Вибрация ротора и линии вала

Несовпадение центра масс отдельных элементов ротора с осью вращения является источником центробежных сил, действующих на ротор с частотой его вращения, см. рис.2.1.

Рис.2.1. Неуравновешенность ротора простейшей формы

а) жесткий ротор б) гибкий ротор

Неуравновешенность, называемая статической, количественно может оцениваться величиной эксцентриситета е или величиной дисбаланса, т.е. произведения , где т -масса ротора.

Центробежная сила равна ,где частота вращения ротора. С ростом частоты вращения она быстро растет, прогибая вал и дополнительно увеличивая дисбаланс ротора, вплоть до частоты резонанса, после которой фаза прогиба изменяется на180 градусов и ротор начинает сам себя балансировать, т.е. происходит автобалансировка ротора. Частота этого резонанса называется первой критической частотой, а скорость вращения ротора на этой частоте - первой критической скоростью вращения. Роторы, вращающиеся на частоте вращения, менее 75% от критической называются жесткими роторами, на более высоких частотах - гибкими роторами.

Кроме статической неуравновешенности есть еще и моментная неуравновешенность ротора, см. рис.2.2.

Рис.2.2. Ротор с моментной неуравновешенностью

Изгиб ротора под действием моментной неуравновешенности имеет форму волны. Для такой формы изгиба жесткость вала существенно выше, чем для прогиба, показанного на предыдущем рисунке, поэтому и частота резонанса при колебаниях такой формы оказывается в 3 - 4 раза выше. Эта частота называется второй критической частотой, а скорость вращения ротора на этой частоте - второй критической скоростью.

Если вибрация машины на частоте вращения ротора по результатам ее контроля оказывается выше нормируемых значений, необходимо уменьшать остаточную неуравновешенность ротора (его остаточный дисбаланс, который у многих машин нормируется).

Чтобы уменьшить дисбаланс ротора, на его торцевые плоскости устанавливаются точечные корректирующие массы. При статической неуравновешенности устанавливаются пара симметричных масс в сторону легкой точки ротора относительно оси вращения, в торцевых плоскостях ротора, перпендикулярных оси его вращения, при моментной неуравновешенности - кососимметричные массы в тех же плоскостях.

Процесс поиска легкой точки ротора и определения величин корректирующих масс, устанавливаемых в каждую из торцевых плоскостей ротора, называемых плоскостями коррекции, называется балансировкой ротора. Балансировка ротора может выполняться либо на специальном балансировочном станке, либо в составе машины непосредственно на месте ее эксплуатации. Во втором случае необходимо иметь доступ к плоскости коррекции, чтобы устанавливать корректирующие массы. Если такого доступа нет, плоскость коррекции можно выбирать в другом месте, например, совместить ее с муфтой, соединяющей валы двигателя и исполнительного механизма, или с рабочим колесом вентилятора.

В рамках балансировки ротора с двумя плоскостями коррекции необходимо измерять вибрацию обоих опор ротора хотя бы в одном, радиальном к оси вращения направлении, в исходном состоянии ротора на номинальной частоте его вращения и в процессе двух последовательных пусков машины с эталонной пробной массой, последовательно устанавливаемой в каждую из плоскостей коррекции. По измерениям вибрации на частоте вращения в исходном состоянии ротора, а также во время пробных пусков машины, рассчитываются величины необходимых корректирующих масс и координаты их установки в плоскостях коррекции. Измерению подлежат амплитуды оборотной составляющей вибрации в каждой точке контроля и с точностью порядка 5 -10 %, а также фазы этой составляющей относительно сигнала с датчика положения метки, предварительно нанесенной на ротор, с точностью 3-5 угловых градуса.

Кроме вибрации ротора на частоте вращения, определяемой его дисбалансом, конструкция ротора в машинах горизонтального исполнения может стать причиной появления вибрации и на гармониках частоты вращения, причем преимущественно на второй. Как правило, для посадки ротора на вал в последнем делают продольную шпоночную канавку, из-за чего жесткость радиальная вала в плоскости, проходящей по центру канавки, становится меньше радиальной жесткости в другой, перпендикулярной к ней плоскости. При вращении такого ротора в машине горизонтального исполнения жесткость вала в направлении действия силы тяжести изменяется дважды за оборот, становясь источником вертикальной колебательной силы параметрического происхождения, действующей на ротор на второй гармонике частоты его вращения. Как правило, величина вибрации ротора параметрического происхождения существенно меньшеего вибрации на первой гармонике частоты вращения из-за остаточной т-уравновешенности ротора.

При соединении двух и более роторов с помощью соединительных муфт в одну линию вала появляется остаточная несоосность валов, т.е. излом линии вала, из-за которой при вращении роторов за время одного оборота один или несколько раз происходит перераспределение нагрузки на опоры вращения. В результате на каждую опору начинает действовать радиальная колебательная сила с частотой вращения и ее гармониками. Именно эти силы часто ограничивают возможность снижения вибрации агрегатов с двумя и более роторами на частоте вращения путем балансировки роторов на местеэксплуатации. Вибрация машин из-за несоосности валов на гармониках частоты вращения часто является основной причиной ее роста выше допустимых значений.