Балансировка крупногабаритных роторов

Причины:

1) малая жесткость изделия,

2) вибрации.

Для минимизации нежелательного воздействия этих причин обычно применяют промежуточные опоры (люнеты, стойки с роликами). Решающее влияние на точность геометрических размеров и чистоту поверхности изделия оказывают:

  • определение технологической базы обработки изделия,

  • конструкция промежуточных опор,

  • схема установки промежуточных опор на станине.

Наибольшей трудоемкостью с точки зрения выбора конструкции и мест установки люнетов, а также их настройки отличается обработка валов в центрах. Выбор наружной поверхности вала в качестве технологической базы позволяет повысить производительность и точность обработки. Аналогом базирования валов по наружной поверхности является обработка на бесцентрово­шлифовальных станках. Но у данного метода существуют следующие недостатки:

  • шаржирование обрабатываемой поверхности;
  • ограниченная длина заготовки, обусловленная биением ее свободных концов, выходящих за пределы зоны обработки;
  • малая глубина резания.

При точении крупногабаритных роторов часто возникают колебания технологической системы. Характеристики жесткости и демпфирования заготовки являются переменными. Коэффициенты жесткости и сопротивления изменяются по длине заготовки, принимая минимальные значения в середине пролета. В связи с этим наиболее интенсивные колебания возникают при обработке середины пролета ротора, изза чего при решении задачи оптимизации режимов резания необходимо обеспечить в первую очередь устойчивость ее обработки. Поэтому при обработке крупногабаритных роторов почти в 100% случаях сохраняется остаточная вибрация. Вибрация вызывает разрушение подшипников, фундамента и самой машины. Для ее устранения применяется технологический процесс, который, может быть, нельзя отнести к способам обработки. В ходе его выполнения не происходит изменения размеров и внешнего вида изделия. Однако трудно переоценить его значение для любых деталей вращения, а крупногабаритных в особенности. Речь идет о балансировке – устранении разности масс изделия с целью уменьшения вибрации при вращении. Процесс относится, как правило, к деталям вращения (роторам), работающим в диапазоне от 60 об./мин и выше. Существуют два вида балансировки – статическая (изделие балансируется на стенде либо на специальном станке с целью уменьшения явной разности масс) и динамическая (изделие балансируется на специальном станке с целью сведения разности масс к заданному значению).

В крупногабаритных роторах различают статический, моментный и динамический дисбалансы.

Статический дисбаланс – дисбаланс, возникающий, когда ось инерции ротора параллельна оси вращения (рис. 1).

– дисбаланс, возникающий, когда ось инерции ротора оси вращения ().  

Такой дисбаланс устраняется статической балансировкой на специальных стойках (рис. 2). Ротор шейками вала устанавливается на стойки, выверенные по горизонтали и при этомповорачивается тяжелой стороной вниз. На торцы ротора подбираются и ставятся свинцовые грузы веса, исключающего непроизвольный поворот изделия в стойках. После достижения результата свинцовые грузы меняют на стальные такого же веса. Грузы приваривают или привертывают к торцам ротора.

Моментный дисбаланс (рис. 3) возникает, если ось инерции ротора пересекается с осью его вращения в центре тяжести. При этом два источника дисбаланса размещены с противоположных сторон ротора под углом 180° друг к другу. Поскольку дисбаланс нельзя обнаружить статическим методом, ротору, имеющему такой тип дисбаланса, нужно придать некоторую угловую скорость, вращая изделие в стойках. Следует отметить, что этот тип дисбаланса исправляется добавлением или удалением массы в двух местах.

() возникает, если ось инерции ротора с осью его вращения в центре тяжести. При этом два источника дисбаланса размещены с противоположных сторон ротора под углом 180° друг к другу. Поскольку дисбаланс нельзя обнаружить статическим методом, ротору, имеющему такой тип дисбаланса, нужно придать некоторую угловую скорость, вращая изделие в стойках. Следует отметить, что этот тип дисбаланса исправляется добавлением или удалением массы в двух местах.  

При изготовлении или ремонте крупногабаритных роторов редко возникает статический или моментный дисбаланс в чистом виде. Как правило, металлообработчики сталкиваются с динамическим дисбалансом, при котором ось инерции скрещивается с осью вращения. Данный тип дисбаланса может быть исправлен коррекцией масс в двух плоскостях, перпендикулярных к оси вращения. При динамическом дисбалансе угловое положение статического дисбаланса относительно дисбаланса пары находится в диапазоне от 0° до 180°, не достигая граничных значений этого диапазона.  

Для качественной динамической балансировки крупногабаритного ротора еще в процессе механической обработки следует соблюдать следующие правила:

1) Правильно выбрать технологическую базу при обработке изделия. Для длинномерных изделий (рис. 4) за базу нужно принимать только рабочую поверхность.

2) Минимизировать до 0,03 мкм радиальное биение шеек ротора относительно базы.

3) Следить, чтобы конусность не превышала 0,02 мкм на пог. м длины изделия.

4) Для сложных изделий (фрез, мельниц) осуществлять уравновешение деталей противоположных пазов путем высверливания отверстий (рис. 5).  

5) При обработке изделия проводить промежуточную статическую балансировку (рис. 3).

6) При обработке изделия проводить промежуточную статическую балансировку ().

Прежде, чем приступить к динамической балансировке изделия, необходимо задать программу динамической балансировки. Как правило, к балансировочным станкам прилагаются программы динамической балансировки типичных конфигураций роторов, поэтому остается лишь задать параметры для данного изделия (рис. 6)   

Основными параметрами являются: длина бочки ротора А, межопорное расстояние А1, диаметр D, радиусы размещения балансировочных грузов (отверстий) R1 и R2. Кроме того в компьютер вводится значение рабочего числа оборотов изделия.

По завершению механической обработки и отработке программы динамической балансировки изделие устанавливается на станок для динамической балансировки (рис. 7).   

Шейки устанавливаются на ролики стоек 1, при необходимости используются промежуточные опоры 2. На торцы шеек изделия крепятся шаблоны, с помощью которых датчиками 3 снимается информация о вибрации изделия. Изделие приводится во вращение электродвигателем 4 через ременной привод. Данные с датчиков 3 поступают в компьютер, где уже задана программа балансировки данного изделия. В завершении на дисплей компьютера выводятся значения масс уравновешивающих грузов справа и слева. Грузы указанных масс крепятся к изделию и проводится новый цикл балансировки. Циклы повторяются до тех пор, пока значения уравновешивающих масс не достигнут заданных технической документацией.

Когда значения уравновешивающих масс определены, проводится завершающая часть балансировки – коррекция массы. Существует два способа коррекции: добавление массы и удаление массы. Добавление массы может выполняться путем крепления груза при помощи резьбы. В таком случае на торцевых поверхностях ротора выполняются резьбовые отверстия, в которые закручиваются балансировочные болты. Масса головки такого болта равна массе уравновешивающего груза. Применение этого способа гарантирует точность балансировки. Однако для крупногабаритных изделий часто значения уравновешивающих масс довольно высоки (например, для изделия на рис. 5 – до 2 кг.). Поэтому используется добавление веса способом сварки, то есть нанесением расплавленного металла на поверхность ротора в нужном месте. При этом должны быть приняты меры для предотвращения температурной деформации и повреждения ротора. Часто добавление груза невозможно изза конструктивных особенностей узла, в котором применяется изделие. Груз в процессе эксплуатации может повредиться, отскочить и т.д. В таких случаях применяют наиболее эффективный метод коррекции дисбаланса – удаление массы. Удаление массы может осуществляться сверлением на определенную глубину, либо фрезерованием. Применение метода требует дополнительных операций, а для крупногабаритных роторов – часто использования станков глубокого сверления или тяжелых обрабатывающих центров (при фрезеровке). Таким образом, ясно, что при изготовлении крупногабаритных роторов с самого начала технологического процесса нужно стремиться к минимизации всех видов дисбаланса.

Выводы. При изготовлении крупногабаритных роторов почти в 100% случаях нельзя устранить вибрации путем механической обработки. Эксплуатация изделия с неустраненными вибрациями приводит сначала к разрушению подшипниковых опор, затем станины, и итогом становится выход из строя всего оборудования. Минимизировать вибрации, чтобы их влиянием при эксплуатации изделия можно было пренебречь, возможно только путем балансировки ротора. Поэтому балансировка крупногабаритных роторов является обязательной частью технологического процесса изготовления изделия.

При изготовлении крупногабаритных роторов почти в 100% случаях нельзя устранить вибрации путем механической обработки. Эксплуатация изделия с неустраненными вибрациями приводит сначала к разрушению подшипниковых опор, затем станины, и итогом становится выход из строя всего оборудования. Минимизировать вибрации, чтобы их влиянием при эксплуатации изделия можно было пренебречь, возможно только путем балансировки ротора. Поэтому балансировка крупногабаритных роторов является обязательной частью технологического процесса изготовления изделия.

Инж. А.Л. Зельдович
Директор ООО МИПФ «Инженерная техника»

В статье использованы фотографии оборудования ООО МИПФ «Инженерная Техника» и изделий, изготавливаемых или ремонтируемых предприятием.