Ο ρότορας είναι ένα σώμα που περιστρέφεται γύρω από κάποιον άξονα και συγκρατείται από τις επιφάνειες έδρασης του στα στηρίγματα. Οι επιφάνειες έδρασης του ρότορα μεταφέρουν φορτία στα στηρίγματα μέσω ρουλεμάν κύλισης ή ολίσθησης. Οι επιφάνειες έδρασης είναι οι επιφάνειες των στροφέων ή οι επιφάνειες που τους αντικαθιστούν.
Σχ.1 Ο ρότορας και οι φυγόκεντρες δυνάμεις που ασκούνται σε αυτόν.
Σε έναν τέλεια ζυγοσταθμισμένο ρότορα, η μάζα του κατανέμεται συμμετρικά γύρω από τον άξονα περιστροφής, δηλαδή, οποιοδήποτε στοιχείο του ρότορα μπορεί να ταιριάξει με ένα άλλο στοιχείο που βρίσκεται συμμετρικά γύρω από τον άξονα περιστροφής. Σε έναν ισορροπημένο ρότορα, η φυγόκεντρος δύναμη που ασκείται σε οποιοδήποτε στοιχείο του ρότορα εξισορροπείται από τη φυγόκεντρο δύναμη που ασκείται στο συμμετρικό στοιχείο. Για παράδειγμα, οι φυγόκεντρες δυνάμεις F1 και F2, ίσες σε μέγεθος και αντίθετης κατεύθυνσης, δρουν στα στοιχεία 1 και 2 (σημειωμένα με πράσινο χρώμα στο σχήμα 1). αυτό ισχύει για όλα τα συμμετρικά στοιχεία του ρότορα, και έτσι η συνολική φυγόκεντρος δύναμη που δρα στον ρότορα είναι 0 και ο ρότορας είναι ισορροπημένος.
Αν όμως η συμμετρία του ρότορα σπάσει (το ασύμμετρο στοιχείο επισημαίνεται με κόκκινο χρώμα στο σχήμα 1), τότε στον ρότορα ασκείται μη ισορροπημένη φυγόκεντρος δύναμη F3.Όταν περιστρέφεται, η δύναμη αυτή αλλάζει κατεύθυνση με την περιστροφή του ρότορα. Το δυναμικό φορτίο που προκύπτει από αυτή τη δύναμη μεταδίδεται στα έδρανα, με αποτέλεσμα την επιταχυνόμενη φθορά.
Επιπλέον, υπό την επίδραση αυτής της μεταβλητής δύναμης κατεύθυνσης υπάρχει μια κυκλική παραμόρφωση των στηρίξεων και των θεμελίων, στα οποία είναι στερεωμένος ο ρότορας, δηλαδή υπάρχει δόνηση. Προκειμένου να εξαλειφθεί η ανισορροπία του δρομέα και η συνοδευτική δόνηση, πρέπει να εγκατασταθούν μάζες εξισορρόπησης για την αποκατάσταση της συμμετρίας του δρομέα.
Η εξισορρόπηση του ρότορα είναι μια εργασία για τη διόρθωση της ανισορροπίας με την προσθήκη μαζών εξισορρόπησης.
Το έργο της εξισορρόπησης είναι να βρεθεί το μέγεθος και η θέση (γωνία) μιας ή περισσότερων μαζών εξισορρόπησης.
Τύποι ρότορα και τύποι ανισορροπίας.
Λαμβάνοντας υπόψη την αντοχή του υλικού του ρότορα και το μέγεθος των φυγοκεντρικών δυνάμεων που ασκούνται σε αυτόν, οι ρότορες μπορούν να χωριστούν σε δύο είδη - άκαμπτοι ρότορες και εύκαμπτοι.
Οι άκαμπτοι ρότορες παραμορφώνονται ασήμαντα υπό την επίδραση της φυγόκεντρης δύναμης στους τρόπους λειτουργίας και η επιρροή αυτής της παραμόρφωσης στους υπολογισμούς μπορεί να αμεληθεί.
Η παραμόρφωση των εύκαμπτων στροφέων δεν μπορεί πλέον να παραμεληθεί. Η παραμόρφωση των εύκαμπτων δρομέων περιπλέκει την επίλυση του προβλήματος εξισορρόπησης και απαιτεί την εφαρμογή άλλων μαθηματικών μοντέλων σε σύγκριση με το πρόβλημα της εξισορρόπησης άκαμπτων δρομέων.Πρέπει να σημειωθεί ότι ο ίδιος δρομέας σε χαμηλές ταχύτητες μπορεί να συμπεριφέρεται ως άκαμπτος και σε υψηλές ταχύτητες - ως εύκαμπτος. Στη συνέχεια, θα εξετάσουμε μόνο την εξισορρόπηση άκαμπτων ρότορων.
Ανάλογα με την κατανομή των μη ισορροπημένων μαζών κατά μήκος του δρομέα, μπορούν να διακριθούν δύο τύποι ανισορροπίας - η στατική και η δυναμική (στιγμιαία). Αντίστοιχα, αναφέρονται η στατική και η δυναμική εξισορρόπηση δρομέα. Η στατική ανισορροπία ρότορα εμφανίζεται χωρίς περιστροφή του ρότορα, δηλαδή στη στατική, όταν ο ρότορας αντιστρέφεται από τη βαρύτητα με το "βαρύ σημείο" του προς τα κάτω. Ένα παράδειγμα ρότορα με στατική ανισορροπία παρουσιάζεται στο σχήμα 2.
Σχ.2 Στατική ανισορροπία του δρομέα.
Υπό την επίδραση της βαρύτητας, το "βαρύ σημείο" στρέφεται προς τα κάτω.
Η δυναμική ανισορροπία εμφανίζεται μόνο όταν ο δρομέας περιστρέφεται.
Ένα παράδειγμα δρομέα με δυναμική ανισορροπία παρουσιάζεται στο σχήμα 3.
Σχ.3 Δυναμική ανισορροπία του δρομέα.
Οι δυνάμεις Fc1 και Fc2 δημιουργούν μια ροπή που τείνει να εξισορροπήσει τον δρομέα.
Στην περίπτωση αυτή, οι μη ισορροπημένες ίσες μάζες M1 και M2 βρίσκονται σε διαφορετικά επίπεδα - σε διαφορετικά σημεία κατά μήκος του ρότορα. Στη στατική θέση, δηλαδή όταν ο ρότορας δεν περιστρέφεται, μόνο η βαρύτητα δρα στο ρότορα και οι μάζες ισορροπούν μεταξύ τους. Στη δυναμική, όταν ο ρότορας περιστρέφεται, οι φυγόκεντρες δυνάμεις Fc1 και Fc2 αρχίζουν να δρουν στις μάζες M1 και M2. Οι δυνάμεις αυτές είναι ίσες σε μέγεθος και αντίθετες σε κατεύθυνση. Ωστόσο, δεδομένου ότι εφαρμόζονται σε διαφορετικά σημεία κατά μήκος του άξονα και δεν βρίσκονται στην ίδια ευθεία, οι δυνάμεις αυτές δεν αντισταθμίζουν η μία την άλλη. Οι δυνάμεις Fc1 και Fc2 δημιουργούν μια ροπή που εφαρμόζεται στο ρότορα. Ως εκ τούτου, αυτή η ανισορροπία ονομάζεται επίσης ανισορροπία ροπής. Αντίστοιχα, στις θέσεις των ρουλεμάν δρουν μη αντισταθμισμένες φυγόκεντρες δυνάμεις, οι οποίες μπορεί να υπερβούν κατά πολύ τις υπολογισμένες τιμές και να μειώσουν τη διάρκεια ζωής των ρουλεμάν.
Δεδομένου ότι αυτός ο τύπος ανισορροπίας εμφανίζεται μόνο δυναμικά κατά τη διάρκεια της περιστροφής του δρομέα, ονομάζεται δυναμική ανισορροπία. Δεν μπορεί να διορθωθεί σε στατικές συνθήκες με εξισορρόπηση "στα μαχαίρια" ή παρόμοιες μεθόδους. Για να εξαλειφθεί η δυναμική ανισορροπία, πρέπει να εγκατασταθούν δύο αντισταθμιστικά βάρη, τα οποία παράγουν ροπή ίση σε μέγεθος και αντίθετη κατεύθυνση από τη ροπή που προκύπτει από τις μάζες M1 και M2. Οι αντισταθμιστικές μάζες δεν είναι απαραίτητο να τοποθετηθούν αντίθετα και ίσα σε μέγεθος με τις μάζες Μ1 και Μ2. Το κύριο είναι ότι παράγουν ροπή που αντισταθμίζει πλήρως τη ροπή ανισορροπίας.
Γενικά, οι μάζες Μ1 και Μ2 μπορεί να μην είναι ίσες μεταξύ τους, οπότε θα υπάρχει συνδυασμός στατικής και δυναμικής ανισορροπίας. Αποδεικνύεται θεωρητικά ότι για έναν άκαμπτο ρότορα, δύο βάρη που απέχουν μεταξύ τους κατά μήκος του ρότορα είναι απαραίτητα και επαρκή για την εξάλειψη της ανισορροπίας του. Τα βάρη αυτά θα αντισταθμίσουν τόσο τη ροπή που προκύπτει από τη δυναμική ανισορροπία όσο και τη φυγόκεντρο δύναμη που προκύπτει από την ασυμμετρία της μάζας σε σχέση με τον άξονα του ρότορα (στατική ανισορροπία). Τυπικά, η δυναμική ανισορροπία είναι χαρακτηριστική των μακρών ρότορων, όπως οι άξονες, και η στατική ανισορροπία είναι χαρακτηριστική των στενών ρότορων. Ωστόσο, εάν ο στενός ρότορας είναι λοξός σε σχέση με τον άξονα ή παραμορφωμένος ("σχήμα οκτώ"), τότε η δυναμική ανισορροπία θα είναι δύσκολο να εξαλειφθεί. (βλ. Σχ. 4), διότι στην περίπτωση αυτή είναι δύσκολο να εγκατασταθούν διορθωτικά βάρη που δημιουργούν την απαραίτητη αντισταθμιστική ροπή.
Σχ.4 Δυναμική ανισορροπία του στενού δρομέα.
Οι δυνάμεις F1 και F2 δεν βρίσκονται στην ίδια ευθεία και δεν αντισταθμίζουν η μία την άλλη.
Λόγω του γεγονότος ότι ο βραχίονας για τη δημιουργία ροπής είναι μικρός λόγω του στενού ρότορα, ενδέχεται να απαιτούνται μεγάλα διορθωτικά βάρη. Ωστόσο, αυτό έχει επίσης ως αποτέλεσμα μια "επαγόμενη ανισορροπία" λόγω της παραμόρφωσης του στενού ρότορα από τις φυγόκεντρες δυνάμεις των διορθωτικών βαρών. (Βλέπε για παράδειγμα "Μεθοδολογικές οδηγίες για την εξισορρόπηση άκαμπτων ρότορων (κατά ISO 22061-76)". Τμήμα 10. ΣΎΣΤΗΜΑ ΣΤΉΡΙΞΗΣ ΡΌΤΟΡΑ. )
Αυτό είναι αξιοσημείωτο για τις στενές πτερωτές των ανεμιστήρων, στις οποίες, εκτός από την ανισορροπία δυνάμεων, είναι ενεργή και η αεροδυναμική ανισορροπία. Και πρέπει να γίνει κατανοητό ότι η αεροδυναμική ανισορροπία ή μάλλον η αεροδυναμική δύναμη είναι ευθέως ανάλογη της γωνιακής ταχύτητας του δρομέα και για την αντιστάθμισή της χρησιμοποιείται η φυγόκεντρος δύναμη της διορθωτικής μάζας, η οποία είναι ανάλογη του τετραγώνου της γωνιακής ταχύτητας. Επομένως, το αποτέλεσμα της εξισορρόπησης μπορεί να λάβει χώρα μόνο σε μια συγκεκριμένη συχνότητα εξισορρόπησης. Σε άλλες συχνότητες περιστροφής υπάρχει πρόσθετο σφάλμα.
Το ίδιο μπορεί να ειπωθεί και για τις ηλεκτρομαγνητικές δυνάμεις σε έναν ηλεκτροκινητήρα, οι οποίες είναι επίσης ανάλογες της γωνιακής ταχύτητας. Επομένως, δεν είναι δυνατόν να εξαλειφθούν όλες οι αιτίες κραδασμών σε μια μηχανή με την εξισορρόπηση.
Δονήσεις μηχανισμών.
Η δόνηση είναι η αντίδραση του σχεδιασμού του μηχανισμού στις επιδράσεις μιας κυκλικής διεγερτικής δύναμης. Η δύναμη αυτή μπορεί να είναι διαφορετικής φύσης.
Η φυγόκεντρος δύναμη που προκύπτει από τον μη ισορροπημένο ρότορα είναι μια μη αντισταθμισμένη δύναμη που δρα στο "βαρύ σημείο". Αυτή η δύναμη και οι δονήσεις που προκαλούνται από αυτήν μπορούν να εξαλειφθούν με την εξισορρόπηση του ρότορα.
Δυνάμεις αλληλεπίδρασης "γεωμετρικής" φύσης που προκύπτουν από σφάλματα κατασκευής και συναρμολόγησης των εξαρτημάτων που συνδυάζονται. Οι δυνάμεις αυτές μπορούν, για παράδειγμα, να προκύψουν ως αποτέλεσμα της μη στρογγυλοποίησης των λαιμών των αξόνων, των σφαλμάτων στα προφίλ των δοντιών των οδοντωτών τροχών, της κυμάτωσης των αυλακώσεων των ρουλεμάν, της κακής ευθυγράμμισης των ζευγαρωμένων αξόνων κ.λπ. Σε περίπτωση μη κυκλικότητας των αυχένων ο άξονας του άξονα θα μετατοπιστεί ανάλογα με τη γωνία περιστροφής του άξονα. Αν και η δόνηση αυτή εμφανίζεται και στην ταχύτητα του ρότορα, είναι σχεδόν αδύνατο να εξαλειφθεί με εξισορρόπηση.
Αεροδυναμικές δυνάμεις που προκύπτουν από την περιστροφή των πτερυγίων των ανεμιστήρων και άλλων μηχανισμών πτερυγίων. Υδροδυναμικές δυνάμεις που προκύπτουν από την περιστροφή των πτερυγίων υδραυλικών αντλιών, στροβίλων κ.λπ.
Ηλεκτρομαγνητικές δυνάμεις που προκύπτουν από τη λειτουργία των ηλεκτρικών μηχανών, π.χ. ασύμμετρα τυλίγματα δρομέα, βραχυκυκλωμένα τυλίγματα κ.λπ.
Το μέγεθος της ταλάντωσης (π.χ. το πλάτος Av) εξαρτάται όχι μόνο από τη διεγερτική δύναμη Fv που ασκείται στο μηχανισμό με κυκλική συχνότητα ω, αλλά και από την ακαμψία k του μηχανισμού, τη μάζα του m , καθώς και το συντελεστή απόσβεσης C.
Διάφοροι τύποι αισθητήρων μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη μέτρηση των δονήσεων και των μηχανισμών ισορροπίας, όπως:
αισθητήρες απόλυτων δονήσεων σχεδιασμένοι για τη μέτρηση της επιτάχυνσης των δονήσεων (επιταχυνσιόμετρα) και αισθητήρες ταχύτητας των δονήσεων,
αισθητήρες σχετικών δονήσεων - δινορρευμάτων ή χωρητικότητας, σχεδιασμένοι για τη μέτρηση της μετατόπισης των δονήσεων. Σε ορισμένες περιπτώσεις (όταν ο σχεδιασμός του μηχανισμού το επιτρέπει), μπορούν επίσης να χρησιμοποιηθούν αισθητήρες δύναμης για την εκτίμηση του δονητικού φορτίου του. Συγκεκριμένα, χρησιμοποιούνται ευρέως για τη μέτρηση του δονητικού φορτίου των σκληρά εδραζόμενων στηριγμάτων μηχανών εξισορρόπησης.
Έτσι, η δόνηση είναι η αντίδραση μιας μηχανής στη δράση εξωτερικών δυνάμεων. Το μέγεθος της δόνησης εξαρτάται όχι μόνο από το μέγεθος της δύναμης που δρα στον μηχανισμό, αλλά και από την ακαμψία του σχεδιασμού του μηχανισμού. Μία και η αυτή δύναμη μπορεί να οδηγήσει σε διαφορετικές δονήσεις. Σε μια μηχανή με σκληρά έδρανα, ακόμη και αν η δόνηση είναι μικρή, τα έδρανα μπορεί να υπόκεινται σε σημαντικά δυναμικά φορτία. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο κατά την εξισορρόπηση μηχανών με σκληρά έδρανα χρησιμοποιούνται αισθητήρες δύναμης αντί για αισθητήρες κραδασμών (επιταχυνσιόμετρα κραδασμών).
Οι αισθητήρες κραδασμών χρησιμοποιούνται σε μηχανισμούς με σχετικά εύκαμπτα στηρίγματα, όταν η δράση μη ισορροπημένων φυγόκεντρων δυνάμεων οδηγεί σε αισθητή παραμόρφωση των στηριγμάτων και κραδασμούς. Οι αισθητήρες δύναμης χρησιμοποιούνται για άκαμπτα στηρίγματα, όταν ακόμη και οι σημαντικές δυνάμεις λόγω ανισορροπίας δεν οδηγούν σε σημαντικές δονήσεις.
Ο συντονισμός είναι ένας παράγοντας που εμποδίζει την εξισορρόπηση
Νωρίτερα αναφέραμε ότι οι ρότορες διακρίνονται σε άκαμπτους και εύκαμπτους. Η δυσκαμψία ή η ευκαμψία του ρότορα δεν πρέπει να συγχέεται με την δυσκαμψία ή την κινητικότητα των στηρίξεων (θεμελίωση) πάνω στις οποίες είναι εγκατεστημένος ο ρότορας. Ένας ρότορας θεωρείται άκαμπτος όταν η παραμόρφωσή του (κάμψη) υπό την επίδραση των φυγοκεντρικών δυνάμεων μπορεί να αμεληθεί. Η παραμόρφωση του εύκαμπτου ρότορα είναι σχετικά μεγάλη και δεν μπορεί να αμεληθεί.
Στο παρόν άρθρο, εξετάζουμε μόνο την εξισορρόπηση άκαμπτων ρότορων. Ένας άκαμπτος (μη παραμορφώσιμος) ρότορας μπορεί με τη σειρά του να τοποθετηθεί σε άκαμπτα ή κινητά (εύκαμπτα) στηρίγματα. Είναι σαφές ότι αυτή η ακαμψία/αναρτωσιμότητα των στηριγμάτων είναι επίσης σχετική, ανάλογα με την ταχύτητα του ρότορα και το μέγεθος των φυγόκεντρων δυνάμεων που προκύπτουν. Ένα υπό συνθήκη όριο είναι η συχνότητα των φυσικών δονήσεων των στηρίξεων του δρομέα.
Για τα μηχανικά συστήματα, η μορφή και η συχνότητα των φυσικών δονήσεων καθορίζονται από τη μάζα και την ελαστικότητα των στοιχείων του μηχανικού συστήματος. Δηλαδή, η συχνότητα των φυσικών δονήσεων είναι ένα εσωτερικό χαρακτηριστικό του μηχανικού συστήματος και δεν εξαρτάται από εξωτερικές δυνάμεις. Όταν εκτρέπονται από την κατάσταση ισορροπίας, τα στηρίγματα λόγω ελαστικότητας τείνουν να επιστρέφουν στη θέση ισορροπίας. Όμως, λόγω της αδράνειας του ογκώδους ρότορα, η διαδικασία αυτή έχει τη φύση αποσβεσμένων ταλαντώσεων. Οι ταλαντώσεις αυτές είναι οι φυσικές ταλαντώσεις του συστήματος ρότορα-στήριξης. Η συχνότητά τους εξαρτάται από το λόγο της μάζας του ρότορα προς την ελαστικότητα των στηρίξεων.
Όταν ο ρότορας αρχίζει να περιστρέφεται και η συχνότητα της περιστροφής του πλησιάζει τη συχνότητα των φυσικών δονήσεων, το πλάτος των δονήσεων αυξάνεται απότομα, γεγονός που μπορεί να οδηγήσει στην καταστροφή της κατασκευής.
Εμφανίζεται το φαινόμενο του μηχανικού συντονισμού. Στην περιοχή του συντονισμού, μια μεταβολή της ταχύτητας περιστροφής κατά 100 στροφές ανά λεπτό μπορεί να οδηγήσει σε αύξηση της δόνησης κατά δεκάδες φορές. Ταυτόχρονα (στην περιοχή συντονισμού) η φάση της δόνησης αλλάζει κατά 180°.
Σχ.5 Μεταβολές του πλάτους και της φάσης των ταλαντώσεων ενός μηχανικού συστήματος όταν μεταβάλλεται η συχνότητα μιας εξωτερικής δύναμης.
Εάν ο σχεδιασμός του μηχανισμού δεν είναι επιτυχής και η συχνότητα λειτουργίας του ρότορα είναι κοντά στη συχνότητα των φυσικών δονήσεων, τότε η λειτουργία του μηχανισμού καθίσταται αδύνατη λόγω των απαράδεκτα υψηλών δονήσεων. Αυτό δεν είναι δυνατό με τον συνήθη τρόπο, καθώς ακόμη και μια μικρή αλλαγή στην ταχύτητα θα προκαλέσει δραστική αλλαγή στις παραμέτρους των δονήσεων. Για την εξισορρόπηση στην περιοχή του συντονισμού χρησιμοποιούνται ειδικές μέθοδοι που δεν εξετάζονται στο παρόν άρθρο.
Είναι δυνατός ο προσδιορισμός της συχνότητας των φυσικών δονήσεων του μηχανισμού κατά την ακινητοποίηση (κατά την απενεργοποίηση της περιστροφής του ρότορα) ή με τη μέθοδο των κρούσεων με την επακόλουθη φασματική ανάλυση της απόκρισης του συστήματος στις κρούσεις.
Για μηχανισμούς, των οποίων η συχνότητα περιστροφής είναι πάνω από τη συχνότητα συντονισμού, δηλαδή λειτουργούν σε καθεστώς συντονισμού, τα στηρίγματα θεωρούνται ότι κινούνται και για τη μέτρηση χρησιμοποιούνται αισθητήρες δόνησης, κυρίως δονησιοεπιταχυνσιόμετρα, που μετρούν την επιτάχυνση των δομικών στοιχείων. Για μηχανισμούς που λειτουργούν σε καθεστώς προ-συντονισμού, τα στηρίγματα θεωρούνται άκαμπτα. Στην περίπτωση αυτή χρησιμοποιούνται αισθητήρες δύναμης.
Γραμμικά και μη γραμμικά μοντέλα ενός μηχανικού συστήματος. Η μη γραμμικότητα είναι ένας παράγοντας που εμποδίζει την εξισορρόπηση
Κατά την εξισορρόπηση άκαμπτων στροφέων, για τους υπολογισμούς εξισορρόπησης χρησιμοποιούνται μαθηματικά μοντέλα που ονομάζονται γραμμικά μοντέλα. Γραμμικό μοντέλο σημαίνει ότι σε ένα τέτοιο μοντέλο, η μία ποσότητα είναι ανάλογη (γραμμική) με την άλλη. Για παράδειγμα, εάν διπλασιαστεί η μη αντισταθμισμένη μάζα στον ρότορα, τότε θα διπλασιαστεί και η τιμή της δόνησης. Για άκαμπτους ρότορες, μπορεί να χρησιμοποιηθεί ένα γραμμικό μοντέλο, δεδομένου ότι δεν παραμορφώνονται.
Για εύκαμπτους ρότορες, το γραμμικό μοντέλο δεν μπορεί πλέον να χρησιμοποιηθεί. Για έναν εύκαμπτο ρότορα, εάν η μάζα του βαρέως σημείου αυξηθεί κατά τη διάρκεια της περιστροφής, θα εμφανιστεί πρόσθετη παραμόρφωση και εκτός από τη μάζα, θα αυξηθεί και η ακτίνα της θέσης του βαρέως σημείου. Επομένως, για έναν εύκαμπτο ρότορα, η δόνηση θα αυξηθεί περισσότερο από δύο φορές και οι συνήθεις μέθοδοι υπολογισμού δεν θα λειτουργήσουν.
Επίσης, η μεταβολή της ελαστικότητας των στηρίξεων σε μεγάλες παραμορφώσεις τους, για παράδειγμα, όταν σε μικρές παραμορφώσεις των στηρίξεων λειτουργούν ορισμένα δομικά στοιχεία και σε μεγάλες εμπλέκονται άλλα δομικά στοιχεία. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο δεν μπορείτε να ισορροπήσετε μηχανισμούς που δεν είναι στερεωμένοι σε θεμέλιο, αλλά, για παράδειγμα, απλά τοποθετημένοι στο δάπεδο. Με σημαντικές δονήσεις, η δύναμη της ανισορροπίας μπορεί να τραβήξει τον μηχανισμό από το δάπεδο, αλλάζοντας έτσι σημαντικά τα χαρακτηριστικά δυσκαμψίας του συστήματος. Τα πόδια του κινητήρα πρέπει να στερεώνονται με ασφάλεια, οι βάσεις των βιδών πρέπει να είναι σφιγμένες, το πάχος των ροδελών πρέπει να παρέχει επαρκή ακαμψία τοποθέτησης κ.λπ. Εάν τα ρουλεμάν είναι σπασμένα, είναι δυνατή η σημαντική παραμόρφωση του άξονα και οι κραδασμοί, οι οποίοι θα έχουν επίσης ως αποτέλεσμα κακή γραμμικότητα και αδυναμία εκτέλεσης ποιοτικής ζυγοστάθμισης.
Συσκευές εξισορρόπησης και μηχανές εξισορρόπησης
Όπως προαναφέρθηκε, η εξισορρόπηση είναι η διαδικασία ευθυγράμμισης του κύριου κεντρικού άξονα αδράνειας με τον άξονα περιστροφής του δρομέα.
Η διαδικασία αυτή μπορεί να πραγματοποιηθεί με δύο μεθόδους.
Η πρώτη μέθοδος περιλαμβάνει τη μηχανική κατεργασία των στροφέων του δρομέα κατά τρόπο ώστε ο άξονας που διέρχεται από τα κέντρα των στροφέων να διασταυρώνεται με τον κεντρικό άξονα αδράνειας του δρομέα. Μια τέτοια τεχνική χρησιμοποιείται σπάνια στην πράξη και δεν θα συζητηθεί λεπτομερώς στο παρόν άρθρο.
Η δεύτερη (συνηθέστερη) μέθοδος περιλαμβάνει τη μετακίνηση, εγκατάσταση ή αφαίρεση διορθωτικών βαρών στο ρότορα, τα οποία τοποθετούνται έτσι ώστε ο άξονας αδράνειας του ρότορα να είναι όσο το δυνατόν πιο κοντά στον άξονα περιστροφής του.
Η μετακίνηση, η προσθήκη ή η αφαίρεση διορθωτικών βαρών κατά τη ζυγοστάθμιση μπορεί να επιτευχθεί με διάφορες τεχνολογικές εργασίες, όπως: διάτρηση, φρεζάρισμα, επιφανειακή επεξεργασία, συγκόλληση, βίδωμα ή ξεβίδωμα, καύση με λέιζερ ή δέσμη ηλεκτρονίων, ηλεκτρόλυση, ηλεκτρομαγνητική επιφανειακή επεξεργασία κ.λπ.
Η διαδικασία εξισορρόπησης μπορεί να επιτευχθεί με δύο τρόπους:
- εξισορρόπηση συναρμολογημένων ρότορων (στα δικά τους έδρανα) με χρήση μηχανών εξισορρόπησης,
- εξισορρόπηση ρότορα σε μηχανές εξισορρόπησης. Για την εξισορρόπηση των δρομέων στα δικά τους έδρανα χρησιμοποιούνται συνήθως εξειδικευμένες συσκευές εξισορρόπησης (κιτ), οι οποίες επιτρέπουν τη μέτρηση των δονήσεων του εξισορροπημένου δρομέα στη συχνότητα περιστροφής του σε διανυσματική μορφή, δηλαδή τη μέτρηση τόσο του πλάτους όσο και της φάσης των δονήσεων. Επί του παρόντος, οι ανωτέρω συσκευές κατασκευάζονται με βάση την τεχνολογία μικροεπεξεργαστών και (εκτός από τη μέτρηση και την ανάλυση των δονήσεων) παρέχουν αυτόματο υπολογισμό των παραμέτρων των διορθωτικών βαρών, τα οποία πρέπει να εγκατασταθούν στο δρομέα για την αντιστάθμιση της ανισορροπίας του.
Αυτές οι συσκευές περιλαμβάνουν:
- μονάδα μέτρησης και υπολογισμού που βασίζεται σε υπολογιστή ή βιομηχανικό ελεγκτή,
- Δύο (ή περισσότεροι) αισθητήρες δόνησης,
- Αισθητήρας γωνίας φάσης,
- αξεσουάρ για την τοποθέτηση των αισθητήρων στο χώρο,
- εξειδικευμένο λογισμικό, σχεδιασμένο να εκτελεί έναν πλήρη κύκλο μέτρησης των παραμέτρων δόνησης του ρότορα σε ένα, δύο ή περισσότερα επίπεδα διόρθωσης.
Δύο τύποι μηχανών εξισορρόπησης είναι σήμερα οι πιο συνηθισμένοι:
- Μηχανές με μαλακά έδρανα (με μαλακά στηρίγματα),
- Μηχανές με σκληρά έδρανα (με άκαμπτα στηρίγματα).
Οι μηχανές με μαλακά έδρανα έχουν σχετικά εύκαμπτα στηρίγματα, για παράδειγμα, βασισμένα σε επίπεδα ελατήρια. Η συχνότητα των φυσικών δονήσεων αυτών των στηριγμάτων είναι συνήθως 2-3 φορές χαμηλότερη από τη συχνότητα περιστροφής του ρότορα εξισορρόπησης, ο οποίος είναι τοποθετημένος σε αυτά. Κατά τη μέτρηση των κραδασμών των προηχητικών στηρίξεων της μηχανής χρησιμοποιούνται συνήθως αισθητήρες κραδασμών (επιταχυνσιόμετρα, αισθητήρες ταχύτητας κραδασμών κ.λπ.).
Οι μηχανές εξισορρόπησης πριν από την αντήχηση χρησιμοποιούν σχετικά άκαμπτα στηρίγματα, των οποίων οι φυσικές συχνότητες δόνησης πρέπει να είναι 2-3 φορές υψηλότερες από τη συχνότητα περιστροφής του ζυγοσταθμιζόμενου ρότορα. Για τη μέτρηση του δονητικού φορτίου των στηρίξεων της μηχανής προαντιστάθμισης χρησιμοποιούνται συνήθως μετατροπείς δύναμης.
Το πλεονέκτημα των μηχανών εξισορρόπησης προ-αντήχησης είναι ότι η εξισορρόπηση σε αυτές μπορεί να πραγματοποιηθεί σε σχετικά χαμηλές ταχύτητες ρότορα (έως 400-500 στροφές ανά λεπτό), γεγονός που απλοποιεί σημαντικά τον σχεδιασμό της μηχανής και της θεμελίωσής της και αυξάνει την παραγωγικότητα και την ασφάλεια της εξισορρόπησης.
Εξισορρόπηση άκαμπτων ρότορων
Σημαντικό!
- Η εξισορρόπηση εξαλείφει μόνο τους κραδασμούς που προκαλούνται από την ασύμμετρη κατανομή της μάζας του ρότορα σε σχέση με τον άξονα περιστροφής του. Άλλοι τύποι κραδασμών δεν εξαλείφονται με την εξισορρόπηση!
- Τεχνικοί μηχανισμοί, των οποίων ο σχεδιασμός εξασφαλίζει την απουσία αντηχήσεων στη συχνότητα λειτουργίας της περιστροφής, στερεωμένοι αξιόπιστα στο θεμέλιο, εγκατεστημένοι σε λειτουργικά έδρανα, υπόκεινται σε εξισορρόπηση.
- Τα ελαττωματικά μηχανήματα πρέπει να επισκευάζονται πριν από την εξισορρόπηση. Διαφορετικά, δεν είναι δυνατή η ποιοτική εξισορρόπηση.
Η εξισορρόπηση δεν υποκαθιστά την επισκευή!
Το κύριο καθήκον της εξισορρόπησης είναι η εύρεση της μάζας και της θέσης των αντισταθμιστικών βαρών που υπόκεινται σε εξισορρόπηση των φυγόκεντρων δυνάμεων.
Όπως αναφέρθηκε παραπάνω, για τους άκαμπτους ρότορες, είναι γενικά απαραίτητο και επαρκές να τοποθετηθούν δύο αντισταθμιστικά βάρη. Με τον τρόπο αυτό εξαλείφεται τόσο η στατική όσο και η δυναμική ανισορροπία του δρομέα. Το γενικό σχήμα για τη μέτρηση των δονήσεων κατά την εξισορρόπηση έχει ως εξής.
Σχ. 6 Επιλογή των σημείων μέτρησης και των θέσεων των βαρών (επίπεδα διόρθωσης) κατά την εξισορρόπηση σε δύο επίπεδα
Οι αισθητήρες κραδασμών είναι εγκατεστημένοι στα στηρίγματα των ρουλεμάν στα σημεία 1 και 2. Ένας δείκτης στροφών τοποθετείται στο ρότορα, συνήθως με αντανακλαστική ταινία. Η σήμανση στροφών χρησιμοποιείται από το στροφόμετρο λέιζερ για τον προσδιορισμό της ταχύτητας του ρότορα και της φάσης του σήματος δόνησης.
Εικ. 7. Εγκατάσταση αισθητήρων κατά την εξισορρόπηση σε δύο επίπεδα. 1,2 - αισθητήρες κραδασμών, 3 - δείκτης, 4 - μονάδα μέτρησης, 5 - φορητός υπολογιστής
Στις περισσότερες περιπτώσεις η δυναμική εξισορρόπηση πραγματοποιείται με τη μέθοδο των τριών εκκινήσεων. Η μέθοδος βασίζεται στο γεγονός ότι στο δρομέα τοποθετούνται δοκιμαστικά βάρη γνωστού βάρους σε σειρά στο επίπεδο 1 και 2 και τα βάρη και η θέση των βαρών εξισορρόπησης υπολογίζονται με βάση τα αποτελέσματα των μεταβολών των παραμέτρων δόνησης.
Το σημείο εγκατάστασης των βαρών ονομάζεται επίπεδο διόρθωσης. Συνήθως τα επίπεδα διόρθωσης επιλέγονται στην περιοχή των στηρίξεων έδρασης στις οποίες εγκαθίσταται ο ρότορας.
Κατά την πρώτη εκκίνηση μετράται η αρχική δόνηση. Στη συνέχεια, ένα δοκιμαστικό βάρος γνωστού βάρους τοποθετείται στο ρότορα πιο κοντά σε ένα από τα έδρανα. Πραγματοποιείται δεύτερη εκκίνηση και μετρώνται οι παράμετροι δόνησης, οι οποίες πρέπει να αλλάξουν λόγω της τοποθέτησης του δοκιμαστικού βάρους. Στη συνέχεια αφαιρείται το δοκιμαστικό βάρος στο πρώτο επίπεδο και εγκαθίσταται στο δεύτερο επίπεδο. Πραγματοποιείται τρίτη δοκιμαστική εκκίνηση και μετρώνται οι παράμετροι δόνησης. Το δοκιμαστικό βάρος αφαιρείται και το λογισμικό υπολογίζει αυτόματα τις μάζες και τις γωνίες εγκατάστασης των βαρών ζυγοστάθμισης.
Ο σκοπός της εγκατάστασης των δοκιμαστικών βαρών είναι να προσδιοριστεί ο τρόπος με τον οποίο το σύστημα αντιδρά στις αλλαγές της ανισορροπίας. Τα βάρη και οι θέσεις των δοκιμαστικών βαρών είναι γνωστά, οπότε το λογισμικό μπορεί να υπολογίσει τους λεγόμενους συντελεστές επιρροής, δείχνοντας πώς η εισαγωγή μιας γνωστής ανισορροπίας επηρεάζει τις παραμέτρους δόνησης. Οι συντελεστές επιρροής είναι χαρακτηριστικά του ίδιου του μηχανικού συστήματος και εξαρτώνται από την ακαμψία των στηρίξεων και τη μάζα (αδράνεια) του συστήματος ρότορα-στήριξης.
Για τον ίδιο τύπο μηχανισμών του ίδιου σχεδιασμού οι συντελεστές επιρροής θα είναι κοντά. Είναι δυνατόν να αποθηκευτούν στη μνήμη του υπολογιστή και να χρησιμοποιηθούν για την εξισορρόπηση μηχανισμών ίδιου τύπου χωρίς δοκιμαστικές εκτελέσεις, γεγονός που αυξάνει σημαντικά την παραγωγικότητα της εξισορρόπησης. Σημειώστε ότι η μάζα των δοκιμαστικών βαρών θα πρέπει να επιλέγεται έτσι ώστε οι παράμετροι δόνησης να μεταβάλλονται αισθητά κατά την τοποθέτηση των δοκιμαστικών βαρών. Διαφορετικά, το σφάλμα υπολογισμού των συντελεστών επιρροής αυξάνεται και η ποιότητα της εξισορρόπησης υποβαθμίζεται.
Όπως μπορείτε να δείτε από το Σχ. 1, η φυγόκεντρος δύναμη δρα στην ακτινική κατεύθυνση, δηλαδή κάθετα στον άξονα του δρομέα. Επομένως, οι αισθητήρες κραδασμών πρέπει να εγκατασταθούν έτσι ώστε ο άξονας ευαισθησίας τους να δείχνει επίσης προς την ακτινική κατεύθυνση. Συνήθως, η δυσκαμψία της θεμελίωσης στην οριζόντια διεύθυνση είναι μικρότερη, οπότε η δόνηση στην οριζόντια διεύθυνση είναι μεγαλύτερη. Επομένως, για να αυξηθεί η ευαισθησία, οι αισθητήρες πρέπει να εγκατασταθούν έτσι ώστε ο άξονας ευαισθησίας τους να κατευθύνεται επίσης σε οριζόντια διεύθυνση. Παρόλο που δεν υπάρχει θεμελιώδης διαφορά. Εκτός από τις δονήσεις στην ακτινική κατεύθυνση, πρέπει να παρακολουθούνται και οι δονήσεις στην αξονική κατεύθυνση, κατά μήκος του άξονα περιστροφής του ρότορα. Οι δονήσεις αυτές συνήθως δεν οφείλονται σε ανισορροπία, αλλά σε άλλες αιτίες, που σχετίζονται κυρίως με την κακή ευθυγράμμιση και την κακή ευθυγράμμιση των αξόνων που συνδέονται μέσω της ζεύξης.
Η δόνηση αυτή δεν μπορεί να εξαλειφθεί με την εξισορρόπηση, οπότε απαιτείται ευθυγράμμιση. Στην πράξη, τέτοιες μηχανές έχουν συνήθως τόσο ανισορροπία ρότορα όσο και κακή ευθυγράμμιση άξονα, γεγονός που καθιστά το έργο της εξάλειψης των κραδασμών πολύ πιο δύσκολο. Σε τέτοιες περιπτώσεις, είναι απαραίτητο να κεντραριστεί πρώτα η μηχανή και στη συνέχεια να ζυγοσταθμιστεί. (Αν και με έντονη ανισορροπία ροπής, οι δονήσεις εμφανίζονται επίσης στην αξονική κατεύθυνση λόγω της "συστροφής" της δομής θεμελίωσης).
Παραδείγματα πάγκων για την εξισορρόπηση μικρών στροφείων έχουμε συζητήσει σε άλλα άρθρα μας:
Βάση ισορροπίας με μαλακή στήριξη.
Εξισορρόπηση των ρότορων των ηλεκτρικών κινητήρων.
Απλές αλλά αποτελεσματικές βάσεις εξισορρόπησης
Κριτήρια για την αξιολόγηση της ποιότητας των μηχανισμών εξισορρόπησης.
Η ποιότητα εξισορρόπησης των στροφείων (μηχανισμών) μπορεί να αξιολογηθεί με δύο τρόπους. Η πρώτη μέθοδος περιλαμβάνει τη σύγκριση του ποσού της υπολειπόμενης ανισορροπίας που προσδιορίζεται κατά τη διαδικασία εξισορρόπησης με την ανοχή για την υπολειπόμενη ανισορροπία. Αυτές οι ανοχές για τις διάφορες κατηγορίες ρότορα καθορίζονται στο ISO 1940-1-2007. Μέρος 1. Ορισμός της επιτρεπόμενης ανισορροπίας.
Ωστόσο, η τήρηση των καθορισμένων ανοχών δεν μπορεί να εγγυηθεί πλήρως τη λειτουργική αξιοπιστία του μηχανισμού, η οποία συνδέεται με την επίτευξη του ελάχιστου επιπέδου των δονήσεών του. Αυτό εξηγείται από το γεγονός ότι το μέγεθος της δόνησης του μηχανισμού δεν καθορίζεται μόνο από το μέγεθος της δύναμης που συνδέεται με την παραμένουσα ανισορροπία του ρότορά του, αλλά εξαρτάται επίσης από διάφορες άλλες παραμέτρους, όπως: η ακαμψία k των δομικών στοιχείων του μηχανισμού, η μάζα m, ο συντελεστής απόσβεσης, καθώς και η συχνότητα περιστροφής. Ως εκ τούτου, για την εκτίμηση των δυναμικών ιδιοτήτων του μηχανισμού (συμπεριλαμβανομένης της ποιότητας της ισορροπίας του) σε ορισμένες περιπτώσεις συνιστάται η εκτίμηση του επιπέδου της παραμένουσας ταλάντωσης του μηχανισμού, η οποία ρυθμίζεται από ορισμένα πρότυπα.
Το πιο διαδεδομένο πρότυπο, το οποίο ρυθμίζει τα επιτρεπόμενα επίπεδα κραδασμών των μηχανισμών, είναι το ISO 10816-3-2002. Με τη βοήθειά του, είναι δυνατόν να καθοριστούν ανοχές για κάθε τύπο μηχανών, λαμβάνοντας υπόψη την ισχύ της ηλεκτρικής τους κίνησης.
Εκτός από αυτό το καθολικό πρότυπο, υπάρχει ένας αριθμός εξειδικευμένων προτύπων που έχουν αναπτυχθεί για συγκεκριμένους τύπους μηχανών. Για παράδειγμα, 31350-2007 , ISO 7919-1-2002, κ.λπ.
ISO 1940-1-2007. "Δονήσεις. Απαιτήσεις για την ποιότητα ζυγοστάθμισης άκαμπτων ρότορων. Μέρος 1. Προσδιορισμός της επιτρεπόμενης ανισορροπίας".
ISO 10816-3:2009 Προεπισκόπηση Μηχανικές δονήσεις - Αξιολόγηση των δονήσεων μηχανών με μετρήσεις σε μη περιστρεφόμενα μέρη - Μέρος 3: Βιομηχανικές μηχανές με ονομαστική ισχύ άνω των 15 kW και ονομαστικές ταχύτητες μεταξύ 120 r/min και 15 000 r/min κατά τη μέτρηση επί τόπου."
ISO 14694:2003 "Βιομηχανικοί ανεμιστήρες - Προδιαγραφές για την ποιότητα ζυγοστάθμισης και τα επίπεδα κραδασμών",
ISO 7919-1-2002 "Δονήσεις μηχανών χωρίς παλινδρομική κίνηση. Μετρήσεις σε περιστρεφόμενους άξονες και κριτήρια αξιολόγησης. Γενικές οδηγίες."