动平衡机与转子的平衡是机械工程中重要的工艺环节，主要用于消除旋转部件（转子）在高速运转时因质量分布不均引起的振动和噪声。以下从原理、方法、应用等方面进行系统阐述：

一、动平衡机的工作原理

1. 力学基础 动平衡基于刚体旋转动力学，当转子角速度ω时，不平衡量产生离心力F=m·r·ω²，导致系统受迫振动。动平衡机通过测量轴承座振动信号或转子位移量，解算不平衡量大小及相位。
2. 传感器系统

• 压电式加速度计：检测振动加速度（灵敏度50mV/g）
• 电涡流传感器：测量轴位移（分辨率0.1μm）
• 光电编码器：相位基准（精度±0.1°）

1. 信号处理 采用FFT算法分解振动频谱，通过影响系数法建立校正平面与测量点的传递矩阵，求解最小二乘解。

   二、转子分类及平衡策略

   | 转子类型 | 长径比 | 工作转速(rpm) | 平衡等级G | 校正平面数 | |-|–||–|| | 刚性转子 | <0.5 | <0.7临界转速 | G6.3 | 单平面 | | 柔性转子 | ≥0.5 | >0.7临界转速 | G2.5 | 多平面 | 特殊转子处理：

• 曲轴：采用偶平衡法，补偿往复惯性力

• 涡轮转子：需热态平衡（400-600℃工况模拟）

  

• 超细长轴：模态平衡法（n≤3阶模态）

  三、动平衡机选型参数

1. 关键指标

• 最大承载：500kg-50t
• 转速范围：100-100,000rpm
• 剩余不平衡度：≤0.1g·mm/kg
• 相位误差：±1°
• 最小可达剩余不平衡量（MRU）：0.01g·mm

1. 设备类型比较 | 类型 | 适用转子 | 精度(μm) | 典型应用 | ||-|-|–| | 硬支承式 | 中小型刚性转子 | 1-5 | 电机转子、飞轮 | | 软支承式 | 精密柔性转子 | 0.1-1 | 航空发动机转子 | | 现场平衡仪 | 大型机组在线平衡 | 5-10 | 水轮机、风机 |

   四、平衡校正实施要点

2. 去重法

• 铣削加工：深度控制±0.01mm
• 激光烧蚀：适用于硬化表面（HRC>50）
• EDM加工：复杂型面修正

1. 配重法

• 计算式：m_c = (U·R)/(r·k) （U-不平衡量，R-校正半径，r-配重半径，k-动平衡系数）

1. 自适应校正 基于PID控制算法：

def adaptive_balance(u_error):
    Kp = 0.8  # 比例系数
    Ki = 0.05  # 积分系数
    integral = accumulate(u_error)
    correction = Kp*u_error + Ki*integral
    return correction

五、工程应用案例

某离心压缩机转子（质量820kg，工作转速12,300rpm）振动超标分析：

1. 初始振动值：12.5mm/s（ISO10816-3标准限值4.5mm/s）

2. 动平衡检测：

   • 左平面不平衡量：358g·mm @125°
   • 右平面不平衡量：274g·mm @310°

3. 校正方案：

   • 左校正面钻孔φ8×6mm（去重32g）
   • 右校正面加装钛合金配重块（28g）

4. 最终结果：

   • 振动降至3.2mm/s

   • 剩余不平衡量8g·mm（达到G1.6级）

     六、发展趋势

5. 智能化技术

• 数字孪生：建立转子动力学数字模型，实现虚拟平衡
• 机器学习：基于历史数据预测平衡参数（准确率>92%）

1. 新型测量技术

• 光纤光栅传感器：抗电磁干扰，适用于核电环境
• 激光多普勒测振：非接触式测量（分辨率0.01μm）

1. 标准演进

• ISO 21940-11:2017 新增柔性转子平衡规范
• API 617第9版强化压缩机转子平衡要求 建议在实施动平衡时，优先考虑转子实际工况（温度、装配应力等），采用模态分析辅助校正平面选择。对于高速转子，建议进行多次升速平衡，并在1.2倍工作转速下进行验证试验。