книги из ГПНТБ / Куинджи А.А. Автоматическое уравновешивание роторов быстроходных машин

тановлен. Был произведен внешний осмотр всей установки. Таккак никаких отклонений от нормы не было обнаружено, то экс­ перимент был повторен, но при этом на некоторых режимах при л = const произвели следующую проверку системы дистанционно­ го управления устройствами. Открывая поочередно краны сбро­ са давления из различных камер, следили по индикаторам пере­ мещения, смещается ли ротор при этом и на какую величину. Эти испытания показали, что система управления позволяет осу­ ществлять смещение ротора на ходу в опорах как одновременно обоими устройствами, так и раздельно в любом по углу направ­ лении и практически на любую величину в пределах от 0 до 0,5 мм с точностью, соответствующей точности прибора, измеря­ ющего указанное смещение ротора.

Второй этап исследований — уравновешивание гибкого рото­ ра на ходу методом принудительного центрирования — был на­ чат с определения исходных амплитудно-частотных характери­ стик прогибов ротора.

При определении критических чисел оборотов этого ротора расчетом по методу А. Н. Огуречникова были получены следую­ щие значения: первая критическая скорость пі;р1 = 1456 об/мин, вторая критическая скорость nI!P9 = 5911 об/мин. Гироскопическое влияние крайних дисков при расчете учитывалось, однако опоры были приняты абсолютно жесткими.

При экспериментальном определении исходных характеристик диски ротора были установлены на валу по схеме, принятой при расчете. Кроме этого, в средний диск был помещен дисбаланс q —1200 гс-см (0,12 Н-м).

Впервых опытах устройства принудительного центрирования

сротора были сняты и между цапфами ротора и подшипниками были установлены жесткие проставки. Этим имитировались же­ сткие опоры.

Анализ исходных амплитудно-частотных характеристик, полу­ ченных в экспериментах с ротором на жестких проставках меж­ ду цапфами и подшипниками вместо устройств принудительного центрирования, показал, что ротор имел первое критическое чис­ ло оборотов на режиме п=1420— 1450 об/мин. Как правило, лі;р, полученное экспериментальным путем, бывает несколько ни­ же п,;Р, полученного расчетом. В нашем случае Пкр.эксп также не­ сколько ниже /іцр.расч, но незначительно. Это незначительное рас­ хождение можно объяснить, по-видимому, тем, что при расчете не учитывалась дополнительная податливость вала в местах креп­ лений дисков.

Кроме резонансного режима при я = 1420 об/мин замечены режимы с несколько меньшей амплитудой прогиба на оборотах, соответствующих 0,5пі;рі и 0,25дкрі. По записям изменений про­ гибов на осциллограмме (рис. 99) видно, что при скоростях п = = 0,5пІірі и п = 0,25пі;р1 вал ротора совершал соответственно 2 и 4

139

В следующих экспериментах определялись исходные ампли­ тудно-частотные характеристики прогибов того же ротора, с тем же нагружением, но между цапфами ротора и подшипниками были установлены устройства принудительного центрирования.

Анализ полученных амплитудно-частотных- характеристик по­ казывает, что ротор с устройствами принудительного центрпрова-

/--ротор на жестких простачках;2—ротор с / — рк=0; 2 — рк=10б Па; 3 — л|{=

д = 0,25/гІф1 и /г=0,5/гІф1. Такое совпадение амплитудно-частотных характеристик ротора на жестких проставках и на устройствах

устройства при выбранной схеме гидравлического дистанционно­ го управления не вносят существенных изменений в систему «ротор — корпус».

При определении исходных амплитудно-частотных характери­ стик было исследовано влияние на них величины командного давления рк, подаваемого в устройство принудительного центри­ рования. Величина давления регулировалась редукционным кла­

141

паном, расположенным в станции командного давления; во всех подающих магистралях, распределителе и обоих устройствах давление было одинаковым. Характеристики определялись при рк, равном 40, 20 и 10ІО5 Па. Полученные при этом зависимости представлены на рис. 101. Наблюдаемое некоторое уменьшение величины амплитуды прогиба при изменении величины команд­

При работе устройства принудительного центрирования часть жидкости постоянно теряется из-за утечек в распределителе. При вращении ротора вследствие влияния его веса появляются пуль­ сирующие нагрузки на камеры устройства, которые способству­ ют некоторому увеличению утечек. Наличие утечек приводит к появлению некоторой свободы перемещений цапфы ротора отно­ сительно наружного корпуса устройства, нарушая тем самым ре­ жим «жесткой» опоры, существующий при номинальном команд­ ном давлении. Пока командное давление достаточно велико, утечки восполняются скорее, чем успевают проявиться их по­ следствия. При снижении давления увеличивается время сущест­ вования некоторой свободы перемещения цапфы ротора, следст­ вием чего является эффект демпфирования, так как перемещение цапфы относительно наружного корпуса устройства приводит к

Поскольку эффект демпфирования наиболее заметен при дав­ лениях, близких к нулю, и слабо проявляется при изменениях командного давления в диапазоне 4— Ы О6 Па, то можно сказать, что влияние величины рк на амплитуду прогиба ротора несуще­ ственно.

После определения исходных амплитудно-частотных харак­ теристик были проведены исследования по уравновешиванию гиб­ кого ротора на ходу методом принудительного центрирования. Исследования проводились с трехмассовым ротором, причем дис­ ки были расположены по длине ротора так же, как и при опре­ делении исходных характеристик, п в средний диск был внесен груз, равный 120 гс (1,2 Н ), что при радиусе в 10 см создавало в роторе дисбаланс в 1200 гс-см (0,12 Н-м). Поскольку ротор был ■ симметричным, то целью уравновешивания было достижение минимально возможных прогибов в средней части вала.

Уравновешивание ротора производилось следующим образом. По выходе ротора на режим, на котором было намечено произ­ вести уравновешивание, определялась фаза прогиба в средней ча­ сти вала ротора. Фаза прогиба указывает те камеры устройств принудительного центрирования, при помощи которых надо производить смещение ротора. Затем производился сброс дав­ ления из соответствующих камер устройств, одновременно ве­

142

лось наблюдение за изменением величины прогиба. Сброс дав­ ления производился до тех пор, пока прогиб ротора в средней части не достигал минимального значения. Если в процессе урав­ новешивания фаза прогиба не изменялась, то на этом уравнове­ шивание заканчивалось. Если фаза прогиба менялась и величина прогиба при этом оставалась выше допустимой, то производилась подбалансировка ротора путем сброса командного давления из других камер, определенных по соответствующей фазе про­ гиба.

Вначале производились эксперименты по однорежнмному уравновешиванию ротора на оборотах я = 0,9/гІфі. Методика про­ ведения этих экспериментов была следующая. Ротор плавно вы­ водился на режим /г = 0,9/гкр1. На этом режиме определялась фа­ за прогиба в средней части ротора и производилась балансиров­ ка при помощи двух устройств принудительного центрирования. Балансировку производили до тех пор, пока прогиб в средней ча­ сти ротора не достигал минимально возможной величины. Затем, оставив краны сброса в положении, соответствующем уравнове­ шенному состоянию ротора, выключали электродвигатель при­ вода и ротор, вращаясь по инерции, проходил весь диапазон оборотов от «баланс До п = 0'. Обычно во время эксперимента ве­ лась запись на пленку шлейфового осциллографа сигналов стрех емкостных датчиков, позволяющих судить об изменениях ампли­ туд прогибов, возникавших во время эксперимента в трех сече­ ниях ротора — в средней части и вблизи двух опор.

На рис. 1 0 2 показаны осреднеиные амплитудно-частотные ха­ рактеристики прогибов ротора в- трех сечениях, полученные при расшифровке осциллограмм нескольких экспериментов по одно­ режимному уравновешиванию.

Анализ этих характеристик показывает, что при балансиров­ ке на режиме, близком к резонансному, амплитуда прогиба в средней части ротора была снижена примерно в 60 раз, следо­ вательно, во столько же раз уменьшилась центробежная сила от неуравновешенности ротора и как следствие этого усилия и реакции в опорах ротора. Анализ амплитудно-частотных харак­ теристик, полученных при сбросе оборотов уравновешенного ро­ тора, показывает, что ротор сохраняет уравновешенное состояние в широком диапазоне оборотов и на низких оборотах, несмотря на заданное ротору смещение, имеет амплитуды прогибов не выше, чем неуравновешенный ротор (см. рис. 102). Среднее вре­ мя уравновешивания в рассматриваемой группе экспериментов равнялось 16 с. Здесь следует, однако, сказать, что время уравновешивания было различным в аналогичных эксперимен­ тах, поскольку управление положением, ротора производилось вручную и находилось в пределах от 16 до 80 с (рис. 103). При­ чем значительное уменьшение прогиба происходит в течение пер­ вых нескольких секунд уравновешивания, остальное время (боль­

н а

и.ая-часть его) идет на окончательное уравновешивание. Изме­ нение упругой линии ротора в процессе уравновешивания, рассматриваемое по абсолютному значению прогибов в трех се­ чениях, показано на рис. 104. Из рисунка видно, что при уравно­ вешивании происходит уменьшение прогиба ротора в 4 раза. В этом эксперименте уравновешивание велось по двум опорам

двумя устройствами. Но, как показали эксперименты, уравнове­ шивание гибкого ротора можно с успехом производить, смещая ротор в одной опоре одним устройством.

На рис. 104 видно, как в процессе уравновешивания ротора осуществляется переход через ось вращения, т. е. вал вблизи опор меняет фазу своего прогиба на 180°. Хорошо видно также, что абсолютная величина смещения уравновешенного вала в се­

Схема нагружения ротора была та же. Как всегда, вначале бы­ ла определена исходная амплитудно-частотная характеристика прогибов ротора в трех сечениях. Затем при медленном наборе оборотов ротора, контролируя величину и фазу его прогибов, не­ прерывно производили уравновешивание ротора на ходу таким образом, чтобы размах амплитуды прогиба в средней части ро­ тора не превышал величины 0 ,1 мм в диапазоне оборотов от минимальных до п = 0,9пкрі. Управление смещением ротора осу­ ществлялось вручную. Результаты этого эксперимента предстаБ-

144

лены на рис. 105. В следующих экспериментах, где осуществлял­ ся переход через /іІф1 с неуравновешенным ротором до оборотов, равных 1,5/гкрі, на которых электродвигатель привода выключал­ ся, и дальнейшее вращение ротор совершал по инерции, измене­ ния прогиба вала ротора непрерывно записывались на пленку осциллографа до полной остановки ротора. Амплитудно-частот­ ная характеристика прогиба ротора в средней по длине части,

Хорошо видно, что амплитуда прогиба на резонансных режи­ мах при наборе оборотов и'сбросе различна и обороты, соот­ ветствующие резонансным режимам, различны. Несовпадение резонансных режимов по оборотам, меньший размах амплитуды прогиба при резонансном режиме при сбросе объясняются тем, что время разгона и сброса оборотов ротора различно и при сбросе оборотов отключался источник энергии — электродвига­ тель привода.

В следующем эксперименте этот же ротор был уравновешен на режиме п =1300 об/мин. Амплитуда прогиба в средней части ротора была снижена при этом с 1,3 до 0,05 мм. Краны сброса командного давления были зафиксированы в том положении, ко­

145

торое соответствовало достигнутому при уравновешивании состо­ янию ротора, привод был выключен и ротор был остановлен.

После некоторой паузы, около 10— 15 мин, был проведен экс­ перимент с проходом пкрі до оборотов, соответствующих 1 ,б/г|ф1, затем привод был выключен и обороты ротора стали умень­ шаться. Таким образом, был повторен эксперимент с проходом л крь но ротор был предварительно уравновешен на режиме /г = = 1300 об/мин, т. е. вблизи резонансного режима. Здесь также непрерывно от начала до конца эксперимента производилась запись на пленку осциллографа изменения амплитуд прогиба ро-

7А,мм

Рис. 106. Амплитудно-частот­ ные характеристики ротора при переходе через первую критиче­ скую скорость:

1, 5—»ротор неуравновешен при на« боре и на спаде оборотов; 3, ■/—ро­ тор уравновешен

500 1000 1500 2000

п,о0/мии

тора по оборотам. Полученная при этом амплитудно-частотная характеристика прогиба ротора в средней по длине части пока­ зана на рис. 106. Из графиков видно, что резонансный режим при /і= пКрі исчез как при наборе оборотов, так и на выбеге. Амп­ литуда прогибов стала низкой в широком диапазоне оборотов от /г=1300 об/мин до п = 2300 об/мин. На оборотах /г = 2500 об/мин амплитуда прогиба начинает несколько увеличиваться и на /г = 2500 об/мин наблюдается картина, похожая на предрезонанс­

местился режим, соответствующий /ікрі. Действительно, В. Я. Натанзон в своей работе [33] говорит, что зазоры подшипников ка­ чения ротора могут быть использованы для устранения его критической скорости. Это может быть достигнуто специальной балансировкой ротора, при которой на некоторой скорости вра­ щения хотя бы одна реакция опоры исчезает, причем ротор пе­ рестает касаться этой опоры. Во взвешенном состоянии частота изгибных колебаний ротора выше, чем у опертого. Поэтому при известных условиях может оказаться, что, когда скорость дости­ гает критического значения, ротор окажется во взвешенном со­

146

стоянии и фактически критическая скорость на этом режиме не наступит.

Не исключено, что в нашем случае реализовалось именно та­ кое положение ротора относительно подшипников, так как урав­ новешивание производилось вблизи бывшего резонансного ре­ жима на ходу ротора, и вполне возможно, что обе реакции в опорах, или по крайней мере одна, стали при этом равны нулю или были очень малой величины.

Кроме этого, были проведены эксперименты по уравновеши­ ванию ротора, нагруженного дисбалансами по второй форме, т. е. в первый н третий диски в диаметрально противоположные

там по уравновешиванию ротора с одним дисбалансом во вто­

форме. Различие заключалось лишь в схеме включения устройств принудительного центрирования. Так, для уравновешивания ро­ тора, нагруженного по первой форме, цапфы ротора в устройст­ вах приходилось смещать преимущественно в одном направле­ нии, а при уравновешивании ротора, нагруженного дисбалансами по второй форме, в связи с чередованием форм прогибов на различных режимах оборотов приходилось включать устройства в соответствии с преобладающей на данных оборотах формой прогиба. Из рис. 107 видно, что ротор на резонансном режиме, соответствующем 0,5/гкр1, и на режимах ■ я = 0,8—0,9/гкр1, имел форму упругой линии, близкую к первой форме колебаний. На остальных режимах вал ротора прогибался по второй форме, при этом амплитуды прогибов в сечениях были значительно мень­ ше, чем на режимах, соответствующих прогибу вала по первой форме.

Проведенные эксперименты показали, что устройства и систе­ ма дистанционного управления, разработанные для осуществле­ ния уравновешивания гибкого многомассового ротора на ходу по методу принудительного центрирования, являются вполне рабо­ тоспособными.

Устройства и система управления позволяют производить уравновешивание гибкого ротора на всех режимах диапазона рабочих оборотов путем смещения главной центральной оси инерции ротора на ось его вращения.

Устройства и система управления позволяют совмещать главную центральную ось инерции ротора с осью его вращения до величины 0,02—0,05 мм, т. е. в пределах точности измерения примененной в опытах аппаратуры при первоначальном рассог­ ласовании осей до 2 ,0 мм; при этом величина абсолютного из­ гиба (стрела прогиба) вала уменьшалась в 5—7 раз, что, естест­ венно, во столько же раз уменьшало напряжения в вале.

147