引言

离心风机作为工业领域的“肺部”，广泛应用于通风、冷却、除尘、物料输送等众多关键环节。其性能的优劣与运行的可靠性直接关系到整个系统的稳定与能效。在风机设计、制造与维护的诸多技术要点中，转子的动平衡是至关重要的一环，它直接决定了风机的振动、噪声水平及轴承等关键部件的寿命。本文将系统性地阐述离心风机的基础工作原理，并重点深入解析国际通用的平衡品质等级表示方法，旨在为风机技术从业者提供一份实用的理论参考与实践指南。

第一章：离心风机核心基础知识

要理解平衡的重要性，首先需对离心风机的基本构成与工作原理有清晰的认识。

一、 基本结构与工作原理

主要结构部件：
叶轮（Impeller）：风机的“心脏”，由前盘、后盘、叶片以及轮毂组成。其作用是直接对气体做功，将机械能转换为气体的动能和压力能。叶轮按叶片出口角可分为前向、径向和后向三种类型，其性能曲线各有特点。 机壳（Casing）：通常呈蜗壳形，也称为蜗壳。其作用是收集从叶轮中流出的气体，并将气体的部分动能进一步转化为静压能，最后将气体导向出口。 进风口（Inlet）：通常为收敛型，作用是使气体均匀地流入叶轮，减少流动损失。 主轴（Shaft）：传递电机扭矩，支撑叶轮旋转的核心部件。 轴承座（Bearing Housing）：安装轴承，支撑主轴组件。 驱动装置：通常为电动机，通过联轴器或皮带驱动主轴。
工作原理：
电机驱动叶轮高速旋转，叶轮叶片通道内的气体在离心力的作用下被甩向叶轮外缘，经蜗壳收集增压后从出口排出。与此同时，叶轮中心部位形成低压区，外部气体在大气压作用下被 continuously 吸入进风口，从而形成连续的气体输送。

二、 转子不平衡的根源与危害

理论上，风机转子应关于其旋转轴线完全对称，质量均匀分布。然而，由于设计、材料、制造及装配过程中的诸多因素，绝对的质量对称是无法实现的。

不平衡的主要来源：
材料缺陷：铸件或焊件的密度不均、存在气孔、夹渣等。 设计制造误差：叶片形状、厚度、安装角的微小偏差；轮毂、轴套等零件的同轴度与垂直度误差。 装配误差：叶轮与主轴的对中不良；键槽装配不对称；紧固件（如螺栓）质量分布不均。 运行中的变化：介质中的粉尘或颗粒在叶轮非均匀堆积；叶片磨损、腐蚀或局部破损；高温导致的热变形。
不平衡的危害：
转子不平衡意味着其质心与旋转中心不重合，旋转时会产生一个离心力，此离心力随转速的平方增大（离心力 = 不平衡质量 × 偏心距 × 角速度的平方）。这个周期性的激振力会引发一系列严重后果：
有害振动：导致整机乃至基础剧烈振动。 噪声污染：产生与转速频率相关的高频噪声。 轴承过载与损坏：额外的离心力会加速轴承滚道和滚动体的疲劳，缩短其使用寿命。 机械密封失效：过大的振动会破坏密封面的贴合，导致泄漏。 结构疲劳：长期振动可能引起焊缝开裂、连接件松动，甚至引发 catastrophic 事故。 能耗增加：部分能量被消耗在无用的振动上，降低运行效率。

因此，对转子进行平衡校正，将其剩余不平衡量控制在一个可接受的范围内，是风机生产和使用过程中不可或缺的工序。

第二章：转子平衡的核心概念与平衡品质等级

一、 核心概念定义

不平衡量（U）： 用于量化转子不平衡大小的一个矢量，单位通常为克·毫米（g·mm）。其计算公式为：不平衡量(U) = 不平衡质量(m) × 该质量到旋转轴线的半径(r)。它既有大小，也有角度方向。 许用剩余不平衡量（Uper）： 为保证转子平稳运行所允许的最大剩余不平衡量。这是平衡校正时需要达到的目标值。 平衡品质等级（G）： 国际标准化组织（ISO）定义的衡量转子平衡优劣的通用等级标准，用符号“G”加一个数字表示（如G6.3, G2.5）。它是将转子的平衡质量与转子的运行工况联系起来的一个无量纲值。

二、 平衡品质等级（G值）的深刻内涵与表示方法

平衡品质等级G值是IS 1940-1等标准中核心的指标，它提供了一个统一的标准来规定不同转子的平衡要求。

G值的物理意义：
G值代表了转子质心处的偏心速度（或称“重心速度”），单位是毫米/秒（mm/s）。其计算公式为：
G = e × ω / 1000
其中：
e 是转子质心的偏心距，单位是微米（μm）。e = U / M，U是许用剩余不平衡量（g·mm），M是转子质量（kg）。因此，e的单位可推导为 (g·mm / kg) = (10^{-3} kg · mm / kg) = mm = 1000 μm，计算时需注意单位统一。 ω 是转子工作的最高角速度，单位是弧度/秒（rad/s）。ω = 2 × π × n / 60，n是转子的最高工作转速，单位是转/分钟（r/min）。

简化理解：G值直观地反映了转子在最高工作转速下，由于其剩余不平衡量而导致的重心振动速度。G值越小，表示平衡精度要求越高，转子运行越平稳。

G值的标准表示与常用等级：
平衡品质等级被分级表示，从高精度的G0.4到普通要求的G4000。最常见的风机转子等级通常在G6.3和G2.5之间。
G6.3：适用于一般工业离心风机、泵、普通电机等。这是最常见的经济型等级。 G2.5：适用于要求较高的风机、如空调风机、高速风机、精密机床等。 G1.0：适用于高精度要求的场合，如陀螺仪、精密磨床主轴等。 G0.4：适用于超高速、超精密场合，如硬盘驱动器主轴。
如何为风机转子确定G值与许用剩余不平衡量（Uper）？
这是一个从“工况”到“目标”的推导过程，也是平衡工作的起点。

步骤一：确定平衡品质等级G
根据风机的类型、用途和行业经验，参考IS1940-1标准中的推荐表来选择G值。例如，普通通风机常选G6.3，要求稍高的可选G4.0，空调风机常选G2.5。

步骤二：计算许用剩余不平衡量Uper
这是平衡工最关键的计算。已知G值和转子最高工作转速n（单位：r/min）、转子质量M（单位：kg），求Uper（单位：g·mm）。
由 G = e × ω / 1000 和 e = Uper / M 以及 ω = 2πn / 60，可以推导出核心公式：
Uper = (G × 1000 × 60 × M) / (2 × π × n) ≈ (9549 × M × G) / n
其中9549是常数（60000 / 2π ≈ 9549）。

举例说明：
某离心风机叶轮连带轴的总质量 M = 200 kg，最高工作转速 n = 1500 r/min，选定平衡品质等级为 G6.3。
则其许用剩余不平衡量 Uper ≈ (9549 × 200 × 6.3) / 1500 ≈ (9549 × 1260) / 1500 ≈ 12031740 / 1500 ≈ 8021 g·mm

步骤三：分配不平衡量
对于双面平衡的转子（绝大多数风机转子都属于此类），计算出的总Uper需要分配到两个校正平面（通常是叶轮的两侧）。分配原则通常基于校正平面的轴向位置与支承结构，一般按与支承距离的反比进行分配，以确保每个校正平面上的不平衡量对轴承的影响最小。假设两个校正平面到支承的距离相等，则通常将Uper平均分配，即每个平面的允许不平衡量为 Uper / 2 ≈ 4010 g·mm。

平衡机的任务就是在这两个校正平面上通过增重（焊接配重块）或去重（钻孔、打磨）的方式，将剩余不平衡量减少到小于这个计算出的允许值。

第三章：平衡实践与常见误区

一、 平衡操作流程

清洁检查：平衡前彻底清洁转子，检查有无松动部件或明显损伤。 装机测量：将转子正确安装到动平衡机上，输入转子数据（质量、校正半径、转速等）。 初始测量：进行第一次运行测量，获取初始不平衡量的大小和相位。 试重校正：根据仪器提示，在指定相位添加试重，再次测量。 计算与最终校正：平衡机根据试重后的变化计算出应加（或应减）的最终配重质量和相位。完成校正。 验证：再次运行，确认剩余不平衡量已低于Uper值，并满足G等级要求。

二、 常见误区与注意事项

误区一：转速越高，平衡精度要求越低。
正解：恰恰相反。由公式Uper ∝ 1/n 可知，转速n越高，允许的剩余不平衡量Uper必须越小，即平衡精度要求越高。在高速下，微小的不平衡量也会产生巨大的离心力。 误区二：只要在平衡机上达标就万事大吉。
正解：平衡机是在理想支承条件下测量的。现场安装时，不同的对中情况、基础刚性、连接管路等因素都会影响最终振动。因此，现场动平衡往往是必要的补充手段。 误区三：G值越小越好。
正解：G值并非越小越好。更高的平衡精度意味着更长的工时、更高的成本和更复杂的工艺。应在满足性能和使用要求的前提下，选择经济合理的G等级，追求“足够好”而非“绝对好”。 注意校正方法的影响：去重法通常优于增重法，因为它不增加转子重量和离心负荷。增重必须确保牢固可靠，防止运行中甩脱。

结语

离心风机的转子平衡是一项融合了理论计算与精细操作的关键技术。深刻理解平衡品质等级G值的物理意义和计算方法，是科学制定平衡标准、有效指导生产实践的基础。作为风机技术工作者，我们应摒弃“凭感觉”的经验主义，转而依据ISO国际标准，通过严谨的计算和规范的操作，将转子的剩余不平衡量精准地控制在合理的范围内。这不仅是保障设备长周期、高可靠性、低噪声运行的技术前提，更是体现专业素养和追求卓越工匠精神的具体实践。希望本文能对各位同仁在实际工作中准确应用平衡标准、提升风机产品质量有所裨益。

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