Стенды балансировки роторов

1. Балансировка роторов

С развитием технологий все большее внимание начинает уделяться  вибрационной безопасности машин и  механизмов. Вибрация для техники  губительна, она не только приводит к выходу из строя подшипников  и движущихся частей механизмов, но и провоцирует сбои электроники, поскольку вследствие вибрации идет разрушение электронных плат.

Особенно актуальна  проблема вибрации на высокоскоростных станках и двигателях, которые  сегодня все чаще используются в  производственных комплексах. Чем выше скорость вращения, тем губительнее и даже опаснее для станка вибрация. Поэтому для оборудования с высокими оборотами применяется балансировка роторов, которую можно назвать отдельным направлением инженерии и науки. Так, например, балансировкой турбин на электростанциях занимаются самые высококлассные специалисты и ученые, поскольку вращающаяся турбина может представлять собой угрозу не только механизму, но и жизни находящихся вблизи людей. Скорость вращения некоторых роторов может достигать нескольких сотен тысяч оборотов в минуту. Интересно, что ротор на разных скоростях может вести себя по-разному, поэтому балансировку для высокоскоростного оборудования обычно проводят для определенных оборотов.

В зависимости от типа механизма балансировка может производиться по-разному. Например, конечная балансировка для сложного оборудования, где требуется сократить вибрацию до минимума, должна проводиться уже на самом оборудовании либо в условиях близких к реальным. Для более простых механизмов балансировка роторов производится на стендах либо специальных станках. Стоит заметить, за последние годы выдано немало патентов на изобретения, касающиеся упрощения этой операции. Станки для балансировки, равно как и диагностическое оборудование, постоянно развиваются, используются новейшие технологии для уравнивания баланса, с применением лазеров, электронных пучков, электролиза и т.д.

Поскольку оборудование выпускается разного типа, спектр станков и стендов для балансировки также очень широк. Это системы  для диагностики и балансировки авиационных турбин, и высокоточные аппараты для микродвигателей, и множество других приспособлений. Пожалуй, наиболее банальными в этом ряду являются станки для балансировки автомобильных колес и коленчатых валов, хотя принцип действия в простых и более сложных аппаратах практически одинаков. Главное – это найти точку наибольшей вибрации и сместить центр тяжести ротора таким образом, чтобы он в определенном диапазоне оборотов давал предельно ровное вращение. Понятно, что с появлением электроники и большого количества различных датчиков, процесс изрядно упростился, и зачастую рабочий, производящий балансировку, не знает даже простейших формул – все за него считает компьютерный модуль станка. Остается лишь в нужном месте прикрепить грузик либо сделать наплавление. Однако, учитывая, что балансировка роторов сложных машин требует индивидуального подхода, приходится привлекать профессионалов, многие из которых имеют ученую степень. Особенно это касается гибких роторов и валов турбин.

1.1. 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 вращения ротора была главной центральной осью инерции. В зависимости от распределения дисбаланса по длине ротора, на жёстком роторе различают следующие виды дисбаланса.

  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 тяжести ротора.(рисунок 1)

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

Рисунок 1. Статический дисбаланс, где е – эксцентриситет; S – центр тяжести; D-D – ось ротора; Т-Т – главная ось инерции

Рисунок 2. Дисбаланс моментов

Рисунок 3. Динамический дисбаланс

  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 (Рисунок 3).

  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.

1.2. Технологические особенности  балансировки роторов в собственных  опорах

  До начала балансировки необходимо выполнить следующие операции подготовки: очистить рабочее колесо от грязи, шлака 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 (начального 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.

1.3. Стенд для балансирования

  Для получения  практических навыков балансировки  роторов спроектирован и собран  стенд имитирующий роторные машины  с двухопорным валом, с одной  стороны соединенного с электродвигателем, а с другой стороны установлен и закреплен рабочий орган.

  Стенд (рисунок 4) состоит  из основания на котором, установлен  и закреплен однофазный электродвигатель  и две опоры. В опорах на  шариковых подшипниках установлен  вал, соединенный с валом двигателя с помощью упругой муфты, а с противоположной стороны вала закреплен диск в котором просверлены отверстия для установки пробных грузов.

Рисунок 4. Внешний вид стенда для  балансировки

1.4. Балансировочные станки

Балансировочные станки – это высокоточное оборудование с электронной измерительной  системой, определяющей величину и  место динамической (статической) неуравновешенности симметричных относительно оси вращения деталей машин и механизмов (валов, роторов, колес, дисков и пр.). Балансировочные станки имеют опциональные приспособления для автоматической корректировки масс. Производимые в Европе более 30 лет балансировочные станки и балансировочное оборудование (горизонтальные, вертикальные) и автоматические балансировочные линии различных типов и конфигураций поставляются  в Россию. Русификацию программного обеспечения, пуско-наладочные работы по станкам, а также сервисное сопровождение обеспечивает множество фирм.

Налажен выпуск немалого количества моделей балансировочных  станков дорезонансного и зарезонансного типа для балансировки роторов и  дисков массой (балансировка карданных  валов, балансировка роторов) от 1г до 110тонн.

Типы балансировочных  станков и серийные линии:

• Балансировочный станок (оборудование) для роторов и рабочих колес вентиляторов
• для якорей электродвигателей
• для цилиндров прессов
• для станочных и ходовых шпинделей
• для крыльчаток насосов и компрессоров
• для турбоагрегатов
• для карданных валов и коленчатых валов
• для шлифовальных кругов
• для сепараторов, центрифуг
• для дисков и зап/частей
• для механизмов в сборе.

По техническому заданию  могут быть произведены специальные  балансировочные станки и балансировочное оборудование других типоразмеров и назначения, не входящих в стандартные спецификации.

 

Дебаланс (разбалансировка) — неуравновешенность вращающихся  деталей механизма (рабочих колес, дисков, карданных валов, якорей). Дебаланс  появляется, если несовпадает главная ось инерции с осью вращения ротора. Совмещение этих осей достигается на станке для балансировки или балансировочным прибором. Дебаланс роторного механизма измеряется в двух плоскостях, как статический дебаланс, или как моментный дебаланс (динамический). Измеряемый ротор устанавливается на своем собственном вале, оправке или, для агрегатов, на вибрационной раме станка для балансировки. Компенсация дебаланса производится добавлением грузов (масс) непосредственно на ротор на станке или снятием материала. Необходимые данные компенсации дебаланса рассчитываются для высверливания, фрезерования, наваривания, количества балансировочных грузов и многие другие процедурные моменты выводятся на экран станка для балансировки. Перенастройка на роторы другого типа также легко выполняется.

Как известно при вращении любых роторов имеются критические  частоты, на которых наблюдается  повышенная виброактивность роторной системы. Критические частоты подразделяются на первые две критические (резонансные) и последующие (изгибные) частоты. На резонансных частотах основная энергия колебаний связана с деформацией элементов конструкции опор с небольшим изгибом оси ротора. На изгибных частота основная энергия колебаний связана с прогибом ротора, что может привести к разрушению роторной системы. Роторы, рабочие частоты которых превышают резонансные частоты и имеющие сравнительно небольшой запас по изгибным частотам, относятся к классу гибких роторов.