參考值，隨著動平衡技術工藝水平和自動化程度的提高，在考慮制造工藝經濟適用性的基礎上，基于平衡要求在離心機應用中的重要性，一般離心機轉子的允許不平衡量都低于這個上限值。如湖南湘立科學儀器有限公司采用的24x1.5mL離心機角轉子，要求單面動平衡允許不平衡量為0.3g。平衡品質相對參考計算值的上限要求提高了一倍。