СПОСОБ БАЛАНСИРОВКИ ГИБКИХ РОТОРОВ
PROCEDURE FOR FLEXIBLE ROTORS BALANCING

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к способам балансировки гибких роторов, валов, и может быть использовано для балансировки быстровращающихся роторов, например газовых центрифуг.
В процессе балансировки подкритических газовых центрифуг, обладающих малой жесткостью опор ротора, относительно легко устраняется статический и динамический дисбалансы и изгибной дисбаланс по первой форме изгиба ротора.
Однако задача балансировки гибких роторов по двум и более изгибным формам, например в надкритических центрифугах, когда невозможно практически выбрать плоскости (места) нанесения масс, влияющих только на одну изгибную форму, а необходимо учитывать влияние всех изгибных форм, по которым ведется балансировка, не решена.
Общим для всех известных способов балансировки гибких роторов (например, роторов центрифуг) является способ балансировки по коэффициентам влияния [1]. Под коэффициентом влияния понимают отношение величины изменения биений ротора, вызванного нанесением корректирующей массы, к величине этой массы. Коэффициенты влияния определяют предварительно по результатам измерения биений в контрольных плоскостях при последовательном нанесении пробных масс или их систем в каждую из плоскостей коррекции или их сочетаний.
Способ заключается в выполнении последовательных операций: измерение начальных биений ротора в контрольных плоскостях на нескольких частотах вращения; определение значений корректирующих масс и углов коррекции с использованием коэффициентов влияния; нанесение (или удаление) корректирующих масс в плоскостях коррекции; измерение результирующих биений ротора в контрольных плоскостях на тех же частотах вращения. В общем случае число коэффициентов влияния, необходимое для осуществления способа, определяется произведением числа контрольных плоскостей на число частот вращения, на которых измеряются биения, и на число плоскостей коррекции.
Известен способ балансировки центрифуг [2]. Недостатками известного способа являются: необходимость значительного числа предварительных экспериментов по определению коэффициентов влияния, жесткая привязка коэффициентов влияния к координатам контрольных плоскостей, к координатам плоскостей коррекции и к частотам вращения, на которых измеряются биения центрифуги.
Отмеченные недостатки делают использование данного способа балансировки неудобным и практически трудно реализуемым для роторов, рабочая частота вращения которых превосходит первую критическую частоту (гибких роторов).
В свою очередь, гибкие роторы могут быть как подкритическими, так и надкритическими. Для надкритических роторов требуется балансировка по нескольким изгибным формам с уровнем остаточного дисбаланса, достаточным для перехода соответствующей критической частоты.
Известен способ балансировки гибких роторов, описанный в статье «Метод балансировки гибких роторов в подкритической области и его экспериментальное осуществление» [3], в котором балансировку высокоскоростных многосекционных роторов, состоящих из связанных гибким соединением жестких труб, осуществляют на частотах много ниже или много выше критической по нескольким изгибным формам.
Недостатком известного способа балансировки является наличие однозначной связи между количеством плоскостей коррекции, количеством и координатами контрольных плоскостей и количеством изгибных форм ротора, по которым ведется балансировка. Это приводит к неоправданному увеличению числа датчиков, измеряющих биения ротора в балансировочном стенде, и, соответственно, к ограничению числа плоскостей коррекции, что усложняет процесс балансировки и снижает его эффективность вследствие ограниченного числа плоскостей коррекции.
Целью изобретения является создание способа балансировки роторов газовых центрифуг (или гибких роторов), который одновременно компенсировал бы статический, динамический и изгибные дисбалансы по нескольким изгибным формам при условии произвольного выбора плоскостей коррекции, плоскостей измерения биений и их количества. А выбор плоскостей коррекции и их количества являлся бы простым решением оптимизационной задачи для каждого конкретного типа ротора.
Указанная цель достигается тем, что в известном способе балансировки гибких роторов, включающем операции по определению количества и местоположения на роторе контрольных плоскостей и плоскостей коррекции, измерение радиусов ротора в плоскостях коррекции, измерение биений ротора в контрольных плоскостях на нескольких частотах вращения, расчет корректирующих масс, нанесение на боковую поверхность ротора дискретных корректирующих масс в плоскостях коррекции, расчет значений корректирующих масс и их азимутального положения в плоскостях коррекции, не связанных с контрольными плоскостями, осуществляется с использованием решения уравнения движения ротора при условии минимизации суммы квадратов биений ротора на всех частотах его вращения, по предварительно измеренным или рассчитанным параметрам ротора, включающим массу, экваториальный и полярный момент инерции, координату центра тяжести, значения критических частот вращения и соответствующих им собственных функций ротора, корректирующую массу наносят в виде непрерывно распределенной на боковой поверхности ротора вдоль оси вращения.
Заявляемый способ балансировки позволяет использовать достаточно легко и точно определяемые физические параметры ротора: масса, моменты инерции, критические частоты и собственные формы изгиба, и при этом нет необходимости ограничивать и связывать плоскости измерения биений и нанесения масс. Способ позволяет учитывать результаты измерений биений на достаточно большом числе частот вращения, что снижает влияние погрешности измерения биений, и одновременно устранять дисбаланс по всем проявляющимся собственным формам ротора.
Кроме того, предложенный способ позволяет находить непрерывную корректирующую массу - корректирующую массу в виде непрерывно распределенной вдоль оси вращения ротора области (полосы), в которую наносится корректирующая масса (фиг.1). Такое представление компенсирующего дисбаланса, в отличие от дискретных корректирующих масс, не влияет на исходное дисбалансное состояние по высшим собственным функциям, по которым балансировка не производится.
Пример осуществления предлагаемого способа балансировки ротора. Определяют следующие параметры ротора:
- массу (М);
0
- экваториальный и полярный моменты инерции (j, j);
c
- координату центра тяжести (S);
- вектора исходных биений ротора  на соответствующих частотах вращения , на которых осуществляется замер;
n
n
- значения критических частот вращения (ω) и соответствующие им собственные функции (µ(S));
и задают:
l
- координаты контрольных плоскостей ротора, на которых осуществляется замер величин и фаз биений (S);
k
- координаты плоскостей коррекции (мест нанесения или удаления масс) (S);
решением системы уравнений, которые вытекают из решения уравнения движения ротора:
,
l
где  - функция, определяющая исходные биения ротора в плоскостях S на скоростях вращения ;
k
k
k
; f=mr - искомый компенсирующий дисбаланс;
;
;
k
m - величина k-й корректирующей массы;
k
r - радиус-вектор, определяющий положение центра тяжести k-й корректирующей массы;
находят значения компенсирующих дисбалансов в плоскостях коррекции, минимизирующие биения в плоскостях измерения биений.
Экспериментально подтверждено преимущество заявляемого способа для балансировки роторов надкритических газовых центрифуг в сравнении с известным способом, основанным на коэффициентах влияния, способ одновременно позволяет компенсировать дисбаланс по всем проявляющимся собственным формам ротора, а именно статический, динамический и изгибные дисбалансы по нескольким формам при произвольном выборе плоскостей коррекции, плоскостей измерения биений и их количества. Эффективность балансировки существенно повысилась: до 1,5 раз сократилось число балансировочных циклов в процессе балансировки, на 20% снизился уровень остаточного дисбаланса роторов по завершении балансировки и влияние масс на стенку ротора.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Вибрация. Методы и критерии балансировки гибких роторов: ГОСТ ИСО 11342-95. - Введ. 01.01.1997. - Минск. 1996.
2. Патент США №4096988. Метод и устройство для динамического уравновешивания вращающихся тел, в частности, центрифуг.
3. Сборник открытых публикаций и патентов по газовым центрифугам // под ред. Сенченкова А.П., РНЦ «Курчатовский Институт», Москва, 1995 г., с.163-175.