МЕЖГОСУДАРСТВЕННЫЙ СОВЕТ ПО СТАНДАРТИЗАЦИИ, МЕТРОЛОГИИ И СЕРТИФИКАЦИИ
(МГС)

INTERSTATE COUNCIL FOR STANDARDIZATION, METROLOGY AND CERTIFICATION
(ISC)

МЕЖГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТАНДАРТ

ГОСТ 31320-2006 (ИСО 11342:1998)

Вибрация

МЕТОДЫ И КРИТЕРИИ БАЛАНСИРОВКИ
ГИБКИХ РОТОРОВ

ISO 11342:1998
Mechanical vibration - Methods and criteria for the mechanical balancing of
flexible rotors
(MOD)

Москва Стандартинформ 2008

Предисловие

Цели, основные принципы и основной порядок проведения работ по межгосударственной стандартизации установлены ГОСТ 1.0-92 «Межгосударственная система стандартизации. Основные положения» и ГОСТ 1.2-97 «Межгосударственная система стандартизации. Стандарты межгосударственные, правила и рекомендации по межгосударственной стандартизации. Порядок разработки, принятия, применения, обновления и отмены»

Сведения о стандарте

1 ПОДГОТОВЛЕН Открытым акционерным обществом «Научно-исследовательский центр контроля и диагностики технических систем» на основе собственного аутентичного перевода стандарта, указанного в пункте 4

2 ВНЕСЕН Межгосударственным техническим комитетом по стандартизации МТК 183 «Вибрация и удар»

3 ПРИНЯТ Межгосударственным советом по стандартизации, метрологии и сертификации (протокол № 29 от 24 июня 2006 г.)

За принятие проголосовали:

Краткое наименование страны по МК (ИСО 3166) 004-97	Код страны по МК (ИСО 3166) 004-97	Сокращенное наименование национального органа по стандартизации
Беларусь	ВY	Госстандарт Республики Беларусь
Казахстан	KZ	Госстандарт Республики Казахстан
Кыргызстан	KG	Кыргызстандарт
Молдова	MD	Молдова-Стандарт
Российская Федерация	RU	Федеральное агентство по техническому регулированию и метрологии
Таджикистан	TJ	Таджикстандарт
Узбекистан	UZ	Узстандарт

(Поправка).

4 Настоящий стандарт является модифицированным по отношению к международному стандарту ИСО 11342:1998 «Вибрация. Методы и критерии балансировки гибких роторов» (ISO 11342:1998 «Mechanical vibration - Methods and criteria for the mechanical balancing of flexible rotors») путем внесения технических отклонений, объяснение которых приведено во введении к настоящему стандарту, и изменения его структуры.

Сравнение структуры настоящего стандарта со структурой указанного международного стандарта приведено в дополнительном приложении J.

Степень соответствия - модифицированная (MOD)

5 Приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 12 декабря 2007 г. № 365-ст межгосударственный стандарт ГОСТ 31320-2006 (ИСО 11342:1998) введен в действие в качестве национального стандарта Российской Федерации с 1 июля 2008 г.

6 ВЗАМЕН ГОСТ ИСО 11342-95 и ГОСТ 27870-88

Информация о введении в действие (прекращении действия) настоящего стандарта публикуется в указателе «Национальные стандарты».

Информация об изменениях к настоящему стандарту публикуется в указателе «Национальные стандарты», а текст изменений - в информационных указателях «Национальные стандарты». В случае пересмотра или отмены настоящего стандарта соответствующая информация будет опубликована в информационном указателе «Национальные стандарты»

СОДЕРЖАНИЕ

1 Область применения. 3 2 Нормативные ссылки. 3 3 Термины и определения. 3 4 Основы динамики и балансировки гибких роторов. 3 5 Конструкции роторов. 3 6 Методы балансировки гибких роторов на низких скоростях вращения. 3 7 Методы балансировки гибких роторов на высоких скоростях вращения. 3 8 Критерии оценки качества балансировки. 3 9 Процедуры оценки уравновешенности ротора. 3 Приложение А. Факторы, влияющие на оценку уравновешенности ротора по результатам измерений на месте эксплуатации. 3 Приложение В. Низкоскоростная балансировка роторов в трех оптимальных плоскостях. 3 Приложение С. Коэффициенты преобразования. 3 Приложение D. Вычисление эквивалентного остаточного модального дисбаланса. 3 Приложение Е. Методика определения вида ротора: жесткий или гибкий. 3 Приложение F. Пример расчета допустимого эквивалентного модального дисбаланса. 3 Приложение G. Метод графического определения дисбаланса. 3 Приложение Н. Сведения о соответствии ссылочных международных стандартов межгосударственным стандартам, использованным в настоящем стандарте в качестве нормативных ссылок. 3 Приложение J. Изменение структуры настоящего стандарта по отношению к ИСО 11342:1998. 3 Библиография. 3

Введение

Целью балансировки ротора является его нормальная работа после установки на месте эксплуатации. В данном случае под «нормальной работой» понимают то, что вибрация ротора, вызванная остаточным дисбалансом, не превышает допустимых пределов. Для гибкого ротора «нормальная работа» означает также, что для любых скоростей вращения ротора вплоть до максимальной рабочей скорости его динамический прогиб не превышает допустимого.

В большинстве случаев изготовители проводят балансировку роторов перед сборкой машины, поскольку впоследствии доступ к ротору может быть затруднен. Кроме того, часто по завершении балансировки имеет место приемка ротора заказчиком. Таким образом, хотя конечной целью балансировки является нормальная работа ротора на месте эксплуатации, как правило, предварительно качество балансировки ротора оценивают на балансировочном оборудовании. Обычно суждение о том, насколько «хорошо» ведет себя ротор в процессе эксплуатации, выносят на основании производимой машиной вибрации, которая, в свою очередь, может быть следствием различных причин, в то время как на балансировочном оборудовании анализу в первую очередь подвергают составляющую вибрации на частоте вращения ротора.

Настоящий стандарт устанавливает классификацию роторов в соответствии с требованиями, предъявляемыми к их уравновешенности, и методы оценки остаточного дисбаланса.

Кроме того, настоящий стандарт устанавливает методы построения критериев балансировки роторов на балансировочном оборудовании на основе как предельно допустимых значений вибрации машины с установленным ротором в процессе ее работы, так и предельных значений дисбаланса данного ротора. Для случаев, когда предельно допустимые значения дисбаланса неизвестны, настоящий стандарт устанавливает способ их определения на основе рекомендаций ГОСТ ИСО 10816-1-97, ГОСТ ИСО 7919-1-2002 и стандартов на контроль вибрационного состояния машин конкретных видов (если критерий определен в терминах вибрации), а также ГОСТ 22061-76¹⁾ (если критерий определен в терминах остаточного дисбаланса). Последний стандарт распространяется на жесткие роторы и потому не может быть непосредственно применен к роторам, способным в процессе работы испытывать значительные динамические прогибы. Однако в подразделе 8.3 настоящего стандарта показано, как можно использовать критерии ГОСТ 22061-76 применительно к гибким роторам.

¹⁾ Или его международного аналога [1].

Поскольку настоящий стандарт во многих аспектах дополняет ГОСТ 22061-76, рекомендуется, по возможности, использовать эти стандарты совместно.

По сравнению с примененным международным стандартом ИСО 11342:1998 в текст настоящего стандарта внесены следующие изменения:

- определения терминов перенесены из приложения Н в раздел 3. При этом две терминологические статьи «Н.3 собственная мода изгибных колебаний ротора» и «Н.6 функция моды, ф_n(z)» объединены в одну «3.3 собственная мода (гибкого ротора), ф_n(z)» с соответствующим изменением нумерации других статей, как указано в приложении J;

- ссылки на ИСО 1940-1 заменены ссылками на ГОСТ 22061-76, который, будучи неэквивалентен международному аналогу в целом, тем не менее, эквивалентен ему в части ссылочных положений;

- форма всех таблиц приведена в соответствие с требованиями ГОСТ 1.5-2001, для чего изменена структура приложения D, как указано в приложении J;

- изменен элемент «Библиография», и в нем указаны новые редакции ИСО 1940-1 и ИСО 2953;

- изменена структура стандарта, как указано в приложении J.

ГОСТ 31320-2006

(ИСО 11342:1998)

МЕЖГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТАНДАРТ

Вибрация МЕТОДЫ И КРИТЕРИИ БАЛАНСИРОВКИ ГИБКИХ РОТОРОВ Vibration. Methods and criteria for the mechanical balancing of flexible rotors

Дата введения - 2008-07-01

1 Область применения

Настоящий стандарт устанавливает классификацию гибких роторов (в соответствии с особенностями конструкции и методами балансировки), методы балансировки гибких роторов и методы оценивания окончательной уравновешенности ротора, а также определяет критерии качества балансировки.

Настоящий стандарт не следует рассматривать в качестве руководства по приемке роторов, однако соблюдение положений настоящего стандарта позволяет, с одной стороны, предотвратить выход из строя машин по причине повышенного дисбаланса ротора, а с другой стороны, избежать предъявления чрезмерно завышенных требований к балансировке.

Методы, установленные настоящим стандартом, применимы, в первую очередь, к роторам серийного производства. В случае специализированного оборудования или особых условий его эксплуатации может быть целесообразным отступление от некоторых положений настоящего стандарта.

2 Нормативные ссылки

В настоящем стандарте использованы нормативные ссылки на следующие межгосударственные стандарты:

ГОСТ ИСО 1940-2-99 Вибрация. Требования к качеству балансировки жестких роторов. Часть 2. Учет погрешностей оценки остаточного дисбаланса

ГОСТ ИСО 7919-1-2002 Вибрация. Контроль состояния машин по результатам измерений вибрации на вращающихся валах. Общие требования

ГОСТ ИСО 10816-1-97 Вибрация. Контроль состояния машин по результатам измерений вибрации на невращающихся частях. Часть 1. Общие требования

ГОСТ 19534-74 Балансировка вращающихся тел. Термины

ГОСТ 22061-76 Машины и технологическое оборудование. Система классов точности балансировки. Основные положения

ГОСТ 24346-80 Вибрация. Термины и определения

ГОСТ 31322-2006 (ИСО 8821:1989) Вибрация. Требования к балансировке элементов ротора, собираемых с помощью шпонки

Примечание - При пользовании настоящим стандартом целесообразно проверить действие ссылочных стандартов на территории государства по соответствующему указателю стандартов, составленному по состоянию на 1 января текущего года, и по соответствующим информационным указателям, опубликованным в текущем году. Если ссылочный стандарт заменен (изменен), то при пользовании настоящим стандартом следует руководствоваться заменяющим (измененным) стандартом. Если ссылочный стандарт отменен без замены, то положение, в котором дана ссылка на него, применяется в части, не затрагивающей эту ссылку.

3 Термины и определения

В настоящем стандарте применены термины по ГОСТ 19534 и ГОСТ 24346, а также следующие термины с соответствующими определениями:

3.1 критическая скорость (гибкого ротора): Скорость вращения ротора, на которой он претерпевает максимальный изгиб, существенно превышающий максимальное перемещение цапф ротора.

3.2 критическая скорость жесткого ротора: Скорость вращения ротора, на которой наблюдается максимальное перемещение цапф ротора, существенно превышающее прогиб ротора.

3.3 собственная мода (гибкого ротора) ф_n(z): Форма пространственных колебаний на одной из критических скоростей (гибкого ротора) при отсутствии демпфирования в системе «ротор - опора».

3.4 многоплоскостная балансировка: Процедура балансировки, требующая коррекции дисбалансов в трех и более плоскостях коррекции.

3.5 балансировка по модам: Процедура балансировки гибких роторов с последовательной коррекцией дисбалансов с целью уменьшить амплитуду вибрации на каждой (существенной) собственной моде до установленных пределов.

3.6 модальная масса m_п (n-й моды): Масштабный множитель, имеющий размерность массы и характеризующий распределение массы ротора вдоль его оси в сопоставлении с формой n-й моды.

Примечание - Модальную массу используют, в частности, для описания модального дисбаланса и определяют по формуле

где ?(z) - масса на единицу длины ротора;

L - длина ротора.

3.7 модальный дисбаланс

(n-й моды): Дисбаланс, воздействующий только на n-ю собственную моду изгибных колебаний системы «ротор - опора».

Примечания

1 Мера данной составляющей дисбаланса ротора определяется выражением

 

 

где

- эксцентриситет единичной массы в точке z вдоль оси ротора.

2 Модальный дисбаланс (n-й моды)

представляет собой не сосредоточенный дисбаланс, а распределение дисбаланса по n-й моде колебаний:

 

 

Данный параметр может быть представлен с точки зрения воздействия на n-ю собственную моду вектора единичного дисбаланса

:

 

 

3.8 модальный эксцентриситет

n-й моды (удельный модальный дисбаланс) - Отношение модального дисбаланса n-й моды к модальной массе.

Примечание - Модальный эксцентриситет

выражают формулой

 

3.9 эквивалентный модальный дисбаланс (n-й моды): Минимальный единичный дисбаланс, эквивалентный модальному дисбалансу n-й моды по его влиянию на n-ю собственную моду колебаний.

Примечания

1 В случае сосредоточенного дисбаланса

справедливо следующее соотношение:

 

где ф_n(z_e) - значение функции моды в точке z = z_eприложения (в поперечной плоскости) дисбаланса

.

2 Набор масс, распределенный по соответствующим плоскостям коррекции и взятый в такой пропорции, чтобы возбудить рассматриваемую моду колебаний, может быть назван эквивалентным набором модальных дисбалансов по n-й моде.

3 Эквивалентный модальный дисбаланс по n-й моде способен возбуждать также другие моды колебаний.

3.10 допуск на модальный дисбаланс: В отношении данной моды колебаний предельное значение эквивалентного модального дисбаланса, ниже которого состояние уравновешенности по данной моде рассматривают как приемлемое.

3.11 полигармоническая вибрация: Вибрация, составляющие которой расположены на частотах, кратных частоте вращения.

Примечание - Применительно к балансировке ротора вибрация данного вида может быть обусловлена анизотропией ротора, нелинейностью характеристик системы «ротор - опора» и другими причинами.

3.12 температурно-зависимый дисбаланс: Характерная особенность отдельных роторов, дисбаланс которых способен значительно изменяться с изменением температуры ротора.

3.13 низкоскоростная балансировка (гибкого ротора): Процедура балансировки на скорости, где ротор можно рассматривать как жесткий.

3.14 высокоскоростная балансировка (гибкого ротора): Процедура балансировки на скорости, где ротор нельзя рассматривать как жесткий.

4 Основы динамики и балансировки гибких роторов

4.1 Общие положения

Обычно гибкие роторы требуют проведения многоплоскостной балансировки на высокой скорости вращения. Однако иногда допустима балансировка гибкого ротора на низкой скорости вращения. Для балансировки на высокой скорости используют два основных метода:

- балансировку по модам вибрации;

- метод коэффициентов влияния.

Обычно на практике используют сочетание этих двух методов с применением вычислительной техники и специальных программ расчета.

4.2 Распределение дисбаланса

Конструкция и методы изготовления ротора оказывают существенное влияние на значение и распределение дисбаланса вдоль его оси. Роторы могут быть цельными или сборными. Например, роторы реактивных двигателей собирают из многочисленных элементов в виде оболочек, дисков и лопаток, а роторы генераторов обычно делают из одной заготовки, но впоследствии к ним крепят дополнительные элементы. На распределение дисбаланса существенное влияние могут оказывать диски, муфты и т.д., насаживаемые на вал в горячем состоянии.

Поскольку распределение дисбаланса ротора вдоль его оси является, как правило, случайным, роторы одной и той же модели могут иметь различные распределения дисбаланса. Для гибких роторов распределение дисбаланса вдоль оси является существенно более важной характеристикой, чем для жестких, поскольку от этого распределения зависит степень возбуждения той или иной моды изгибных колебаний. Влияние дисбаланса, сосредоточенного в конкретной точке вдоль оси ротора, определяется формой изгибных колебаний ротора.

Коррекция дисбаланса в плоскостях, координаты которых вдоль оси ротора отличаются от координаты точки реального сосредоточения дисбаланса, способна вызвать вибрацию на скоростях вращения, отличных от той, на которой эту коррекцию проводили. Эта вибрация может превышать установленные пределы, особенно на скорости, близкой к критической скорости вращения ротора. Такое превышение можно наблюдать даже на скорости, на которой проводилась балансировка, если формы возбуждаемых мод на месте эксплуатации и в процессе балансировки существенно различаются.

Некоторые роторы, нагреваясь в процессе работы, испытывают тепловые деформации, что приводит к изменению распределения дисбаланса. Если дисбаланс ротора существенно изменяется от пуска к пуску, приведение его значения к допустимому может оказаться невыполнимым.

4.3 Собственные моды вибрации

Если демпфирование ротора пренебрежимо мало, то моды ротора совпадают с собственными модами изгибных колебаний. В случае, когда опорные подшипники ротора обладают постоянной жесткостью во всех радиальных направлениях, моды представляют собой плоские кривые, вращающиеся вокруг оси ротора. На рисунке 1 показаны типичные формы трех первых собственных мод обычного ротора, опирающегося своими концами на податливые подшипниковые опоры.

Для системы «ротор - подшипник с демпфированием» моды могут представлять собой пространственные кривые, вращающиеся вокруг оси ротора, особенно в случае значительного демпфирования, появляющегося, например, при использовании подшипников скольжения с жидкостной пленкой. На рисунке 2 показаны возможные формы первой и второй мод в случае демпфирования. Часто демпфированные моды можно приближенно рассматривать как собственные, т.е. в виде плоских вращающихся кривых.

Плоскости P₁, P₂ и Р₄ расположены в узлах мод, а плоскость Р₃ - в пучности.

Рисунок 1 - Схематическое изображение форм мод гибких роторов на податливых опорах

Рисунок 2 - Пример форм мод колебаний в случае их демпфирования

Следует обратить особое внимание на то, что формы мод и отклик ротора на дисбаланс сильно зависят от динамических характеристик и расположения подшипниковых опор.

4.4 Воздействие дисбаланса на гибкий ротор

Распределение дисбаланса может быть выражено через модальные дисбалансы. Амплитуда каждой моды определяется соответствующим модальным дисбалансом. При вращении ротора на частоте, близкой к критической, мода, соответствующая этой частоте, обычно является доминирующей по сравнению с остальными.

Степень изгиба ротора определяется:

a) значением модального дисбаланса;

b) степенью близости рабочей частоты вращения к критической;

c) демпфированием в системе «ротор - опора».

Если уменьшить модальный дисбаланс с помощью набора сосредоточенных корректирующих масс, то амплитуда соответствующей моды также уменьшится. На этом основан метод балансировки по модам ротора, описанный в настоящем стандарте.

Значения модальных дисбалансов для заданного распределения дисбаланса определяются формами мод изгибных колебаний. Кроме того, для обобщенного ротора, изображенного на рисунке 1, влияние корректирующей массы на моду зависит от ординаты кривой формы моды в точке расположения плоскости коррекции: максимальный эффект вызывает размещение корректирующей массы в области пучности, минимальный - вблизи узла колебаний. В качестве примера рассмотрен ротор, изображенный на рисунке 1. Корректирующая масса в плоскости Р₃ окажет максимальное воздействие на первую моду колебаний, в то время как ее влияние на вторую моду будет мало.

Корректирующая масса, установленная в плоскости Р₂, не окажет влияния на вторую собственную моду, но будет возбуждать две другие моды.

Корректирующие массы, установленные в плоскостях Р₁ и Р₄, не окажут влияния на третью собственную моду, но будут возбуждать первую и вторую.

4.5 Цель балансировки гибкого ротора

Цель балансировки зависит от требований к эксплуатации машины. Перед балансировкой следует определить используемые критерии. Правильный выбор критериев позволяет удешевить балансировку и обеспечить ее эффективность.

Критерии балансировки выбирают из условия достижения приемлемых значений вибрации машины и динамического прогиба ротора, а также обусловленных дисбалансом сил, действующих на подшипники ротора.

Ротор полностью уравновешен, если устранены локальные дисбалансы на каждом участке ротора сколь угодно малой длины вдоль его оси посредством коррекции дисбалансов этих участков. В этом случае центр масс каждого участка ротора будет лежать на его оси.

Ротор, уравновешенный таким образом, не будет иметь ни статического или динамического дисбаланса, ни модальных составляющих дисбаланса. Данный ротор будет удовлетворительно работать на всех частотах вращения в той мере, в какой это определяется влиянием дисбаланса.

На практике требуемое уменьшение сил, вызываемых дисбалансом, достигают, как правило, путем добавления или удаления масс в ограниченном числе плоскостей коррекции. При этом после балансировки будет неизбежно сохраняться некоторый распределенный остаточный дисбаланс.

Вибрация (или неуравновешенные силы), вызываемая остаточным дисбалансом, должна быть уменьшена до допустимой во всем диапазоне частот вращения, включая критические. Только в особых случаях можно ограничиться балансировкой гибкого ротора на одной частоте вращения. Следует учесть, что ротор, удовлетворительным образом уравновешенный в заданном рабочем диапазоне частот вращения, может вызывать повышенную вибрацию, если до достижения рабочей скорости ему необходимо пройти через критическую скорость. Однако уровни допустимой вибрации в момент прохождения критической скорости могут быть установлены более высокими, чем для рабочей скорости.

Какой бы метод балансировки ни применяли, конечной целью является распределение корректирующих масс с целью минимизировать влияние дисбаланса на всех скоростях вращения вплоть до максимальной рабочей скорости, включая режимы пуска и выбега, а также возможные выходы за пределы рабочего диапазона скоростей. Для решения этой задачи может потребоваться рассмотрение влияния мод с критическими скоростями, лежащими выше рабочего диапазона скоростей.

4.6 Определение местоположения и числа плоскостей коррекции

Число необходимых плоскостей коррекции вдоль оси ротора зависит от применяемого метода балансировки. Например, роторы центробежных компрессоров иногда уравновешивают в собранном состоянии только в плоскостях на концах ротора после того, как каждый диск или вал в составе ротора был уравновешен по отдельности на низкоскоростном балансировочном станке. Однако в общем случае, если рабочая частота вращения ротора достигает или превосходит n-ю критическую частоту вращения, необходимо использовать по меньшей мере n, а обычно (n + 2), плоскостей коррекции, размещенных вдоль его оси.

На стадии проектирования ротора следует определить число плоскостей коррекции и их координаты вдоль оси ротора. На практике число плоскостей коррекции ограничивается особенностями конструкции ротора, а в случае балансировки на месте - возможностью доступа к ним.

4.7 Балансировка валопроводов

Валопровод, состоящий из нескольких роторов, имеет несколько критических частот вращения (и, соответственно, несколько собственных мод), которые, как правило, не совпадают с собственными частотами этих роторов, а форма собственных изгибных колебаний валопровода не связана простой зависимостью с модами роторов. Таким образом, распределение дисбаланса вдоль валопровода, состоящего из двух и более роторов, следует определять через значения модальных дисбалансов, мод всего валопровода в целом, а не его отдельных составляющих.

На практике, однако, часто каждый ротор уравновешивают независимо от других роторов валопровода. В большинстве случаев это обеспечивает удовлетворительную работу валопровода. Применимость данного метода на практике зависит от многих факторов (форм собственных мод и критических скоростей вращения валопровода и составляющих его роторов, распределения дисбаланса и типа соединений валов в валопроводе, характеристик опор валопровода и пр.).

Если впоследствии необходимо провести балансировку на месте установки ротора, следует учитывать рекомендации приложения А.

5 Конструкции роторов

В таблице 1 представлены типичные конструкции роторов, даны их краткие характеристики и указаны рекомендуемые методы балансировки. В таблице приведено только краткое описание характеристик ротора. Более полные требования к роторам установлены в разделах 6 и 7 при описании соответствующих методов балансировки. Перечень методов балансировки приведен в таблице 2.

Иногда целесообразно использовать сочетание нескольких методов. Если ротор данной конструкции может быть уравновешен несколькими способами, то все такие возможности представлены в таблице 1 в последовательности возрастания времени (стоимости) процедуры балансировки.

Роторы любой формы могут быть уравновешены посредством балансировки на нескольких скоростях вращения (см. 7.3), а иногда - в некоторых особых случаях - на рабочей скорости вращения (см. 7.4) или на некоторой фиксированной скорости (см. 7.5).

Таблица 1 - Гибкие роторы

Тип ротора	Характеристики ротора	Рекомендуемые процедуры балансировки (см. таблицу 2)
Диски	Гибкий вал без дисбаланса, жесткий диск или диски
	Один диск: