Измерение зазоров,биений и вибраций

1. ИЗМЕРЕНИЕ ЗАЗОРОВ МЕЖДУ РОТОРОМ И СТАТОРОМ
Измерение зазора производят щупами длиной 250 мм, состоящими из набора калиброванных пластин, или же при больших зазорах (в турбогенераторах) специальным щупом. При отсутствии такого щупа можно изготовить набор щупов (рис. 1) из проволоки диаметром 2—3 мм и проверить их штангенциркулем. Такой щуп вводят в зазор плашмя параллельно оси машины, а затем для измерения поворачивают на 90°(устанавливая в положение, изображенное на рис. 1).

Рис. 1. Проволочный щуп для измерения больших зазоров между ротором и статором

При измерениях щуп должен соприкасаться со сталью статора (полюсов) и ротора (якоря), не попадая на пазовый клин или бандаж. При работе необходимо следить за тем, чтобы места измерений и поверхность щупа были чистыми.
Зазор измеряют с обеих сторон машины в нескольких точках, обычно в четырех, сдвинутых относительно друг друга на 90°. В машинах большого диаметра измерение производят в шести или восьми точках. В машинах постоянного тока и в явно полюсных синхронных машинах измерения производят под серединой каждого полюса. Измеряют 3—4 раза, каждый раз поворачивая ротор или якорь на 90°. Средним зазором в каждой данной точке является среднее арифметическое всех полученных значений в данной точке.
Если при указанных измерениях во всех точках получаются значительные отклонения в величине зазоров при различных положениях ротора, то необходимо проверить совпадение осей и цилиндричность поверхностей статора и ротора.
Для проверки формы расточки статора его окружность разделяют на 6, 8, 12 и т. д. частей (рис. 2) в зависимости от диаметра статора.

Рис. 2. Проверка формы расточки статора и ротора

В машинах постоянного тока берут число точек, равное числу полюсов. К каждой точке статора или к каждому полюсу подводят одну и ту же точку ротора или якоря (точку б) и измеряют зазор. Для проверки цилиндричности поверхности ротора поступают аналогично, разделяя на столько же равных частей окружность в синхронных машинах с явно выраженными полюсами, число точек берут равным числу полюсов.
В этом случае каждую из указанных точек ротора подводят к одной и той же точке статора (точке а) и производят измерения.
Средним зазором в машине является среднее арифметическое значение всех измеренных зазоров. Наибольшие отклонения от средне-го зазора имеют место в точках совмещения наибольшего радиуса статора с наименьшим радиусом ротора и наименьшего радиуса статора с наибольшим радиусом ротора. Анализировать результаты измерений удобно, если они записаны по форме табл. П12-1.

Регулирование зазора между ротором и статором производят, изменяя толщину и число прокладок под лапами статора и передвигая статор по горизонтали. При монтаже иногда статор опускают на 0,2—0,3 мм, но в пределах допустимых отклонений, для получения внизу несколько большего зазора.
Наибольшие отклонения измеренных зазоров не должны превышать (по данным завода «Электросила») следующих величин:
Измеренный наименьший зазор до 0,5 мм.....+ I 0 %
Измеренный средний зазор, мм:
   0,6-10............... ±10%
   10—20............... ± I мм
   больше 20..............±5%
Для добавочных полюсов в машинах постоянного тока допустимое отклонение от среднего зазора составляет ±5 %.

2. ИЗМЕРЕНИЕ ЗАЗОРОВ В ПОДШИПНИКАХ
Измерение зазора между верхней половиной вкладыша и шейкой вала обычно производят при помощи свинцовой проволоки диаметром 1,0 мм и длиной 40—50 мм. Кусочки проволоки укладываются на плоскости разъема нижней половины вкладыша с обеих сторон, а также на вал, как это указано на (рис. 3, а).

Рис. 3. Измерение зазоров: а — между шейкой вала и вкладышем; б — между крышкой подшипника и верхним вкладышем

Затем, установив верхнюю половину вкладыша и крышку подшипника, затягивают болты, в результате чего проволочки сплющиваются. По их толщине, измеренной микрометром, определяется верхний зазор между шейкой вала и верхней половиной вкладыша. Эти зазоры а₁ и а₂ в поперечной плоскости А₁А₁ и А₂А₂ будут соответственно равны:

где с₁,c₂, b₁,b₂,b₃ и b₄ — толщины соответствующих проволочек. Разница между a₁ и а₂ не должна превышать 10 %.
Между крышкой подшипника и верхним вкладышем зазор не должен превышать 0,05 мм. Он может быть определен при помощи таких же отрезков свинцовой проволоки, укладываемых между крышкой подшипника и верхним вкладышем и в плоскости разъема между верхней крышкой подшипника и стояком (рис. 3, б). Зазор между крышкой подшипника и вкладышем будет:

где с₃,b₅,b₆,b₇,b₈ — толщины соответствующих сплющенных проволочек. Размеры клиновидных щелей (боковые зазоры) измеряются щупом при роторе, установленном на подшипники.
Зазоры в подшипниках должны соответствовать данным завода-изготовителя. В тех случаях, когда последние отсутствуют, можно руководствоваться приведенными ниже ориентировочными данными.
При определении необходимой величины зазоров следует иметь в виду,что согласно гидродинамической теории смазки при увеличении зазора против требуемого для заданных условий работы уменьшается подъемная сила масляного клина а также толщина смазочного слоя. Это сокращает нагрузочную способность подшипника и увеличивает потери на трение. Поэтому при небольших скоростях шеек, т. е. в тихоходных машинах, зазор делают меньшим, чем в быстроходных, так как в этом случае для получения необходимой подъемной силы масляного клина необходим меньший зазор, причем чем больше нагрузка шейки, тем относительно меньше должен быть зазор. При больших скоростях шеек условия для образования масляного клина более благоприятны, и поэтому зазоры в быстроходных машинах могут быть сделаны большими, чем в тихоходных.
В неразъемных подшипниках (втулках) небольших машин с кольцевой смазкой посадку вала во втулках обычно делают с гарантированным зазором d8 и d9. Лишь при частоте вращения менее 1000 об/мин некоторые заводы применяют посадку е8.
В табл. П12-2 приведены ориентировочные величины пределов диаметральных (верхних) зазоров между шейкой вала и вкладышем в неразъемных вкладышах подшипников с кольцевой смазкой. Этой таблицей можно пользоваться для машин до 1000 кВт при частоте вращения до 1500 об/мин включительно и для машин до 200 кВт при 3000 об/мин.

Диаметральные (верхние) зазоры а (рис.4) в разъемных вкладышах подшипников с кольцевой смазкой обычно находятся в пределах 0,15—0,25 % диаметра шейки вала. Верхний предел относится к быстроходным машинам, нижний — к тихоходным. При этом предполагается, конечно, что указанный диаметральный зазор соответствует цилиндрической расточке вкладыша, так как только при этом он определяет форму масляного клина между шейкой и вкладышем.

Рис. 4.Зазоры в подшипниках

Боковые (горизонтальные) зазоры б без учета продольных канавок (карманов), отнесенных к плоскости разъема, должны составлять на сторону 0,5 верхнего зазора.
В подшипниках с циркуляционной смазкой верхние зазоры делаются больше, чем при кольцевой смазке, так как при больших окружных скоростях и значительных нагрузках требуется больший расход масла для охлаждения шейки и вкладыша. Увеличение верхнего зазора не должно сказываться на величине масляного клина, что будет обеспечено при сохранении необходимого радиуса расточки нижней половины вкладыша. Обычно в подшипниках с циркуляционной смазкой верхние зазоры находятся в пределах 0,25—0,40 % диаметра шейки, а в некоторых случаях доходят до 1,2 %.
Ориентировочные данные по продольным канавкам (карманам) для разъемных вкладышей приведены в табл. П12-3.

Если в верхней половине вкладыша нужно увеличить верхний зазор между шейкой вала и вкладышем, то делают выточку необходимой глубины. Чтобы уменьшить вытекание масла вдоль оси вкладыша, выточку не доводят до краев, оставляя у торцов пояски с нормальным требуемым диаметром расточки вкладыша.
Таким образом, указанное увеличение верхнего зазора должно быть достигнуто специальной обработкой верхней половины вкладыша. Если, однако, при наладке машины или при срочном ремонте нет возможности произвести такую обработку, то в качестве временной меры можно допустить установку в стыке обеих половин вкладыша прокладок (рис. 5), которые вырезают из тонкой листовой стали толщиной 0,1—0.2 мм.

Рис. 5. Прокладка в стыке вкладышей 1— вкладыш; 2 — прокладка

Прокладки должны иметь одинаковую толщину по всей длине и не должны закрывать карманов, отверстий для болтов и шпилек, а также для прохода масла.
Необходимо иметь в виду, что при таком способе увеличения верхнего зазора нужно ставить прокладки и в стыки обеих половин корпуса подшипника, что весьма нежелательно и может быть допущено только для временной эксплуатации. Вообще следует по возможности избегать большого числа прокладок.
Боковые (горизонтальные) зазоры во вкладыше увеличивают путем шабровки.
Для уменьшения зазоров необходима, как правило, перезаливка вкладышей. Уменьшить вертикальный зазор при отсутствии прокладок можно, спиливая плоскости разъема верхней и нижней половин вкладыша и пришабривая их по плите с плотностью прилегания порядка двух пятен на 1 см².
В таких случаях необходимо ставить между крышкой корпуса подшипника и вкладышем прокладку, обеспечивающую предписанное заводом-изготовителем сопряжение вкладыша с корпусом (обычно зазор около 0,05 мм).
Зазоры в шарико- и роликоподшипниках измеряют при помощи щупа. Для этого пластинку щупа вводят между телами качения и наружным кольцом подшипника в ненагруженной зоне.
Зазоры для валов диаметром до 25, до 100 и свыше 100 мм не должны быть выше соответственно 0,1, 0,2 и 0,3 мм.
Новые шарико- и роликоподшипники имеют для валов диаметром до 100 мм и более 100 мм зазоры соответственно 0,01 — 0,10 мм и 0,06—0,30 мм.
Чтобы обеспечить нормальную работу машины, между торцами вкладышей подшипников скольжения и уступами (галтелями) вала должны быть определенные зазоры. Эти зазоры также измеряются пластинчатыми щупами.
При работе машины ротор (якорь) под влиянием магнитных сил стремится установиться так, чтобы получилась небольшая магнитная проводимость цепи. Это соответствует такому взаимному положению ротора и статора, когда совпадают перпендикулярные валу плоскости симметрии активной стали статора и ротора. Если величина осевых зазоров недостаточна, то галтели вала при работе машины могут упираться в торцы вкладышей, вызывая подплавление вкладышей и другие связанные с этим повреждения машины. Поэтому осевые зазоры по обе стороны торцов вкладышей должны быть выбраны с учетом температурного удлинения вала в направлении от муфты к переднему подшипнику (со стороны коллектора или контактных колец). Следовательно, в холодном состоянии нужно устанавливать вал так, чтобы зазоры а₁ и b₁,
 (рис. 6) были примерно одинаковыми, а зазор а₂ был больше зазора b₂ с тем, чтобы в нагретом состоянии при полной нагрузке эти зазоры были равны друг другу.

Рис. 6. Осевые зазоры между торцами вкладышей подшипников и заточками вала

В многомашинных агрегатах величину осевых зазоров надо устанавливать в предположении, что температурное удлинение валов происходит от середины агрегата по направлению к крайним подшипникам. Величины осевых зазоров задает завод-изготовитель. При отсутствии этих данных обычно исходят из предположения, что вал удлиняется на 0,5 мм на 1 м длины при повышении его температуры на 40 °С. Для валов крупных машин (при диаметре более 200 мм) разбег ротора в обе стороны от центрального положения составляет ориентировочно 2 % диаметра шейки.

3. ИЗМЕРЕНИЕ БИЕНИЙ
Биение вращающихся частей определяют индикатором часового типа.
Для измерения радиального биения вала индикатор устанавливают на плоскость разъема подшипникового стояка либо на другое жесткое основание (рис. 7).

Рис.7.Проверка радиального биения

Проверяемую окружность делят на восемь равных частей, измерительный стержень индикатора устанавливают в верхней части проверяемой поверхности, предварительно стрелку его устанавливают на нуль. Поворачивая ротор (вручную илн краном), производят запись показаний индикатора при каждом из восьми положений вала. Для более легкого поворачивания ротора шейку вала смазывают маслом. Запись показаний индикатора ведут со знаком « + » или « —» в зависимости от направления отклонения его стрелки. Разница в показаниях индикатора свидетельствует об эксцентричности проверяемой поверхности или искривлении вала.
Величина искривления вала по отношению к его оси равна половике биения. Для получения правильных измерений необходимо перед отсчетом величины биения убедиться в правильной установке индикатора и надежности его закрепления. Для этого перед отсчетом слегка постукивают рукой по индикатору; если после постукивания стрелка индикатора установится в прежнее положение» то это укажет на правильную установку индикатора. Доказательством того, что индикатор не был смещен при измерениях, служит совпадение его показаний при вторичном измерении биения в точке 1 с показаниями при первом измерении в той же точке. Чтобы избежать искажения показаний, надо при каждом измерении ослаблять трос, которым поворачивают ротор; необходимо также проверить плотность установки вкладышей в расточке стояка и убедиться в отсутствии задевания ротора за какие-либо части. Чтобы исключить случайные ошибки, измерения повторяют два-три раза, несколько сдвигая каждый раз индикатор вдоль оси.
Допустимое биение шеек валов составляет 0,02 мм для диаметров 100—200 мм и 0,03 мм для диаметров более 200 м. В местах установки уплотнений биение не должно превышать 0,05—0,06 мм. Допустимое биение вала ротора в других местах составляет 0,06—0,08 мм для быстроходных машин (3000 об/мин) и 0,10—0,12 мм — для тихоходных.
Осевое биение торца полумуфты проверяют двумя индикаторами, установленными в диаметрально противоположных точках торца полумуфты (рис. 8) на одинаковом расстоянии от оси вращения. Применение двух индикаторов исключает ошибки, связанные с возможными осевыми сдвигами ротора в процессе измерений.

Рис. 8.Проверка осевого биения полумуфты

Здесь также окружность полумуфты разделяют на четное число равных частей, например на восемь. Измерительные стержни индикатора упирают в торец полумуфты на расстоянии 10—15 мм от края. Биение торца полу муфты определяют на основании восьми пар показаний индикаторов соответственно восьми различным положениям ротора. Для нахождения величины биения торца полумуфты на каком-либо диаметре определяют сумму показаний обоих индикаторов для одной и той же точки торца муфты при двух положениях вала — до и после поворота его на 180°.
Если при первоначальном положении ротора показание индикатора I в точке 1 будет I₁, показание индикатора II в точке 5 составит II₅ а при повороте ротора на 180° (см. штриховую линию на рис.8, б) показания индикаторов будут соответственно равны I₅ и II₁, то биение Δs торца полумуфты на диаметре 1—5 определится по формуле:

Значения I₁, II₁, I₅ и II₅ в формуле имеют знак « + » при отклонении стержня индикатора в сторону индикатора и знак « — » при отклонении стержня в сторону муфты.
Положительное значение Δs указывает на то, что точка 1 по отношению к точке 5 выступает в сторону индикатора. Если индикаторы установлены на различном расстоянии от оси вращения,.то биение следует отнести к расстоянию между измерительными стержнями индикаторов.
Результаты измерений и подсчетов рекомендуется представить в табличной форме по образцу табл. П12-4.

Как видно из примера, приведенного в табл. П12-4, наибольшее биение будет на диаметре 1—5 в точке 5.
Чтобы исключить случайные ошибки, измерения повторяют два-три раза, смещая каждый раз индикаторы ближе к центру на 5—10 мм. Кроме того, чтобы проверить отсутствие смещения индикаторов при измерениях, ротор устанавливают в первоначальное положение (1—5) и производят повторно два измерения; разность между показаниями индикаторов при отсутствии их смещения должна равняться первоначальной разности.
Допускаемые радиальное и осевое биения составляют: для жестких муфт 0,03—0,04 мм, для полужестких — не более 0,06 мм. Для жестких муфт быстроходных машин, например турбогенераторов, осевое биение не должно превышать 0,02— 0,03 мм.
Биение коллектора проверяют при медленном проворачивании якоря. Наличие промежутков между пластинами весьма затрудняет измерение биения коллектора при обычной форме конца измерительного стержня. Для устранения этого недостатка на конец стержня индикатора надевают плоский наконечник.
Допустимое биение коллекторов быстроходных машин с окружной скоростью коллектора до 50 м/с, например турбовозбудителей, не должно превышать 0,02—0,03 мм, в тихоходных машинах может быть допущено без ущерба для работы машины значительно большее биение.

4. ИЗМЕРЕНИЕ И НОРМЫ ВИБРАЦИЙ
Роторы всех вращающихся электрических машин обязательно балансируются на заводах-изготовителях, после чего, однако, в них остается некоторая неуравновешенность.
По ГОСТ 12327—79, распространяющемуся на машины с жесткими  роторами массой 0,01 — 1000 кг и рабочей частотой вращения до 30 000 об/мин, в зависимости от массы роторы делятся на три группы: с массой 0,01 — 1 кг (микророторы), свыше 1 до 3 кг (малые роторы) и свыше 3 до 1000 кг (средние роторы). Этот стандарт не распространяется на автотракторные электрические машины.
Для роторов электрических машин устанавливаются четыре класса точности балансировки роторов, указанные ниже:
    Класс точности балансировки........ 6,3 2,5 1,0 0,4
    Наибольшие допустимые значения
    произведения еω, мм-рад/с....... 6,3 2,5 1,0 0,4
Для средних роторов следует использовать классы точности балансировки 6,3; 2,5 и 1.0, для малых роторов и микророторов — классы 2,5; 1,0 и 0,4.
Этим стандартом устанавливаются рекомендации по выбору классов точности и технологии балансировки, а также допустимые остаточные дисбалансы для роторов указанных групп .
До создания единого государственного стандарта на нормы вибрации электрических машин нужно руководствоваться нормами, установленными в стандартах на машины соответствующих типов или, при отсутствии таких норм, временными нормами, принятыми на заводах-изготовителях электрических машин.
При оценке вибрации электрической машины в соответствии с ГОСТ 12379—75 основной измеряемой величиной должно являться среднее квадратическое значение виброскорости ve.
Вибрационное смешение, скорость и ускорение подшипников измеряют вибрографами или виброметрами в трех взаимно перпендикулярных направлениях:
а) вертикальном — на крышке, над осью вращения ротора;
б) горизонтальном — по разъему против середины вкладыша
в) осевом — по разъему, по возможности ближе к оси вращения (рис. 9).

Рис.9.Вибрация подшипника

При частоте вращения вала менее 500 об/мин можно измерять размах вибрационного смещения индикатором часового типа.
В ГОСТ 16921—83, распространяющемся на вращающиеся электрические машины с массой 0,5—2000 кг и рабочей частотой вращения 600—12 000 об/мии, в качестве оцениваемого параметра вибрации принимается максимальное из средних квадратических значений вибрационной скорости v_e, измеренных для диапазона от частоты, соответствующей рабочей частоте вращения, до 2000 Гц.
Для оценки вибрации собранных машин при выпуске с предприятия-изготовителя устанавливается восемь классов по величине вибрации машин. Индексы этих классов обозначаются числами: 0,28; 0,45; 0,7; 1,1; 1,8; 2,8; 4,5; 7,0.
Каждое из чисел равно наибольшему допустимому эффективному значению вибрационной скорости в миллиметрах в секунду для машин данного класса.
Параметры вибрации этих машин должны измеряться при типовых или контрольных испытаниях на предприятиях-изготовителях по ГОСТ 12379—75 в соответствии с программой испытаний, установленной в стандартах или технических условиях на машины соответствующих типов.
До настоящего времени, помимо ГОСТ 16921—83 (для машин с массой до 2000 кг), государственные стандарты устанавливают нормы допустимых вибраций только для синхронных компенсаторов, турбогенераторов и гидрогенераторов.
Допускаемая вибрация (среднее квадратическое значение скорости вибрации) подшипников синхронных компенсаторов (ГОСТ 609—84) иа уровне оси вала при всех режимах работы и при номинальной частоте вращения не должна превышать 2,2 мм/с; допускаемая вибрация сердечника статора на частоте 100 Гц и при симметричной нагрузке не должна превышать 9,5 мм/с.
Вибрация (эффективное значение вибрационной скорости) подшипников турбогенераторов при всех режимах работы, предусмотренных ГОСТ 533—85 Е, должна соответствовать требованиям ГОСТ 25364—82 при номинальной частоте вращения. Нормы вибрации сердечника статора, лобовых частей обмоток и контактных колец устанавливаются в технических условиях на турбогенераторы конкретных типов.
Для гидрогенераторов (ГОСТ 5616—81 Е) допускаемая вибрация в горизонтальной плоскости крестовин гидрогенератора со встроенными в них направляющими подшипниками при вертикальном исполнении или вибрация подшипников при горизонтальном исполнении гидрогенератора во всех режимах работы при номинальной частоте вращения должна быть не более: 180 мкм для генераторов с номинальной частотой вращения до 100 об/мин; 150 мкм — свыше 100 до 187,5 об/мин; 100 мкм — свыше 187,5 до 375 об/мин; 70 мкм — свыше 375 до 750 об/мин.
Допускаемая вибрация (размах колебаний) сердечника статора при частоте 100 Гц при нагрузках в симметричных режимах не должна превышать 30 мкм.
В осевом направлении гидрогенератор должен выдерживать вибрации гидравлической турбины не более указанных выше.
В качестве примера применяемых внутризаводских норм ниже приводятся установленные ЛПЭО «Электросила» (нормали 8Р11 и 8Р15) наибольшие допустимые размахи полигармонической вибрации подшипников электрических машин постоянного и переменного тока, а также агрегатов, за исключением турбогенераторов, при приемных испытаниях на стендах выпускающих цехов:
    Номинальная частота вращения ротора (якоря),
    об/мин...... 375 500 600 750 1000 1500 3000 4500 6000
    Наибольший размах вибрации, мкм..... 90 85 80 75 70 60 40 30 25
Эти нормы распространяются на любой режим работы, предусмотренный для машины.
Если изготовляется машина с частотой вращения, выходящей за пределы указанного диапазона, а также в случаях, когда машина должна удовлетворять более жестким требованиям, то заводом устанавливаются для этой машины индивидуальные нормы допустимой вибрации.