煤礦用葉片式氣動(dòng)潛水泵平衡試驗(yàn)檢測(cè)技術(shù)研究

一、檢測(cè)原理

葉片式氣動(dòng)潛水泵的平衡試驗(yàn)核心在于檢測(cè)和校正轉(zhuǎn)子系統(tǒng)（主要包括葉輪、氣動(dòng)馬達(dá)轉(zhuǎn)子等旋轉(zhuǎn)部件）的不平衡量。其技術(shù)原理基于剛性轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡理論。

1. 不平衡量產(chǎn)生機(jī)理：轉(zhuǎn)子在制造過(guò)程中，因材料密度不均、毛坯缺陷、加工與裝配誤差等因素，導(dǎo)致其質(zhì)量分布相對(duì)于旋轉(zhuǎn)軸線不對(duì)稱，從而產(chǎn)生離心力。該離心力向量（F = m·r·ω²，其中m為不平衡質(zhì)量，r為不平衡質(zhì)量到旋轉(zhuǎn)軸線的距離，ω為旋轉(zhuǎn)角速度）在旋轉(zhuǎn)時(shí)形成周期性激振力。

2. 平衡的科學(xué)依據(jù)：通過(guò)在轉(zhuǎn)子特定校正平面（通常選擇葉輪兩端面或易于加配重的部位）上添加或去除一定質(zhì)量，產(chǎn)生一個(gè)與原始不平衡離心力大小相等、方向相反的離心力，使二者合力與合力矩為零，從而達(dá)到平衡狀態(tài)。此舉可顯著降低泵運(yùn)行時(shí)的振動(dòng)與噪聲，減少軸承等關(guān)鍵部件的附加動(dòng)載荷，延長(zhǎng)設(shè)備壽命，確保運(yùn)行平穩(wěn)可靠。

3. 動(dòng)平衡與靜平衡：對(duì)于軸向?qū)挾容^大的轉(zhuǎn)子（如多級(jí)泵葉輪），需進(jìn)行動(dòng)平衡（雙面平衡），以同時(shí)消除靜不平衡（力不平衡）和偶不平衡（力偶不平衡）。靜平衡僅適用于盤狀轉(zhuǎn)子，僅能消除靜不平衡。

二、檢測(cè)項(xiàng)目

平衡試驗(yàn)檢測(cè)項(xiàng)目系統(tǒng)性地分為以下幾類：

1. 初始不平衡量檢測(cè)：

   • 項(xiàng)目描述：在未進(jìn)行任何校正前，測(cè)量轉(zhuǎn)子在指定校正半徑和試驗(yàn)轉(zhuǎn)速下的原始不平衡量的大小和相位。這是平衡校正的基準(zhǔn)。

2. 剩余不平衡量檢測(cè)：

   • 項(xiàng)目描述：完成平衡校正后，驗(yàn)證轉(zhuǎn)子殘余的不平衡量是否低于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的許用值。這是判定平衡是否合格的終依據(jù)。

3. 許用不平衡量確定：

   • 項(xiàng)目描述：并非檢測(cè)操作，而是根據(jù)轉(zhuǎn)子的類型、質(zhì)量、工作轉(zhuǎn)速，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)（如ISO 1940-1）確定其平衡品質(zhì)等級(jí)（G值），進(jìn)而計(jì)算出每個(gè)校正面上的許用不平衡量（單位：g·mm）。這是評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)的核心。

4. 平衡精度驗(yàn)證：

   • 項(xiàng)目描述：綜合評(píng)估平衡后的轉(zhuǎn)子，其振動(dòng)速度、位移等參數(shù)是否滿足煤礦井下安全運(yùn)行的要求。

三、檢測(cè)范圍

平衡試驗(yàn)的應(yīng)用覆蓋了所有涉及葉片式氣動(dòng)潛水泵制造、維修和使用的領(lǐng)域，具體要求如下：

1. 制造業(yè)：

   • 新泵出廠檢驗(yàn)：每臺(tái)泵的轉(zhuǎn)子組件必須進(jìn)行動(dòng)平衡試驗(yàn)，確保剩余不平衡量低于產(chǎn)品設(shè)計(jì)規(guī)定的許用值，作為產(chǎn)品質(zhì)量控制的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

   • 部件更換后檢驗(yàn)：更換葉輪、轉(zhuǎn)子等核心旋轉(zhuǎn)部件后，必須重新進(jìn)行平衡試驗(yàn)。

2. 維修與再制造行業(yè)：

   • 大修后檢測(cè)：泵經(jīng)過(guò)大修，特別是對(duì)旋轉(zhuǎn)部件進(jìn)行了拆卸、更換或修復(fù)（如葉輪除垢、修補(bǔ)）后，必須進(jìn)行嚴(yán)格的平衡檢測(cè)與校正。

   • 事故后檢測(cè)：泵發(fā)生氣蝕、磨損、碰撞等事故后，即使外觀無(wú)顯著損傷，也需檢查轉(zhuǎn)子平衡狀態(tài)。

3. 煤礦井下應(yīng)用領(lǐng)域：

   • 安全運(yùn)行要求：不平衡引起的振動(dòng)可能導(dǎo)致泵體連接件松動(dòng)、管路破裂，在瓦斯環(huán)境中存在安全隱患。因此，煤礦安全規(guī)程要求運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)備振動(dòng)在限值內(nèi)。

   • 可靠性要求：煤礦井下環(huán)境惡劣，空間受限，設(shè)備故障維修困難。高平衡精度是保證泵長(zhǎng)期無(wú)故障運(yùn)行、降低維護(hù)成本的前提。

   • 具體應(yīng)用場(chǎng)景：適用于煤礦井下水倉(cāng)排水、工作面疏水、搶險(xiǎn)救災(zāi)等所有使用葉片式氣動(dòng)潛水泵的場(chǎng)合。

四、檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)

國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)對(duì)轉(zhuǎn)子平衡提出了明確要求。

對(duì)比分析：MT/T 324是直接管轄該類產(chǎn)品的行業(yè)強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)，具有高執(zhí)行效力。而GB/T 9239.1（ISO 1940-1）是確定許用不平衡量的理論基礎(chǔ)和方法來(lái)源。在實(shí)際操作中，需首先遵循MT/T 324的規(guī)定，并運(yùn)用GB/T 9239.1的方法進(jìn)行計(jì)算和評(píng)判。

五、檢測(cè)方法

主要檢測(cè)方法為在硬支承動(dòng)平衡機(jī)上進(jìn)行測(cè)量。

1. 主要方法：硬支承動(dòng)平衡機(jī)測(cè)量法

   • 原理：平衡機(jī)支承架的剛度很高，其振動(dòng)振幅與轉(zhuǎn)子不平衡離心力成正比。通過(guò)測(cè)量支承架在旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)信號(hào)，經(jīng)解算分離出左右兩個(gè)校正平面上的不平衡量大小和相位。

   • 操作要點(diǎn)：

     • 工件安裝：將泵轉(zhuǎn)子（通常是葉輪與馬達(dá)轉(zhuǎn)子組件）可靠地安裝于平衡機(jī)主軸或工藝軸上，確保夾緊無(wú)松動(dòng)，軸頸與滾輪接觸良好。

     • 參數(shù)設(shè)置：輸入轉(zhuǎn)子質(zhì)量、校正半徑、支承距離、校正平面距離等幾何參數(shù)。選擇預(yù)設(shè)的平衡品質(zhì)等級(jí)（如G6.3）和試驗(yàn)轉(zhuǎn)速。

     • 試重運(yùn)行：對(duì)于初始不平衡量較大的轉(zhuǎn)子，可能需要進(jìn)行試重法，通過(guò)添加已知試重來(lái)校準(zhǔn)測(cè)量系統(tǒng)。

     • 測(cè)量與校正：?jiǎn)?dòng)平衡機(jī)至設(shè)定轉(zhuǎn)速，測(cè)量系統(tǒng)自動(dòng)顯示左右校正面的不平衡量（克）及相位（度）。根據(jù)指示，在相應(yīng)相位進(jìn)行去重（如鉆孔）或加重（如加平衡塊、焊接平衡釘）。

     • 復(fù)測(cè)驗(yàn)證：完成校正后，再次啟動(dòng)平衡機(jī)進(jìn)行測(cè)量，直至剩余不平衡量小于許用值，且平衡機(jī)指示“合格”。

2. 現(xiàn)場(chǎng)平衡法（補(bǔ)充方法）

   • 適用場(chǎng)景：對(duì)于已安裝在泵中、不便拆卸的大型轉(zhuǎn)子或進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證。

   • 方法：使用便攜式振動(dòng)分析儀/現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡儀，在設(shè)備本體上測(cè)量軸承座等位置的振動(dòng)，通過(guò)影響系數(shù)法計(jì)算所需校正質(zhì)量和相位。

六、檢測(cè)儀器

核心檢測(cè)設(shè)備為動(dòng)平衡機(jī)。

1. 硬支承動(dòng)平衡機(jī)：

   • 技術(shù)特點(diǎn)：

     • 永久標(biāo)定：基于輸入的轉(zhuǎn)子幾何參數(shù)進(jìn)行不平衡量解算，無(wú)需每次進(jìn)行試重標(biāo)定，效率高。

     • 高靈敏度：采用高精度振動(dòng)傳感器和電測(cè)系統(tǒng)，能檢測(cè)微克級(jí)別的不平衡量。

     • 堅(jiān)固穩(wěn)定：硬支承結(jié)構(gòu)機(jī)械穩(wěn)定性好，適用于不同重量和類型的工業(yè)轉(zhuǎn)子。

     • 多功能性：具備自動(dòng)測(cè)量、矢量計(jì)算、去重/加重指導(dǎo)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與打印等功能。

   • 關(guān)鍵部件：機(jī)械支承系統(tǒng)（床身、滾輪架）、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)（電機(jī)、變頻器）、振動(dòng)傳感系統(tǒng)（速度或加速度傳感器）、數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)（微機(jī)測(cè)量系統(tǒng)）。

2. 便攜式現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡儀：

   • 技術(shù)特點(diǎn)：集成振動(dòng)傳感器、轉(zhuǎn)速相位探頭和數(shù)據(jù)采集分析單元，便于攜帶，適合在線檢測(cè)和現(xiàn)場(chǎng)校正。但其精度通常低于專用平衡機(jī)。

七、結(jié)果分析

1. 分析方法：

   • 直接判讀：平衡機(jī)終顯示的每個(gè)校正面上的“剩余不平衡量（Ures）”數(shù)值，直接與計(jì)算出的“許用不平衡量（Uper）”進(jìn)行比較。

   • 計(jì)算判定：根據(jù)公式 Uper = (G × 1000 × M) / (ω × 2) （單位：g·mm）計(jì)算每個(gè)校正面的許用不平衡量。其中G為平衡品質(zhì)等級(jí)（mm/s），M為轉(zhuǎn)子質(zhì)量（kg），ω為工作角速度（rad/s）。實(shí)際工作中，平衡機(jī)軟件會(huì)自動(dòng)完成此計(jì)算。

   • 振動(dòng)分析輔助：對(duì)于平衡合格但整機(jī)振動(dòng)仍超標(biāo)的泵，需結(jié)合振動(dòng)頻譜分析，判斷振動(dòng)是否源于不平衡（表現(xiàn)為1倍轉(zhuǎn)頻突出），還是其他故障（如不對(duì)中、軸承損壞等）。

2. 評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)：

   • 合格：每個(gè)校正平面上的剩余不平衡量均小于或等于該面的許用不平衡量（Ures ≤ Uper）。即滿足標(biāo)準(zhǔn)（如MT/T 324）規(guī)定的平衡品質(zhì)等級(jí)要求。

   • 不合格：任一校正面的剩余不平衡量大于許用不平衡量（Ures > Uper）。必須重新進(jìn)行校正，直至合格。

   • 優(yōu)化目標(biāo)：在滿足許用值的前提下，盡可能降低剩余不平衡量，以達(dá)到更優(yōu)的運(yùn)行平穩(wěn)性和更長(zhǎng)的設(shè)備壽命。