Forfatter af artiklen : Feldman Valery Davidovich
Redaktør og oversættelse: Nikolai Andreevich Shelkovenko og chatGPT
Afbalancering af maskiner med dine egne hænder
Indholdsfortegnelse
Sektion | Side |
|---|---|
1. Indledning | 3 |
2. Typer af afbalanceringsmaskiner (stativer) og deres konstruktionsegenskaber | 4 |
2.1. Maskiner og stativer med bløde lejer | 4 |
2.2. Maskiner med hårde lejer | 17 |
3. Krav til konstruktion af basisenheder og mekanismer i afbalanceringsmaskiner | 26 |
3.1. Lejer | 26 |
3.2. Lejeenheder til afbalanceringsmaskiner | 41 |
3.3. Sengerammer | 56 |
3.4. Drev til afbalanceringsmaskiner | 60 |
4. Målesystemer til afbalanceringsmaskiner | 62 |
4.1. Valg af vibrationssensorer | 62 |
4.2. Fasevinkelsensorer | 69 |
4.3. Funktioner ved behandling af signaler fra vibrationssensorer | 71 |
4.4. Funktionsskema for afbalanceringsmaskinens målesystem, "Balanset 2" | 76 |
4.5. Beregning af parametre for korrektionsvægte brugt i rotorafbalancering | 79 |
4.5.1. Opgaven med at afbalancere dobbeltbærende rotorer og metoder til at løse den | 80 |
4.5.2. Metode til dynamisk afbalancering af flerbærende rotorer | 83 |
4.5.3. Regnemaskiner til afbalancering af rotorer med flere understøtninger | 92 |
5. Anbefalinger til kontrol af afbalanceringsmaskiners funktion og nøjagtighed | 93 |
5.1. Kontrol af maskinens geometriske nøjagtighed | 93 |
5.2. Kontrol af maskinens dynamiske egenskaber | 101 |
5.3. Kontrol af målesystemets funktionsdygtighed | 103 |
5.4. Kontrol af maskinens nøjagtighedsegenskaber i henhold til ISO 20076-2007 | 112 |
Litteratur | 119 |
Bilag 1: Algoritme til beregning af afbalanceringsparametre for tre støtteaksler | 120 |
Appendiks 2: Algoritme til beregning af afbalanceringsparametre for fire støtteaksler | 130 |
Bilag 3: Guide til brug af Balancer Calculator | 146 |
1. Indledning (Hvorfor var der behov for at skrive dette værk?)
En analyse af forbrugsstrukturen for afbalanceringsudstyr fremstillet af LLC "Kinematics" afslører, at omkring 30% af dem er købt til brug som stationære måle- og computersystemer til afbalanceringsmaskiner og/eller stativer. Det er muligt at identificere to grupper af forbrugere (kunder) af vores udstyr.
Den første gruppe omfatter virksomheder, der specialiserer sig i masseproduktion af afbalanceringsmaskiner og sælger dem til eksterne kunder. Disse virksomheder beskæftiger højt kvalificerede specialister med dyb viden og omfattende erfaring i at designe, fremstille og betjene forskellige typer af afbalanceringsmaskiner. De udfordringer, der opstår i interaktionen med denne gruppe af kunder, er oftest relateret til at tilpasse vores målesystemer og software til eksisterende eller nyudviklede maskiner, uden at tage fat på problemer med deres strukturelle udførelse.
Den anden gruppe består af forbrugere, der udvikler og fremstiller maskiner (stativer) til deres egne behov. Denne tilgang skyldes for det meste uafhængige producenters ønske om at reducere deres egne produktionsomkostninger, som i nogle tilfælde kan falde med to til tre gange eller mere. Denne gruppe af forbrugere mangler ofte erfaring med at skabe maskiner og er typisk afhængige af at bruge deres sunde fornuft, information fra internettet og alle tilgængelige analoger i deres arbejde.
Interaktion med dem rejser mange spørgsmål, som ud over yderligere oplysninger om afbalanceringsmaskinernes målesystemer dækker en bred vifte af emner relateret til maskinernes strukturelle udførelse, metoder til deres installation på fundamentet, valg af drev og opnåelse af korrekt afbalanceringsnøjagtighed osv.
I betragtning af den betydelige interesse, som en stor gruppe af vores forbrugere viser i spørgsmålene om uafhængig fremstilling af balanceringsmaskiner, har specialister fra LLC "Kinematics" udarbejdet en samling med kommentarer og anbefalinger til de hyppigst stillede spørgsmål.
2. Typer af afbalanceringsmaskiner (stativer) og deres konstruktionsegenskaber
En afbalanceringsmaskine er en teknologisk anordning, der er designet til at eliminere statisk eller dynamisk ubalance i rotorer til forskellige formål. Den indeholder en mekanisme, der accelererer den afbalancerede rotor til en specificeret rotationsfrekvens, og et specialiseret måle- og computersystem, der bestemmer masserne og placeringen af de korrigerende vægte, der er nødvendige for at kompensere for rotorens ubalance.
Konstruktionen af den mekaniske del af maskinen består typisk af en sengeramme, hvorpå der er monteret støttestolper (lejer). Disse bruges til at montere det afbalancerede produkt (rotoren) og inkluderer et drev beregnet til at rotere rotoren. Under afbalanceringsprocessen, som udføres, mens produktet roterer, registrerer målesystemets sensorer (hvis type afhænger af maskinens design) enten vibrationer i lejerne eller kræfter på lejerne.
De data, der opnås på denne måde, gør det muligt at bestemme masserne og monteringsstederne for de korrigerende vægte, der er nødvendige for at kompensere for ubalancen.
I øjeblikket er to typer af afbalanceringsmaskiner (stativer) mest udbredte:
2.1. Maskiner og stativer med bløde lejer Det grundlæggende træk ved afbalanceringsmaskiner (stativer) med bløde lejer er, at de har relativt fleksible understøtninger, der er lavet på basis af fjederophæng, fjedermonterede vogne, flade eller cylindriske fjederunderstøtninger osv. Egenfrekvensen for disse understøtninger er mindst 2-3 gange lavere end rotationsfrekvensen for den afbalancerede rotor, der er monteret på dem. Et klassisk eksempel på den strukturelle udførelse af fleksible Soft Bearing-understøtninger kan ses i understøtningen af maskinmodellen DB-50, som der er vist et fotografi af i figur 2.1.
Figur 2.1. Støtte til afbalanceringsmaskine model DB-50.
Som vist i figur 2.1 er den bevægelige ramme (slider) 2 fastgjort til de stationære stolper 1 i støtten ved hjælp af et ophæng på båndfjedre 3. Under indflydelse af centrifugalkraften forårsaget af ubalancen i den rotor, der er installeret på støtten, kan vognen (slideren) 2 udføre vandrette svingninger i forhold til den stationære stolpe 1, som måles ved hjælp af en vibrationssensor.
Den strukturelle udførelse af denne støtte sikrer, at man opnår en lav egenfrekvens for vognens svingninger, som kan være omkring 1-2 Hz. Det gør det muligt at afbalancere rotoren over en bred vifte af rotationsfrekvenser, fra 200 omdrejninger i minuttet. Denne egenskab, sammen med den relative enkelhed i fremstillingen af sådanne understøtninger, gør dette design attraktivt for mange af vores kunder, der fremstiller afbalanceringsmaskiner til deres egne behov og til forskellige formål.
Figur 2.2. Blød lejestøtte til afbalanceringsmaskinen, fremstillet af "Polymer LTD", Makhachkala
Figur 2.2 viser et foto af en Soft Bearing-afbalanceringsmaskine med understøtninger lavet af fjedre, fremstillet til internt brug hos "Polymer LTD" i Makhachkala. Maskinen er designet til at afbalancere ruller, der bruges i produktionen af polymermaterialer.
Figur 2.3 indeholder et fotografi af en afbalanceringsmaskine med et lignende båndophæng til vognen, beregnet til afbalancering af specialværktøj.
Figur 2.4.a og 2.4.b viser fotografier af en hjemmelavet Soft Bearing-maskine til afbalancering af drivaksler, hvis understøtninger også er lavet af fjederbånd.
Figur 2.5 viser et fotografi af en Soft Bearing-maskine designet til afbalancering af turboladere, hvor vognene også er ophængt i båndfjedre. Maskinen, der er fremstillet til privat brug af A. Shahgunyan (Skt. Petersborg), er udstyret med målesystemet "Balanset 1".
Ifølge producenten (se fig. 2.6) giver denne maskine mulighed for at afbalancere turbiner med en resterende ubalance på højst 0,2 g*mm.
Figur 2.3. Blød lejemaskine til afbalancering af værktøj med støtteophæng på båndfjedre
Figur 2.4.a. Maskine med bløde lejer til afbalancering af drivaksler (maskine samlet)
Figur 2.4.b. Maskine med bløde lejer til afbalancering af drivaksler med vognstøtter ophængt i båndfjedre. (Forreste spindelstøtte med fjederlisteophæng)
Figur 2.5. Blød lejemaskine til afbalancering af turboladere med understøtninger på båndfjedre, fremstillet af A. Shahgunyan (Skt. Petersborg)
Figur 2.6. Skærmkopi af 'Balanset 1'-målesystemet, der viser resultaterne af afbalancering af turbinens rotor på A. Shahgunyans maskine
Ud over den klassiske version af Soft Bearing-balanceringsmaskinstøtterne, som er beskrevet ovenfor, er andre strukturelle løsninger også blevet udbredt.
Figur 2.7 og 2.8 indeholder fotografier af afbalanceringsmaskiner til drivaksler, hvis understøtninger er lavet baseret på flade (plade) fjedre. Disse maskiner blev fremstillet til private behov hos henholdsvis den private virksomhed "Dergacheva" og LLC "Tatcardan" ("Kinetics-M").
Afbalanceringsmaskiner til bløde lejer med sådanne understøtninger reproduceres ofte af amatørproducenter på grund af deres relative enkelhed og fremstillingsevne. Disse prototyper er generelt enten maskiner i VBRF-serien fra "K. Schenck" eller lignende indenlandske produktionsmaskiner.
Maskinerne vist i figur 2.7 og 2.8 er designet til afbalancering af to-, tre- og firebærende drivaksler. De har en lignende konstruktion, herunder:
Figur 2.7. Blød lejemaskine til afbalancering af drivaksler fra den private virksomhed "Dergacheva" med understøtninger på flade (plade)fjedre
Figur 2.8. Blød lejemaskine til afbalancering af drivaksler fra LLC "Tatcardan" ("Kinetics-M") med understøtninger på flade fjedre
Der er monteret vibrationssensorer 8 på alle støtter, som bruges til at måle de tværgående svingninger i støtterne. Den forreste spindel 5, der er monteret på understøtning 2, drejes af en elektrisk motor via et remtræk.
Figur 2.9.a og 2.9.b viser fotografier af afbalanceringsmaskinens understøtning, som er baseret på flade fjedre.
Figur 2.9. Støtte til afbalanceringsmaskine med bløde lejer og flade fjedre
Da amatørproducenter ofte bruger sådanne støtter i deres design, er det nyttigt at undersøge deres konstruktion mere detaljeret. Som vist i figur 2.9.a består denne støtte af tre hovedkomponenter:
For at forhindre risikoen for øget vibration af støtterne under drift, som kan opstå under acceleration eller deceleration af den balancerede rotor, kan støtterne omfatte en låsemekanisme (se fig. 2.9.b). Denne mekanisme består af et stift beslag 5, som kan låses med en excentrisk lås 6, der er forbundet med en af støttens flade fjedre. Når låsen 6 og beslaget 5 er i indgreb, er støtten låst, hvilket eliminerer risikoen for øgede vibrationer under acceleration og deceleration.
Når man designer understøtninger med flade (plade)fjedre, skal maskinproducenten vurdere frekvensen af deres naturlige svingninger, som afhænger af fjedrenes stivhed og massen af den afbalancerede rotor. Ved at kende denne parameter kan designeren bevidst vælge området for rotorens operationelle rotationsfrekvenser og undgå faren for resonanssvingninger i understøtningerne under afbalancering.
Anbefalinger til beregning og eksperimentel bestemmelse af de naturlige svingningsfrekvenser for understøtninger samt andre komponenter i afbalanceringsmaskiner diskuteres i afsnit 3.
Som tidligere nævnt tiltrækker det enkle og letfremstillelige understøtningsdesign med flade (plade)fjedre amatørudviklere af afbalanceringsmaskiner til forskellige formål, herunder maskiner til afbalancering af krumtapaksler, bilturboladerotorer osv.
Som eksempel viser figur 2.10.a og 2.10.b en skitse af en maskine, der er designet til afbalancering af turbolader-rotorer. Denne maskine blev fremstillet og bruges til interne behov hos LLC "SuraTurbo" i Penza.
2.10.a. Maskine til afbalancering af turboladerrotorer (set fra siden)
2.10.b. Maskine til afbalancering af turboladerrotorer (set fra den forreste understøttelsesside)
Ud over de tidligere omtalte Soft Bearing-afbalanceringsmaskiner fremstilles der nogle gange relativt enkle Soft Bearing-stativer. Disse stativer giver mulighed for afbalancering af roterende mekanismer i høj kvalitet til forskellige formål med minimale omkostninger.
Nedenfor gennemgås flere af disse stativer, som er bygget på basis af en flad plade (eller ramme), der er monteret på cylindriske trykfjedre. Disse fjedre er normalt valgt således, at den naturlige svingningsfrekvens for pladen med den afbalancerede mekanisme installeret på den er 2 til 3 gange lavere end rotationsfrekvensen for denne mekanismes rotor under afbalancering.
Figur 2.11 viser et fotografi af et stativ til afbalancering af slibeskiver, fremstillet til den interne produktion af P. Asharin.
Figur 2.11. Stativ til afbalancering af slibehjul
Standen består af følgende hovedkomponenter:
Et vigtigt træk ved dette stativ er indbygningen af en pulssensor 5 til rotationsvinklen på elmotorens rotor, som bruges som en del af stativets målesystem ("Balanset 2C") til at bestemme vinkelpositionen for fjernelse af korrektionsmassen fra slibeskiven.
Figur 2.12 viser et fotografi af et stativ, der bruges til afbalancering af vakuumpumper. Dette stativ blev udviklet på bestilling af JSC "Measurement Plant".
Figur 2.12. Stativ til afbalancering af vakuumpumper fra JSC "Measurement Plant"
Grundlaget for denne stand bruger også Plade 1monteret på cylindriske fjedre 2. På plade 1 er der installeret en vakuumpumpe 3, som har sit eget elektriske drev, der kan variere hastigheden fra 0 til 60.000 omdrejninger i minuttet. På pumpehuset er der monteret vibrationssensorer 4, som bruges til at måle vibrationer i to forskellige sektioner i forskellige højder.
Til synkronisering af vibrationsmålingsprocessen med pumperotorens rotationsvinkel bruges en laserfasevinkelsensor 5 på stativet. På trods af den tilsyneladende enkle ydre konstruktion af sådanne stativer, giver det mulighed for at opnå afbalancering af pumpens løbehjul i meget høj kvalitet.
For eksempel opfylder pumperotorens resterende ubalance ved subkritiske rotationsfrekvenser kravene til balancekvalitetsklasse G0.16 i henhold til ISO 1940-1-2007 "Vibration. Krav til balancekvaliteten af stive rotorer. Del 1. Bestemmelse af tilladt ubalance."
Pumpehusets restvibration, der opnås under afbalancering ved rotationshastigheder op til 8.000 RPM, overstiger ikke 0,01 mm/sek.
Afbalanceringsstativer, der er fremstillet efter det skema, der er beskrevet ovenfor, er også effektive til afbalancering af andre mekanismer, f.eks. ventilatorer. Eksempler på stativer designet til afbalancering af ventilatorer er vist i figur 2.13 og 2.14.
Figur 2.13. Stativ til afbalancering af ventilatorhjul
Kvaliteten af ventilatorafbalancering opnået på sådanne stande er ret høj. Ifølge specialister fra "Atlant-project" LLC var niveauet for restvibrationer, der blev opnået ved afbalancering af ventilatorer, 0,8 mm/sek. på den stand, de havde designet på baggrund af anbefalinger fra "Kinematics" LLC (se fig. 2.14). Det er mere end tre gange bedre end tolerancen for ventilatorer i kategori BV5 i henhold til ISO 31350-2007 "Vibration. Industrielle ventilatorer. Krav til producerede vibrationer og balancekvalitet."
Figur 2.14. Stativ til afbalancering af ventilatorhjul på eksplosionssikkert udstyr af "Atlant-project" LLC, Podolsk
Lignende data fra JSC "Lissant Fan Factory" viser, at sådanne stativer, der bruges til serieproduktion af kanalventilatorer, konsekvent sikrer en restvibration, der ikke overstiger 0,1 mm/s.
2.2. Maskiner med hårde lejer.
Afbalanceringsmaskiner med hårde lejer adskiller sig fra de tidligere omtalte maskiner med bløde lejer i designet af deres understøtninger. Deres understøtninger er lavet i form af stive plader med indviklede slidser (udskæringer). Disse understøtningers egenfrekvenser overstiger betydeligt (mindst 2-3 gange) den maksimale rotationsfrekvens for den rotor, der er afbalanceret på maskinen.
Maskiner med hårde lejer er mere alsidige end maskiner med bløde lejer, da de typisk giver mulighed for afbalancering af rotorer i høj kvalitet over et bredere område af deres masse- og dimensionskarakteristika. En vigtig fordel ved disse maskiner er også, at de muliggør højpræcisionsafbalancering af rotorer ved relativt lave rotationshastigheder, som kan ligge inden for området 200-500 RPM og lavere.
Figur 2.15 viser et fotografi af en typisk afbalanceringsmaskine med hårdt leje fremstillet af "K. Schenk". Af denne figur fremgår det tydeligt, at de enkelte dele af understøtningen, som udgøres af de indviklede slidser, har varierende stivhed. Under indflydelse af kræfterne fra rotorens ubalance kan dette føre til deformationer (forskydninger) af nogle dele af understøtningen i forhold til andre. (I figur 2.15 er den stivere del af understøtningen fremhævet med en rød stiplet linje, og den relativt eftergivende del er blå).
For at måle de nævnte relative deformationer kan Hard Bearing-maskiner bruge enten kraftsensorer eller meget følsomme vibrationssensorer af forskellige typer, herunder berøringsfri vibrationsforskydningssensorer.
Figur 2.15. Maskine til afbalancering af hårde lejer fra "K. Schenk"
Som det fremgår af analysen af forespørgsler fra kunder på instrumenter i "Balanset"-serien, har interessen for at fremstille maskiner med hårde lejer til internt brug været konstant stigende. Dette lettes af den udbredte udbredelse af reklameoplysninger om designfunktionerne i indenlandske afbalanceringsmaskiner, som bruges af amatørproducenter som analoger (eller prototyper) til deres egen udvikling.
Lad os se på nogle variationer af Hard Bearing-maskiner, der er fremstillet til de interne behov hos en række forbrugere af instrumenter i "Balanset"-serien.
Figurer 2.16.a - 2.16.d viser fotografier af en Hard Bearing-maskine designet til afbalancering af drivaksler, som blev fremstillet af N. Obyedkov (byen Magnitogorsk). Som det ses i fig. 2.16.a, består maskinen af en stiv ramme 1, hvorpå der er monteret støtter 2 (to spindler og to mellemstøtter). Maskinens hovedspindel 3 drejes af en asynkron elmotor 4 via et remtræk. En frekvensregulator 6 bruges til at styre rotationshastigheden af den elektriske motor 4. Maskinen er udstyret med måle- og computersystemet 5 "Balanset 4", som omfatter en måleenhed, en computer, fire kraftsensorer og en fasevinkelsensor (sensorer ikke vist i fig. 2.16.a).
Figur 2.16.a. Hård lejemaskine til afbalancering af drivaksler, fremstillet af N. Obyedkov (Magnitogorsk)
Figur 2.16.b viser et fotografi af maskinens forreste støtte med den forreste spindel 3, der som tidligere nævnt drives af et remtræk fra en asynkron elmotor 4. Denne støtte er stift monteret på rammen.
Figur 2.16.b. Forreste (forreste) spindelstøtte.
Figur 2.16.c viser et fotografi af en af maskinens to bevægelige mellemstøtter. Denne støtte hviler på glidere 7, som gør det muligt at bevæge den i længderetningen langs rammestyrene. Denne støtte omfatter en særlig anordning 8, der er designet til at installere og justere højden på mellemlejet på den afbalancerede drivaksel.
Figur 2.16.c. Mellemliggende bevægelig understøtning af maskinen
Figur 2.16.d viser et fotografi af den bageste (drevne) spindelstøtte, der ligesom de mellemliggende støtter giver mulighed for bevægelse langs maskinrammens føringer.
Figur 2.16.d. Bageste (drevne) spindelstøtte.
Alle de ovennævnte understøtninger er lodrette plader monteret på flade underlag. Pladerne har T-formede slidser (se fig. 2.16.d), som opdeler understøtningen i en indre del 9 (mere stiv) og en ydre del 10 (mindre stiv). Den forskellige stivhed af de indre og ydre dele af understøtningen kan resultere i relativ deformation af disse dele under ubalancekræfterne fra den afbalancerede rotor.
Kraftsensorer bruges typisk til at måle den relative deformation af understøtningerne i hjemmelavede maskiner. Et eksempel på, hvordan en kraftsensor monteres på en Hard Bearing-afbalanceringsmaskines støtte, er vist i figur 2.16.e. Som det ses i denne figur, presses kraftsensoren 11 mod sidefladen af den indre del af støtten med en bolt 12, som går gennem et gevindhul i den ydre del af støtten.
For at sikre et jævnt tryk fra bolt 12 over hele kraftsensoren 11's plan, er der placeret en flad skive 13 mellem den og sensoren.
Figur 2.16.d. Eksempel på installation af kraftsensor på en støtte.
Under maskinens drift virker ubalancekræfterne fra den afbalancerede rotor gennem støtteenhederne (spindler eller mellemlejer) på den ydre del af støtten, som begynder at bevæge sig cyklisk (deformere) i forhold til sin indre del ved rotorens rotationsfrekvens. Dette resulterer i en variabel kraft, der virker på sensor 11, proportional med ubalancekraften. Under dens indflydelse genereres et elektrisk signal, der er proportionalt med størrelsen af rotorens ubalance, ved kraftsensorens udgang.
Signaler fra kraftsensorer, der er installeret på alle understøtninger, føres ind i maskinens måle- og computersystem, hvor de bruges til at bestemme parametrene for de korrigerende vægte.
Figur 2.17.a. indeholder et fotografi af en højt specialiseret maskine med hårde lejer, der bruges til afbalancering af "skrueaksler". Denne maskine blev fremstillet til internt brug hos LLC "Ufatverdosplav".
Som det fremgår af figuren, har maskinens spin-up-mekanisme en forenklet konstruktion, som består af følgende hovedkomponenter:
Figur 2.17.a. Hård lejemaskine til afbalancering af skrueaksler, fremstillet af LLC "Ufatverdosplav"
Maskinens støtter 2 er lodret monterede stålplader med T-formede slidser. Øverst på hver støtte er der støtteruller, der er fremstillet med rullelejer, som den afbalancerede aksel 5 roterer på.
For at måle deformationen af støtterne, som opstår under påvirkning af rotorens ubalance, bruges der kraftsensorer 6 (se fig. 2.17.b), som er installeret i slidserne på støtterne. Disse sensorer er forbundet til "Balanset 1"-enheden, som bruges på denne maskine som et måle- og computersystem.
På trods af maskinens relativt enkle spin-up-mekanisme muliggør den afbalancering af skruer i tilstrækkelig høj kvalitet, der, som det ses i fig. 2.17.a., har en kompleks spiralformet overflade.
Ifølge LLC "Ufatverdosplav" blev den oprindelige ubalance i skruen reduceret med næsten 50 gange på denne maskine under afbalanceringsprocessen.
Figur 2.17.b. Maskinstøtte med hårdt leje til afbalancering af skrueaksler med kraftsensor
Den opnåede restubalance var 3552 gmm (19,2 g ved en radius på 185 mm) i skruens første plan, og 2220 gmm (12,0 g ved en radius på 185 mm) i det andet plan. For en rotor, der vejer 500 kg og arbejder ved en rotationsfrekvens på 3500 RPM, svarer denne ubalance til klasse G6.3 i henhold til ISO 1940-1-2007, som opfylder kravene i den tekniske dokumentation.
S.V. Morozov foreslog et originalt design (se fig. 2.18), som indebærer brug af en enkelt base til samtidig installation af understøtninger til to afbalanceringsmaskiner med hårde lejer i forskellige størrelser. De åbenlyse fordele ved denne tekniske løsning, som gør det muligt at minimere producentens produktionsomkostninger, omfatter:
Figur 2.18. Maskine til afbalancering af hårde lejer ("Tandem"), fremstillet af S.V. Morozov