Các phương pháp cân bằng động chi tiết quay

Mất cân bằng xẩy ra trong trường hợp chung nhất là khi trục quán tính chính của rô to không trùng với trục quay hình học, một trong các thể hiện của nó là trọng tâm của rô to không nằm t

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ VIỆN CƠ HỌC

Phạm Thị Thúy

CÁC PHƯƠNG PHÁP CÂN BẰNG ĐỘNG CHI TIẾT QUAY

Chuyên ngành: Cơ học Vật thể rắn

Mã số: 60.44.21

LUẬN VĂN THẠC SỸ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: GS.TSKH NGUYỄN CAO MỆNH

HÀ NỘI 2007

LỜI CẢM ƠN

Tác giả xin chân thành cảm ơn các thầy giáo, cô giáo khoa Cơ học kỹ thuật và Tự động hóa, Trường Đại học Công nghệ - Đại học Quốc gia Hà Nội

đã tạo mọi điều kiện để tác giả hoàn thành luận văn Tác giả cũng xin được cảm ơn bạn bè đã có những góp ý quý báu để luận văn được hoàn thành Đặc biệt tác giả gửi lời cảm ơn chân thành đến GS TSKH Nguyễn Cao Mệnh đã tận tình giúp đỡ hướng dẫn tác giả thực hiện luận văn này

Mặc dù đã cố gắng nhưng trình độ và thời gian có hạn nên luận văn còn nhiều thiếu sót Bởi vậy tác giả mong được sự góp ý, giúp đỡ của thày cô giáo

và đồng nghiệp cũng như độc giả quan tâm đến luận văn được hoàn chỉnh hơn

MỤC LỤC

MỤC LỤC 3

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ 5

MỞ ĐẦU 6

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ CÂN BẰNG ĐỘNG RÔ TO 8

1.1 Một số khái niệm về cân bằng rô to 8

1.1.1 Rô to cứng 8

1.1.2 Rô to mềm 8

1.1.3 Mất cân bằng của rô to cứng 8

1.1.4 Mất cân bằng của rô to dạng đĩa 10

1.1.5 Mất cân bằng của rô to dài Error! Bookmark not defined 1.1.6 Định nghĩa về cân bằng rô to cứng Error! Bookmark not defined

1.2 Giới thiệu tổng quan các phương pháp cân bằng động đang đựơc sử

dụng Error! Bookmark not defined 1.2.1 Cân bằng rô to phẳng Error! Bookmark not defined 1.2.2 Cách chọn khối lượng thử Error! Bookmark not defined 1.2.3 Cân bằng rô to dài Error! Bookmark not defined 1.2.4 Cân bằng rô to mềm Error! Bookmark not defined 1.3 Kết luận chương 1 Error! Bookmark not defined Chương 2 CÂN BẰNG ĐỘNG RÔ TO PHẲNG Error! Bookmark not

defined

2.1 Các phương pháp cân bằng rô to phẳng trong hệ tuyến tính Error!

Bookmark not defined

2.1.1 Mô hình dao động của hệ có rô to mất cân bằng Error! Bookmark

not defined

2.1.2 Phương pháp cân bằng “Tải trọng vòng quanh” Error! Bookmark

not defined

2.1.3 Phương pháp cân bằng 3 lần thử Error! Bookmark not defined 2.1.4 Phương pháp cân bằng 2 lần thử Error! Bookmark not defined

2.1.5 Phương pháp “Gắn khối lượng thử cách đều 1200” hay còn gọi là

phương pháp 4 lần chạy máy [3] Error! Bookmark not defined 2.1.6 Phương pháp đo được biên độ dao động và pha Error! Bookmark

not defined

2.2 Mô phỏng cân bằng động đối với rô to phẳng trong hệ phi tuyến [12]

Error! Bookmark not defined 2.2.1 Mô hình tính toán Error! Bookmark not defined 2.2.2 Mô phỏng số và quy trình cân bằng động hệ phi tuyến Error!

Bookmark not defined

2.3 Kết luận của chương 2 Error! Bookmark not defined Chương 3 PHƯƠNG PHÁP CÂN BẰNG RÔ TO DÀI Error! Bookmark

not defined

3.1 Mô hình dao động của rô to dài và cứng trên ổ đỡ Error! Bookmark

not defined

3.2 Các phương pháp cân bằng động rô to dài trong hệ tuyến tính Error!

Bookmark not defined

3.2.1 Phương pháp cân bằng thứ nhất Error! Bookmark not defined 3.2.1 Phương pháp cân bằng thứ hai Error! Bookmark not defined 3.2.3 Phương pháp cân bằng thứ ba Error! Bookmark not defined 3.3 Sự phụ thuộc của hệ số ảnh hưởng vào khối lượng Error! Bookmark

not defined

3.4 Kết luận của chương 3 Error! Bookmark not defined KẾT LUẬN CHUNG Error! Bookmark not defined

TÀI LIỆU THAM KHẢO 11

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Tiêu chuẩn lựa chọn số mặt phẳng cân bằng 9

Hình 1.2 Đưa mất cân bằng rô to dài về 2 mặt phẳng I và II Error!

Bookmark not defined

Hình 2.1 Mô hình dao động của hệ rô to mất cân bằng Error! Bookmark

not defined

Hình 2.2 Đồ thị biên độ A trên mặt phẳng (ω2

, A) khi h thay đổi Error!

Bookmark not defined

Hình 2.3 Đồ thị biên độ A khi mất cân bằng U thay đổi Error! Bookmark

not defined

Hình 2.4 Mô tả phương pháp tải trọng vòng quanh Error! Bookmark not

defined

Hình 2.5 Đồ thị biên độ dao động của phương pháp tải trọng vòng quanh

Error! Bookmark not defined Hình 2.6 Mô tả phương pháp cân bằng 3 lần thử Error! Bookmark not

defined

Hình 2.7 Mô tả phương pháp cân bằng 2 lần thử Error! Bookmark not

defined

Hình 2.8 Sơ đồ hợp lực của phương pháp cân bằng 2 lần thử Error!

Bookmark not defined

Hình 2.9 Phương pháp gắn khối lượng thử cách đều 1200

Error! Bookmark

not defined

Hình 2.10 Phương pháp đo dao động và pha Error! Bookmark not defined

Hình 2.11 Đồ thị mô tả giữa A và  của hệ phi tuyến Error! Bookmark not

defined

Hình 2.12 Phổ dao động với f3 = 3 Hz, A0 =0,87992 Error! Bookmark not

defined

Hình 2.13 Phổ dao động ở f4 = 24Hz, xuất hiện 2 đỉnh 8Hz và 24Hz, không

thể lấy biên độ để cân bằng như dạng tuyến tính Error! Bookmark not

defined

Hình 2.14 Phổ dao động ứng với f5 = 34Hz Error! Bookmark not defined

Hình 2.15 Dao động của rô to trước cân bằng A0, sau 2 lần cân bằng là Acb1

và Acb2 Error! Bookmark not defined

Hình 2.16 Đồ thị phổ dao động trước khi cân bằng A0, sau khi cân bằng 2 lần

là Acb1 và Acb2 Error! Bookmark not defined

Hình 3.1 Mô tả rô to dài và cứng trên ổ đỡ Error! Bookmark not defined Hình 3.2 Mô hình lập phương trình dao động rô to dài và cứng Error!

Bookmark not defined

Hình 3.3 Mô tả phương pháp cân bằng thứ nhất Error! Bookmark not

defined.

Hình 3.4 Ví dụ 44 Hình 3.5 Véc tơ dao động do mất cân bằng của ví dụ 44 Hình 3.6 Phương pháp cân bằng thứ 2 45 Hình 3.7 Cách xác định C1 và C2 Error! Bookmark not defined.

Hình 3.8 Kết quả thu được khi cân bằng rô to 51 Hình 3.9 Đồ thị giá trị K12 phụ thuộc vào M 54 Hình 3.10 Giá trị tuyệt đối K12 phụ thuộc vào M 54

MỞ ĐẦU

Một trong các bộ phận thường gặp trong máy là các chi tiết quay (thường gọi là rô to, theo định nghĩa của ISO, rô to là vật quay có các cổ trục tựa trên ổ đỡ [5]) Nguồn gây ra dao động phổ biến nhất là mất cân bằng của

rô to Mất cân bằng xẩy ra trong trường hợp chung nhất là khi trục quán tính chính của rô to không trùng với trục quay hình học, một trong các thể hiện của nó là trọng tâm của rô to không nằm trên trục quay Khi rô to quay sẽ sinh

ra lực ly tâm mà tổng hợp các lực này tạo thành hợp lực và ngẫu lực Các lực này gây ra dao động và tiếng ồn khi máy chạy, truyền lực xuống ổ đỡ và móng, làm giảm tuổi thọ của máy do mòn ổ đỡ, cổ trục và đồng thời làm ảnh hưởng đến sức khỏe của công nhân do làm việc trong môi trường rung và ồn quá mức cho phép Lực ly tâm do mất cân bằng còn gây ra những hiện tượng khác như hiện tượng đảo dầu ở các ổ trượt dẫn đến hiện tượng mất ổn định của máy [3] Việc cân bằng động tức là căn chỉnh lại khối lượng để làm giảm các hiện tượng trên xuống dưới mức cho phép

Hầu như đối với tất cả rô to, việc cân bằng ngày nay được xem như một công việc tối quan trọng vì xu thế hiện nay là để tăng công suất máy, người ta tăng tốc độ quay tới vài chục nghìn vòng/phút Lực ly tâm tỷ lệ với bình phương tốc độ quay, nên dù khối lượng mất cân bằng (lệch tâm) rất nhỏ nhưng cũng tạo ra lực ly tâm lớn [6] Đối với các máy quay hiện đại như động

cơ điện, máy phát điện, máy tuốc bin, máy nén khí, quạt thông gió v,v với việc tăng tốc độ quay thì việc cân bằng động coi như một mệnh lệnh và mức dao động cho phép phải chấp nhận một cách nghiêm ngặt [3,6] Đối với cân bằng động rô to, có thể phân ra thành 2 loại: Cân bằng động trên máy chuyên dụng và cân bằng động tại hiện trường Cân bằng động trên máy chuyên dụng tức là sau khi chế tạo rô to người ta cân bằng hàng loạt ngay tại xưởng trên máy cân bằng chuyên dụng cho vài loại sản phẩm Còn cân bằng tại chỗ tức là

khi hệ thống máy đã được lắp ráp hoàn chỉnh, ta tiến hành cân bằng rô to tại nơi làm việc, hoặc cũng có thể máy đã đưa vào sản xuất một thời gian, khi phát hiện vấn đề về rung, ồn mạnh do mất cân bằng gây ra thì ta phải tiến hành cân bằng tại chỗ Cân bằng động tại chỗ có các ưu điểm là: Không cần phải tháo máy làm mất thời gian dừng máy lâu và không phải tốn kém cho việc tháo lắp và chuyên chở; các bộ phận của máy được cân bằng đồng thời

và kết quả cuối cùng là dao động tổng thể của máy giảm xuống dưới mức cho phép, vì trong thực tế có khi từng bộ phận cân bằng tốt, nhưng khi lắp tổng thể vẫn bị dao động mạnh; được tiến hành trong điều kiện vận hành bình thường gần như khi sản xuất nên kết quả cuối cùng là tình trạng chấp nhận được trong sản xuất

Người ta thấy rằng những hư hỏng cơ học giảm đi nhiều nếu rô to không những chỉ được cân bằng tại xưởng mà còn được kiểm tra sau lắp ráp và cân bằng động tại hiện trường khi cần Tuy nhiên, nhiều loại rô to sản xuất hàng loạt thì việc cân bằng động tại xưởng trên máy cân bằng động chuyên dụng là rất cần thiết và quan trọng

Trong sản xuất có cả cân bằng tĩnh và cân bằng động Về nguyên lý, đối với rô to ngắn (còn gọi là chi tiết quay phẳng) thì chỉ cần cân bằng tĩnh là đủ, nhưng trong thực tế do ảnh hưởng của ma sát và nhiều nguyên nhân khác nữa nên đối với các loại rô to việc cân bằng động sẽ giải quyết tổng thể hơn

Tóm lại, cân bằng động là một khâu rất quan trọng đối với rô to, làm giảm dao động và ồn của máy, tăng tuổi thọ cho máy, giảm ảnh hưởng xấu đến môi trường làm việc của công nhân và giảm thời gian sửa chữa, dừng máy và gián đoạn sản xuất

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ CÂN BẰNG ĐỘNG RÔ TO

1.1 Một số khái niệm về cân bằng rô to

Để có thể làm quen với những thuật ngữ dùng sau này, ở đây xin giới thiệu một số khái niệm mang tính chất như định nghĩa về rô to và cân bằng rô

to

1.1.1 Rô to cứng

Một rô to dài được gọi là rô to cứng khi mất cân bằng của nó có thể căn chỉnh trong hai mặt phẳng bất kỳ (chọn tùy ý) và sau khi được căn chỉnh thì mất cân bằng không thay đổi đáng kể ở bất kỳ tốc độ nào nhỏ hơn tốc độ làm việc cực đại

1.1.2 Rô to mềm

Là rô to không thỏa mãn định nghĩa của rô to cứng Trong luận văn này giới hạn khảo sát chủ yếu các loại rô to cứng

1.1.3 Mất cân bằng của rô to cứng

Để hiểu thế nào là khái niệm mất cân bằng ta cần biết thêm một số định nghĩa sau:

- Đường trục là đường thẳng nối tâm của cổ trục Đường trục cố định

cùng với rô to trong cả quá trình chuyển động

- Đại lượng mất cân bằng của rô to: Khi có một khối lượng u ở cách đường trục một khoảng r thì đại lượng đo mất cân bằng của rô to là:

U u r (1.1)

r

- véc tơ có gốc là đường trục và đỉnh là tâm khối lượng u trong

mặt phẳng vuông góc với đường trục

- Lực ly tâm quán tính: Khi trục quay với vân tốc góc  thì khối lượng u ở cách trục quay một khoảng r sẽ sinh ra lực ly tâm quán tính cho bởi công thức:

F u 2 r 2 U



 

- Căn chỉnh mất cân bằng là quá trình thay đổi lại phân bố khối

lượng của rô to bằng cách thêm hoặc bớt khối lượng để cho mất cân bằng bằng không:

U u a ra 0 (1.3) trong đó ua là khối lượng cần thêm vào (hoặc bớt đi) còn ra là bán kính tính từ tâm khối lượng ua đến đường trục trong mặt phẳng vuông góc với đường trục Mất cân bằng U được căn chỉnh bởi thêm khối lượng vào phía đối diện với u hoặc lấy bớt đi khối lượng ở cùng phía với u Do cấu tạo của rô to, khối lượng thêm vào hoặc bớt

đi có thể lấy ở nhiều vị trí, sao cho tổng hợp lại thỏa mãn điều kiện (1.3)

Để cân bằng rô to cứng, từ thực nghiêm trong thực tế người ta phân chia thành hai loại, một loại là rô to ngắn (còn gọi là rô to dạng đĩa) được tiến hành cân bằng trên 1 mặt phẳng, một loại là rô to dài (còn gọi là rô to dạng ru-lô) được cân bằng trên hai mặt phẳng Có thể tham khảo tiêu chuẩn lựa chọn số mặt phẳng cân bằng trên hình 1.1 Trên hình 1.1, L/D là tỷ số chiều dài và đường kính của rô ro, hoành độ chỉ tốc độ quay của rô to theo vòng/phút Vùng gạch-gạch chỉ loại rô to có thể cân bằng động trong một mặt phẳng (ta

sẽ gọi là rô to ngắn hay rô to dạng đĩa), còn vùng để trắng chỉ loại rô to cần cân bằng động trên hai mặt phẳng (ta sẽ gọi là rô to dài)

1 mặt phẳng

2 mặt phẳng

1 0,5 L/D

0 900 1800 v/ph

1.1.4 Mất cân bằng của rô to dạng đĩa

Trong thực tế, trường hợp đơn giản nhất là đĩa gắn trên trục và trục quay với tốc độ góc  Khi đó giả sử các khối lượng lệch tâm là mi với bán kính tính từ tâm khối lượng mi đến đường trục là ri

sẽ sinh ra lực ly tâm:

F m r 2 , i 1, 2,

i i



Các lực ly tâm này đồng quy nên có hợp lưc:

2

c c i

i i 2 i

F

F        (1.4) trong đó mc là tổng các khối lượng mi, đặt tại trọng tâm chung C và với bán kính quay là rc

Nếu F = 0 thì rô to không mất cân bằng, nếu F 0 thì rô to mất cân bằng, Trong trường hợp mất cân bằng công thức (1.4) có thể viết:

F m r 2 2 u r 2 U

c c













  

Như vậy, đối với rô to cứng dạng đĩa, có thể mô tả bởi 1 véc tơ mất cân bằng và có thể thực hiện căn chỉnh trong một mặt phẳng

Những chi tiết như bánh đà, cánh quạt, đĩa máy mài v.v Có bề dầy nhỏ

so với đường kính ta có thể coi là các chi tiết quay phẳng.Về nguyên tắc, mất cân bằng này có thể khử được bằng cách cân bằng tĩnh Cân bằng tĩnh có thể thực hiện được bằng cách đặt chi tiết quay trên 2 gối, được tạo lập sao cho ma sát không đáng kể thì bao giờ khối lượng mất cân bằng cũng nằm ở vị trí thấp nhất nên có thể lấy bớt khối lượng ở phía dưới hoặc thêm vào khối lượng ở phía trên Tuy nhiên khi máy đã đặt tại vị trí để sản xuất, chi tiết quay bao giờ cũng chịu ma sát không nhỏ, nên việc cân bằng tĩnh thực hiện không chính xác Vì vậy người ta phải tiến hành cân bằng động tại chỗ mà không cần tháo rời chi tiết quay ra, không làm ảnh hưởng nhiều đến thời gian sản xuất

TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Anh

1 ISO 1940-1

2 J.S.Rao (1988), Rotor Dynamics, New York

3 J.M Vance (1988), Rotordynamics of turbomachinery, New York

4 M.J Goodwin (1989), Dynamics of Rotor - Bearing Systems, London

5 Hatto Schneider (1991), Balancing Technology, Schenck

6 C.M.Harris, Allan G Piersol (2002), Harris’ shock and Vibration

Handbook (fifth edition), McGraw-Hill

7 Robert C Eisenmann Sr.P.E and Robert C Eisenmann, Jr Machinery

Malfunction Diagnosis and Correction

8 Nguyen Cao Menh (2002), “The balancing of rotating machinery as

nonlinear system” Vietnam Journal of Mechanics, Volume 21(3),

pp165-172

Tiếng Việt

9 N.V.Kolexnik (1970), Khử rung cho máy (dịch từ tiếng Nga), NXB Khoa

học và Kỹ thuật, Hà Nội

10 Nguyễn Văn Đạo (1971), Các phương pháp cơ bản trong dao động phi

tuyến, NXB Khoa học và Kỹ thuật

11 TCVN 6373:1998

12 Nguyễn Cao Mệnh và Phạm Thị Thúy (2007), “Một giải pháp mô phỏng

để cân bằng động rô to trong hệ phi tuyến yếu”, Báo cáo Hội nghị Cơ học

toàn quốc 12/2007