管道屏蔽電泵葉輪動(dòng)平衡檢測(cè)技術(shù)研究

一、檢測(cè)原理

葉輪動(dòng)平衡檢測(cè)的核心原理是轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)與振動(dòng)理論。當(dāng)葉輪存在質(zhì)量分布不均（即不平衡）時(shí)，在高速旋轉(zhuǎn)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生一個(gè)離心力，該力與不平衡量的大小、所處半徑以及旋轉(zhuǎn)角速度的平方成正比。此離心力會(huì)周期性地作用于泵的軸承系統(tǒng)，引發(fā)振動(dòng)和噪音，并降低設(shè)備壽命。

動(dòng)平衡檢測(cè)通過(guò)測(cè)量該離心力引發(fā)的振動(dòng)信號(hào)來(lái)反推不平衡量的大小和相位（角度位置）。其科學(xué)依據(jù)主要基于以下方程：
F = m × r × ω²
其中，F(xiàn)為離心力，m為不平衡質(zhì)量，r為不平衡質(zhì)量所在半徑，ω為旋轉(zhuǎn)角速度。

檢測(cè)系統(tǒng)通常包含振動(dòng)傳感器（速度或加速度傳感器）和相位參考傳感器（通常是光電或激光傳感器）。振動(dòng)傳感器測(cè)量由不平衡力激發(fā)的振動(dòng)幅值，而相位傳感器則提供一個(gè)與葉輪旋轉(zhuǎn)同步的參考信號(hào)，用于確定不平衡質(zhì)量所在的精確角度。通過(guò)測(cè)量在某一校準(zhǔn)轉(zhuǎn)速下振動(dòng)的幅值和相位，平衡機(jī)即可計(jì)算出需要在特定校正平面上添加或去除的配重質(zhì)量和角度，以實(shí)現(xiàn)力的平衡。

對(duì)于剛性轉(zhuǎn)子，通常采用兩平面動(dòng)平衡原理，即在兩個(gè)選定的校正平面上進(jìn)行平衡校正，以消除靜不平衡（力不平衡）和偶不平衡（力偶不平衡）。

二、檢測(cè)項(xiàng)目

葉輪動(dòng)平衡檢測(cè)項(xiàng)目可系統(tǒng)分類如下：

1. 初始不平衡量檢測(cè)：對(duì)新制造或修復(fù)后的葉輪，在未進(jìn)行任何平衡校正前，測(cè)量其原始不平衡量的大小和分布。

2. 單面/雙面動(dòng)平衡檢測(cè)：

   • 單面平衡：適用于長(zhǎng)徑比小、盤狀結(jié)構(gòu)的葉輪，主要校正靜不平衡。檢測(cè)項(xiàng)目集中在單個(gè)校正平面上。

   • 雙面平衡：適用于大多數(shù)管道屏蔽電泵的葉輪，即長(zhǎng)徑比較大的轉(zhuǎn)子。檢測(cè)項(xiàng)目包括在兩個(gè)校正平面上分別測(cè)量和校正不平衡量，以同時(shí)消除靜不平衡和偶不平衡。

3. 許用剩余不平衡量檢測(cè)：平衡校正后，驗(yàn)證葉輪的剩余不平衡量是否低于標(biāo)準(zhǔn)或產(chǎn)品規(guī)范規(guī)定的許用值。

4. 平衡轉(zhuǎn)速下的振動(dòng)檢測(cè)：在平衡機(jī)上，于設(shè)定的平衡轉(zhuǎn)速下，測(cè)量葉輪支撐座或主軸的振動(dòng)速度或位移有效值，作為平衡質(zhì)量的輔助評(píng)判。

5. 過(guò)速試驗(yàn)后的平衡復(fù)檢：對(duì)用于高轉(zhuǎn)速工況的葉輪，在超過(guò)額定轉(zhuǎn)速一定比例的轉(zhuǎn)速下運(yùn)行后，重新檢測(cè)其平衡狀態(tài)，以檢驗(yàn)轉(zhuǎn)子在過(guò)速條件下的穩(wěn)定性。

三、檢測(cè)范圍

管道屏蔽電泵廣泛應(yīng)用于各行業(yè)，其葉輪動(dòng)平衡要求因應(yīng)用領(lǐng)域而異：

• 暖通空調(diào)與給排水：用于建筑循環(huán)水系統(tǒng)。要求中等，需保證低噪音和平穩(wěn)運(yùn)行，避免對(duì)居住環(huán)境造成影響。

• 工業(yè)流程：用于化工、石油、制藥、冶金等行業(yè)，輸送各類工藝流體（包括腐蝕性、易燃易爆介質(zhì)）。要求極高，動(dòng)平衡精度直接關(guān)系到密封可靠性、軸承壽命和整個(gè)流程裝置的安全連續(xù)運(yùn)行。

• 區(qū)域供熱與制冷：用于大型集中供熱/冷管網(wǎng)。要求較高，因泵的功率和尺寸較大，不平衡會(huì)引發(fā)嚴(yán)重的管道振動(dòng)和基礎(chǔ)疲勞。

• 電力與能源：用于電廠冷卻水循環(huán)、鍋爐給水等。要求極為嚴(yán)格，需符合API等高標(biāo)準(zhǔn)，確保發(fā)電主設(shè)備的絕對(duì)可靠性。

• 特種應(yīng)用：如核電站、航天航海等。要求高，需滿足特殊的抗震、抗沖擊和長(zhǎng)壽命要求，動(dòng)平衡檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)為嚴(yán)苛。

具體檢測(cè)范圍覆蓋從微型家用泵葉輪到大型工業(yè)用泵葉輪，重量從幾公斤到數(shù)百公斤，平衡轉(zhuǎn)速根據(jù)其工作轉(zhuǎn)速范圍確定。

四、檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)

國(guó)內(nèi)外對(duì)轉(zhuǎn)子平衡技術(shù)制定了多項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，核心標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比如下：

• 標(biāo)準(zhǔn)ISO 1940-1《機(jī)械振動(dòng) 轉(zhuǎn)子平衡質(zhì)量要求》：這是廣泛接受的標(biāo)準(zhǔn)。它根據(jù)轉(zhuǎn)子的類型和工作轉(zhuǎn)速，規(guī)定了平衡質(zhì)量等級(jí)“G”系列（如G6.3, G2.5）。該標(biāo)準(zhǔn)推薦了基于轉(zhuǎn)子類型和大工作轉(zhuǎn)速的許用剩余不平衡量計(jì)算公式：e_per × ω = G，其中e_per為許用剩余不平衡偏心距（μm），ω為大工作角速度（rad/s）。管道屏蔽電泵葉輪通常要求達(dá)到G6.3或G2.5等級(jí)。

• 中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 9239《機(jī)械振動(dòng) 轉(zhuǎn)子平衡》：該標(biāo)準(zhǔn)等同采用ISO 1940-1，技術(shù)要求與ISO標(biāo)準(zhǔn)完全一致，是國(guó)內(nèi)進(jìn)行動(dòng)平衡檢測(cè)的主要依據(jù)。

• 美國(guó)石油學(xué)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)API 610《石油、石化和天然氣工業(yè)用離心泵》：針對(duì)工業(yè)流程泵提出了更嚴(yán)格的要求。它規(guī)定在制造和維修后必須進(jìn)行動(dòng)平衡，并對(duì)平衡精度、校驗(yàn)轉(zhuǎn)速和振動(dòng)驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)有明確且高于ISO通用標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。

• 行業(yè)與企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)：各泵制造廠商通常會(huì)制定內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)，其要求往往嚴(yán)于標(biāo)準(zhǔn)，以確保產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)和可靠性。

對(duì)比分析：ISO 1940-1/GB/T 9239是基礎(chǔ)性和通用性標(biāo)準(zhǔn)。API 610等行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)則更具針對(duì)性，要求更為具體和嚴(yán)格。在實(shí)際檢測(cè)中，應(yīng)優(yōu)先遵循產(chǎn)品技術(shù)協(xié)議或合同中指定的標(biāo)準(zhǔn)，若無(wú)指定，則默認(rèn)采用ISO/GB標(biāo)準(zhǔn)。

五、檢測(cè)方法

主要檢測(cè)方法為硬支承平衡機(jī)法和現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡法。

1. 硬支承平衡機(jī)法（主要方法）

   • 原理：平衡機(jī)支承架的剛度很高，其固有頻率遠(yuǎn)高于平衡轉(zhuǎn)速。被測(cè)轉(zhuǎn)子在不平衡離心力作用下，支承架的振動(dòng)位移與不平衡力成正比。通過(guò)預(yù)先標(biāo)定好的影響系數(shù)（與轉(zhuǎn)子重量、幾何尺寸、轉(zhuǎn)速、支承方式有關(guān)），可直接解算出不平衡量的大小和相位。

   • 操作要點(diǎn)：

     • 工裝準(zhǔn)備：選擇合適的工裝夾具，確保葉輪與平衡機(jī)主軸同心且可靠固定。

     • 參數(shù)輸入：準(zhǔn)確輸入葉輪的質(zhì)量、校正半徑、平衡轉(zhuǎn)速以及平衡質(zhì)量等級(jí)目標(biāo)。

     • 初始測(cè)量：?jiǎn)?dòng)平衡機(jī)，測(cè)量初始不平衡量的幅值和相位。

     • 試重校正：根據(jù)儀器提示，在指定相位添加試重（或進(jìn)行去重），再次測(cè)量。

     • 終平衡：根據(jù)測(cè)量結(jié)果計(jì)算并施加終配重，直至剩余不平衡量低于許用值。

     • 驗(yàn)證：進(jìn)行終驗(yàn)證運(yùn)行，記錄剩余不平衡量數(shù)據(jù)。

2. 現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡法（補(bǔ)充方法）

   • 應(yīng)用場(chǎng)景：適用于已安裝在泵中的葉輪，或因尺寸過(guò)大無(wú)法在平衡機(jī)上檢測(cè)的情況。

   • 原理：在設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)，使用便攜式振動(dòng)分析儀和相位計(jì)，測(cè)量軸承座在運(yùn)行轉(zhuǎn)速下的振動(dòng)。通過(guò)試重法，測(cè)量加試重前后的振動(dòng)幅值和相位變化，計(jì)算影響系數(shù)，進(jìn)而確定所需校正質(zhì)量的大小和位置。

   • 操作要點(diǎn)：

     • 確保設(shè)備安全停機(jī)，并在可接近的位置做好試重安裝標(biāo)記。

     • 精確測(cè)量初始振動(dòng)數(shù)據(jù)。

     • 試重質(zhì)量要適中，既能引起明顯的振動(dòng)變化，又不會(huì)對(duì)設(shè)備造成風(fēng)險(xiǎn)。

     • 至少需要進(jìn)行一次試重運(yùn)行，利用矢量計(jì)算求解。

六、檢測(cè)儀器

用于葉輪動(dòng)平衡檢測(cè)的主要儀器是動(dòng)平衡機(jī)。

• 技術(shù)特點(diǎn)：

  • 機(jī)械系統(tǒng)：包括堅(jiān)固的床身、高精度的主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)（通常為變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)）、以及硬支承或軟支承的擺架系統(tǒng)。硬支承平衡機(jī)測(cè)量的是力，軟支承平衡機(jī)測(cè)量的是振動(dòng)位移。

  • 測(cè)量系統(tǒng)：核心是數(shù)據(jù)采集與處理單元。包含高靈敏度的振動(dòng)傳感器、光電相位傳感器、高速A/D轉(zhuǎn)換器和微處理器?，F(xiàn)代平衡機(jī)普遍采用DSP（數(shù)字信號(hào)處理）技術(shù)，能有效濾除干擾信號(hào)，提高測(cè)量精度。

  • 軟件系統(tǒng)：提供用戶界面，用于參數(shù)設(shè)置、測(cè)量過(guò)程控制、不平衡量計(jì)算與角度定位、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與報(bào)告生成。高級(jí)功能包括自動(dòng)定標(biāo)、平面分離計(jì)算、以及兼容多種平衡標(biāo)準(zhǔn)。

  • 性能指標(biāo)：關(guān)鍵指標(biāo)包括小可達(dá)剩余不平衡量（emar） 和不平衡量減少率（URR），這些直接反映了平衡機(jī)的精度和能力。

除專用平衡機(jī)外，現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡儀集成了振動(dòng)測(cè)量、相位分析和矢量運(yùn)算功能，是便攜式的檢測(cè)設(shè)備。

七、結(jié)果分析

檢測(cè)結(jié)果的分析與評(píng)判是平衡工作的終環(huán)節(jié)。

1. 數(shù)據(jù)分析方法：

   • 幅值與相位分析：確認(rèn)剩余不平衡量的矢量值（幅值和相位）是否穩(wěn)定。若數(shù)據(jù)跳動(dòng)過(guò)大，需檢查葉輪安裝、軸頸圓度或平衡機(jī)自身狀態(tài)。

   • 平面分離驗(yàn)證：對(duì)于雙面平衡，檢查兩個(gè)校正平面的不平衡量是否被有效且獨(dú)立地校正，是否存在相互干擾。

   • 趨勢(shì)分析：對(duì)于批量生產(chǎn)的葉輪，統(tǒng)計(jì)分析其初始不平衡量的分布，可以反饋和改進(jìn)制造工藝。

2. 評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)：

   • 主要標(biāo)準(zhǔn)：剩余不平衡量是否小于等于許用剩余不平衡量（U_per）。U_per可根據(jù)選定的平衡質(zhì)量等級(jí)G和葉輪大工作轉(zhuǎn)速，通過(guò)公式 U_per = (G × 1000 × M) / (ω) 計(jì)算得出，其中M為轉(zhuǎn)子質(zhì)量(kg)，ω為大工作角速度(rad/s)，U_per單位為g·mm。

   • 輔助標(biāo)準(zhǔn)：

     • 振動(dòng)烈度：平衡后，在平衡機(jī)上或?qū)嶋H運(yùn)行中，軸承處的振動(dòng)速度有效值應(yīng)符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)（如ISO 10816）的規(guī)定。

     • 感官評(píng)判：平衡良好的葉輪在運(yùn)行時(shí)應(yīng)無(wú)異常噪音和劇烈振動(dòng)。

當(dāng)檢測(cè)結(jié)果不滿足評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，需重新進(jìn)行平衡校正，直至合格。所有檢測(cè)數(shù)據(jù)、校正記錄和終結(jié)果均應(yīng)形成正式報(bào)告，存檔備查。