СТЕНД ДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ МЕТОДОВ БАЛАНСИРОВКИ РОТОРОВ

Федяев Д.И.
Донецкий национальный технический университет

  Работа машин сопровождается вибрациями, которые мешают их нормаль-ной эксплуатации, вызывая преждевременный износ, поломку деталей, угрожают появлением трещин в фундаментах и строительных конструкциях зданий, а также вредно влияют на обслуживающий персонал.

  Причина вибрации - неуравновешенность инерционных сил. Главный технологический путь устранения вибрации машин - применение эффективных методов балансирования.

ВИДЫ НЕУРАВНОВЕШЕННОСТИ РОТОРОВ

  По своим упруго-деформационным свойствам роторы подразделяются на жёсткие и гибкие. Вал жесткого ротора не изменяет своей формы при вращении. Форма вала гибкого ротора, изменяется при запуске, проходя критические частоты. С точки зрения балансировки ротор является жёстким, если ротор можно уравновесить в любых двух произвольно выбранных плоскостях, и после такой коррекции влияние остаточного дисбаланса не будет изменяться при любой частоте вращения, а также при любых нормальных режимах эксплуатации.

  Любая масса дисбаланса вращающегося жёсткого ротора вызывает появление возмущающей силы:

где m, r – соответственно масса дисбаланса и радиус расположения; w – угловая скорость вращения ротора

  Цель балансировки заключается в компенсации сил дисбаланса таким об-разом, чтобы центр тяжести ротора лежал на оси вращения, а геометрическая сумма центробежных сил инерции была равна нулю. Требуется, чтобы ось вра-щения ротора была главной центральной осью инерции. В зависимости от рас-пределения дисбаланса по длине ротора, на жёстком роторе различают сле-дующие виды дисбаланса (рисунок 1).

  1. Статический дисбаланс (отклонение центра тяжести). Дисбаланс при-водит к параллельному смещению центральной оси инерции по отношению к оси ротора. Это смещение одновременно соответствует смещению центра тяже-сти ротора.

  2. Дисбаланс моментов (прецессия). При этом центральная главная ось инерции находится под определённым углом относительно оси ротора и пере-секает эту ось в центре тяжести ротора.

Рисунок 1 – Виды неуравновешенности роторов

  3. Обычно роторы имеют статический и моментный дисбаланс. В этом случае главная ось инерции не пересекает ось ротора в центре тяжести, это явление называется динамическим дисбалансом.

  Балансировка ротора основана на принятии пропорциональности амплитуд колебаний вызывающим их силам, а также неизменности угла сдвига фаз между вектором вибрации корпуса подшипника, и вектором дисбаланса (при постоянной частоте вращения).

  При проведении балансировки роторов в собственных подшипниках выделяют два различных подхода к технологии балансировки. Одноплоскостная балансировка, при которой проводят устранение колебаний каждой стороны ротора. Предполагается, что колебания соответствующего подшипника вызываются дисбалансом данной стороны ротора. Балансировочный груз, установленный на одном из концов ротора, будет воздействовать на колебания только ближайшего подшипника. Двухплоскостная балансировка, при которой расчёт положения и массы балансировочных грузов проводится с учетом взаимного колебания обеих сторон ротора.

  Плоскость балансировки (коррекции) – плоскость, в которой производят коррекцию неуравновешенности путем добавления или снятия определенной массы. Плоскость измерения - плоскость, в которой проводятся измерения параметров вибрации. Плоскость балансировки и плоскость измерения должны находиться как можно ближе друг к другу.

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ БАЛАНСИРОВКИ РОТОРОВ В СОБСТВЕННЫХ ОПОРАХ

  До начала балансировки необходимо выполнить следующие операции подготовки: очистить рабочее колесо от грязи, штыба и других отложений; на удобном для наблюдения торце ротора нанести мелом или краской метку, а рядом расположить лимб для отсчёта фазы по стробоскопу (угловая разметка с интервалом не более 100) или установить светоотражательную метку для фотодатчика; разметить мелом или краской лопатки ротора вентилятора; рассчитать и подготовить пробный груз и заготовить материал для уравновешивающих грузов; установить вибродатчик на корпусе подшипника ротора и подготовить балансировочную аппаратуру в соответствии с прилагаемой к ней инструкцией по эксплуатации.

  Также, до начала балансировки, следует обратить внимание на следующие вопросы. Балансировку проводят на рабочей частоте вращения ротора. При регулируемом приводе выбирают наибольшую рабочую частоту вращения. Роторы, имеющие большой дисбаланс, предварительно балансируют на низкой частоте вращения и далее на высшей частоте. Частота вращения при балансировке не должна лежать ни в одном из диапазонов резонансов машины, кроме того, необходимо обеспечить достижение одной и той же частоты вращения во время отдельных пусков. Установка машины должна обеспечить достижение воспроизводимых результатов измерений вибрации и угла сдвига фаз (отклоне-ние не более 10...20 %). В качестве точек измерения выбирают опоры подшипниковых узлов механизма. Для статической, одноплоскостной балансировки необходимо измерять колебания на одной опоре, ближайшей к плоскости коррекции. Для динамической балансировки широких роторов требуется измерение на каждой опоре ротора.

  Измерения проводят в горизонтальном и вертикальном направлении или, в крайнем случае, в одном из радиальных направлений, в котором ожидают наибольшие амплитуды колебаний, обычно – это горизонтальное направление. Следует отметить выбранные точки измерения. Во время отдельных пусков измерения проводят всегда в одной и той же точке, и в одном и том же направлении.

  Компенсация дисбаланса осуществляется добавлением или снятием массы в одной или нескольких плоскостях коррекции. Обычно число плоскостей коррекции и плоскостей измерения совпадают. Плоскости коррекции должны быть расположены как можно ближе к отнесённым к ним опорам, то есть расстояние между отдельными плоскостями коррекции должно быть как можно больше.

  Установка дополнительных масс на роторе легче, чем удаление масс путём сверления или шлифования, это относится как к пробному, так и к уравновешивающему грузу. Метод компенсации путём снятия материала используют только когда установка масс, например, по причинам безопасности, невозможна.

  Измерение фазы векторов вибраций производится по градусной шкале, жёстко связанной с уравновешиваемым ротором. Разметка градусной шкалы соответствует разметке балансировочной окружности, проводимой для ориентации грузов, устанавливаемых в торцовых плоскостях ротора и производится против вращения ротора относительно произвольной начальной отметки (на-чального радиуса), принимаемой за нулевую. При использовании стробоскопического метода вышеуказанные условия измерения фазы выполняются, если отсчёт фазы осуществляется по вращающейся шкале, связанной с торцом ротора, относительно неподвижно закреплённого на статоре ориентира-стрелки.

  Если при стробоскопическом методе измерения отсчёт фазы проводится путём наблюдения за положением вращающегося ориентира относительно неподвижной градусной шкалы, тогда разметка этой шкалы должна быть проведена противоположно разметке балансировочной окружности (по вращению ротора). Полученный при расчётах угол установки грузов отсчитывается по градусной шкале балансировочной окружности.

СТЕНД ДЛЯ БАЛАНСИРОВАНИЯ

  Для получения практических навыков балансировки роторов спроектиро-ван и собран стенд имитирующий роторные машины с двухопорным валом, с одной стороны соединенного с электродвигателем, а с другой стороны установ-лен и закреплен рабочий орган.

  Стенд (рисунок 2) состоит из основания на котором, установлен и закреп-лен однофазный электродвигатель и две опоры. В опорах на шариковых под-шипниках установлен вал, соединенный с валом двигателя с помощью упругой муфты, а с противоположной стороны вала закреплен диск в котором просвер-лены отверстия для установки пробных грузов.

Рисунок 2 – Внешний вид стенда для балансировки

Литература

1. Рунов Б. Т. Уравновешивание турбоагрегатов на электростанциях. - М.- Л.: Госэнергоиздат, 1963. - 224 с.
2. Брановский М.А., Сивков А.П. Балансировка роторов турбоагрегатов. – М.: Энергия, 1966. – 200 с.
3. Временная инструкция по применению средств и методов снижения уровня вибраций стационарных машин шахт и обогатительных фабрик. – До-нецк: НИИ горной механики и технической кибернетики им. М.М. Федорова, 1968. – 88 с.