1. Úvod

(Proč bylo nutné napsat toto dílo?)

Analýza struktury spotřeby vyvažovacích zařízení vyráběných společností LLC "Kinematics" (Vibromera) ukazuje, že přibližně 301 TP3T z nich je zakoupeno pro použití jako stacionární měřicí a výpočetní systémy pro vyvažovací stroje a/nebo stolice. Lze identifikovat dvě skupiny spotřebitelů (zákazníků) našeho zařízení.

Do první skupiny patří podniky, které se specializují na hromadnou výrobu vyvažovacích strojů a jejich prodej externím zákazníkům. Tyto podniky zaměstnávají vysoce kvalifikované odborníky s hlubokými znalostmi a rozsáhlými zkušenostmi s navrhováním, výrobou a provozem různých typů vyvažovacích strojů. Problémy, které vznikají při interakci s touto skupinou zákazníků, se nejčastěji týkají přizpůsobení našich měřicích systémů a softwaru stávajícím nebo nově vyvinutým strojům, aniž by se řešily otázky jejich konstrukčního provedení.

Druhou skupinu tvoří spotřebitelé, kteří vyvíjejí a vyrábějí stroje (stojany) pro vlastní potřebu. Tento přístup se většinou vysvětluje snahou nezávislých výrobců snížit vlastní výrobní náklady, které se v některých případech mohou snížit dvakrát až třikrát i více. Tato skupina spotřebitelů často postrádá patřičné zkušenosti s tvorbou strojů a při své práci se obvykle spoléhá na použití zdravého rozumu, informací z internetu a všech dostupných analogů.

Při interakci s nimi vyvstává mnoho otázek, které kromě dalších informací o měřicích systémech vyvažovacích strojů zahrnují širokou škálu otázek týkajících se konstrukčního provedení strojů, způsobů jejich instalace na základ, výběru pohonů a dosažení správné přesnosti vyvažování atd.

Vzhledem k značnému zájmu velké skupiny našich zákazníků o problematiku samostatné výroby vyvažovacích strojů připravili specialisté ze společnosti LLC "Kinematics" (Vibromera) soubor s komentáři a doporučeními k nejčastěji kladeným otázkám.

2. Typy vyvažovacích strojů (stojanů) a jejich konstrukční vlastnosti

Vyvažovací stroj je technologické zařízení určené k odstranění statické nebo dynamické nevyváženosti rotorů pro různé účely. Obsahuje mechanismus, který zrychluje vyvážený rotor na stanovenou frekvenci otáčení, a specializovaný měřicí a výpočetní systém, který určuje hmotnosti a umístění korekčních závaží potřebných ke kompenzaci nevyváženosti rotoru.

Konstrukce mechanické části stroje se obvykle skládá z rámu lože, na kterém jsou instalovány podpěrné sloupky (ložiska). Ty slouží k upevnění vyváženého produktu (rotoru) a obsahují pohon určený k otáčení rotoru. Během procesu vyvažování, který se provádí za otáčení produktu, senzory měřicího systému (jejichž typ závisí na konstrukci stroje) registrují buď vibrace v ložiskách, nebo síly v ložiskách.

Takto získané údaje umožňují určit hmotnosti a místa instalace korekčních závaží, která jsou nezbytná pro vyrovnání nevyváženosti.

V současné době jsou nejrozšířenější dva typy vyvažovacích strojů (stojanů):

• Stroje s měkkými ložisky (s pružnými podpěrami);
• Stroje s tvrdými ložisky (s pevnými podpěrami).

2.1. Stroje a stojany s měkkými ložisky

Základním rysem vyvažovacích strojů (stojanů) s měkkými ložisky je, že mají relativně pružné podpěry, které jsou vyrobeny na bázi pružinových závěsů, pružinových vozíků, plochých nebo válcových pružinových podpěr atd. Vlastní frekvence těchto podpěr je nejméně 2 až 3krát nižší než frekvence otáčení vyvažovaného rotoru, který je na nich namontován. Klasickým příkladem konstrukčního provedení pružných podpěr Soft Bearing je podpěra stroje modelu DB-50, jejíž fotografie je na obrázku 2.1.

Obrázek 2.1. Podpěra vyvažovacího stroje modelu DB-50.

Jak je znázorněno na obrázku 2.1, pohyblivý rám (jezdec) 2 je připevněn ke stacionárním sloupkům 1 podpěry pomocí zavěšení na pásových pružinách 3. Vlivem odstředivé síly způsobené nevyvážeností rotoru instalovaného na podpěře může vozík (jezdec) 2 vykonávat horizontální oscilace vůči stacionárnímu sloupku 1, které jsou měřeny pomocí snímače vibrací.

Konstrukční provedení této podpěry zajišťuje dosažení nízké vlastní frekvence kmitání vozíku, která se může pohybovat kolem 1 až 2 Hz. To umožňuje vyvážení rotoru v širokém rozsahu jeho rotačních frekvencí, počínaje 200 otáčkami za minutu. Tato vlastnost spolu s relativní jednoduchostí výroby takových podpěr činí tuto konstrukci atraktivní pro mnoho našich spotřebitelů, kteří vyrábějí vyvažovací stroje pro své vlastní potřeby různého určení.

Obrázek 2.2. Měkké ložisko vyvažovacího stroje, výrobce "Polymer LTD", Machačkala

Obrázek 2.2 ukazuje fotografii vyvažovacího stroje s měkkými ložisky a podpěrami z pružin, vyrobeného pro interní potřeby ve společnosti "Polymer LTD" v Machačkale. Stroj je určen pro vyvažování válců používaných při výrobě polymerních materiálů.

Obrázek 2.3 je fotografie vyvažovacího stroje s podobným pásovým závěsem vozíku, určeného k vyvažování specializovaných nástrojů.

Obrázky 2.4.a a 2.4.b ukazují fotografie podomácku vyrobeného stroje Soft Bearing pro vyvažování hnacích hřídelí, jehož podpěry jsou rovněž vyrobeny z pružinových pásů.

Obrázek 2.5 představuje fotografii stroje s měkkými ložisky určeného pro vyvažování turbodmychadel, jehož podpěry jsou rovněž zavěšeny na pásových pružinách. Stroj, vyrobený pro soukromé použití A. Šahgunjanem (Petrohrad), je vybaven měřicím systémem "Balanset 1".

Podle výrobce (viz obr. 2.6) je tento stroj schopen vyvažovat turbíny se zbytkovou nevyvážeností nepřesahující 0,2 g*mm.

Obrázek 2.3. Měkký ložiskový stroj pro vyvažování nástrojů s podpůrným zavěšením na pásových pružinách

Obrázek 2.4.a. Stroj s měkkými ložisky pro vyvažování hnacích hřídelí (sestavený stroj)

Obrázek 2.4.b. Měkký ložiskový stroj pro vyvažování hnacích hřídelí s podpěrami vozíku zavěšenými na pásových pružinách. (Vedoucí podpěra vřetena se zavěšením pružinového pásu)

Obrázek 2.5. Měkký ložiskový stroj pro vyvažování turbodmychadel s podpěrami na pásových pružinách, výrobce A. Shahgunyan (Petrohrad)

Obrázek 2.6. Snímek obrazovky měřicího systému 'Balanset 1' zobrazující výsledky vyvažování rotoru turbíny na stroji A. Shahgunyana

Kromě klasické verze vyvažovacích strojních podpěr Soft Bearing, která byla popsána výše, se rozšířila i další konstrukční řešení.

Obrázek 2.7 a 2.8 fotografie vyvažovacích strojů pro hnací hřídele, jejichž podpěry jsou vyrobeny na bázi plochých (talířových) pružin. Tyto stroje byly vyrobeny pro vlastní potřebu soukromého podniku "Dergačeva" a společnosti s ručením omezeným "Tatcardan" ("Kinetika-M").

Vyvažovací stroje s měkkými ložisky s takovými podpěrami jsou často reprodukovány amatérskými výrobci kvůli jejich relativní jednoduchosti a vyrobitelnosti. Tyto prototypy jsou obvykle buď stroje řady VBRF od firmy "K. Schenck", nebo podobné stroje domácí výroby.

Stroje zobrazené na obrázcích 2.7 a 2.8 jsou určeny k vyvažování hnacích hřídelů se dvěma, třemi a čtyřmi podpěrami. Mají podobnou konstrukci, včetně:

• svařovaný rám lůžka 1, jehož základem jsou dva I-nosníky spojené příčnými žebry;
• stacionární (přední) podpěra vřetena 2;
• pohyblivá (zadní) podpěra vřetena 3;
• jedna nebo dvě pohyblivé (mezilehlé) podpěry 4. Na podpěrách 2 a 3 jsou umístěny vřetenové jednotky 5 a 6, určené k montáži vyváženého hnacího hřídele 7 na stroj.

Obrázek 2.7. Stroj s měkkými ložisky pro vyvažování hnací hřídele od soukromého podniku "Dergačeva" s podpěrami na plochých (deskových) pružinách

Obrázek 2.8. Stroj s měkkými ložisky pro vyvažování hnací hřídele od společnosti LLC "Tatcardan" ("Kinetics-M") s podpěrami na plochých pružinách

Na všech podpěrách jsou instalovány snímače vibrací 8, které slouží k měření příčných kmitů podpěr. Vedoucí vřeteno 5, namontované na podpěře 2, se otáčí elektromotorem prostřednictvím řemenového pohonu.

Obrázky 2.9.a a 2.9.b ukazují fotografie podpěry vyvažovacího stroje, která je založena na plochých pružinách.

Obrázek 2.9. Podpěra vyvažovacího stroje s měkkými ložisky a plochými pružinami

• a) Boční pohled;
• b) Pohled zepředu

Vzhledem k tomu, že amatérští výrobci tyto podpěry často používají ve svých konstrukcích, je užitečné podrobněji prozkoumat vlastnosti jejich konstrukce. Jak je znázorněno na obrázku 2.9.a, tato podpěra se skládá ze tří hlavních součástí:

• Spodní opěrná deska 1: U přední podpěry vřetena je deska pevně spojena s vodítky; u mezipodpěr nebo zadních podpěr vřetena je spodní deska konstruována jako vozík, který se může pohybovat podél vodítek rámu.
• Horní nosná deska 2, na kterých jsou namontovány nosné jednotky (válečkové podpěry 4, vřetena, mezinápravová ložiska atd.).
• Dvě ploché pružiny 3, spojující spodní a horní ložiskovou desku.

Aby se zabránilo riziku zvýšených vibrací podpěr během provozu, které mohou nastat při zrychlování nebo zpomalování vyváženého rotoru, mohou být podpěry vybaveny blokovacím mechanismem (viz obr. 2.9.b). Tento mechanismus se skládá z tuhé konzoly 5, kterou lze zaaretovat excentrickým zámkem 6 připojeným k jedné z plochých pružin podpěry. Když zámek 6 a držák 5 zapadnou, je podpěra uzamčena, čímž se eliminuje riziko zvýšených vibrací při zrychlování a zpomalování.

Při navrhování podpěr s plochými (deskovými) pružinami musí výrobce stroje posoudit frekvenci jejich vlastních kmitů, která závisí na tuhosti pružin a hmotnosti vyváženého rotoru. Znalost tohoto parametru umožňuje konstruktérovi vědomě zvolit rozsah provozních frekvencí otáčení rotoru a vyhnout se tak nebezpečí rezonančního kmitání podpěr při vyvažování.

Doporučení pro výpočet a experimentální stanovení vlastních frekvencí kmitání podpěr a dalších součástí vyvažovacích strojů jsou popsána v části 3.

Jak již bylo uvedeno, jednoduchost a vyrobitelnost konstrukce podpěr s plochými (deskovými) pružinami láká amatérské vývojáře vyvažovacích strojů pro různé účely, včetně strojů pro vyvažování klikových hřídelí, rotorů automobilových turbodmychadel atd.

Jako příklad obrázky 2.10.a a 2.10.b znázorňují celkový náčrt stroje určeného pro vyvažování rotorů turbodmychadel. Tento stroj byl vyroben a používán pro interní potřeby ve společnosti LLC "SuraTurbo" v Penze.

2.10.a Stroj pro vyvažování rotorů turbodmychadla (boční pohled)

2.10.b Stroj pro vyvažování rotorů turbodmychadla (pohled ze strany přední podpěry)

Kromě již zmíněných vyvažovacích strojů Soft Bearing se někdy vytvářejí relativně jednoduché stojany Soft Bearing. Tyto stojany umožňují kvalitní vyvažování rotačních mechanismů pro různé účely s minimálními náklady.

Níže je uvedeno několik takových stojanů, které jsou postaveny na základě ploché desky (nebo rámu) uloženého na válcových tlačných pružinách. Tyto pružiny se obvykle volí tak, aby vlastní frekvence kmitů desky s vyváženým mechanismem na ní byla 2 až 3krát nižší než frekvence otáčení rotoru tohoto mechanismu během vyvažování.

Obrázek 2.11 ukazuje fotografii stojanu na vyvažování brusných kotoučů, který pro vlastní výrobu vyrobil P. Asharin.

Obrázek 2.11. Stojan pro vyvažování brusných kotoučů

Stojan se skládá z následujících hlavních součástí:

• Deska 1, uložený na čtyřech válcových pružinách 2;
• Elektrický motor 3, jehož rotor slouží zároveň jako vřeteno, na němž je namontován trn 4, který slouží k instalaci a upevnění brusného kotouče na vřeteno.

Klíčovým rysem tohoto stojanu je zabudování pulzního senzoru 5 pro úhel natočení rotoru elektromotoru, který se používá jako součást měřicího systému stojanu ("Balanset 2C") k určení úhlové polohy pro odstranění korekční hmoty z brusného kotouče.

Obrázek 2.12 ukazuje fotografii stojanu používaného pro vyvažování vakuových čerpadel. Tento stojan byl vyvinut na zakázku společností JSC "Měřicí závod".

Obrázek 2.12. Stojan pro vyvažování vakuových čerpadel od společnosti JSC "Měřicí závod""

Základem tohoto stojanu je také Deska 1namontované na válcových pružinách 2. Na desce 1 je instalována vývěva 3, která má vlastní elektrický pohon schopný měnit otáčky v širokém rozsahu od 0 do 60 000 ot/min. Na skříni vývěvy jsou namontovány snímače vibrací 4, které slouží k měření vibrací ve dvou různých sekcích v různých výškách.

Pro synchronizaci procesu měření vibrací s úhlem natočení rotoru čerpadla je na stojanu použit laserový fázový úhlový senzor 5. Navzdory zdánlivě jednoduché vnější konstrukci takových stojanů umožňuje dosáhnout velmi kvalitního vyvážení oběžného kola čerpadla.

Například při podkritických rotačních frekvencích splňuje zbytková nevyváženost rotoru čerpadla požadavky stanovené pro třídu kvality vyvážení G0.16 dle normy ISO 1940-1-2007 "Vibrace. Požadavky na kvalitu vyvážení tuhých rotorů. Část 1. Stanovení přípustné nevyváženosti."

Zbytkové vibrace skříně čerpadla dosahované při vyvažování při otáčkách do 8 000 ot/min nepřekračují 0,01 mm/s.

Vyvažovací stojany vyrobené podle výše popsaného schématu jsou účinné i při vyvažování jiných mechanismů, například ventilátorů. Příklady stojanů určených k vyvažování ventilátorů jsou uvedeny na obrázcích 2.13 a 2.14.

Obrázek 2.13. Stojan pro vyvažování oběžných kol ventilátoru

Kvalita vyvážení ventilátorů dosažená na takových stolicích je poměrně vysoká. Podle specialistů ze společnosti "Atlant-project" LLC na stolici, který navrhli na základě doporučení společnosti "Kinematics" LLC (viz obr. 2.14), byla při vyvažování ventilátorů dosažena úroveň zbytkových vibrací 0,8 mm/s. To je více než třikrát lepší než tolerance stanovená pro ventilátory kategorie BV5 dle normy ISO 31350-2007 "Vibrace. Průmyslové ventilátory. Požadavky na produkované vibrace a kvalitu vyvážení"."

Obrázek 2.14. Stojan pro vyvažování oběžných kol ventilátorů nevýbušného zařízení od společnosti "Atlant-project" LLC, Podolsk

Podobné údaje získané v JSC "Lissant Fan Factory" ukazují, že takové stojany, používané při sériové výrobě potrubních ventilátorů, trvale zajišťovaly zbytkové vibrace nepřesahující 0,1 mm/s.

2.2. Stroje s tvrdými ložisky

Vyvažovací stroje s tvrdými ložisky se od dříve diskutovaných strojů s měkkými ložisky liší konstrukcí podpěr. Jejich podpěry mají podobu tuhých desek se složitými drážkami (výřezy). Vlastní frekvence těchto podpěr výrazně (nejméně 2-3krát) převyšují maximální frekvenci otáčení rotoru vyvažovaného na stroji.

Stroje s tvrdými ložisky jsou univerzálnější než stroje s měkkými ložisky, protože obvykle umožňují vysoce kvalitní vyvažování rotorů v širším rozsahu jejich hmotnostních a rozměrových charakteristik. Důležitou výhodou těchto strojů je také to, že umožňují vysoce přesné vyvažování rotorů při relativně nízkých otáčkách, které se mohou pohybovat v rozmezí 200-500 ot/min a nižším.

Obrázek 2.15 Obrázek ukazuje fotografii typického vyvažovacího stroje pro tvrdá ložiska vyrobeného firmou "K. Schenk". Z tohoto obrázku je patrné, že jednotlivé části podpěry, tvořené složitými drážkami, mají různou tuhost. Vlivem sil nevyváženosti rotoru může dojít k deformacím (posunutím) některých částí podpěry vůči ostatním. (Na obrázku 2.15 je tužší část podpěry zvýrazněna červenou tečkovanou čarou a její relativně poddajná část modře).

K měření uvedených relativních deformací mohou stroje Hard Bearing používat buď snímače síly, nebo vysoce citlivé snímače vibrací různých typů, včetně bezkontaktních snímačů posunu vibrací.

Obrázek 2.15. Vyvažovací stroj na tvrdá ložiska od firmy "K. Schenk"

Jak ukazuje analýza poptávek zákazníků na přístroje řady "Balanset", zájem o výrobu vyvažovacích strojů s tvrdými ložisky pro vlastní potřebu neustále roste. Tomu napomáhá i široké šíření reklamních informací o konstrukčních vlastnostech domácích vyvažovacích strojů, které amatérští výrobci používají jako analogy (nebo prototypy) pro svůj vlastní vývoj.

Podívejme se na některé varianty strojů s tvrdými ložisky vyráběných pro interní potřeby řady spotřebitelů nástrojů řady "Balanset".

Obrázky 2.16.a - 2.16.d zobrazují fotografie stroje s tvrdými ložisky určeného pro vyvažování hnací hřídele, který vyrobila firma N. Obědkov (město Magnitogorsk). Jak je vidět na obr. 2.16.a, stroj se skládá z pevného rámu 1, na kterém jsou instalovány podpěry 2 (dvě vřetena a dvě mezilehlé). Hlavní vřeteno 3 stroje je otáčeno asynchronním elektromotorem 4 pomocí řemenového pohonu. Pro řízení otáček elektromotoru 4 se používá frekvenční regulátor 6. Stroj je vybaven měřicím a výpočetním systémem 5 "Balanset 4", který zahrnuje měřicí jednotku, počítač, čtyři snímače síly a snímač fázového úhlu (snímače nejsou na obr. 2.16.a znázorněny).

Obrázek 2.16.a. Stroj s tvrdými ložisky pro vyvažování hnacích hřídelí, výrobce N. Obědkov (Magnitogorsk)

Obrázek 2.16.b ukazuje fotografii přední podpěry stroje s předním vřetenem 3, které je poháněno, jak již bylo uvedeno, řemenovým převodem od asynchronního elektromotoru 4. Tato podpěra je pevně namontována na rámu.

Obrázek 2.16.b. Přední (přední) podpěra vřetena.

Obrázek 2.16.c obsahuje fotografii jedné ze dvou pohyblivých mezipodstavců stroje. Tato podpěra spočívá na kluzácích 7, což umožňuje její podélný pohyb podél vedení rámu. Součástí této podpěry je speciální zařízení 8, určené k instalaci a výškovému nastavení mezinápravového ložiska vyváženého hnacího hřídele.

Obrázek 2.16.c. Mezilehlá pohyblivá podpěra stroje

Obrázek 2.16.d ukazuje fotografii zadní (poháněné) podpěry vřetena, která stejně jako mezilehlé podpěry umožňuje pohyb po vodítkách rámu stroje.

Obrázek 2.16.d. Zadní (hnaná) podpěra vřetena.

Všechny výše uvedené podpěry jsou svislé desky namontované na plochých podstavcích. Desky mají drážky ve tvaru písmene T (viz obr. 2.16.d), které rozdělují podpěru na vnitřní část 9 (pevnější) a vnější část 10 (méně pevnou). Rozdílná tuhost vnitřní a vnější části podpěry může mít za následek relativní deformaci těchto částí pod vlivem sil nevyváženosti od vyváženého rotoru.

Snímače síly se obvykle používají k měření relativní deformace podpěr v podomácku vyrobených strojích. Příklad instalace snímače síly na podpěru vyvažovacího stroje Hard Bearing je uveden na obrázku 2.16.e. Jak je vidět na tomto obrázku, snímač síly 11 je přitlačen k bočnímu povrchu vnitřní části podpěry šroubem 12, který prochází otvorem se závitem ve vnější části podpěry.

Aby byl zajištěn rovnoměrný tlak šroubu 12 v celé rovině snímače síly 11, je mezi ním a snímačem umístěna plochá podložka 13.

Obrázek 2.16.d. Příklad instalace snímače síly na podpěru.

Během provozu stroje působí síly nevyváženosti z vyváženého rotoru přes nosné jednotky (vřetena nebo mezilehlá ložiska) na vnější část podpěry, která se začne cyklicky pohybovat (deformovat) vzhledem ke své vnitřní části s frekvencí otáčení rotoru. To má za následek proměnnou sílu působící na senzor 11, úměrnou síle nevyváženosti. Pod jejím vlivem se na výstupu senzoru síly generuje elektrický signál úměrný velikosti nevyváženosti rotoru.

Signály ze silových senzorů instalovaných na všech podpěrách jsou přiváděny do měřicího a výpočetního systému stroje, kde se používají k určení parametrů korekčních závaží.

Obrázek 2.17.a. zobrazuje fotografii vysoce specializovaného stroje na vyvažování tvrdých ložisek používaného k vyvažování "šroubových" hřídelí. Tento stroj byl vyroben pro interní použití ve společnosti LLC "Ufatverdosplav".

Jak je vidět na obrázku, roztokový mechanismus stroje má zjednodušenou konstrukci, která se skládá z následujících hlavních součástí:

• Svařovaný rám 1, který slouží jako postel;
• Dvě stacionární podpěry 2, pevně připevněné k rámu;
• Elektrický motor 3, který přes řemenový pohon 4 pohání vyvažovací hřídel (šroub) 5.

Obrázek 2.17.a. Stroj s tvrdými ložisky pro vyvažování šroubových hřídelí, vyrobený společností LLC "Ufatverdosplav""

Podpěry 2 stroje jsou vertikálně instalované ocelové desky s drážkami ve tvaru T. V horní části každé podpěry jsou umístěny podpěrné válečky vyrobené pomocí valivých ložisek, na kterých se otáčí vyvážený hřídel 5.

Pro měření deformace podpěr, ke které dochází působením nevyváženosti rotoru, se používají snímače síly 6 (viz obr. 2.17.b), které jsou instalovány v drážkách podpěr. Tyto snímače jsou připojeny k zařízení "Balanset 1", které se na tomto stroji používá jako měřicí a výpočetní systém.

Přes relativní jednoduchost roztočného mechanismu stroje umožňuje dostatečně kvalitní vyvažování šroubů, které, jak je vidět na obr. 2.17.a., mají složitý šroubovicový povrch.

Podle společnosti LLC "Ufatverdosplav" se počáteční nevyváženost šneku na tomto stroji během procesu vyvažování snížila téměř 50krát.

Obrázek 2.17.b. Podpěra tvrdého ložiska stroje pro vyvažování šroubových hřídelí se snímačem síly

Dosažená zbytková nevyváženost byla v první rovině šroubu 3552 g*mm (19,2 g na poloměru 185 mm) a ve druhé rovině 2220 g*mm (12,0 g na poloměru 185 mm). Pro rotor o hmotnosti 500 kg a pracující s rotační frekvencí 3500 ot/min odpovídá tato nevyváženost třídě G6.3 dle normy ISO 1940-1-2007, což splňuje požadavky stanovené v její technické dokumentaci.

Originální návrh (viz obr. 2.18), který zahrnuje použití jediné základny pro současnou instalaci podpěr pro dva vyvažovací stroje s tvrdými ložisky různých velikostí, navrhl SV Morozov. Mezi zjevné výhody tohoto technického řešení, které umožňují minimalizovat výrobní náklady výrobce, patří:

• Úspora výrobního prostoru;
• Použití jednoho elektromotoru s frekvenčním měničem pro provoz dvou různých strojů;
• Použití jednoho měřicího systému pro obsluhu dvou různých strojů.

Obrázek 2.18. Vyvažovací stroj s tvrdými ložisky ("Tandem"), výrobce SV Morozov

3. Požadavky na konstrukci základních jednotek a mechanismů vyvažovacích strojů

3.1. Ložiska

3.1.1. Teoretické základy navrhování ložisek

V předchozí části byly podrobně diskutovány hlavní konstrukční provedení měkkých a tvrdých ložisek pro vyvažovací stroje. Klíčovým parametrem, který musí konstruktéři při návrhu a výrobě těchto ložisek zvážit, je jejich vlastní frekvence kmitání. To je důležité, protože pro výpočet parametrů korekčních závaží měřicími a výpočetními systémy stroje je nutné měřit nejen amplitudu vibrací (cyklické deformace) ložisek, ale také fázi vibrací.

Pokud se vlastní frekvence podpěry shoduje s frekvencí otáčení vyváženého rotoru (rezonance podpěry), je přesné měření amplitudy a fáze vibrací prakticky nemožné. To je jasně ilustrováno grafy znázorňujícími změny amplitudy a fáze kmitů podpěry v závislosti na frekvenci otáčení vyváženého rotoru (viz obr. 3.1).

Z těchto grafů vyplývá, že jakmile se frekvence otáčení vyváženého rotoru přiblíží vlastní frekvenci kmitání nosiče (tj. když se poměr fp/fo blíží 1), dochází k výraznému nárůstu amplitudy spojené s rezonančními kmity nosiče (viz obr. 3.1.a). Současně graf 3.1.b ukazuje, že v rezonanční zóně dochází k prudké změně fázového úhlu ∆F°, který může dosáhnout až 180°.

Jinými slovy, při vyvažování jakéhokoli mechanismu v rezonanční zóně mohou i malé změny jeho frekvence otáčení vést k výrazné nestabilitě výsledků měření amplitudy a fáze jeho vibrací, což vede k chybám při výpočtu parametrů korekčních závaží a negativně ovlivňuje kvalitu vyvažování.

Výše uvedené grafy potvrzují dřívější doporučení, že u strojů s tvrdými ložisky by horní hranice provozních frekvencí rotoru měla být (alespoň) 2–3krát nižší než vlastní frekvence podpěry. U strojů s měkkými ložisky by spodní hranice přípustných provozních frekvencí vyváženého rotoru měla být (alespoň) 2–3krát vyšší než vlastní frekvence podpěry.

Obrázek 3.1. Grafy znázorňující změny relativní amplitudy a fáze vibrací podpěry vyvažovacího stroje v závislosti na změnách frekvence otáčení.

• Ad - Amplituda dynamických vibrací podpěry;
• e = m*r / M - Specifická nevyváženost vyváženého rotoru;
• m - Nevyvážená hmotnost rotoru;
• M - Hmotnost rotoru;
• r - Poloměr, ve kterém se nevyvážená hmotnost nachází na rotoru;
• fp - Frekvence otáčení rotoru;
• fo - Vlastní frekvence vibrací podpěry

Vzhledem k uvedeným informacím se nedoporučuje provozovat stroj v rezonanční oblasti jeho podpěr (na obr. 3.1 zvýrazněno červeně). Grafy na obr. 3.1 také ukazují, že při stejných nevyváženostech rotoru jsou skutečné vibrace podpěr stroje s měkkými ložisky výrazně nižší než vibrace vyskytující se na podpěrách stroje s měkkými ložisky.

Z toho vyplývá, že senzory používané k měření vibrací podpěr ve strojích s tvrdými ložisky musí mít vyšší citlivost než senzory ve strojích s měkkými ložisky. Tento závěr je dobře podložen skutečnou praxí používání snímačů, která ukazuje, že absolutní snímače vibrací (vibroakcelerometry a/nebo snímače rychlosti vibrací), úspěšně používané ve vyvažovacích strojích Soft Bearing, často nemohou dosáhnout potřebné kvality vyvažování ve strojích Hard Bearing.

U těchto strojů se doporučuje používat snímače relativních vibrací, jako jsou snímače síly nebo vysoce citlivé snímače posunutí.

3.1.2. Odhad vlastních frekvencí podpor pomocí výpočtových metod

Konstruktér může provést přibližný (odhadovaný) výpočet vlastní frekvence podpěrné fólie pomocí vzorce 3.1 tak, že ji zjednodušeně považuje za kmitající systém s jedním stupněm volnosti, který (viz obr. 2.19.a) je reprezentován hmotou M, kmitající na pružině s tuhostí K.

Hmotnost M použitou ve výpočtu pro symetrický rotor s mezinápravovým ložiskem lze aproximovat vzorcem 3.2.

kde Mo je hmotnost pohyblivé části podpěry v kg; Mr je hmotnost vyváženého rotoru v kg; n je počet podpěr stroje zapojených do vyvažování.

Tuhost K podpory se vypočítá podle vzorce 3.3 na základě výsledků experimentálních studií, které zahrnují měření deformace ΔL podpory při zatížení statickou silou P (viz obr. 3.2.a a 3.2.b).

kde ΔL je deformace podpěry v metrech; P je statická síla v Newtonech.

Velikost zatěžující síly P lze měřit pomocí siloměru (např. dynamometru). Posunutí podpěry ΔL se určí pomocí přístroje pro měření lineárních posunů (např. číselníkového ukazatele).

3.1.3. Experimentální metody pro stanovení vlastních frekvencí podpěr

Vzhledem k tomu, že výše uvedený výpočet vlastních frekvencí podpěr, provedený zjednodušenou metodou, může vést k významným chybám, většina amatérských vývojářů dává přednost stanovení těchto parametrů experimentálními metodami. K tomu využívají možnosti moderních systémů měření vibrací vyvažovacích strojů, včetně přístrojů řady "Balanset".

3.1.3.1. Určení vlastních frekvencí podpěr metodou rázového buzení

Metoda rázového buzení je nejjednodušší a nejběžnější způsob určení vlastní frekvence vibrací podpěry nebo jiné součásti stroje. Je založena na skutečnosti, že když je jakýkoli objekt, například zvon (viz obr. 3.3), vybuzen nárazem, projeví se jeho odezva jako postupně slábnoucí vibrační odezva. Frekvence vibračního signálu je určena konstrukčními vlastnostmi objektu a odpovídá frekvenci jeho vlastních kmitů. K rázovému buzení vibrací lze použít jakýkoli těžký nástroj, například gumovou paličku nebo obyčejnou paličku.

Obrázek 3.3. Schéma nárazového buzení používané k určení vlastních frekvencí objektu

Hmotnost kladiva by měla přibližně odpovídat 10% hmotnosti budícího předmětu. K zachycení vibrační odezvy by měl být na zkoumaný předmět nainstalován snímač vibrací, jehož měřicí osa by měla být zarovnána se směrem buzení nárazem. V některých případech lze jako snímač pro snímání vibrační odezvy předmětu použít mikrofon ze zařízení pro měření hluku.

Vibrace objektu jsou senzorem převedeny na elektrický signál, který je poté odeslán do měřicího přístroje, například na vstup spektrálního analyzátoru. Tento přístroj zaznamenává časovou funkci a spektrum doznívajícího vibračního procesu (viz obr. 3.4), jehož analýza umožňuje určit frekvenci (frekvence) vlastních vibrací objektu.

Obrázek 3.5. Rozhraní programu zobrazující grafy časových funkcí a spektrum doznívajících rázových vibrací zkoumané konstrukce

Z analýzy grafu spektra uvedeného na obrázku 3.5 (viz spodní část pracovního okna) vyplývá, že hlavní složka vlastních kmitů zkoumané konstrukce, určená vzhledem k abscisové ose grafu, se vyskytuje při frekvenci 9,5 Hz. Tuto metodu lze doporučit pro studium vlastních vibrací vyvažovacích strojních podpěr s měkkým i tvrdým ložiskem.

3.1.3.2. Určení vlastních frekvencí podpěr v režimu vybíhání

V některých případech lze vlastní frekvence podpěr určit cyklickým měřením amplitudy a fáze vibrací "na volném prostranství". Při implementaci této metody se rotor instalovaný na zkoumaném stroji nejprve zrychlí na maximální otáčky, poté se jeho pohon odpojí a frekvence rušivé síly spojené s nevyvážeností rotoru se postupně snižuje z maxima do bodu zastavení.

V tomto případě lze vlastní frekvence podpor určit pomocí dvou charakteristik:

• Lokálním skokem amplitudy vibrací pozorovaným v rezonančních oblastech;
• Prudkou změnou (až o 180°) fáze vibrací pozorovanou v oblasti amplitudového skoku.

U zařízení řady "Balanset" lze režim "Vibrometr" ("Balanset 1") nebo režim "Vyvažování. Monitorování" ("Balanset 2C" a "Balanset 4") použít k detekci vlastních frekvencí objektů "na pobřeží", což umožňuje cyklické měření amplitudy a fáze vibrací při rotační frekvenci rotoru.

Software "Balanset 1" dále obsahuje specializovaný režim "Grafy. Doběh", který umožňuje vykreslování grafů změn amplitudy a fáze vibrací podpěry na doběhu v závislosti na měnící se frekvenci otáčení, což výrazně usnadňuje proces diagnostiky rezonancí.

Je třeba poznamenat, že ze zřejmých důvodů (viz kapitola 3.1.1) lze metodu určení vlastních frekvencí podpor na pobřeží použít pouze v případě zkoumání strojů s měkkým ložiskovým vyvažováním, kde pracovní frekvence otáčení rotoru výrazně převyšují vlastní frekvence podpor v příčném směru.

V případě strojů s tvrdými ložisky, kde jsou pracovní frekvence otáčení rotoru vyvolávající vibrace podpěr na pobřeží výrazně nižší než vlastní frekvence podpěr, je použití této metody prakticky nemožné.

3.1.4. Praktická doporučení pro konstrukci a výrobu podpěr vyvažovacích strojů

3.1.2. Výpočet vlastních frekvencí podpor výpočetními metodami

Výpočty vlastních frekvencí podpor pomocí výše popsaného výpočetního schématu lze provádět ve dvou směrech:

• V příčném směru podpěr, který se shoduje se směrem měření jejich vibrací způsobených silami nevyváženosti rotoru;
• V axiálním směru, který se shoduje s osou otáčení vyváženého rotoru namontovaného na podpěrách stroje.

Výpočet vlastních frekvencí podpěr ve svislém směru vyžaduje použití složitější výpočetní techniky, která (kromě parametrů samotné podpěry a vyváženého rotoru) musí zohledňovat parametry rámu a specifika instalace stroje na základu. Tato metoda není v této publikaci diskutována. Analýza vzorce 3.1 umožňuje několik jednoduchých doporučení, která by měli konstruktéři strojů zvážit ve své praktické činnosti. Zejména vlastní frekvenci podpěry lze změnit změnou její tuhosti a/nebo hmotnosti. Zvýšení tuhosti zvyšuje vlastní frekvenci podpěry, zatímco zvýšení hmotnosti ji snižuje. Tyto změny mají nelineární, čtvercově inverzní vztah. Například zdvojnásobení tuhosti podpěry zvyšuje její vlastní frekvenci pouze faktorem 1,4. Podobně zdvojnásobení hmotnosti pohyblivé části podpěry snižuje její vlastní frekvenci pouze faktorem 1,4.

3.1.4.1. Stroje s měkkými ložisky a plochými talířovými pružinami

Několik konstrukčních variant podpěr vyvažovacích strojů vyrobených s plochými pružinami bylo popsáno výše v části 2.1 a znázorněno na obrázcích 2.7 - 2.9. Podle našich informací se tyto konstrukce nejčastěji používají u strojů určených pro vyvažování hnací hřídele.

Jako příklad uveďme parametry pružin, které jeden z klientů (LLC "Rost-Service", Petrohrad) použil při výrobě vlastních podpěr strojů. Tento stroj byl určen k vyvažování 2, 3 a 4podpěrných hnacích hřídelí o hmotnosti nepřesahující 200 kg. Geometrické rozměry pružin (výška * šířka * tloušťka) použitých v podpěrách hnacího a hnaného vřetena stroje, které si klient vybral, byly 300*200*3 mm.

Vlastní frekvence nezatížené podpěry, stanovená experimentálně metodou rázového buzení za použití standardního měřicího systému stroje "Balanset 4", byla zjištěna na 11–12 Hz. Při takové vlastní frekvenci vibrací podpěr by doporučená frekvence otáčení vyváženého rotoru během vyvažování neměla být nižší než 22–24 Hz (1320–1440 ot./min).

Geometrické rozměry plochých pružin použitých stejným výrobcem na mezilehlých podpěrách byly 200*200*3 mm. Studie navíc ukázaly, že vlastní frekvence těchto podpěr byly vyšší a dosahovaly 13–14 Hz.

Na základě výsledků testů bylo výrobcům stroje doporučeno srovnat (vyrovnat) vlastní frekvence vřetena a mezilehlých podpor. To by mělo usnadnit výběr rozsahu provozních rotačních frekvencí hnacích hřídelí při vyvažování a zabránit potenciální nestabilitě odečtů měřicího systému v důsledku vstupu podpor do oblasti rezonančních vibrací.

Způsoby úpravy vlastních frekvencí kmitání podpěr na plochých pružinách jsou zřejmé. Této úpravy lze dosáhnout změnou geometrických rozměrů nebo tvaru plochých pružin, čehož se dosáhne například vyfrézováním podélných nebo příčných drážek, které sníží jejich tuhost.

Jak již bylo uvedeno, ověření výsledků takového seřízení lze provést určením vlastních frekvencí kmitání podpěr pomocí metod popsaných v oddílech 3.1.3.1 a 3.1.3.2.

Obrázek 3.6 představuje klasickou verzi podpěrné konstrukce na plochých pružinách, kterou použil v jednom ze svých strojů A. Sinicyn. Jak je znázorněno na obrázku, podpěra obsahuje následující součásti:

• Horní deska 1;
• Dvě ploché pružiny 2 a 3;
• Spodní deska 4;
• Držák zastávky 5.

Obrázek 3.6. Varianta konstrukce podpěry na plochých pružinách

Horní deska 1 podpěry může být použita k upevnění vřetena nebo mezinápravového ložiska. V závislosti na účelu podpěry může být spodní deska 4 pevně připevněna k vodítkům stroje nebo může být instalována na pohyblivých kluzácích, které umožňují pohyb podpěry podél vodítek. Konzola 5 slouží k instalaci zajišťovacího mechanismu podpěry, který umožňuje její bezpečné upevnění během zrychlování a zpomalování vyváženého rotoru.

Ploché pružiny pro podpěry strojů s měkkými ložisky by měly být vyrobeny z listových pružin nebo vysoce kvalitní legované oceli. Použití běžných konstrukčních ocelí s nízkou mezí kluzu se nedoporučuje, protože během provozu mohou při statickém a dynamickém zatížení vyvinout zbytkovou deformaci, což vede ke snížení geometrické přesnosti stroje a dokonce ke ztrátě stability podpěry.

U strojů s hmotností vyváženého rotoru nepřesahující 300 - 500 kg lze tloušťku podpěry zvětšit na 30–40 mm a u strojů určených pro vyvažování rotorů s maximálními hmotnostmi v rozmezí od 1000 do 3000 kg může tloušťka podpěry dosáhnout 50–60 mm nebo více. Jak ukazuje analýza dynamických charakteristik výše uvedených podpěr, jejich vlastní frekvence vibrací, měřené v příčné rovině (rovina měření relativních deformací "pružných" a "tuhých" částí), obvykle přesahují 100 Hz nebo více. Vlastní frekvence vibrací stojanů Hard Bearing v čelní rovině, měřené ve směru shodném s osou otáčení vyváženého rotoru, jsou obvykle výrazně nižší. A právě tyto frekvence by měly být primárně zohledněny při určování horní hranice rozsahu provozních frekvencí pro rotující rotory vyvážené na stroji. Jak je uvedeno výše, stanovení těchto frekvencí lze provést metodou rázového buzení popsanou v kapitole 3.1.

Obrázek 3.7. Stroj na vyvažování rotorů elektromotorů, sestavený, vyvinutý A. Mochovem.

Obrázek 3.8. Stroj pro vyvažování rotorů turbočerpadel, vyvinutý G. Glazovem (Biškek)

3.1.4.2. Podpěry strojů s měkkými ložisky a zavěšením na pásových pružinách

Při navrhování pásových pružin používaných pro podpěrná zavěšení je třeba věnovat pozornost volbě tloušťky a šířky pásu pružiny, který musí na jedné straně odolávat statickému a dynamickému zatížení rotoru na podpěru a na druhé straně musí zabránit možnosti torzního kmitání podpěrného zavěšení, které se projevuje jako axiální vybíhání.

Příklady konstrukčního provedení vyvažovacích strojů s použitím závěsů z páskových pružin jsou znázorněny na obrázcích 2.1 - 2.5 (viz kapitola 2.1), stejně jako na obrázcích 3.7 a 3.8 této kapitoly.

3.1.4.4. Tvrdé ložiskové podpěry pro stroje

Jak ukazují naše rozsáhlé zkušenosti s klienty, značná část výrobců vyvažovačů svépomocí v poslední době začala preferovat stroje s tvrdými ložisky a tuhými podpěrami. V části 2.2, obrázky 2.16–2.18 znázorňují fotografie různých konstrukčních provedení strojů používajících takové podpěry. Typický náčrt tuhé podpěry, vyvinutý jedním z našich klientů pro konstrukci svého stroje, je uveden na obr. 3.10. Tato podpěra se skládá z ploché ocelové desky s drážkou ve tvaru P, která podpěru konvenčně dělí na "tuhou" a "pružnou" část. Vlivem síly nevyváženosti se "pružná" část podpěry může deformovat vzhledem k její "tuhé" části. Velikost této deformace, určená tloušťkou podpěry, hloubkou drážek a šířkou můstku spojujícího "pružnou" a "tuhou" část podpěry, lze měřit pomocí vhodných senzorů měřicího systému stroje. Vzhledem k nedostatku metody pro výpočet příčné tuhosti takových podpěr s přihlédnutím k hloubce h drážky ve tvaru P, šířce t můstku a také k tloušťce podpěry r (viz obr. 3.10) jsou tyto konstrukční parametry obvykle určovány experimentálně vývojáři.

U strojů s hmotností vyváženého rotoru nepřesahující 300 - 500 kg lze tloušťku podpěry zvětšit na 30–40 mm a u strojů určených pro vyvažování rotorů s maximálními hmotnostmi v rozmezí od 1000 do 3000 kg může tloušťka podpěry dosáhnout 50–60 mm nebo více. Jak ukazuje analýza dynamických charakteristik výše uvedených podpěr, jejich vlastní frekvence vibrací, měřené v příčné rovině (rovina měření relativních deformací "pružných" a "tuhých" částí), obvykle přesahují 100 Hz nebo více. Vlastní frekvence vibrací stojanů Hard Bearing v čelní rovině, měřené ve směru shodném s osou otáčení vyváženého rotoru, jsou obvykle výrazně nižší. A právě tyto frekvence by měly být primárně zohledněny při stanovení horní hranice rozsahu provozních frekvencí pro rotující rotory vyvážené na stroji.

Obrázek 3.26. Příklad použití použitého soustružnického lože pro výrobu tvrdého ložiskového stroje pro vyvažování šneků.

Obrázek 3.27. Příklad použití použitého soustružnického lože pro výrobu stroje s měkkými ložisky pro vyvažování hřídelí.

Obrázek 3.28. Příklad výroby sestaveného lůžka z kanálů

Obrázek 3.29. Příklad výroby svařovaného lože z kanálů

Obrázek 3.30. Příklad výroby svařovaného lože z kanálů

Obrázek 3.31. Příklad lože vyvažovacího stroje z polymerbetonu

Při výrobě takových lůžek je jejich horní část obvykle vyztužena ocelovými vložkami, které slouží jako vodítka, na nichž jsou založeny podpěrné stojany vyvažovacího stroje. V poslední době se hojně používají lůžka vyrobená z polymerbetonu s povlaky tlumícími vibrace. Tato technologie výroby lůžek je dobře popsána online a mohou ji snadno implementovat i kutilští výrobci. Vzhledem k relativní jednoduchosti a nízkým výrobním nákladům mají tato lůžka oproti svým kovovým protějškům několik klíčových výhod:

• Vyšší koeficient tlumení vibračních kmitů;
• Nižší tepelná vodivost, která zajišťuje minimální tepelnou deformaci lože;
• Vyšší odolnost proti korozi;
• Absence vnitřních pnutí.

3.1.4.3. Měkké ložiskové podpěry strojů vyrobené pomocí válcových pružin

Příklad vyvažovacího stroje s měkkými ložisky, u něhož jsou při konstrukci podpěr použity válcové tlačné pružiny, je uveden na obrázku 3.9. Hlavní nevýhoda tohoto konstrukčního řešení souvisí s různým stupněm deformace pružin v předních a zadních podpěrách, k níž dochází, pokud jsou zatížení na podpěrách při vyvažování asymetrických rotorů nestejná. To přirozeně vede k nesouososti podpěr a vychýlení osy rotoru ve svislé rovině. Jedním z negativních důsledků této závady může být vznik sil, které způsobují axiální posun rotoru při otáčení.

Obr. 3.9. Varianta konstrukce měkké ložiskové podpory pro vyvažovací stroje s použitím válcových pružin.

3.1.4.4. Tvrdé ložiskové podpěry pro stroje

Jak ukazují naše rozsáhlé zkušenosti s klienty, značná část výrobců vyvažovačů svépomocí v poslední době začala preferovat stroje s tvrdými ložisky a tuhými podpěrami. V části 2.2, obrázky 2.16–2.18 znázorňují fotografie různých konstrukčních provedení strojů používajících takové podpěry. Typický náčrt tuhé podpěry, vyvinutý jedním z našich klientů pro konstrukci svého stroje, je uveden na obr. 3.10. Tato podpěra se skládá z ploché ocelové desky s drážkou ve tvaru P, která podpěru konvenčně dělí na "tuhou" a "pružnou" část. Vlivem síly nevyváženosti se "pružná" část podpěry může deformovat vzhledem k její "tuhé" části. Velikost této deformace, určená tloušťkou podpěry, hloubkou drážek a šířkou můstku spojujícího "pružnou" a "tuhou" část podpěry, lze měřit pomocí vhodných senzorů měřicího systému stroje. Vzhledem k nedostatku metody pro výpočet příčné tuhosti takových podpěr s přihlédnutím k hloubce h drážky ve tvaru P, šířce t můstku a také k tloušťce podpěry r (viz obr. 3.10) jsou tyto konstrukční parametry obvykle určovány experimentálně vývojáři.

Obr. 3.10. Náčrt tvrdé ložiskové podpěry vyvažovacího stroje

Fotografie zobrazující různé realizace takových podpěr, vyrobených pro vlastní stroje našich klientů, jsou uvedeny na obrázcích 3.11 a 3.12. Shrnutím dat získaných od několika našich klientů, kteří jsou výrobci strojů, lze formulovat požadavky na tloušťku podpěr, stanovené pro stroje různých velikostí a nosností. Například pro stroje určené k vyvažování rotorů o hmotnosti od 0,1 do 50-100 kg může být tloušťka podpěry 20 mm.

Obr. 3.11. Tvrdé ložiskové podpěry pro vyvažovací stroj, výrobce A. Sinicyn

Obr. 3.12. Tvrdá ložisková podpěra pro vyvažovací stroj, výrobce D. Krasilnikov

U strojů s hmotností vyváženého rotoru nepřesahující 300 - 500 kg lze tloušťku podpěry zvětšit na 30–40 mm a u strojů určených pro vyvažování rotorů s maximálními hmotnostmi v rozmezí od 1000 do 3000 kg může tloušťka podpěry dosáhnout 50–60 mm nebo více. Jak ukazuje analýza dynamických charakteristik výše uvedených podpěr, jejich vlastní frekvence vibrací, měřené v příčné rovině (rovina měření relativních deformací "pružných" a "tuhých" částí), obvykle přesahují 100 Hz nebo více. Vlastní frekvence vibrací stojanů Hard Bearing v čelní rovině, měřené ve směru shodném s osou otáčení vyváženého rotoru, jsou obvykle výrazně nižší. A právě tyto frekvence by měly být primárně zohledněny při určování horní hranice rozsahu provozních frekvencí pro rotující rotory vyvážené na stroji. Jak je uvedeno výše, stanovení těchto frekvencí lze provést metodou rázového buzení popsanou v kapitole 3.1.

3.2. Nosné sestavy vyvažovacích strojů

3.2.1. Hlavní typy nosných sestav

Při výrobě vyvažovacích strojů s tvrdými i měkkými ložisky lze doporučit následující známé typy podpěrných sestav, které se používají pro instalaci a otáčení vyvážených rotorů na podpěrách, včetně:

• Prismatické nosné sestavy;
• Nosné sestavy s rotujícími válečky;
• Podpěrné sestavy vřetena.

3.2.1.1. Prismatické nosné sestavy

Tyto sestavy s různými konstrukčními možnostmi se obvykle instalují na podpěry malých a středních strojů, na kterých lze vyvažovat rotory s hmotnostmi nepřesahujícími 50 - 100 kg. Příklad nejjednodušší verze hranolové podpěrné sestavy je uveden na obrázku 3.13. Tato podpěrná sestava je vyrobena z oceli a používá se na vyvažovacím stroji turbín. Řada výrobců malých a středních vyvažovacích strojů při výrobě hranolových podpěrných sestav preferuje použití nekovových materiálů (dielektrik), jako je textolit, fluoroplast, kaprolon atd.

3.13. Varianta provedení prizmatické podpěrné sestavy použité na vyvažovacím stroji pro automobilové turbíny

Podobné nosné sestavy (viz obrázek 3.8 výše) implementuje například G. Glazov ve svém stroji, rovněž určeném pro vyvažování automobilových turbín. Původní technické řešení hranolové nosné sestavy, vyrobené z fluoroplastu (viz obrázek 3.14), navrhuje společnost LLC "Technobalance".

Obr. 3.14. Sestava hranolové podpěry od společnosti LLC "Technobalance""

Tato konkrétní nosná sestava je tvořena dvěma válcovými pouzdry 1 a 2, které jsou vzájemně úhlem uloženy a upevněny na nosných osách. Vyvážený rotor se dotýká povrchů pouzder podél tvořících linií válců, což minimalizuje kontaktní plochu mezi hřídelí rotoru a podpěrou, a tím snižuje třecí sílu v podpěře. V případě potřeby, v případě opotřebení nebo poškození nosné plochy v oblasti jejího kontaktu s hřídelí rotoru, je zajištěna možnost kompenzace opotřebení otočením pouzdra kolem jeho osy o určitý úhel. Je třeba poznamenat, že při použití nosných sestav vyrobených z nekovových materiálů je nutné zajistit konstrukční možnost uzemnění vyváženého rotoru k tělesu stroje, což eliminuje riziko vzniku silných nábojů statické elektřiny během provozu. To zaprvé pomáhá snížit elektrické rušení a poruchy, které mohou ovlivnit výkon měřicího systému stroje, a zadruhé eliminuje riziko ovlivnění personálu působením statické elektřiny.

3.2.1.2. Nosné sestavy válečků

Tyto sestavy se obvykle instalují na podpěry strojů určených pro vyvažování rotorů s hmotnostmi přesahujícími 50 kilogramů a více. Jejich použití výrazně snižuje třecí síly v podpěrách ve srovnání s prizmatickými podpěrami, což usnadňuje otáčení vyváženého rotoru. Jako příklad je na obrázku 3.15 znázorněna varianta konstrukce podpěrné sestavy, kde se pro polohování výrobku používají válečky. V tomto provedení se jako válečky 1 a 2 používají standardní valivá ložiska, jejichž vnější kroužky se otáčejí na stacionárních osách upevněných v tělese podpěry stroje 3. Obrázek 3.16 znázorňuje náčrt složitější konstrukce podpěrné sestavy válečků, kterou ve svém projektu realizoval jeden z výrobců vyvažovacích strojů svépomocí. Jak je patrné z výkresu, za účelem zvýšení nosnosti válce (a následně i nosné sestavy jako celku) je v tělese válce 3 instalována dvojice valivých ložisek 1 a 2. Praktická realizace této konstrukce se i přes všechny její zjevné výhody jeví jako poměrně složitý úkol, spojený s potřebou samostatné výroby tělesa válce 3, na které jsou kladeny velmi vysoké požadavky na geometrickou přesnost a mechanické vlastnosti materiálu.

Obr. 3.15. Příklad konstrukce válečkové nosné sestavy

Obr. 3.16. Příklad konstrukce válečkové nosné sestavy se dvěma valivými ložisky

Obrázek 3.17 představuje konstrukční variantu samovyrovnávací sestavy podpěry válečků vyvinutou specialisty společnosti LLC "Technobalance". V této konstrukci je samovyrovnávací schopnosti válečků dosaženo poskytnutím dvou dalších stupňů volnosti, což umožňuje válečkům provádět malé úhlové pohyby kolem os X a Y. Takové podpěrné sestavy, které zajišťují vysokou přesnost při instalaci vyvážených rotorů, se obvykle doporučují pro použití na podpěrách těžkých vyvažovacích strojů.

Obr. 3.17. Příklad konstrukce samonivelační válečkové podpěry

Jak již bylo zmíněno, na válečkové podpěry jsou obvykle kladeny poměrně vysoké požadavky na přesnost výroby a tuhost. Zejména tolerance stanovené pro radiální házivost válečků by neměly překročit 3-5 mikronů.

V praxi toho ne vždy dosáhnou ani známí výrobci. Například během autorova testování radiálního házení sady nových sestav válečkových podpěr, zakoupených jako náhradní díly pro vyvažovací stroj model H8V, značky "K. Shenk", dosáhlo radiální házení jejich válečků 10–11 mikronů.

3.2.1.3. Podpěrné sestavy vřetena

Při vyvažování rotorů s přírubovou montáží (například kardanových hřídelí) na vyvažovacích strojích se vřetena používají jako podpůrné sestavy pro polohování, montáž a otáčení vyvažovaných výrobků.

Vřetena jsou jednou z nejsložitějších a nejkritičtějších součástí vyvažovacích strojů, které jsou z velké části zodpovědné za dosažení požadované kvality vyvažování.

Teorie a praxe návrhu a výroby vřeten jsou poměrně dobře rozpracované a odrážejí se v široké škále publikací, z nichž monografie "Detaily a mechanismy obráběcích strojů na kov" [1], editovaná Dr. Engineerem DN Reshetovem, vyniká jako nejužitečnější a nejpřístupnější pro vývojáře.

Mezi hlavní požadavky, které by měly být zohledněny při návrhu a výrobě vřeten vyvažovacích strojů, by měly být upřednostněny následující:

a) Zajištění vysoké tuhosti konstrukce sestavy vřetena, která je dostatečná k tomu, aby se zabránilo nepřijatelným deformacím, k nimž může dojít vlivem nevyvážených sil vyváženého rotoru;

b) Zajištění stability polohy osy otáčení vřetena, charakterizované přípustnými hodnotami radiálních, axiálních a axiálních házení vřetena;

c) Zajištění správné odolnosti čepů vřetena proti opotřebení, jakož i jeho dosedacích a opěrných ploch používaných pro montáž vyvážených výrobků.

Praktická implementace těchto požadavků je podrobně popsána v kapitole VI "Vřetena a jejich podpěry" práce [1].

Zejména jsou zde uvedeny metodiky pro ověřování tuhosti a přesnosti otáčení vřeten, doporučení pro výběr ložisek, výběr materiálu vřeten a způsoby jejich kalení, jakož i mnoho dalších užitečných informací k tomuto tématu.

Práce [1] uvádí, že při konstrukci vřeten pro většinu typů obráběcích strojů na obrábění kovů se používá především schéma se dvěma ložisky.

Příklad konstrukční varianty takového dvounosníkového schématu používaného ve vřetenech frézek (podrobnosti lze nalézt v práci [1]) je uveden na obr. 3.18.

Toto schéma je zcela vhodné pro výrobu vřeten vyvažovacích strojů, jejichž příklady konstrukčních variant jsou uvedeny na obrázcích 3.19-3.22.

Obr. 3.18. Náčrt vřetena dvounosníkové frézky

Na obrázku 3.19 je znázorněna jedna z konstrukčních variant sestavy vedoucího vřetena vyvažovacího stroje, které se otáčí na dvou radiálních axiálních ložiskách, z nichž každé má vlastní nezávislé pouzdro 1 a 2. Na hřídeli vřetena 3 je namontována příruba 4, určená k přírubové montáži kardanového hřídele, a řemenice 5, sloužící k přenosu otáček na vřeteno z elektromotoru pomocí pohonu klínovým řemenem.

Obrázek 3.19. Příklad konstrukce vřetena na dvou nezávislých ložiskových podpěrách

Obrázky 3.20 a 3.21 ukazují dvě úzce související konstrukce předních vřeten. V obou případech jsou ložiska vřetena instalována ve společné skříni 1, která má průchozí axiální otvor nezbytný pro instalaci hřídele vřetena. Na vstupu a výstupu z tohoto otvoru má pouzdro speciální otvory (na obrázcích nejsou znázorněny), určené k uložení radiálních axiálních ložisek (válečkových nebo kuličkových), a speciální přírubové kryty 5, sloužící k upevnění vnějších kroužků ložisek.

Obrázek 3.20. Příklad 1 konstrukce vedoucího vřetena na dvou ložiskových podpěrách instalovaných ve společné skříni

Obrázek 3.21. Příklad 2 konstrukce vedoucího vřetena na dvou ložiskových podpěrách instalovaných ve společné skříni

Stejně jako v předchozím provedení (viz obr. 3.19) je na hřídeli vřetena namontována čelní deska 2, určená k přírubové montáži hnacího hřídele, a řemenice 3, sloužící k přenosu otáček na vřeteno z elektromotoru prostřednictvím řemenového pohonu. Na hřídeli vřetena je rovněž upevněna končetina 4, která slouží k určení úhlové polohy vřetena, využívané při instalaci zkušebních a korekčních závaží na rotor při vyvažování.

Obrázek 3.22. Příklad konstrukce hnaného (zadního) vřetena

Obrázek 3.22 ukazuje konstrukční variantu sestavy hnaného (zadního) vřetena stroje, která se od vedoucího vřetena liší pouze absencí hnací řemenice a končetiny, protože nejsou potřeba.

Obrázek 3.23. Příklad provedení poháněného (zadního) vřetena

Jak je vidět v Obrázky 3.20 - 3.22, jsou výše popsané sestavy vřeten připevněny k měkkým ložiskovým podpěrám vyvažovacích strojů pomocí speciálních svorek (popruhů) 6. V případě potřeby lze použít i jiné způsoby upevnění, které zajistí náležitou tuhost a přesnost umístění sestavy vřetena na podpěře.

Obrázek 3.23 znázorňuje konstrukci přírubové montáže podobnou vřetenu, kterou lze použít pro jeho montáž na tvrdou ložiskovou podpěru vyvažovacího stroje.

3.2.1.3.4. Výpočet tuhosti vřetena a radiálního házení

Pro určení tuhosti vřetena a očekávaného radiálního házení lze použít vzorec 3.4 (viz schéma výpočtu na obrázku 3.24):

kde:

• Y - elastický posun vřetena na konci konzoly vřetena, cm;
• P - vypočítané zatížení působící na konzolu vřetena, kg;
• A - zadní ložisková podpěra vřetena;
• B - přední ložisková podpěra vřetena;
• g - délka konzoly vřetena, cm;
• c - vzdálenost mezi podpěrami A a B vřetena, cm;
• J1 - průměrný moment setrvačnosti vřetenové části mezi podpěrami, cm⁴;
• J2 - průměrný moment setrvačnosti konzolové sekce vřetena, cm⁴;
• jB a jA - tuhost ložisek pro přední a zadní podpěry vřetena, kg/cm.

Transformací vzorce 3.4 získáme požadovanou vypočtenou hodnotu tuhosti vřetenové sestavy. jшп lze určit:

S ohledem na doporučení práce [1] pro středně velké vyvažovací stroje by tato hodnota neměla být nižší než 50 kg/µm.

Pro výpočet radiálního házení se používá vzorec 3.5:

kde:

• ∆ je radiální házivost na konci konzoly vřetena, µm;
• ∆B je radiální házivost předního ložiska vřetena, µm;
• ∆A je radiální házivost zadního ložiska vřetena, µm;
• g je délka konzoly vřetena v cm;
• c je vzdálenost mezi podpěrami A a B vřetena, cm.

3.2.1.3.5. Zajištění požadavků na vyvážení vřetena

Vřetenové sestavy vyvažovacích strojů musí být dobře vyvážené, protože jakákoli skutečná nevyváženost se přenese na vyvažovaný rotor jako dodatečná chyba. Při nastavování technologických tolerancí zbytkové nevyváženosti vřetena se obecně doporučuje, aby třída přesnosti jeho vyvážení byla alespoň o 1 - 2 třídy vyšší než třída přesnosti vyvažovaného výrobku na stroji.

Vzhledem k výše uvedeným konstrukčním vlastnostem vřeten by se jejich vyvažování mělo provádět ve dvou rovinách.

3.2.1.3.6. Zajištění požadavků na únosnost a trvanlivost ložisek vřetena

Při návrhu vřeten a výběru velikostí ložisek je vhodné předem posoudit trvanlivost a únosnost ložisek. Metodiku pro provádění těchto výpočtů lze podrobně popsat v normě ISO 18855-94 (ISO 281-89) "Valivá ložiska – Dynamické únosnosti a životnost" [3], stejně jako v četných (včetně digitálních) příručkách o valivých ložiskách.

3.2.1.3.7. Zajištění požadavků na přijatelný ohřev ložisek vřetena

Podle doporučení z práce [1] by maximální přípustné zahřátí vnějších kroužků ložisek vřetena nemělo překročit 70 °C. Pro zajištění kvalitního vyvážení by však doporučený ohřev vnějších kroužků neměl překročit 40-45 °C.

3.2.1.3.8. Volba typu řemenového pohonu a konstrukce hnací řemenice pro vřeteno

Při konstrukci hnacího vřetena vyvažovacího stroje se doporučuje zajistit jeho otáčení pomocí pohonu plochým řemenem. Příklad správného použití takového pohonu pro provoz vřetena je uveden v článku Obrázky 3.20 a 3.23. Použití pohonů klínovými nebo ozubenými řemeny je nežádoucí, protože mohou na vřeteno působit dodatečné dynamické zatížení v důsledku geometrických nepřesností řemenů a řemenic, což může vést k dalším chybám měření při vyvažování. Doporučené požadavky na řemenice pro ploché hnací řemeny jsou uvedeny v normě ISO 17383-73 "Řemenice pro ploché hnací řemeny" [4].

Hnací řemenice by měla být umístěna na zadním konci vřetena, co nejblíže ložiskovému tělesu (s co nejmenším přesahem). Konstrukční rozhodnutí o umístění řemenice s přesahem, učiněné při výrobě vřetena znázorněného na obrázku 1, je v souladu s pravidly pro umístění řemenice. Obrázek 3.19, lze považovat za neúspěšný, protože výrazně zvyšuje moment dynamického zatížení pohonu působícího na podpěry vřetena.

Další významnou nevýhodou této konstrukce je použití pohonu klínovým řemenem, jehož výrobní a montážní nepřesnosti mohou být rovněž zdrojem nežádoucího dodatečného zatížení vřetena.

3.3. Postel (rám)

Lože je hlavní nosnou konstrukcí vyvažovacího stroje, na níž jsou založeny jeho hlavní prvky, včetně podpěrných sloupků a hnacího motoru. Při výběru nebo výrobě lože vyvažovacího stroje je nutné zajistit, aby splňovalo několik požadavků, včetně potřebné tuhosti, geometrické přesnosti, odolnosti proti vibracím a odolnosti jeho vedení proti opotřebení.

Praxe ukazuje, že při výrobě strojů pro vlastní potřebu se nejčastěji používají následující varianty lůžek:

• litinová lůžka z použitých kovoobráběcích strojů (soustruhy, dřevoobráběcí stroje atd.);
• montované postele na bázi kanálů, montované pomocí šroubových spojů;
• svařovaná lůžka na bázi kanálů;
• polymerbetonové lože s nátěry pohlcujícími vibrace.

Obrázek 3.25. Příklad použití použitého lože dřevoobráběcího stroje pro výrobu stroje na vyvažování kardanových hřídelí.

3.4. Pohony pro vyvažovací stroje

Jak vyplývá z analýzy konstrukčních řešení používaných našimi klienty při výrobě vyvažovacích strojů, při návrhu pohonů se zaměřují především na použití střídavých motorů vybavených frekvenčními měniči. Tento přístup umožňuje široký rozsah nastavitelných otáček vyvažovaných rotorů s minimálními náklady. Výkon hlavních hnacích motorů používaných k roztáčení vyvážených rotorů se obvykle volí na základě hmotnosti těchto rotorů a může být přibližně:

• 0,25 - 0,72 kW pro stroje určené k vyvažování rotorů o hmotnosti ≤ 5 kg;
• 0,72 - 1,2 kW pro stroje určené k vyvažování rotorů s hmotností > 5 ≤ 50 kg;
• 1,2 - 1,5 kW pro stroje určené k vyvažování rotorů s hmotností > 50 ≤ 100 kg;
• 1,5 - 2,2 kW pro stroje určené k vyvažování rotorů s hmotností > 100 ≤ 500 kg;
• 2,2–5 kW pro stroje určené k vyvažování rotorů s hmotností > 500 ≤ 1000 kg;
• 5–7,5 kW pro stroje určené k vyvažování rotorů s hmotností > 1000 ≤ 3000 kg.

Tyto motory by měly být pevně namontovány na loži stroje nebo jeho základu. Před instalací na stroj (nebo na místě instalace) by měl být hlavní hnací motor spolu s řemenicí namontovanou na jeho výstupním hřídeli pečlivě vyvážen. Pro snížení elektromagnetického rušení způsobeného frekvenčním měničem se doporučuje instalovat na jeho vstup a výstup síťové filtry. Mohou to být standardní hotové výrobky dodávané výrobci pohonů nebo podomácku vyrobené filtry s použitím feritových kroužků.

4. Měřicí systémy vyvažovacích strojů

Většina amatérských výrobců vyvažovacích strojů, kteří se obracejí na LLC "Kinematics" (Vibromera), plánuje ve svých návrzích použít měřicí systémy řady "Balanset" vyráběné naší společností. Existují však i někteří zákazníci, kteří plánují vyrábět takové měřicí systémy samostatně. Proto je rozumné podrobněji se zabývat konstrukcí měřicího systému pro vyvažovací stroj. Hlavním požadavkem na tyto systémy je nutnost zajistit vysoce přesné měření amplitudy a fáze rotační složky vibračního signálu, která se objevuje na frekvenci otáčení vyváženého rotoru. Tohoto cíle se obvykle dosahuje kombinací technických řešení, mezi které patří:

• Použití snímačů vibrací s vysokým koeficientem převodu signálu;
• Použití moderních laserových snímačů fázového úhlu;
• Vytvoření (nebo použití) hardwaru, který umožňuje zesílení a digitální konverzi signálů ze senzorů (primární zpracování signálu);
• Implementace softwarového zpracování vibračního signálu, které by mělo umožnit vysoce rozlišovací a stabilní extrakci rotační složky vibračního signálu, projevující se na frekvenci otáčení vyváženého rotoru (sekundární zpracování).

Níže uvádíme známé varianty takových technických řešení, implementované v řadě známých vyvažovacích přístrojů.

4.1. Výběr snímačů vibrací

V měřicích systémech vyvažovacích strojů lze použít různé typy snímačů vibrací (převodníků), včetně:

• Snímače zrychlení vibrací (akcelerometry);
• Snímače rychlosti vibrací;
• Snímače posunutí vibrací;
• Snímače síly.

4.1.1. Snímače zrychlení vibrací

Mezi senzory vibrační akcelerace jsou nejrozšířenější piezoelektrické a kapacitní (čipové) akcelerometry, které lze efektivně použít ve vyvažovacích strojích typu s měkkými ložisky. V praxi je obecně přípustné používat senzory vibrační akcelerace s převodními koeficienty (Kpr) v rozmezí od 10 do 30 mV/(m/s²). U vyvažovacích strojů, které vyžadují obzvláště vysokou přesnost vyvažování, je vhodné používat akcelerometry s Kpr dosahujícím úrovně 100 mV/(m/s²) a výše. Jako příklad piezoelektrických akcelerometrů, které lze použít jako vibrační senzory pro vyvažovací stroje, ukazuje obrázek 4.1 piezoelektrické akcelerometry DN3M1 a DN3M1V6 vyráběné společností LLC "Izmeritel".

Obrázek 4.1. Piezoakcelerometry DN 3M1 a DN 3M1V6

Pro připojení těchto snímačů k přístrojům a systémům pro měření vibrací je nutné použít externí nebo vestavěné zesilovače náboje.

Obrázek 4.2. Kapacitní akcelerometry AD1 Vyrobeno společností LLC "Kinematics" (Vibromera)

Je třeba poznamenat, že tyto snímače, mezi něž patří i na trhu široce používané desky kapacitních akcelerometrů ADXL 345 (viz obrázek 4.3), mají oproti piezoelektrickým akcelerometrům několik významných výhod. Konkrétně jsou 4 až 8krát levnější při podobných technických vlastnostech. Navíc nevyžadují použití nákladných a náročných nábojových zesilovačů, které jsou potřebné pro piezoakcelerometry.

V případech, kdy se v měřicích systémech vyvažovacích strojů používají oba typy akcelerometrů, se obvykle provádí hardwarová integrace (nebo dvojitá integrace) signálů snímačů.

Obrázek 4.2. Kapacitní akcelerometry AD 1, sestavené.

Obrázek 4.2. Kapacitní akcelerometry AD1 Vyrobeno společností LLC "Kinematics" (Vibromera)

Je třeba poznamenat, že tyto snímače, mezi něž patří i na trhu široce používané desky kapacitních akcelerometrů ADXL 345 (viz obrázek 4.3), mají oproti piezoelektrickým akcelerometrům několik významných výhod. Konkrétně jsou 4 až 8krát levnější při podobných technických vlastnostech. Navíc nevyžadují použití nákladných a náročných nábojových zesilovačů, které jsou potřebné pro piezoakcelerometry.

Obrázek 4.3. Kapacitní akcelerometr ADXL 345.

V tomto případě se původní signál snímače, úměrný vibračnímu zrychlení, odpovídajícím způsobem transformuje na signál úměrný vibrační rychlosti nebo posunu. Postup dvojí integrace vibračního signálu je zvláště důležitý při použití akcelerometrů jako součásti měřicích systémů pro nízkootáčkové vyvažovací stroje, kde dolní rozsah frekvence otáčení rotoru při vyvažování může dosahovat 120 otáček za minutu a méně. Při použití kapacitních akcelerometrů v měřicích systémech vyvažovacích strojů je třeba vzít v úvahu, že po integraci mohou jejich signály obsahovat nízkofrekvenční rušení, které se projevuje ve frekvenčním rozsahu od 0,5 do 3 Hz. To může omezit dolní frekvenční rozsah vyvažování na strojích určených pro použití těchto snímačů.

4.1.2. Snímače rychlosti vibrací

4.1.2.1. Indukční snímače rychlosti vibrací.

Tyto snímače obsahují indukční cívku a magnetické jádro. Když cívka vibruje vůči stacionárnímu jádru (nebo jádro vůči stacionární cívce), indukuje se v cívce EMP, jehož napětí je přímo úměrné rychlosti vibrací pohyblivého prvku snímače. Převodní koeficienty (Кпр) indukčních snímačů jsou obvykle poměrně vysoké a dosahují několika desítek nebo dokonce stovek mV/mm/sec. Konkrétně převodní koeficient senzoru Schenck model T77 je 80 mV/mm/sec a u senzoru IRD Mechanalysis model 544M je to 40 mV/mm/sec. V některých případech (např. u vyvažovacích strojů Schenck) se používají speciální vysoce citlivé indukční snímače rychlosti vibrací s mechanickým zesilovačem, kde může Kпр přesáhnout 1000 mV/mm/sec. Jsou-li v měřicích systémech vyvažovacích strojů použity indukční snímače rychlosti vibrací, lze rovněž provést hardwarovou integraci elektrického signálu úměrného rychlosti vibrací a převést jej na signál úměrný posunu vibrací.

Obrázek 4.4. Senzor model 544M od IRD Mechanalysis.

Obrázek 4.5. Senzor model T77 od firmy Schenck

Je třeba poznamenat, že indukční snímače rychlosti vibrací jsou vzhledem k pracnosti jejich výroby poměrně vzácným a drahým zbožím. Proto je i přes zjevné výhody těchto snímačů amatérští výrobci vyvažovacích strojů používají jen velmi zřídka.

4.2. Snímače fázového úhlu

Pro synchronizaci procesu měření vibrací s úhlem natočení vyváženého rotoru se používají senzory fázového úhlu, jako jsou laserové (fotoelektrické) nebo indukční senzory. Tyto senzory vyrábějí v různých provedeních tuzemští i zahraniční výrobci. Cenové rozpětí těchto senzorů se může značně lišit, přibližně od 40 do 200 dolarů. Příkladem takového zařízení je senzor fázového úhlu vyráběný společností "Diamex", znázorněný na obrázku 4.11.

Obrázek 4.11: Snímač fázového úhlu od firmy "Diamex"

Jako další příklad ukazuje obrázek 4.12 model implementovaný společností LLC "Kinematics" (Vibromera), která jako senzory fázového úhlu používá laserové otáčkoměry modelu DT 2234C vyrobené v Číně. Mezi zřejmé výhody tohoto senzoru patří:

• Široký pracovní rozsah, který umožňuje měřit frekvenci otáčení rotoru od 2,5 do 99 999 otáček za minutu s rozlišením nejméně jedné otáčky;
• Digitální displej;
• Snadné nastavení tachometru pro měření;
• Cenová dostupnost a nízké tržní náklady;
• Relativně jednoduchá úprava pro integraci do měřicího systému vyvažovacího stroje.

Obrázek 4.12: Laserový tachometr model DT 2234C

V některých případech, kdy je použití optických laserových snímačů z nějakého důvodu nežádoucí, je lze nahradit indukčními bezkontaktními snímači posunutí, jako je například již zmíněný model ISAN E41A nebo podobné výrobky jiných výrobců.

4.3. Funkce zpracování signálu v senzorech vibrací

Pro přesné měření amplitudy a fáze rotační složky vibračního signálu ve vyvažovacích zařízeních se obvykle používá kombinace hardwarových a softwarových nástrojů pro zpracování. Tyto nástroje umožňují:

• Širokopásmové hardwarové filtrování analogového signálu senzoru;
• Zesílení analogového signálu senzoru;
• Integrace a/nebo dvojitá integrace (v případě potřeby) analogového signálu;
• Úzkopásmová filtrace analogového signálu pomocí sledovacího filtru;
• Analogově-digitální převod signálu;
• Synchronní filtrování digitálního signálu;
• Harmonická analýza digitálního signálu.

4.3.1. Filtrování širokopásmového signálu

Tento postup je nezbytný pro očištění signálu vibračního senzoru od potenciálního rušení, které se může vyskytnout jak na dolní, tak na horní hranici frekvenčního rozsahu zařízení. U měřicího zařízení vyvažovacího stroje je vhodné nastavit dolní hranici pásmové propusti na 2-3 Hz a horní hranici na 50 (100) Hz. "Dolní" filtrování pomáhá potlačit nízkofrekvenční šum, který se může objevit na výstupu různých typů měřicích zesilovačů senzorů. "Horní" filtrování eliminuje možnost rušení v důsledku kombinovaných frekvencí a potenciálních rezonančních vibrací jednotlivých mechanických součástí stroje.

4.3.2. Zesílení analogového signálu ze snímače

Pokud je potřeba zvýšit citlivost měřicího systému vyvažovacího stroje, lze signály z vibračních senzorů na vstup měřicí jednotky zesílit. Lze použít jak standardní zesilovače s konstantním zesílením, tak i vícestupňové zesilovače, jejichž zesílení lze programově měnit v závislosti na skutečné úrovni signálu ze senzoru. Příkladem programovatelného vícestupňového zesilovače jsou zesilovače implementované v měničích napětí, jako je E154 nebo E14-140 od společnosti LLC "L-Card".

4.3.3. Integrace

Jak již bylo uvedeno, v měřicích systémech vyvažovacích strojů se doporučuje hardwarová integrace a/nebo dvojitá integrace signálů snímačů vibrací. Původní signál akcelerometru, úměrný vibračnímu zrychlení, tak může být transformován na signál úměrný vibrační rychlosti (integrace) nebo vibračnímu posunutí (dvojitá integrace). Podobně lze signál snímače vibroakcelerace po integraci transformovat na signál úměrný vibroposunu.

4.3.4. Úzkopásmová filtrace analogového signálu pomocí sledovacího filtru

Pro snížení rušení a zlepšení kvality zpracování vibračních signálů v měřicích systémech vyvažovacích strojů lze použít úzkopásmové sledovací filtry. Centrální frekvence těchto filtrů se automaticky ladí na frekvenci otáčení vyváženého rotoru pomocí signálu ze snímače otáček rotoru. Pro vytvoření takových filtrů lze použít moderní integrované obvody, jako například MAX263, MAX264, MAX267, MAX268 od firmy "MAXIM".

4.3.5. Analogově-digitální převod signálů

Analogově-digitální převod je klíčový postup, který zajišťuje možnost zlepšení kvality zpracování vibračních signálů během měření amplitudy a fáze. Tento postup je implementován ve všech moderních měřicích systémech vyvažovacích strojů. Příkladem efektivní implementace takových ADC jsou měřicí převodníky napětí typu E154 nebo E14-140 od společnosti LLC "L-Card", používané v několika měřicích systémech vyvažovacích strojů vyráběných společností LLC "Kinematics" (Vibromera). Kromě toho má LLC "Kinematics" (Vibromera) zkušenosti s používáním levnějších mikroprocesorových systémů založených na řídicích jednotkách "Arduino", mikrokontroléru PIC18F4620 od společnosti "Microchip" a podobných zařízeních.

4.1.2.2. Snímače rychlosti vibrací založené na piezoelektrických akcelerometrech

Snímač tohoto typu se liší od standardního piezoelektrického akcelerometru tím, že má ve svém pouzdře vestavěný zesilovač náboje a integrátor, což mu umožňuje generovat signál úměrný rychlosti vibrací. Například piezoelektrické snímače rychlosti vibrací vyráběné tuzemskými výrobci (společnost ZETLAB a LLC "Vibropribor") jsou znázorněny na obrázcích 4.6 a 4.7.

Obrázek 4.6. Senzor AV02 od společnosti ZETLAB (Rusko)

Obrázek 4.7. Model senzoru DVST 2 od společnosti LLC "Vibropribor""

Takové snímače vyrábějí různí výrobci (domácí i zahraniční) a v současné době se hojně používají zejména v přenosných vibračních zařízeních. Cena těchto snímačů je poměrně vysoká a může dosáhnout 20 000 až 30 000 rublů za kus, a to i od domácích výrobců.

4.1.3. Snímače posunutí

V měřicích systémech vyvažovacích strojů lze použít i bezkontaktní senzory posunutí – kapacitní nebo indukční. Tyto senzory mohou pracovat ve statickém režimu, což umožňuje registraci vibračních procesů již od 0 Hz. Jejich použití může být obzvláště efektivní v případě vyvažování nízkorychlostních rotorů s rychlostí otáčení 120 ot/min a méně. Převodní koeficienty těchto senzorů mohou dosáhnout 1000 mV/mm a vyšších, což zajišťuje vysokou přesnost a rozlišení při měření posunutí, a to i bez dodatečného zesílení. Zřejmou výhodou těchto senzorů je jejich relativně nízká cena, která u některých tuzemských výrobců nepřesahuje 1000 rublů. Při použití těchto senzorů ve vyvažovacích strojích je důležité vzít v úvahu, že jmenovitá pracovní mezera mezi citlivým prvkem senzoru a povrchem vibrujícího objektu je omezena průměrem cívky senzoru. Například pro senzor znázorněný na obrázku 4.8, model ISAN E41A od firmy "TEKO", je specifikovaná pracovní mezera obvykle 3,8 až 4 mm, což umožňuje měření posunutí vibrujícího objektu v rozsahu ±2,5 mm.

Obrázek 4.8. Indukční snímač posunutí model ISAN E41A od společnosti TEKO (Rusko)

4.1.4. Snímače síly

Jak již bylo uvedeno, v měřicích systémech instalovaných na vyvažovacích strojích Hard Bearing se používají snímače síly. Tyto snímače, zejména vzhledem k jejich jednoduché výrobě a relativně nízké ceně, jsou běžně piezoelektrické snímače síly. Příklady takových snímačů jsou uvedeny na obrázcích 4.9 a 4.10.

Obrázek 4.9. Snímač síly SD 1 od společnosti Kinematika LLC

Obrázek 4.10: Snímač síly pro vyvažovací stroje pro automobily, prodávaný společností "STO Market"

Tenzometrické snímače síly, které vyrábí řada domácích i zahraničních výrobců, lze použít také k měření relativních deformací v podpěrách vyvažovacích strojů Hard Bearing.

4.4. Funkční schéma měřicího systému vyvažovacího stroje "Balanset 2"

Měřicí systém "Balanset 2" představuje moderní přístup k integraci měřicích a výpočetních funkcí ve vyvažovacích strojích. Tento systém umožňuje automatický výpočet korekčních závaží pomocí metody koeficientů vlivu a lze jej přizpůsobit různým konfiguracím strojů.

Funkční schéma zahrnuje úpravu signálu, analogově-digitální převod, digitální zpracování signálu a automatické výpočetní algoritmy. Systém dokáže s vysokou přesností zvládnout scénáře vyvažování ve dvou i více rovinách.

4.5. Výpočet parametrů korekčních závaží používaných při vyvažování rotoru

Výpočet korekčních závaží je založen na metodě koeficientu vlivu, která určuje, jak rotor reaguje na testovací závaží v různých rovinách. Tato metoda je základem všech moderních vyvažovacích systémů a poskytuje přesné výsledky pro tuhé i pružné rotory.

4.5.1. Úloha vyvažování dvounosných rotorů a způsoby jejího řešení

U rotorů s dvojitou oporou (nejběžnější konfigurace) zahrnuje vyvažování určení dvou korekčních závaží – jednoho pro každou korekční rovinu. Metoda koeficientu vlivu používá následující přístup:

1. Počáteční měření (běh 0): Měření vibrací bez zkušebních závaží
2. První zkušební jízda (Běh 1): Přidejte známou zkušební hmotnost k rovině 1 a změřte odezvu
3. Druhý zkušební běh (Běh 2): Přesuňte zkušební závaží do roviny 2 a změřte odezvu
4. Výpočet: Software vypočítává trvalé korekční váhy na základě naměřených odezvy

Matematický základ zahrnuje řešení soustavy lineárních rovnic, které vztahují vliv zkušebního závaží k požadovaným korekcím v obou rovinách současně.

Obrázky 3.26 a 3.27 ukazují příklady použití soustružnických lůžek, na jejichž základě byl vyroben specializovaný stroj Hard Bearing pro vyvažování šneků a univerzální stroj Soft Bearing pro vyvažování válcových rotorů. Pro kutily taková řešení umožňují s minimálními časovými a finančními náklady vytvořit pevný podpěrný systém vyvažovacího stroje, na který lze namontovat podpěrné stojany různých typů (Hard Bearing i Soft Bearing). Hlavním úkolem výrobce je v tomto případě zajistit (a v případě potřeby obnovit) geometrickou přesnost vedení stroje, na kterém budou podpěrné stojany založeny. V podmínkách kutilské výroby se k obnovení požadované geometrické přesnosti vodítek obvykle používá jemné škrábání.

Obrázek 3.28 ukazuje verzi sestaveného lůžka ze dvou kanálů. Při výrobě tohoto lůžka jsou použity rozebíratelné šroubové spoje, které umožňují minimalizovat nebo zcela vyloučit deformaci lůžka při montáži bez dalších technologických operací. Pro zajištění správné geometrické přesnosti vedení uvedeného lůžka může být nutné mechanické opracování (broušení, jemné frézování) horních přírub použitých kanálů.

Obrázky 3.29 a 3.30 představují varianty svařovaných lůžek, rovněž vyrobených ze dvou kanálů. Technologie výroby těchto lůžek může vyžadovat řadu dalších operací, jako je tepelné zpracování pro zmírnění vnitřních pnutí, která vznikají při svařování. Stejně jako u montovaných lůžek je třeba pro zajištění správné geometrické přesnosti vedení svařovaných lůžek naplánovat mechanické opracování (broušení, jemné frézování) horních přírub použitých kanálů.

4.5.2. Metodika dynamického vyvažování vícenásobně podepřených rotorů

Vícenásobně podepřené rotory (tři nebo čtyři body ložiska) vyžadují složitější vyvažovací postupy. Každý bod podpory přispívá k celkovému dynamickému chování a korekce musí zohledňovat interakce mezi všemi rovinami.

Metodologie rozšiřuje dvourovinný přístup o:

• Měření vibrací ve všech podpěrných bodech
• Použití více pozic zkušebního závaží
• Řešení větších soustav lineárních rovnic
• Optimalizace rozložení korekční hmotnosti

U kardanových hřídelí a podobných dlouhých rotorů tento přístup obvykle dosahuje úrovní zbytkové nevyváženosti odpovídajících třídám kvality ISO G6.3 nebo lepším.

4.5.3. Kalkulačky pro vyvažování vícenásobných nosných rotorů

Pro konfigurace rotorů se třemi a čtyřmi oporami byly vyvinuty specializované výpočetní algoritmy. Tyto kalkulátory jsou implementovány v softwaru Balanset-4 a dokáží automaticky zpracovat složité geometrie rotorů.

Kalkulačky zohledňují:

• Variabilní tuhost podpěry
• Křížové propojení mezi korekčními rovinami
• Optimalizace umístění závaží pro přístupnost
• Ověření vypočítaných výsledků

5. Doporučení pro kontrolu činnosti a přesnosti vyvažovacích strojů

Přesnost a spolehlivost vyvažovacího stroje závisí na mnoha faktorech, včetně geometrické přesnosti jeho mechanických součástí, dynamických charakteristik podpěr a provozní způsobilosti měřicího systému. Pravidelné ověřování těchto parametrů zajišťuje konzistentní kvalitu vyvažování a pomáhá identifikovat potenciální problémy dříve, než ovlivní výrobu.

5.1. Kontrola geometrické přesnosti stroje

Ověření geometrické přesnosti zahrnuje kontrolu vyrovnání podpěr, rovnoběžnosti vodítek a soustřednosti vřetenových sestav. Tyto kontroly by měly být prováděny během počátečního nastavení a pravidelně během provozu, aby byla zajištěna zachovaná přesnost.

5.2. Kontrola dynamických vlastností stroje

Ověření dynamických charakteristik zahrnuje měření vlastních frekvencí podpěr a komponent rámu, aby se zajistilo jejich správné oddělení od provozních frekvencí. Tím se předchází problémům s rezonancí, které mohou ohrozit přesnost vyvážení.

5.3. Kontrola provozní způsobilosti měřicího systému

Ověření měřicího systému zahrnuje kalibraci senzorů, ověření fázového uspořádání a kontrolu přesnosti zpracování signálu. To zajišťuje spolehlivé měření amplitudy a fáze vibrací při všech provozních rychlostech.

5.4. Kontrola charakteristik přesnosti dle normy ISO 20076-2007

Norma ISO 20076-2007 poskytuje standardizované postupy pro ověřování přesnosti vyvažovacích strojů pomocí kalibrovaných zkušebních rotorů. Tyto postupy pomáhají ověřit výkon stroje podle mezinárodně uznávaných norem.

Literatura

1. Reshetov DN (editor). "Detaily a mechanismy obráběcích strojů." Moskva: Mašinostrojení, 1972.
2. Kellenberger W. "Spirální broušení válcových ploch." Strojírenství, 1963.
3. ISO 18855-94 (ISO 281-89) "Valivá ložiska – dynamické únosnosti a trvanlivost."
4. ISO 17383-73 "Řemenice pro ploché hnací řemeny."
5. ISO 1940-1-2007 "Vibrace. Požadavky na kvalitu vyvážení tuhých rotorů."
6. ISO 20076-2007 "Postupy ověřování přesnosti vyvažovacích strojů."