1.Giới thiệu chung
Thiết bị thí nghiệm này cho phép cân bằng bằng thực nghiệm một chi tiết quay cứng (rotor) và kiểm tra các phương pháp tính tốn được sử dụng. Thiết bị bao gồm một rotor mẫu (đã được cân bằng) lắp trên các gối đỡ con lăn được gắn chặt trên khung cứng. Các khối lượng thử (đai ốc cánh chuồn) có các khối lượng khác nhau có thể gắn chặt dễ dàng trên rotor để tạo nên lượng mất cân bằng trên mặt phẳng chứa chúng.
2. Mục đích
- Phân biệt các dạng mất cân bằng động khác nhau: dạng tĩnh, dạng ngẫu và dạng hổn hợp.
- Nắm vững phương pháp thực nghiệm cân bằng động (phương pháp các hệ số ảnh hưởng).
- Nắm vững nguyên lý họat động của thiết bị cân bằng động và các thủ tục thực hiện việc cân bằng động trên thiết bị thực.
- Biết sử dụng tiêu chuẩn đánh giá và thực hiện báo cáo kết quả cân bằng động.
3. Cơ sở lý thuyết
Mất cân bằng tĩnh: trọng tâm vật quay không nằm trùng với trục quay. Trong trường
hợp này tất cả các khối lượng khơng cân bằng của vật quay có thể thay thế bằng một khối lượng gọi là khối lượng qui dẫn m, cách trục quay khoảng cách r.
Khi vật quay lực ly tâm của khối lượng qui dẫn là:
Có độ lớn khơng đổi nhưng phương thay đổi (điều hịa), tác động lên các ổ trục gây nên sự rung động. Lý thuyết “không cân bằng tĩnh” qui định dạng không cân bằng này có thể tìm thấy (phát hiện) mà khơng cần phải cho vật quay. Các dạng mất cân bằng tĩnh đặc trưng là các chi tiết có kích thước dọc trục quay rất nhỏ so với đường kính (vd: bánh đà, chi tiết dạng đĩa,...)
Mất cân bằng động/ ngẫu lực: khối lượng không cân bằng của vậy quay được qui về
hai khối lượng cùng nằm trong một mặt phẳng chứa trục, các moment tĩnh của các khối lượng đối với trục quay bằng nhau (Hình 1.1 phải). Khi quay vật thì các lực ly tâm của
các khối lượng tác động lên ổ trục và đồng thời gây ra rung động. Moment của cặp lực này có giá trị:
Phương trình trên cho thấy rằng moment của ngẫu lực này tăng khi tăng vận tốc quay và bằng 0 khi . Điều này chứng tỏ rằng sự mất cân bằng chỉ có thể tìm thấy khi quay vật và do đó được gọi là mất cân bằng động. Mất cân bằng động thuần túy của vật quay rất ít xảy ra trong thực tiễn.
Mất cân bằng hỗn hợp: các lực ly tâm của các khối lượng không cân bằng của vật
quay tương đương với lực P và ngẫu lực , lực và ngẫu lực không nằm trên cùng một mặt phẳng. Sự mất cân bằng như vậy là tổng quát nhất và thường xảy ra trong thực tế. Hệ lực trên tương đương với hệ gồm hai lực chéo nhau nằm trong hai mặt phẳng được chọn 1 và 2 vng góc với trục quay của vật hình 1.2.
Thực vậy, lực P có thể phân thành hai lực song song là nằm trong mặt phẳng 1 và 2. Phân mỗi thành phần từ các cặp lực thành các thành phần.Kết quả ta nhận được trong mặt phẳng 1 hệ lực và trong mặt phẳng 2 hệ lực . Thay thế mỗi hệ lực bằng một lực tương đương, tức là trong mặt phẳng 1 và trong mặt phẳng 2. Kết quả nhận được chỉ ra rằng khi mất cân bằng hỗn hợp tất cả các khối lượng khơng cân bằng của vật quay có thể thay thế bằng và nằm trong hai mặt phẳng khác nhau.
Mất cân bằng hỗn hợp thường thấy ở các chi tiết có kích thước dọc theo trục quay lớn hơn kích thước ngang (turbine, trục khủy, rotor điện, trục có gắn bánh răng,…)
Sự mất cân bằng có thể trừ khử bằng cách đưa vào khối lượng phụ hay đối trọng. Lực ly tâm do các đối trọng này sinh ra sẽ cân bằng với lực ly tâm của các khối lượng qui dẫn. Quá trình lấy bớt các khối lượng mất cân bằng cũng là biện pháp thứ hai nhằm trừ khử các lực ly tâm do các lượng mất cân bằng sinh ra. Sự chọn lựa sơ bộ các đối trọng cân bằng và sau đó gắn lên vật quay được gọi là cân bằng. Nếu đối trọng được chọn để khử mất cân bằng tĩnh thì ngun cơng được gọi là cân bằng tĩnh, cịn để khử mất cân bằng động hay hỗn hợp thì nó được gọi là cân bằng động.
Nguyên tắc cân bằng trong một mặt
Hãy xét hệ thống như trên hình gồm một vật quay cứng được đặt trên một gối đỡ đàn hồi A và gối đỡ cứng B. Chúng ta sử dụng một mặt phẳng cân bằng I cho phép gắn các đối trọng cần thiết để khử các dao động đo được trong mặt phẳng A.
B lượng mất cân bằng ban đầu (lượng mất cân bằng cần tìm)
dao động tương ứng trong mặt phẳng A. dao động đo được với khối lượng thử M khối lượng thử gắn trong mặt phẳng I
Nếu hệ thống được xem là tuyến tính, ở lần chạy thứ nhất, ta có:
Trong đó
là một hệ số tỉ lệ giữa lượng mất cân bằng ban đầu và dao động do nó gây ra. Tiếp lục gắn một khối lượng thử M lên mặt phẳng I, cho máy quay đến tốc độ như trước, lần này:
Nhờ đo được ở hai lần và biết trước khối lượng thử M, ta tính được hệ số Từ đó tính được giá trị lượng mất cân bằng ban đầu:
Biểu thức tính lượng mất cân bằng chỉ ra rằng việc xác định thực nghiệm đòi hỏi hai lần đo liên tiếp của dao động trong mặt phẳng A, trước và sau khi gắn một khối lượng thử.
Từ đây, nếu lại tiến hành cân bằng một chi tiết cùng loại, chúng ta chỉ cần cho máy chạy một lần và có được tức thì giá trị lượng mất cân bằng:
Mà không phải qua một lần chạy thử kèm với việc gắn khối lượng thử nữa. Trên mát HnB100, các hệ số này được lưu trữ trên máy tính phục vụ cho việc đo về sau.
Phương pháp cân bằng tổng quát các rotor cứng-Cân bằng hai mặt
Trong những trường hợp hạn chế, việc áp dụng kỹ thuật cân bằng trên từng mặt độc lập bằng cách sử dụng nguyên tắc nêu trên có thể áp dụng được. Đó là trường hợp các rotor có chiều dài giữa hai ổ bi đỡ khá lớn, cịn mặt xử lí lại nằm sát với các ổ bi này. Vì vậy ảnh hưởng của lượng mất cân bằng trên mặt này lên mặt kia là nhỏ. Trường hợp ngược lại, khi việc thêm một khối lượng thử tại một đầu cũng làm thay đổi đáng kể tín hiệu dao động ở đầu kia, ta phải tiến hành phương pháp cân bằng hai mặt đồng thời. Có thể nói phương pháp tiêu biểu nhất là phương pháp ba lần thử. Máy cân bằng HnB100 áp dụng phương pháp này, do độ tin cậy và tính chính xác của có trong ứng dụng.
Khi tiến hành cân bằng một rotor trên hai khối Vcon lăn, chúng ta phải đo đồng thời các dao động mà hai khối V con lăn truyền qua ụ đỡ để cảm biến đo dưới tác động của các lượng mất cân bằng ban đầu trong hai mặt phẳng cân bằng i, ii. Tiếp theo, việc đo dao động lại được tiến hành sau khi đã gắn thêm các khối lượng thử lần lược ở trên cùng các mặt này. Tương tự như nguyên tắc cân bằng trên một mặt, chúng ta có một quan hệ tỉ lệ giữa các dao động đo được trên hai ụ đỡ và các lượng mất cân bằng:
Trong đó chúng ta kí hiệu Vkl là dao động đo được ở gối đỡ k và ở lần chạy máy hay còn gọi là lần thử l, giá trị l=0 tương ứng với lần thử ban đầu, lúc rotor ở trạng thái nguyên gốc. Các hệ số ảnh hưởng tùy thuộc vào vận tốc quay của rotor cũng như khối
lượng chi tiết cần cân bằng. Vì việc cân bằng thường được chọn tại một số tốc độ cho trước nên các hệ số này cũng được xác định rời rạc theo các cấp tốc độ.
Chúng ta thực hiện ba lần thử liên tiếp tại cùng một tốc độ:
Lần chạy thứ nhất: rotor ở trạng thái nguyên gốc, với các lượng mất cân bằng cần xác
định trong các mặt phẳng i và ii. Tiến hành đo dao động trên các ụ đỡ 1 và 2.
Lần chạy thứ nhì : gắn một khối lượng thử trên mặt phẳng i, và đo các dao động trên
các ụ đỡ 1 và 2.
Lần chạy thứ ba: Tháo khối lựng thử ở mặt i, lại gắn một khối lượng thử trên mặt ii, và
đo các dao động trên các ụ đỡ 1 và 2.
Nếu vẫn xem cơ hệ là tuyến tính và với điều kiện là cả ba lần chạy máy điều dược tiến hành tại cùng một vận tốc quay, chúng ta có thể biết
Và
Như vậy chúng ta có được sáu quan hệ sau ba lần chạy cho phép tính được ma trận các hệ số ảnh hưởng và các khối lượng mất cân bằng .
Nếu tính các dao động chỉ do các khối lượng thử, chúng ta nhận được tuần tự
Và chúng ta tìm được các khối lượng mất cân bằng theo các kết quả đo từ lần chạy thứ nhất:
Bảng đưa ra một ví dụ các kết quả đo sự mất cân bằng trên một rotor; hang cuối cùng cho các giá trị lượng mất cân bằng cần khử đi trong hai mặt phẳng cân bằng.
5.Tiến hành thí nghiệm
Ở thí nghiệm này ta sử dụng phương pháp hiệu chỉnh 1 mặt.
Nhấn F1 để bắt đầu.
Tăng dần tốc độ đến mức thiết lập.
Khi quay ổn định bấm F3 để hiển thị đồ thị dao động. Bấm F2 để dừng.
Sau khi tiến hành xong. Gắn thử đối trọng theo tính tốn của máy vào vị trí góc đã xác định.
Xem xét đồ thị hiển thị trên máy.
Nếu đồ thị dao động ít, nằm trong khoảng cho phép thì kết quả là khả quan.
Xem xét kết quả sau xử lý mất cân bằng theo chỉ tiêu “Chất lượng cân bằng cịn lại – ISO1940”
6.Kết quả thí nghiệm
- Lắp đặt rotor lên thiết bị HnB75B, quàng đai qua rotor;
- Chọn mặt phẳng gần gối đỡ A (hoặc B) làm mặt phẳng xử lý cân bằng; - Chọn tốc độ (500, 600, 700,…vịng/phút), các thơng số lấy mẫu để mặc định; - Thực hiện việc calib với hai lần chạy máy:
(i) lần đầu: để rotor ở nguyên mẫu, cho chi tiết quay ở tốc độ đã chọn, ghi nhận: biên độ và góc pha V 0(V0, φ0) (tức (R20, φ2) theo bảng dưới),
(ii) lần thứ hai: gắn khối lượng thử M trên mặt I (F2pp, 2pp), cho quay chi tiết ở cùng tốc độ trên,ghi nhận biên độ và góc pha V 1(V1, φ1) (tức (F2pp, ξ2pp) theo bảng dưới). Xác định hệ số ảnh hưởng, tính lượng mất cân bằng trên mặt phẳng đã chọn.
Khối lượng thử Giá trị & vị trí (góc)
Gối đỡ (A hoặc B)
Khơng gắn khối lượng thử Biênđộ, R20 = 4176.(1) Góc, φ2=1,4836 o
Gắn F2pp=40g tại góc ξ2pp=135o ở mặt I Biên độ, R2pp=… 81.28….….. Góc φ2pp= 116.41o Đối trọng B B2= 15g Gócφ2 = 182o (1)
Mức điện áp qui đổi từ thiết bị thu nhận tín hiệu. - Lưu trữ các hệ số ảnh hưởng.
- Chạy kiểm tra lại với rotor đã mất cân bằng với các hệ số ảnh hưởng đã lưu trữ, phát hiện và xử lý (lấy bớt hay đắp thêm).
- Xem xét kết quả sau xử lý mất cân bằng theo chỉ tiêu “Chất lượng cân bằng còn lại- ISO1940” (Phụ lục).
7.Nhận xét
Kết quả có tính chính xác cao.
Sự chính xác có được là nhờ sự hỗ trợ thơng minh của thiết bị và chương trình.
Chương trình cung cấp 1 đồ thị quan sát sự mất cân bằng , tiện dụng cho người tiến hành có thể trực tiếp nhận thấy sự dao động do mất cân bằng gây nên.
Thao tác trong q trình thí nghiệm đơn giản, giao tiếp chương trình dễ dàng, kết quả đem lại có độ tin cậy cao.