Что такое балансировка ротора электродвигателя?

Причины можно разделить на несколько групп.

• производственные — неоднородность материала, допуски механической обработки, смещение пакета сердечника, асимметрия вентилятора;
• ремонтные — перемотка ротора, замена коллектора, ремонт клетки, наплавка, металлизация, замена вентилятора, ремонт вала;
• эксплуатационные — загрязнение, отложения, потеря балансировочного груза, разрушение вентилятора, термическая деформация, износ.

Даже новый ротор может иметь дисбаланс, поскольку абсолютно идеальное распределение массы технологически практически недостижимо — поэтому роторы ответственных машин проходят балансировку ещё при изготовлении. Величина, остающаяся после балансировки, называется остаточным дисбалансом и должна быть ниже допустимого уровня для конкретного ротора.

При статическом дисбалансе центр массы смещён от оси вращения — если такой ротор свободно положить на очень лёгкие опоры, его тяжёлая сторона будет стремиться опуститься вниз. Статическая балансировка применяется преимущественно для узких деталей, где осевая длина мала относительно диаметра, — вентиляторов, шкивов, тонких дисков.

У длинного ротора общий центр массы может лежать на оси, но две неуравновешенные массы на разных концах под углом 180° создают момент — ротор при вращении начинает «раскачиваться». Это пример моментного дисбаланса, поэтому для большинства роторов электродвигателей нужна динамическая балансировка, которая выполняется при вращении на специальном балансировочном станке и корректирует распределение массы в двух плоскостях.

На практике большинство роторов имеют одновременно статическую и моментную составляющие — это называют комбинированным, или динамическим, дисбалансом.

Ротор устанавливается на опоры станка; во время вращения датчики измеряют колебания, силу, фазу и скорость. Система определяет, сколько нужно скорректировать, в какой плоскости и под каким углом. Фаза позволяет определить угловое положение неуравновешенной массы относительно контрольной метки — без фазового сигнала можно знать, что дисбаланс есть, но трудно определить, где именно нужна коррекция.

При балансировке часто применяют пробный груз известной величины, установленный в определённом положении, чтобы система определила чувствительность ротора, после чего программа рассчитывает необходимую коррекцию. Важно точно знать радиус коррекции — одна и та же масса на разном радиусе создаёт разный дисбаланс, поскольку он связан с произведением массы на радиус.

Основные способы — удаление материала (сверление, фрезерование, шлифование), добавление массы (балансировочные грузы, винты, пластины) или перемещение существующих грузов в конструкциях со специальными регулируемыми элементами.

Коррекцию можно выполнять только в технологически разрешённых зонах — сверление в произвольном месте может ослабить деталь, повредить сердечник или обмотку либо нарушить вентиляцию. Балансировочные грузы должны быть надёжно закреплены: на высокой скорости на них также действует большая центробежная сила, и их отрыв может вызвать разрушение двигателя или аварию подшипников.

• после перемотки фазного ротора или ремонта короткозамкнутой клетки;
• после замены коллектора или ремонта якоря;
• после замены вала или ремонта вала;
• после замены вентилятора или ремонта сердечника;
• после наплавки, металлизации или механической обработки, меняющей распределение массы;
• после ремонта полюсов или замены магнитов;
• после аварии, транспортировки или длительного хранения, если есть подозрение на смещение груза или деформацию.

Балансировку выполняют после завершения ремонта, а не до него, — любое вмешательство (новая обмотка, сварной шов, наплавка, механическая обработка) меняет распределение массы, поэтому выполненная заранее балансировка потеряет смысл.

Балансировка не устраняет изогнутый вал и не исправляет несоосность — эти дефекты нужно устранять отдельно, до или вместо балансировки. Изогнутый вал часто даёт сильную составляющую на частоте вращения (1× RPM), похожую на дисбаланс, поэтому перед балансировкой важно проверить биение вала.

Нельзя балансировать механически нестабильный ротор — если сердечник двигается, вентилятор ослаблен или пакет не затянут, распределение массы постоянно меняется, и полученный баланс не будет стабильным. Балансировка также не устраняет резонанс: если конструкция имеет собственную частоту вблизи рабочей скорости, даже небольшое возбуждение может вызвать значительную вибрацию.

Жёсткий ротор в рабочем диапазоне скорости не имеет существенного изменения формы из-за упругой деформации, поэтому баланс, полученный на станке при низкой скорости, остаётся применимым в работе. Гибкий ротор — характерен для длинных валов и высокоскоростных агрегатов — может существенно деформироваться при вращении, проходить критические скорости и менять форму колебаний, поэтому для него может понадобиться специальная высокоскоростная балансировка с несколькими корректирующими плоскостями.

Критическая скорость — это диапазон, при котором частота возбуждения приближается к собственной частоте роторной системы; в этой зоне вибрация может резко возрастать, а ротор — сильно прогибаться.

На балансировочном станке ротор демонтируется и балансируется отдельно. Полевая (эксплуатационная) балансировка выполняется без демонтажа, в составе агрегата, когда ротор крупный, демонтаж сложен или дисбаланс возник уже после монтажа, — измеряют вибрацию агрегата и устанавливают пробные грузы непосредственно на рабочем месте.

Балансировку ротора асинхронного двигателя проверяют после ремонта клетки, замены стержней, короткозамыкающих колец, вентилятора или вала. Балансировка фазного ротора особенно важна после перемотки — новая обмотка, бандажи, клинья и пропиточный материал могут немного изменить массу разных зон.

Балансировка якоря машин постоянного тока охватывает вал, сердечник, обмотку, коллектор, бандажи и вентилятор в сборе — даже если новый коллектор имеет ту же номинальную массу, возможны отличия в распределении меди, пайках и посадке, поэтому балансировать нужно узел в сборе, а не только отдельный коллектор.

Дисбаланс создаёт циклическую радиальную нагрузку на подшипники, ускоряя усталость дорожек, износ, нагрев и разрушение смазки — поэтому правильная балансировка напрямую влияет на ресурс подшипникового узла. Сильная вибрация ротора может также менять фактический воздушный зазор во время вращения, а в тяжёлых случаях вызывать контакт ротора со статором.

В машинах постоянного тока вибрация якоря может ухудшать контакт щёток с коллектором, вызывая подпрыгивание щёток, искрение, неравномерный износ и повреждение рабочей плёнки — поэтому качественная балансировка якоря напрямую влияет на коммутацию.

После коррекции ротор снова запускают на балансировочном станке, определяют остаточный дисбаланс, фазу и стабильность показаний — фактический результат может отличаться от расчётного из-за неточности массы, угла или радиуса, поэтому балансировка почти всегда является итеративным процессом.

Для разных типов роторов нужен разный класс точности — нет смысла балансировать крупный низкоскоростной ротор по тем же требованиям, что и высокоскоростной шпиндель. Чрезмерно жёсткие требования могут существенно увеличить стоимость, не дав реального эффекта в машине; цель — получить достаточный уровень остаточного дисбаланса для безопасной и стабильной эксплуатации.

• балансировка изогнутого вала или ослабленного сердечника;
• игнорирование дефекта подшипников перед балансировкой;
• коррекция в неразрешённом месте или слишком близко к опасной зоне;
• ненадёжное крепление балансировочного груза;
• балансировка незавершённого ротора или в неокончательной конфигурации;
• замена вентилятора после балансировки без повторного контроля;
• попытка устранить балансировкой несоосность или замаскировать резонанс;
• отсутствие контрольного пуска и протокола.

• Почему электродвигатель сильно вибрирует?
• Как измерить биение вала?
• Как проверить ротор?
• Как проверить подшипники?
• Что такое вибрационная диагностика?
• Как выполнить центровку электродвигателя?
• Как проверить электродвигатель после ремонта?

ТОВ ВКФ «Электропромремонт» выполняет диагностику и динамическую балансировку вращающихся узлов электрических машин после ремонта и восстановления.

В зависимости от конструкции могут балансироваться роторы асинхронных и синхронных двигателей, фазные роторы, якори машин постоянного тока, тяговые роторы, вентиляторы и другие вращающиеся узлы.

Перед балансировкой может выполняться:

• дефектация вала и измерение биения;
• контроль посадок и проверка сердечника;
• контроль вентилятора и проверка механической стабильности узла;
• динамическая балансировка в двух плоскостях с контрольным пуском;
• оформление протокола с начальным и остаточным дисбалансом.