离心风机核心技术解析：转子动平衡的力学原理与实践

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离心风机核心技术解析：转子动平衡的力学原理与实践

作者：王军（139-7298-9387）

关键词：离心风机、转子平衡、动平衡、不平衡量、偏心距、许用不平衡量、平衡等级

引言

在风机技术领域，离心风机因其结构紧凑、效率较高、流量压力范围广等优点，成为了工业通风、除尘、气力输送、空调系统等众多领域的核心设备。作为一名风机技术从业者，我们深知风机的可靠性、稳定性和长寿命是其价值的根本体现。而在影响风机可靠性的诸多因素中，转子的平衡状态无疑是至关重要的一环。

一个不平衡的转子在高速旋转时会产生巨大的离心力，引发剧烈的振动和噪音，加速轴承、密封、轴乃至整个机体的磨损与疲劳，严重时甚至会导致灾难性的设备事故。因此，深刻理解转子平衡的力学条件，不仅是风机设计、制造与维修中的核心理论知识，更是确保风机安全、平稳、高效运行的技术基石。本文将围绕离心风机转子，系统性地解析其平衡的力学原理、平衡方法及标准实践。

第一章：离心风机转子不平衡的根源与分类

离心风机转子是一个组装体，主要由叶轮、主轴、平衡盘（有时有）、联轴器等部件组成。理想情况下，转子旋转时，其质量分布应关于旋转轴线完全对称。然而，由于设计、材料、制造、装配等诸多因素的制约，绝对的质量对称是无法实现的。这种质量分布不对称的现象，即为“不平衡”。

1.1 不平衡的主要来源：

设计原因：

叶轮

制造误差：

加工误差：

装配误差：

运行因素：

1.2 不平衡的主要类型：
根据不平衡质量在转子上的分布情况，可将其分为三类：

静不平衡（Static Unbalance）：

偶不平衡（Couple Unbalance）：

动不平衡（Dynamic Unbalance）：

第二章：转子平衡的力学原理解析

转子平衡的本质，是通过在转子的特定平面上添加或去除质量，使其旋转时产生的离心力系达到平衡，从而将有害的振动降至允许范围内。

2.1 离心力的基本概念

当一个质量为 m（单位：千克）的质点，以角速度 ω（单位：弧度/秒）绕轴旋转，且旋转半径为 r（单位：米）时，所产生的离心力 F（单位：牛顿）的大小由以下公式决定：

离心力 F = m × r × ω²

其中，角速度 ω 与转速 n（单位：转/分钟）的换算关系为：
ω = 2πn / 60

从这个公式可以看出，离心力与不平衡质量 (m) 和偏心距 (r) 的乘积成正比，但与转速的平方 (ω²) 成正比。这意味着，在高速风机中，即便一个非常微小的不平衡量（m·r），也会产生极其巨大的离心力。例如，一个在半径0.3米处存在0.001千克（1克）不平衡质量的转子，在3000 rpm的转速下，产生的离心力高达近300牛顿（约30公斤力）。这正是我们必须高度重视转子平衡的原因。

2.2 不平衡量的表征—偏心力矩 (U)

在平衡技术中，我们通常不单独讨论质量 m 或半径 r，而是用它们的乘积 U = m × r 来综合表征不平衡量的大小，称为“偏心力矩”或“不平衡量”，单位常用 克·毫米 (g·mm) 或 克·厘米 (g·cm)。
U = m × r
这个量值 U 直观地反映了不平衡的“严重程度”，是进行平衡校正的基准量。

2.3 动平衡的力学条件

对于一个存在动不平衡的刚性转子，我们可以将其简化为一个由无数个不平衡质点组成的系统。根据理论力学，任何一个复杂的力系都可以向任意选定的点进行简化。在动平衡中，我们通常选择两个与旋转轴线垂直的校正平面（通常选择转子两端尽可能相距较远的平面，如叶轮两侧），将所有的不平衡离心力向这两个平面进行分解。

动平衡的目标是：通过在两个预先选定的校正平面（I 和 II）上添加或去除相应的校正质量，使得整个转子旋转时：

合力等于零

合力矩等于零

用数学公式表达，即需满足：
∑F = 0
∑M = 0

为了实现这一目标，平衡机首先会测量出在两个支承点（A 和 B）上由不平衡引起的振动反力。通过力学计算，可以将这两个支承反力分解并等效到两个校正平面上的不平衡量 U₁ 和 U₂。U₁ 和 U₂ 是矢量，它们既有大小（多少克·毫米），也有方向（相位角，多少度）。

接下来的校正工作，就是在校正平面I上，在 U₁ 矢量相反方向、相同半径（或通过计算换算到实际可加配重的半径）处，添加一个等效质量为 m₁ = U₁ / r₁ 的配重；在校正平面II上，在 U₂ 矢量相反方向、相同半径处，添加一个等效质量为 m₂ = U₂ / r₂ 的配重。