Практическая работа

Тема: Дисбаланс. Виды дисбаланса. Балансировка и балансировочная техника

Цель работы: Изучить причины возникновения вибрации машин, научиться определять и устранять дисбаланс деталей способом статической и динамической балансировки

Учебные пособия:

1. Раабен а. А., Шевалдин п. Е., Максутов н. Х. Ремонт и монтаж нефтепромыслового оборудования. М. «Недра», 1989.

2. Бухаленко Е. И., Абдулаев Ю.Г. Монтаж, обслужи­вание и ремонт нефтепромыслового оборудования. М., «Нед­ра», 1985.

3. Орлов П.И. Основы конструирования. М., «Машиностроение», 1988

4. Шейнгольд Е.М., Нечаев Л.Н. Технология ремонта и монтажа промышленного оборудования. Л., «Машиностроение», 1973

5. Палашкин Е, А, Справочник механика по глубокому бурению. М. «Недра», 1981.

6. Авербух Б.А., Калашников Н. В., Кершенбаум Я.М., Протасов В. Н. Ремонт и монтаж бурового и нефтепромыс­лового оборудования. М., «Недра», 1976.

Задание: Определить место закрепления балансировочного груза и его массу.

Вариант	Вес груза mп , гр.	Вибрация без груза	Вибрация при 2 пуске	Вибрация при 3 пуске
	100	0,20 мм	0,35 мм	0,40 мм
	125	0,20 мм	0,34 мм	0,39 мм
	150	0,21 мм	0,33 мм	0,38 мм
	175	0,21 мм	0,32 мм	0,37 мм
	200	0,22 мм	0,31 мм	0,36 мм
	225	0,22 мм	0,30 мм	0,35 мм
	250	0,23 мм	0,29 мм	0,34 мм
	275	0,23 мм	0,28 мм	0,33 мм
	300	0,24 мм	0,27 мм	0,32 мм
	325	0,25 мм	0,26 мм	0,31 мм

Порядок выполнения работы

1.Изучить материалы общих положений и законспектировать

2.Изобразить графическое решение задачи

3.Сделать вывод по полученным результатам

Общие положения

Статическая неуравновешенность возникает вслед­ствие смещения центра тяжести относительно оси вращения и проявляется в статистическом состоянии.

Статическая неуравновешенность обычно свойственна деталям типа дисков, т.е. таким деталям, у которых диаметр превышает длину.

Рис. 1. Схема статистической неуравновешенности детали.

При вращении неуравновешенной массы возникает постоянная по величине переменная по направлению центробежная сила инерции F (рис.1):

(1)

F—сила инерции, кгс;

т—неуравновешенная масса, кгсм²/см;

=п/30 — угловая скорость, рад/с;

п — частота вращения, об/мин;

r—расстояние центра тяжести неуравновешенной массы от оси вращения, м.

Из формулы (1) видно, что центробежная сила наиболее опасна при боль­ших оборотах, так как ее величина пропорциональна квадрату скорости.

Рис.2. Схема действия сил при статической неуравновешенности детали

Рис.3. Схема балансировки детали при статической неуравновешенности

Эта сила создает дополнительные максимальные циклические нагрузки на подшипники (рис.2).

Если подобную неуравновешенную деталь свободно установить на опорах то сила тяжести G неуравновешенной массы, создавая крутящий момент М = Gr, повернет деталь, и неуравновешенная часть займет нижнее положение. Для уравновешивания детали необходимо на ее противоположной стороне закрепить груз массой т₁ так, чтобы создаваемый им крутящий момент был равен по величине и противоположен по направлению моменту, создаваемому неуравновешенной массой т (рис.3). Лишний металл снимают сверлением, фрезерованием, эксцентричным точением и шлифованием. Дополнительные корректирующие грузы устанавливают при помощи сварки, наплавки или резьбовых и болтовых соединений.

Дисбаланс D измеряется статическим момен­том (в кгсм):

(2)

G — сила тяжести неуравновешенной массы, кгс;

r — расстояние центра тяжести неуравновешенной массы от оси вращения, м;

Р — сила тяжести детали, кгс,

 — смещение центра тяжести детали от оси вращения, м.

Схема статической балансировки: Деталь дисковой формы с отверстием под вал устанавливают на хорошо подогнанную по отверстию закаленную и шлифованную оправку. Деталь помещают на балансировочные параллели и, когда она займет неподвижное положение равновесия, наинизшую ее точку маркируют. Затем поворотом на некоторый угол деталь выводят из этого положения, отпускают и наблюдают, возвращается ли деталь в первоначальное по­ложение. Возвращение детали в первоначальное положение показывает, что она статически неуравновешенна.

В этом случае справедливо неравенство

Pk<Gr,

Рис. 4.

Статистическая балансировка на дисках

1 – балансируемая деталь

2 – пробный корректирующий груз.

Р – сила тяжести балансируемой детали, кгс:

k — коэффициент трения качения между шейкой вала и параллелями;

G — сила тяжести неуравнове­шенной массы, кгс;

r — расстояние от оси вращения до центра тяжести неурав­новешенной массы, м.

Если деталь, находящаяся на параллелях, останавливается в любом поло­жении, в котором ее останавливают после поворота, то она полностью уравно­вешена или величина ее неуравновешенности недостаточна для преодоления момента трения качения между оправкой и параллелями, т. е.

Точность статической балансировки невысока, что для точных быстроходных машин и механизмов недопустимо, а для тихоходных машин - достаточна. Неточность статической балансировки обусловлена трением качения в результате деформации металла в местах контакта, вала и ножевой части параллелей, что создает момент сопротивления качению.

Таблица 1 - Рекомендуемые пределы применения статической балансировки

Отношение h/d	Частота вращения (в об/мин) детали в машине
	Невысокой точности	Средней точности		Высокой точности
0,25	6000	3000		1500
0,50	3000	1500		800
0,75	1500	800		400
1,00	750	400		200
Рис.5 Приспособление для балансировки шинно-пневматиче­ских муфт: 1 — нож; 2 — ось, 3 — диск

Рис.6. Схема динамической неуравновешенности детали

Динамическая неуравновешенность обычно присуща деталям и узлам, у которых длина больше диаметра. Процесс определения величины и направления неуравновешенных центробежных сил и их устранение называется динамической балансировкой.

На рис.6 приведена схема детали с динамической неуравновешенностью. Вал находится в статическом равновесии. На противоположных концах вала расположены две неуравновешенные массы: т₁, находящаяся на расстоянии а от левого подшипника, и т₂, находящаяся на расстоянии b от правого подшипника.

При вращении вала возникают центробежные силы F и Q, которые не совпадают по направлению, в результате чего создается момент центробежных сил, являющийся причиной дополнительных нагрузок и вибраций.

Силы Q и F могут быть разложены на две составляющие, отнесенные к торцевым поверхностям. Величина составляющих силы определяется из уравнений:

где

Аналогично определяется величина составляющих силы Q.

Рис.7. Схема балансировки детали при динамической неуравновешенности

Рис.8. Схема станка для динамической балансировки

Сложив силы, отнесенные к торцам детали по правилу параллелограмма, получим их результатирующие R₁ и R₂, которые и следует уравновесить, чтобы поучить динамически уравновешенную деталь. Для устранения динамической неуравновешен­ности необходимо на противоположной стороне торцовых поверхностей поста­новить грузы таким образом, чтобы создаваемые ими центробежные силы R_е1 и R_е2 были равны по величине и противоположно направлены силам R₁ и R₂.

Рассмотрим технологию динамической балансировки деталей на станках (рис.8), которые целесообразно применять при мелкосерийном ремонте. Станки эти достаточно универсальны, в частности на них можно балансировать такие сложные детали, как многоопорные коленчатые валы.

Уравновешиваемая деталь устанавливается в подшипниках 4 на раме 1 качающейся на передвижной опоре 2. Концы рамы зажаты пружинами 3. Передвинув опору под левый край детали, как показано на рисунке, приводят деталь во вращение с помощью какого-либо привода с надежной разъединительной муфтой. Раскрутив деталь, выключают муфту полностью, освобождая деталь от привода. Под действием неуравновешенной массы правый конец детали начинает вибрировать с частотой, равной частоте ее вращения. Если при разгоне детали была создана частота колебаний, большая частоты свободных колебаний системы станка, то при уменьшении скорости вращения наступает момент совпадения этих частот, система входит в резонанс и размах колебаний детали становится максимальным. В этот момент измеряют амплитуду и фиксируют направление колебания.

Установкой на краю детали уравновешивающего груза 5 с повторным вращением детали и корректировкой величины и местонахождения груза добиваются уравновешивания детали с правой стороны. Затем, передвинув опору под правый край детали, повторяют операцию в такой же последовательности с левой стороны. Для проверки качества балансировки детали в целом передвижную опору устанавливают в середину и деталь повторно прокручивают, при этом вибрация ее должна быть в пределах минимума, установленного техническими условиями.

Многоопорные коленчатые валы следует устанавливать при балансировке не менее чем на три коренные опоры (две крайние и одну среднюю).

Современные балансировочные станки имеют дополнительные механические или электрические устройства для достаточно точного определения величины и места расположения неуравновешенной массы, что значительно ускоряет процесс балансировки.

Причины вибрации машин

В большинстве случаев причинами возникновения вибрации являются вынужденные колебания, возникающие в результате действия периодических возмущающих сил, например, инерционных сил неуравновешенных масс движущихся деталей машин, искривление валов, несоосность соединяемых валов, неправильные зазоры, ослабление крепления вкладышей подшипников, мон­таж деталей с перекосом и пульсация рабочей среды. Для быстроходных машин (паровые и газовые турбины, центробежные нагнетатели) причиной вибра­ции может быть нарушение режима жидкостного трения в подшипниках. Эти вынужденные колебания особенно опасны в том случае, если частота действия возмущающих сил совпадает или близка к частоте собственных свободных колебаний системы. Даже незначительные по величине возмущающие силы вызывают тогда вибрацию со все увеличивающейся амплитудой (явление резонанса), что может привести систему к разрушению. Необходимо принимать меры к тому, чтобы частота вынужденных колебаний, обычно совпадающая или кратная числу оборотов или ходов машины, значительно отличалась от частоты свободных колебаний системы, на которую они воздействуют.

Овальность шейки вала создает периодическую силу (а следовательно, и колебания), действующую в направлении нагрузки на вал, с частотой в 2 раза большей частоты вращения вала. Огранности шейки вала характерны колебания с частотой, равной произведению числа граней на частоту вращения вала. Такие колебания наблюдаются также при повышенном от износа зазоре между телами качения и кольцами в крупных шарико- и роликоподшипниках.

Неправильная центровка соединенных валов также является источником колебаний. Упругие муфты могут лишь уменьшить действие неправильной центровки, но не ликвидировать ее. Угловое смещение соединенных валов (рис.9,а) вызывает колебания их подшипников в осевом и радиальном направлениях. Частота колебаний совпадает с числом оборотов вала, а размах осевых колебаний значительно больше радиальных. Осевые колебания подшипников имеют противоположные фазы; радиальные колебания однофазны. При параллельном смещении осей валов (рис.9,б) радиальные колебания противоположны по фазе, осевые колебания — однофазны и незначительны по величине.Искривление вала вызывает колебания, по признакам аналогичные угловому смещению валов. Общим отличительным признаком для всех случаев несосности валов, по сравнению с колебаниями от неуравновешенных масс, является малая зависимость амплитуды колебания от угловой скорости вала.

Рис. 9. Смещения соединяемых валов:

а — угловое;

б — параллельное

Как известно, центробежные силы пропорциональны квадрату угловой скорости. Отсюда как следствие, резко увеличивается амплитуда колебания от неуравновешенных центробежных сил при возрастании угловой скорости. Корректируя центровку валов и повторяя измерение вибрации, можно получить точную их соосность.

Причиной возникновения вынужденных колебаний может быть и характер производственного процесса. Примером служит возникновение вибрации трубопроводов в результате циклических уплотнений жидкой или газовой среды в процессе перекачки ее поршневыми насосами или компрессорами. Такие вибрации опасны тем, что цикличность вынужденных колебаний обычно близка к цикличности свободных колебаний гибких и относительно простых систем, которыми являются трубопроводы. Активная вибрация трубопроводов — частое явление в нефтегазопромысловой практике.

Таковы наиболее характерные примеры вибрации машин и систем и их особенности для правильного диагностирования причин возникновения вибрации.