Балансировочные
станки и системы
  • Продукция
  • Услуги
  • Информация
  • О компании
  • Контакты
Балансировка роторов

Балансировка роторов

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОНЯТИЯ «РОТОР»

Ротор есть тело, при вращении удерживающееся своими несущими поверхностями в опорах. При этом несущими поверхностями являются поверхности цапф или поверхности, их заменяющие, которые передают нагрузки на опоры через подшипники качения или скольжения, газовые или жидкостные потоки, магнитные или электрические поля и т.д. Прямая, соединяющая центры тяжести контуров поперечных сечений несущих поверхностей, называется осью ротора.

По числу опор роторы бывают двух- и многоопорными. Если ротор может быть представлен схемой, в которой масса самого вала пренебрежимо мала в сравнении с массами укрепленных на нем деталей, расположенных в его отдельных точках, вследствие чего массу вала можно не учитывать, то его называют ротором с сосредоточенными массами. Таковы например, роторы турбин (паровых и гидравлических), центробежных вентиляторов, турбокомпрессоров, центрифуг, сепараторов, экстракторов отжимочных и других подобных машин.

Однако во многих машинах вал достаточно массивен, а укрепленные на нем детали распределены по всей его длине так, что масса ротора (поперечные сечения и их моменты инерции) изменяется по длине ротора по тому иди иному закону. В этих случаях пренебрегать массой самого вала нельзя, и системой, наиболее близко отражающей динамические свойства конструкции, будет ротор со сплошным распределением по его длине массы, а также моментов инерции, гироскопических моментов и сил трения.

Такие роторы называют роторами постоянного (переменного или ступенчатого сечения). Сюда относят роторы турбогенераторов, газотурбинных двигателей, канатовьющих и землеройных машин, барабаны рулонно-ротационных печатных машин, моталки прокатных станов холодной прокатки, судовые гребные валы и другие.

По материалам книги:

Гусаров А.А. Балансировка роторов машин. М.: Наука, 2004


ВИДЫ РОТОРОВ

В зависимости от положения основной массы ротора (М) он может быть межопорным, если существенная часть массы расположена между опорами (рис. 1, а); консольным, если она находится за одной из крайних опор (рис. 1, б); двухконсольным при расположении существенной части массы за двумя крайними опорами (рис. 1, в). Возможны и смешанные варианты расположения основной массы (рис. 1, г). На рис.1 m означает погонную массу остальной части ротора; А, В - опоры; l - расстояние между опорами; 1 и 2 - плоскости коррекции;  аi - расстояния от плоскостей коррекции до опор.

21.jpg

Ротор, у которого при вращении меняется относительное расположение масс, а также имеющий хотя бы один гибкий или упруго закрепленный элемент, называется ротором с изменяющейся геометрией.

Если у ротора, сбалансированного на частоте вращения, меньшей первой критической в двух произвольных плоскостях коррекции, значения остаточных дисбалансов не превышают допустимые на частотах вращения вплоть до наибольшей эксплуатационной, то такой ротор называется жестким. Первая критическая частота жесткого ротора намного выше его эксплуатационной частоты вращения.

Соответственно, гибкий ротор - тот, у которого после балансировки на частоте вращения, меньшей первой критической в двух произвольных плоскостях коррекции, значения остаточных дисбалансов могут превышать допустимые на иных частотах вращения вплоть до наибольшей эксплуатационной.

По материалам книги: 

Гусаров А.А. Балансировка роторов машин. М.: Наука, 2004


ОСНОВНЫЕ МЕТОДЫ КОРРЕКЦИИ ДИСБАЛАНСА

Коррекция дисбаланса производится добавлением/удалением массы или перемещением оси ротора(центровкой массы). Выбранный метод коррекции должен гарантировать, что имеется свободное пространство для добавления/ удаления материала достаточного для ликвидации дисбаланса, максимально возможного для этого изделия. Идеальный метод коррекции подразумевает нахождение наименьшего начального дисбаланса. Однако этого часто трудно достичь.

Обычные методы снижения дисбаланса позволяют достичь снижения величины дисбаланса в соотношении 10/1 за один пуск при тщательной настройке станка.

Коррекция путем добавления массы, особенно на полностью автоматических машинах может достигать соотношения 20/1 за один пуск. Если за один пуск не удается достичь достаточного уровня дисбаланса, то производится следующий пуск и т.д.

КОРРЕКЦИЯ ДОБАВЛЕНИЕМ МАССЫ

  • Добавление двухкомпонентного эпоксидного состава. Недостаток этого метода заключается в том, что трудно расположить состав так, чтобы его центр тяжести оказался точно в нужном месте.
  • Добавление стандартных грузиков. Этот метод быстр, но его применение ограничено тем, что шаг масс грузиков достаточно велик и поэтому не удается достичь достаточной точности.
  • Добавление веса способом сварки, то есть нанесением расплавленного металла на поверхность ротора в нужном месте. При этом должны быть приняты меры для предотвращения температурной деформации и повреждения ротора.

УДАЛЕНИЕ МАССЫ

  • Сверление. Материал удаляется с ротора сверлением, которое производится на определенную глубину. Это наиболее эффективный метод коррекции дисбаланса.
  • Фрезеровка. Материал удаляется фрезеровкой на определенную глубину и длину. Применяется когда необходимо удалять достаточно большие массы.
  • Шлифовка. Материал удаляется шлифовальным кругом. Этот метод достаточно редко применяется.

ЕДИНИЦЫ ДИСБАЛАНСА

Дисбаланс измеряется граммомиллиметрах. Это масса, умноженная на расстояние этой массы от оси вращения или иначе радиус этой массы. Дисбаланс 100 гхмм, например, означает, что одна сторона ротора имеет эквивалент избытка массы 10 грамм на расстоянии 10 миллиметров, или 20 грамм на расстоянии 5 миллиметров. На следующем рисунке изображен ротор (вид сбоку) с дисбалансом 100 гхмм.

22.jpg

Одна и та же масса создает различный дисбаланс в зависимости от ее расстояния до оси вращения. При определении дисбаланса просто умножают массу на ее расстояние до оси вращения или иначе на радиус этой массы. Хотя одна и та же масса создает один и тот же дисбаланс при любой скорости вращения, но для различных вращающихся тел допустимый остаточный дисбаланс различен.

Как правило, чем выше скорость вращения ротора, тем меньший остаточный дисбаланс допускается и наоборот. При отсутствии дисбаланса больше не будет возникать центробежная сила, которая и создает вибрацию. Некоторый остаточный дисбаланс всегда остается и с этим приходится мириться, как, например, с полем допуска при механической обработке.

ПОЧЕМУ НЕОБХОДИМО БАЛАНСИРОВАТЬ?

Несбалансированный ротор создает вибрацию, которая передается его опорам. Хорошо сбалансированный ротор это:

  • Улучшение качества конечного изделия.
  • Уменьшение вибрации и шума.
  • Минимум напряжения в структуре узла или механизма.
  • Минимум потерь мощности в узле или агрегате.
  • Продление срока службы машины.

Дисбаланс только одной из вращающихся деталей узла или агрегата приводит к вибрации всей машины. Вызванная этим вибрация может приводить к чрезмерному износу подшипниковых узлов, шпинделей и посадочных мест. Колебания могут привести к возникновению явления резонанса и вызвать полное разрушение механизма. Эксплуатационные показатели ухудшаются из-за поглощения энергии структурой опор.

Чрезмерные колебания могут передаваться на смежные машины и существенно вредить их точности и правильному функционированию.

Дисбаланс и центробежная сила Центробежная сила действует на полную массу вращающегося тела и заставляет каждую частицу этого тела стремиться от оси вращения в радиальном направлении. Если масса вращающегося тела равномерно распределена относительно его оси, то деталь сбалансирована и вращается без вибрации.
23.jpg

Однако если избыток массы существует на одной стороне ротора, то центробежная сила, действующая на эту тяжелую сторону превышает центробежную силу, возникающую на противоположной стороне и тянет весь ротор в направлении тяжелой стороны. На следующем рисунке показан ротор сбоку, имеющий избыток массы на одной стороне. Из-за центробежной силы, созданной массой весь ротор стремится к смещению по направлению стрелки.

Центробежная сила увеличивается с квадратом скорости вращения тела, имеющего неравномерное распределение массы, то есть дисбаланс будет возникать из-за избытка центробежной силы, вызванного вращением более тяжелой стороны ротора. Когда тело находится в покое избыточная масса не вызывает возникновение центробежной силы и как следствие вибрации, но дисбаланс все равно существует и поэтому дисбаланс есть величина независящая от скорости вращения и он остается тем же самым в покоящемся теле и при вращении (при отсутствии деформации при вращении).

Центробежная сила, тем не менее, зависит от скорости вращения. Чем выше скорость, тем больше центробежная сила, вызванная дисбалансом и тем сильнее вибрация. Центробежная сила увеличивается по квадратичному закону, при увеличении скорости вращения в два раза центробежная сила увеличится в четыре раза и т.д. Вот почему чем выше скорость вращения, тем большее значение имеет балансировка.

ПРИЧИНЫ ВОЗНИКНОВЕНИЯ ДИСБАЛАНСА

24.jpgИзбыток массы на одной стороне ротора на рисунке и есть дисбаланс или "тяжелое место". Дисбаланс может также возникать от недостатка массы (отверстия, раковины, выбоины) и эти места называются "легким местом".

Дисбаланс может быть вызван следующим:

  • Недостатки изготовления, включая брак механической обработки и сборки.
  • Изменения в структуре материала (пористость, инородные включения).
  • Несимметричная конструкция детали.
  • Асимметрия возникающая в работе в результате перемещения каких-либо частей.

Симметричная конструкция и правильная сборка может часто минимизировать проблемы связанные с балансировкой. Большой дисбаланс требует значительной корректировки. Необходимость балансировки должна учитываться еще на этапе конструирования ротора.

ТИПЫ ДИСБАЛАНСА

Дальше будут представлены четыре различных типа дисбаланса, по определению Международной Организации по Стандартизации. Для каждого из четырех взаимно исключающих случаев будет приведена иллюстрация.

СТАТИЧЕСКИЙ ДИСБАЛАНС

25.jpg

Статический дисбаланс возникает, когда основная ось инерции смещена параллельно оси вращения.

Этот тип дисбаланса возникает, как правило, в тонких деталях типа различных крыльчаток и турбин. Такой тип дисбаланса может быть исправлен помещением дополнительной массы напротив центра тяжести в плоскости перпендикулярной к оси вращения. Статический дисбаланс может быть обнаружен, если положить ротор на два выставленных строго горизонтально ножа. Ротор при этом будет поворачиваться до достижения положения равновесия, когда "тяжелое место" окажется в самом низу.

Применение этого метода очень ограничено из-за низкой точности. Статическая балансировка достаточна только для тел вращающихся с низкой скоростью до 500 об/мин.


МОМЕНТНЫЙ ДИСБАЛАНС

26.jpgДисбаланс при котором основная ось инерции пересекает ось вращения в центре тяжести.

Такой тип дисбаланса возникает, когда два источника дисбаланса помещены с противоположных сторон ротора и угол между ними составляет 180°. В данном случае уже совершенно невозможно применение статического метода обнаружения дисбаланса. Стоит только придать телу имеющему такой тип дисбаланса некоторую угловую скорость и дисбаланс легко обнаруживается и измеряется. Этот тип дисбаланса не может быть исправлен добавлением или удалением массы в единственном месте. Требуется по крайней мере два таких места. Другими словами моментный дисбаланс нуждается в другой паре для его коррекции.

КВАЗИ-СТАТИЧЕСКИЙ ДИСБАЛАНС


Этот дисбаланс при котором основная ось инерции пересекает ось вращения в точке, отличной от центра тяжести.

Этот тип дисбаланса представляет собой комбинацию статического дисбаланса и моментного дисбаланса, где угловое положение одного компонента пары совпадает с угловым положением статического дисбаланса. Это частный случай динамического дисбаланса.

ДИНАМИЧЕСКИЙ ДИСБАЛАНС

27.jpgЭто дисбаланс при котором центральная ось инерции не является ни параллельной, ни пересекается с осью вращения.

Это наиболее часто встречающийся тип дисбаланса, который может быть исправлен массовой коррекцией в по крайней мере двух плоскостях перпендикулярных к оси вращения. Динамический дисбаланс - комбинация статического дисбаланса и моментного дисбаланса, где угловое положение статического дисбаланса относительно дисбаланса пары не равно ни 0°, ни 180°.



Помощь
^