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, которые предшествовали 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 частности, возникают добавочные динамические давления на опоры вращения ротора, что в свою очередь, может привести к выдавливанию смазки в подшипниках и явиться причиной ускоренного износа валов и вкладышей подшипников.

     Для предотвращения этих явлений необходимо производить проверочную балансировку как отдельных деталей  после их обработки, так и окончательно  собранных вращающихся узлов и ротора.

     Особенно тщательно следует балансировать быстровращающиеся роторы крупных размеров, например, роторы центрифуг.

      Неуравновешенность вращающихся роторов вызывается следующими причинами:

1)      недостаточной точностью изготовления отдельных деталей, из которых собран ротор;

2)      неравномерным распределением  материала в объеме детали (газовые раковины, шлаковые включения и т.п.)

3)      неточной посадкой вращающихся частей ротора на вал или их смещением из-за деформации, погнутости вала, неверной сборки и т.д.

Возможна неуравновешенность двух типов (см. рис.1):

Рис.1.

а - неуравновешенность тонкого диска; б - неуравновешенность длинного ротора; в-  приведение пары сил к результирующей силе.

-         для деталей, близких по форме к тонким дискам, характерна так называемая статическая неуравновешенность, проявляющаяся в смещении центра тяжести от оси вращения и появлении центробежной силы. (Рис.1а) (дисбаланс D измеряется статическим моментом)

 , где G-вес детали (н); r-смещение центра тяжести детали от оси вращения (см);m-вес уравновешивающего груза (н); R-расстояние от оси вращения до центра тяжести уравновешивающего груза (см).

-         Для деталей имеющих значительную длину в осевом направлении неуравновешенные силы возникают в различных сечениях (Рис.1б). Эти силы могут быть приведены к паре сил Р-Р и результирующей силе К (Рис. 1в). Такая неуравновешенность (от пары сил) называется динамической, так как обнаружить её статической балансировкой невозможно. Динамическую неуравновешенность определяют при вращении детали, когда возникает момент пары сил М:

                               ,

где а – плечо пары сил; m – вес одного из грузов, вызывающих дисбаланс; w - угловая скорость; g – ускорение свободного падения; Г – смещение центра тяжести детали от оси вращения.

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

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

На рис.2 представлен график для определения границ динамической и статической балансировок в зависимости от L/D и n. I

Рис.2    Границы статической и динамической балансировок.

I-область статической балансировки

II-промежуточная область

III-область динамической балансировки

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 осуществляется на специальных приспособлениях –призмах (рис.3) или вращающихся дисках (рис.4).

Рис.3. Схема балансировки на призмах          Рис.4.схема балансировки на дисках

Балансировка на горизонтальных параллелях (призмах)

При балансировке на призмах вначале устанавливается рама и прочно закрепляется на фундаменте или полу для исключения сотрясений. Затем устанавливаются стальные ножи (призмы). Ножи устанавливаются строго параллельно и горизонтально в продольном и поперечном направлениях с помощью уровня и микрометрических винтов. Длина направляющих (призм) должна быть достаточной для перекатывания по ней балансируемой детали на 2-3 полных оборота. Погрешность установки призм не должна превышать 0.02 мм на 1 метр. Ширина рабочих поверхностей призм (ножей) выбирается следующим образом:

    0.3 мм для деталей массой до 3 кг;

    3 мм для деталей массой до 30 кг;

    10 мм для деталей массой до 300 кг;

      Балансирумый ротор плотно насаживается на вал-оправку, концы которого свободно устанавливаются на призмы. Ротор должен иметь собственную ось . При этом на тонкую цапфу необходимо установить выравнивающую втулку (если цапфы разные).

      Установленному на призмах ротору придается небольшое вращение. Под действием сил тяжести, ротор установится в такое положение, когда его центр масс окажется снизу. С другой (противоположной) стороны вдоль вертикальной оси надо добавить груз и добиться чтобы, в конце концов, ротор останавливался в безразличном положении за счет варьирования веса груза или расстояния его от оси.

      Зная вес, грузика и расстояние установки его от оси вращения, подсчитывают так называемый статический дисбаланс:

         , где

G_рот - масса балансируемой детали и вала оправки; r_s -расстояние от оси вращения неуравновешенного ротора до центра масс; G_гр-масса грузика; r_гр. - расстояние от оси вращения ротора до центра масс, прикрепленного к диску ротора грузка.

    Заканчивают балансировку пайкой грузка. Массу противовеса рассчитывают по уравнению:

                       , где

r_пр-радиус противовеса , величина которого , определяется конструктивным удобством установки противовеса с облегченной стороны ротора.

    Часто вместо груза высверливают часть металла на оси со стороны утяжеленной части ротора. Количество высверливаемого материала при сквозном сверлении диска ротора определяется расчетом диаметра сверла по формуле:

                     , где

В-толщина ротора в месте сверления ; l-расстояние от центра вращения до геометрической оси ротора ; -плотность материала диска ротора.

    Следует помнить, что при таком способе ротор балансируется лишь приближенно так как перекатывание ротора по призмам будет происходить до тех пор пока момент от силы веса   будет больше момента сопротивления кручению , где -коэффициент сопротивления при качении. Приравнивая эти моменты, будем иметь:

рис.5.

При момент от силы тяжести ротора имеет наибольшее значение и при этом  . Отсюда следует, что если смещение центра тяжести не превышает величины коэффициента сопротивления при качении, то деталь теряет способность перемещаться на призмах. Таким образом, величина  определяет точность статической балансировки и характеризует чувствительность данной установки. Так как коэффициент  для сталей равен 0,01 – 0,05 мм, то установить исходное смещение центра тяжести неуравновешенного ротора с помощью  подобных установок можно, если оно больше 0,01 – 0,05 мм.

Более точно (с учётом трения качения) балансировка на призмах осуществляется следующим образом. Вначале добиваются безразличного положения оправки с ротором (см. выше). Далее определяют остаточный дисбаланс из-за сил трения.

Окружность диска делят на 6 – 8 равных частей. У отмеченных делений на роторе, устанавливаемых поочерёдно в горизонтальной плоскости подвешивают различные грузки, одинаково удалённые от центра, до тех пор, пока ротор не начнёт вращаться на призмах. Вес этих грузиков наносится на диаграмму (рис.6).

Рис.6. Диаграмма для определения места и величины дисбаланса.

 По кривой (для Р_min) находят направление центра тяжести диска. Чтобы диск уравновесить, надо в противоположном месте (Р_max) поставить корректирующий груз:

, где Q- величина корректирующего груза. Величина фактического дисбаланса рабочего колеса находится по формуле:

           , где r – радиус крепления уравновешивающего груза.

Из диаграммы величины К, учитывающая влияние трения качения , будет равна:

Контроль качества статической балансировки включает в себя проверку правильности условий проведения балансировки и контроль остаточной неуравновешенности.

Балансировка на дисках

Процесс балансировки на дисковых установках производится так же, как и на призмах, но с большей точностью (за счет того, что диски снабжены шариковыми  подшипниками, в результате чего сопротивление вращению доведено в них до минимума). Точность балансировки зависит от отношения d / D, где d – диаметр шейки ротора. D – диаметр дисков. Чем меньше это соотношение, тем выше точность балансировки. Однако при больших диаметрах дисков появляется опасность заклинивания цапф вала оправки в дисках.

Рис. 6.

   , где  - критический угол, при котором вал может заклинить; f – коэффициент трения скольжения цапф вала по диску. Для стали f = 0.15, тогда = 81^о. Во избежание заклинивания диски иногда делают разного диаметра.

Динамическая балансировка

Проводится на балансировочных станках при значениях n < рабочей частоты вращения или в собственных опорах ротора при рабочих значениях n. Балансировочный станок имеет станину, привод и опоры с люльками, которые могут колебаться в направлении перпендикулярном оси балансируемой детали. К люльке присоединяется датчик колебаний. Датчик имеет вибрирующий виброщуп, упирающийся в люльку. Применение находят индукционные пьезоэлектрические, тензометрические, а также оптические методы.

Рис. 7. Балансировочный станок С 03-1

1.      станина;

2.      стойка;

3.      датчик;

4.      шарнирная муфта;

5.      шпиндельная бабка (здесь же привод, пульт управления и измерительные приборы).

Балансировка осуществляется при частоте вращения 700 об/мин. Станины имеют направляющие для перемещения стоек на нужную ширину. Датчик представляет собой неподвижную катушку и подвижный постоянный магнит на плоских пружинах.

Балансировка способом максимальных отметок

Балансировка в собственных опорах проводится, как выше уже было сказано, 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^о 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.

Качество динамической балансировки оценивается с помощью коэффициента уравновешенности , где P-динамическая нагрузка на подшипник из-за неуравновешенных центробежных сил; -статическая нагрузка от веса ротора. Если то есть k>1, то возникают периодические удары цапфы о подшипник с амплитудой (зазор в подшипнике). Такой режим недопустим. При ремонте k должно быть 0,01-0,1.

Принципиальная схема динамической балансировки на балансировочном станке (см. схему рис.8) заключается в последовательном уравновешивании двух (для длинных валов трех) плоскостей балансировки (в качестве плоскости балансировки удобнее всего выбирать торцевые поверхности ротора). С этой целью одна опора закрепляется неподвижно, а другая совершает колебания вместе с колебаниями балансируемой детали.

Рис.8. Схема неуравновешенности от пары сил.

 Например, при закреплении левой опоры колебания правой будут вызываться силами:

     ;   

При этом воздействие силы P₁ на правую опору будет значительным, а воздействие силы P₂ (как более удаленной от этой опоры) слабым, однако при балансировке правой опоры сила P₂ тоже частично учитывается.

При закреплении опоры колебания левой будут вызываться главным образом силой P₂ и в меньшей степени силой P₁. При балансировке левой плоскости в основном устраняется влияние на вибрацию силы P₂, что приводит к незначительному дисбалансу правой опоры. Поэтому процесс динамической балансировки заключается в последовательной балансировке обеих опор до необходимого остаточного дисбаланса.

Примеры:

1.Ротор центробежного насоса весом P=150 Н вращается с частотой n=3000 об/мин и имеет смещение центра тяжести от оси вращения r=0,5 мм. Определить максимальную силу, действующую на каждую опору ротора.

Решение: Центростремительная сила

Максимальная сила, действующая на одну опору:

 то есть центробежная сила  в данном примере в несколько раз больше силы тяжести.

2.Рассчитать допустимую остаточную неуравновешенность детали весом 500 Н, приняв центростремительную силу равной 10% веса детали. Частота вращения детали 3000 об/мин.

Решение: Центробежная сила , отсюда смещение центра тяжести, или допустимая остаточная неуравновешенность .

3.Статическую балансировку детали весом 200 Н с диаметром шеек 40 мм предполагается проводить на призмах с шириной рабочей поверхности 3 мм. Определить пригодность призм для балансировки.

Решение: Напряжение смятия:

 так как напряжение смятия на рабочей поверхности меньше допускаемого напряжения, то призмы пригодны. Здесь b-ширина рабочей поверхности, P- нагрузка на единицу ширины призм (Н/см), d-диаметр шеек детали, (м); -модуль упругости детали (равный для углеродистой стали).