Статическая и динамическая балансировка роторов механизмов. Балансировка вращающихся деталей при ремонте машин Что такое статическая и динамическая балансировка

Цель балансировки состоит в устранении неуравновешенности детали сборочной единицы относительно оси ее вращения. Неуравновешенность вращающейся детали приводит к возникновению центробежных сил которые могут быть причиной вибрации узла и всей машины преждевременного выхода из строя подшипников и других деталей. Основными причинами неуравновешенности деталей и узлов могут быть: погрешность формы деталей например овальность; неоднородность и неравномерность распределения материала детали относительно оси ее вращения образованные при...

Если эта работа Вам не подошла внизу страницы есть список похожих работ. Так же Вы можете воспользоваться кнопкой поиск

БАЛАНСИРОВКА ДЕТАЛЕЙ И УЗЛОВ

Виды неуравновешенности

Балансировка вращающихся частей машин — важный этап технологического процесса сборки машин и оборудования. Цель балансировки состоит в устранении неуравновешенности детали (сборочной единицы) относительно оси ее вращения. Неуравновешенность вращающейся детали приводит к возникновению центробежных сил, которые могут быть причиной вибрации узла и всей машины, преждевременного выхода из строя подшипников и других деталей. Основными причинами неуравновешенности деталей и узлов могут быть: погрешность формы деталей (например, овальность); неоднородность и неравномерность распределения материала детали относительно оси ее вращения, образованные при получении заготовки литьем, сваркой или наплавкой; неравномерное изнашивание и деформация детали в процессе эксплуатации; смещение детали относительно оси вращения из-за погрешности сборки и др.

Неуравновешенность характеризуется дисбалансом — величиной, равной произведению неуравновешенной массы детали или сборочной единицы на расстояние центра масс до оси вращения, а также углом дисбаланса, определяющим угловое расположение центра масс. Различают три вида неуравновешенности вращающихся деталей и узлов: статическую, динамическую и смешанную, как сочетание первых двух.

Статическая неуравновешенность имеет место, если массу тела можно рассматривать как приведенную к одной точке (центру масс), отстоящей на некотором расстоянии от оси вращения (рис. 6.52). Этот вид неуравновешенности характерен для деталей типа дисков, высота которых меньше диаметра (шкивы, зубчатые колеса, маховики, крыльчатки, рабочие колеса насосов и т.п.).

Образующаяся при вращении такой детали центробежная сила Q (Н) определяется по формуле

Q =mω 2 ρ,

где m — масса тела, кг; ω — угловая скорость вращения тела, рад/с; ρ — расстояние от оси вращения до центра массы, м.

На практике обычно принимается, что указанная центробежная сила не должна превышать 4—5 % веса детали.

Неуравновешенность рассматриваемого вида можно обнаружить, не приводя объект во вращение, поэтому она называется статической.

Рис. 6.52. Виды неуравновешенности вращающегося тела: а — статическая; б — динамическая; в — общий случай неуравновешенности

Динамическая неуравновешенность возникает, когда при вращении детали образуются две равные противоположно направленные центробежные силы Q, лежащие в плоскости, проходящей через ось вращения (рис. 6.52, б). Создаваемый ими момент пары сил М (Н) определяется уравнением

М =mω 2 ρa,

где а — расстояние между направлениями действия сил, м.

Динамическая неуравновешенность проявляется при вращении относительно длинных тел, например роторов электрических машин, валов с несколькими установленными зубчатыми колесами и т.п. Она может возникать даже при отсутствии статической неуравновешенности.

Общий случай неуравновешенности, также присущий длинным объектам, характеризуется тем, что на вращающийся объект одновременно действуют приведенная пара центробежных сил S—S (рис. 6.52, в) и приведенная центробежная сила Т. Эти силы можно привести к двум действующим в различных плоскостях силам Р и Q, расположенных, например, для удобства измерения в его опорах. Значения этих сил определяются по формулам:

Р =m 1 ρ 1 ω 2 ;

Q= m 2 ρ 2 ω 2

При вращении детали, кроме реакций от действующих на нее внешних сил, возникают также реакции от неуравновешенных сил Р и Q, что повышает нагрузку на подшипники и сокращает срок их службы.

Для уменьшения неуравновешенности до допустимых значений применяют балансировку вращающихся деталей и узлов, которая включает определение величины и угла дисбаланса и корректировку массы балансируемого изделия путем ее уменьшения или прибавления в определенных местах. В зависимости от вида неуравновешенности различают статическую или динамическую балансировку.

Статическая балансировка

Статической балансировкой достигается совмещение центра массы (центра тяжести объекта) с осью его вращения. Наличие неуравновешенности (дисбаланса) и место ее расположения определяют с помощью специальных устройств двух типов. На устройствах первого типа она определяется без сообщения вращения детали за счет уравновешивания ее дисбаланса, а на устройствах второго типа (балансировочных станках) — путем измерения центробежной силы, создаваемой неуравновешенной массой, поэтому вращение детали обязательно.

В машиностроении обычно применяются, как более простые, устройства первого типа: с двумя горизонтально установленными параллельными призмами (рис. 6.53, а) или двумя парами установленных на подшипниках качения дисков (рис. 6.53, 6), а также балансировочные весы (рис. 6.56). В первых двух случаях (см. рис. 6.53) балансируемую деталь 1 плотно насаживают на оправку 2 или закрепляют концентрично с ней, обычно с помощью раздвижных конусов. Оправку устанавливают на расположенные горизонтально призмы 3 или диски 4.

Метод выявления неуравновешенности зависит от величины дисбаланса. Если крутящий момент, создаваемый неуравновешенной массой относительно оси оправки, превышает момент сопротивления сил трения качению оправки по призмам (случай с явно выраженной неуравновешенностью), то деталь вместе с оправкой будет перекатываться по призмам, пока центр тяжести детали не займет нижнее положение. Закрепив груз массой m на диаметрально противоположной стороне детали, можно ее уравновесить. Для этого также в детали сверлят отверстия, которые заполняют более плотным материалом, например, свинцом. Обычно же уравновешивание обеспечивается удалением части металла с утяжеленной стороны детали (сверлением отверстий на определенную глубину, фрезерованием, спиливанием и т.п.).

Рис. 6.53. Схемы устройств для статической балансировки с призмами (а) и дисками (б); 1 — балансируемый объект; 2 — оправка; 3 — призма; 4 — диск

В обоих случаях для выполнения балансировки детали требуется знать удаляемую или добавляемую к ней массу металла. Для этого деталь с оправкой устанавливают на призмах так, чтобы центр их тяжести располагался и плоскости, проходящей через ось оправки. В диаметрально противоположной точке детали прикрепляют такой груз Q, при котором неуравновешенная масса m может повернуть диск на небольшой (около 10°) угол. Затем оправку с деталью поворачивают в том же направлении на 180° так, чтобы центры приложения груза Q и массы m находились снова в одной горизонтальной плоскости. Если отпустить диск в этом положении, то он повернется в обратном направлении на угол α. Возле груза Q прикрепляют такой добавочный груз q (магнитный или липкий), который воспрепятствовал бы указанному повороту оправки 2 и мог обеспечить ее поворот на такой же малый угол в противоположном направлении.

Зная массы Q и q, определяют искомую массу уравновешивающего груза Q 0 :

Q 0 = Q + q/2.

Для обеспечения балансировки такую массу металла следует добавить к детали в точке приложения груза Q или удалить с детали в диаметрально противоположной точке. Если требуется изменить расчетную массу уравновешивающего груза или точку ее приложения, то пользуются соотношением

Q 0 = Q 1 R,

где г — радиус положения расчетного уравновешивающего груза Q 0 ; Q 1 — масса постоянного уравновешивающего груза; R — расстояние от оси оправки до точки его приложения.

Возможен также случай скрытой статической неуравновешенности, когда момент, создаваемый неуравновешенной массой детали, недостаточен для преодоления момента трения качения между оправкой и призмами, и оправка с деталью при установке на призмы или диски остаются неподвижными.

В этом случае для определения неуравновешенности деталь размечают по окружности на 8—12 равных частей, которые отмечают соответствующими точками, как показано на рис. 6.54. При сложности или невозможности разметки балансируемой детали применяют специальный диск с делениями, который закрепляют неподвижно на конце оправки.

Затем перекатывают оправку с деталью по призмам в направлении, указанном стрелкой, и поочередно совмещают размеченные точки с горизонтальной плоскостью, проходящей через ось вращения оправки. Для каждого из этих положений детали подбирают груз q, который устанавливают на расстоянии г от оси оправки. Под действием этого груза оправка с деталью должна поворачиваться примерно на одинаковый угол (около 10°) в направлении перекатывания по призмам. Положение, для которого величина этого груза минимальна, например 4, определяет плоскость расположения центра неуравновешенной массы G.

Рис. 6.54. Схема определения скрытой неуравновешенности на начальном (а) и завершающем (б) этапах

Затем груз q снимают, и оправку поворачивают на 180° в направлении, указанном на рис. 6.54 стрелкой. В точке 8 на том же расстоянии от оси вращения оправки закрепляют такой груз Q (рис. 6.54, б), который обеспечивает поворот в том же направлении и на такой же угол. Масса Q 0 материала, удаляемого в точке 4 или добавляемого в точке 8 для балансировки детали, определяется из условия ее равновесия:

Q 0 =Gp/r=(Q-g)/2.

При выборе типа устройства следует учитывать, что его чувствительность тем выше, чем меньше сила трения между оправкой и опорами, поэтому более точными являются устройства с балансировочными дисками (см. рис. 6.53, б). Преимуществом этих устройств являются также менее жесткие требования к точности их установки по сравнению с призмами и более удобные и безопасные условия труда, так как при расположении оправки между двумя парами дисков исключается возможность ее падения с балансируемой деталью. Для уменьшения трения в опорах с дисками применяют наложение на них вибраций. Соприкасающиеся поверхности оправки и призм или дисков должны быть точно изготовлены и содержаться в идеальном состоянии. На них не допускаются забоины, следы коррозии и др. дефекты, снижающие чувствительность устройства.

Для ее повышения применяют также балансировочные устройства с аэростатическими опорами (рис. 6.55). В этом случае оправка с изделием находятся во взвешенном состоянии за счет того, что в опору 1 по каналам 2 и 4 подается под определенным давлением сжатый воздух.

Высокую производительность и точность определения неуравновешенности некоторых деталей обеспечивают балансировочные весы (рис. 6.56). Для ряда типов деталей они являются более эффективными по сравнению с призматическими и роликовыми устройствами, так как позволяют непосредственно определять неуравновешенную массу и место ее расположения в детали.

Рис. 6.55. Схема стенда для статической балансировки на воздушной подушке: 1 — опора стенда; 2, 4 — каналы для подвода сжатого воздуха; 3 — оправка

Рис. 6.56. Схема балансировочных весов для небольших (а) и крупногабаритных (6) деталей: 1 — уравновешивающие грузы; 2 — коромысло; 3 — балансируемая деталь

Оправку с закрепленной на ней балансируемой деталью 3 (рис. 6.56, а) устанавливают на правом конце коромысла 2 весов. На левом конце коромысла подвешивают уравновешивающие грузы 1. Если центр тяжести проверяемой детали смещен относительно оси ее вращения, то при различных положениях детали показания весов будут неодинаковыми. Так, при положении центра тяжести детали в точках S1 или S3 (pиc. 6.56, а) весы покажут фактическую массу проверяемой детали. При положении центра тяжести в точке S2 их показания максимальны, а при положении центра тяжести в точке S4 — минимальны. Для определения положения центра тяжести детали показания весов фиксируют, периодически поворачивая ее вокруг своей оси на определенный угол, например, равный 30°.

Дисбаланс изделий типа дисков большого диаметра удобно определять на специальных весах (рис. 6.56, б). Они имеют две расположенные во взаимно перпендикулярных направлениях стрелки и приводятся в уравновешенное (горизонтальное) состояние с помощью грузов, расположенных диаметрально противоположно стрелкам.

Балансируемую деталь устанавливают с помощью специального приспособления на весах так, чтобы ее ось проходила через вершину опоры весов, выполненной в виде конического острия и соответствующего углубления в основании. При наличии у детали дисбаланса весы с деталью отклоняются от горизонтального положения. Перемещая по детали уравновешивающий груз, весы приводят в исходное (горизонтально) положение, контролируя его с помощью стрелок. По массе и положению уравновешивающего груза определяют величину и место нахождения дисбаланса.

Устройства второго типа для статической балансировки основаны на принципе регистрации центробежной силы, возникающей при вращении неотбалансированной детали. Они представляют собой специальные балансировочные станки, схема одного из которых приведена на рис. 6.57. Станок позволяет не только устанавливать наличие дисбаланса, но и устранять его сверлением отверстий.

Балансируемая деталь 1 устанавливается концентрично и закрепляется на столе 9, снабженном угловой шкалой. Двигатель 7 сообщает столу с деталью вращение с угловой частотой ω, поэтому при наличии у детали дисбаланса а возникает центробежная сила, под действием которой и реакции пружин 8 система получает колебательные движения относительно опоры 6. Последние фиксируются измерительным преобразователем (ИП), связанным со счетно-логическим устройством (СЛУ).

В момент максимального отклонения системы вправо СЛУ включает стробоскопическую лампу 4, освещающую угловую шкалу на столе 9, и передает на индикаторное устройство 5 сигнал, пропорциональный дисбалансу. Устройство 5, которое может быть стрелочного или цифрового типа, показывает значение требуемой глубины сверления.

Оператор фиксирует высвечиваемое на экране 3 угловое расположение дисбаланса. После остановки стол поворачивают вручную на требуемый угол и сверлом 2 в детали 1 сверлят отверстие на расстоянии г от оси вращения на глубину, необходимую для обеспечения балансировки детали. Существуют также балансировочные станки, на которых поворот диска в требуемую точку (или несколько точек) для выполнения сверления и процесс сверления выполняются в автоматическом режиме.

Рис. 6.57. Схема станка для статической балансировки: 1 — балансируемая деталь; 2 — сверло; 3 — экран; 4 — стробоскопическая лампа; 5 — индикаторное устройство; 6 — шарнирная опора; 7 — электродвигатель; 8 — пружина; 9 — стол; ИП — измерительный преобразователь; СЛУ — счетно-логическое устройство

Точность статической балансировки характеризуется величиной е 0 ω р , где е 0 — остаточный удельный дисбаланс; ω р - максимальная рабочая частота вращения детали при эксплуатации.

Балансировка на призмах (см. рис. 6.53, а) обеспечивает е 0 = 20—80 мкм, на дисковых опорах (см. рис. 6.53, б) е 0 = 15—25 мкм, в аэростатических опорах (см. рис. 6.55) — е 0 = 3—8 мкм, на станке по рис. 6.57 — е 0 = 1—3 мкм. Международным стандартом МС 1940 предусмотрено 11 классов точности балансировки.

Динамическая балансировка

Статическая балансировка недостаточна для устранения дисбаланса у длинных объектов, когда неуравновешенная масса распределена вдоль оси вращения и не может быть приведена к одному центру. Такие тела подвергаются динамической балансировке.

У динамически отбалансированной детали сумма моментов центробежных сил масс, вращающихся относительно оси детали, равна нулю. Поэтому динамической балансировкой достигают совпадения оси вращения детали с главной осью инерции данной системы.

Если динамически неуравновешенное тело установить на податливые опоры, то при его вращении они совершают колебательные движения, амплитуда которых пропорциональна значению действующих на опоры неуравновешенных центробежных сил Р и Q (рис. 6.58). Способы динамической балансировки основаны на измерении колебаний опор.

Динамическую балансировку каждого конца детали обычно выполняют отдельно. Сначала, например, опору Ι (см. рис. 6.58) оставляют подвижной, а противоположную опору II закрепляют. Поэтому вращающийся объект в этом случае совершает колебательные движения в пределах угла α относительно опоры II только под действием силы Р.

Для повышения точности определения дисбаланса детали амплитуду колебаний опор измеряют при частоте ее вращения, совпадающей с частотой собственных колебаний балансировочной системы, т.е. в условиях резонанса. При динамической балансировке определяют массу и положение грузов, которые следует добавить к детали или удалить с нее. С этой целью применяют специальные балансировочные станки различных моделей в зависимости от массы уравновешиваемых деталей. Балансировка свободного конца детали заключается в определении значения и направления силы Р и устранения ее вредного влияния установкой в определенном месте уравновешивающего груза или удалением определенного количества материала. Затем закрепляют опору Ι, а опору II освобождают и аналогично выполняют балансировку детали со второго конца. Для упрощения конструкции станка подвижной делают обычно одну опору, а возможность балансировки детали с двух концов обеспечивается ее переустановкой на 180°.

Рис. 6.58. Схема колебаний детали при динамической балансировке

На этом принципе основана схема станка (рис. 6.59) для динамической балансировки, аналогичного рассмотренному выше (см. рис. 6.57).

Рис. 6.59. Схема станка для динамической балансировки: 1 — балансируемая деталь; 2 — угловая шкала; 3 — экран; 4 — стробоскопическая лампа; 5 — индикаторное устройство; 6 — пружина; 7 — основание; 8 — опора; 9 — электродвигатель; 10 — электромагнитная муфта; ИП — измерительный преобразователь; СЛУ — счетно-логическое устройство

Устройства ИП, СЛУ, 5,4,3 и угловая шкала 2 имеют то же назначение, что и аналогичные элементы в станке по рис. 6.57.

Балансируемую деталь 1 устанавливают на опоры основания 7, которое может совершать под действием пары сил инерции Q 1 Q 2 и реакции пружины 6 колебания относительно оси 8. Деталь приводится во вращение двигателем 9 через электромагнитную муфту 10, с угловой скоростью ω, несколько большей, чем резонансная частота собственных колебаний системы.

После проведения балансировки детали в плоскости bb ее поворачивают на 180° для проведения балансировки в плоскости аа. О качестве динамической балансировки судят по амплитуде вибрации, допускаемое значение которой указывается в технической документации. Оно зависит от частоты вращения отбалансированной детали и при частоте вращения 1000 мин -1 составляет 0,1 мм, а при 3000 мин -1 — 0,05 мм.

Балансировка деталей

К атегория:

Слесарно-механосборочные работы

Балансировка деталей

Неуравновешенность деталей выражается в том, что деталь, например шкив, посаженный на вал, шейки которого свободно вращаются в подшипниках, стремится после вращения остановиться в одном определенном положении. Это указывает на то, что в нижней части шкива сосредоточено большее количество металла, чем в его верхней части, т. е. центр тяжести шкива не совпадает с осью вращения.

Ниже рассмотрен неуравновешенный диск, посаженный на вал, который вращается в подшипниках. Пусть его неуравновешенность относительно оси вращения выражается массой груза Р (темный кружок). Неуравновешенность диска заставляет его останавливаться всегда так, чтобы груз Р занимал самое низкое положение. Если к диску на противоположной стороне и на том же расстоянии от оси, что и темный кру-Жок, прикрепим груз такой же массы (заштрихованный кРУжок), то это уравновесит диск. В этом случае говорят, что Диск уравновешен относительно оси вращения.

Рис. 1. Схемы определения неуравновешенности деталей: а - короткой, 6 - длинной, в - балансировка шкива на призмах, г - машина для динамической балансировки

Рассмотрим деталь, у которой длина больше диаметра. Если ее уравновесить только относительно оси вращения, то возникает сила, которая стремится повернуть продольную ось детали против часовой стрелки и тем самым дополнительно нагружает подшипники. Чтобы избежать этого, уравновешивающий груз располагают на расстоянии от силы.

Сила, с которой действует неуравновешенная вращающаяся масса, зависит от величины этой неуравновешенной массы, расстояния ее от оси, от квадрата числа оборотов ее. Следовательно, чем выше скорость вращения детали, тем сильнее оказывается ее неуравновешенность.

При значительных скоростях вращения неуравновешенные детали вызывают вибрацию детали и машины в целом, в результате чего подшипники быстро изнашиваются, а в некоторых случаях машина может разрушиться. Поэтому детали машин, вращающиеся с большой скоростью, должны быть тщательно отбалансированы.

Существует два вида балансировки: статическая и динамическая.

Статическая балансировка может уравновешивать деталь относительно ее оси вращения, но не может устранить действие сил, стремящихся повернуть продольную ось изделия. Статическую балансировку производят на ножах или призмах, роликах. Ножи, призмы и ролики должны быть калеными и шлифованными и перед балансировкой выверены на горизонтальность.

Операцию балансировки выполняют следующим образом. На ободе шкива предварительно наносят мелом черту. Вращение шкива повторяют 3 - 4 раза. Если меловая черта будет останавливаться в разных положениях, то это будет указывать на то, что шкив отбалансирован правильно. Если меловая черта каждый раз будет останавливаться в одном положении, то это значит, что часть шкива, находящаяся внизу, тяжелее противоположной. Чтобы устранить это, уменьшают массу тяжелой части высверливанием отверстий или увеличивают массу противоположной части обода шкива, высверлив отверстия, а затем залив их свинцом.

Динамическая балансировка устраняет оба вида неуравновешенности. Динамической балансировке подвергают быстроходные детали со значительным отношением длины к диаметру (роторы турбин, генераторов, электродвигателей, быстровращающиеся шпиндели станков, коленчатые валы автомобильных и авиационных двигателей и т. д.).

Динамическую балансировку производят на специальных станках высококвалифицированные рабочие. При динамической балансировке определяют величину и положение массы, которые нужно приложить к детали или отнять от нее, чтобы деталь оказалась уравновешенной статически и динамически.

Центробежные силы и моменты инерции, вызванные вращением неуравновешенной детали, создают колебательные движения из-за упругой податливости опор. Причем колебания их пропорциональны величине неуравновешенных центробежных сил, действующих на опоры. На этом принципе основана балансировка деталей и сборочных единиц машин.

Динамическая балансировка выполняется на электрических автоматизированных балансировочных станках. Они в интервале 1-2 мин выдают данные: глубину и диаметр сверления, массу грузов, размеры контргрузов и места, где необходимо закрепить и снять грузы. Кроме того, выполняется регистрация колебаний опор, на которых вращается уравновешенная сборочная единица, с точностью до 1 мм.

Маховики, шкивы и различные летали, вращающиеся g большими окружными скоростями, должны быть уравновешенными (отбалансированными), иначе машины, в которые входят эти детали, будут работать с вибрациями. Это отрицательно сказывается на работе механизмов оборудования и машины в целом.

Неуравновешенность деталей возникает из-за неоднородности материала, из которого они изготовляются; отклонений в размерах, допущенных при их изготовлении и ремонте; различных деформаций, полученных в результате термообработки; от различной массы крепежных деталей и т.д. Устранение неуравновешенности (дисбаланса) осуществляется балансировкой, которая является ответственной технологической операцией.

Существуют два способа балансировки: статическая и динамическая. Статическая балансировка - это уравновешивание деталей в неподвижном состоянии на специальных приспособлениях - ножевых направляющих, роликах и др.

Динамическая балансировка, предельно уменьшающая вибрации, производится при быстром вращении детали на специальных станках.

Статической балансировке подвергают ряд деталей (шкивы, кольца, гребные винты и др.) На рис. 1, а изображен диск, центр тяжести которого находится на расстоянии е от геометрического центра О. При вращении образуется неуравновешенная центробежная сила Q.

Опорные заостренные, чисто обработанные и закаленные поверхности ножей выверяют линейкой и уровнем на горизонтальность с точностью 0,05-0,1 мм на длине 1000 мм.

Уравновешиваемую деталь надевают на оправку, концы которой должны быть одинакового, притом возможно меньшего диаметра. Это существенное условие повышения чувствительности балансировки без ущерба для жесткости установки оправки с деталью на ножах. Балансировка состоит в следующем: деталь с оправкой слегка подталкивают и дают ей возможность свободно остановиться, ее более тяжелая часть после остановки всегда займет нижнее положение.

Балансируют деталь одним из двух способов: или облегчают ее тяжелую часть высверливанием или вырубанием из нее лишнего металла, либо утяжеляют диаметрально противоположную часть.

Рис. 1. Схемы балансировки деталей:
а - статическая, б - динамическая

На рис. 1, б дана схема динамической неуравновешенности детали: центр тяжести может находиться далеко от ее середины, в точке А. Тогда при вращении на повышенной скорости масса дисбаланса будет создавать момент, опрокидывающий деталь, образуя вибрации и повышенные нагрузки на подшипнике. Для уравновешивания нужно установить добавочный груз в точке А’ (или высверлить массу дисбаланса в точке А). При этом масса дисбаланса и добавочного груза образуют пару центробежных сил, параллельных, но противоположно направленных - Q и - Q, с плечом L, при котором опрокидывающий момент ликвидируется (уравновешивается).

Динамическую балансировку выполняют на специальных станках. Деталь устанавливают на упругие опоры и присоединяют к приводу. Частоту вращения доводят до такого значения, чтобы система вошла в резонанс, что позволяет заметить область колебаний. Для определения уравновешенной силы закрепляют на детали грузы, подбираемые так, чтобы образовалась противоположная сила и, следовательно, противоположно направленный момент.

Главным источником вибрации агрегатов является неуравновешенность роторов , которая всегда имеет место, из-за того, что ось вращения и ось инерции, проходящая через центр масс, не совпадают. Неуравновешенность роторов подразделяют на следующие три вида.

Статическая неуравновешенность - это неуравновешенность, при которой ось ротора и его главная центральная ось инерции параллельны (см. рис.1).

Рис.1

Моментная неуравновешенность - это неуравновешенность, при которой ось ротора и его главная центральная ось инерции пересекаются в центре масс ротора (см. рис.2).

Рис.2

Динамическая неуравновешенность - это неуравновешенность, при которой ось ротора и его главная центральная ось инерции пересекаются не в центре масс или перекрещиваются (см. рис.3). Она состоит из статической и моментной неуравновешенности.

Примечание: Здесь и далее выделены курсивом термины и определения, установленные ГОСТом 19534 – 74. Балансировка вращающихся тел. Термины.

Рис.3

Частным случаем динамической неуравновешенности является квазистатическая неуравновешенность, при которой ось ротора и его главная центральная ось пересекаются не в центре масс ротора.

Вызываемая неуравновешенностью центробежная сила определяется по формуле:

Fцн = P/g w 2 r = P/g (?n/30) 2 r, (1)
где w = 2?f = ?n/30– угловая скорость,
f – число оборотов ротора в секунду,
n – число оборотов в минуту,
P – вес ротора, q = 9,81м/сек2 – ускорение свободного падения,
r – радиус неуравновешенной массы или модуль эксцентриситета.

На высоких оборотах неуравновешенные массы могут развить центробежные силы до недопустимых значений, которые приведут к разрушению машины. Для большинства машин достижение неуравновешенной центробежной силой значения ок. 30% веса ротора является предельно допустимой величиной.

Произведение неуравновешенной массы на её эксцентриситет называют дисбалансом. Дисбаланс - величина векторная. Чаще используется термин "значение дисбаланса", которое равно произведению неуравновешенной массы на модуль её эксцентриситета.

Дисбалансы роторов в процессе эксплуатации могут быть вызваны износом рабочих частей, изменением посадки дисков, ослаблением крепления элементов входящих в состав роторов, деформацией и другими факторами, приводящими к смещению масс относительно оси вращения.

Значение дисбаланса обычно указывается в гмм, гсм. 1гсм = 10гмм.

Иногда для задания допуска используют отношение значения дисбаланса к массе ротора, называемое удельным дисбалансом . Удельный дисбаланс соответствует эксцентриситету центра массы ротора.
е ст = D/m (2)

Дисбалансы устраняются балансировкой. Балансировка - это процесс определения значений и углов дисбалансов ротора, и уменьшения их корректировкой масс. На практике получили распространение два вида балансировки: статическая и динамическая.

2. Балансировка. Общие сведения

Статическая балансировка, как правило, проводится в одной плоскости коррекции и применяется, главным образом, к дисковым роторам. Её можно использовать, если отношение длины ротора к его диаметру не превышает 0,25. Плоскостью коррекции называют плоскость, перпендикулярную оси ротора, в которой расположен центр корректирующей массы (массы, используемой для уменьшения дисбалансов ротора).

При статической балансировке определяется и уменьшается главный вектор дисбалансов ротора, характеризующий его статическую неуравновешенность. Главный вектор дисбалансов равен сумме всех векторов дисбалансов, расположенных в различных плоскостях, перпендикулярных оси ротора (см. рис. 4).

Для роторов, у которых их длины соизмеримы с диаметрами или превосходят их, статическая балансировка неэффективна, а в некоторых случаях может оказаться вредной. Например, если плоскость коррекции окажется на значительном расстоянии от главного вектора дисбалансов, то, уменьшив статическую неуравновешенность, можно увеличить моментную неуравновешенность.

Динамическая балансировка - это такая балансировка, при которой определяются и уменьшаются дисбалансы ротора, характеризующие его динамическую неуравновешенность (см. рис.4). При динамической балансировке уменьшаются как моментная, так и статическая неуравновешенность ротора одновременно.

Есть много методов балансировки. Все они основаны на предположении линейности системы, то есть амплитуды колебаний считаются пропорциональными значению дисбаланса, а фазы независимы от его величины. Существует одноплоскостная и многоплоскостная балансировка. При одноплоскостной балансировке расчёт корректирующих масс производится последовательно для каждой плоскости коррекции, при многоплоскостной - одновременно.

Многоплоскостная балансировка с использованием метода одновременного измерения амплитуд и фаз колебаний наиболее распространена при балансировке роторов агрегатов типа ГТК 10-4. Точнее, наиболее распространена двухплоскостная балансировка, которая является частным случаем многоплоскостной. Для расчёта корректирующих масс при таком методе балансировки необходимо выполнить, как минимум, три пуска: один начальный (нулевой) и два пробных с единичными (пробными) массами m п1 , m п2 , установленными на расстояниях r п1 , r п2 от оси вращения (см. рис.5). Порядок и комбинации установок пробных грузов могут быть различными.

Рис.5.

При использовании этого метода балансировки считают, что система позволяет использовать принцип суперпозиции. Расчёт корректирующих масс и мест их установки в такой системе может производиться различными способами: графическим, аналитическим или графоаналитическим.

Графические и графоаналитические расчёты с построением достаточно сложных векторных диаграмм широко использовались до появления балансировочных средств с микропроцессорами. Приёмы выполнения таких расчётов можно найти в литературе . В настоящее время они практически не используются, так как современная техника обеспечивает решение таких задач проще, точнее и быстрее.

Современная микропроцессорная техника с помощью программных средств решает задачу расчёта чаще всего аналитически. Рассмотрим, в чём заключается суть решения этой задачи.

Колебания системы ротор - опорная конструкция могут быть описаны системой уравнений (при каждом пуске двумя уравнениями с шестью неизвестными).

А0 = ? а1 D I +? а2 D II

В0 = ? в1 D I + ? в2 D II
А1 = ? а1 (D I +r п1 m п1 ) + ? а2 DII
В1 = ? в1 (D I +r п1 m п1 ) + ? в2 D II (5)
А2 = ? а1 D I + ? а2 (D II +r п2 m п2 )
В2 = ? в1 D I + ? в2 (D II +r п2 m п2 )

Где, А 0 ,А 1 ,А 2 , В 0 ,В 1 ,В 2 – амплитуды колебаний опор "а", "в" при нулевом и пробных пусках, произведённых на одной частоте.
? а1 , ? а2 , ? в1 , ? в2 – коэффициенты влияния, представляющие векторы колебаний опор "а" и "в", вызванных единичными массами mп1, mп2.
D I , D II – исходные дисбалансы в выбранных плоскостях коррекции І и ІІ.
r п1 m п1 , r п2 m п2 – внесённые дисбалансы за счёт установки единичных (пробных) масс, в плоскостях коррекции І и ІІ.

В этих уравнениях неизвестны шесть векторных величин: D I , D II , ? а1 , ? а2 , ? в2 , ? в2 . Чтобы найти их, необходимо решить систему этих уравнений. Определение коэффициентов влияния и корректирующих масс для компенсации исходных дисбалансов является достаточно сложной задачей. Однако решение такой задачи с помощью современных средств, осуществляется автоматически в процессе пусков. Определённые из уравнений (5) коэффициенты влияния можно использовать для расчёта корректирующих масс при балансировке последующих однотипных роторов без выполнения двух пробных пусков.

В тех случаях, когда число плоскостей коррекции большее, чем 2 (например, если производится балансировка одного ротора с опорами более, чем 2-е или балансировка сцепленных роторов), количество пробных пусков определяется числом плоскостей коррекции, в каждую из которых последовательно устанавливаются пробные массы. Уравнения, описывающие колебания системы, составляются аналогично, как и при двухплоскостной балансировке. Система этих уравнений и её решение усложняются, так как количество коэффициентов влияния увеличивается за счёт увеличения количества плоскостей коррекции и увеличивается количество уравнений за счёт увеличения количества пусков.

Чаще всего динамическая балансировка проводится на балансировочных станках. Обычно балансировка на станках проводится на более низких оборотах, чем рабочие обороты роторов. Это обусловлено техническими возможностями балансировочных станков. Высокооборотные балансировочные станки мало распространены из-за их дороговизны и большой энергоёмкости. Балансировка на низкооборотных станках достаточно эффективна и обеспечивает высокую точность в тех случаях, когда ротора относятся к классу жёстких роторов . Для гибких роторо в балансировка на низкооборотных станках не всегда эффективна.

Жёсткий ротор определяется как ротор, который сбалансирован на частоте вращения, меньшей первой критической в двух произвольных плоскостях коррекции и у которого значения остаточных дисбалансов не будут превышать допустимые на всех частотах вращения вплоть до наибольшей эксплуатационной. Динамическая балансировка жёсткого ротора производится, как правило, в двух плоскостях.

Гибкий ротор определяется, как ротор, который сбалансирован на частоте вращения, меньшей первой критической в двух произвольных плоскостях коррекции и у которого значения остаточных дисбалансов могут превышать допустимые на иных частотах вращения вплоть до наибольшей эксплуатационной . При балансировке гибких роторов используется, как правило, более двух плоскостей коррекции.

3. Выбор допуска и точности балансировки

Из практики известно, что виброскорость является наиболее объективным критерием для оценки вибрации. Исходя из этого, чаще всего оценка и нормирование вибрационного состояния производится по виброскорости. Поэтому допуск на балансировку принято устанавливать таким образом, чтобы в рабочем диапазоне оборотов иметь приемлемую виброскорость. Исходя из этих условий допустимый дисбаланс должен изменяться обратно пропорционально частоте вращения ротора. То есть чем выше рабочая частота вращения, тем меньше должен быть допустимый дисбаланс. Следовательно должна обеспечиваться следующая зависимость:
е ст w = Конст. , где е – удельный дисбаланс, w – угловая частота.
При этом предполагается, что ротор и опоры жёсткие. Величину естw приняли определяющей при классификации точности балансировки.

Классы точности балансировки жёстких роторов установлены ГОСТом 22061-76 в соответствии с международным стандартом ИСО 1949.

Согласно этой классификации каждый класс характеризуется постоянной величиной е ст w. Каждый последующий класс отличается от предыдущего в 2,5 раза. ГОСТ 22061-76 устанавливает 13 классов точности; с нулевого по двенадцатый, для различных групп жёстких роторов. Ротора газоперекачивающих агрегатов относятся к 3-ему классу точности. Значения допустимых дисбалансов рассчитываются и задаются разработчиком машин согласно ГОСТу 22061-76.

4. Особенности балансировки крупногабаритных роторов

Балансировка крупногабаритных типа ОК ТВД ГТК 10-4 роторов имеет свои особенности, хотя нет нормативных документов, устанавливающих какое - либо разделение роторов в зависимости от их габаритов. При больших длинах (более 4-х метров) и больших массах роторов (весом в несколько тонн) необходимо учитывать влияние термических деформаций на дисбалансы. При таких размерах температура роторов неодинакова в различных точках. Это обусловлено тем, что в производственных помещениях всегда имеются источники теплового излучения и конвекционных потоков. Да и сами балансировочные станки являются таковыми. Длинные ротора особенно чувствительны к малейшему перепаду температуры в радиальном направлении. Проведённые исследования влияния тепловых деформаций роторов (ОК ТВД агрегата ГТК 10-4) на дисбалансы показывают, что перепад температуры в радиальном направлении на 1єС (при длине ротора 4 и более метров) приводит к термическим дисбалансам, в 5-10 раз превышающим допуск. Для исключения ошибок при балансировке из-за тепловых деформаций необходимо обеспечить предварительную термостабилизацию балансируемых роторов. На практике это осуществляется следующим образом. Ротора, поступающие на балансировку, выдерживаются в помещении до выравнивания его температуры с температурой окружающей среды. Затем ротор устанавливается на станок и приводится во вращение. Ротора весом более 5т необходимо выдержать в режиме непрерывного вращения (или в режиме пуск – останов - пуск) в течение не менее 2-х часов и лишь после этого произвести его балансировку. В процессе вращения выравнивается температура в радиальном направлении. Если балансировка по каким - либо причинам была прервана (прекращение вращения около 1 часа и более), то её завершению вновь должна предшествовать операция вращения ротора для выравнивания температуры в радиальном направлении. При перерывах менее 2-х часов время вращения для выравнивания температуры требуется не более времени перерыва.

Внимание! У Вас нет прав для просмотра скрытого текста.

Источники информации, принятые во внимание при составлении методического пособия по балансировке роторов.

ГОСТ 19534 – 74. Балансировка вращающихся тел. Термины.

ГОСТ 22061 – 76 Система классов точности балансировки и методические указания.

Руководящие указания по балансировке роторов ГТУ на балансировочном станке и в собственных подшипниках. "Оргэнергогаз" М., 1974год.

Вибрации в технике. Т.6. Защита от вибрации и ударов. Под ред. чл.-кор. АН СССР К.В. Фролова. М. "Машиностроение", 1981г.

Сидоренко М.К. Виброметрия газотурбинных двигателей.

Неуравновешенность вращающихся деталей (шкивов насосов и трансмиссий- агрегатов, шинко-пневматических муфт, зубчатых колес) получается при смещении их массы в одну сторону, в ре­зультате чего смещается центр тяжести относительно оси вра­щения, а также при смещении оси вращения относительно цент­ра тяжести. Масса детали смещается из-за неоднородности ма­териала, неточности механической обработки и в результате одностороннего износа в процессе эксплуатации. Ось вращения относительно центра тяжести смещается вследствие перекосов при сборке или неточности изготовления.

При больших оборотах вращения неуравновешенных деталей возникают неуравновешенные центробежные силы, приводящие к вибрации детали и агрегата в целом и преждевременному его износу. Поэтому вращающиеся детали должны быть тщательно сбалансированы.

Существуют два способа балансировки: статический и дина­мический. При статической "балансировке деталь уравновеши­вают относительно оси вращения за счет уменьшения ее массы на той стороне, куда смещен центр тяжести, или увеличения массы на диаметрально противоположной стороне. При этом способе деталь находится в статическом состоянии и в слу­чае ее балансировки (уравновешивания) деталь будет оставать­ся в любом положении, в которое она поворачивается относительно оси вращения. Схема уравновешивания деталей разной длины (А, А 1) показана на рис. 130.

Рис. 130. Схема балансировки деталей разной длины: 1 - неуравновешенная масса; 2 - уравновешенная масса

Статическое уравновешивание производят на горизонтальных призмах, валиках или роликах. Наиболее простое устройство для статической балансировки - параллельные стенды, пред­ставляющие собой две закрепленные да основаниях направляю­щие в виде ножей, по которым- может перекатываться уравнове­шиваемая деталь.

Ножи выверяют при помощи уровня в двух взаимно перпен­дикулярных направлениях. Для балансировки массивных дета­лей (шкивы насосов) применяют роликовые или дисковые стен­ды, у которых вместо ножей имеются шарикоподшипники или ролики.

Статическую балансировку производят следующим образом. Уравновешиваемую деталь устанавливают на стенд «и поворотом на некоторый угол определяют ее уравновешенность. При неуравновешенности тяжелая часть детали возвращается вниз, а при уравновешенности она остается в том положении, в кото­рое поворачивается. Неуравновешенную массу детали удаляют сверлением по отметке с обеих ее сторон. Если при сверлении ослабнет конструкция детали, то в этом случае на диаметраль­но противоположной стороже при помощи винтов устанавлива­ют уравновешивающую массу (груз) в виде отдельных пласти­нок.

Для дискообразной детали, имеющей малую длину по сравнению с ее диаметром, способ статической балансировки будет достаточным, так как неуравновешенная и уравновешенная мас­сы находятся на поперечной оси детали или близко к ней. В этом случае при вращении детали центробежные силы масс будут находиться в одной или близких плоскостях и не окажут дополнительного влияния на вал и подшипники.

Для цилиндрической детали, имеющей сравнительно боль­шую длину (шкивы трансмиссий клиноременных передач), одно­го способа статической балансировки будет недостаточно, так как неуравновешенная и уравновешенная массы при баланси­ровке могут быть удалены от поперечной оси детали на рас стояние а. При вращении детали центробежные силы этих масс, "находящихся в разных плоскостях, создают пару сил, которые будут поворачивать деталь относительно оси вращения и соз­давать дополнительные нагрузки на вал и подшипники. В этом случае ликвидировать -влияние пары сил можно только динами­ческой балансировкой, при которой положение и величину урав­новешивающей массы определяют в динамическом состоянии детали - во время ее вращения.

Процесс динамической балансировки осуществляют на спе­циальных станках или же непосредственно в машинах и меха­низмах на собственных подшипниках при помощи специальных приборов: виброметров, виброскопов.

Контрольные вопросы к главе X

1. Какие виды слесарных работ выполняют при сооружении буровых?

2. На какие типы подразделяются болты?

3. В каких случаях применяют болты, шпильки, винты?

4. Для чего предназначены шайбы?

5. Какие применяют способы стопорения резьбовых соединений?

6. Какие по конструкции используют гаечные ключи?

7. Какие применяют шпонки для напряженных и ненапряженных соеди­нений?

8. В чем преимущество шлицевых соединений перед шпоночными?

9. Какие применяют профили шлицов?

10. Какими способами выполняют прессовые соединения?

11. Какие существуют муфтовые соединения?

12. Как центрируют валы, соединяемые шинно-пневматическими муфтами?

13. Из каких элементов состоит карданная передача?

14. Какие существуют зубчатые передачи?

15. Какими способами проверяют зазоры зубчатых зацеплений?

16. Из каких элементов состоит приводная роликовая цепь?

17. Для чего служат вкладыши подшипников скольжения?

18. Какие существуют конструкции подшипников качения?

19. Какими способами выполняют запрессовку подшипников?

20. Каким образом регулируют зазор в упорных и конических подшипниках?

21. В чем заключается балансировка вращающихся деталей?

22. Как и когда выполняют статическую и динамическую балансировку?

ОРГАНИЗАЦИЯ ПРОИЗВОДСТВА И ТРУДА, ЭКОНОМИКА И ПЛАНИРОВАНИЕ СООРУЖЕНИЯ БУРОВЫХ