Балансировка вращающихся узлов

Одной из причин вибрации различных машин является неуравновешенность вращающихся узлов (например, ротора), обусловленная несовпадением геометрической и действительной осей (геометрическая ось детали – это ось симметрии при ее изготовлении; действительная ось – это ось, относительно которой деталь будет вращаться в узле). Неуравновешенность ротора может быть статической или динамической.

Статическая неуравновешенность ротора – это неуравновешенность его при таком распределении масс, когда главная центральная ось инерции смещена параллельно оси ротора. Процесс приведения центра масс узла или детали к его геометрической оси называют статической балансировкой. Она заключается в следующем. Если диск статически неуравновешен, то вследствие несовпадения центра массы Ы с геометрической осью О имеется статический дисбаланс Д_ст = П_де (рис. 5.9). При вращении ротора неуравновешенная масса вызывает появление центробежной силы, которая во время вращения ротора действует на подшипники, вызывая их вибрацию, а через подшипники вибрация передается корпусу машины и фундаменту. Вибрация неизбежно приводит к преждевременному износу подшипников, соединительных муфт и расшатыванию машины на фундаменте.

Для статической балансировки предназначены специальные устройства. Наиболее распространены балансировочные параллели, представляющие собой параллельные призматические направляющие, опорные поверхности которых лежат в одной горизонтальной плоскости. На направляющие опираются шейки вала или же цапфы специальных оправок баланируемого узла или детали. Оправки применяют тогда, когда у детали нет пригодных для балансировки опорных поверхностей.

Диск, который необходимо уравновесить, устанавливают на параллели. Сторона диска, в направлении которой смещен центр массы, называется «тяжелым местом», диаметрально противоположная сторона – «легким местом». Определяют «тяжелое место» диска. Неуравновешенный диск под действием нескомпенсированной массы повернется на параллелях так, что центр массы Ы всегда будет находиться в вертикальной плоскости внизу. На поверхности диска наносят вертикальную риску А, проходящую через его геометрическую ось; тем самым определяют направление радиуса, на котором лежит «тяжелое место». Для определения значения исходного дисбаланса диск поворачивают так, чтобы риска А заняла горизонтальное положение. При котором статический дисбаланс будет максимальным.

Для приведения центра массы к геометрической оси в «легком месте» диска добавляют (обычно налепкой пластелина) такой груз М на определенном радиусе К, чтобы внесенный компенсирующий дисбаланс Дст1 = МК был равен исходному дисбалансу Дст. Таким образом диск будет уравновешен. Масса налепки М и есть тот груз, который нужно добавить для уравновешивания.

Груз, по массе равный налепке, придается диску в виде специальных балансировочных болтов с разновысокими головками (для подбора), для чего в конструкции диска предусматривают равномерно распределенные по окружности резьбовые отверстия под эти болты, равновесные пластины под головки болтов и т.п. часто со стороны «тяжелого места» снимают металл шлифовкой поверхности диска с последующей тщательной полировкой с места съема.

Балансировку можно также осуществить, высверливая металл в диске, при условии сохранения его прочности.

При балансировке ротора на балансировочном станке необходимо учитывать чувствительность станка, поскольку не каждый станок может обеспечить необходимую для данного ротора точность балансировки. Чувствительностью балансировочного станка называют массу такого груза, который, будучи закреплен на ободе ротора условным радиусом 500 мм, изменяет амплитуду колебания головки станка на 0,01 мм. Чувствительность станка определяют в системе СИ – в Н∙м.

Сбалансировать ротор так, чтобы амплитуда колебания головки балансировочной машины равнялась нулю, невозможно; поэтому следует задаться остающимся дисбалансом ротора по центробежной силе. Последнюю можно считать допустимой, если абсолютная величина ее не превышает следующих значений: 3% от массы ротора – для тяжелых роторов при частоте вращения 50 с^-1; 5% от массы ротора – для средних роторов при частоте вращения 80 – 100 с^-1; 30% от массы ротора – для легких роторов при частоте вращения 160 – 210 с^-1.

Динамическая неуравновешенность ротора - неуравновешенность ротора с таким расположением масс, при котором его главная центральная

Процесс приведения центра массы вращающегося узла (детали) к оси вращения во всех плоскостях, перпендикулярных ей, называют динамической балансировкой. ось инерции пересекается с геометрической осью не в центре массы. Признаками динамической неуравновешенности являются колебание опор и прогиб ротора.

Для полного уравновешивания роторов необходимо выполнение следующего условия: исходный и компенсирующий дисбалансы должны находиться в одной плоскости, перпендикулярной геометрической оси ротора. Устранить вибрацию роторов только статической балансировкой нельзя, поэтому применяют динамическую балансировку роторов.

При вращении ротора вследствие несовпадения центра масс с осью вращения появляется неуравновешенная центробежная сила, вызывающая прогиб ротора. Вектор центробежной силы и прогиб лежат в одной плоскости только при очень малых частотах вращения ротора. При увеличении частоты вращения центробежная сила и прогиб возрастают, причем направление прогиба отстает от направления силы на некоторый угол, обычно угол отставания составляет 90^о; такое положение наблюдается, когда собственная частота колебаний ротора совпадает с частотой действия неуравновешенной центробежной силы, т.е. при резонансе. При этом прогиб и неуравновешенная центробежная сила достигает максимальных значений.

При дальнейшем увеличении частоты вращения неуравновешенная центробежная сила и прогиб уменьшаются, причем они направлены друг к другу под углом 180^о. Число оборотов ротора, при котором возникает явление резонанса, называют критическим.. Роторы, которые в диапазоне от нуля до максимальной рабочей частоты вращения не достигают критического числа оборотов, называют жесткими роторами. Роторы, которые в диапазоне от нуля до максимальной рабочей частоты вращения проходят критическое число оборотов, называют гибкими роторами.

Процесс приведения центра массы вращающегося узла (детали) к оси вращения во всех плоскостях, перпендикулярных ей, называют динамической балансировкой. Ее проводят не менее чем в двух плоскостях. Плоскости, в которых устанавливают компенсирующие грузы, называют плоскостями исправления (или корреляции). Плоскости, в которых задаются допустимые значения остаточной неуравновешенности, или остаточный дисбаланс (обычно это опоры), называют плоскостями приведения.

Динамический дисбаланс – это момент, появляющийся от совместного действия неуравновешенных инерционных сил и моментов пар инерционных сил на опорах. Дисбаланс выражается в Н∙м. Если дисбалансы опор привести к центру массы системы и сложить, получится суммарный дисбаланс, или условная общая динамическая неуравновешенность системы.

Существуют много разнообразных методов и технических средств для динамической балансировки роторов. Динамическая балансировка роторов довольна сложна и выполняется рабочими, имеющими высокую квалификацию и большой опыт.

Ротор обычно собирают из статически отбалансированных деталей, после чего подвергают динамической балансировке. Разбалансировка роторов происходит при замене лопаток рабочих колес, значительной коррозии и повреждении их, а также при неравномерных отложениях перемещаемых веществ внутри проточных каналов вращающихся частей ротора. Поэтому после капитального ремонта, связанного с заменой изношенных и поврежденных деталей, роторы подвергают динамической балансировке.