Стенды балансировки роторов

1. Балансировка роторов

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

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

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

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

1.1. Виды неуравновешенности роторов

  По своим упруго-деформационным  свойствам роторы подразделяются  на жёсткие и гибкие. Вал жесткого  ротора не изменяет своей формы  при вращении. Форма вала гибкого  ротора, изменяется при запуске,  проходя критические частоты.  С точки зрения балансировки ротор является жёстким, если ротор можно уравновесить в любых двух произвольно выбранных плоскостях, и после такой коррекции влияние остаточного дисбаланса не будет изменяться при любой частоте вращения, а также при любых нормальных режимах эксплуатации.

  Любая масса дисбаланса  вращающегося жёсткого ротора  вызывает появление возмущающей  силы:

где m, r – соответственно масса дисбаланса и радиус расположения; w – угловая скорость вращения ротора

  Цель балансировки  заключается в компенсации сил  дисбаланса таким об-разом, чтобы  центр тяжести ротора лежал  на оси вращения, а геометрическая  сумма центробежных сил инерции  была равна нулю. Требуется, чтобы ось вращения ротора была главной центральной осью инерции. В зависимости от распределения дисбаланса по длине ротора, на жёстком роторе различают следующие виды дисбаланса.

  1. Статический дисбаланс  (отклонение центра тяжести). Дисбаланс  при-водит к параллельному смещению центральной оси инерции по отношению к оси ротора. Это смещение одновременно соответствует смещению центра тяжести ротора.(рисунок 1)

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

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

Рисунок 2. Дисбаланс моментов

Рисунок 3. Динамический дисбаланс

  3. Обычно роторы  имеют статический и моментный  дисбаланс. В этом случае главная  ось инерции не пересекает  ось ротора в центре тяжести,  это явление называется динамическим  дисбалансом (Рисунок 3).

  Балансировка ротора основана  на принятии пропорциональности  амплитуд колебаний вызывающим  их силам, а также неизменности  угла сдвига фаз между вектором  вибрации корпуса подшипника, и  вектором дисбаланса (при постоянной  частоте вращения).

  При проведении балансировки  роторов в собственных подшипниках  выделяют два различных подхода  к технологии балансировки. Одноплоскостная  балансировка, при которой проводят  устранение колебаний каждой  стороны ротора. Предполагается, что  колебания соответствующего подшипника вызываются дисбалансом данной стороны ротора. Балансировочный груз, установленный на одном из концов ротора, будет воздействовать на колебания только ближайшего подшипника. Двухплоскостная балансировка, при которой расчёт положения и массы балансировочных грузов проводится с учетом взаимного колебания обеих сторон ротора.

  Плоскость балансировки (коррекции)  – плоскость, в которой производят  коррекцию неуравновешенности путем  добавления или снятия определенной  массы. Плоскость измерения - плоскость, в которой проводятся измерения параметров вибрации. Плоскость балансировки и плоскость измерения должны находиться как можно ближе друг к другу.

1.2. Технологические особенности  балансировки роторов в собственных  опорах

  До начала балансировки необходимо выполнить следующие операции подготовки: очистить рабочее колесо от грязи, шлака и других отложений; на удобном для наблюдения торце ротора нанести мелом или краской метку, а рядом расположить лимб для отсчёта фазы по стробоскопу (угловая разметка с интервалом не более 100) или установить светоотражательную метку для фотодатчика; разметить мелом или краской лопатки ротора вентилятора; рассчитать и подготовить пробный груз и заготовить материал для уравновешивающих грузов; установить вибродатчик на корпусе подшипника ротора и подготовить балансировочную аппаратуру в соответствии с прилагаемой к ней инструкцией по эксплуатации.

  Также, до начала балансировки, следует обратить внимание на  следующие вопросы. Балансировку  проводят на рабочей частоте вращения ротора. При регулируемом приводе выбирают наибольшую рабочую частоту вращения. Роторы, имеющие большой дисбаланс, предварительно балансируют на низкой частоте вращения и далее на высшей частоте. Частота вращения при балансировке не должна лежать ни в одном из диапазонов резонансов машины, кроме того, необходимо обеспечить достижение одной и той же частоты вращения во время отдельных пусков. Установка машины должна обеспечить достижение воспроизводимых результатов измерений вибрации и угла сдвига фаз (отклоне-ние не более 10...20 %). В качестве точек измерения выбирают опоры подшипниковых узлов механизма. Для статической, одноплоскостной балансировки необходимо измерять колебания на одной опоре, ближайшей к плоскости коррекции. Для динамической балансировки широких роторов требуется измерение на каждой опоре ротора.

  Измерения проводят в горизонтальном  и вертикальном направлении или,  в крайнем случае, в одном из  радиальных направлений, в котором  ожидают наибольшие амплитуды  колебаний, обычно – это горизонтальное направление. Следует отметить выбранные точки измерения. Во время отдельных пусков измерения проводят всегда в одной и той же точке, и в одном и том же направлении.

  Компенсация дисбаланса осуществляется  добавлением или снятием массы  в одной или нескольких плоскостях коррекции. Обычно число плоскостей коррекции и плоскостей измерения совпадают. Плоскости коррекции должны быть расположены как можно ближе к отнесённым к ним опорам, то есть расстояние между отдельными плоскостями коррекции должно быть как можно больше.

  Установка дополнительных масс  на роторе легче, чем удаление  масс путём сверления или шлифования, это относится как к пробному, так и к уравновешивающему  грузу. Метод компенсации путём  снятия материала используют  только когда установка масс, например, по причинам безопасности, невозможна.

  Измерение фазы векторов  вибраций производится по градусной  шкале, жёстко связанной с уравновешиваемым  ротором. Разметка градусной шкалы  соответствует разметке балансировочной  окружности, проводимой для ориентации грузов, устанавливаемых в торцовых плоскостях ротора и производится против вращения ротора относительно произвольной начальной отметки (начального радиуса), принимаемой за нулевую. При использовании стробоскопического метода вышеуказанные условия измерения фазы выполняются, если отсчёт фазы осуществляется по вращающейся шкале, связанной с торцом ротора, относительно неподвижно закреплённого на статоре ориентира-стрелки.

  Если при стробоскопическом  методе измерения отсчёт фазы  проводится путём наблюдения за положением вращающегося ориентира относительно неподвижной градусной шкалы, тогда разметка этой шкалы должна быть проведена противоположно разметке балансировочной окружности (по вращению ротора). Полученный при расчётах угол установки грузов отсчитывается по градусной шкале балансировочной окружности.

1.3. Стенд для балансирования

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

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

Рисунок 4. Внешний вид стенда для  балансировки

1.4. Балансировочные станки

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

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

Типы балансировочных  станков и серийные линии:

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

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

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

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

2. Приборы для балансирования

2.1. Протон-Баланс

«Протон-Баланс-II» является одним из недорогих приборов для балансировки роторов. Данный комплект — это результат в следствие модернизации и модификации предыдущих версий подобных приборов для динамической балансировки роторов.

Среди разновидностей балансировки известен такой вид как динамическая балансировка, в процессе использования которой детали быстро вращаются.

Среди основных причин повышенного  уровня вибрации вращающихся механизмов выделяют дисбаланс, и как результат нагревание подшипниковых узлов. Это грозит быстрым износом подшипников и других частей механизма, а также возникновением повышенного шума и уменьшением КПД.

Устранение дисбаланса (динамическая балансировка, балансировка роторов) относится к трудновыполнимым заданиям, решить которые под силу только квалифицированному персоналу при условии, что в их распоряжении имеется сложная измерительная техника для динамической балансировки.

Для упрощения выполнения уравновешивания роторов в своих опорах различных машин и механизмов используют новый многофункциональный комплект «Протон-Баланс-II», предназначенный для динамической балансировки. С помощью него можно упростить работу ремонтных организаций. Балансировку можно разделить на три этапа. В первый этап входит измерение исходной вибрации и фазы, во второй — пробный пуск и в третий — расчет и установка балансировочных масс.

Благодаря модифицированной электронной схеме и программному обеспечению помимо всего, можно выполнять контроль данных по температуре согласно нормированному диапазону (45°С…+150°С ), подсоединять штатные стробоскопы, использовать два канала вибрации. Учитывая европейские нормы выполнения динамической балансировки с помощью приборов вышеуказанные функции должны присутствовать обязательно. Поэтому «Протон-Баланс-II» признан как самый эффективный комплект для балансировки роторов в категории цена/функциональность.

Технические характеристики:

Состав системы:

1. блок измерительный
2. вибродатчик с магнитным держателем и кабелем
3. температурный датчик с кабелем
4. преобразователь частоты вращения (таходатчик) с кабелем
5. магнитная стойка для таходатчика
6. светоотражающий маркер датчика оборотов
7. кабель интерфейсный (RS-232)
8. CD с ПО для ведения базы данных измерений
9. аккумуляторы NiCa (NiMH) (4 шт.)
10. зарядное устройство
11. весы для измерения уравновешивающей массы
12. струбцины (2шт.) – используются в качестве пробной массы
13. паспорт, инструкция по эксплуатации
14. методика поверки (по запросу)
15. транспортировочный кейс

2.2.Горизонтальный балансировочный  станок для динамической балансировки  роторов 1-2 кг BALTETH

Область применения станка для балансировки:

• Измерение дебаланса (разбалансировки) малых роторов механизмов всех типов, таких как вентиляторы, якоря электродвигателей, крыльчатки насосов, турбокомпрессоры и прочие агрегаты.
• Разработан для применения как в штучном или серийном производстве, так и в техническом обслуживании, исследованиях и разработках.
• Возможна эксплуатация в удобном варианте (в настольном или в стоечном), в зависимости от требований.
• Устранение дебаланса (разбалансировки) любых валов.

Прост, надежен и интуитивно понятен в работе через интерфейс  сенсорного экрана “touch screen”

Преимущества  станка для балансировки:

• Работа через сенсорный экран
• Прямое отображение [величины] компенсация дебаланс
• Постоянная калибровка
• Повышенная точность балансировки
• Перенастройка без инструмента
• Компактная, экономичная по объему конструкция: электроуправление и измерительный компьютер в одном корпусе
• Малая площадь монтажа благодаря объединенному управлению
• Монтаж без крепления
• Универсальное применение для любой разбалансировки

Опции станка для балансировки:

• Подвижный защитный экран класса В.
• Роликовые опоры для шейки вала диаметром 16 – 30 мм
• Суппорт из V-образных блоков для шейки вала диаметром 3,5 – 16 мм
• Индексация угла компенсации Posi-Quick
• Автоматическая индексация измеряемого механизма
• Эталонный ротор с калибровочным грузом (массой)
• Принтер
• Станочная база для оптимальных рабочих условий
• Дополнительное ПО для статистики и алгоритма компенсации
• Устройство компенсации дебаланса. 

Комплект поставки

• Станочная база (станина)
• измерительная система с ПО (рус)
• опорные ролики
• осевые упорные ролики
• фототахометр тангенциальный ременный
• верхний или нижний привод
• пульт управления измерительной системой
• сенсорный экран
• кнопка включения пуска привода

2.3. Вертикальные  станки для деталей массой 2-100кг

Вертикальный динамический балансировочный станок типа VBM-7200 сконструирован для измерения и балансировки осевых и радиальных вентиляторов, а также всех роторов, имеющих собственную систему привода в одной или двух плоскостях.

Характеристики:

• Операция по коррекции дисбаланса упрощается благодаря постоянному отображению информации по коррекции на экране
• Компактная конструкция для размещения на фундаменте в помещении небольших размеров
• Переходник для простого и быстрого монтажа
• Постоянные настройки калибровки
• Высокая точность балансировки
• Устройство определения площади при бесконтактном сканировании площади вентилятора
• Большое смотровое отверстие для простой загрузки и разгрузки
• Автоматически открываемый подвижный блокиратор, состоящий из двух деталей
• Балансировка в одной или двух плоскостях

Применение:

• Балансировка вентиляторов, воздуходувок и нагнетателей, работающих от собственного привода
• Изделия с установленными стартерами или узлом в комплекте
• Применяется в производстве, реконструкции/ремонте и разработке
• Коррекция дисбаланса с помощью добавления или удаления груза.
• Ручная загрузка

2.4.Автоматические балансировочные линии BALTECH ABM-7300

Будучи интегрированными в производственную линию, балансировочные  станки типа BALTECH ABM-7300 могут использоваться в качестве альтернативы, как простой  одноразовый станционный механизм с высокой подачей или как  одинарный или много станционный механизм с роторной передачей (например, балансировка винтов). Дисбаланс замеряется и сразу же корректируется с помощью фрезерования по кругу в одной корректирующей плоскости.

Характеристики:

• Концепция механизма с унифицированной базой
• Компактная конструкция
• Определение дисбаланса механизмов
• Механизм может быть расширен в соответствии с требованиями цикла времени
• Компенсация веса при радиальном дроблении (фрезерование по кругу на внешнем диаметре)
• Стандарт Siemens PLC
• Интерфейс загрузочного устройства предварительно определен
• Возможность интерфейса CAQ

Применение:

• Серийное производство тормозных дисков, интегрированных в производственную линию
• Полярная коррекция дисбаланса
• Балансировка винтов

Литература

1. Рунов Б. Т. Уравновешивание турбоагрегатов на электростанциях. - М.- Л.: Госэнергоиздат, 1963. - 224 с.
2. Брановский М.А., Сивков А.П. Балансировка роторов турбоагрегатов. – М.: Энергия, 1966. – 200 с.
3. Временная инструкция по применению средств и методов снижения уровня вибраций стационарных машин шахт и обогатительных фабрик. – До-нецк: НИИ горной механики и технической кибернетики им. М.М. Федорова, 1968. – 88 с.
4. http://www.masters.donntu.edu.ua/2010/fimm/fedyaev/library/tez2.htm
5. http://www.tochmasch.ru/articles/80-balansirovka-rotorov
6. http://infomirspb.ru/articles/10.html
7. http://www.baltech.ru/