Как добиться надежной работы электроустановок - Вибрация

Механические вибрации ухудшают условия работы электрооборудования. Они возникают в электрических машинах; агрегатах, состоящих из электродвигателя и сочлененного с ним приводимого механизма; магнитопроводах трансформаторов, контакторов, магнитных пускателей и реле переменного тока; в дросселях пускорегулирующих устройств люминесцентного освещения и т.п. Именно вибрация дросселей создает неприятное жужжание при люминесцентном освещении. Вредными последствиями вибраций являются механические поломки, перегрев обмотки (см. выше, упражнение 20), повреждение контактов — вибрирующие контакты искрят и портятся.
Вибрации имеют полезные применения, например в отбойных молотках, в механизмах для уплотнения бетона, в грохотах (ситах) на обогатительных фабриках, в затворах-питателях — пример дан в упражнении 38.
Упражнение 38. Загрузка вагонов из бункеров, в которых складируют щебень, гравий, песок и другие сыпучие и кусковые материалы, осуществляется через затворы-питатели. Затворы выпускают в двух принципиально различных исполнениях. В одном исполнении отверстие питателя закрыто снизу плоской крышкой, которую для опорожнения бункера на время открывают. В другом исполнении затвор всегда приоткрыт, т.е. его крышка как бы подпирает содержимое бункера. Но угол, под которым она расположена, меньше угла естественного откоса. Поэтому пока крышка неподвижна, бункер не опорожняется. Достаточно, однако, с помощью электродвигателя заставить крышку вибрировать, как материал начинает ссыпаться. При прекращении вибрации затвор как бы закрывается.
Ответить на вопросы: 1. Каким недостатком обладают затворы первого исполнения? 2. Какое преимущество имеет затвор второго исполнения, а также в чем состоит его недостаток?
Ответы. 1. В шарнире затвора первого исполнения может застрять камень, из-за чего затвор не сможет полностью закрыться. Следовательно, двигатель затормозится, может сгореть, а конечный выключатель его не отключит.
2. Затвор второго исполнения не может "не закрыться". Но он имеет недостаток, состоящий в том, что его вибрации передаются электродвигателю. Однако если эксцентрик, с помощью которого осуществляется вибрация, связан с электродвигателем не жестко, а ременной передачей, то этот недостаток не столь существен, хотя конструкция затвора усложняется.
Вибрация агрегатов приводит к часто повторяющимся деформациям. Они вызывают повышенные механические напряжения, в результате которых могут наступить поломка вала, задевание ротора за статор, подплавление подшипников. Передаваясь через подшипники на опорную раму, вибрации могут привести к ее разрушению и даже нарушить целостность фундамента. Чем больше частота вращения электродвигателя, тем ниже норма допустимой вибрации.
Основные причины вибрации сводятся к следующему: нарушению прочности фундамента и крепления всего агрегата на фундаменте; неравномерному износу отдельных деталей механизма; дефектам в соединительной муфте; неправильной центровке электродвигателя с приводимым механизмом; неуравновешенности электродвигателя и механизма.
Неуравновешенность механизма состоит в несовпадении его геометрического центра тяжести с осью вращения. В результате небаланса в механизме развивается возмущающее усилие тем большее, чем больше неуравновешенная масса, чем дальше она находится от оси вращения и чем больше частота вращения. Насколько значительны эти усилия и как неблагоприятны их последствия, иллюстрирует упражнение 39.
Упражнение 39. Ротор механизма при частоте вращения 750 об/мин имеет небаланс 1,5 кг на радиусе 0,5 м. Возмущающее усилие в этом случае равно 4425 Н (472 кгс).
Ответить на вопросы: 1. Как изменится возмущающее усилие при прочих равных условиях, но при частоте вращения 1500 об/мин? 2. Как изменятся условия работы электродвигателя под действием возмущающего усилия? 3. К каким последствиям это приведет? 4. С какой целью электродвигатель и приводимый им механизм устанавливают на общем монолитном, а не на двух раздельных фундаментах? 
Ответы. 1. Увеличится пропорционально (1500 : 750) г, т.е. в 4 раза и составит 17 700 Н (1888 кгс).
При вращении, когда усилие направлено вверх, оно как бы приподнимает ротор и прижимает его к верхним вкладышам подшипников, уменьшая в то же время давление на нижние вкладыши. При повороте на 180° усилие будет действовать вертикально вниз, увеличивая при этом давление на нижние вкладыши.
В подшипниках будут удары, масляная пленка нарушится и как следствие температура подшипника будет возрастать. Она может достичь значения, при котором произойдет подплавление баббита.
Общий монолитный фундамент предотвращает неодинаковую просадку сопрягаемых частей агрегата.
Неуравновешенность механизма устраняют с помощью балансировки. Если ротор не имеет небаланса, т.е. уравновешен, то независимо от угла поворота он всегда будет находиться в покое, т.е. будет занимать безразличное положение. И, напротив, неуравновешенный ротор находится в покое только в том положении, при котором центр его тяжести расположен ниже геометрической оси.
На свойстве ротора возвращаться в положение равновесия, если он будет выведен из него на некоторый угол, основана статическая балансировка. При статической балансировке определяют место расположения небаланса, подбирают массу, необходимую для устранения небаланса, определяют оставшийся небаланс за счет инерции ротора и трения между шейками вала и призмами (опорами балансировочного станка). Статическая балансировка позволяет выявить и устранить небаланс у роторов и деталей, имеющих сравнительно небольшую длину.
У относительно длинных роторов с большой частотой вращения две одинаковые неуравновешенные массы могут оказаться расположенными примерно в одной плоскости, но одна — вблизи одного торца ротора, например в верхней его части, а другая - у другого конца, в нижней части. Эти массы при статическом положении ротора уравновешивают друг друга, из-за чего при статической балансировке не могут быть выявлены. Однако при вращении с рабочей частотой неуравновешенные массы создадут две противоположно направленные центробежные силы, приложенные к концам ротора, и вызовут его вибрацию.
Рассмотрим еще один пример. Так, при больших частотах вращения под действием центробежных сил обмотка ротора электрической машины в некоторых пазах может сместиться и, заняв новое положение, создать небаланс и как его следствие - вибрацию. В рассмотренных случаях статической балансировки оказывается недостаточно и приходится выполнять более сложную динамическую балансировку.
Вибрации подвержены провода и тросы воздушных линий электропередачи. Следствием вибраций является излом проводов и тросов вблизи мест их крепления с последующим обрывом. Для предотвращения вибраций применяют специальные гасители вибраций. Гаситель вибраций в одном из исполнений — это отрезок троса длиной около полуметра, на котором слева и справа укреплены грузы массой по 1,6 кг.
Само собой разумеется, что необходимость гашения вибраций, исполнение и расположение гасителей в конкретных условиях строго определены правилами.
Особенно опасен механический резонанс. При резонансе амплитуда вынужденных колебаний резко возрастает, когда период синусоидальной внешней силы приближается к периоду собственных колебаний тела. Вынужденными являются колебания, вызванные воздействием периодической внешней силы. Собственные (или свободные) колебания возникают, если тело, выведенное из состояния равновесия, предоставить самому себе.
Механический резонанс может возникнуть, например, в процессе разгона ротора механизма при какой-то промежуточной частоте вращения; с увеличением частоты резонанс прекращается. Резонанс может возникнуть не во всем механизме, а только в какой-либо его части; при резонансе она может отломиться.
Следует здесь же упомянуть об электрическом резонансе, возникающем при соединении индуктивностей и емкостей. Подробно электрический резонанс рассмотрен в § 6. Пока лишь заметим, что электрический резонанс в одних случаях опасен, но в других не только полезен, но и совершенно необходим: без него, например, невозможна настройка радиоприемников на необходимую передающую станцию.