БАЛАНСИРОВОЧНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ

Что такое балансировка?

Одной из особенностей современного НТП является систематический рост (увеличение) рабочих скоростей вращения роторов машин, приборов, механизмов. Например, частота вращения роторов центрифуг доходит до 500 000 об/мин, а некоторых деталей текстильных машин до 1 млн об/мин. Вполне естественно, что с увеличением скоростей вращения возникают и повышенные вибрации.

Вибрации, возникающие при работе машин и механизмов, создают дополнительные нагрузки на детали, увеличивают их износ, снижают срок службы изделий, оказывают неблагоприятное физиологическое воздействие на организм человека. Разрушение опор и фундаментов машин, повышенный износ автомобильных шин, некачественное воспроизведение магнитофонной записи и многое другое являются следствием влияния высокого уровня вибрации. Поэтому, борьба с вредными вибрациями – актуальная проблема современного машиностроения и приборостроения. В то же время, вибрации, используемые при погружении свай и труб в грунт, при уплотнении бетона и во многих других производственных процессах, являются полезными.

В процессе проектирования машин и механизмов стремятся уменьшить вредные вибрации, выбирая наиболее правильные решения в конструкциях и технологиях изготовления, добиваются весовой симметрии всех движущихся частей путем уравновешивания. Однако, в процессе изготовления и эксплуатации деталей и узлов возникают условия, нарушающие симметрию и приводящие к неуравновешенности. Для уменьшения неуравновешенности при изготовлении, ремонте, эксплуатации производят балансировку тел вращения путем изменения их массы или геометрии.

Надлежащая балансировка деталей автомобиля увеличивает срок службы на 23%-100%, повышает полезную мощность двигателя на 10%-25%. Балансировка увеличивает в 3 раза стойкость алмазных кругов, снижает в 4 раза волнистость обрабатываемых поверхностей. Подобные примеры можно привести и для изделий других отраслей машиностроения.

Первоначально уравновешивание вращающихся масс проводилось лишь расчетным путем при конструировании. Необходимость в динамической балансировке как операции технологического процесса изготовления возникла в связи с внедрением высокооборотных паровых турбин. Первые балансировочные станки появились в России, Швейцарии и Германии в конце XIX начале XX вв.

Бурное развитие машиностроения и приборостроения в середине XX века потребовало решения многих вопросов балансировочной техники. Была начата разработка вопросов теоретической балансировки роторов, уравновешивания механизмов; созданы станки для балансировки деталей от нескольких граммов до сотен тонн, высокопроизводительные балансировочные автоматы и автоматические линии. Балансировка космических аппаратов производится с минимальной скоростью вращения до 30 об/мин, а центрифуг – при скорости вращения 12 000 об/мин.

Требования современного производства очень высокие и, потому, возросли требования к средствам производства. Внедрение новых технологий, микропроцессорной, лазерной техники позволяют современному балансировщику деталей и узлов достигать высокой точности балансировки.

Балансировка это процесс определения значений и углов дисбалансов ротора и уменьшения их корректировкой масс. Существуют 7 основных видов балансировки: низкочастотная, высокочастотная, балансировка на месте, статическая балансировка, моментальная, динамическая, балансировка по n-й форме изгиба.

Классы точности балансировки

Различают 11 классов точности балансировки. Роторы изделий, отнесенные к 1-му классу точности балансировки, следует балансировать в своих подшипниках в собственном корпусе при соблюдении всех условий эксплуатации.

Балансировка по 2-му классу точности допускает применение специального привода. А роторы, отнесенные к 3-11-му классам точности балансировки, разрешается балансировать в виде деталей или сборочных единиц.

Балансировка деталей автомобиля

Касательно легковых автомобилей мы привыкли к термину балансировка диска колеса или покрышки вместе с диском. Но при установке нового диска сцепления необходимо  проверить хотя бы его статическую балансировку, т.к. при установке некачественного диска сцепления могут появиться проблемы в двигателе – течь заднего сальника коленвала. А при ремонте генератора необходимо проверять балансировку шкива и ротора. При шлифовке коленвала необходимо проверить его балансировку, а это практически никто не делает. Даже незначительное уменьшение диаметра шеек коленвала ведет к серьезному дисбалансу. При ремонте двигателя очень важна проверка веса шатунов, поршней и пальцев. Все мы наблюдали за работой двигателя автомобиля ГАЗ-24 – одного из «лучших» отечественных автомобилей (конструкция данного двигателя не изменилась со времени его создания 1957 года). Давайте сравним его с двигателем зарубежного производства, конструкция которого состоит из хорошо сбалансированного коленчатого вала и дополнительных балансировочных валов. Они снижают вибрацию двигателя до минимума – вода в стакане, установленного на клапанную крышку даже не разольется. Естественно, что данный двигатель будет служить дольше.

Если обратить внимание на обслуживание грузовых автомобилей, то в этой области оказания услуг еще больше пробелов. Трудно вспомнить, чтобы на СТО производилась балансировка колес. Огромной проблемой дальнобойщиков являются карданные валы, которые «лепятся» во время так называемого ремонта из подручных крестовин, свариваются полуавтоматом,  без соосности и их балансировки. Никто в развитых странах не производит ремонт так неквалифицированно. 

Все современные автомобили оснащены системой турбонаддува, которая позволяет повысить мощность двигателя на 20-35%. При этом двигатель, оснащенный турбонаддувом, обладает более высоким крутящим моментом на средних и высоких оборотах, что делает автомобиль более динамичным и экономичным при движении. Но при торможении двигателем автомобиль останавливается медленней, за счет пониженной степени сжатия в цилиндрах. Турбина начинает эффективно работать на дизельном авто 2200-2500 об/мин, а на бензиновом 2800 – 3500 об/мин. Показателем эффективности работы турбины является давление наддува, которое на дизельных двигателях обычно достигает  0.6-0.7 бар, а на бензиновых 0.6-1.0 бар и более. На спортивных автомобилях давление наддува достигает 2 бар и более.

Окружная скорость вращения вала турбокомпрессора достигает 50-70 м/с, что в несколько раз выше скорости движения автомобиля и на порядок выше окружной скорости коленчатого вала. Если эти данные перевести в об/мин, то  ротор турбины вращается со скоростью 150000 – 210000 об/мин, а коленвал - 5000-7000 об/мин. При этой скорости малейший дисбаланс превращает ротор в мощный вибратор. Это приводит к механичекому и акустическому шуму, утечке масла через динамические уплотнения и неэффективной работе турбины, а в конечном итоге, к повышенному износу и поломке ротора турбины. Вот зачем необходима балансировка ротора до сборки турбокомпрессора и после.

Механические нагнетатели

В последнее время снова возрос интерес автопроизводителей к сжатию воздуха механическими системами (объемными компрессорами). Сжатие воздуха при помощи механических систем - это альтернатива турбокомпрессорам для небольших двигателей. Компрессоры, работающие по объемному принципу, работают с внутренней компрессией или без нее. Среди компрессоров с внутренней компрессией имеются, к примеру, всасывающие насосы-компрессоры, винтовые и с перегородкой. Наддув в двигателе внутреннего сгорания производится с помощью устройств называемых компрессорами или нагнетателями. Применение наддува позволяет увеличить количество воздуха подаваемого в цилиндры. А это в свою очередь позволяет сжигать больше топлива за один рабочий цикл мотора и следовательно увеличить его отдачу.

1. Механическое ТУРБО

Говоря о газотурбинном наддуве, мы заметили его недостатки, появляющиеся из-за газовой связи между, двигателем и турбиной. Это в первую очередь инертность привода турбины и непостоянство производительности компрессора (так называемые турбо-ямы). Избавиться от этих отрицательных качеств можно осуществив механический привод нагнетателя. Оснастим его шестеренчатой или ременной передачей с коленчатым валом двигателя и готово! При работе силового агрегата вращение коленвала заставит работать и компрессор. Тот „захватит" из атмосферы воздух и „сдавит" его. А дальше все произойдет аналогично турбокомпрессору: воздух под давлением будет нагнетаться во впускной коллектор, а через него соответственно в цилиндры двигателя.

Интересно, что описываемые устройства стали применять гораздо раньше всеми любимого сейчас газотурбинного наддува. Особенной популярностью механический (приводной) нагнетатель пользовался в 30-е годы. Mercedes-Benz, Duesenberg, Cord - далеко не полный список фирм, использовавших приводной компрессор в те годы. Использование механических систем наддува позволяло снимать с двигателей очень приличную для  30-х годов мощность. Например, 5,4-литровый двигатель автомобиля Mercedes-Benz 540К с компрессором развивал мощность 180 л.с. (без оного 115 л.с.).

2. Особенности нагнетания

Механический компрессор отличается от турбонаддува. Отличия наблюдаются и в самом компрессоре, то есть устройстве, которое собственно увеличивает давление воздуха. Если в газотурбинном наддуве для повышения давления используется лопастное колесо центробежного или радиального типа, то в механических нагнетателях, как правило, применяют компрессоры объемного типа. В таких устройствах сжатие воздуха происходит за счет уменьшения объема между ротором и корпусом. По этой причине такие нагнетатели еще называют объемными. Наибольшее распространение в
 

3. Виды нагнетателей

Конечно же, это не единственный из используемых и использовавшихся объемных нагнетателей. Нужно упомянуть также так называемые однороторные компрессоры, самые известные из которых - это Zoller и Powerplus.

Принцип однороторный компрессоров таков. В цилиндрическом корпусе вращается эксцентрично расположенный барабан. В нем сделаны продольные прорези, в которых находятся лопатки. Таким образом, между внутренней поверхностью корпуса и наружной поверхностью образуются полости. Если вращать барабан, то воздух (или смесь) „затянется" в полость между лопатками с одной стороны корпуса, после перенесется на другую сторону, сожмется и вытолкнется в нагнетательный трубопровод. В объемных компрессорах сжатие происходит за счет уменьшения объема. Другое дело, как это уменьшение объема производить.

Кроме вышеперечисленных нагнетателей существует еще как минимум четыре разновидности этих устройств: Sprintex со спиральными лопастями (отличается от Roots в основном формой роторов), однороторный Wankel; очень оригинальный Comprex (так называемый волновой нагнетатель, в нем используется взаимодействие горячих отработанных газов и холодного воздуха), используемый фирмой Макс)а; G-образный нагнетатель Volkswagen (его конструкцию можно представить в виде двух спиралей, одна их которых неподвижна, то есть корпус, а вторая является вытеснителем.

4. Преимущества и недостатки механических нагнетателей

Какие плюсы у механических (приводных) нагнетателей? В первую очередь - никакой инертности, то есть мгновенная реакция на нажатие педали газа. Во-вторых, обороты того же Рутса не сравнимы с таковыми у турбонаддува, а значит существенно возрастает надежность конструкции. Но, самое главное преимущество - это постоянство развиваемого компрессором давления, независимо от оборотов двигателя. Так что же, механический нагнетатель - самый лучший? Да нет, не обошлось в бочке меда без ложки дегтя. „Прямой" привод требует затрат энергии, следовательно некоторая часть мощности двигателя расходуется на нагнетатель. К тому же рассматриваемые устройства довольно сложны и нетехнологичны в производстве. Очень дороги при замене и практически не ремонтопригодны. А еще обидно, что „разгоряченные" в прямом и переносном смысле выхлопные газы вылетают вхолостую - в них ведь столько неиспользованной энергии! Требовательны к периодическому обслуживанию, замене приводных ремней, качеству масла.

Дисбаланс вращающихся машин

Дисбаланс вращающихся машин происходит, когда осевая линия массы и геометрический центр не совпадают друг с другом. Несбалансированные роторы генерируют вибрацию, которая может привести к повреждению их деталей. Чтобы продлить жизнь агрегатов, вибрацию вследствие дисбаланса необходимо понизить до приемлемого уровня. Несмотря на возможность понизить дисбаланс до низких уровней, эти уровни или пределы должны быть определены.

Дисбаланс и вибрация

Величина дисбаланса выражается формулой:                              

U = m x r, где m - разбалансированная масса в (кг);                   

r - расстояние от тяжелого места до оси вращения                    

оси вращения вала/ротора (в м)

где:r = радиус (м); w = скорость (рад./сек.) m = масса (кг);

m * r = количество (кг/м); F = усилие (N). Или F(кг)=0,01*m(г)*r(см)*(оборотов в минуту /1000)2.

Вибрация вследствие дисбаланса = Усилие дисбаланса / Динамическая жесткость.

Нет удобного для пользователя узнаваемого общего отношения между дисбалансом ротора и вибрацией машины. Реакция на дисбаланс существенно зависит от скорости, геометрической формы и распределения массы ротора, так же как и от динамической устойчивости ротора, подшипников и фундамента. В большинстве случаев устойчивость агрегата не известна владельцам. Более того, объединение всех этих факторов действительно приведет к появлению усложненных уравнений между дисбалансом и результирующей вибрацией. Другими словами, значения вибрации дисбаланса будут различными, и будут зависеть от рабочей скорости, типа подшипников (например, жидкостная пленка или вращающийся элемент), станины и т.д., в то время как само количество дисбаланса постоянно и относится только к ротору. Итак, не следует упрощать вопрос определения предела качества балансировки и выражать его только через показания вибрации. Это особенно справедливо для новых машин, для которых не существует предшествующего опыта вибрации. Вибрационные стандарты, обычно используемые в промышленности, основывают свои критерии на реагировании на дисбаланс (амплитуда вибрации), независимо от устойчивости ротора и фундамента. Кроме того, нет ссылок на величину усилия, создаваемого дисбалансом, и массу ротора. При дисбалансе соотношения между массой, устойчивостью и вибрацией разбалансированного ротора основываются на параметре, называемом вектором влияния.

Дисбаланс: существующий и предельный

Термин "дисбаланс" имеет отношение к двум величинам. Первая величина - это предел приемлемости балансировки, обычно называемый разрешенным, или допустимым дисбалансом. Вторая величина - это существующий, или остаточный дисбаланс ротора. При приемочных испытаниях из этого безоговорочно следует:

Uпредельный > Uсуществующий   Качество дисбаланса в пределах допуска (приемлемое)

Uпредельный < Uсуществующий   Качество дисбаланса за пределами допуска.

Стандарты качества балансировки роторов

Стандарт действителен только для жестких роторов, и допустимые остаточные дисбалансы для гибких роторов им не определяются. Этим стандартом не охватываются ни источники ошибок балансировки, ни процедура балансировки. Стандарт балансировки определяет обобщенные классы, для которых в конкретных случаях подбираются роторы по способу их применения, их массе и скорости а также геометрическим параметрам.

В общем, чем больше масса ротора, тем больше допустимый остаточный дисбаланс. Чтобы связать величину полного допустимого дисбаланса, U, с массой ротора, М, определён термин «величина удельного допустимого дисбаланса», u. Это максимальный предел отношения между величиной дисбаланса и единичной массой ротора. Он аналогичен удельной энтальпии или удельной энтропии, используемых в термодинамике. Математически он выражается формулой:

u = (eper =) U/M

где U= допустимый удельный дисбаланс (иногда называемый эксцентриситетом массы) (um*кг/кг), U = полный допустимый дисбаланс ротора (um*кг),

Класс качества (линии на диаграмме) связывает максимальную рабочую скорость с допустимым удельным дисбалансом. Для конкретного класса, с возрастанием скорости ротора (вправо на диаграмме) требования к u  становятся жестче (вниз). Это означает, что допустимое количество дисбаланса уменьшается при увеличении скорости машины. Классы качества балансировки (линии) разделены между собой коэффициентом 2,5. Однако, иногда применяются между этими линиями.

Ось горизонтального отклонения = максимальная рабочая скорость ( оборотов в минуту ). Ось вертикального отклонения = удельный допустимый дисбаланс, u (g*мм/кг).

Измерительные плоскости, плоскости подшипников и корректировочные (уравновешивающие) плоскости могут быть разными, и это не необычно. Полный допустимый дисбаланс, О, следует распределить по определенным плоскостям, например, для корректировки балансировки. В этот этап входит серия расчетов, основанных на распределении массы ротора и расположении корректировочной плоскости. Обычно эти расчеты можно сократить и получить приблизительный результат. В случае использования двух корректировочных плоскостей полный допустимый разбаланс на одну плоскость должен приблизительно равняться 1/2 О.

Полное название Стандарта:

ISO 1940-1: Механическая вибрация - Требования к качеству баланса жестких роторов - Определение допустимого остаточного дисбаланса. (14 страниц).