水環(huán)式真空泵平衡試驗(yàn)檢測技術(shù)

一、檢測原理

水環(huán)式真空泵的平衡試驗(yàn)核心在于檢測和校正轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的不平衡量。其技術(shù)原理基于剛性轉(zhuǎn)子動平衡理論。

1. 不平衡機(jī)理：轉(zhuǎn)子在制造和裝配過程中，由于材料密度不均、毛坯缺陷、加工與裝配誤差等因素，導(dǎo)致其質(zhì)量分布與幾何軸線不完全對稱，從而產(chǎn)生不平衡。當(dāng)轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)時，不平衡質(zhì)量會產(chǎn)生離心力，其大小與不平衡量、旋轉(zhuǎn)角速度的平方成正比（F = m·r·ω²）。該離心力通過軸承傳遞至泵體及基礎(chǔ)，引發(fā)振動和噪音，加速軸承磨損，降低機(jī)械密封壽命，甚至導(dǎo)致轉(zhuǎn)子與泵體擦碰等嚴(yán)重故障。

2. 平衡原理：平衡校正的本質(zhì)是在轉(zhuǎn)子的特定校正平面上，通過增加或去除質(zhì)量，生成一個與原始不平衡離心力大小相等、方向相反的校正離心力，使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的合力與合力矩為零，達(dá)到平衡狀態(tài)。對于水環(huán)真空泵轉(zhuǎn)子，通常遵循ISO 1940-1標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的剛性轉(zhuǎn)子平衡品質(zhì)等級要求，采用雙面動平衡法，即在兩個預(yù)設(shè)的校正平面上進(jìn)行不平衡量的測量與校正。

二、檢測項目

平衡試驗(yàn)檢測項目可系統(tǒng)分為以下幾類：

1. 初始不平衡量檢測：

   • 內(nèi)容：在未進(jìn)行任何平衡校正前，測量轉(zhuǎn)子在兩個校正平面上的原始不平衡量的大小和相位角。

   • 目的：評估轉(zhuǎn)子的初始質(zhì)量分布狀態(tài)，為后續(xù)校正提供依據(jù)。

2. 殘余不平衡量檢測：

   • 內(nèi)容：完成平衡校正后，再次精確測量轉(zhuǎn)子在兩個校正平面上的剩余不平衡量。

   • 目的：驗(yàn)證平衡校正的效果，確保殘余不平衡量低于標(biāo)準(zhǔn)允許的限值。

3. 平衡品質(zhì)等級評定：

   • 內(nèi)容：根據(jù)測得的殘余不平衡量，結(jié)合轉(zhuǎn)子的大工作轉(zhuǎn)速，計算平衡品質(zhì)等級G值（單位：mm/s）。

   • 目的：依據(jù)或標(biāo)準(zhǔn)（如ISO 1940-1）對轉(zhuǎn)子的平衡狀態(tài)進(jìn)行分級評定。

4. 振動速度/位移檢測（輔助驗(yàn)證）：

   • 內(nèi)容：在平衡試驗(yàn)機(jī)上或泵組現(xiàn)場運(yùn)行時，測量軸承座等關(guān)鍵位置的振動速度有效值或位移幅值。

   • 目的：將平衡效果與整機(jī)振動水平關(guān)聯(lián)，作為平衡質(zhì)量的間接驗(yàn)證。

三、檢測范圍

水環(huán)式真空泵廣泛應(yīng)用于各行業(yè)，其平衡試驗(yàn)要求因應(yīng)用領(lǐng)域而異：

1. 通用工業(yè)領(lǐng)域：如化工、制藥、食品行業(yè)的物料輸送、真空過濾、蒸餾干燥。要求平衡品質(zhì)等級通常達(dá)到G6.3級，確保運(yùn)行平穩(wěn)，滿足一般生產(chǎn)需求。

2. 電力行業(yè)：用于凝汽器抽真空系統(tǒng)。要求高可靠性，平衡品質(zhì)等級需達(dá)到G2.5級或更高，以保障發(fā)電機(jī)組長期連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行。

3. 電子與半導(dǎo)體行業(yè)：用于晶圓制造、鍍膜等潔凈真空環(huán)境。除高平衡等級（G1.0級或更高）外，還對平衡過程中的清潔度有嚴(yán)格要求，防止微粒污染。

4. 造紙與紡織行業(yè)：用于脫水、引紗等工藝。環(huán)境濕度大、可能纖維粉塵多，平衡試驗(yàn)需考慮運(yùn)行環(huán)境對轉(zhuǎn)子可能造成的潛在不平衡影響。

5. 煤礦與冶金行業(yè)：環(huán)境惡劣，可能存在爆炸性氣體或粉塵。用于此領(lǐng)域的真空泵，其平衡試驗(yàn)需格外嚴(yán)格，確保低振動，避免成為點(diǎn)火源，平衡等級通常要求G6.3或G2.5。

四、檢測標(biāo)準(zhǔn)

國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)對轉(zhuǎn)子平衡提出了明確要求。

1. 標(biāo)準(zhǔn)：

   • ISO 1940-1《機(jī)械振動 轉(zhuǎn)子平衡品質(zhì)要求 第1部分：剛性轉(zhuǎn)子平衡品質(zhì)的確定與驗(yàn)證》：是上的剛性轉(zhuǎn)子平衡標(biāo)準(zhǔn)。它定義了平衡品質(zhì)等級G，為不同轉(zhuǎn)子類型提供了推薦等級（如水環(huán)泵轉(zhuǎn)子通常對應(yīng)G6.3級）。

   • ISO 10816《機(jī)械振動 通過非旋轉(zhuǎn)部件測量評估機(jī)器振動》系列：規(guī)定了在泵體上測量振動的限值，可作為平衡效果的現(xiàn)場驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)。

2. 國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)：

   • GB/T 9239.1《機(jī)械振動 轉(zhuǎn)子平衡 第1部分：剛性轉(zhuǎn)子平衡品質(zhì)要求》：等同采用ISO 1940-1。

   • GB/T 3215《石油、重化學(xué)和天然氣工業(yè)用離心泵》：雖為離心泵標(biāo)準(zhǔn)，但其對轉(zhuǎn)子平衡的要求（通常要求達(dá)到G2.5級或更高）對高性能水環(huán)真空泵有重要參考價值。

   • JB/T 7255《水環(huán)真空泵和水環(huán)壓縮機(jī)》：行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中會明確規(guī)定轉(zhuǎn)子應(yīng)進(jìn)行動平衡試驗(yàn)，并對殘余不平衡量或平衡品質(zhì)提出具體要求。

3. 對比分析：

   • 核心一致性：在平衡原理和平衡品質(zhì)等級定義上，國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)與標(biāo)準(zhǔn)（ISO）基本接軌。

   • 側(cè)重差異：ISO標(biāo)準(zhǔn)體系更為通用和系統(tǒng)；國內(nèi)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（如JB/T）則更結(jié)合國內(nèi)具體產(chǎn)品類型，可能給出更直接的指標(biāo)。在實(shí)際操作中，通常優(yōu)先遵循產(chǎn)品技術(shù)條件或合同指定的標(biāo)準(zhǔn)，若無，則參照ISO 1940-1和GB/T 9239.1。

五、檢測方法

主要檢測方法為硬支承動平衡機(jī)測量法。

1. 方法概述：轉(zhuǎn)子在動平衡機(jī)的硬支承（高剛度）支架上被驅(qū)動旋轉(zhuǎn)，通過安裝在支承處的振動傳感器檢測因不平衡引起的振動信號，經(jīng)解算分離出左右兩個校正平面上的不平衡量大小和相位。

2. 操作要點(diǎn)：

   • 轉(zhuǎn)子準(zhǔn)備：清潔轉(zhuǎn)子，確保校正平面、支承軸頸無損傷、無污物。安裝好平衡芯軸（若需要）。

   • 裝機(jī)與參數(shù)設(shè)置：將轉(zhuǎn)子穩(wěn)妥地安裝于平衡機(jī)支承上，驅(qū)動連接良好。在平衡機(jī)控制系統(tǒng)中準(zhǔn)確輸入轉(zhuǎn)子的幾何參數(shù)：兩校正平面間距、校正平面至左右支承的距離、支承軸頸直徑、轉(zhuǎn)子工作轉(zhuǎn)速等。

   • 試重與校準(zhǔn)：對于初始平衡或重大修理后的轉(zhuǎn)子，可能需要進(jìn)行試重運(yùn)行，以校準(zhǔn)測量系統(tǒng)。

   • 測量與校正：啟動平衡機(jī)進(jìn)行測量，根據(jù)儀表顯示的不平衡量（克）和相位角（度），在指定的校正半徑上，通過焊接平衡塊、鉆孔去重或安裝平衡螺絲等方式進(jìn)行校正。

   • 復(fù)測與驗(yàn)證：完成校正后，再次啟動平衡機(jī)進(jìn)行復(fù)測，直至殘余不平衡量滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。終打印或記錄平衡報告。

六、檢測儀器

核心檢測設(shè)備為動平衡機(jī)。

1. 硬支承動平衡機(jī)：

   • 技術(shù)特點(diǎn)：支承剛度大，固有頻率遠(yuǎn)高于轉(zhuǎn)子平衡轉(zhuǎn)速。其測量原理基于離心力計算（F = m·r·ω²），測量結(jié)果與轉(zhuǎn)速無關(guān)，但需精確輸入轉(zhuǎn)子幾何尺寸。測量前無需每轉(zhuǎn)子試重校準(zhǔn)（定標(biāo)），效率高，適用于中、高速及批量轉(zhuǎn)子平衡。

   • 適用性：是水環(huán)真空泵轉(zhuǎn)子平衡常用的設(shè)備。

2. 軟支承動平衡機(jī)：

   • 技術(shù)特點(diǎn)：支承剛度小，固有頻率低于轉(zhuǎn)子平衡轉(zhuǎn)速。轉(zhuǎn)子在共振區(qū)附近運(yùn)行，測量的是振動位移。其測量結(jié)果與轉(zhuǎn)速有關(guān)，測量前通常需要對每個轉(zhuǎn)子類型進(jìn)行試重校準(zhǔn)（定標(biāo)）。對微小不平衡量靈敏度高。

   • 適用性：多用于實(shí)驗(yàn)室、研究或?qū)ζ胶饩纫髽O高的特殊場合。

3. 現(xiàn)場動平衡儀：

   • 技術(shù)特點(diǎn)：便攜式設(shè)備，可在泵組安裝現(xiàn)場對轉(zhuǎn)子進(jìn)行不平衡檢測與校正。通過臨時安裝在泵體上的振動傳感器和光電轉(zhuǎn)速傳感器進(jìn)行測量分析。適用于大型轉(zhuǎn)子拆裝不便或急需現(xiàn)場故障診斷的場景。

   • 適用性：作為平衡機(jī)試驗(yàn)的補(bǔ)充，主要用于故障診斷和應(yīng)急處理，精度和效率通常低于專用動平衡機(jī)。

七、結(jié)果分析

1. 分析方法：

   • 直接讀數(shù)法：平衡機(jī)直接顯示每個校正面的殘余不平衡量（Ures, 單位：g·mm）或質(zhì)量（g，需指定校正半徑）及相位角。將此值與計算得到的允許殘余不平衡量（Uper）進(jìn)行比較。

   • 平衡品質(zhì)計算法：根據(jù)公式 G = (Uper · ω) / M，其中Uper為允許殘余不平衡量（g·mm），ω為轉(zhuǎn)子大工作角速度（rad/s），M為轉(zhuǎn)子質(zhì)量（kg）。實(shí)際評定時，使用測得的Ures計算實(shí)際G值，或由標(biāo)準(zhǔn)推薦的G值反算出Uper。常用公式簡化：Uper (g·mm) = 9549 · M (kg) · G (mm/s) / n (rpm)。

2. 評判標(biāo)準(zhǔn)：

   • 核心標(biāo)準(zhǔn)：每個校正平面上的殘余不平衡量必須小于或等于允許殘余不平衡量，即 Ures ≤ Uper。

   • 等級評判：計算得到的實(shí)際平衡品質(zhì)G值，應(yīng)滿足產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)或約定的平衡品質(zhì)等級要求（如G6.3）。對于水環(huán)真空泵，G6.3是常見商用等級，G2.5用于要求更高的場合。

   • 振動驗(yàn)證：若進(jìn)行了振動測量，其振動速度有效值應(yīng)符合ISO 10816或GB/T 6075等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中對泵類設(shè)備振動烈度的限值規(guī)定，通常作為平衡效果的輔助和終驗(yàn)證。在額定轉(zhuǎn)速下，軸承座處的振動速度有效值不應(yīng)超過標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的B級或C級范圍。

通過上述系統(tǒng)的檢測、分析與評判，可確保水環(huán)式真空泵轉(zhuǎn)子具備優(yōu)良的平衡狀態(tài)，為整機(jī)的穩(wěn)定、、長壽命運(yùn)行奠定堅實(shí)基礎(chǔ)。