转子不平衡响应测试理论与实践

2024年3月11日发(作者：)

转子不平衡响应测试理论与实践

摘要：

在评估旋转设备的可靠性和操控性的过程中理解转子的动力学行为是至关

重要的。无论是评估离心泵还是压缩机、蒸汽轮机还是燃气轮机，电机或者发电

机，旋转设备对于精确的预测和测量动力学行为都有着同样的需求，但是对于转

子动力学行为的直接测量往往是很难实现或者根本不可能的，因此用于确认转子

动力特性是否满足工程预期的测试对于买卖双方都是很有必要的。

Understanding the lateral rotordynamic behavior is critical in determining the

reliability/operability of rotating equipment. Whether examining a centrifugal pump

or compressor, steam or gas turbine, motor or generator, rotating machinery share the

same need to accurately predict and measure dynamic behavior. while direct

measurement is impractical or otherwise impossible. Testing to confirm rotordynamic

prediction and behavior provides both the purchaser and vendor the confidence that

the design will meet project expectations.

关键词： 转子 不平衡响应 高速平衡 API617

引言：转子动力学测试包括几种不同的形式。有机械运转测试、全系统

试验和满负荷试验以及不平衡响应验证与稳定性测试等。本文着重介绍转子的不

平衡响应验证（简称URVT）理论及实践。

良好的实际操作和对于工业测试标准的理解对于每个测试能否取得成功是

必需的。一个良好的测试不仅仅需要测试程序同样也需要与之相伴的科学的分析

方法，用以在后期处理监测到的信息。API测试标准中提及的一些根据可以帮助

我们理解为什么要做某一测试以及对于转子动力学行为的正确应用，而不平衡响

应测试就是用于确认转子动力学模型是否成立的一种有效手段。

由AIP617发表的不平衡响应验证测试可能是第一次尝试发布的测试行业标

准。其目的是验证卖方动力学分析对于不平衡响应预测的准确性、在最大连续转

速下考核机组对不平衡的敏感性以及对跳闸转速以下的临界转速进行界定。这一

测试对于预测工具和模型都进行了评估分析。并在车间机械测试条件范围内经过

几次API617的改版最终修订而成。与此同时在高速平衡仓内随高速动平衡一同

进行这一测试以及对加重位置和额外的监测点的自由选择使得这一方法也逐渐

获得更多的认可。

不平衡响应验证

这一测试提供了一种测量方案，可以使我们知道对已知不平衡重量来说分

析预测与实际振动的契合程度。又增加了对于挠度、隔离裕度和敏感度计算的信

心。在车间试验中，往往将不平衡量加在联轴器上，对某些透平机械和悬臂机械

来说可以将配重加在悬臂叶轮上。作为另一种选择，可以在高速平衡仓内进行测

试，这种方式对于加重位置和测点安排都提供了更多的自由。当然，这种模态分

析需要考虑到平衡仓内的设置，平衡仓内的轴承是安装在摆架上的。既然意图验

证分析预测的准确性，这些配置上的差异不应该影响最终的结论。

测试程序

URVT测试本质上是通过使用已知的不平衡量来激发并对比振动的预测值

与实测值之间的差异。通常在机械运转测试之后进行，对于压缩机来说这种配重

通常被加装在联轴器法兰上，这也往往是唯一可用的位置。将配重安置好以后其

振动的实测值将会用来对比在同样状态下得到的预测振动值。虽然这不是一个对

不平衡响应分析精度的完整的检查，因为它仅仅是对一个单独配重下，探头位置

处模型振动预测值的对比，但其仍然不失为确认建模精确性的重要的第一步。

在很早以前URVT测试就被认为是对机组本身残余不平衡的一种补偿。这

种残余不平衡量造成了机械运转测试中同步振动的产生并且无论在配重安置之

前还是之后都是存在的。平衡（无论高速还是低速）之后残余不平衡量并未表现

出来，因此也就无法对其建模。所以对于分析建模只有通过配重作为共振响应的

激励源才能进行。

由第六版API617初步进行了尝试，期望通过在联轴器上添加适当的配重以

激发响应从而达到补偿残余不平衡量的目的并满足振动允许条件。言下之意是这

种激励主要取决于所加配重的位置。这一方法有两种重要的缺点：首先，这一配

重的量值既然能够激起振动响应那么也就有可能会把振动激发到一个不安全的

程度。联轴器的法兰并非为此目的而进行设计的。很大的离心力作用在联轴器上

将有可能造成法兰的失效，或者更有可能造成安置配重的位置的局部失效。其次，

这种方法依赖于较大的振动允许范围，即小于0.002英寸（50.8微米），常规的

振动范围是小于0.001英寸（25.4微米）而良好的平衡校正操作所要求的范围是

小于0.0005英寸（12.7微米）。在这种情况下，75%的振动响应都可以归因于这

一配重，此时这种测试做了还不如不做。

1997年，Nicholas等人重新定义了一种改进的测试程序，意图更好将试验台

振动和分析预测进行关联。这一方法随后被引入了第七版API617并在API684

中做出了解释。这一方法利用了振动诊断设备并允许对所记录的数据进行矢量减

法。这一程序可以概括为：

1.探头记录4小时机械运转以后，从跳闸转速开始降速的同步读数——这代

表了转子振动的基准。

2.往转子上添加配重——这一方法允许在转子上任何可能的位置进行加重。

3.将转子重新升速到最大连续转速并达到稳定状态（包括恒定的轴承温度、

振动幅值和相位）——意图将机组恢复到机械运转时的状态，采样频率和速度增

量都应与步骤1相同。

4.记录从跳闸转速开始降速的过程中探头读取的同步振动读数——这代表

着转子的组合振动（包括配重和残余不平衡量）。

5.从步骤4所记录的数据中矢量的减掉步骤1中记录到的数据——这一结果

数据既代表着由配重所引发的振动响应。

6.将步骤5中得到的数据与分析预测值进行对比（考虑轴承间隙和进油温度

的变化范围）——这就是对不平衡响应预测精度的验证。

该方法可以使用矢量数学的方式描述如下：

其中为配重引起的振动响应。

URVT测试中的所有其他条件都应符合机械运转测试的要求例如油温、速度

和转子支撑等。

高速平衡仓方式

作为在何处进行URVT测试的一个选项。高速平衡仓不但可用而且具有试

验台不具备的一些优势，这种优势体现在对平衡仓内的转子可以更为便捷的进行

操作。高速平衡仓允许对转子的不同位置进行配重（包括支撑跨度的中心或四分

之一位置等），可以多点配重并可以增加振动测点。甚至允许对转子动力学预测

进行更为广泛的验证，例如对支撑跨度的中心或四分之一位置的加重对于跨度中

心产生的响应。

下表列出了各种不同的URVT选项各自的优势。

测试输出

URVT测试输出应包括：

1、对其系统配置、加重位置和量值以及测试中测点的布置等条件下转子动

力学响应的分析。响应测试应在特定的间隙和油温范围下进行，以期达到支撑轴

承动态系数下最大的振动。分析应定义临界转速的位置（响应峰值）并且应该与

配重所激发的振动不平衡响应相同。

2、应绘制在下列条件下测得的同步振动数据

4个探头在进行机械运转后的降速过程——作为基准数据

添加配重并暖机达到最大连续转速之后的降速过程——作为组合振动数据

两组数据矢量相减——作为配重响应数据

④对比峰值处的响应转速——如差异超出了允许范围（API中规定为5%）

应对转子模型进行校正。

实际应用：

以沈阳鼓风机集团2010年某产品不平衡响应车间验证的过程为例，首先应

该明确的是：

a. 实际临界转速同预测的转速偏差应不大于±5％。

b. 预测的放大系数同试车台实际值偏差应不大于±20％。

Nc1=转子第一阶临界转速，中心频率。

N1=0.707 倍振幅峰值（临界的）时对应的初始（较低的）转速。

N2=0.707 倍振幅峰值（临界的）时对应的终止（较高的）转速。

放大系数

c. 实际响应曲线峰值振幅，应在预测振幅的±50％之内。

具体测试过程如下：

某MCL458转子系统的动力学模型

试验数据：

最大连续转速：12176rpm

跳闸转速：13394rpm

MCL458跨距：1873mm

转子重量：636.669 kg

轴承类型：椭圆瓦轴承

轴承间隙：顶隙0.16mm，

侧隙0.16mm

实际加载位置：第四级叶轮，直径Φ450mm

实际加载重量：5.65g

不平衡响应分析理论结果

不平衡响应曲线

理论分析结果

（1）左端轴承处曲线最大峰值：7.90(μ)，最大峰值转速：3794.2RPM，最

大峰值放大系数：1.94，要求的最小隔离裕度：不需要隔离欲度，实际隔离裕度：

66.2% , 分析结论：满足设计要求。

（2）右端轴承处曲线最大峰值：7.71(μ)，最大峰值转速：3794.2RPM，最

大峰值放大系数：1.95，要求的最小隔离裕度：不需要隔离欲度，实际隔离裕度：

66.2% , 分析结论：满足设计要求 。

试验过程

1、第一次无加重运转结果

振动速度满足最大连续转速下小于1.0mm/s，超转转速下小于1.5mm/s。

2、第二次加重后运转结果

3、第三次去掉加重后运转结果

振动速度仍满足最大连续转速下小于1.0mm/s，超转转速下小于1.5mm/s。

试验结果分析

1、不平衡响应验证试验曲线

2、左端轴承处曲线最大峰值：1.068μm小于预测值7.90μm，右端轴承处曲

线最大峰值1.15μm小于预测值7.71μm，分析结论：满足标准要求。

3、左端轴承处曲线最大峰值转速3846rpm大于预测值（3794.2rpm）1.36%，

右端轴承处曲线最大峰值转速：3846rpm偏差小于预测值（3794.2rpm）1.36%，

分析结论：满足标准要求。

试验数据与分析满足标准要求，试验成功。

参考文献：

[1]美国石油学会 AP1 617标准 第7版，2002年7月

[2]邱海、屈梁生，转子动平衡中的相关平衡面问题，化工机械，第26卷第

2期，1999

[3]顾家柳、丁奎元、刘启洲等，转子动力学，国防工业出版社，1985

[4]钟一愕、何衍宗、王正、李方泽，转子动力学，清华大学出版社，1987

[5]周仁睦，转子动平衡一原理、方法和标准，化学工业出版社，1992

[6]美国石油学会 API 684标准 第2版，2005年8月

[7]C. Jackson, ―Shop Testing – Is It Worth It?‖ Orbit Magazine, June 1998.