Балансировка вращающихся деталей

Балансировка является специфическим способом восстановления деталей, при котором восстанавливается их динамическая или статическая уравновешенность, утраченная в результате износа или после ремонтных операций, предшествовавших балансировке. Нарушение балансировки может возникнуть также при сборке вращающегося узла. Неуравновешенные массы при вращении приводят к появлению центробежных сил, которые вызывают вибрацию машины и ее повреждение.

В механическом смысле балансировка – это метод распределения массы вращающегося тела, при котором устраняется вибрация опор тела.

а – неуравновешенность тонкого диска; б – неуравновешенность тонкого ротора; в – приведение сил к паре и результирующей силе.

Рисунок 1 – Виды неуравновешенности.

Возможна неуравновешенность двух типов (рис. 1). Для деталей, приближающихся по форме к тонким дискам, характерна неуравновешенность, проявляющаяся в смещении центра тяжести детали от оси вращения и появлении центробежной силы. Для деталей, имеющих значительную длину в осевом направлении, неуравновешенные силы возникают в различных сечениях. Эти силы могут быть приведены к паре сил Р – Р и результирующей силе К.

Неуравновешенность от пары сил называется динамической неуравновешенностью, так как обнаружить ее статической балансировкой невозможно. Ее определяют в динамических условиях при вращении детали, когда возникает момент пары сил М:

 

,

где a – плечо пары сил; m – масса одного из грузов, вызывающих дисбаланс; w – угловая скорость.

На практике чаще встречается смешанная неуравновешенность. При этом вначале должна проводиться статическая балансировка для уменьшения результирующей силы К, а затем динамическая.

Первым фактором, определяющим границы использования статической или динамической балансировки, является относительная длина детали LID, вторым – частота вращения детали n.

I – область статической балансировки; II – промежуточная область; III – область динамической балансировки.

Рисунок 2  – Границы статической и динамической балансировки.

На рис. 2 представлен график, служащий для определения границ статической и динамической балансировки в зависимости от L/D и n. Область I с малыми значениями LID и п соответствует статической балансировке. Область III, отвечающая большим значениям LID и п, является областью динамической балансировки. Промежуточная область II может быть зоной как статической, так и динамической балансировки. Для неответственных деталей в промежуточной области применяется статическая балансировка, а для ответственных – динамическая.

Статическая балансировка основана на стремлении центра тяжести детали занять положение, наиболее низкое из всех возможных. Таким образом, центр тяжести неуравновешенной детали будет размещаться на вертикальном направлении ниже оси вращения. Статическая балансировка выполняется на специальных приспособлениях – призмах (рис. 3 а) или вращающихся дисках (рис. 3, б). Призмы состоят из рамы и двух закаленных опорных ножей. Рама прочно закрепляется на фундаменте или на полу для исключения сотрясений. Ножи устанавливаются строго параллельно и горизон­тально в продольном и поперечном направлениях с помощью уровня и микрометрических винтов. Ширина верхней опорной части ножей должна исключать образование вмятин на шейках вала балансируемой детали. В то же время трение качения детали должно быть сведено к минимуму. Коэффициент трения качения обычно равен 10^–2 –  4×10^–2. Если смещение центра тяжести детали не превышает значения коэффициента трения качения, деталь теряет способность перемещаться на призмах, поэтому максимальное смещение центра тяжести, определяемое на призмах, равно величине коэффициента трения качения.

а – призмы; б – диски.

Рисунок 3 – Приспособления для статической балансировки валов.

Ширина рабочей поверхности ножей:

b = 0,3 мм для деталей массой до 3 кг

b = 3 мм                                  30 кг

b = 10 мм                                     300 кг.

Дисковое балансировочное приспособление состоит из рамы и четырех дисков, способных вращаться вокруг осей на шарикоподшипниках. Это приспособление дает большую погрешность, так как необходимо преодолеть не только трение качения детали по дискам, но и трение качения шарикоподшипников. Кроме того, сами диски должны быть точно отбалансированы.

Однако диски позволяют балансировать детали с различным диаметром шеек путем регулировки межосевого расстояния между ними и высоты их установки.

При балансировке на призмах деталей с различным диаметром шеек необходимо дополнительно вытачивать втулку, надеваемую на шейку меньшего диаметра.

Техника статической балансировки заключается в следующем. Балансируемую деталь (колесо центробежного насоса, шкив, шестерня) надевают на ее рабочий вал или на специально изготовленную оправку и устанавливают на балансировочное приспособление. Для преодоления трения покоя детали сообщается толчок, вызывающий перекатывание ее на приспособлении. После затухания качения деталь самоустанавливается в нижнем вертикальном положении центра тяжести относительно оси вращения. Отмечая мелом направление центра тяжести детали от оси детали и устанавливая на диаметрально противоположном направлении компенсирующие тарированные грузы (намагниченные куски железа, пластилин и др.), добиваются устранения дисбаланса (разбаланса).

Влияние сил трения качения на направление неуравновешенной силы приближенно учитывается следующим образом. Отмечается мелом направление центра тяжести детали после ее остановки на призмах. Затем деталь поворачивается на 90° так, чтобы меловая отметка оказалась в горизонтальной плоскости слева, и деталь предоставляется самой себе. После остановки детали на вертикальном направлении наносится новая меловая метка. Затем операции повторяются при повороте детали на 90° вправо и определяется положение второй меловой метки. Действительное направление центра тяжести будет находиться посредине между двумя меловыми метками.

При достижении полной статической уравновешенности прочерченный меловой луч будет останавливаться после толчка детали в любом произвольном направлении. После этого следует закрепление необходимого груза (с помощью сварки) в том месте, которое было отмечено при балансировке. Однако чаще используется снятие сверлением или другим способом металла на направлении той части луча, на которой находится центр тяжести детали.

Более точно (с учетом трения качения) балансировка на призмах проводится следующим образом. Вначале, повернув ротор на призмах, дают ему возможность свободно остановиться, каждый раз отмечая мелом нижнюю точку. Если нижнее положение будет занимать одна и та же точка, через нее проводят вертикальную линию и подбором груза стремятся скомпенсировать разбаланс. Добившись безразличного положения оправки с ротором переходят к следующей операции, которая заключается в определении остаточного разбаланса вследствие наличия сил трения между призмами и оправкой. Окружность диска делят на шесть-восемь равных частей. У отмеченных делений на роторе, устанавливаемых поочередно в горизонтальной плоскости, подвешивают различные грузики, одинаково удаленные от центра, до тех пор, пока ротор не начнет вращаться на призмах. Вес этих грузиков наносится на диаграмму (рис. 4). По кривой (для минимального значения P_мин) находят направление центра тяжести диска. Для того чтобы диск уравновесить, необходимо в диаметрально противоположном месте (Р_макс) поставить корректирующий груз.

Рисунок 4 – Диаграмма для определения места и величины разбаланса.

Подсчёт величины требуемого корректирующего груза Q проводится по формуле

,

Величина фактического разбаланса рабочего колеса определяется по формуле

,

где r – радиус крепления неуравновешенного груза, см.

Из диаграммы величина К, учитывающая влияние трения качения, равна

.

Контроль качества статической балансировки состоит из проверки правильности условий проведения балансировки и контроля остаточной неуравновешенности.

Динамическая балансировка гораздо сложнее статической. Ее выполняют обычно на машиностроительных заводах при изготовлении машин. В процессе эксплуатации дисбаланс появляется в результате неравномерного износа, налипания продуктов, деформации детали или вала. Неуравновешенность узла в сборе оказывается в несколько раз выше, чем собственная неуравновешенность отдельных деталей, т.е. большая часть дисбаланса создается при сборочных операциях. Поэтому для деталей целесообразна статическая, а для узлов – динамическая балансировка. Неуравновешенные центробежные силы могут быть приведены к результирующей силе и паре сил. Результирующая сила компенсируется при статической балансировке. Пара сил устраняется при динамической балансировке. Пара сил может быть приведена к любой плоскости. Плоскостями балансировки, т. е. плоскостями установки балансировочных грузов, при динамической балансировке удобнее всего выбирать торцевые поверхности ротора.

Рисунок 5 – Схема неуравновешенности от пары сил.

Принципиальная схема динамической балансировки на балансировочном станке заключается в последовательном уравновешивании двух (для длинных валов – трех) плоскостей балансировки. Для этой цели одна опора закрепляется неподвижно, а другая совершает колебания вместе с колебаниями балансируемой детали. Например, при закреплении левой опоры (рис. 5) колебания правой опоры будут вызываться воздействием сил:

, ,

При этом воздействие силы P₁ на правую опору будет значительным, а воздействие силы Р₂ (как более удаленной от этой опоры) слабым, но при балансировке правой опоры сила P₂частично тоже учитывается.

При закреплении правой опоры колебания левой будут вызываться в основном силой Р₂ и в меньшей мере силой P₁. При балансировке левой плоскости в основном устраняется влияние на вибрацию силы Р₂, что приводит к незначительному разбалансу правой опоры. Поэтому процесс динамической балансировки заключается в последовательной балансировке обеих опор до необходимой величины остаточного разбаланса.

Если ротор статически уравновешен, то силы P₁ и Р₂ равны по величине и противоположно направлены. В этом случае воздействие сил на опору B можно получить, приравняв к нулю сумму моментов всех сил относительно опоры A.

Так как P₁ = P₂ = P, то

,

Для статически уравновешенного ротора можно рассчитать остаточную неуравновешенность, вызываемую силой Р₂, и провести балансировку правой опоры только с учетом силы Р₁. Без учета силы Р₂ реакция опоры В₁ составит:

,

Таким образом, величина груза G, вызывающего уравновешивание опоры В, должна быть уменьшена в (а + l)/l раз. Аналогичным образом при балансировке левой опоры можно рассчитать остаточную неуравновешенность, вызываемую силой Р₁. Использование подобных расчетов позволяет ускорить процесс балансировки. Требуемое направление приложения груза может не соответствовать возможным точкам закрепления груза. В этом случае уравновешивающий груз может быть разделен на два груза, дающие в сумме такую же центробежную силу по величине и направлению.

Рисунок 6 – Схема замены уравновешивающего груза парой грузов

Например, если уравновешивающий груз G должен быть приложен в точке А (рис. 6), а по конструктивным соображениям его можно приложить только в точках В и С, то расчет уравновешивающих грузов G_B и Gc проводится следующим образом. Точка А проектируется на оси ОВ и ОС так, чтобы сумма векторов ОB' и ОС' равнялась вектору ОА. При этом, необходимо помнить, что складывается не вес грузов, а центробежные силы, величина которых зависит от радиуса приложения грузов. Вес устанавливаемого груза определяется из равенства моментов, создаваемых грузом:

,

Динамическая балансировка осуществляется на балансировочных станках при значении n, меньшем рабочего n, или в собственных опорах ротора при рабочем значении n. Балансировочные станки в химической промышленности применяются для балансировки роторов турбокомпрессоров, дымососов, электродвигателей и т. д. На станке узел вращения балансируется в сборе.

Балансировочный станок имеет станину, привод и опоры с люльками. Для торможения детали после замеров двигатель снабжается магнитным тормозом. Люльки в опорах могут колебаться в направлении, перпендикулярном оси балансируемой детали. К люльке присоединяется датчик колебаний. Датчик имеет виброщуп, который упирается в люльку или в подшипниковую опору (при балансировке в собственных опорах). Применение находят индукционные, пьезоэлектрические, те изометрические датчики, а также оптические методы.

Направление колебаний для жестких роторов обычно отстает от направления неуравновешенной силы на 15 – 45°. Для определения направления неуравновешенной силы виброметр может иметь датчик фазы – генератор вращающегося магнитного поля, в качестве которого используется таходинамо. Регистрация сдвига фаз может осуществляться и самостоятельным прибором. Таким образом, при динамической балансировке на станке определяется величина уравновешивающих грузов и направление приложения грузов. Операция балансировки повторяется последовательно с обеими опорами вала до достижения необходимой остаточной неуравновешенности. Устранение дисбаланса производится сверлением, фрезерованием, наплавкой металла.

Остаточная неуравновешенность может выражаться величиной дисбаланса (Н×см) или величиной смещения центра тяжести. Обычно смещение центра тяжести выражается в мм или мкм. Допуск на смещение центра тяжести составляет 0,001 – 0,025 мм в зависимости от условий работы детали.

Величина остаточной неуравновешенности определяется на основе опытных норм. Допустимая остаточная неуравновешенность зависит от скорости вращения ротора, отношения веса вращающегося ротора к весу всей машины и отношения собственной частоты колебаний опорной конструкции к частоте вынужденных колебаний (частоте вращения ротора). Чем больше частота вращения и относительный вес ротора и чем меньше отношение частот собственных и вынужденных колебаний, тем меньше допуск на остаточную неуравновешенность.

Балансировка в собственных опорах проводится при рабочей частоте вращения. Для этого у подшипниковых опор выбирают открытые участки вала (длиной 50 – 60 мм), которые покрывают меловой краской. Затем по очереди балансируют левые и правые части вала. Для определения прогиба к валу в горизонтальной плоскости подносят металлическую чертилку, которая нанесёт на меловую поверхность риску, указывающую направление прогиба вала. Несколько рядом расположенных рисок позволяют найти среднее направление, прогиба вала. Однако, оно не совпадает с направлением центробежной силы, а отстаёт на 14 – 45° в зависимости от частоты вращения. Поэтому при закреплении уравновешивающих грузов это отставание учитывается. Балансировка считается удовлетворительной, если длина диска приближается к длине окружности шейки вала, то есть риска приближается к круговой. Тоже самое делается со второй шейкой вала, но при этом частично нарушается балансировка на первой половине и её надо вновь балансировать. Последовательно балансируя несколько раз обе половины вала добиваются получения рисок близких к круговым. После чего крепят груз.

Балансировка в собственных опорах так же может проводиться путем измерения виброметром колебаний опор в той же последовательности, как и при балансировке на станке.

При работе машины колебания передаются не только на опоры, но и на фундамент. Амплитуда этих колебаний меньше, чем при свободной подвеске опоры в балансировочном станке. Для повышения амплитуды колебаний опор последние в период балансировки могут крепиться к станине на резиновых прокладках. Остаточная неуравновешенность при балансировке в собственных опорах выражается величиной остаточной амплитуды колебаний подшипниковых опор.

Рассмотренные способы динамической балансировки относятся к жестким роторам, у которых рабочее значение n не превышает первой критической скорости, когда появляются признаки резонанса и амплитуда колебаний резко увеличивается. Для гибких роторов, рабочая скорость которых равна или выше первой критической скорости вращения, характер колебаний опор зависит от податливости и массы опор, а воздействие пробных грузов зависит от распределения неуравновешенных сил по длине ротора.

Для жесткого ротора неуравновешенность может быть устранена при любом п, так как положение неуравновешенных сил не зависит от числа оборотов. Для гибких роторов величина дисбаланса, так же как и форма упругой линии вала зависит от п. Поэтому балансировка гибких роторов осуществляется только при рабочем значении п.