Балансування обертових мас

Ротор — тіло, яке при обертанні утримується своїми несними поверхнями в опорах.

Центральні осі — система взаємно перпендикулярних осей, що беруть початок у центрі мас тіла або механічної системи.

Головна центральна вісь інерції — центральна вісь твердого тіла або механічної системи, відносно якої відцентрові моменти інерції тіла або системи дорівнюють нулю.

Ексцентриситет маси — відстань від центра мас до осі обертання.

Незрівноваженість ротора — стан ротора, при якому результатом дії відцентрових сил є силовий або кінематичний вплив на його опори.

При виготовленні обертових деталей (наприклад, валів, маховиків, зубчастих коліс, шківів, дисків турбін тощо, які у подальшому викладі об'єднані під назвою «ротор») внаслідок неоднорідності матеріалу, неточності обробки або монтажу можлива розбіжність центра мас деталей або складальних одиниць з віссю їх обертання або ж зміщення цієї осі відносно геометричної осі обертової деталі, що за величиною характеризується дисбалансом.

При роботі механізмів і машин дисбаланс викликає появу додаткових динамічних навантажень на елементи з'єднань та опори підшиників (вальниць). Ці навантаження є джерелом додаткових напружень, що обумовлюють підвищений знос окремих деталей і складальних одиниць, їх коливання та вібрації.

У першому випадку, коли центр мас деталі не лежить на її осі обертання, має місце статична незрівноваженість, а в другому випадку, коли вісь обертання не збігається з однією з головних центральних осей інерції, має місце динамічна незрівноваженість з її частковими випадками моментною і квазістатичною незрівноваженістю.

Усунення незрівноваженості відбувається у результаті балансування обертових мас. Балансування є однією з відповідальних технологічних операцій складання.

Статичне балансування

У випадку статичної незрівноваженості при обертанні деталі з кутовою швидкістю ω виникає відцентрова сила інерції

${\displaystyle F=Ms\omega ^{2}=MV_{s}\omega \,}$

де:

${\displaystyle M}$ — маса деталі;

${\displaystyle s}$ — ексцентриситет маси;

${\displaystyle V_{s}=s\omega }$ — лінійна швидкість центру мас.

Сила інерції F спрямована радіально від осі обертання. При обертанні деталі вона постійно змінює свій напрям, чим викликає коливання і вібрації як самої деталі, так і усієї машини. Добуток Ms є мірою статичної незрівноваженості обертової деталі та називається статичним дисбалансом.

Для статичного зрівноваження достатньо розташувати у площині, що перпендикулярна до осі обертання, противагу масою m на відстані r, що викликає зрівноважувальну силу інерції F, рівну за величиною силі інерції від дисбалансу і протилежною до неї за напрямом: ${\displaystyle Ms=mr}$ .

Статичне балансування, в результаті якого зміщений при обробці деталі центр мас повертається на вісь обертання, може бути проведене за допомогою досить простих пристроїв.

Якщо деталь, що потребує балансування, покласти цапфами на дві паралельні горизонтальні сталеві призми, то вона буде перекочуватися по призмах доти, поки центр мас не займе найнижче положення, тобто буде розташований внизу на вертикалі, що проходить через її вісь обертання. Довжина призм береться такою, щоб деталь вільно могла робити не менше двох вільних обертів. Прикріплюючи у верхній частині деталі пробний вантаж (противагу), можна домогтися її байдужого кутового положення на призмах. Противагу кріплять на певному радіусі. Часто замість встановлення противаг з протилежного боку видаляють частину металу деталі з боку дисбалансу (наприклад, висвердлюють отвори). Як противаги іноді використовують свинець, який заливають у спеціально висвердлені отвори. Усунення незрівноваженості шляхом висвердлювання отворів використовується, наприклад, при балансуванні колінчастих валів двигунів внутрішнього згоряння.

Найчастіше для статичного балансування застосовують пристрої, в яких замість сталевих призм застосовуються дві пари загартованих сталевих роликів, що вільно обертаються у підшипниках кочення. Процес балансування деталей здійснюється аналогічно.

У масовому виробництві, наприклад в автотракторній промисловості, для статичного балансування маховиків і шківів застосовують спеціальні верстати, що дозволяють визначити масу металу і місце на деталі, звідки цей метал необхідно видалити. На верстаті є свердлильний пристрій, що дозволяє видаляти «зайвий» метал у процесі балансування.

Сучасне балансувальне обладнання дозволяє досить суттєво знизити дисбаланс ротора, проте з економічної точки зору надмірне завищення вимог до якості балансування є невигідним. Тому вирішення питання: до якого ступеня доцільно знизити дисбаланс ротора, — повинно шукатись виходячи з компромісу між технічними і економічними вимогами.

Значення рекомендованих класів точності балансування жорстких роторів для різних машин і механізмів приводяться у ISO 1940-1:2003[1]:

• ISO 1925:2001 Mechanical vibration — Balancing — Vocabulary
• ISO 1940-1:2003 Mechanical vibration — Balance quality requirements for rotors in a constant (rigid) state — Part 1: Specification and verification of balance tolerances
• ISO 1940-2:1997 Mechanical vibration — Balance quality requirements of rigid rotors — Part 2: Balance errors
• ISO 2953:1999 Mechanical vibration — Balancing machines — Description and evaluation (Балансировочные станки — описание и оценка)
• ISO 3719:1994 Mechanical vibration — Symbols for balancing machines and associated instrumentation
• ISO 7475:2002 Mechanical vibration — Balancing machines — Enclosures and other protective measures for the measuring station
• ISO 8821:1989 Mechanical vibration — Balancing — Shaft and fitment key convention
• ISO 10814:1996 Mechanical vibration — Susceptibility and sensitivity of machines to unbalance
• ISO 11342:1998 Mechanical vibration — Methods and criteria for the mechanical balancing of flexible rotors
• ISO 18431-1:2005 Mechanical vibration and shock — Signal processing — Part 1: General introduction
• ISO 18431-2:2004 Mechanical vibration and shock — Signal processing — Part 2: Time domain windows for Fourier Transform analysis
• ISO 18431-4:2007 Mechanical vibration and shock — Signal processing — Part 4: Shock-response spectrum analysis
• ISO 19499:2007 Mechanical vibration — Balancing — Guidance on the use and application of balancing standards
• ISO 20806:2009 Mechanical vibration — Criteria and safeguards for the in-situ balancing of medium and large rotors

• Кіницький Я. Т. Теорія механізмів і машин: Підручник. — К.: Наукова думка,2002. — 660 с. ISBN 966-00-0740-Х
• Теорія механізмів і машин. Курс лекцій для студентів напряму підготовки 0902 «Інженерна механіка» денної та заочної форм навчання / Б. I. Червоний.  — Рівне: НУВГП , 2006. — 216 с.
• Кореняко О. С. Теорія механізмів і машин: Навчальний посібник / За ред. Афанасьєва М. К. — К.: Вища школа,1987. — 206 с.
• Артоболевский И. И. Теория механизмов и машин: Учеб. для втузов.  — 4-е изд., перераб. И доп.  — М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1988.  — 640 с.
• Левит М.  Е. Балансировка деталей и узлов / М.  Е.  Левит, В.  М.  Рыженков. — М.: Машиностроение, 1986.   — 320 с.

• «Балансування» в УРЕ