Статичне та динамічне балансування роторів механізмів. Балансування деталей, що обертаються при ремонті машин Що таке статичне і динамічне балансування

Мета балансування полягає у усуненні неврівноваженості деталі складальної одиниці щодо осі її обертання. Неврівноваженість деталі, що обертається, призводить до виникнення відцентрових сил, які можуть бути причиною вібрації вузла і всієї машини передчасного виходу з ладу підшипників та інших деталей. Основними причинами неврівноваженості деталей і вузлів можуть бути: похибка форми деталей, наприклад, овальність; неоднорідність та нерівномірність розподілу матеріалу деталі щодо осі її обертання утворені за умови...

Якщо ця робота Вам не підійшла внизу сторінки, є список схожих робіт. Також Ви можете скористатися кнопкою пошук

БАЛАНСУВАННЯ ДЕТАЛЕЙ ТА ВУЗЛІВ

Види неврівноваженості

Балансування обертових частин машин - важливий етап технологічного процесу складання машин та обладнання. Мета балансування полягає у усуненні неврівноваженості деталі (складальної одиниці) щодо осі її обертання. Неврівноваженість деталі, що обертається, призводить до виникнення відцентрових сил, які можуть бути причиною вібрації вузла і всієї машини, передчасного виходу з ладу підшипників та інших деталей. Основними причинами неврівноваженості деталей та вузлів можуть бути: похибка форми деталей (наприклад, овальність); неоднорідність та нерівномірність розподілу матеріалу деталі щодо осі її обертання, утворені при отриманні заготівлі литтям, зварюванням або наплавленням; нерівномірне зношування та деформація деталі в процесі експлуатації; зміщення деталі щодо осі обертання через похибку складання та ін.

Неврівноваженість характеризується дисбалансом - величиною, що дорівнює добутку неврівноваженої маси деталі або складальної одиниці на відстань центру мас до осі обертання, а також кутом дисбалансу, що визначає кутове розташування центру мас. Розрізняють три види неврівноваженості деталей і вузлів, що обертаються: статичну, динамічну і змішану, як поєднання перших двох.

Статична неврівноваженість має місце, якщо масу тіла можна розглядати як наведену до однієї точки (центру мас), що знаходиться на певній відстані від осі обертання (рис. 6.52). Цей вид неврівноваженості характерний для деталей типу дисків, висота яких менша за діаметр (шківи, ​​зубчасті колеса, маховики, крильчатки, робочі колеса насосів тощо).

Відцентрова сила Q (Н), що утворюється при обертанні такої деталі, визначається за формулою

Q = mω 2 ρ,

де m - Маса тіла, кг; ω - кутова швидкість обертання тіла, рад/с; ρ - відстань від осі обертання до центру маси, м.

Насправді зазвичай приймається, що зазначена відцентрова сила має перевищувати 4—5 % ваги деталі.

Неврівноваженість виду, що розглядається, можна виявити, не приводячи об'єкт у обертання, тому вона називається статичною.

Рис. 6.52. Види неврівноваженості тіла, що обертається: а — статична; б - динамічна; в — загальний випадок неврівноваженості

Динамічна неврівноваженість виникає, коли при обертанні деталі утворюються дві рівні, протилежно спрямовані. відцентрові сили Q, що лежать у площині, що проходить через вісь обертання (рис. 6.52 б). Створюваний ними момент пари сил М (Н) визначається рівнянням

М =mω 2 ρa,

де а - Відстань між напрямами дії сил, м.

Динамічна неврівноваженість проявляється при обертанні відносно довгих тіл, наприклад, роторів електричних машин, валів з кількома встановленими зубчастими колесами тощо. Вона може виникати навіть за відсутності статичної неврівноваженості.

Загальний випадок неврівноваженості, також властивий довгим об'єктам, характеризується тим, що на об'єкт, що обертається, одночасно діють наведена пара відцентрових сил S—S (рис. 6.52, в) і наведена відцентрова сила Т. Ці сили можна привести до двох діючих у різних площинах сил Р і Q, розташованих, наприклад, для зручності вимірювання його опорах. Значення цих сил визначаються за формулами:

Р = m 1 ρ 1 ω 2 ;

Q= m 2 ρ 2 ω 2

При обертанні деталі, крім реакцій від зовнішніх сил, що діють на неї, виникають також реакції від неврівноважених сил Р і Q, що підвищує навантаження на підшипники і скорочує термін їх служби.

Для зменшення неврівноваженості до допустимих значень застосовують балансування деталей і вузлів, що обертаються, яка включає визначення величини і кута дисбалансу і коригування маси виробу, що балансується шляхом її зменшення або додавання в певних місцях. Залежно від виду неврівноваженості розрізняють статичне чи динамічне балансування.

Статичне балансування

Статичним балансуванням досягається поєднання центру маси (центру тяжкості об'єкта) з віссю його обертання. Наявність неврівноваженості (дисбалансу) і місце розташування визначають за допомогою спеціальних пристроїв двох типів. На пристроях першого типу вона визначається без повідомлення обертання деталі за рахунок врівноважування її дисбалансу, а на пристроях другого типу (балансувальних верстатах) - шляхом вимірювання відцентрової сили, що створюється неврівноваженою масою, тому обертання деталі є обов'язковим.

У машинобудуванні зазвичай застосовуються, як простіші, пристрої першого типу: із двома горизонтально встановленими паралельними призмами (рис. 6.53, а) або двома парами встановлених на підшипниках кочення дисків (рис. 6.53, 6), а також балансувальні ваги (рис. 6.56) ). У перших двох випадках (див. рис. 6.53) деталь 1, що балансується, щільно насаджують на оправку 2 або закріплюють концентрично з нею, зазвичай за допомогою розсувних конусів. Оправлення встановлюють на розташовані горизонтально призми 3 або 4 диски.

Метод виявлення неврівноваженості залежить від величини дисбалансу. Якщо момент, що крутить, створюваний неврівноваженою масою щодо осі оправки, перевищує момент опору сил тертя коченню оправки по призмах (випадок з явно вираженою неврівноваженістю), то деталь разом з оправкою буде перекочуватися по призмах, поки центр ваги деталі не займе нижнє положення. Закріпивши вантаж масою m на діаметрально протилежному боці деталі, її можна врівноважити. Для цього також деталі свердлять отвори, які заповнюють більш щільним матеріалом, наприклад, свинцем. Зазвичай врівноважування забезпечується видаленням частини металу з обтяженої сторони деталі (свердлінням отворів на певну глибину, фрезеруванням, спилюванням тощо).

Рис. 6.53. Схеми пристроїв для статичного балансування із призмами (а) та дисками (б); 1 - балансований об'єкт; 2 - оправлення; 3 - призма; 4 - диск

В обох випадках для виконання балансування деталі потрібно знати масу металу, що видаляється або додається до неї. Для цього деталь з оправленням встановлюють на призмах так, щоб центр їхньої тяжкості розташовувався і площині, що проходить через вісь оправлення. У діаметрально протилежної точки деталі прикріплюють такий вантаж Q, при якому неврівноважена маса m може повернути диск на невеликий (близько 10°) кут. Потім оправлення з деталлю повертають у тому самому напрямку на 180° так, щоб центри докладання вантажу Q і маси m знаходилися знову в одній горизонтальній площині. Якщо відпустити диск у цьому положенні, він повернеться у напрямку на кут α. Біля вантажу Q прикріплюють такий додатковий вантаж q (магнітний або липкий), який перешкодив би зазначеному повороту оправки 2 і міг забезпечити її поворот на такий самий малий кут у протилежному напрямку.

Знаючи маси Q і q, визначають потрібну масу врівноважувального вантажу Q 0 :

Q 0 = Q + q/2.

Для забезпечення балансування таку масу металу слід додати до деталі в точці програми вантажу Q або видалити з деталі в діаметрально протилежній точці. Якщо потрібно змінити розрахункову масу вантажу, що врівноважує, або точку її застосування, то користуються співвідношенням

Q 0 = Q 1 R,

де г - радіус положення розрахункового вантажу, що врівноважує Q 0; Q 1 - Маса постійного вантажу, що врівноважує; R — відстань від осі оправлення до точки його застосування.

Можливий випадок прихованої статичної неврівноваженості, коли момент, створюваний неврівноваженою масою деталі, недостатній для подолання моменту тертя кочення між оправкою і призмами, і оправлення з деталлю при установці на призми або диски залишаються нерухомими.

І тут визначення неврівноваженості деталь розмічають по колу на 8—12 рівних частин, які відзначають відповідними точками, як показано на рис. 6.54. При складності або неможливості розмітки деталі, що балансується, застосовують спеціальний диск з поділками, який закріплюють нерухомо на кінці оправки.

Потім перекочують оправлення з деталлю по призм в напрямку, вказаному стрілкою, і по черзі поєднують розмічені точки з горизонтальною площиною, що проходить через вісь обертання оправки. Для кожного з цих положень деталі підбирають вантаж q, який встановлюють на відстані від осі оправки. Під дією цього вантажу оправлення з деталлю повинна повертатися приблизно на однаковий кут (близько 10°) у напрямку перекочування призмами. Положення, для якого величина цього вантажу мінімальна, наприклад, 4, визначає площину розташування центру неврівноваженої маси G.

Рис. 6.54. Схема визначення прихованої неврівноваженості на початковому (а) та завершальному (б) етапах

Потім вантаж знімають q, і оправку повертають на 180° в напрямку, вказаному на рис. 6.54 стрілкою. У точці 8 на тій самій відстані від осі обертання оправки закріплюють такий вантаж Q (рис. 6.54 б), який забезпечує поворот в тому ж напрямку і на такий же кут. Маса Q 0 матеріалу, що видаляється в точці 4 або додається в точці 8 для балансування деталі, визначається за умови її рівноваги:

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

При виборі типу пристрою слід враховувати, що його чутливість тим вища, чим менша сила тертя між оправкою та опорами, тому більш точними є пристрої з дисками балансування (див. рис. 6.53, б). Перевагою цих пристроїв є також менш жорсткі вимоги до точності їх встановлення порівняно з призмами і зручніші та безпечніші умови праці, так як при розташуванні оправки між двома парами дисків виключається можливість її падіння з деталлю, що балансується. Для зменшення тертя в опорах із дисками застосовують накладення на них вібрацій. Дотичні поверхні оправки та призм або дисків повинні бути точно виготовлені та утримуватися в ідеальному стані. На них не допускаються вибоїни, сліди корозії та ін дефекти, що знижують чутливість пристрою.

Для її підвищення застосовують також балансувальні пристрої з аеростатичними опорами (рис. 6.55). У цьому випадку оправка з виробом знаходяться у зваженому стані за рахунок того, що в опору 1 по каналах 2 і 4 подається під певним тиском стиснене повітря.

Високу продуктивність та точність визначення неврівноваженості деяких деталей забезпечують балансувальні ваги (рис. 6.56). Для ряду типів деталей вони є більш ефективними порівняно з призматичними та роликовими пристроями, оскільки дозволяють безпосередньо визначати неврівноважену масу та місце її розташування деталі.

Рис. 6.55. Схема стенду для статичного балансування повітряної подушці: 1 — опора стенда; 2, 4 - канали для підведення стисненого повітря; 3 - оправлення

Рис. 6.56. Схема балансувальних ваг для невеликих (а) і великогабаритних (6) деталей: 1 - вантажі, що врівноважують; 2 - коромисло; 3 - деталь, що балансується

Оправлення із закріпленою на ній балансованою деталлю 3 (рис. 6.56 а) встановлюють на правому кінці коромисла 2 ваг. На лівому кінці коромисла підвішують врівноважуючі вантажі 1. Якщо центр тяжкості деталі, що перевіряється, зміщений щодо осі її обертання, то при різних положеннях деталі показання ваг будуть неоднаковими. Так, при положенні центру ваги деталі в точках S1 або S3 (рис. 6.56, а) ваги покажуть фактичну масу деталі, що перевіряється. При положенні центру тяжкості в точці S2 їх показання максимальні, а при положенні центру ваги в точці S4 мінімальні. Для визначення положення центру ваги деталі показання терезів фіксують, періодично повертаючи її навколо своєї осі на певний кут, наприклад, рівний 30°.

Дисбаланс виробів типу дисків великого діаметра зручно визначати на спеціальних вагах (рис. 6.56 б). Вони мають дві розташовані у взаємно перпендикулярних напрямках стрілки та наводяться в урівноважений (горизонтальний) стан за допомогою вантажів, розташованих діаметрально протилежно до стрілок.

Балансовану деталь встановлюють за допомогою спеціального пристосування на терезах так, щоб її вісь проходила через вершину опори терезів, виконаної у вигляді конічного вістря і відповідного поглиблення в основі. За наявності деталі дисбалансу ваги з деталлю відхиляються від горизонтального положення. Переміщаючи деталі врівноважуючий вантаж, ваги приводять у вихідне (горизонтально) положення, контролюючи його за допомогою стрілок. За масою і становищем вантажу, що врівноважує, визначають величину і місце знаходження дисбалансу.

Пристрої другого типу для статичного балансування ґрунтуються на принципі реєстрації відцентрової сили, що виникає при обертанні невідбалансованої деталі. Вони є спеціальні балансувальні верстати, схема одного з яких наведена на рис. 6.57. Верстат дозволяє не лише встановлювати наявність дисбалансу, а й усувати його свердлінням отворів.

Балансована деталь 1 встановлюється концентрично і закріплюється на столі 9, з кутовою шкалою. Двигун 7 повідомляє столу з деталлю обертання з кутовою частотою ω, тому при наявності у деталі дисбалансу а виникає відцентрова сила, під дією якої реакції пружин 8 система отримує коливальні рухищодо опори 6. Останні фіксуються вимірювальним перетворювачем (ІП), пов'язаним з рахунково-логічним пристроєм (СЛП).

У момент максимального відхилення системи вправо СЛУ включає стробоскопічну лампу 4, що висвітлює кутову шкалу на столі 9, і передає на індикаторний пристрій сигнал 5, пропорційний дисбалансу. Пристрій 5, який може бути стрілочного або цифрового типу, показує значення необхідної глибини свердління.

Оператор фіксує кутове розташування дисбалансу, що висвічується на екрані 3. Після зупинки стіл повертають вручну на необхідний кут і свердлом 2 деталі 1 свердлять отвір на відстані г від осі обертання на глибину, необхідну для забезпечення балансування деталі. Існують також балансувальні верстати, на яких поворот диска в необхідну точку (або кілька точок) для виконання свердління і свердління виконуються в автоматичному режимі.

Рис. 6.57. Схема верстата для статичного балансування: 1 - деталь, що балансується; 2 - свердло; 3 - екран; 4 - стробоскопічна лампа; 5 - індикаторний пристрій; 6 - шарнірна опора; 7 - електродвигун; 8 - пружина; 9 - стіл; ІП - вимірювальний перетворювач; СЛУ - лічильно-логічний пристрій

Точність статичного балансування характеризується величиною е 0 ω р , де е 0 - Залишковий питомий дисбаланс; ωр - максимальна робоча частота обертання деталі під час експлуатації.

Балансування на призмах (див. рис. 6.53 а) забезпечує е 0 = 20-80 мкм, на дискових опорах (див. рис. 6.53, б) е 0 = 15-25 мкм, в аеростатичних опорах (див. рис. 6.55) - е 0 = 3-8 мкм, на верстаті за рис. 6.57 - е 0 = 1-3 мкм. Міжнародним стандартом МС 1940 передбачено 11 класів точності балансування.

Динамічна балансування

Статичне балансування недостатнє для усунення дисбалансу у довгих об'єктів, коли неврівноважена маса розподілена вздовж осі обертання і не може бути приведена до одного центру. Такі тіла піддаються динамічному балансуванню.

У динамічно відбалансованої деталі сума моментів відцентрових сил мас, що обертаються щодо осі деталі, дорівнює нулю. Тому динамічним балансуванням досягають збігу осі обертання деталі з головною віссю інерції цієї системи.

Якщо динамічно неврівноважене тіло встановити на податливі опори, то при його обертанні вони здійснюють коливальні рухи, амплітуда яких пропорційна значенню неврівноважених, що діють на опори, відцентрових сил Р і Q (рис. 6.58). Способи динамічного балансування ґрунтуються на вимірі коливань опор.

Динамічне балансування кожного кінця деталі зазвичай виконують окремо. Спочатку, наприклад, опору (див. рис. 6.58) залишають рухомий, а протилежну опору II закріплюють. Тому об'єкт, що обертається, у цьому випадку здійснює коливальні рухи в межах кута α щодо опори II тільки під дією сили Р.

Для підвищення точності визначення дисбалансу деталі амплітуду коливань опор вимірюють при частоті її обертання, що збігається з частотою власних коливань системи балансування, тобто. за умов резонансу. При динамічному балансуванні визначають масу та положення вантажів, які слід додати до деталі або видалити з неї. З цією метою застосовують спеціальні балансувальні верстати різних моделей в залежності від маси деталей, що врівноважуються. Балансування вільного кінця деталі полягає у визначенні значення та напрямки сили Р та усунення її шкідливого впливуустановкою в певному місці вантажу, що врівноважує, або видаленням певної кількості матеріалу. Потім закріплюють опору, а опору II звільняють і аналогічно виконують балансування деталі з другого кінця. Для спрощення конструкції верстата рухомий роблять зазвичай одну опору, а можливість балансування деталі з двох кінців забезпечується її переустановкою на 180 °.

Рис. 6.58. Схема коливань деталі при динамічному балансуванні

На цьому принципі засновано схему верстата (рис. 6.59) для динамічного балансування, аналогічного розглянутому вище (див. рис. 6.57).

Рис. 6.59. Схема верстата для динамічного балансування: 1 - деталь, що балансується; 2 - кутова шкала; 3 - екран; 4 - стробоскопічна лампа; 5 - індикаторний пристрій; 6 - пружина; 7 - основа; 8 - опора; 9 - електродвигун; 10 - електромагнітна муфта; ІП - вимірювальний перетворювач; СЛУ - лічильно-логічний пристрій

Пристрої ІП, СЛУ, 5,4,3 і кутова шкала 2 мають те саме призначення, що й аналогічні елементи верстата по рис. 6.57.

Балансовану деталь 1 встановлюють на опори основи 7, яка може здійснювати під дією пари сил інерції Q 1 Q 2 і реакції пружини 6 коливання щодо осі 8. Деталь приводиться у обертання двигуном 9 через електромагнітну муфту 10, з кутовою швидкістю ω, дещо більшою, ніж резонансна частота власних коливань системи.

Після проведення балансування деталі у площині bb її повертають на 180° для проведення балансування у площині аа. Про якість динамічного балансування судять по амплітуді вібрації, допустиме значення якої вказується в технічній документації. Воно залежить від частоти обертання відбалансованої деталі та при частоті обертання 1000 хв-1 складає 0,1 мм, а при 3000 хв-1 - 0,05 мм.

Балансування деталей

Доатегорія:

Слюсарно-механозбірні роботи

Балансування деталей

Неврівноваженість деталей виявляється у тому, що деталь, наприклад шків, посаджений на вал, шийки якого вільно обертаються у підшипниках, прагне після обертання зупинитися у певному положенні. Це вказує на те, що в нижній частині шківа зосереджено більше металу, ніж у його верхній частині, тобто центр тяжіння шківа не збігається з віссю обертання.

Нижче розглянуто неврівноважений диск, посаджений на вал, що обертається у підшипниках. Нехай його неврівноваженість щодо осі обертання виражається масою вантажу Р (чорний гурток). Неврівноваженість диска змушує його завжди зупинятися так, щоб вантаж Р займав найнижче положення. Якщо до диска на протилежному боці і на тій самій відстані від осі, що і темний крючок, прикріпимо вантаж такої ж маси (заштрихований кружок), то це врівноважить диск. У цьому випадку кажуть, що диск врівноважений щодо осі обертання.

Рис. 1. Схеми визначення неврівноваженості деталей: а - короткою, 6 - довгою, в - балансування шківа на призмах, г - машина для динамічного балансування

Розглянемо деталь, у якої довжина більша за діаметр. Якщо її врівноважити тільки щодо осі обертання, виникає сила, яка прагне повернути поздовжню вісь деталі проти годинникової стрілки і тим самим додатково навантажує підшипники. Щоб уникнути цього, вантаж, що врівноважує, розташовують на відстані від сили.

Сила, з якою діє неврівноважена маса, що обертається, залежить від величини цієї неврівноваженої маси, відстані її від осі, від квадрата числа оборотів її. Отже, що вища швидкість обертання деталі, то сильніше виявляється її неврівноваженість.

При значних швидкостях обертання неврівноважені деталі викликають вібрацію деталі та машини загалом, у результаті підшипники швидко зношуються, а деяких випадках машина може зруйнуватися. Тому деталі машин, що обертаються з швидкістю, повинні бути ретельно відбалансовані.

Існує два види балансування: статична та динамічна.

Статичне балансування може врівноважувати деталь щодо осі обертання, але не може усунути дію сил, які прагнуть повернути поздовжню вісь виробу. Статичне балансування роблять на ножах чи призмах, роликах. Ножі, призми та ролики повинні бути розжареними та шліфованими і перед балансуванням вивірені на горизонтальність.

Операцію балансування виконують в такий спосіб. На обід шківа попередньо наносять крейдою межу. Обертання шківа повторюють 3 - 4 рази. Якщо крейдяна риса буде зупинятись у різних положеннях, це вказуватиме на те, що шків відбалансований правильно. Якщо крейдяна риса щоразу зупинятиметься в одному положенні, то це означає, що частина шківа, що знаходиться внизу, важча протилежної. Щоб усунути це, зменшують масу важкої частини висвердлюванням отворів або збільшують масу протилежної частини обода шківа, висвердливши отвори, а потім залив їх свинцем.

Динамічна балансування усуває обидва види неврівноваженості. Динамічному балансуванню піддають швидкохідні деталі зі значним відношенням довжини до діаметру (ротори турбін, генераторів, електродвигунів, шпинделі верстатів, що швидко обертаються, колінчасті вали автомобільних і авіаційних двигунів і т. д.).

Динамічне балансування виробляють на спеціальних верстатах висококваліфіковані робітники. При динамічному балансуванні визначають величину та положення маси, які потрібно докласти до деталі або відібрати від неї, щоб деталь виявилася врівноваженою статично та динамічно.

Відцентрові сили та моменти інерції, викликані обертанням неврівноваженої деталі, створюють коливальні рухи через пружну податливість опор. Причому коливання їх пропорційні величині неврівноважених відцентрових сил, які діють опори. На цьому принципі засновано балансування деталей та складальних одиниць машин.

Динамічна балансування виконується на електричних автоматизованих балансувальних верстатах. Вони в інтервалі 1-2 хв видають дані: глибину та діаметр свердління, масу вантажів, розміри контрвантажів та місця, де необхідно закріпити та зняти вантажі. Крім того, виконується реєстрація коливань опор, на яких обертається врівноважена збірна одиницяз точністю до 1 мм.

Маховики, шківи і різні літали, що обертаються з великими окружними швидкостями, повинні бути врівноваженими (відбалансованими), інакше машини, в які входять ці деталі, працюватимуть з вібраціями. Це негативно позначається на роботі механізмів обладнання та машини загалом.

Неврівноваженість деталей виникає через неоднорідність матеріалу, з якого вони виготовляються; відхилень у розмірах, допущених при їх виготовленні та ремонті; різних деформацій, одержаних у результаті термообробки; від різної маси кріпильних деталей тощо. Усунення неврівноваженості (дисбалансу) здійснюється балансуванням, яке є відповідальною технологічною операцією.

Існують два способи балансування: статична та динамічна. Статичне балансування - це врівноважування деталей у нерухомому стані на спеціальних пристосуваннях - ножових напрямних, роликах та ін.

Динамічна балансування, що гранично зменшує вібрації, проводиться при швидкому обертанні деталі на спеціальних верстатах.

Статичному балансуванні піддають ряд деталей (шківи, ​​кільця, гребні гвинти та ін.) на рис. 1, а зображено диск, центр тяжіння якого знаходиться на відстані е від геометричного центру О. При обертанні утворюється неврівноважена відцентрова сила Q.

Опорні загострені, чисто оброблені та загартовані поверхні ножів вивіряють лінійкою та рівнем на горизонтальність з точністю 0,05-0,1 мм на довжині 1000 мм.

Врівноважувану деталь надягають на оправку, кінці якої повинні бути однакового, до того ж можливо меншого діаметра. Це істотна умова підвищення чутливості балансування без шкоди жорсткості установки оправки з деталлю на ножах. Балансування полягає в наступному: деталь з оправкою злегка підштовхують і дають можливість вільно зупинитися, її більш важка частина після зупинки завжди займе нижнє положення.

Балансують деталь одним із двох способів: або полегшують її важку частину висвердлюванням або вирубуванням з неї зайвого металу, або обтяжують діаметрально протилежну частину.

Рис. 1. Схеми балансування деталей:
а - статична, б - динамічна

На рис. 1 б дана схема динамічної неврівноваженості деталі: центр тяжіння може знаходитися далеко від її середини, в точці А. Тоді при обертанні на підвищеній швидкості маса дисбалансу буде створювати момент, що перекидає деталь, утворюючи вібрації і підвищені навантаження на підшипнику. Для врівноваження потрібно встановити додатковий вантаж у точці А (або висвердлити масу дисбалансу в точці А). При цьому маса дисбалансу і додаткового вантажу утворюють пару відцентрових сил, паралельних, але протилежно спрямованих - Q і - Q, з плечем L, при якому перекидний момент ліквідується (врівноважується).

Динамічне балансування виконують на спеціальних верстатах. Деталь встановлюють на пружні опори та приєднують до приводу. Частоту обертання доводять до такого значення, щоб система увійшла до резонансу, що дозволяє помітити область коливань. Для визначення врівноваженої сили закріплюють на деталі вантажі, що підбираються так, щоб утворилася протилежна сила і, отже, спрямований протилежно момент.

Головним джерелом вібрації агрегатів єневрівноваженість роторів , Яка завжди має місце, через те, що вісь обертання та вісь інерції, що проходить через центр мас, не збігаються. Неврівноваженість роторів поділяють такі три виду.

Статична неврівноваженість - це неврівноваженість, коли він вісь ротора та її головна центральна вісь інерції паралельні (див. рис.1).

Рис.1

Моментна неврівноваженість - це неврівноваженість, коли він вісь ротора та її головна центральна вісь інерції перетинаються у центрі мас ротора (див. рис.2).

Рис.2

Динамічна неврівноваженість - це неврівноваженість, коли він вісь ротора та її головна центральна вісь інерції перетинаються над центрі мас чи перехрещуються (див. рис.3). Вона складається із статичної та моментної неврівноваженості.

Примітка:Тут і далі виділені курсивом терміни та визначення, встановлені ГОСТом 19534 - 74. Балансування тіл, що обертаються. Терміни.

Рис.3

Приватним випадком динамічної неврівноваженості є квазистатична неврівноваженість, коли він вісь ротора та її головна центральна вісь перетинаються над центрі мас ротора.

Відцентрова сила, що викликається неврівноваженістю, визначається за формулою:

Fцн = P/g w 2 r = P/g (?n/30) 2 r, (1)
де w = 2?f = ?n/30-кутова швидкість,
f – число обертів ротора на секунду,
n – число оборотів за хвилину,
P – вага ротора, q = 9,81м/сек2 – прискорення вільного падіння,
r – радіус неврівноваженої маси чи модуль ексцентриситету.

На високих оборотах неврівноважені маси можуть розвинути відцентрові сили до неприпустимих значень, які призведуть до руйнації машини. Для більшості машин досягнення неврівноваженої відцентрової силою значення прибл. 30% ваги ротора є гранично допустимою величиною.

Твір неврівноваженої маси її ексцентриситет називають дисбалансом. Дисбаланс – величина векторна. Найчастіше використовується термін "значення дисбалансу", яке дорівнює добутку неврівноваженої маси на модуль ексцентриситету.

Дисбаланси роторів у процесі експлуатації можуть бути викликані зносом робочих частин, зміною посадки дисків, ослабленням кріплення елементів роторів, що входять до складу, деформацією та іншими факторами, що призводять до зміщення мас щодо осі обертання.

Значення дисбалансу зазвичай вказується на гмм, гсм. 1гсм = 10гмм.

Іноді для завдання допуску використовують відношення дисбалансу до маси ротора, званепитомим дисбалансом . Питома дисбаланс відповідає ексцентриситету центру маси ротора.
е ст = D/m (2)

Дисбаланси усуваються балансуванням.Балансування - це процес визначення значень та кутів дисбалансів ротора та зменшення їх коригуванням мас. Насправді набули поширення два види балансування: статична і динамічна.

2. Балансування. Загальні відомості

Статичне балансування, як правило, проводиться в одній площині корекції і застосовується головним чином до дискових роторів. Її можна використати, якщо відношення довжини ротора до його діаметра не перевищує 0,25.Площиною корекції називають площину, перпендикулярну до осі ротора, в якій розташований центр коригуючої маси. (Маси, що використовується для зменшення дисбалансів ротора).

При статичному балансуванні визначається та зменшується головний вектор дисбалансів ротора, що характеризує його статичну неврівноваженість. Головний вектор дисбалансів дорівнює сумі всіх векторів дисбалансів, розташованих у різних площинах, перпендикулярних до осі ротора. (Див. рис. 4).

Для роторів, у яких їх довжини можна порівняти з діаметрами або перевершують їх, статичне балансування неефективне, а в деяких випадках може виявитися шкідливим. Наприклад, якщо площина корекції виявиться значною відстані від головного вектора дисбалансів, то, зменшивши статичну неврівноваженість, можна збільшити моментну неврівноваженість.

Динамічна балансування -це таке балансування, при якому визначаються та зменшуються дисбаланси ротора, що характеризують його динамічну неврівноваженість (див. рис.4). При динамічному балансуванні зменшуються як моментна, і статична неврівноваженість ротора одночасно.

Є багато методів балансування. Усі вони засновані на припущенні лінійності системи, тобто амплітуди коливань вважаються пропорційними до значення дисбалансу, а фази незалежні від його величини. Існує одноплощинне і багатоплощинне балансування. При одноплощинному балансуванні розрахунок коригувальних мас проводиться послідовно для кожної площини корекції, при багатоплощинній - одночасно.

Багатоплощинне балансування з використанням методу одночасного вимірювання амплітуд і фаз коливань найбільш поширене при балансуванні роторів агрегатів типу ГТК 10-4. Точніше, найбільш поширене двоплощинне балансування, яке є окремим випадком багатоплощинного. Для розрахунку коригувальних мас при такому методі балансування необхідно виконати, як мінімум, три пуски: один початковий (нульовий) і два пробні з одиничними (пробними) масами mп1, m п2 , встановленими на відстанях rп1, r п2 від осі обертання (див. рис.5). Порядок та комбінації установок пробних вантажів можуть бути різними.

Рис.5.

При використанні цього балансування вважають, що система дозволяє використовувати принцип суперпозиції. Розрахунок коригувальних мас та місць їх встановлення в такій системі може здійснюватися різними способами: графічним, аналітичним чи графоаналітичним.

Графічні та графоаналітичні розрахунки із побудовою досить складних векторних діаграм широко використовувалися до появи балансувальних засобів із мікропроцесорами. Прийоми виконання таких розрахунків можна знайти у літературі. В даний час вони практично не використовуються, оскільки сучасна техніка забезпечує вирішення таких завдань простіше, точніше та швидше.

Сучасна мікропроцесорна техніка з допомогою програмних засобів вирішує завдання розрахунку найчастіше аналітично. Розглянемо, у чому полягає суть вирішення цього завдання.

Коливання системи ротор - опорна конструкція може бути описані системою рівнянь (при кожному пуску двома рівняннями з шістьма невідомими).

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)

Де, А 0, А1, А2, В0, В1, В2 - Амплітуди коливань опор "а", "в" при нульовому і пробних пусках, вироблених на одній частоті.
? а1,? а2,? в 1 , ? в 2 - Коефіцієнти впливу, що представляють вектори коливань опор "а" і "в", викликаних одиничними масами mп1, mп2.
D I , D II – вихідні дисбаланси у вибраних площинах корекції І та ІІ.
r п1 m п1, r п2 m п2 – внесені дисбаланси за рахунок встановлення одиничних (пробних) мас, у площинах корекції І та ІІ.

У цих рівняннях невідомі шість векторних величин: D I, D II,? а1,? а2,? в 2 , ? в 2 . Щоб знайти їх, необхідно вирішити систему цих рівнянь. Визначення коефіцієнтів впливу та коригувальних мас для компенсації вихідних дисбалансів є достатньо складним завданням. Однак вирішення такого завдання за допомогою сучасних засобів здійснюється автоматично в процесі пусків. Визначені з рівнянь (5) коефіцієнти впливу можна використовувати для розрахунку коригувальних мас при балансуванні наступних однотипних роторів без виконання двох пробних пусків.

У тих випадках, коли число площин корекції більше, ніж 2 (наприклад, якщо проводиться балансування одного ротора з опорами більше, ніж 2 або балансування зчеплених роторів), кількість пробних пусків визначається числом площин корекції, в кожну з яких послідовно встановлюються пробні маси . Рівняння, що описують коливання системи, складаються аналогічно, як і при двоплощинному балансуванні. Система цих рівнянь та її рішення ускладнюються, оскільки кількість коефіцієнтів впливу збільшується рахунок збільшення кількості площин корекції і збільшується кількість рівнянь рахунок збільшення кількості пусків.

Найчастіше динамічна балансування проводиться на балансувальних верстатах. Зазвичай балансування на верстатах проводиться більш низьких оборотах, ніж робочі обороти роторів. Це зумовлено технічними можливостями балансувальних верстатів. Високооборотні балансувальні верстати мало поширені через їхню дорожнечу і велику енергоємність. Балансування на низькооборотних верстатах досить ефективне і забезпечує високу точність у тих випадках, коли ротори відносяться до класу.жорстких роторів. Для гнучких роторобалансування на низькооборотних верстатах не завжди ефективне.

Жорсткий ротор визначається як ротор, який збалансований на частоті обертання, меншою першої критичної у двох довільних площинах корекції і у якого значення залишкових дисбалансів не перевищуватиме допустимі на всіх частотах обертання аж до найбільшої експлуатаційної. Динамічна балансування жорсткого ротора проводиться, зазвичай, у двох площинах.

Гнучкий ротор визначається, як ротор, який збалансований на частоті обертання, меншою першої критичної у двох довільних площинах корекції і у якого значення залишкових дисбалансів можуть перевищувати допустимі на інших частотах обертання аж до найбільшої експлуатаційної . При балансуванні гнучких роторів використовується, як правило, більше двох площин корекції.

3. Вибір допуску та точності балансування

З практики відомо, що віброшвидкість є найбільш об'єктивним критерієм оцінки вібрації. Виходячи з цього, найчастіше оцінка та нормування вібраційного стану проводиться за віброшвидкістю. Тому допуск на балансування прийнято встановлювати таким чином, щоб у робочому діапазоні обертів мати прийнятну віброшвидкість. Виходячи з цих умов допустимий дисбаланс повинен змінюватися назад пропорційно до частоти обертання ротора. Тобто чим вища робоча частота обертання, тим менше має бути припустимий дисбаланс. Отже, повинна забезпечуватися наступна залежність:
е ст w = Конст. , де е – питомий дисбаланс, w – кутова частота.
При цьому передбачається, що ротор та опори жорсткі. Величину естw прийняли визначальною при класифікації точності балансування.

Класи точності балансування жорстких роторів встановлені ГОСТом 22061-76 відповідно до міжнародного стандарту ISO 1949.

Відповідно до цієї класифікації кожен клас характеризується постійною величиною ест w. Кожен наступний клас відрізняється від попереднього у 2,5 рази. ГОСТ 22061-76 встановлює 13 класів точності; з нульового по дванадцятий, для різних груп жорстких роторів. Ротори газоперекачувальних агрегатів відносяться до 3-го класу точності. Значення допустимих дисбалансів розраховуються та задаються розробником машин згідно з ГОСТом 22061-76.

4. Особливості балансування великогабаритних роторів

Балансування великогабаритних типу ОК ТВД ГТК 10-4 роторів має особливості, хоча немає нормативних документів, встановлюють яке - чи поділ роторів залежно від своїх габаритів. При великих довжинах (більше 4-х метрів) та великих масах роторів (вагою кілька тонн) необхідно враховувати вплив термічних деформацій на дисбаланси. За таких розмірів температура роторів неоднакова у різних точках. Це пов'язано з тим, що у виробничих приміщеннях завжди є джерела теплового випромінювання і конвекційних потоків. Та й самі балансувальні верстати є такими. Довгі ротори особливо чутливі до найменшого перепаду температури у радіальному напрямку. Проведені дослідження впливу теплових деформацій роторів (ОК ТВД агрегату ГТК 10-4) на дисбаланси показують, що перепад температури в радіальному напрямку на 1єС (при довжині ротора 4 і більше метрів) призводить до термічних дисбалансів, що в 5-10 разів перевищують допуск. Для виключення помилок при балансуванні через теплові деформації необхідно забезпечити попередню термостабілізацію роторів, що балансуються. Насправді це здійснюється в такий спосіб. Ротори, що надходять на балансування, витримуються в приміщенні до вирівнювання температури з температурою навколишнього середовища. Потім ротор встановлюється на верстат і обертається. Ротора вагою більше 5т необхідно витримати в режимі безперервного обертання (або в режимі пуск - зупинка - пуск) протягом не менше 2-х годин і після цього зробити його балансування. У процесі обертання вирівнюється температура у радіальному напрямку. Якщо балансування з яких - небудь причин було перервано (припинення обертання близько 1 години і більше), то її завершення знову повинна передувати операція обертання ротора для вирівнювання температури в радіальному напрямку. При перервах менше 2 годин час обертання для вирівнювання температури потрібно не більше часу перерви.

Увага! У вас немає прав для перегляду прихованого тексту.

Джерела інформації, прийняті до увагипри складанні методичного посібниказ балансування роторів.

ГОСТ 19534 – 74. Балансування тіл, що обертаються. Терміни.

ГОСТ 22061 – 76 Система класів точності балансування та методичні вказівки.

Керівні вказівки щодо балансування роторів ГТУ на балансувальному верстаті та у власних підшипниках. "Оргенергогаз" М., 1974р.

Вібрації у техніці. Т.6. Захист від вібрації та ударів. За ред. чл.-кор. АН СРСР К.В. Фролова. М. "Машинобудування", 1981р.

Сидоренко М.К. Віброметрія газотурбінних двигунів.

Неврівноваженість деталей, що обертаються (шківів насосів і трансмісій-агрегатів, шинко-пневматичних муфт, зубчастих коліс) виходить при зміщенні їх маси в один бік, в результаті чого зміщується центр тяжіння щодо осі обертання, а також при зміщенні осі обертання щодо центру тяжіння. Маса деталі зміщується через неоднорідність матеріалу, неточність механічної обробки і в результаті одностороннього зносу в процесі експлуатації. Вісь обертання щодо центру ваги зміщується внаслідок перекосів при складанні чи неточності виготовлення.

При великих обертах обертання неврівноважених деталей виникають неврівноважені відцентрові сили, що призводять до вібрації деталі та агрегату в цілому та передчасного його зносу. Тому деталі, що обертаються, повинні бути ретельно збалансовані.

Існують два способи балансування: статичний та динамічний. При статичному "балансуванні" деталь врівноважують щодо осі обертання за рахунок зменшення її маси на тій стороні, куди зміщений центр тяжкості, або збільшення маси на діаметрально протилежній стороні. у будь-якому положенні, в яке вона повертається щодо осі обертання Схема врівноважування деталей різної довжини (А, А1) показана на рис.

Рис. 130. Схема балансування деталей різної довжини: 1 – неврівноважена маса; 2 - врівноважена маса

Статичне врівноважування роблять на горизонтальних призмах, валиках чи роликах. Найбільш простий пристрій для статичної балансування - паралельні стенди, що є дві закріплені і підставах направляючі у вигляді ножів, по яких-може перекочуватися врівноважувана деталь.

Ножі вивіряють за допомогою рівня у двох взаємно перпендикулярних напрямках. Для балансування масивних деталей (шківи насосів) застосовують роликові або дискові стенди, у яких замість ножів є шарикопідшипники або ролики.

Статичне балансування роблять у такий спосіб. Врівноважувану деталь встановлюють на стенд і поворотом на деякий кут визначають її врівноваженість. При неврівноваженості важка частина деталі повертається вниз, а при врівноваженості вона залишається в положенні, в яке повертається. Неврівноважену масу деталі видаляють свердлінням по відмітці з обох сторін. Якщо при свердлінні ослабне конструкція деталі, то в цьому випадку на діаметрально протилежній сторожі за допомогою гвинтів встановлюють масу (вантаж), що врівноважує, у вигляді окремих пластинок.

Для дископодібної деталі, що має малу довжину в порівнянні з її діаметром, спосіб статичного балансування буде достатнім, так як неврівноважена та врівноважена маси знаходяться на поперечній осі деталі або близько до неї. В цьому випадку при обертанні деталі відцентрові сили мас будуть знаходитися в одній або близьких площинах і не вплинуть на вал і підшипники.

Для циліндричної деталі, що має порівняно більшу довжину (шківи трансмісій клинопасових передач), одного способу статичної балансування буде недостатньо, оскільки неврівноважена і врівноважена маси при балансуванні можуть бути віддалені від поперечної осі деталі на відстань а. При обертанні деталі відцентрові сили цих мас, що знаходяться в різних площинах, створюють пару сил, які повертатимуть деталь щодо осі обертання і створюватимуть додаткові навантаження на вал і підшипники. і величину врівноважуючої маси визначають динамічному стані деталі - під час її обертання.

Процес динамічного балансування здійснюють на спеціальних верстатах або безпосередньо в машинах і механізмах на власних підшипниках за допомогою спеціальних приладів: віброметрів, віброскопів.

Контрольні питаннядо розділу X

1. Які види слюсарних робіт виконують під час спорудження бурових?

2. На які типи поділяються болти?

3. У яких випадках застосовують болти, шпильки, гвинти?

4. Навіщо призначені шайби?

5. Які застосовують способи стопоріння різьбових з'єднань?

6. Які за конструкцією використовують гайкові ключі?

7. Які застосовують шпонки для напружених та ненапружених з'єднань?

8. У чому перевага шліцевих з'єднань перед шпонковими?

9. Які застосовують профілі шліців?

10. Якими способами виконують пресові з'єднання?

11. Які існують муфтові сполуки?

12. Як центрують вали, що з'єднуються шинно-пневматичними муфтами?

13. З яких елементів складається карданна передача?

14. Які існують зубчасті передачі?

15. Якими методами перевіряють зазори зубчастих зачеплень?

16. З яких елементів складається приводний роликовий ланцюг?

17. Навіщо служать вкладиші підшипників ковзання?

18. Які існують конструкції підшипників кочення?

19. Якими способами виконують запресування підшипників?

20. Яким чином регулюють зазор у завзятих та конічних підшипниках?

21. У чому полягає балансування деталей, що обертаються?

22. Як і коли виконують статичне та динамічне балансування?

ОРГАНІЗАЦІЯ ВИРОБНИЦТВА І ПРАЦІ, ЕКОНОМІКА І ПЛАНУВАННЯ СПОРУДИ БУРОВИХ