Лабораторная работа № 4 исследование неуравновешенности роторов электрических машин

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Ознакомиться с причинами вибраций электрических машин, видами неуравновешенности и способами балансировки роторов. Выполнить статическую и динамическую балансировку.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Определение и устранение неуравновешенности роторов и якорей электрических машин.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

В зависимости от протекающих в электрических машинах физических процессов, вызывающих те или иные вибрации, причины их появления можно разделить на механические, электромагнитные и аэродинамические.

К механическим причинам можно отнести: неуравновешенность вращающейся части электрической машины, плохую установку машины на фундаменте, ненормальности работы подшипников и т.д.

Электромагнитные причины возникают из-за асимметрии воздушных зазоров, витковых замыканий в обмотках ротора, несимметричных распределений обмотки статора, наличия зубцов в статоре и роторе т.д.

Аэродинамические причины связаны с упругими колебаниями газообразной среды, окружающей вращающиеся части машины.

О дной из механических причин вибрации является неуравновешенность или небаланс вращающихся частей. Неуравновешенностью или небалансом называется несовпадение главной оси инерции детали с осью вращения. В зависимости от взаимного расположения этих осей небаланс разделяют на три вида: статический, динамический и смешанный. Рассмотрим типы небаланса на роторе.

Статический небаланс характеризуется тем, что центры тяжести обеих половин ротора равноудалены от середины ротора, находятся в одной осевой плоскости от оси вращения и на одинаковом расстоянии от нее (рис.13а). В этом случае главная ось инерции параллельна оси вращения (рис.13б) и лежит в этой же плоскости, а центр тяжести всего ротора смещен от оси вращения. Этот тип небаланса можно выявить без вращения ротора. Центробежные силы R1 и R2 вызывают на опорах одинаковые по величине и совпадающие по направлению реакции А1=А2.

Д инамический небаланс характеризуется тем, что центры тяжести обеих половин равноудалены от середины ротора, находится в одной осевой плоскости с разных сторон от оси вращения и на одинаковом расстоянии от нее (рис.15а). В этом случае центр тяжести ротора находится на оси вращения, которая пересекается с главной осью инерции в центре тяжести (рис.15б). Этот тип небаланса выявляется при вращении ротора. В результате этого небаланса возникает пара центробежных сил R₁ и R₂, которые вызывают на опорах одинаковые по величине и противоположные по направлению реакции А₁=-А₂.

Смешанный небаланс характеризуется тем, что центры тяжести обеих половин ротора находятся в разных осевых плоскостях и удалены от середины ротора и от оси вращения на разные расстояния. В этом случае центробежные силы R1 и R2 могут быть приведены к паре и приложенной в центре тяжести радиальной силе R_ст. Вибрации опор отличаются как по величине, так и по направлению А1≠А2. Ось инерции пересекает ось вращения не в центре тяжести. При смешанном небалансе имеет место одновременно статический и динамический небаланс. Статический небаланс возникает при несоосности поверхности ротора и поверхности шеек, при кривизне вала ротора, вследствие разности в весах конструктивных элементов, находящихся на противоположных сторонах ротора и т.д. Динамический небаланс возникает при перекосах в процессе посадки на вал таких деталей, как коллектор или бандажное кольцо, при смещении одного из полюсов синхронной явнополюсной машины и т.д.

При равномерном вращении деталей вокруг неподвижной оси центробежные силы, вызванные небалансом, передают на опоры динамические усилия. Проекции этих усилий на вертикальную и горизонтальную оси будут изменяться периодически с частотой вращения детали. Так как у электрических машин опоры не бывают абсолютно жесткими, усилия, воспринимаемые опорами, вызовут их вибрации в вертикальной и горизонтальной плоскостях.

Центробежная сила, создаваемая грузом с массой m, установленным на расстоянии R от оси вращения

(15)

Из этого выражения следует что при постоянной скорости вращения действие небаланса определяется произведением массы груза на расстояние на котором груз находится от оси вращения Для того чтобы сравнивать небалансы роторов различных размеров и веса рассматривают их удельную неуравновешенность

мкм (16)

где m – величина груза, г;

R – расстояние балансировочного груза от оси вращения, мм;

М – масса якоря или ротора, кг.

При статическом небалансе удельная неуравновешенность равна смещению центра тяжести ротора относительно оси вращения, т.е. совпадает с эксцентриситетом. При динамическом или смешанном небалансе удельная неуравновешенность совпадает с эксцентриситетом лишь для отдельных сечений ротора

(17)

где - распределение неуравновешенности;

ρ(х) – распределение массы ротора по длине.

Ротор считается уравновешенным, если он не передает на свои опоры центробежных сил или если эти силы не превышают установленных допусков. Технологическая операция, выполняемая для снижения небаланса до установленных норм, называется балансировкой. Небаланс, оставшийся в роторе после балансировки, называется остаточным и может быть определен на балансировочном станке.

Основная задача, которая решается при уравновешивании – устранение динамических реакций опор. Для этого необязательно устанавливать уравновешенный груз точно напротив небаланса (рис.16 а). Точно такого же эффекта можно достичь установкой на роторе грузов в двух торцевых плоскостях (рис.16 б).

Для роторов установлены три класса точности уравновешивания: нулевой, первый и второй, отличающиеся между собой величиной допустимой остаточной неуравновешенности. Наименьшую остаточную неуравновешенность допускает нулевой класс.

В стандартах даются общие указания и рекомендации по выбору класса точности уравновешенности, которые сводятся к следующему: для электрических машин общепромышленного назначения с обычными требованиями по уровню вибрации достаточно уравновешивания по второму классу точности; уравновешивание по первому классу точности рекомендуют для электрических машин с повышенными требованиями по уровню вибрации; уравновешивание по нулевому классу точности необходимо для электрических машин, работающих высокоточных подшипниках.

Выбор способа балансировки зависит от требуемой точности уравновешивания и возможности достижения ее на имеющемся оборудовании. Второй класс точности уравновешивания может быть получен при балансировке ротора на окончательно обработанных цапфах (шейках) вала. Первый и нулевой классы точности уравновешивания получают на балансировочном станке в собственных подшипниках.

СТАТИЧЕСКАЯ БАЛАНСИРОВКА

Статическую балансировку производят при не вращающемся роторе на призмах (рис.17 а), дисках (рис.17б) или специальных весах (рис.17в).

Поверхность призм и дисков, на которую размещаются цапфы (шейки) валов должна быть обработана с высокой чистотой поверхности. Ширина рабочей поверхности призмы выбирается в зависимости от массы ротора и диаметра шейки вала:

(18)

где: а – ширина призмы мм;

m – масса ротора, приходящаяся на одну призму, кг;

d – диаметр шейки вала, мм.

Отклонение плоскости поверхности призмы или дисков от горизонтальной плоскости не должна превышать 0,1 мм на один метр длины призмы. Перед балансировкой шейки вала и рабочие поверхности установки необходимо очистить от пыли и грязи.

Для определения неуравновешенности ротор выводят из равновесия легким толчком. Неуравновешенный ротор стремиться возвратиться в такое положение, при котором его тяжелая сторона окажется внизу. После остановки ротора отмечают мелом место, оказавшееся в верхнем положении. Этот прием повторяется несколько раз. Остановка ротора в одном и том же положении указывает на смещение центра тяжести.

В отведенное для балансировочных грузов место устанавливают пробные грузики.

После этого повторяют прием балансировки. Прибавляя или уменьшая массу грузов, добиваются остановки ротора в любом положении. Это будет означать, что ротор статически уравновешен, т.е. его центр тяжести совмещен с осью вращения.

Величину балансировочного груза можно определить и с помощью расчета. Для этого фиксируют два положения ротора после самоустановки его на параллелях: без пробного груза (рис.18а), с пробным грузом, устанавливаемым на ротор под углом 90⁰ к “легкому месту” (рис.18б).

В положении равновесия справедливо уравнение

(19)

откуда

, (20)

где: m_ур – масса уравновешивающего груза, кг;

m_пр – масса пробного груза, кг;

φ – угол смещения “легкого места” от вертикальной оси при установке на ротор пробного груза.

При хорошем состоянии параллелей может быть достигнута точность статической балансировки в пределах 5-10 мкм остаточного смещения центра тяжести ротора.

Более точной, чем на призмах и дисках, является балансировка на специальных весах. Балансируемый ротор 5 (см. рис.17в) устанавливают шейками вала на опоры рамы 4, которая может поворачиваться вокруг своей оси на некоторый угол. Поворачивая балансируемый ротор, добиваются наибольшего показания индикатора 3. Это свидетельствует о том, что центр тяжести ротора будет расположен в наибольшем удалении от оси поворота рамы.

Добавлением к грузу 1 дополнительного груза (рамки нониуса 2) с делениями добиваются уравновешивания ротора. В момент уравновешивания ротора стрелка индикатора совмещается с нулевым делением. Если повернуть ротор на 180⁰, то его центр тяжести приблизится к оси качения рамы. Ротор уравновешивают вторично передвижением груза 2 по линейке со шкалой, отградуированной в граммах на сантиметр.

Определяют величину момента небаланса:

(21)

Величина балансировочного груза будет равна:

(22)

где R – радиус, на котором будет размещаться балансировочный груз.

ДИНАМИЧЕСКАЯ БАЛАНСИРОВКА

Динамическую балансировку производят на специальных станках. При этом оба конца ротора уравновешивают поочередно. Для определения величины неуравновешенности и места расположения центра тяжести обоих концов балансируемый ротор устанавливают на опоры станка и приводят его во вращение. Небалансированая масса ротора заставляет опору станка колебаться. Эти колебания измеряют различными способами. На рис.19 показана схема балансировочного станка.

Для выполнения динамической балансировки ротор 1 устанавливают на пружинные опоры 2 и 11, которые могут колебаться в плоскости, перпендикулярной оси балансируемого груза. Неуравновешенный ротор, приведенный во вращение от электродвигателя 8, вызывает колебание опор.

Вибрация опор через тяги передается катушкам 3 датчиков, заставляя их перемещаться в магнитном поле, наводя, таким образом, в катушках электродвижущую силу (ЭДС). Её величина зависит от частоты и амплитуды колебаний. Таким образом, величину неуравновешенности можно определить по показаниям милливольтметра 7. Эта ЭДС подается также в цепь стробоскопа 6, лампочка 10 которого мгновенно вспыхивает при каждом обороте в момент наибольшего отклонения опор.

Отражатель стробоскопа направляет свет от вспышки лампы на шкалу 9 шпинделя станка.

При освещении шкалы светом, частота пульсации которого равна частоте вращения шпинделя станка, создается впечатление, что шкала оказывается неподвижной относительно указателя. Заметив показание милливольтметра в данные шкалы шпинделя, станок останавливают и в плоскости исправления ротора под углом, согласно показаниям шкалы 9, прикрепляют корректирующий груз. Приводя ротор во вращение и прибавляя или уменьшая величину корректирующего груза, добиваются минимальных показаний милливольтметра 7, что будет указывать на устранение небаланса. Балансировка каждого конца ротора производится отдельно, соответственно в плоскостях исправления А и Б. Переключение вольтметра для измерения колебаний каждой из опор производят поворотом рукоятки переключателя 4. Точность балансировки будет повышена, если опору небалансируемой плоскости зафиксировать неподвижно.

Примечание. Плоскостями исправления считаются плоскости, перпендикулярные оси вращения, в которых путем добавления или удаления масс осуществляют компенсацию неуравновешенности ротора. Плоскости исправления обычно проходят через нажимные шайбы, конструкция которых позволяет устанавливать грузы или высверливать излишки металла.

Корректировка массы проводится в местах, указанных на чертеже ротора.

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ВЫПОЛНЕНИЮ РАБОТЫ

Статическая балансировка.

1. Очистить от пыли и грязи рабочие поверхности вала и призм.

2. Установить горизонтально с помощью уровня плоскость поверхности призмы. Отклонение плоскости поверхности призм от горизонтальной плоскости не должно превышать 0.1 мм на один метр длины призмы.

3. Установить ротор на призмах или дисках цапфами вала.

4. Вывести ротор из равновесия легким толчком, и после его остановки отметить мелом на торце вала место, оказавшееся в верхнем положении.

5. Повторить прием 4 несколько раз. Добиться остановки ротора в одном и том же положении, это будет указывать на смещение центра тяжести.

6. в отведенное для балансировочных грузов место установить пробный груз весом 1г.

7. Повторить пп.4 и 5, прибавляя или уменьшая массу грузов. Добиться установки ротора в безразличном положении. Это будет означать, что ротор статически уравновешен.

Результаты взвешивания грузов при проведении опыта занести в табл. 10.

Таблица 10

Положение ротора	Вес груза

Примечание. В качестве балансировочного груза использовать шарики из пластилина.

8. Проделать то же самое с другими роторами.

9. Для проверки правильности проведения балансировки произвести определение балансировочного груза следующим методом.

   1. Установить ротор на призмы.

   2. Зафиксировать положение ротора после самоустановки без пробного груза путем отметки “легкого места” ротора с помощью мела.

   3. Зафиксировать положение ротора после самоустановки с пробным грузом, равным 1г, установленным под углом 90⁰ к “легкому месту”.

   4. Определить угол отклонения и массу уравновешивающего груза. Повторить опыт, сдвинув пробный груз на угол 90⁰ в противоположную сторону от “легкого места”.

   5. Сравнить величины масс уравновешиваемых грузов, полученные в трех опытах.

Динамическая балансировка

1. Установить ротор на пружинные опоры и закрепить одну его сторону.

2. С помощью двигателя 8 привести ротор во вращение.

3. Определить величину неуравновешенности по милливольтметру и по шкале, расположенной на шпинделе станка.

4. Остановить двигатель.

5. Согласно показаниям шкалы, расположенной на шпинделе станка, прикрепить корректирующий груз.

6. Привести двигатель во вращение.

7. Повторять пп.2-5 до тех пор, пока вольтметр не будет давать минимальных показаний.

8. Закрепить вторую сторону ротора.

9. Произвести переключение 4 в другое положение.

Повторить пп.2-7, добиваясь минимальных показаний вольтметра.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Каковы основные причины вибрации электрических машин?

2. Чем характеризуются статический, динамический и смешанный небаланс?

3. В каких случаях возникает статический, динамический и смешанный небаланс?

4. Какие задачи решаются при уравновешивании?

5. Какие требования предъявляются к поверхностям, на которых размещаются шейка валов при статической балансировке?

6. Как проводится статическая балансировка на призмах и дисках?

7. Как проводится статическая балансировка на специальных весах?

8. Как определяется величина балансировочного груза с помощью расчета?

9. Как устроен балансировочный станок?

10. Как осуществляется динамическая балансировка?

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №5

КОНТРОЛЬ КАЧЕСТВА И ИСПЫТАНИЕ ОБМОТКИ ЯКОРЯ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ ПОСТОЯННОГО ТОКА

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Изучение теоретических основ и практических методов испытаний обмоток якорей электрических машин постоянного тока.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Определение дефектов обмоток якорей электродвигателя постоянного тока с помощью омметра и специальной установки для контроля качества якорей.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

Качество электрических машин постоянного тока в значительной степени зависит от надежности обмотки якоря, правильности схемы соединения обмотки (распайки выводных концов по ламелям коллектора), а также от качества выполнения намоточных работ (отсутствия обрывов в секциях и на выводах, повреждения изоляции и др.).

При изготовлении обмотки могут иметь место случаи смещения пазовой изоляции и повреждения эмалевой изоляции проводов, что в целом снижает суммарную электрическую прочность изоляции и может вызвать замыкание на корпус, между отдельными витками и между секциями. Указанные дефекты приводят сначала к параметрическим отказам машины, а затем - к полному выходу ее из строя. Поэтому в процессе изготовления обмотки якоря она в обязательном порядке подвергается ряду испытаний и проверок.

После намотки катушек (секций), укладки их в пазы магнитопровода и выполнения необходимых соединений согласно схеме выполняется контрольная операция: проверка изоляции, выявление обрывов и витковых замыканий, проверка правильности схемы соединений.

Так как основными параметрами изоляции являются ее электрическая прочность и сопротивление. Однако, на рассматриваемом этапе изготовления якоря проверка приложением повышенного испытательного напряжения недопустима, так как обмотка не подвергалась пропитке лаком (компаундом).

.

Сопротивление изоляции измеряется мегомметром, выводы которого прижимаются к пластине коллектора и к валу. Если прибор показывает сопротивление, ниже установленного значения, якорь бракуется, и его отправляют на перемотку.

Обрывы в обмотке можно выявить измерением сопротивления якоря в двух взаимнопрерпендикулярных плоскостях. Измерение сопротивления производится цифровым омметроми, при этом щупы прибора располагаются на коллекторе в соответствии с рис.20. В случае обрыва наблюдается резкое различие сопротивления обмотки в положениях «а» и «б».

Все дефекты позволяет выявить специальная установка, на экране осциллографа которой можно наблюдать осциллограммы ЭДС, наводимых в каждой секции при вращении якоря в постоянном магнитном поле. Схема установки показана на рис.21. Установка включает в себя электромагнит 1, состоящий из скобообразно

го магнитомягкого сердечника с катушкой; приводной

г атель 2, предназначенный для вращения испытуемого якоря 3 с помощью резинового пассика в неподвижных центрах; упругие контакты 4, с помощью которых снимается на вход осциллографа 5 ЭДС, наводимая в секциях. Полюсы сердечника электромагнита 1 выполнены таким образом, чтобы магнитный поток замыкался через соседние зубцы сердечника якоря, и ЭДС наводилась в секциях, лежащих в пазу между этими зубцами (рис.22). Сердечник электромагнита может быть выполнен шихтованным, а его обмотка запитана пульсирующим напряжением.

При этом отпадает необходимость вращения якоря с постоянной скоростью, так как потокосцепление будет изменяться за счет пульсации напряжения питания обмотки. Чтобы проверить секции, лежащие во всех пазах, нужно последовательно (от руки) подвести к индуктору каждый паз. При этом на экране осциллографа наблюдаются осциллограммы, изображенные на рис. 23. Для того, чтобы на осциллограф подавалась ЭДС только с одной секции (а в пазу их может быть несколько: в якорях, исследуемых в лабораторной работе в каждом пазу лежит три секции), упругие контакты расположены таким образом, что снимают ЭДС с соседних коллекторных пластин, к которым присоединяются начало и конец секции контролируемой соответственно.

В лабораторной работе используется установка с постоянным магнитным полем, а максимальная ЭДС наводится в секциях при противостоянии зубцов якоря и полюсов индуктора. Так как в пазу лежат три секции, амплитуда ЭДС первой и третей секций меньше, чем у второй секции. Это объясняется тем, что при входе и выходе паза из магнитного поля индуктора значения индукции в пазу ниже, чем при противостоянии.

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

1. Измерение сопротивления изоляции обмотки якоря относительно магнитопровода. Прижать один из выводов мегомметра........... к пластинам коллектора, а другой – к валу якоря. Вращать приводную ручку мегомметра с частотой 2 об\мин (примерно), наблюдая показания стрелки прибора. Если прибор показывает сопротивление более 2 мом, изоляция считается исправной.

2. Определение обрывов в обмотке якоря с помощью омметра. Измерить сопротивление обмотки якоря в двух положениях (см. рис. 20). Если число коллекторных пластин нечетное, один из выводов омметра прижать к двум соседним коллекторным пластинам. Измерить сопротивление цепи в каждом положении и вычислить среднее значение. Измеренные величины не должны отличаться более, чем на 5% от средней величины.

3. Определение дефектов обмотки якоря осциллографическим методом.

3.1. Установить якорь в центрах, предварительно надев на его магнитопровод пассик от приводного двигателя. При этом коллектор должен находиться напротив токосъемников.

3.2. Подключить осциллограф к токосъемникам, а приводной двигатель и индуктор – к источнику постоянного тока.

3.3. Включить осциллограф и прогреть его в течение 5-10 минут. Установить на источнике питания напряжение 13В. При этом вал двигателя вместе с испытуемым якорем начнут вращаться.

3.4. Плавно прижать токосъемники рукой к коллектору с такой силой, чтобы получить качественное изображение на осциллографе.

3.5 Установить на экране удобные для наблюдения частоту развертки и амплитуду сигнала.

3.6. По виду сигнала на экране осциллографа определить дефекты якорей, сравнив их с приведенными на рис. 23 кривыми.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Какие параметры контролируются после укладки обмотки, пайки соединений и формовки лобовых частей якоря?

2. Какие виды дефектов возможны при выполнении обмотки якоря?

3. Как измерить сопротивление изоляции обмотки якоря?

4. Как определить обрывы в обмотке якоря?

5. Как определить витковые замыкания в обмотке якоря?