При вращении неуравновешенных масс колес ротора на опоры действуют центробежные силы и моменты, которые являются причиной возможных вынужденных колебаний вала. 

Чтобы уменьшить центробежные силы и моменты до допустимой величины, ротор подвергается динамической балансировке, которая заключается в определении величины и положения неуравновешенных масс и уменьшении их снятием металла с рабочих колес.

Ротор в сборе имеет 4 плоскости уравновешивания, как показано на рис. 3.7. Конструкция балансировочных станков позволяет уравновешивать деталь лишь в двух плоскостях. Поэтому практикой опробирована следующая последовательность балансировки: вначале балансируется колесо турбины с валом в двух плоскостях, а затем, принимая колесо турбины с валом в качестве оправки, балансируется колесо компрессора и детали уплотнения, т.е. балансируется ротор в сборе. При такой схеме колеса компрессора являются не взаимозаменяемыми. Если в эксплуатации возникает необходимость замены колеса компрессора, то нужно отбалансировать ротор в сборе с новым колесом.

Возможна и другая схема, по которой колесо компрессора балансируется отдельно на специальной оправке.

Рис. 3.7 Принципиальная электрическая схема балансировочного станка ДБ 10

На рис. 3.7 приведена принципиальная схема балансировочного станка. Ротор А устанавливается на подвижные опоры Б и В, которые связаны посредством стержней с катушками K₁ и К₂, находящимися в поле постоянных магнитов. Вращение ротору передается от электродвигателя посредством ременной передачи. Колебания опор, вызванные неуравновешенностью масс вращающихся деталей, передаются через стержни на катушки K₁ и К₂ и вызывают перемещение их в магнитном поле. При этом в катушках возникает эдс, прямо пропорциональная амплитудам колебания опор. Эдс проходит через потенциометрическое устройство в усилитель и далее на прибор величины дисбаланса и стробоскоп.

С помощью потенциометрического устройства осуществляется раздельная балансировка детали по плоскостям уравновешивания. Это значит, что неуравновешенность P₁ в плоскости 1 — 1 не влияет на определение неуравновешенности Р₂ в плоскости 2—2 и, наоборот /рис. 3.8/. Кроме того, посредством потенциометра устанавливаются пропорциональная зависимость между выбранными единицами измерения величины дисбаланса и показаниями прибора. Место расположения дисбаланса определяется с помощью стробоскопа С.

Рис. 3.8 Схема усилий, действующих на ротор турбокомпрессора

Лампа стробоскопа вспыхивает каждый раз, когда на ее управляющую сетку попадает отрицательный импульс определенной величины. Частота импульсов соответствует скорости вращения ротора. Поэтому при каждом обороте ротора лампа вспыхивает один раз и освещает одну и ту же цифру на колесе, нанесенные тушью по окружности у каждой лопатки / рис. 3.8/. Освещенная стробоскопом цифра, находящаяся в горизонтальной плоскости, проходящей через ось вращения детали, будет соответствовать угловому расположению дисбаланса в той или другой плоскости уравновешивания.

Динамическая балансировка на станке ДБ 10 проводится при частоте вращения ротора не более 2500 мин^-1. Это примерно в 25 раз меньше рабочей частоты. Поэтому даже при весьма тщательной балансировке во время работы возможно возникновение значительных центробежных сил и моментов из-за деформации отдельных элементов вала.

Общий случай устранения дисбаланса показан на рис. 3.8, т.е. когда сила и изгибающий момент лежат в разных плоскостях. К колесу турбины от неуравновешенности приложены сила P₁, проходящая через выходные кромки лопаток /неуравновешанные лопатки/ и сила Р₂, проходящая через диск колеса /неуравновешенный диск/. Примем плоскости уравновешивания в плоскости действия указанных сил. Разложим большую силу на две составляющие, из которых одна будет направлена противоположно меньшей силе и равна ей по величине, т.е. образует пару сил, а вторая направлена под углом к первой. Таким образом, получим пару сил /момент/ и неуравновешенную силу.

При балансировании вначале уравновешивают центробежную силу, а затем момент. Если сила и момент лежат в разных плоскостях, проходящих через ось вала, то реакции сил R₁≠R₂ и лежат они также в разных плоскостях. Реакция R₂ определяет плоскость действия момента, a R₁ — плоскость действия силы. Если R₁<R₂, то неуравновешенная сила находится ближе к диску колеса. Если же R₁>R₂, то неуравновешенная сила находится ближе к плоскости выходных кромок лопаток.

Последовательность операций при балансировке на станке ДБ 10 следующая:

1. Перед началом работы необходимо проверить настройку станка по эталону.

2. Вначале балансируется колесо турбины с валом. Для предотвращения осевого смещения вала одеть на вал упорную втулку 4, рис. 3.9.

3. Установить вал с колесом на опоры станка /люльки/, так, чтобы колесо было с правой стороны. Люльки должны быть заторможены, рукоятки подняты вверх. Для изготовления подшипников скольжения лучше использовать фторопласт.

4. Включить смазку к подшипникам.

5. На пульте станка тумблер «+» означает легкое место, тумблер «—» означает тяжелое место.

Тумблер «левая — правая» — обозначает опоры станка.

6. Вначале уравновешивается действие центробежной силы, т.е. производится «балансировка от силы». Для этого запустить станок, растормозить люльки /ручки вниз/. Переключатели на пульте станка установить на «—» и «правая». Прибор — милливольтметр покажет величину дисбаланса. Включить стробоскоп тумблером «угол». Высвеченная на диске колеса цифра, предварительно написанная тушью, будет показывать тяжелое место на диске колеса, которое необходимо снять бормашинкой.

7. Затем уравновешивается действие момента, т.е. производится «балансировка от момента». Переключатели на пульте установить на «+» и «левая». Запустить станок. Прибор — милливольтметр — покажет величину дисбаланса. Включить стробоскоп. Высвеченная цифра будет показывать тяжелое место на лопатках колеса. Металл снимается бормашинкой с бобышки колеса и одновременно под углом 180° диска колеса.

Ввиду того, что за один прием не удается снять нужное количество металла, операции повторяются несколько раз.

8. Далее балансируется ротор в сборе. Для этого на конце вала наносится продольная риска. Если отсутствуют, то сделать риски

на втулке 4, маслоотражателе 3, колесе 2 /рис. 3,8/. Установить детали на вал по меткам /рискам/ и затянуть гайкой 4,5 кгс-м.

9. Установить ротор на опоры станка так, чтобы колесо турбины было с правой стороны.

10. Включить смазку к подшипникам. Запустить станок. Растормозить люльки. Переключатели на пульте станка установить на «—» и «правая». Прибор — милливольтметр покажет величину дисбаланса. Включить стробоскоп. Высвеченная на диске колеса компрессора цифра будет показывать тяжелое место на диске, которое необходимо снять бормашинкой. Это «балансировка от силы».

11. Затем производится «балансировка от момента». Переключатели устанавливаются на «+» и «левая». Определяется величина и положение тяжелого места на лопатках колеса компрессора. Металл снимать с бобышки колеса и под углом 180° с диска колеса компрессора.

Остаточный дисбаланс — не более 0,15 г-см.

В настоящее время выпускаются и другие балансировочные станки, в том числе и зарубежными производителями. Они отличаются от станка ДБ 10 лишь способом регистрации сигнала от подвижной опоры ротора, а принцип балансировки и последовательность операций остается такой же.

При сборке ротора из-за непараллельности торцов упорной втулки 4, маслоотражателя 3, неперпендикулярности торца гайки 1 /рис. 3.9/ относительно резьбы возможен изгиб ротора, смешение его центра тяжести и, как следствие, увеличение остаточного дисбаланса.

Рис. 3.9 Эскиз ротора ТКР 11 ЯМЗ

1 — гайка; 2 — колесо компрессора; 3 — маслоотражатель; 4 — упорная втулка; 5 — вал; 6 — колесо турбины; 7 — опорные шейки вала; М — места снятия металла при балансировке.

Изгиб вала ротора в сборе происходит в месте непараллельности торцов деталей. Наибольшее влияние, как и следовало ожидать, оказывают непараллельность торцов упорной втулки 4. По техническим условиям допускается непараллельность торцов втулки 4-0,01 мм. При обработке других деталей ротора без отклонений такая непараллельность торцов втулки приводит к изгибу вала и увеличению дисбаланса в 2—3 раза. При непараллельности торцов втулки 0,04 мм дисбаланс увеличивается в 10 раз и достигает 1,5 г-см. Относительно центров ротора изгиб вала в сечении 1 достигает 0,085 мм, а биение конца вала относительно опорных шеек ротора 7 возрастает до 0,13 мм. Турбокомпрессор с таким ротором становится неработоспособным.

Неперпендикулярность торца гайки 1 относительно резьбы до 0,1 мм мало влияет на разбаланс ротора.

Опыт показывает, что для обеспечения надежной работы узла подшипников в течение всего срока службы допустимая величина дисбаланса не должна превышать 0,15 г-см для турбокомпрессоров ТКР 11 и ТКР 9, и 0,1 г-см для турбокомпрессоров ТКР 7 и ТКР 5,5.

Г. М. Савельев, Б. Ф. Лямцев, Е. П. Слабов
ПОВЫШЕНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННОЙ НАДЕЖНОСТИ АВТОМОБИЛЬНЫХ ДИЗЕЛЕЙ ЯМЗ С НАДДУВОМ
1988