Автор на статията : Фелдман Валерий Давидович
Редактор и превод : Николай Андреевич Шелковенко и чатГПТ
Балансиране на машини със собствените си ръце
Съдържание
Раздел | Страница |
|---|---|
1. Въведение | 3 |
2. Видове балансиращи машини (стендове) и техните конструктивни особености | 4 |
2.1. Машини и стендове с меки лагери | 4 |
2.2. Машини с твърди лагери | 17 |
3. Изисквания към конструкцията на основните агрегати и механизми на балансиращите машини | 26 |
3.1. Лагери | 26 |
3.2. Лагерни възли на балансиращи машини | 41 |
3.3. Рамки на леглата | 56 |
3.4. Задвижвания на балансиращи машини | 60 |
4. Измервателни системи на балансиращи машини | 62 |
4.1. Избор на сензори за вибрации | 62 |
4.2. Сензори за фазов ъгъл | 69 |
4.3. Особености на обработката на сигнали от сензори за вибрации | 71 |
4.4. Функционална схема на измервателната система на балансиращата машина "Balanset 2" | 76 |
4.5. Изчисляване на параметрите на корекционните тежести, използвани при балансиране на ротора | 79 |
4.5.1. Задача за балансиране на ротори с двойна опора и методи за нейното решаване | 80 |
4.5.2. Методология за динамично балансиране на ротори с няколко опори | 83 |
4.5.3. Калкулатори за балансиране на ротори с много опори | 92 |
5. Препоръки за проверка на работата и точността на балансиращите машини | 93 |
5.1. Проверка на геометричната точност на машината | 93 |
5.2. Проверка на динамичните характеристики на машината | 101 |
5.3. Проверка на експлоатационните възможности на измервателната система | 103 |
5.4. Проверка на характеристиките на точността на машината съгласно ISO 20076-2007 | 112 |
Литература | 119 |
Приложение 1: Алгоритъм за изчисляване на параметрите на балансиране за три опорни вала | 120 |
Приложение 2: Алгоритъм за изчисляване на параметрите на балансиране за четири опорни вала | 130 |
Приложение 3: Ръководство за използване на калкулатора за балансиране | 146 |
1. Въведение (Защо е било необходимо да се напише този труд?)
Анализът на структурата на потреблението на балансиращи устройства, произведени от LLC "Kinematics", показва, че около 30% от тях са закупени за използване като стационарни измервателни и изчислителни системи за балансиращи машини и/или стендове. Възможно е да се определят две групи потребители (клиенти) на нашето оборудване.
Първата група включва предприятия, които са специализирани в масовото производство на балансиращи машини и продажбата им на външни клиенти. В тези предприятия работят висококвалифицирани специалисти със задълбочени познания и богат опит в проектирането, производството и експлоатацията на различни видове балансиращи машини. Предизвикателствата, които възникват при взаимодействието с тази група потребители, най-често са свързани с адаптирането на нашите измервателни системи и софтуер към съществуващи или новоразработени машини, без да се решават въпроси, свързани с конструктивното им изпълнение.
Втората група се състои от потребители, които разработват и произвеждат машини (стендове) за собствени нужди. Този подход се обяснява най-вече със стремежа на независимите производители да намалят собствените си производствени разходи, които в някои случаи могат да намалеят от два до три и повече пъти. Тази група потребители често няма подходящ опит в създаването на машини и обикновено разчита на използването на здрав разум, информация от интернет и всякакви налични аналози в работата си.
Взаимодействието с тях поражда много въпроси, които освен допълнителна информация за измервателните системи на балансиращите машини, обхващат широк кръг от проблеми, свързани с конструктивното изпълнение на машините, методите за монтирането им върху фундамента, избора на задвижвания, постигането на подходяща точност на балансиране и др.
Предвид значителния интерес, проявен от голяма група наши потребители към проблемите на самостоятелното производство на балансиращи машини, специалистите от LLC "Kinematics" подготвиха сборник с коментари и препоръки по най-често задаваните въпроси.
2. Видове балансиращи машини (стендове) и техните конструктивни особености
Балансиращата машина е технологично устройство, предназначено за отстраняване на статичния или динамичния дисбаланс на роторите за различни цели. Тя включва механизъм, който ускорява балансирания ротор до определена честота на въртене, и специализирана измервателна и изчислителна система, която определя масите и разположението на коригиращите тежести, необходими за компенсиране на дисбаланса на ротора.
Конструкцията на механичната част на машината обикновено се състои от рамка на леглото, върху която са монтирани опорни стълбове (лагери). Те се използват за монтиране на балансирания продукт (ротор) и включват задвижване, предназначено за въртене на ротора. По време на процеса на балансиране, който се извършва, докато продуктът се върти, датчиците на измервателната система (чийто вид зависи от конструкцията на машината) регистрират вибрациите в лагерите или силите в лагерите.
Получените по този начин данни позволяват да се определят масите и местата за монтиране на коригиращите тежести, необходими за компенсиране на дисбаланса.
Понастоящем най-разпространени са два типа конструкции на балансиращи машини (стендове):
2.1. Машини и стендове с меки лагери Основната характеристика на балансиращите машини (стендове) с меки лагери е, че те имат относително гъвкави опори, изработени на базата на пружинни окачвания, пружинни карета, плоски или цилиндрични пружинни опори и др. Собствената честота на тези опори е поне 2-3 пъти по-ниска от честотата на въртене на балансирания ротор, монтиран върху тях. Класически пример за конструктивното изпълнение на гъвкави опори с меки лагери може да се види в опората на машината модел DB-50, чиято снимка е показана на фигура 2.1.
Фигура 2.1. Опора на балансиращата машина модел DB-50.
Както е показано на фигура 2.1, подвижната рамка (плъзгач) 2 е прикрепена към неподвижните стълбове 1 на опората чрез окачване на лентови пружини 3. Под въздействието на центробежната сила, причинена от дисбаланса на ротора, монтиран върху опората, каретата (плъзгачът) 2 може да извършва хоризонтални колебания спрямо неподвижната стойка 1, които се измерват с помощта на сензор за вибрации.
Конструктивното изпълнение на тази опора осигурява постигането на ниска собствена честота на трептенията на каретата, която може да бъде около 1-2 Hz. Това позволява балансиране на ротора в широк диапазон от честоти на въртене, започвайки от 200 об/мин. Тази особеност, заедно с относителната простота на производството на такива опори, прави тази конструкция привлекателна за много от нашите потребители, които произвеждат балансиращи машини за собствените си нужди с различно предназначение.
Фигура 2.2. Мека лагерна опора на балансираща машина, произведена от "Полимер ООД", Махачкала
На фигура 2.2 е показана снимка на балансираща машина с меки лагери и опори от пружини за окачване, произведена за собствени нужди в "Полимер ООД" в Махачкала. Машината е предназначена за балансиране на ролки, използвани в производството на полимерни материали.
Фигура 2.3 включва снимка на балансираща машина с подобно лентово окачване на каретата, предназначена за балансиране на специализирани инструменти.
Фигури 2.4.а и 2.4.б показва снимки на самоделна машина Soft Bearing за балансиране на задвижващи валове, чиито опори също са изработени с помощта на лентови пружини за окачване.
Фигура 2.5 представя снимка на машина с меки лагери, предназначена за балансиране на турбокомпресори, чиито опори са окачени на пружини. Машината, изработена за лична употреба от А. Шахгунян (Санкт Петербург), е оборудвана с измервателната система "Balanset 1".
Според производителя (вж. фиг. 2.6) тази машина осигурява възможност за балансиране на турбини с остатъчен дисбаланс, който не надвишава 0,2 g*mm.
Фигура 2.3. Машина с меки лагери за балансиране на инструменти с опорно окачване върху лентови пружини
Фигура 2.4.а. Машина с меки лагери за балансиране на задвижващи валове (сглобена машина)
Фигура 2.4.b. Машина с меки лагери за балансиране на задвижващи валове с опори на каретата, окачени на лентови пружини. (Опора на водещия шпиндел с окачване на пружинната лента)
Фигура 2.5. Машина с меки лагери за балансиране на турбокомпресори с опори върху лентови пружини, произведена от A. Shahgunyan (Санкт Петербург)
Фигура 2.6. Екранно копие на измервателната система "Balanset 1", показващо резултатите от балансирането на ротора на турбината на машината на А. Шахгунян
В допълнение към класическата версия на опорите на балансиращата машина с меки лагери, разгледана по-горе, широко разпространение получиха и други конструктивни решения.
Фигура 2.7 и 2.8 снимки на балансиращи машини за задвижващи валове, чиито опори са изработени на базата на плоски (пластинчати) пружини. Тези машини са произведени за собствени нужди съответно на частното предприятие "Дергачева" и LLC "Таткардан" ("Кинетикс-М").
Балансиращите машини с меки лагери и такива опори често се възпроизвеждат от любители производители поради тяхната относителна простота и възможност за производство. Тези прототипи обикновено са или машини от серията VBRF на "K. Schenck", или подобни машини местно производство.
Машините, показани на фигури 2.7 и 2.8, са предназначени за балансиране на задвижващи валове с две, три и четири опори. Те имат сходна конструкция, включително:
Фигура 2.7. Машина за меки лагери за балансиране на задвижващи валове на частно предприятие "Дергачева" с опори върху плоски (пластинчати) пружини
Фигура 2.8. Машина за балансиране на задвижващи валове с меки лагери на LLC "Tatcardan" ("Kinetics-M") с опори върху плоски пружини
На всички опори са монтирани сензори за вибрации 8, които се използват за измерване на напречните трептения на опорите. Водещият шпиндел 5, монтиран на опора 2, се върти от електродвигател чрез ремъчно задвижване.
Фигури 2.9.а и 2.9.б показват снимки на опората на балансиращата машина, която се основава на плоски пружини.
Фигура 2.9. Опора за балансираща машина с меки лагери и плоски пружини
Предвид факта, че производителите любители често използват такива опори в своите проекти, е полезно да се разгледат по-подробно особеностите на тяхната конструкция. Както е показано на фигура 2.9.а, тази опора се състои от три основни компонента:
За да се предотврати рискът от повишена вибрация на опорите по време на работа, която може да възникне при ускоряване или забавяне на балансирания ротор, опорите могат да включват заключващ механизъм (вж. фиг. 2.9.б). Този механизъм се състои от твърда скоба 5, която може да бъде задействана от ексцентрична блокировка 6, свързана с една от плоските пружини на опората. Когато ключалката 6 и скобата 5 са задействани, опората се заключва, като се елиминира рискът от повишени вибрации при ускоряване и забавяне.
При проектирането на опори, изработени с плоски (пластинчати) пружини, производителят на машината трябва да оцени честотата на техните собствени трептения, която зависи от коравината на пружините и масата на балансирания ротор. Познаването на този параметър позволява на конструктора съзнателно да избере диапазона на работните честоти на въртене на ротора, като се избягва опасността от резонансни трептения на опорите по време на балансиране.
Препоръките за изчисляване и експериментално определяне на собствените честоти на трептене на опорите, както и на други компоненти на балансиращите машини, са разгледани в раздел 3.
Както беше отбелязано по-рано, простотата и възможността за производство на опората, използваща плоски (пластинчати) пружини, привлича любители разработчици на балансиращи машини за различни цели, включително машини за балансиране на колянови валове, ротори на автомобилни турбокомпресори и др.
Като пример, на фигури 2.10.а и 2.10.б е представена обща скица на машина, предназначена за балансиране на роторите на турбокомпресори. Тази машина е произведена и се използва за собствени нужди в LLC "SuraTurbo" в Пенза.
2.10.а. Машина за балансиране на роторите на турбокомпресора (страничен изглед)
2.10.b. Машина за балансиране на роторите на турбокомпресора (поглед от страната на предната опора)
В допълнение към разгледаните по-горе машини за балансиране на меки лагери понякога се създават сравнително прости стендове за меки лагери. Тези стендове позволяват висококачествено балансиране на ротационни механизми за различни цели с минимални разходи.
По-долу са разгледани няколко такива стойки, изградени на базата на плоска плоча (или рамка), поставена върху цилиндрични пружини на натиск. Тези пружини обикновено се подбират така, че собствената честота на трептене на плочата с монтиран върху нея балансиран механизъм да е 2 до 3 пъти по-ниска от честотата на въртене на ротора на този механизъм по време на балансирането.
Фигура 2.11 показва снимка на стойка за балансиране на абразивни дискове, изработена за вътрешното производство от P. Asharin.
Фигура 2.11. Стойка за балансиране на абразивни дискове
Стойката се състои от следните основни компоненти:
Ключова характеристика на този стенд е включването на импулсен сензор 5 за ъгъла на завъртане на ротора на електродвигателя, който се използва като част от измервателната система на стенда ("Balanset 2C") за определяне на ъгловата позиция за отстраняване на коригиращата маса от абразивния диск.
Фигура 2.12 показва снимка на стойка, използвана за балансиране на вакуумни помпи. Тази стойка е разработена по поръчка на "Завод за измерване" АД.
Фигура 2.12. Стенд за балансиране на вакуумни помпи от "Завод за измерване" АД
В основата на този щанд се използва и Плоча 1, монтирани на цилиндрични пружини 2. На плоча 1 е монтирана вакуумна помпа 3, която има собствено електрическо задвижване, способно да променя скоростта в широки граници от 0 до 60 000 об/мин. Върху корпуса на помпата са монтирани сензори за вибрации 4, които се използват за измерване на вибрациите в две различни секции на различни височини.
За синхронизиране на процеса на измерване на вибрациите с ъгъла на завъртане на ротора на помпата на стойката се използва лазерен сензор за фазов ъгъл 5. Въпреки привидно опростената външна конструкция на такива стойки, тя позволява постигането на много висококачествено балансиране на работното колело на помпата.
Например при субкритични честоти на въртене остатъчният дисбаланс на ротора на помпата отговаря на изискванията, определени за клас на качество на баланса G0.16 съгласно ISO 1940-1-2007 "Вибрации. Изисквания за качеството на баланса на твърди ротори. Част 1. Определяне на допустимия дисбаланс."
Остатъчните вибрации на корпуса на помпата, постигнати по време на балансиране при скорости на въртене до 8000 об/мин, не надвишават 0,01 mm/s.
Балансиращите стойки, произведени по гореописаната схема, са ефективни и за балансиране на други механизми, като например вентилатори. Примери за стойки, предназначени за балансиране на вентилатори, са показани на фигури 2.13 и 2.14.
Фигура 2.13. Стойка за балансиране на работните колела на вентилатора
Качеството на балансиране на вентилаторите, постигнато на такива стойки, е доста високо. Според специалистите от "Атлант-проект" ООД на проектирания от тях стенд въз основа на препоръките на "Кинематика" ООД (вж. фиг. 2.14) нивото на остатъчните вибрации, постигнати при балансирането на вентилаторите, е 0,8 mm/sec. Това е повече от три пъти по-добро от допустимото отклонение, определено за вентилатори от категория BV5 съгласно ISO 31350-2007 "Вибрации. Индустриални вентилатори. Изисквания за произведените вибрации и качеството на баланса".
Фигура 2.14. Стенд за балансиране на работните колела на вентилатори на взривозащитено оборудване от ООО "Атлант-проект", Подолск
Подобни данни, получени в "Завод за вентилатори Лисан" АД, показват, че тези стендове, използвани в серийното производство на канални вентилатори, постоянно осигуряват остатъчни вибрации, които не надвишават 0,1 mm/s.
2.2. Машини с твърди лагери.
Балансиращите машини с твърди лагери се различават от разгледаните по-рано машини с меки лагери по конструкцията на опорите си. Техните опори са изработени под формата на твърди плочи със сложни прорези (отвори). Собствените честоти на тези опори значително (поне 2-3 пъти) превишават максималната честота на въртене на ротора, балансиран върху машината.
Машините с твърди лагери са по-универсални от тези с меки лагери, тъй като обикновено позволяват висококачествено балансиране на ротори в по-широк диапазон от техните масови и размерни характеристики. Важно предимство на тези машини е и това, че те позволяват високопрецизно балансиране на ротори при относително ниски скорости на въртене, които могат да бъдат в диапазона 200-500 об/мин и по-ниски.
Фигура 2.15 показва снимка на типична машина за балансиране на твърди лагери, произведена от "K. Schenk". От тази фигура се вижда, че отделните части на опората, образувани от сложните прорези, имат различна твърдост. Под въздействието на силите на дебалансиране на ротора това може да доведе до деформации (премествания) на някои части на опората спрямо други. (На фигура 2.15 по-твърдата част на опората е подчертана с червена пунктирана линия, а относително податливата ѝ част е в синьо).
За измерване на посочените относителни деформации машините с твърди лагери могат да използват или датчици за сила, или високочувствителни вибрационни датчици от различни видове, включително безконтактни датчици за вибрационно преместване.
Фигура 2.15. Машина за балансиране на твърди лагери от "K. Schenk"
Както показва анализът на получените от клиенти заявки за инструментите от серията "Balanset", интересът към производството на машини с твърди лагери за вътрешно ползване непрекъснато нараства. За това спомага широкото разпространение на рекламна информация за конструктивните особености на домашните балансиращи машини, които се използват от любителите производители като аналози (или прототипи) за собствените им разработки.
Нека разгледаме някои варианти на машини с твърди лагери, произведени за вътрешните нужди на редица потребители на инструменти от серията "Balanset".
Фигури 2.16.a - 2.16.d показват снимки на машина с твърди лагери, предназначена за балансиране на задвижващи валове, произведена от Н. Обиедков (град Магнитогорск). Както се вижда на фиг. 2.16.а, машината се състои от твърда рамка 1, на която са монтирани опори 2 (две вретеновидни и две междинни). Основният шпиндел 3 на машината се върти от асинхронен електродвигател 4 чрез ремъчно задвижване. За управление на скоростта на въртене на електродвигателя 4 се използва честотен регулатор 6. Машината е оборудвана с измервателна и изчислителна система "Balanset 4" 5, която включва измервателен блок, компютър, четири сензора за сила и сензор за фазов ъгъл (сензорите не са показани на фиг. 2.16.а).
Фигура 2.16.а. Машина с твърди лагери за балансиране на задвижващи валове, произведена от Н. Обиедков (Магнитогорск)
Фигура 2.16.b показва снимка на предната опора на машината с водещия шпиндел 3, който се задвижва, както вече беше отбелязано, чрез ремъчно задвижване от асинхронен електродвигател 4. Тази опора е неподвижно монтирана на рамата.
Фигура 2.16.b. Предна (водеща) опора на шпиндела.
Фигура 2.16.в включва снимка на една от двете подвижни междинни опори на машината. Тази опора лежи на плъзгачи 7, което позволява надлъжното ѝ преместване по направляващите на рамката. Тази опора включва специално устройство 8, предназначено за монтиране и регулиране на височината на междинния лагер на балансирания задвижващ вал.
Фигура 2.16.в. Междинна подвижна опора на машината
Фигура 2.16.d показва снимка на задната (задвижваща) опора на шпиндела, която, подобно на междинните опори, позволява движение по направляващите на рамата на машината.
Фигура 2.16.d. Задна (задвижваща) опора на шпиндела.
Всички опори, разгледани по-горе, са вертикални плочи, монтирани върху плоски основи. Плочите имат Т-образни прорези (вж. фигура 2.16.г), които разделят опората на вътрешна част 9 (по-твърда) и външна част 10 (по-малко твърда). Различната твърдост на вътрешната и външната част на опората може да доведе до относителна деформация на тези части под действието на силите на неуравновесеност от балансирания ротор.
Датчиците за сила обикновено се използват за измерване на относителната деформация на опорите в самоделни машини. Пример за това как се монтира сензор за сила на опората на машина за балансиране на твърди лагери е показан на фигура 2.16.д. Както се вижда на тази фигура, сензорът за сила 11 се притиска към страничната повърхност на вътрешната част на опората чрез болт 12, който преминава през резбован отвор във външната част на опората.
За да се осигури равномерен натиск на болт 12 върху цялата равнина на сензора за сила 11, между него и сензора се поставя плоска шайба 13.
Фигура 2.16.г. Пример за инсталиране на сензор за сила върху опора.
По време на работата на машината силите на дисбаланс от балансирания ротор действат чрез опорните единици (шпиндели или междинни лагери) върху външната част на опората, която започва да се движи (деформира) циклично спрямо вътрешната си част с честотата на въртене на ротора. Това води до променлива сила, действаща върху сензор 11, пропорционална на силата на дисбаланса. Под нейно въздействие на изхода на сензора за сила се генерира електрически сигнал, пропорционален на големината на дисбаланса на ротора.
Сигналите от сензорите за сила, монтирани на всички опори, се подават към измервателната и изчислителната система на машината, където се използват за определяне на параметрите на коригиращите тежести.
Фигура 2.17.а. е представена снимка на високоспециализирана машина Hard Bearing, използвана за балансиране на "винтови" валове. Тази машина е произведена за вътрешна употреба в LLC "Ufatverdosplav".
Както се вижда на фигурата, механизмът за завъртане на машината има опростена конструкция, която се състои от следните основни компоненти:
Фигура 2.17.а. Машина с твърди лагери за балансиране на винтови валове, произведена от LLC "Ufatverdosplav"
Опорите 2 на машината представляват вертикално монтирани стоманени плочи с Т-образни прорези. В горната част на всяка опора са разположени опорни ролки, произведени с помощта на търкалящи лагери, върху които се върти балансираният вал 5.
За измерване на деформацията на опорите, която възниква под действието на дисбаланса на ротора, се използват датчици за сила 6 (вж. фигура 2.17.б), които се монтират в гнездата на опорите. Тези сензори са свързани с устройството "Balanset 1", което се използва в тази машина като измервателна и изчислителна система.
Въпреки относителната простота на механизма за завъртане на машината, той позволява достатъчно качествено балансиране на винтове, които, както се вижда на фиг. 2.17.а, имат сложна спирална повърхност.
Според LLC "Ufatverdosplav" първоначалният дисбаланс на винта е намален почти 50 пъти при тази машина по време на процеса на балансиране.
Фигура 2.17.b. Поддръжка на машина с твърди лагери за балансиране на винтови валове със сензор за сила
Постигнатият остатъчен дисбаланс е 3552 gmm (19,2 g при радиус 185 mm) в първата равнина на винта и 2220 gmm (12,0 g при радиус 185 mm) във втората равнина. За ротор с тегло 500 kg, работещ при честота на въртене 3500 об/мин, този дисбаланс съответства на клас G6.3 съгласно ISO 1940-1-2007, който отговаря на изискванията, посочени в техническата му документация.
Оригинална конструкция (вж. фиг. 2.18), която включва използването на една основа за едновременен монтаж на опори за две балансиращи машини с твърди лагери с различни размери, е предложена от С.В. Морозов. Очевидните предимства на това техническо решение, които позволяват да се сведат до минимум производствените разходи на производителя, включват:
Фигура 2.18. Машина за балансиране на твърди лагери ("Тандем"), произведена от С.В. Морозов