Неуравновешенностью ротора называют состояние ротора, которое во время вращения приводит к появлению центробежных сил и моментов, вызывающих переменные нагрузки на опоры ротора и его изгиб. Неуравновешенность ротора могут вызвать источники механического происхождения, рассматриваемые в этой главе, гидродинамического и др.
Неуравновешенность ротора и дисбаланс механического происхождения.
Неуравновешенность ротора механического происхождения вызывается возникновением (в силу различных причин) отклонений рабочих геометрических размеров ротора от номинальных конструктивных, т.е. дисбаланса. При вращении такого ротора с некоторой угловой скоростью в каждом поперечном сечении, имеющем отклонение размеров от номинальных, возникает центробежная сила, вращающаяся вместе с ротором и вызывающая переменные нагрузки на опоры. При этом для наблюдателя результирующая центробежная сила вращается, как и ее отдельные составляющие, но для ротора она неподвижна и является статической нагрузкой, которая может вызывать значительный изгиб.
Воздействие центробежных сил, или дисбаланса, на опоры в большой степени определяется динамическими свойствами ротора, т.е. его способностью к изменению формы при вращении. Большинство крупных агрегатов, например, турбоагрегатов, крупных электрических машин и др., имеют ротора с изменяемой при вращении формой оси, то есть т.н. гибкие ротора, однако, основная часть агрегатов средней и малой мощности имеют практически недеформируемые при вращении жесткие ротора.
Условно виды дисбаланса валопроводов можно разделить на две категории: механический, или "жесткий", дисбаланс и дисбаланс, связанный с прогибом ротора.
Механический, или "жесткий", дисбаланс - один из основных источников повышенной вибрации оборудования. Причины его возникновения можно разделить на две группы. Первая из них - это дефекты, связанные с нарушением технологии изготовления, сборки и балансировки ротора после сборки, с заменой или перестановкой деталей в процессе монтажа, характеризующиеся повышенной вибрацией непосредственно по завершении ремонта или монтажа оборудования. Другая группа - дефекты эксплуатации, такие как разрушение и "вылет" частей ротора (например, частей рабочего диска, лопаток и др.) в процессе работы, характеризующиеся внезапными однократными скачкообразными изменениями амплитуды и/или фазы вибрации, и различные виды износа поверхностей ротора (например, трущихся и рабочих - шеек вала, лопастей колес), отложения в процессе работы, уменьшение натяга (нарушение посадок) деталей вала, в большинстве случаев характеризующиеся сравнительно медленными (в течение часов, дней, месяцев и более) изменениями амплитуды и/или фазы вибрации.
Дисбаланс, связанный с прогибом (во многих случаях остаточным) вала, также может вызываться дефектами изготовления (остаточные деформации, неоднородность поковки вала, тепловая нестабильность в электрических машинах и др.), дефектами монтажа (в торцевых гаечных соединениях, перекосы в шпоночных соединениях, нарушение натяга дисков и др.) и дефектами эксплуатации (задевания, в результате неравномерного охлаждения или нагрева ротора или нарушения зазоров, нарушений режима пуска и др.).
Статическую неуравновешенность ротора может вызывать, например, нарушение соосности бочки и шеек ротора, прогиб ротора, различие в массе одинаковых диаметрально противоположных элементов (пример: полюсов синхронных машин или секций обмоток якоря), смещение масс пропиточного лака при сушке и др. Причиной моментной неуравновешенности могут быть перекосы насаживаемых на вал узлов: коллектора, контактных и бандажных колец, рабочих облопаченных колес и многие другие причины.
Диагностические признаки неуравновешенности ротора.
Траектория движения ротора в подшипнике при неуравновешенности ротора в большинстве случаев имеет форму эллипса, а не круга, что связано с различной жесткостью подшипника в вертикальном и горизонтально - поперечном направлениях. На рис. 5 - 01 приведена типичная траектория движения шейки ротора в подшипнике скольжения при дисбалансе, при этом отношение размахов виброперемещений в вертикальном и горизонтально - поперечном направлениях примерно соответствует отношению жесткостей подшипника в тех же направлениях.
Рис. 5-01. Траектория движения шейки вала в подшипнике скольжения при дисбалансе.
Кривые (формы сигнала) виброперемещения и виброскорости при неуравновешенности ротора и отсутствии других развитых дефектов агрегата вомногих случаях периодические или почти периодические, с периодом колебаний, соответствующим частоте вращения ротора (fr), и имеют форму, близкую к синусоидальной. Амплитуда и фаза вибрации на частоте вращения ротора практически стабильны во времени. Кривая (форма сигнала) виброускорения часто имеет более "сложный" ("случайный") характер, особенно если ротор опирается на подшипники качения.
На рис. 5 - 02 приведены формы сигнала виброскорости (нижний график) и виброускорения (верхний график) измеренные с интервалом в несколько секунд в одной и той же точке подшипникового щита электродвигателя, имевшего неуравновешенность ротора. На рисунке вертикальными пунктирными линиями помечен временной интервал, соответствующий одному обороту ротора. При этом кривая (форма сигнала) виброускорения имеет "сложную" форму за счет неуравновешенности ротора, а индексом fm вибросоставляющая, возбуждаемая подшипником качения, которую не следует принимать во внимание. Необходимо добавить, что виброактивность на высших гармониках частоты вращения ротора при дисбалансе во многом определяется нелинейностью, весьма индивидуальной для каждого подшипника, и уменьшается с ростом порядкового номера гармоники.
Рис. 5-02. Формы сигнала виброскорости и виброускорения измеренные на подшипниковом щите электродвигателя, имевшего неуравновешенность ротора.
При этом кривая (форма сигнала) виброускорения имеет "сложную" форму за счетдостаточно интенсивной средне- и высокочастотной и случайной вибрации (во многих случаях возбуждаемой даже исправными подшипниками качения и другими источниками) и наглядней проявляющейся в сигнале виброускорения, чем виброскорости.
При механическом дисбалансе параметры вибрации зависят от частоты вращения ротора и практически не зависят от режима работы агрегата, внешних условий работы агрегата и температуры. Вибрация может проявляться как в поперечном, так и осевом направлениях, однако, в силу ее зависимости от жесткости подшипника, пространственно анизотропной, обычно горизонтально - поперечная вибрация преобладает над вертикальной. При этом чаще наблюдаются более интенсивные колебания опор ротора с дисбалансом, и влияние последнего на колебания опор сопряженных роторов агрегата, особенно в случае применения гибких муфт, обычно относительно невелико.
В силу изложенного выше, большинство специалистов используют распределение вибрации на частоте вращения ротора как по различным опорам агрегата, так и по пространственным компонентам в качестве диагностических признаков неуравновешенности ротора, а количественные характеристики и особенности изменений амплитуды и фазы вибрации в качестве диагностических параметров.