25.04.2018
Вибрация - это реакция конструкции механизма на воздействие циклической возбуждающей силы. Эта сила может иметь разную природу.
- Центробежная сила, возникающая из-за неуравновешенности ротора - некомпенсированная сила, действующая на "тяжелую точку". Именно эта сила и вибрация ею вызванная устраняются балансировкой ротора.
- Силы взаимодействия, имеющие "геометрическую" природу и возникающие вследствие погрешностей изготовления и монтажа сопрягаемых деталей. Указанные силы могут, например, возникать вследствие некруглости шеек вала, погрешностей профилей зубьев в зубчатых передачах, волнистости беговых дорожек подшипников, расцентровки сопрягаемых валов и т.п. В случае некруглости шеек ось вала будет смещаться в зависимости от угла поворота вала. Хотя такая вибрация также проявляется на частоте вращения ротора, устранить ее балансировкой практически невозможно.
- Аэродинамические силы, возникающие при вращении рабочих колёс вентиляторов и других лопастных механизмов. Гидродинамические силы, возникающие при вращении рабочих колёс гидронасосов, турбин и т.п.
- Электромагнитные силы, возникающие при работе электрических машин результате, например, вследствие несимметричности обмоток ротора, наличии короткозамкнутых витков и. т.п. причин.
Величина вибрации (например её амплитуда Ав) зависит не только от величины возбуждающей силы Fв, действующей на механизм c круговой частотой ω, но и от жесткости k конструкции механизма, его массы m , а также коэффициента демпфирования C.
Резонанс конструкции.
Ранее мы уже упоминали, что ротора делятся жесткие и гибкие. Жесткость или гибкость ротора не следует путать с жесткостью или подвижностью опор (фундамента) на который установлен ротор. Ротор считается жестким, когда его деформацией (изгибом) под действием центробежных сил можно пренебречь. Деформация гибкого ротора относительно велика и ей пренебречь нельзя.
В этой статье мы рассматриваем только балансировку жестких роторов. Жесткий (недеформируемый) ротор может быть в свою очередь установлен на жесткие или подвижные (податливые) опоры. Понятно, что и эта жесткость\подвижность опор является относительной в зависимости от скорости вращения ротора и величины возникающих центробежных сил. Условной границей является частота собственных колебаний опор\фундамента ротора. Для механических систем форма и частота собственных колебаний определяются массой и упругостью элементов механической системы. То есть частота собственных колебаний является внутренней характеристикой механической системы и не зависит от внешних сил. Будучи отклоненным от состояния равновесия, опоры за счет упругости стремятся вернуться в положение равновесия. Но вследствие инерции массивного ротора этот процесс носит характер затухающих колебаний. Эти колебания и являются собственными колебаниями системы ротор-опоры. Их частота зависит от соотношения массы ротора и упругости опор.
Когда ротор начинает вращаться, и частота его вращения приближается к частоте собственных колебаний, амплитуда вибрации резко возрастает, что может привести даже к разрушению конструкции.
Возникает явление механического резонанса. В области резонанса изменение скорости вращения на 100 об\мин может привести к увеличению вибрации в десятки раз. При этом (в области резонанса) фаза вибрации меняется на 180°.
Если конструкция механизма рассчитана неудачно, и рабочая частота вращения ротора близка к частоте собственных колебаний, то эксплуатация механизма становится невозможной из-за недопустимо высокой вибрации. Балансировка обычным способом тоже невозможна, так как даже при незначительном изменении скорости параметры вибрации резко меняются. Для балансировки в области резонанса применяются специальные методы, не рассматриваемые в данной статье. Определить частоту собственных колебаний механизма можно на выбеге (при выключении вращения ротора) или методом ударного воздействия с последующим спектральным анализом отклика системы на удар.