第一節(jié) 自動化高速動平衡機產(chǎn)品分類

1、從測量原理上劃分，可分為兩大類：

1）硬支承動平衡機

動平衡機具有平衡轉(zhuǎn)速低于轉(zhuǎn)子支承系統(tǒng)的固有頻率，可在低轉(zhuǎn)速下平衡，操作簡單方便、安全性能好的特點。

2）軟支承動平衡機

具有平衡轉(zhuǎn)速高于轉(zhuǎn)子支承系統(tǒng)的固有頻率，受外界振動信號影響小、測量精度高、適用于大批量生產(chǎn)的特點。

2、從應(yīng)用方面劃分，可分為兩大類：

1）臥式和立式動平衡機

（1）臥式動平衡機

是指被平衡轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)軸線在平衡機上呈水平狀態(tài)的平衡機，一般具有旋轉(zhuǎn)軸或方便裝配工藝軸的轉(zhuǎn)子，如電機轉(zhuǎn)子、風輪、風葉、滾筒、膠輥、軸類、印刷機械等都適用于臥式動平衡機。

（2）立式動平衡機

是指被平衡轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)軸線在平衡機上呈鉛垂狀態(tài)下的平衡機，一般沒有旋轉(zhuǎn)軸的盤狀工件，如風扇風葉、水泵葉輪、油煙機風輪、飛輪、砂輪、鋸片、卡盤、制動器等都適用于立式動平衡機。

2）通用動平衡機和專用動平衡機

（1）通用動平衡機

是在規(guī)定的轉(zhuǎn)子重量和轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，能平衡多種轉(zhuǎn)子的動平衡機。

（2）專用動平衡機

是針對某一類型轉(zhuǎn)子專門設(shè)計制造的動平衡機。

第二節(jié) 國內(nèi)自動化高速動平衡機生產(chǎn)技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀

一、變頻器控制技術(shù)在平衡機中的應(yīng)用

近十多年來，隨著電力技術(shù)，微電子技術(shù)及現(xiàn)代控制技術(shù)發(fā)展，變頻器已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于交流電動機的速度控制。其中最主要的特點是，具有高效率的驅(qū)動性能和良好的控制特性。變頻器以調(diào)速精度高，響應(yīng)速度快、保護功能完善、過載能力強、維護方便及節(jié)能顯著等優(yōu)點，贏得廣大用戶的信賴。在機械 行業(yè) ，變頻器應(yīng)用改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，實現(xiàn)機電一體化的重要手段。在工廠自動化技術(shù)中，交流伺服系統(tǒng)正在取代直流伺服系統(tǒng)。在電器 行業(yè) 中變頻器應(yīng)用技術(shù)，有效地提高了經(jīng)濟效益和產(chǎn)品質(zhì)量，同時也減少機械振動和噪聲。

平衡機在國內(nèi)從70年代開始 研究 開發(fā)，多年來，人們一直以一些大型平衡機機械系統(tǒng)的變速機構(gòu)復(fù)雜，旋轉(zhuǎn)時啟動停車時間比較長，工作效率少，操作繁瑣，而且機器龐大。所以為了減少平衡機變速機構(gòu)，進一步提高平衡機工作效率及使用性能，采用變頻器，調(diào)速、制動剎車等功能，使機械系統(tǒng)變得更加簡單，操作方便。

系統(tǒng)構(gòu)成及工作原理：系統(tǒng)主要由電動機，機械振動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)（變頻器）、電測箱等組成。
系統(tǒng)通過變頻器調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速達到工件所需平衡轉(zhuǎn)速，根據(jù)交流電機轉(zhuǎn)速特性，，在電機選定之后P、S為定值，電機轉(zhuǎn)速n與電源頻率f成正比，通過變頻器改變電機驅(qū)動電源頻率，來實現(xiàn)對電機的變頻進行無級調(diào)速。由于變頻功能齊全，停車時可通過變頻器設(shè)定停車時間，使電機立即停車。

電機旋轉(zhuǎn)時通過傳動帶帶動平衡機主軸，主軸與工件相連一起旋轉(zhuǎn)，由于工件本身不平衡，旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生振動通過傳感器將機械信號轉(zhuǎn)換成電訊號，輸入電測箱，經(jīng)電測箱運算處理后，再由顯示器顯示工件不平衡量的大小和相位。3變頻器主要參數(shù)設(shè)定3.1頻率上限下限設(shè)定：本文以Panasonc變頻器為例，最高頻率為120Hz，最低0Hz。

為了適用不同工件平衡轉(zhuǎn)速，只有通過調(diào)整電機轉(zhuǎn)速，達到工件要求。通常設(shè)定50-100Hz，即電機最高轉(zhuǎn)速限制在4450rpm以內(nèi)，以防工件平衡時轉(zhuǎn)速太高，造成平衡機系統(tǒng)某些部件損壞等問題，甚至造成破壞事故。

系統(tǒng)設(shè)定最低頻率為28Hz，即平衡機啟動時頻率可迅速上升到28Hz，電機轉(zhuǎn)速線性增加到對應(yīng)的轉(zhuǎn)速。同時避免因頻率過低，啟動時間過長，啟動轉(zhuǎn)矩不足，啟動電流過大，損壞電機。

二、汽車發(fā)電機轉(zhuǎn)子動平衡自動去重設(shè)計

隨著汽車發(fā)電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的提高，對轉(zhuǎn)子不平衡的控制要求越來越嚴格，因此，轉(zhuǎn)子的動平衡越來越受到發(fā)電機生產(chǎn)單位和發(fā)動機主機生產(chǎn)單位的重視。

對汽車發(fā)電機轉(zhuǎn)子的動平衡，目前普遍還是采用手工動平衡的方法，這種方法有如下缺點：

1、效率低。由于操作員憑經(jīng)驗操作，因而往往一臺轉(zhuǎn)子動平衡要反復(fù)多次；

2、精度差。由于加工中人的因素，因而平衡品質(zhì)不可避免地會受人的情緒等影響；

3、操作員勞動強度大。

因此，在大規(guī)模生產(chǎn)中手工動平衡方法必然被機器自動加工所代替，目前，國內(nèi)只有一些條件較好的發(fā)電機生產(chǎn)單位配備了相關(guān)設(shè)備，其中有國內(nèi)科研單位開發(fā)生產(chǎn)的，也有引進的，但它們各自存在不足。從引進設(shè)備來講，雖然其技術(shù)比較先進，性能較好，但存在成本較高、維護困難和不太適合中國國情等缺點。就國產(chǎn)設(shè)備來講，也主要存在測試穩(wěn)定性不夠、調(diào)整操作復(fù)雜和機械系統(tǒng)設(shè)計自動化程度低等不足。

三、柔性轉(zhuǎn)子全息現(xiàn)場動平衡技術(shù)及其應(yīng)用

柔性轉(zhuǎn)子全息現(xiàn)場動平衡技術(shù)是涉及旋轉(zhuǎn)機械振動與控制領(lǐng)域的現(xiàn)場動平衡技術(shù)。它適用于對電力、石化、化工等 行業(yè) 中大型回轉(zhuǎn)設(shè)備的失衡問題進行識別、平衡和平衡過程模擬。

大型回轉(zhuǎn)機械是工業(yè)生產(chǎn)中的重大關(guān)鍵設(shè)備，其事故停車將造成重大經(jīng)濟損失。柔性轉(zhuǎn)子動平衡歷來是電力、石化、化工等國民經(jīng)濟支柱產(chǎn)業(yè)中的一項關(guān)鍵技術(shù)。大量統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明：近50%的事故停車是由于轉(zhuǎn)子失衡引起。轉(zhuǎn)子的不平衡通常是引起回轉(zhuǎn)機械振動的主要原因，不平衡會引起轉(zhuǎn)子的撓曲和內(nèi)應(yīng)力，使機器振動加劇，加速軸承和軸封等零件的磨損，降低機器的工作效率，嚴重時會引起各種事故。不平衡不僅是旋轉(zhuǎn)機械主要的激振源，也是多種自激振動的誘發(fā)因素，一旦平衡狀況得以改善，一些故障現(xiàn)象也隨之消失。因此，轉(zhuǎn)子動平衡技術(shù)一直是現(xiàn)代工業(yè)中的關(guān)鍵技術(shù)。自20世紀50年代以來，國內(nèi)外發(fā)展了一系列動平衡技術(shù)和設(shè)備，為保障大型回轉(zhuǎn)機械的穩(wěn)定運行起到了積極作用。近年來，隨著大型回轉(zhuǎn)機械向高速、高效方向發(fā)展，對轉(zhuǎn)子動平衡技術(shù)也提出了更高要求。

目前，大型高速轉(zhuǎn)子，特別是大型離心式壓縮機，通常是在制造廠家的動平衡機上平衡，與現(xiàn)場工況差異較大，平衡精度往往不易得到保證?，F(xiàn)代工業(yè)中的大型回轉(zhuǎn)機械整個機組由多個轉(zhuǎn)子組成。對于多個撓性轉(zhuǎn)子組成的軸系，即使各個轉(zhuǎn)子在制造后經(jīng)過高速動平衡，在裝配成軸系或大修后，其平衡狀態(tài)也會發(fā)生變化。而且離線動平衡的周期相當長，為了進行高速動平衡，不得不將轉(zhuǎn)子取出，長途運輸?shù)缴a(chǎn)廠家?，F(xiàn)場的實際工況與動平衡機上存在較大差異，無論是支承狀況的變化、外來的激勵、機組熱變形和內(nèi)應(yīng)力的變化都是動平衡機所無法全面考慮到的，而這些因素恰恰影響著轉(zhuǎn)子的不平衡響應(yīng)。因此，用現(xiàn)場動平衡代替離線平衡已是一個明確的發(fā)展方向。近年，國外生產(chǎn)的離心壓縮機，在透平與低壓缸的半聯(lián)軸節(jié)附近設(shè)計有專用的平衡面，在結(jié)構(gòu)上提供了不揭蓋，在現(xiàn)場進行單面動平衡的便利。所以， 研究 可以實現(xiàn)精確平衡的現(xiàn)場動平衡技術(shù)，提高現(xiàn)場動平衡效率，具有重大經(jīng)濟效益，是當代工業(yè)提出的新要求。

課題組于1988年提出和公開了用于回轉(zhuǎn)機械振動診斷的全息譜原理和技術(shù)。它有效集成了轉(zhuǎn)子的幅頻相信息，提高了對回轉(zhuǎn)機械故障的識別能力。1993年后，又在此基礎(chǔ)上，將該理論與轉(zhuǎn)子現(xiàn)場動平衡技術(shù)相結(jié)合，形成全息動平衡理論和技術(shù)。它將當代的前沿信息和計算機技術(shù)引入到大型轉(zhuǎn)子動平衡中，在轉(zhuǎn)子振動信息的收集、信息的集成融合以及綜合利用方面具有獨特優(yōu)勢。全息動平衡理論和技術(shù)旨在確診機組的各類轉(zhuǎn)頻故障，降低對專家的經(jīng)驗要求，提高動平衡精度，減少動平衡的起車次數(shù)。這一技術(shù)的應(yīng)用將提高電力、石化、化工等 行業(yè) 大型回轉(zhuǎn)設(shè)備的利用率，縮短動平衡時間。

全息譜理論和技術(shù)為全息動平衡技術(shù)的建立奠定了理論基礎(chǔ)。全息譜方法將多傳感器信息進行集成與融合成多維信息，使各單獨傳感器信息之間的內(nèi)在聯(lián)系被充分利用，不平衡振動信息的特征更為突出、明顯。從而能夠從更深層次揭示轉(zhuǎn)子振動的全貌，提高平衡的效率和精度。

該項目基于課題組獨創(chuàng)的全息譜理論，用全息譜集成和融合轉(zhuǎn)子或軸系的全部振動信息，準確判斷機組的主導(dǎo)故障，評定轉(zhuǎn)子失衡的狀態(tài)和失重的影響，確定平衡配重的大小和方位。其本質(zhì)是將信息融合技術(shù)與柔性轉(zhuǎn)子動平衡技術(shù)充分結(jié)合，簡化平衡操作，提高平衡精度和效率，從理論和實踐的結(jié)合上，實現(xiàn)柔性轉(zhuǎn)子現(xiàn)場動平衡技術(shù)的新突破。該項目從全息譜理論、全息動平衡原理，到全息動平衡技術(shù)皆為課題組獨創(chuàng)，具有自主知識產(chǎn)權(quán)。

其主要內(nèi)容如下：

1、基于全息譜理論，首次闡明了轉(zhuǎn)子平衡過程在全息譜上的表現(xiàn)：轉(zhuǎn)頻橢圓上初相點的行為和作用；提出了移相橢圓的概念和利用移相橢圓預(yù)測平衡效果的技術(shù)，獲得了“轉(zhuǎn)子全息動平衡方法”的國家發(fā)明專利（ZL97108694.X）。

2、對非對稱轉(zhuǎn)子的全息動平衡，提出了測點模態(tài)比的概念和四種確定方法。進而可在任意非臨界轉(zhuǎn)速下求解轉(zhuǎn)子的平衡配重，以一次試重起車實現(xiàn)轉(zhuǎn)子兩階模態(tài)的平衡。獲得了“非對稱轉(zhuǎn)子的全息動平衡方法”的國家發(fā)明專利（ZL00113755.7）。

3、發(fā)明了多轉(zhuǎn)子、多支承軸系的全息動平衡技術(shù)。包括用N個平衡面平衡N＋1個支承處振動的策略；計算機模擬和微調(diào)代替常規(guī)多次起停車；以及用遺傳算法優(yōu)化配重；設(shè)計了全息現(xiàn)場動平衡的虛擬儀器。獲得了“柔性轉(zhuǎn)子軸系全息動平衡方法”的國家發(fā)明專利（ZL02114673.X）。

該項目的創(chuàng)新要點如下：

1、首創(chuàng)用全息譜技術(shù)識別和診斷機組的故障，確診失衡是主導(dǎo)故障，消除現(xiàn)有平衡操作的盲目性。

2、用二維、三維全息譜集成和融合雙向傳感器提供的振動信息，消除了轉(zhuǎn)子支承系統(tǒng)剛度不對稱性的影響和用單向傳感器進行現(xiàn)場動平衡所帶來的相位誤差。

3、首次闡明了轉(zhuǎn)子平衡過程在全息譜上的表現(xiàn)：轉(zhuǎn)頻橢圓上初相點的行為和作用，它與轉(zhuǎn)子失衡質(zhì)量分布間的對應(yīng)關(guān)系；提出了移相橢圓的概念和利用移相橢圓預(yù)測平衡效果的技術(shù)。

4、發(fā)明三維全息譜分解技術(shù)，將原始振動分解為靜力失衡與力偶失衡兩種響應(yīng)，達到在一次試重起車中兩個平衡面同時加重，在任意非臨界轉(zhuǎn)速下實現(xiàn)兩階模態(tài)的平衡。

5、提出測點模態(tài)比的概念及其四種確定方法。利用測點模態(tài)比和全息譜分解技術(shù)，以一次試重起車，在任意非臨界轉(zhuǎn)速下，實現(xiàn)非對稱轉(zhuǎn)子（如懸臂轉(zhuǎn)子）兩階模態(tài)的平衡。

6、發(fā)明了多轉(zhuǎn)子、多支承軸系平衡新技術(shù)。包括：①平衡支承的對偶性；②原始振動橢圓與配重橢圓的初相點互成鏡面對稱的平衡原則；③用遺傳算法逐次優(yōu)化配重的大小和方位。

7、在現(xiàn)場動平衡領(lǐng)域中采用計算機動態(tài)模擬、微調(diào)技術(shù)，直觀顯示平衡效果，以獲得最佳可行的平衡方案，代替了現(xiàn)場多次起停車操作。采用虛擬儀器的形式，研制和開發(fā)了商品化的全息現(xiàn)場動平衡儀器。
該項目采用上述技術(shù)，在計算機上準確確定配重質(zhì)量及方位，最大限度地減少現(xiàn)場機組起停車次數(shù)，縮短動平衡停車時間，提高轉(zhuǎn)子或軸系的平衡質(zhì)量。與現(xiàn)有的離線動平衡技術(shù)相比，全息現(xiàn)場動平衡技術(shù)動平衡過程時間短，能源消耗少，價格低廉，平衡精度高。

從1991年開始，該項目在10余年 研究 過程中，先后在中石化長嶺煉油廠、貴州赤天化有限公司、云天化集團有限公司、中原油田煉油化工總廠、上海高橋石化公司上海煉油廠、新疆克拉瑪依煉油廠、渭河化肥廠、渭河發(fā)電廠、陜西省蒲城電廠、河南電力試驗 研究 所等單位應(yīng)用及現(xiàn)場試驗驗證。應(yīng)用過程中正確識別判斷機組不平衡故障，準確提供不平衡數(shù)據(jù)，取得了巨大的經(jīng)濟效益。并逐步在全國石化、電力、核能、化工等 行業(yè) 推廣，受到國內(nèi)外同行的高度重視。

全息動平衡原理和技術(shù)將當代前沿技術(shù)，特別是信息技術(shù)和計算機技術(shù)引入大型高速轉(zhuǎn)子動平衡領(lǐng)域中，以全新角度構(gòu)造轉(zhuǎn)子動平衡技術(shù)，建立了柔性轉(zhuǎn)子全息動平衡理論，實現(xiàn)了動平衡理論方法的新突破。從工程實用角度出發(fā)，將信息融合技術(shù)與柔性轉(zhuǎn)子動平衡技術(shù)充分結(jié)合， 研究 出一種新的動平衡技術(shù)，簡化了平衡操作，提高了平衡的精度和效率，推動了傳統(tǒng)的機械動平衡技術(shù)的進步。

第三節(jié) 國外自動化高速動平衡機生產(chǎn)技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀

一、美國

自動化高速動平衡機主要應(yīng)用于汽車制造和電機生產(chǎn)中，而美國又是這兩個產(chǎn)業(yè)的制造大國，故對動平衡機的需求也相當可觀。2008年，美國汽車產(chǎn)量為868.1萬輛,同比減少19.3%,位居世界第三。由于2008年經(jīng)濟危機的影響和制造業(yè)像第三世界國家轉(zhuǎn)移的趨勢，美國市場的恢復(fù)還需一段時間觀察，預(yù)計市場表現(xiàn)不及新興發(fā)展中國家火熱。

二、日本

日本國際計測器株式會社在1994年與孝感試驗機廠組建合資公司，孝感松林國際計測器有限公司。公司生產(chǎn)的動平衡器已廣泛應(yīng)用于航天、航空、汽車制造、內(nèi)燃機、列車機車、摩托車、電機、風機、水泵、農(nóng)業(yè)機械、造紙機械、輕工機械、家用電器等許多領(lǐng)域。

三、歐盟

德國卡爾-申克股份有限公司是引領(lǐng)歐洲乃至世界的工業(yè)動平衡機制造技術(shù)的著名企業(yè)，公司生產(chǎn)的動平衡設(shè)備從臥式、立式、半自動到自動平衡機以及專用于工具、汽車摩托車曲軸、傳動軸、高速紡機等特殊平衡機，覆蓋汽車、電氣、航天航空、渦輪機、通用機械等 行業(yè) 。

第四節(jié) 我國自動化高速動平衡機技術(shù)應(yīng)用成熟度 分析

我國自動化高速動平衡機還處在技術(shù)研發(fā)階段，目前該產(chǎn)品技術(shù)主要被德國、日本等的幾家公司所掌握。我國相關(guān)科研單位及企業(yè)正在加緊對產(chǎn)品技術(shù)的開發(fā)，目前所掌握與開發(fā)出的技術(shù)與國外先進水平存在很大差距，因此，我國自動化高速動平衡機技術(shù)應(yīng)用并不成熟。

第五節(jié) 不同生產(chǎn)工藝優(yōu)缺點比較 分析

我國的平衡機是以二十世紀五十年代的火花式平衡機為起點逐步發(fā)展起來的。目前在機械支承座的設(shè)計方面：不僅從諧振式結(jié)構(gòu)、軟支承結(jié)構(gòu)發(fā)展到硬支承結(jié)構(gòu)，還研制成功具有各向同性變剛度支承座的80t和200t高速平衡機，在裝備了我國電站設(shè)備工業(yè)的同時，也在國外市場上爭得了良好聲譽；在電測儀方面：經(jīng)歷了真空管，半導(dǎo)體分立元件，集成電路元件和大規(guī)模集成電路元件等幾個發(fā)展階段后，目前已應(yīng)用電子計算機技術(shù)開發(fā)研制成功電腦平衡電測儀，使平衡機的技術(shù)水平得以不斷提升；在傳感器方面：我們不僅研制出不同靈敏度的磁電式傳感器、壓電式力傳感器，而且一種新型的傳感器正在設(shè)計開發(fā)中。
 

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