Раздел 4

Балансировка тел вращения. Виды неуравновешенностей. теория центровки валов.

4.1. Балансировка тел вращения.

В числе основных показателей конструктивного совершенства машины, определяющих ее техническое состояние, выделяется эргономические характеристики, к которым, прежде всего, относятся шум и вибрация.

Статическая и динамическая балансировка вращающихся частей машин — весьма важная составная часть технологического процесса сборки горно-шахтного оборудования. Поэтому балансировку, т. е. устранение свободных, не уравновешивающих друг друга сил инерции в деталях машин и узлах, в той или иной степени выполняют все машиностроительные и рудоремонтные предприятия. О величине и вредном влиянии неуравновешенных сил можно судить по тому, что центробежная сила, вызываемая массой, помещенной на расстоянии 0,5 м от оси вращения, при частоте вращения детали п = 3000 об/мин превышает в 5000 раз, а при п = 8000 об/мин в 35 000 раз эту массу. Если в такой детали при ремонте поставить всего лишь одну дополнительную гайку массой 20 г на расстоянии 0,5 м от оси, то при 3000 об/мин это вызовет в детали неуравновешенную центробежную силу, равную 1000 Н, а при 8000 об/мин — силу, равную 7000 Н.

Основной причиной вибрации вращающегося узла является его неуравновешенность. Главные причины, вызывающие неуравновешенность деталей и узлов:

1) неточность изготовления деталей (например, изготовленная деталь вместо правильной формы круга имеет овальную форму);

2) неравномерность распределения материала детали относительно оси вращения, которая может возникнуть при ремонте одной стороны детали или вследствие неравномерности распределения металла при литье;

3) неправильная термическая обработка детали, вызывающая образование различных структур в пределах одной детали;

4) неравномерное изнашивание детали в процессе эксплуатации;

5) изогнутость вала или его цапф;

6) неравномерность распределения масс металла, получаемая в результате неточной сборки узла или всей машины;

7) смещение деталей, недостаточно закрепленных при сборке, в процессе эксплуатации машины или при ее испытании.

В свою очередь неуравновешенность вызывает переменные нагрузки на опорах и изгиб вала.

В балансировочной техники все вращающиеся тела, удерживаемые несущими поверхностями в опорах, называются роторами. В зависимости от соотношения между эксплуатационной и критической частотами, а также от значений прогибов, все роторы разделяются на жесткие и гибкие.

Рассмотрим вращение тела с постоянной угловой скоростью вокруг неподвижной оси ( рис.1 )

При смещении центра i-й точечной массы жесткого ротора относительно оси вращения, возникает центробежная сила (рис. 1,а)

, Н,

где m _i и r _i - соответственно неуравновешенная i-я точечная масса, кг, и ее эксцентриситет, м;

 -угловая скорость вращения тела, рад/с.

Для характеристики неуравновешенности применяется вращающаяся вместе с ротором векторная величина, называемая дисбалансом Модуль дисбаланса равен произведению неуравновешенной массы m _i на ее эксцентриситет r_i

, кгм,

а аргумент ( угол ) дисбаланса определяет положение его во вращающейся системе координат, связанной с осью ротора .

При вращении гибкого ротора возникает изгиб оси на величину y (рис. 1, б). Тогда центробежная сила в поперечном сечении упругого тела равна

, Н

П рогиб гибкого ротора зависит от количества и расположения сосредоточенных масс, а также от частоты вращения тела. Угловая скорость, при которой прогиб становится весьма большим, называется критической. Формы изгиба ротора на критических скоростях соответствуют формам изгиба при резонансах.

Совокупностью мероприятий по снижению величины неуравновешенности тел вращения до допустимого предела называют балансировкой.

Рассмотрим состояние динамического равновесия тела, основным условием которого является равенство нулю главного вектора и главного момента неуравновешенных сил (рис. 2):

; (1)

,) (2)

где -масса ротора;

Z_i – координата i-ой массы в системе координат XOY (рис. 2);

-эксцентриситет ротора или удельный дисбаланс.

Для выполнения условия (2.5.1) необходимо и достаточно, чтобы ось вращения ротора проходила через его центр масс ( =0). Для выполнения условия (2) необходимо и достаточно, чтобы ось вращения ротора совпадала с одной из его главных осей инерции. При вращении ротора вокруг оси, не совпадающей с главной центральной осью инерции, он становится неуравновешенным.

Основной задачей уравновешивания тел вращения является:

- определение и устранение радиус-вектора для жестких тел;

- определение и устранение прогибов вала упругих тел.

Для уменьшения дисбалансов ротора производят корректировку масс таким образом, чтобы статический момент корректирующий массы m_К был близок к дисбалансу и установлен с противоположной стороны

,

где - радиус установки корректирующей массы.

Корректировку масс проводят в одной или нескольких точках одной плоскости коррекции либо в нескольких параллельных плоскостях коррекции одновременно или последовательно в каждой плоскости. Корректировку масс осуществляют удалением, добавлением или перемещением масс ротора.

Дисбалансы, имеющие место до и после балансировки, называют соответственно начальным и остаточным.