离心机转子动平衡理论概述

转子不平衡是指因转子质量分布不均匀导致转子质量中心与其旋转中心轴线不重合，出现偏心距，从而产生周期性离心力干扰，使轴承系统承受周期性的动载荷，引起设备非正常振动,产生噪音，甚至损坏机器设备。统计资料表明，不平衡是机器损坏最常见的原因，严重不平衡会带来轴承损坏、轴承座开裂、轴变形、联接松动等机械风险。按照力学方法定义，不平衡分为静不平衡、偶不平衡、动不平衡三类，静不平衡是指质心不在旋转主轴上，但重心惯性主轴与旋转轴处于平行状态时所产生的不平衡，偶不平衡是指质心在旋转主轴上，但重心惯性主轴与旋转轴不平行且在质心处相交时所产生的不平衡，动不平衡则指重心惯性主轴不与旋转轴平行，而且惯性主轴与旋转轴交点不通过质心时产生的不平衡。一般机械转子系统的不平衡都是既存在静不平衡又存在偶不平衡的动不平衡状态。静不平衡、偶不平衡、动不平衡的力学特征如图1所示

图1：静不平衡、偶不平衡、动不平衡的力学特征示意图

转子不平衡是由设计，材料，制造和装配等因素引入的质量分布不均衡引起的，即使在批量化生产中，由于材料密度分布不均匀和材料内部显微组织差异，以及转子本身的制造误差，都会不可避免的存在转子质量不均衡现象，每个转子的不平衡量都各不相同。机械转子的平衡校正就是检查和调整转子质量分布的工艺过程，是一种改善转子质量分布的工艺方法，通过校正减小剩余不平衡量，以保证在对应的工作转速频率下，剩余不平衡或者轴颈振动和作用于支承上的载荷在规定限值以内。平衡工艺将转子分为刚性转子和挠性转子，分别进行不同方式的平衡。刚性转子是指转子实际转速小于0.5倍第一临界转速，惯性力作用产生的变形基本可以忽略。刚性转子一般在低速下进行单面或双面校正即可，挠性转子是指转子实际转速大于0.7倍第一临界转速，此时惯性力作用会使转子在高速旋转过程中产生明显的挠性变形，挠性转子需要在实际转速下进行现场校正。实际转速介于0.5倍到0.7倍第一临界转速之间的转子称为准挠性转子，一般按照挠性转子的平衡工艺校正，要求不高的应用场合也可按刚性转子的平衡工艺校正。

实验室通用低速和高速离心机转子都属于刚性转子范畴，按照刚性转子平衡工艺进行校正，超速离心机转子则需要按照挠性转子平衡工艺进行校正。

国际标准ISO 21940-11:2016中规定了各种刚性转子的平衡等级要求（中国对应的国家标准为GB/T 9239.1- 2006），一共分为11个级别，每个级别间以2.5倍为公比递增，从要求最高的G0.4到要求最低的G4000。单位为公克×毫米/公斤(gmm/kg)，代表不平衡对于转子轴心的偏心距离。具体分级如表1所示：

表1：刚性转子平衡等级

刚性转子系统的动平衡试验，一般是在动平衡机上进行调校。

平衡机是一种用于对刚性转子进行动平衡校正的试验机，按测量原理分为硬支承平衡机和软支承平衡机，按机器型式分为卧式平衡机和立式平衡机。按应用方式可以分为通用平衡机和专用平衡机（如汽车轮胎平衡机）。任何刚性转子的不平衡均可采用在两个校正面上加或减校正质量的方法来平衡整个转子。转子在绕平衡机旋转主轴旋转时,因不平衡量产生的离心力使平衡机支承产生不同频率的振动,通过振动测量传感器测出振幅和相位差,再通过软件系统中的动平衡数学模型计算出不平衡量和质心位置,从而根据计算结果在校正平面进行增重或去重的质量分布修正，减小不平衡量，直到满足机器需要达到的平衡等级.. 

实验室通用型低速离心机和高速离心机采用的离心机转子动平衡工艺属于刚性转子的动平衡范畴，按照ISO 21940-11的规定，要求达到G6.3级的水平，通常采用硬支承方式的通用立式平衡机进行平衡校正，允许不平衡量的计算公式为

式中m_per为允许剩余不平衡量，单位是g；

 M代表转子的自身重量，单位是kg；

 G代表转子的平衡精度等级 ，单位是mm/s；

 r 代表转子的校正半径，单位是mm；

 n 代表转子的转速，单位是rpm。

如一个24x1.5mL的离心机角转子，平衡精度要求为G6.3级，转子的重量为1.2kg，转子在1200rpm转速下校正，校正半径85mm， 则该转子的允许不平衡量为：

如采用双面校正平衡，则允许分配到每面的不平衡量为0.35g

以上计算值为上限参考值，随着动平衡技术工艺水平和自动化程度的提高，在考虑制造工艺经济适用性的基础上，基于平衡要求在离心机应用中的重要性，一般离心机转子的允许不平衡量都低于这个上限值。如湖南湘立科学仪器有限公司采用的24x1.5mL离心机角转子，要求单面动平衡允许不平衡量为0.3g。平衡品质相对参考计算值的上限要求提高了一倍。