低速平衡能解决高速平衡的问题吗？
盛德恩 衡超装试(北京)科技有限公司
这问题提得有点儿怪。您可能会说，低速平衡若能解决高速平衡的问题谁还去做高速平衡啊？费时费力花成本。当然您也可能会说，可以啊，国际标准ISO21940-12讲过了，有些挠性转子是可以用低速平衡的方法来平衡的。
两个答案当然都对，但现实往往会更复杂一些。这里我们还是来关注一下具体问题，研究一下多盘转子的高速动平衡。
一.多盘转子，国际标准推荐的平衡方法
图1是多级离心压缩机转子。这种转子在化工行业应用非常普遍，通常其工作转速很高，是最为典型的挠性转子，过一阶临界转速是肯定的，过二阶的也很平常。
图1 多级离心压缩机转子
对于此类挠性转子，根据国际标准ISO21940-12的分类，其结构特点是：转子上有两个以上轮盘，它们全部（除一个之外）是可拆卸的，推荐的平衡方法为低速动平衡方法B+C、或方法D法、或方法E，如图。
图2 低速平衡方法
方法一（B+C），先单独平衡每一个轮盘（方法C），轮盘在轴上装配处的形位公差是根据平衡精度要求来确定的，装配好以后的转子整体再做低速双面动平衡（方法B）。
方法二（D），在完成了每个轮盘单独平衡并组装为整体转子后，如果转子上的不平衡量超过了某规定值，便不能直接做双面平衡，而是先在中间平面上校正静不平衡量的30-60%，如果有轴承和轴的刚度的可靠数据，最好先进行转子系统的不平衡响应分析。然后再做低速双面动平衡。
方法三（E），首先平衡轴，然后每装上一个轮盘就做一次平衡，并且只测量和校正最后装上这个轮盘上的不平衡量，也就是把此前已装的转子部分视为最后这个轮盘的平衡工装。
这个平衡方法的理论依据在于，如果沿轴向各个平面（轮盘）上的不平衡量都予以测量和校正，残余不平衡量控制在规定的平衡精度之内，则该转子在直至其最高工作转速，包括临界转速上，由不平衡引起的振动也都将处于可接受的水平之内。
然而理论虽然很丰满，但现实往往很骨感。
二.现实中的平衡问题
上述标准中推荐的平衡方法理论上当然是正确的，也是许多这类转子制造厂家曾经或仍然在应用的制造与平衡工艺。但现实中越来越多的厂家都配备了高速动平衡机，对转子整体进行挠性转子高速动平衡和超速试验。形成这一发展趋势的主要原因在于：
首先是市场的推动。这类转子都是应用于连续生产线上的，一个转子不合格会导致整条生产线不能投产或生产停顿，无论是用户还是设备制造厂家都不希望这种情况发生，必须保证一次启机成功。事先不做高速动平衡便不能保证这一点。
其次，前述低速动平衡方法看似简化了平衡工艺，但实际上对转子设计、加工制造、装配和平衡每一工艺环节都提出了更严格和近似苛刻的要求，比如配合部位的形位公差需要按照平衡精度要求来确定、轮盘平衡的工装带来的误差需要完全补偿掉，而实际中工装的装卡重复性误差是很难完全补偿的。
第三，作为产品质量控制的一个环节，作为转子-轴承系统的动力学设计的验证，也必须进行高速动平衡和超速试验。
所以，针对这种多盘转子，高速动平衡越来越变成必须的一道工序了，这是一种趋势。
三.高速动平衡面临的新问题
引入了高速动平衡工艺是否就可以一转了之了呢？现实总比理想复杂得多。
在高速动平衡机上多平面不平衡量的测量是基于影响系数法理论的。需要首先测量转子初始状态下摆架振动的大小和相位，然后逐次在各个校正面上试加一个已知大小和相位的不平衡量（加重或去重），逐次测量摆架振动的大小和相位，最后由计算机（或手工画向量图）的办法求得影响系数，进而计算出各校正平面上需施加的校正质量的大小和相位。
对于多级离心压缩机这样的转子，由于其结构上的原因，不平衡量的施加是通过在校正面上打磨去重来实现的，包括每次试加不平衡量和最后的校正都是这样。不仅去重效率低，而且精度差，试想谁能准确知道打磨掉的铁屑的质量和它的质心位置？
所以这类转子的高速动平衡是一项非常烦人的工作。有没有更好的办法来改进这项工作呢？
四. 问题的答案
答案是有。为了把问题讲得更具体明白、更具有针对性、逻辑上也严格一些，我们先捋一下这类转子的一些主要特征：
1) 这类挠性转子一般会通过一阶或二阶临界转速，更高阶的这里不予以考虑；
2) 这类转子上至少有三个校正平面；
3) 转子为两端支承，不带悬臂端质量，带悬臂端质量的这里不予以考虑；
4) 转子上各轮盘都平衡过，因此各平面上的剩余不平衡量都较小、各平面上不平衡量的大小相对均匀，各平面上不平衡量的相位是随机的；
5) 不平衡校正方法为打磨去重；
6) 厂家都配备有低速平衡机。
针对这种情况我们给出的解决方案是：在完成前面方法C的低速平衡并组装成转子之后，不要简单地按照方法B去做低速双面动平衡，而是在三个平面上进行静偶不平衡分别校正，即在中间平面校正静不平衡，在两端平面校正偶不平衡，并且只校正掉它的70%左右，而不是完全校正。
根据低速动平衡理论，刚性转子上的不平衡量可以表达为两个平面上的动不平衡量，如下图中的UI和UII向量，也可以表达为指定平面上的一个静不平衡量Us向量，和一个分布在两个平面上的偶不平衡量U和-U向量，其相互换算关系也如图所示。这两种表达方式在平衡机的测量仪上可以随意转换。
图3 不平衡量换算方式
这样平衡过的转子装到高速动平衡机上，大概率有望一次测量运转，其振动值就在允许的水平之内，少数情况下需要少量的进一步校正。
该方法的理论依据在于，这类转子其刚性状态下的静不平衡和偶不平衡与其挠性状态下的一阶和二阶模态不平衡具有相对较高的契合度。
五. 结论
回到本文的题目，针对具体的情况，低速平衡的方法帮助解决高速平衡的问题是可能的。
该方法在这里首次提出，是对国际标准推荐方法的改进和提高。从事这类转子高速动平衡的朋友不妨试一试，希望对您的工作有所帮助。
对于条件类似的其它转子，也可试用，也会有所帮助，但一次成功的概率可能会低一些。
