不平衡是带有旋转部件的机器中最常见的振动源。这是现代机械设计中需要考虑的一个非常重要的因素，特别是在高速和高可靠性的情况下。转子的平衡可以防止轴承过载，避免疲劳失效，从而延长机器的使用寿命。

本应用说明将演示使用便携式B & K仪器在现场平衡刚性转子是多么简单明了。

B & K平衡机可接受用于生产线平衡和实验室使用的旋转部件，并在单独的出版物中进行了介绍。

转子不平衡是质量分布不均匀的结果，这会导致转子振动。振动是由不平衡的质量分量与旋转引起的径向加速度相互作用而产生的，两者共同产生离心力。由于质量分量旋转，力也随之旋转，并试图使转子沿着力的作用线移动。振动将传递到转子的轴承上，轴承上的任何一点都会在每次旋转时受到一次这种力的作用。

平衡是试图改善转子质量分布的过程，使其在轴承中旋转时不会产生未补偿的离心力。这通常是通过在规定位置向转子增加补偿质量来实现的。也可以通过去除固定数量的材料来实现，例如钻孔。

现场平衡是指在转子自身的轴承和支撑结构中，而不是在平衡机中对转子进行平衡的过程

静不平衡是指转子重心的偏心，由距离旋转中心一定半径处的点质量引起（见图1）。需要一个与不平衡质量成180 °角并位于相同半径的相等质量，才能将重心恢复到旋转中心。静平衡包括将主要作用力分解到一个平面上，并在该平面上增加一个校正质量。许多旋转部件的大部分质量都集中在一个平面内或非常接近一个平面，如飞轮、磨石、汽车车轮等，都可以视为静平衡问题来处理。如果转子的直径超过其宽度的7至10倍，则通常将其视为单面转子。

转子的平衡是通过将一定大小的校正质量置于一定位置来抵消转子的不平衡。必须确定校正质量的大小和位置。

进行现场平衡的原理是通过增加试验质量（试块）来改变转子的质量分布（通常是暂时的），并测量由此产生的轴承振动的相位和幅度。通过这些试验校正的效果，可以确定所需校正质量大小和位置。这些数值通常是在袖珍计算器（简单的计算软件）的帮助下计算得出的。

转子每转一圈，轴承上的任何固定点都会受到不平衡产生的离心力作用。因此，在振动信号的频谱中，不平衡表现为旋转频率下的振动增加。

不平衡引起的振动通过安装在轴承箱上的加速度计进行测量，见图5。振动信号通过一个根据转子旋转频率调谐的滤波器，因此仅测量该旋转频率下的振动分量。滤波后的信号被传递到振动计上，由振动计显示振动幅度。显示的振动水平与不平衡质量所产生的力成正比。

图5：基本测量链

相位计测量并显示转速计探头信号（参考信号）和滤波后振动信号之间的相位。通过相位计显示的角度，可以确定不平衡点在转子上相对于基准位置的角度位置。

在尝试平衡之前，应先进行频率分析，以确定是不平衡导致振动过大，还是其它故障，如不对中或轴弯曲等。如果转子不平衡，在其旋转频率下会出现一个振动峰值，该峰值通常占频谱的主导地位。

通过对平衡前后的频率进行分析，还可以清楚地看到平衡后振动水平的降低（见图6）。

图7：使用三个不同的测量参数（加速度、速度和位移）产生的频谱，每个参数的信号范围如图所示

在振动测量中，通常会选择曲线相对最平坦的参数（即频谱水平相对最整齐的参数）。该参数要求测量仪器的动态范围最小，因此信噪比较高。

经验表明，速度通常具有相对最平坦的曲线，因此是最常选择的参数。使用加速度往往会削弱较高频率的成分，因此在低频噪音较多的情况下会选择加速度。而位移则倾向于强调低频成分，因此用于避免高频噪声。

理想情况下，一台平衡的机器不会显示出不平衡。然而，在实践中，由于铸造/加工公差的原因，完美的平衡永远无法实现。对于不同类型和尺寸的机器，被视为过度的振动程度也大不相同：例如，汽车曲轴中可接受的振动程度很可能会毁掉一台唱片播放机。因此，必须根据可接受的振动水平对需要平衡的转子进行分类。

表1显示了基于ISO 1940标准的B & K平衡机不平衡示意图。该示意图列出了质量等级和每个等级的一些典型示例。一旦确定了等级，如果知道转子的运行速度，就可以确定最大允许残余不平衡。得到的值就是平衡后的最大允许特定不平衡（specific unbalance，即平衡精度，单位：g·mm/kg）。

表1：特定不平衡（单位：g·mm/kg）与平衡质量等级和转子最大运行速度的函数关系

最大允许残余特定不平衡的计算表明，假设转子的质量围绕重心均匀分布。如果转子的质量分布不均，计算会稍微复杂一些。

在完全平衡的转子中，旋转时作用在转子两端的力相等。但是，如果转子的形状如图8所示，则两端的力将相等，但每个轴承的允许残余特定不平衡将不同。重心位置以1/3：2/3的比例分割转子。围绕重心的力矩之和必须为零。因此，A轴承的残余特定不平衡为总残余特定不平衡的2/3，而B轴承的残余特定不平衡为总残余特定不平衡的1/3。

特定不平衡（即平衡精度）用于计算试验质量（试块）的大小，试验质量在平衡过程中用于临时改变转子的质量分布，以确定不平衡量与轴承振动之间的关系。

为了估算出合适的试验质量值，必须确定转子的质量（kg）和进行校正的半径（mm）。以g为单位的最大残余质量M_MR由以下公式得出

S.U. = 特定不平衡要求（单位：gmm/kg）

M_R = 转子质量（kg）

R_C= 校正半径（mm）

1）安装加速度计和转速计探头，并将其连接到仪器上。

2）以正常运行速度运行机器*。

3）测量并记录振动水平和相位角。

4）停止机器，在校正圆周内（即需要进行校正的平面）任意安装一个大小合适的试块。标记试块的位置。

5）启动机器，测量并记录新的振动水平和相位角。

6）停止机器并移除试块。

7）使用“计算方法”一节中详述的方法之一，计算所需的校正质量和角度值。

8）将校正试块安装在校正角所指示的位置。正校正角表示应顺着旋转方向测量角度。如果是负校正角，则应逆着旋转方向测量，见图9。校正质量应安装在与试验质量相同的半径处。

9）再次启动机器，测量残余不平衡量。如果在平衡过程中小心谨慎，并使用了适当的平衡设备，如仪器一节中所述的设备，则测得的残余振动水平应很小，无需重复平衡过程。

双面平衡的步骤与单面平衡非常相似。但在这种情况下，必须使用两个加速度计，因为需要在两个平面上进行测量。一个平面的不平衡会影响另一个平面，这就是所谓的交叉效应。在平衡之前，需要对两个平面进行频率分析。

双面平衡的步骤如下：

1）安装加速度计和转速计探头，并将其连接到仪器上。

2）以正常运行速度运行机器。

3）依次测量并记录每个平面的振动水平和相位角。

4）停止机器，在平面1上任意安装一个适当大小的试块，并标记其位置。

5）启动机器，依次测量并记录每个平面的新振动水平和相位角。

6）停止机器并移除试块。

7）在平面 2 中安装一个大小合适的试块（平面1中使用的试块可再次使用），并标记其位置。

8）再次启动机器，依次测量每个平面的振动水平和相位角。

9）停止机器并移除试块。

10）使用“计算方法”一节中详述的方法之一，计算所需的校正质量和角度值。

11）将校正试块安装在校正角度所指示的位置上，并与试验试块保持相同的半径。

12）再次启动机器并测量转子中的残余不平衡量，看平衡工作是否成功。

尽管在选择试验质量时非常谨慎，但仍有可能出现试验质量不能为平衡计算提供合适的结果。在使用试验质量的影响来计算校正质量之前，检查结果是否合适非常重要。

如表2所示，可能会出现四种情况，其中：

ΔΦ是安装试验质量前后测量的相位差。

ΔV是安装试验质量前后测量的振动水平之差。

如果相位角变化ΔΦ小于25 °，则必须增加试块的尺寸或移动试块。

如果相位角变化ΔΦ大于25 °，则测量值可用于计算校正质量和角度。