книги из ГПНТБ / Колесник Н.В. Устранение вибрации машин

роторов производилось начиная от четвертого подшипника, несмотря на то, что колебания первого были наибольшими.

ложениях:

1.Сдвиг фазы колебания относительно фазы неуравновешенной

центробежной силы у всех подшипников одинаков. Это создавало

возможность находить направление уравновешивающих грузов для каждого корпуса подшипника на основании уже известного угла

сдвига фазы колебаний корпуса четвертого подшипника.

2.Уравновешивающая центробежная сила пропорциональна раз-

махам колебаний и массам роторов, создающих нагрузку на данный

подшипник. Это давало возможность на основании имеющегося опыта устранения вибрации четвертого подшипника определять вес уравно­

вешивающих грузов в других местах корректирования неуравнове­

шенной массы по формуле

„_ GSP,/?

уW

где So — размах первоначальных колебаний корпуса четвертого под­ шипника;

G — вес уравновешивающего груза у этого подшипника;

R — радиус установки груза;

159

Р — нагрузка ротора на четвертый подшипник;

S — размах колебаний корпуса подшипника, вблизи которого производится корректирование неуравновешенной массы;

Р, — нагрузка от ротора на данный подшипник;

Pj — радиус расположения уравновешивающего груза вблизи

данного подшипника.

Принятые предположения вполне себя оправдали. Последова­ тельно установленные уравновешивающие грузы у третьего под­

шипника — 1,75 кг, у второго — 1,2 кг и у первого — 0,8 кг свели

вибрацию к удовлетворительному состоянию, как это видно по резуль­

татам измерений (фиг. 94).

33. Поршневые машины

Работа поршневых машин — двигателей внутреннего сгорания,

компрессоров, насосов и т. п. — сопровождается, как правило, зна­

чительной вибрацией. Несмотря на то? что при изготовлении таких машин принимают меры к уравновешиванию сил инерции в отдель­ ных узлах и деталях (балансировка коленчатого вала, подбор по весу

шатунов и поршней и т. п.), ошибки при осуществлении отдельных операций складываются, что приводит к наличию довольно значи­

тельных неуравновешенных сил инерции в действующих машинах.

Поэтому осуществление комплексного уравновешивания сил инерции в собранных поршневых машинах имеет большое практическое зна­

чение.

В наибольшей мере сопровождается вибрацией работа одноцилин­

дровых поршневых машин.

Главным возбудителем вибрации этих машин являются силы инер­ ции, создаваемые массами деталей, совершающих возвратно-поступа­ тельное движение (часть шатуна, поршень, поршневые пальцы и пр.), и неуравновешенные центробежные силы вращающихся деталей

(коленчатый вал, нижняя головка шатуна, маховик).

Приведенная масса (фиг. 97, а) поршня и части шатуна соз­ дает направленную вдоль оси цилиндра силу инерции Ри, которая согласно формуле (46) выражается

Ри = — Л41га>2 (cos 9 + X cos 2<р + . . . ) * ,

ническую форму и частоту ш, равную угловой скорости вращения

кривошипа.. Это сила выражается

160

Сила инерции 2-го (фиг. 97, г) и других высших порядков имеет более высокую частоту, но значительно меньшую амплитуду. Влия­

ние этих сил на вибрацию машины сказывается в значительно мень­

шей степени и в дальнейшем учитываться не будет.

Приведенная масса УИ2 коленчатого вала и части шатуна создает центробежную силу С:

С = М2гш2,

действующую во время вращения переменно во всех направлениях

в плоскости, перпендикулярной оси вращения. Эта центробежная

Фиг. 97. Силы инерции кривошипно-шатунного механизма.

сила может быть уравновешена силой инерции Су массы Му противовеса кривошипа:

Су — С = 0.

Уравновешивающую силу Су можно рассматривать как геометри­

ческую сумму двух равных по амплитуде, перпендикулярно направ­ ленных друг к другу гармонических сил РиУ и Р г(см. фиг. 10).

Как видно из фиг. 97, а, сила инерции 1-го порядка Ри1 и состав­

ляющая уравновешивающей центробежной силы сила Р , имеют

противоположное друг другу направление (сдвиг фазы 180°).

Поэтому, увеличивая массу противовеса или корректируя соот­

ветствующим образом массу маховика двигателя, можно в той или иной мере производить уравновешивание силы инерции первого порядка.

Однако при увеличении массы противовеса увеличивается не

только составляющая центробежной силы сила РиУ, но в равной мере и составляющая Рг, которая, действуя в направлении, перпен­

дикулярном оси цилиндра, будет являться возбудителем вибрации

машины.

На фиг. 97, д показано направление действия сил инерции в одно­ цилиндровой машине применительно к тому случаю, когда масса противовеса кривошипа Му уравновешивает только вращающиеся массы кривошипа. Здесь возмущающей вибрацию силой является

только сила инерции масс, совершающих возвратно-поступательное

движение (Ри1). На фиг. 97, е показано направление действия сил

инерции в той же машине при условии, что центробежная сила про­ тивовеса уравновешивает не только неуравновешенную центробеж­ ную силу вращающихся масс, но и силу инерции первого порядка Ра1. В этом случае направленная вдоль оси цилиндра сила Ри1 устра­ няется, но возникает равная ей по значению действующая в перпен­ дикулярном направлении к оси цилиндра сила Рг.

Наконец, на фиг. 97, ж показано действие сил инерции в той же машине при условии, когда центробежная сила вращающихся деталей

полностью уравновешивается противовесом, а сила инерции Ри1

только в половинном размере. В этом случае возмущающая вибрацию сила действует равно как в направлении оси цилиндра, так и в перпен­ дикулярном направлении, но амплитуда возмущающей силы имеет в два раза меньшее значение, чем сила Ри1 .

Последний случай оказывается наиболее благоприятным, так

как при этом создаются условия наименьших нагрузок на подшип­

ники коленчатого вала. В зависимости от условий эксплуатации,

один из предыдущих вариантов уравновешивания может оказаться

более предпочтительным.

Из приведенного видно, что путем соответствующей установки

уравновешивающих грузов на противовесе кривошипа или на махо­

вике двигателя можно в известных пределах регулировать как вели­

чину, так и направление действия сил инерции в поршневых машинах.

Рассмотрим, как эти возможности могут быть реализованы практи­ чески.

На фиг. 98, а показан одноцилиндровый двигатель, при работе

которого создавалась значительная сила инерции, действующая

в горизонтальном направлении вдоль оси цилиндра.

Под действием этой периодической силы неоднократно происхо­ дили срывы анкерных болтов и разрушался фундамент.

Устранение вибрации машины в нежелательном направлении было достигнуто применением комплексного уравновешивания

на месте установки путем корректирования массы маховика этой

машины.

Уравновешивание производилось, обычным способом с помощью виброскопа, виброметр которого (фиг. 98, б) устанавливался на кор­

пусе двигателя в направлении измерения осевых колебаний. На ободе

маховика был нанесен ориентир 1. Положение фазы колебания наме­

чалось с помощью стробоскопической лампы Л чертой 1а, на кор-

162

нусе двигателя. Пробный груз Gn устанавливался С внутренней

стороны обода маховика.

Определение величины и положения уравновешивающего груза

производилось обычным путем — измерением размаха и фазы коле-

Фиг. 98. Уравновешивание сил инерции одноцилиндрового двигателя.

бания до и после установки пробного груза и построением векторного треугольника.

В результате уравновешивания была практически устранена гори­

зонтальная вибрация машины в направлений оси цилиндра, вызы-

Фиг. 99. Устранение вибрации компрессора.

вавшая разрушение фундамента. Правда, несколько увеличилась

вибрация машины в вертикальном направлении, но это в данном слу­ чае не оказывало существенного влияния на условия эксплуатации.

На фиг. 99 изображен двухпоршневой компрессор 200-В-10/8.

Работа этих компрессоров, как правило, сопровождается значитель­ ной вертикальной вибрацией, вредно отражающейся на производ­

ственных строениях и работе лабораторий и цехов.

Значительное снижение действия неуравновешенных сил инер­

ции в этих машинах может быть достигнуто и в данном случае приме­

роны обода маховика. Определение величины и места установки урав­

новешивающего груза производится как обычно — путем построения

и устраняет вредное влияние на здания, производственные помеще­ ния и прецизионное оборудование.

В многоцилиндровых поршневых машинах путем соответствую­

щего расположения колен коленчатого вала и масс подвижных дета­

лей можно достигнуть полного уравновешивания сил инерции,

однако отступления в технологии изготовления таких машин приво­

дят к тому, что работа и этих машин сопровождается вибрацией.

Улучшить их вибрационное состояние можно посредством комплекс­

ного уравновешивания механизма.

На междуэтажном перекрытии производственного здания был

установлен многоцилиндровый поршневой двигатель.Работа этого двигателя сопровождалась весьма значительной вибрацией перекры­

тия в вертикальном направлении (амплитуда Л = 0,4 мм, фиг. 100, а).

Измерением частоты собственных колебаний перекрытия было

установлено, что она близка к частоте вращения мотора. Перенести мотор в другое место по условиям технологии производства не пред­

ставлялось возможным, а усиление перекрытия требовало крупных

денежных затрат и значительного времени на его осуществление (к тому же этого усиления и не требовалось по условиям нагрузки).

Устранение вибрации машины решено было произвести посред­

ством комплексного уравновешивания путем установки на шкиве

двигателя уравновешивающего груза Gy.

Измерения производились с помощью виброскопа. Виброметр В

(фиг. 100, б) устанавливался на корпусе двигателя для измерения

вертикальных колебаний, определение уравновешивающего груза

производилось с помощью установки пробного груза путем построе-

164

ния векторного треугольника. Характерно отметить, что установка уравновешивающего груза весом всего 210 г снизила вибрацию перекрытия до 0,01 мм.

При осуществлении такого способа вместо имевшейся возмущаю- • щей колебание силы Р была создана пара сил PL. Под влиянием этой пары форма прогибов перекрытия при колебании изменилась,

а именно, вместо одной пучности и двух узлов (фиг. 100, а), образо-

Фиг. 100. Способы уравновешивания многоцилиндровых двигателей.

валось три. узла и две пучности (фиг. 100, б). Поскольку при такой форме изгиба балки частота собственных колебаний повышалась

в четыре раза (см. фиг. 13), то посредством такого способа уравнове­

шивания система перекрытие — машина была выведена из состояния

резонансного колебания.

Во всех случаях, где нежелательно оставлять в действии пару

неуравновешенных сил инерции, можно применить дополнительное

уравновешивание путем создания равной по величине и противопо­

ложно направленной пары центробежных сил Рх1, как это показано

на фиг. 100, в. Способ определения величины уравновешивающих

грузов Gy пары и их положения рассмотрен в п. 31. Проиллюстрируем

его здесь следующим примером.

На фиг. 101, а показана схема двухпоршневого двигателя. Два коленчатых вала соединены между собой шестернями Ш и вращаются

165

с равной скоростью в противоположном друг другу направлении. На одном из валов закреплен маховик М. Поршни П совершают

возвратно-поступательные движения во взаимно-противоположных

направлениях так, что силы инерции первого и высшего порядков

взаимно уравновешиваются.

Тем не менее, работа этого двигателя при испытании сопровожда­ лась настолько сильной вибрацией, что не представлялось возмож­ ным достигнуть запроектированной скорости вращения 1200 об/мин.

Фиг. 101. Комплексное уравновешивание двухцилиндрового двигателя.

Наиболее интенсивное колебание наблюдалось в горизонтальном направлении, перпендикулярном оси вращения коленчатых валов.

Это колебание было устранено путем установки уравновешивающего

груза на маховике двигателя. Виброметр В (фиг. 101, б) устанавли­ вался в направлении измерения поперечных колебаний. Для опреде­ ления фазы на торце вала был нанесен ориентир 1, который во время

вращения освещался стробоскопической лампой Л. Под ободом махо­ вика устанавливался пробный груз Gn.

Методика уравновешивания при проведении этого этапа работы была обычной. В результате установки уравновешивающего груза

поперечное колебание машины было, устранено, но возникло не менее

сильное колебание в осевом направлении, которое обусловливалось

появлением в результате проведенного уравновешивания пары

неуравновешенных сил Р1 (фиг. 101, в).

Устранение осевого колебания было достигнуто путем установки

пары уравновешивающих грузов, создающих равную по величине

166

и противоположно направленную пару'центробежных сил. Эта опе­

рация производилась следующим образом.

Виброметр В устанавливался в направлении измерения осевых

колебаний. Измерение фазы, как и ранее, производилось по ориен­

тиру, нанесенному на торец вала маховика. После измерения раз­

маха А первоначальных колебаний и определения положения фазы во взаимно-противоположных направлениях на маховике и шестерне

коленчатого вала были установлены два пробных груза Gj и G2, подобранных таким образом, чтобы создаваемые ими статические

моменты были равны между собой:

“ G2r2-

После установки пробных грузов производился второй пуск дви­ гателя, измерялась амплитуда В и фаза колебания и строился вектор­ ный треугольник. Затем определялось масштабное значение замыкаю­

щего вектора С и угол 0 необходимого перемещения уравновешиваю­

щих грузов.

На основе полученных данных определялась величина уравнове­ шивающих грузов по формуле

масштабное значение замыкающего вектора.

Уравновешивающие грузы устанавливались под углом р к месту,

расположения пробных грузов в сторону, противоположную переме­

щению ориентира.

После проведения такого уравновешивания вибрация двигателя

была снижена до величины размаха 0,03 мм и была получена возмож­ ность его нормальной эксплуатации.

Уравновешивание звездообразных поршневых двигателей произ­

водится путем соответствующих расчетов при проектировании и соб­ людении специальной технологии при изготовлении и сборке. При этом массы кривошипа в таких двигателях должны уравнове­

шивать массы поршней и шатунов. Обычно выполнить это условие

с необходимой точностью не удается, поэтому работа звездообразных

двигателей, как правило, сопровождается значительной вибрацией. Снижение вибрации этих двигателей может быть также достигнуто

посредством комплексного уравновешивания.

На фиг. 102 показана установка для комплексной балансировки механизма пневматического звездообразного двигателя. Собранный

комплект вала с шатунами и поршнями устанавливается в специаль­

ный корпус 1 двигателя, имеющий открытые цилиндры для уменьше­

ния сопротивления вращению комплекта, которое производится

167