2.4. Статическая, моментная и динамическая балансировки роторных машин в собственных подшипниках

С ростом частоты вращения и повышением к требованиям надежности работы особо оказалась актуальна проблема балансировки роторных машин. Качественная балансировка позволяет снизить амплитуды динамических сил и увеличить время безотказной работы.

Балансировкой называют процесс, связанный с изменением распределения масс по длине ротора, в результате которого при вращении ротора не возникает некомпенсированных центробежных сил или они оказываются минимальными.

Рассмотрим вопрос об оценке величины дебаланса и необходимости балансировки. Используется терминология международного стандарта ISO 1940.

На практике до 70% случаев повышенная вибрация связана с дебалансом. Поэтому перед балансировкой необходимо определить основные причины повышенной вибрации. После балансировки амплитуда основных гармоник снижается в 5 раз, и такое снижение при отсутствии резонансных условий в сопрягаемых валах обеспечивает надежную работу всего агрегата (Рисунок 8, 9).

Рисунок 8. Спектр абсолютной вибрации подшипникового узла до балансировки

Рисунок 9. Спектр абсолютной вибрации подшипникового узла после балансировки

При балансировке роторов существуют три случая: статическая балансировка (уравновешивают силы); моментная балансировка (уравновешивают моменты); динамическая балансировка (уравновешивают силы и моменты).

Простейший случай дебаланса возникает, когда однородный тонкий диск массой М имеет дебаланс m расположенный на расстоянии r (мм) от оси (рисунок 10).

Рисунок 10. Статическая балансировка.

М – масса диска

м, r – масса и радиус дебаланса

e – эксцентриситет

- центр масс

Если диск вращается с угловой частотой , то возникает центробежная сила . Эта сила равна силе, которая возникает в результате смещения центра масс диска на эксцентриситет е. Отсюда эксцентриситет е или относительный дебаланс, равен

(2)

Статический дебаланс определяется как эксцентриситет центра масс, вызванный точечной массой, расположенной на некотором расстоянии от центра вращения.

Равная масса, повернутая на угол 180° и расположенная на том же радиусе, необходима, чтобы центр масс совпал с осью вращения. Таким образом, статический дебаланс может быть устранен в одной плоскости и не требует анализа динамических процессов. В некоторых случаях ротор представляет собой тонкий диск и можно считать, что его масса сконцентрирована в одной точке. Однако статическая балансировка представляет собой начальный этап балансировки, в основном для тихоходных машин. В большинстве практических случаев масса ротора распределена по длине и возникает необходимость балансировки не только сил, но и моментов.

Если масса ротора распределена вдоль оси (рисунок 11), то для балансировки необходимо скомпенсировать действие возникающего момента. Для этого устанавливают две массы, угловые координаты которых отличаются на 180°. Эти массы приводят к появлению равных сил и . Если величина установленных масс равняется величине дебаланса, то ротор оказывается сбалансированным. Однако при вращении ротора эти две массы приведут к смещению оси инерции, которая перестанет совпадать с осью вращения. Такой дебаланс может быть устранен только на основании данных, полученных при измерении вибрации и изменении распределения массы ротора по оси.

Рисунок 11. Моментная балансировка

Обычно дебаланс роторов представляет собой комбинацию статического и моментного дебаланса, т.е. динамический дебаланс (рисунок 12). Для устранения такого дебаланса необходима балансировка в двух плоскостях.

Рисунок 12. Динамический дебаланс.

Если диаметр облопаченной части ротора превышает его длину в 7-10 раз, то ротор можно балансировать в од­ной плоскости, в противном случае его необходимо балансировать в двух плоскостях. Но в целом ряде случаев доступ к обоим торцам ротора невозможен. С точки зре­ния динамики, все роторы разделяются на жесткие и гиб­кие. К жестким роторам относятся роторы частота враще­ния которых не превышает 50% первой резонансной часто­ты ротора. При анализе динамики жестких роторов можно не учитывать изгиб, возникающий при его вращении. В трубопроводном транспорте нефти все роторы - ЦБН жест­кие, в трубопроводном транспорте газа роторы ГПА с су­довым и авиационным приводами - гибкие. Балансировка жестких роторов заключается в установке корректирую­щих масс в двух плоскостях, балансировка гибких роторов требует специального вакуумного стенда и производится в основном на заводе-изготовителе.