Що таке балансування ротора електродвигуна?

Причини можна розділити на кілька груп.

• виробничі — неоднорідність матеріалу, допуски механічної обробки, зміщення пакета сердечника, асиметрія вентилятора;
• ремонтні — перемотування ротора, заміна колектора, ремонт клітки, наплавлення, металізація, заміна вентилятора, ремонт вала;
• експлуатаційні — забруднення, відкладення, втрата балансувального вантажу, руйнування вентилятора, термічна деформація, зношування.

Навіть новий ротор може мати дисбаланс, оскільки абсолютно ідеальний розподіл маси технологічно практично недосяжний — тому ротори відповідальних машин проходять балансування ще при виготовленні. Величина, що залишається після балансування, називається залишковим дисбалансом і повинна бути нижче допустимого рівня для конкретного ротора.

При статичному дисбалансі центр маси зміщений від осі обертання — якщо такий ротор вільно покласти на дуже легкі опори, його важка сторона прагнутиме опуститися вниз. Статичне балансування застосовується переважно для вузьких деталей, де осьова довжина мала відносно діаметра — вентиляторів, шківів, тонких дисків.

У довгого ротора загальний центр маси може лежати на осі, але дві неврівноважені маси на різних кінцях під кутом 180° створюють момент — ротор при обертанні починає «хитатися». Це приклад моментного дисбалансу, тому для більшості роторів електродвигунів потрібне динамічне балансування, яке виконується при обертанні на спеціальному балансувальному верстаті та коригує розподіл маси у двох площинах.

На практиці більшість роторів мають одночасно статичну й моментну складові — це називають комбінованим, або динамічним, дисбалансом.

Ротор встановлюється на опори верстата; під час обертання датчики вимірюють коливання, силу, фазу та швидкість. Система визначає, скільки потрібно скоригувати, у якій площині та під яким кутом. Фаза дозволяє визначити кутове положення неврівноваженої маси відносно контрольної мітки — без фазового сигналу можна знати, що дисбаланс є, але важко визначити, де саме потрібна корекція.

При балансуванні часто застосовують пробний вантаж відомої величини, встановлений у певному положенні, щоб система визначила чутливість ротора, після чого програма розраховує необхідну корекцію. Важливо точно знати радіус корекції — та сама маса на різному радіусі створює різний дисбаланс, оскільки він пов’язаний із добутком маси на радіус.

Основні способи — видалення матеріалу (свердління, фрезерування, шліфування), додавання маси (балансувальні вантажі, гвинти, пластини) або переміщення існуючих вантажів у конструкціях зі спеціальними регульованими елементами.

Корекцію можна виконувати тільки в технологічно дозволених зонах — свердління в довільному місці може ослабити деталь, пошкодити сердечник чи обмотку або порушити вентиляцію. Балансувальні вантажі повинні бути надійно закріплені: при високій швидкості на них також діє велика відцентрова сила, і їхній відрив може спричинити руйнування двигуна чи аварію підшипників.

• після перемотування фазного ротора чи ремонту короткозамкненої клітки;
• після заміни колектора чи ремонту якоря;
• після заміни вала чи ремонту вала;
• після заміни вентилятора чи ремонту сердечника;
• після наплавлення, металізації чи механічної обробки, що змінює розподіл маси;
• після ремонту полюсів чи заміни магнітів;
• після аварії, транспортування чи тривалого зберігання, якщо є підозра на зміщення вантажу чи деформацію.

Балансування виконують після завершення ремонту, а не до нього, — будь-яке втручання (нова обмотка, зварний шов, наплавлення, механічна обробка) змінює розподіл маси, тому виконане заздалегідь балансування втратить сенс.

Балансування не усуває вигнутий вал і не виправляє неспіввісність — ці дефекти потрібно усувати окремо, до або замість балансування. Вигнутий вал часто дає сильну складову на частоті обертання (1× RPM), схожу на дисбаланс, тому перед балансуванням важливо перевірити биття вала.

Не можна балансувати механічно нестабільний ротор — якщо сердечник рухається, вентилятор ослаблений чи пакет не затягнутий, розподіл маси постійно змінюється, і отриманий баланс не буде стабільним. Балансування також не усуває резонанс: якщо конструкція має власну частоту близько до робочої швидкості, навіть невелике збудження може викликати значну вібрацію.

Жорсткий ротор у робочому діапазоні швидкості не має суттєвої зміни форми через пружну деформацію, тому баланс, отриманий на верстаті при низькій швидкості, залишається застосовним у роботі. Гнучкий ротор — характерний для довгих валів і високошвидкісних агрегатів — може суттєво деформуватися при обертанні, проходити критичні швидкості й змінювати форму коливань, тому для нього може знадобитися спеціальне високошвидкісне балансування з кількома коригувальними площинами.

Критична швидкість — це діапазон, при якому частота збудження наближається до власної частоти роторної системи; у цій зоні вібрація може різко зростати, а ротор — сильно прогинатися.

На балансувальному верстаті ротор демонтується та балансується окремо. Польове (експлуатаційне) балансування виконується без демонтажу, у складі агрегату, коли ротор великий, демонтаж складний або дисбаланс виник уже після монтажу — вимірюють вібрацію агрегату та встановлюють пробні вантажі безпосередньо на робочому місці.

Балансування ротора асинхронного двигуна перевіряють після ремонту клітки, заміни стрижнів, короткозамикальних кілець, вентилятора чи вала. Балансування фазного ротора особливо важливе після перемотування — нова обмотка, бандажі, клини й просочувальний матеріал можуть трохи змінити масу різних зон.

Балансування якоря машин постійного струму охоплює вал, сердечник, обмотку, колектор, бандажі та вентилятор у зборі — навіть якщо новий колектор має ту саму номінальну масу, можливі відмінності у розподілі міді, пайках та посадці, тому балансувати потрібно вузол у зборі, а не лише окремий колектор.

Дисбаланс створює циклічне радіальне навантаження на підшипники, прискорюючи втому доріжок, зношування, нагрів і руйнування мастила — тому правильне балансування прямо впливає на ресурс підшипникового вузла. Сильна вібрація ротора може також змінювати фактичний повітряний зазор під час обертання, а у важких випадках спричиняти контакт ротора зі статором.

У машинах постійного струму вібрація якоря може погіршувати контакт щіток із колектором, спричиняючи підстрибування щіток, іскріння, нерівномірний знос і пошкодження робочої плівки — тому якісне балансування якоря безпосередньо впливає на комутацію.

Після корекції ротор знову запускають на балансувальному верстаті, визначають залишковий дисбаланс, фазу та стабільність показань — фактичний результат може відрізнятися від розрахункового через неточність маси, кута чи радіуса, тому балансування майже завжди є ітеративним процесом.

Для різних типів роторів потрібен різний клас точності — немає сенсу балансувати великий низькошвидкісний ротор за тими самими вимогами, що й високошвидкісний шпиндель. Надмірно жорсткі вимоги можуть суттєво збільшити вартість, не давши реального ефекту в машині; мета — отримати достатній рівень залишкового дисбалансу для безпечної та стабільної експлуатації.

• балансування вигнутого вала чи ослабленого сердечника;
• ігнорування дефекту підшипників перед балансуванням;
• корекція в недозволеному місці або надто близько до небезпечної зони;
• ненадійне кріплення балансувального вантажу;
• балансування незавершеного ротора чи в неостаточній конфігурації;
• заміна вентилятора після балансування без повторного контролю;
• спроба усунути балансуванням неспіввісність чи замаскувати резонанс;
• відсутність контрольного запуску та протоколу.

• Чому електродвигун сильно вібрує?
• Як виміряти биття вала?
• Як перевірити ротор?
• Як перевірити підшипники?
• Що таке вібраційна діагностика?
• Як виконати центрування електродвигуна?
• Як перевірити електродвигун після ремонту?

ТОВ ВКФ «Електропромремонт» виконує діагностику та динамічне балансування обертових вузлів електричних машин після ремонту й відновлення.

Залежно від конструкції можуть балансуватися ротори асинхронних і синхронних двигунів, фазні ротори, якорі машин постійного струму, тягові ротори, вентилятори та інші обертові вузли.

Перед балансуванням може виконуватися:

• дефектація вала та вимірювання биття;
• контроль посадок і перевірка сердечника;
• контроль вентилятора та перевірка механічної стабільності вузла;
• динамічне балансування у двох площинах з контрольним запуском;
• оформлення протоколу з початковим і залишковим дисбалансом.