Положение оси инерции ротора зависит от распределения его элементов по окружности. Если массы всех сборочных единиц и деталей равномерно распределены, ось инерции совпадает с осью вращения.
Такой ротор называется уравновешенным. В большинстве случаев массы распределяются неравномерно, ось инерции смещена относительно оси вращения, появляется дисбаланс, равный произведению неуравновешенной массы на ее эксцентриситет. Такой ротор называется неуравновешенным. В неуравновешенных роторах возникают центробежные силы, пропорциональные дисбалансу и квадрату частоты вращения.
Рис. 1. Виды неуравновешенностей:
а — статическая, б — динамическая, в — смешанная
Когда сила направлена вверх, давление на подшипник уменьшается, при повороте ротора на 180° сила действует вниз, увеличивая давление на подшипник.
Такое периодическое изменение давления на подшипник приводит к вибрации ротора, которая через подшипник передается на корпус и фундамент машины, ухудшает работу скользящего контакта и уменьшает долговечность подшипников.
Неуравновешенные роторы балансируют. Процесс балансировки заключается в совмещении оси инерции ротора с осью вращения снятием металла или установкой балансировочных грузиков в определенных местах по окружности ротора. Особенно тщательно балансируют роторы быстроходных машин.
Возможны три вида дебаланса ротора: статический, динамический и смешанный. При статическом дебалансе ось инерции А—А (рис. 1, а), которая проходит через центр тяжести С, смещена параллельно оси вращения ротора. В этом случае центробежная сила RCT от дебаланса вызывает на опорах одинаковые по величине и совпадающие по фазе вибрации. Динамический дебаланс характеризуется расположением оси инерции А—А под углом к оси вращения (рис. 1, б). При этом пара центробежных сил Ram вызывает на опорах одинаковые по величине и противоположные по фазе вибрации. Смешанный дебаланс (рис. 1, в) приводится к паре сил Rn„„ и силе RCT, вибрации опор в этом случае отличаются как по величине, так и по фазе. Наиболее распространенным является смешанный дебаланс.
Различают два способа балансировки: статический и динамический. Для тихоходных машин с коротким ротором ограничиваются обычно статической балансировкой. Для остальных машин после статической осуществляют динамическую балансировку.
При статической балансировке снятие металла или установку грузиков производят на одном торце ротора. При динамической балансировке каждую половину ротора балансируют отдельно.
Ротор 1 (рис. 2, а) при статической балансировке кладут концами вала на параллельные горизонтальные линейки — призмы 3, установленные по уровню. Отклонение от горизонтального уровня не должно превышать 0,02 мм на 1000 мм длины. Ширину рабочей поверхности призмы выбирают в зависимости от массы ротора.
| Масса ротора, кг | до 3 | от 3 до 30 | от 30 до 300 | от 300 до 2000 |
Ширина рабочей поверхности призмы, мм | 0,3 | 3 | 10 | 30 |
Если диаметры шеек вала неодинаковы, для выравнивания оси ротора на шейку с меньшим диаметром устанавливают кольцо 2, толщина которого равна разности радиусов шеек.
Рис. 2. Статическая балансировка:
а — на призмах, 6 — на вращающихся опорах
Более точные результаты дает статическая балансировка на вращающихся опорах (рис. 2, б) с подшипниками качения. Диаметр D и длину роликов 4 подбирают в зависимости от массы ротора 1.
Масса ротора, кг | до 250 | от 250 до 1500 | от 1500 до 10 000 |
Диаметр D, мм | 100 | 150 | 250 |
Длина ролика, мм | 40 | 70 | 250 |
Ротор при статической балансировке вращают на призмах или опорах, устанавливая в разных положениях. Если ось инерции расположена выше оси вала, ротор под действием неуравновешенной массы т (рис. 2, а) начинает вращаться и после нескольких колебаний в ту и другую сторону останавливается. Неуравновешенная масса при этом оказывается в нижнем положении. Балансировочный груз прикрепляют в верхней точке ротора. Затем снова устанавливают ротор в разных положениях, подбирая такую массу груза, при которой ротор перестает вращаться при любом его положении.
Динамическую балансировку роторов производят на специальных станках, позволяющих определить массу и положение уравновешивающих грузиков в двух плоскостях исправления* А и Б (рис. 3). Ротор 1 располагают в подпружиненных опорах 2 и 9 станка и приводят во вращение электродвигателем 7.
Вибрации опор, вызываемые неуравновешенностью ротора, передаются катушкам 3, которые перемещаются в магнитном поле между полюсами N и S. В катушках возникает ЭДС, пропорциональная амплитудам вибраций опор.
*Плоскостями исправления называют плоскости, перпендикулярные осн вращения, в которых удалением или добавлением масс компенсируют неуравновешенность ротора. В качестве плоскостей исправления могут быть использованы плоскости деталей — нажимные шайбы, вентиляторы, коллекторы или специальные детали — балансировочные кольца.
Напряжение с катушек через усилитель 4 подается к прибору б и в цепь стробоскопа 5. Вспышки лампы 8 стробоскопа освещают шкалу на шпинделе станка. Вспышки по времени совпадают с максимальным вибрационным смещением, т. е. с моментом, когда неуравновешенная масса находится в верхнем или нижнем положении.
Рис. 3. Схема балансировочного станка
Стробоскоп дает одну мгновенную вспышку за каждый оборот ротора. благодаря чему вращающаяся шкала кажется остановившейся в определенном положении. Станок останавливают, ротор поворачивают в положение, которое было замечено по шкале при вращении, устанавливая тем самым место, в котором следует прикрепить контрольный груз: «легкое» и «тяжелое» места расположены в вертикальной плоскости. Дебаланс ротора определяют по стрелочному прибору 6. Снова включают станок. Если груз установлен правильно, показания прибора уменьшаются. Постепенно увеличивая груз, добиваются устранения неуравновешенности. Если показания прибора увеличиваются, груз необходимо перенести на 180°. Сначала производят балансировку в одной плоскости, например в плоскости А, подключая к усилителю левую катушку; затем с помощью переключателя подключают вторую катушку, балансируя вторую половину ротора. Роторы крупных машин балансируют в собственных подшипниках при вращении машины без нагрузки.
Вибрацию подшипников измеряют виброметрами или стрелочными индикаторами.
Для электрических машин предусмотрены три класса точности уравновешивания: нулевой, первый и второй. Второй класс точности установлен для машин с обычными требованиями по уровню вибрации, первый — для малошумных машин и машин с повышенной точностью вращения (для станков, бытовых приборов и пр.). Нулевой класс необходим для машин с особо высокими требованиями к уровню вибрации; в этих машинах применяют подшипники высоких классов точности, производят балансировку ротора в собранной машине, а в щитах предусматриваются окна для доступа к местам балансировки.
В чертеже ротора указывают плоскости исправления и методы устранения неуравновешенности, а также допустимую остаточную неуравновешенность, так как в процессе балансировки добиться полной уравновешенности ротора практически невозможно.
Балансировку роторов надо производить соблюдая следующие правила безопасности. При статической балансировке на призмах ротор следует размещать в средней части призм и вращать медленно, чтобы при перекатывании не произошло его падения. Длина призм должна быть такой, чтобы ротор мог сделать не менее одного оборота в каждую сторону. Перед установкой ротора на призмы надо убедиться, что длина вала больше расстояния между призмами. Вращающиеся опоры предварительно проверяют на отсутствие заеданий в подшипниках. При динамической балансировке не следует останавливать ротор руками. Балансировочные грузы должны быть тщательно закреплены. Рукава рабочей одежды должны иметь манжеты для предохранения их от захвата вращающимися частями.
