БАЛАНСИРОВОЧНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ

Статическая балансировка рабочих колес вращающихся механизмов

Надежная и исправная работа вращающихся механизмов зависит от большого числа факторов, таких как: соосность валов агрегата; состояние подшипников, их смазка, посадка на валу и в корпусе; износ корпусов и уплотнений; зазоры в проточной части; выработка сальниковых втулок; радиальный бой и прогиб вала; дисбаланс рабочего колеса и ротора; подвеска трубопроводов; исправность обратных клапанов; состояние рам, фундаментов, анкерных болтов и многое другое. Очень часто упущенный небольшой дефект, как снежный ком тянет за собой другие, а в результате выход оборудования из строя. Только учитывая все факторы, точно своевременно диагностируя их, и соблюдая требования ТУ на ремонт вращающихся механизмов, можно добиться безотказной работы агрегатов, обеспечить заданные рабочие параметры, увеличить межремонтный ресурс, снизить уровень вибрации и шума. Планируется посвятить теме ремонта вращающихся механизмов ряд статей, в которых будут рассмотрены вопросы диагностики, технологии ремонта, модернизации конструкции, требованиям к отремонтированному оборудованию и рационализаторским предложениям по повышению качества и снижению трудоемкости ремонта.

В ремонте насосов, дымососов и вентиляторов трудно переоценить значение точной балансировки механизма. Как удивительно и радостно видеть некогда грохочущую и трясущуюся машину, которую усмирили и успокоили несколько граммов противовеса, заботливо установленные в «нужное место» умелыми руками и светлой головой. Невольно задумываешься о том, что значат граммы металла на радиусе колеса вентилятора и тысячах оборотов в минуту. Так в чем же причина такой резкой перемены в поведении агрегата?

Дисбаланс

Вся масса ротора вместе с рабочим колесом сосредоточена в одной точке - центре масс (центре тяжести), но из-за неточности изготовления и неравномерности плотности материала (особенно для чугунных отливок) эта точка смещена на некоторое расстояние от оси вращения (Рисунок №1). При работе агрегата возникают силы инерции - F, действующие на смещенный центр масс, пропорциональные массе ротора, смещению и квадрату угловой скорости. Они-то и создают переменные нагрузки на опоры R, прогиб ротора и вибрации, приводящие к преждевременному выходу агрегата из строя. Величина равная произведению расстояния от оси до центра масс на массу самого ротора - называется статическим дисбалансом и имеет размерность [г x см].

Задачи статической балансировки

Задача статической балансировки приведение центра масс ротора на ось вращения путем изменения распределения массы.

Наука о балансировке роторов объемна и разнообразна. Существуют способы статической балансировки, динамической балансировки роторов на станках и в собственных подшипниках. Балансируют самые различные ротора от гироскопов и шлифовальных кругов, до роторов турбин и судовых коленчатых валов. Создано множество приспособлений, станков и приборов с применением новейших разработок в области приборостроения и электроники для балансировки разных агрегатов. Что касается агрегатов, работающих в теплоэнергетике, то нормативной документацией по насосам, дымососам и вентиляторам предъявляются требования по статической балансировке рабочих колес и динамической балансировке роторов. Для рабочих колес применима статическая балансировка, т. к. при превышении диаметром колеса его ширины более чем в пять раз, остальные составляющие (моментная и динамическая) малы, и ими можно пренебречь.

Чтобы отбалансировать колесо нужно решить три задачи:

1)  найти то самое «нужное место» - направление, на котором расположен центр тяжести;

2)  определить, сколько «заветных грамм» противовеса необходимо и на каком радиусе их расположить;

3)  уравновесить дисбаланс корректировкой массы рабочего колеса.

Приспособления для статической балансировки

Найти место дисбаланса помогают приспособления для статической балансировки. Их возможно изготовить самостоятельно они просты и недороги. Рассмотрим некоторые конструкции.

Простейшим устройством для статической балансировки являются ножи или призмы (Рисунок №2), установленные строго горизонтально и параллельно. Отклонение от горизонта в плоскостях параллельной и перпендикулярной оси колеса, не должно превышать 0,1 мм на 1 м. Средством проверки может служить уровень «Геологоразведка 0,01» или уровень соответствующей точности. Колесо одевается на оправку, имеющую опорные шлифованные шейки (в качестве оправки, можно использовать вал, заранее проверив его точность). Параметры призм из условий прочности и жесткости для колеса массой 100 кг и диаметром шейки оправки d = 80 мм составят: рабочая длинна L = p X d = 250 мм; ширина около 5 мм; высота 50 - 70 мм.

Шейки оправки и рабочие поверхности призм должны быть шлифованными для снижения трения. Призмы необходимо зафиксировать на жестком основании.

Если дать колесу возможность свободно перекатываться по ножам, то после остановки центр масс колеса займет положение не совпадающее с нижней точкой, из-за трения качения. При вращении колеса в противоположную сторону, после остановки оно займет другое положение. Среднее положение нижней точки соответствует истинному положению центра масс  устройства (Рисунок №3) для статической балансировки. Они не требуют точной горизонтальной установки как ножи и на диски (ролики) можно устанавливать ротора с разными диаметрами цапф. Точность определения центра масс меньше из-за дополнительного трения в подшипниках качения роликов.

Применяются устройства для статической балансировки роторов в собственных подшипниках. Для снижения трения в них, которое определяет точность балансировки, применяют вибрацию основания или вращение наружных колец опорных подшипников в разные стороны.

Балансировочные весы

Самым точным и в то же время сложным устройством статической балансировки являются балансиро вочные весы (Рисунок №4). Конструкция весов для рабочих колес приведена на рисунке. Колесо устанавливают на оправку по оси шарнира, который может качаться в одной плоскости. При повороте колеса вокруг оси, в различных положениях его уравновешивают противовесом, по величине которого находят место и дисбаланс колеса.

Методы балансировки

Величину дисбаланса или количество граммов корректирующей массы определяют следующими способами:

- методом  подбора, когда установкой противовеса в точке противоположной центру масс добиваются равновесия колеса в любых положениях;

- методом пробной массы - Мп, которую устанавливают под прямым углом к  «тяжелой точке», при этом ротор совершит поворот на угол j. Корректирующую массу вычисляют по формуле Мк = Мп ctg j или определят по номограмме (Рисунок №5): через точку, соответствующую пробной массе на шкале Мп, и точку, соответствующую углу отклонения от вертикали j, проводят прямую, пересечение которой с осью Мк дает величину корректирующей массы. В качестве пробной массы можно использовать магниты или пластилин.

- метод кругового обхода. Самым подробным и наиболее точным, но и наиболее трудоемким является метод кругового обхода. Он применим и для тяжелых колес, где большое трение мешает точно определить место дисбаланса. Поверхность ротора делят на двенадцать или более равных частей и последовательно в каждой точке подбирают пробную массу Мп, которая приводит ротор в движение. По полученным данным строят диаграмму  (Рисунок №6) зависимости Мп от положения ротора. Максимум кривой соответствует «легкому» месту, куда необходимо установить корректирующую массу Мк = (Мп max + Мп min )/2.

Способы устранения дисбаланса

После определения места и величины дисбаланса его необходимо устранить. Для вентиляторов и дымососов дисбаланс компенсируется противовесом, который устанавливается на внешней стороне диска рабочего колеса. Чаще всего для крепления груза используют электросварку. Этот же эффект достигается снятием металла в «тяжелом» месте на рабочих колесах насосов (по требованиям ТУ допускается снятие металла на глубину не более 1 мм в секторе не более 1800). При этом корректировку дисбаланса стараются проводить на максимальном радиусе, т. к. с увеличением расстояния от оси, возрастает влияние массы корректируемого металла на равновесие колеса.

 Остаточный дисбаланс

После балансировки рабочего колеса из-за погрешностей измерений и неточности устройств сохраняется смещение центра масс, которое называется остаточным статическим дисбалансом. Для рабочих колес вращающихся механизмов нормативная документация задает допустимый остаточный дисбаланс. Например, для колеса сетевого насоса 1Д1250 - 125 задается остаточный дисбаланс 175 г х см (ТУ 34 - 38 - 20289 - 85).

Сравнение методов балансировки на различных устройствах

Критерием сравнения точности балансировки может служить удельный остаточный дисбаланс. Он равен отношению остаточного дисбаланса к массе ротора (колеса) и измеряется в [мкм]. Удельные остаточные дисбалансы для различных методов статической и динамической балансировки сведены в таблицу №1.

Из всех устройств статической балансировки, весы дают самый точный результат, однако, это устройство самое сложное. Роликовое устройство, хотя и сложнее параллельных призм в изготовлении, но проще в эксплуатации и дает результат не многим хуже.

Основным недостатком статической балансировки является необходимость получения низкого коэффициента трения при больших нагрузках от веса рабочих колес. Повышение точности и эффективности балансировки насосов, дымососов и вентиляторов можно достичь методами динамической балансировки роторов на станках и в собственных подшипниках.

Применение статической балансировки

Статическая балансировка рабочих колес эффективное средство снижения вибрации, нагрузки на подшипники и повышения долговечности машины. Но она не панацея от всех бед. В насосах типа «К» можно ограничиться статической балансировкой, а для роторов моноблочных насосов «КМ» требуется динамическая, т. к. там возникает взаимное влияние небалансов колеса и ротора электродвигателя. Необходима динамическая балансировка и для роторов электродвигателей, где масса распределена по длине ротора. Для роторов с двумя и более колесами, имеющих массивную соединительную полумуфту (например СЭ 1250 - 140), колеса и муфта балансируются отдельно, а затем ротор в сборе балансируют динамически. В отдельных случаях длят обеспечения нормальной работы механизма необходима динамическая балансировка всего агрегата в собственных подшипниках.

Точная статическая балансировка - это необходимая, но иногда не достаточная основа надежной и долговечной работы агрегата.