DIY  Balancing machines

نویسنده مقاله: فلدمن والری داوودویچ
ویراستار و ترجمه: نیکولای آندریویچ شلکوونکو و chatGPT 

 

 

                      

.

.

         دستگاه های متعادل کننده با دستان خود

.               

.

.

                                              

 

.

                                                                Table of Contents

بخش	صفحه
1. معرفی	3
2. انواع ماشین های متعادل کننده (پایه ها) و ویژگی های طراحی آنها	4
2.1. ماشین آلات و پایه های بلبرینگ نرم	4
2.2. ماشین های بلبرینگ سخت	17
3. الزامات ساخت واحدهای اساسی و سازوکارهای ماشین های متعادل کننده	26
3.1. بلبرینگ	26
3.2. واحدهای بلبرینگ ماشین های متعادل کننده	41
3.3. چارچوب های تخت	56
3.4. درایوهای ماشین های متعادل کننده	60
4. سیستم های اندازه گیری ماشین های متعادل کننده	62
4.1. انتخاب سنسورهای لرزش	62
4.2. سنسورهای زاویه فاز	69
4.3. ویژگی های پردازش سیگنال از سنسورهای لرزش	71
4.4. طرح عملکردی سیستم اندازه گیری ماشین تعادل، "بالان ست 2"	76
4.5. محاسبه پارامترهای وزن های تصحیح مورد استفاده در بالانس روتور	79
4.5.1. وظیفه متعادل کردن روتورهای پشتیبانی دوگانه و روشهای حل آن	80
4.5.2. روش شناسی تعادل دینامیکی روتورهای چند پشتیبانی	83
4.5.3. ماشین حساب برای متعادل کردن روتورهای چند پشتیبانی	92
5. توصیه هایی برای بررسی عملکرد و دقت ماشین های متعادل کننده	93
5.1. بررسی دقت هندسی دستگاه	93
5.2. بررسی ویژگی های دینامیکی دستگاه	101
5.3. بررسی قابلیت عملیاتی سیستم اندازه گیری	103
5.4. بررسی ویژگی های دقت دستگاه بر اساس ISO 20076-2007	112
ادبیات	119
پیوست 1: الگوریتم محاسبه پارامترهای تعادل برای سه شفت پشتیبانی	120
ضمیمه 2: الگوریتم محاسبه پارامترهای تعادل برای چهار شفت پشتیبانی	130
پیوست 3: راهنمای استفاده از ماشین حساب متعادل کننده	146

 

 

Devices

Portable balancer & Vibration analyzer Balanset-1A

€1,751.00

Parts

Vibration sensor

€90.00

Parts

Optical Sensor (Laser Tachometer)

€124.00

Devices

Balanset-4

€6,803.00

Parts

Magnetic Stand Insize-60-kgf

€46.00

Parts

Reflective tape

€10.00

Devices

Dynamic balancer “Balanset-1A” OEM

€1,561.00

1. معرفی (چرا نیاز به نوشتن این اثر وجود داشت؟)

تجزیه و تحلیل ساختار مصرف دستگاه های متعادل کننده تولید شده توسط LLC "Kinematics" نشان می دهد که حدود 30% از آنها برای استفاده به عنوان سیستم های اندازه گیری و محاسبات ثابت برای ماشین های متعادل کننده و/یا پایه ها خریداری شده است. شناسایی دو گروه از مصرف کنندگان (مشتریان) تجهیزات ما امکان پذیر است.

گروه اول شامل شرکت هایی است که در تولید انبوه ماشین های متعادل کننده و فروش آنها به مشتریان خارجی تخصص دارند. این شرکت ها از متخصصان بسیار ماهر با دانش عمیق و تجربه گسترده در طراحی، ساخت و راه اندازی انواع ماشین های بالانس استفاده می کنند. چالش‌هایی که در تعامل با این گروه از مصرف‌کنندگان به وجود می‌آیند اغلب مربوط به تطبیق سیستم‌ها و نرم‌افزار اندازه‌گیری ما با ماشین‌های موجود یا جدید توسعه‌یافته، بدون پرداختن به مسائل مربوط به اجرای ساختاری آن‌ها است.

گروه دوم شامل مصرف کنندگانی است که برای نیازهای خود ماشین آلات (پایه ها) را توسعه و تولید می کنند. این رویکرد بیشتر با تمایل تولیدکنندگان مستقل برای کاهش هزینه های تولید خود توضیح داده می شود که در برخی موارد می تواند دو تا سه برابر یا بیشتر کاهش یابد. این گروه از مصرف‌کنندگان اغلب فاقد تجربه مناسب در ایجاد ماشین‌ها هستند و معمولاً به استفاده از عقل سلیم، اطلاعات اینترنت و هرگونه آنالوگ موجود در کار خود متکی هستند.

تعامل با آنها سوالات زیادی را ایجاد می کند که علاوه بر اطلاعات اضافی در مورد سیستم های اندازه گیری ماشین های متعادل کننده، طیف گسترده ای از مسائل مربوط به اجرای سازه ماشین ها، روش های نصب آنها بر روی پایه، انتخاب درایوها و ... را در بر می گیرد. دستیابی به دقت متعادل سازی مناسب و غیره

با توجه به علاقه قابل توجه گروه بزرگی از مصرف کنندگان ما به مسائل مربوط به تولید مستقل ماشین های متعادل کننده، متخصصان LLC "Kinematics" مجموعه ای با نظرات و توصیه هایی در مورد متداول ترین سؤالات تهیه کرده اند.

.

     

   2. انواع ماشین های متعادل کننده (پایه ها) و ویژگی های طراحی آنها

ماشین متعادل کننده یک دستگاه تکنولوژیکی است که برای از بین بردن عدم تعادل استاتیکی یا دینامیکی روتورها برای اهداف مختلف طراحی شده است. این شامل مکانیزمی است که روتور متعادل را به فرکانس چرخش مشخص شتاب می دهد و یک سیستم اندازه گیری و محاسباتی تخصصی که جرم ها و قرار دادن وزن های اصلاحی مورد نیاز برای جبران عدم تعادل روتور را تعیین می کند.

ساختار بخش مکانیکی دستگاه معمولاً از یک چارچوب تخت تشکیل شده است که بر روی آن پایه های پشتیبانی (بلبرینگ) نصب می شود. اینها برای نصب محصول متعادل (روتور) استفاده می شوند و شامل یک درایو هستند که برای چرخاندن روتور در نظر گرفته شده است. در طول فرآیند تعادل، که در حین چرخش محصول انجام می‌شود، سنسورهای سیستم اندازه‌گیری (که نوع آن به طراحی ماشین بستگی دارد) یا ارتعاشات یاتاقان‌ها یا نیروهای وارد بر یاتاقان‌ها را ثبت می‌کنند.

داده های به دست آمده در این روش امکان تعیین جرم و محل نصب وزنه های اصلاحی لازم برای جبران عدم تعادل را فراهم می کند.

در حال حاضر، دو نوع طراحی ماشین متعادل کننده (استند) رایج ترین هستند:

.

     

.

.

                  

                        شکل 2.1. پشتیبانی از دستگاه بالانس مدل DB-50.

همانطور که در شکل 2.1 نشان داده شده است، قاب متحرک (لغزنده) 2 با استفاده از تعلیق روی فنرهای نواری 3 به پایه های ثابت 1 تکیه گاه متصل شده است. تحت تأثیر نیروی گریز از مرکز ناشی از عدم تعادل روتور نصب شده روی تکیه گاه، کالسکه (لغزنده) 2 می تواند نوسانات افقی را نسبت به پست ثابت 1 انجام دهد که با استفاده از سنسور ارتعاش اندازه گیری می شود.

اجرای ساختاری این پشتیبانی، دستیابی به فرکانس طبیعی پایین نوسانات حامل را تضمین می کند که می تواند حدود 1-2 هرتز باشد. این اجازه می دهد تا روتور را در محدوده وسیعی از فرکانس های چرخشی آن متعادل کند، از 200 RPM شروع می شود. این ویژگی در کنار سادگی نسبی ساخت چنین تکیه گاه ها، این طراحی را برای بسیاری از مصرف کنندگان ما که ماشین های متعادل کننده را برای نیازهای خود با اهداف مختلف تولید می کنند، جذاب می کند.

.

         

                                

.

               شکل 2.2. پشتیبان یاتاقان نرم ماشین متعادل کننده، تولید شده توسط "Polymer LTD"، ماخاچکالا

شکل 2.2 عکسی از یک ماشین متعادل کننده Soft Bearing با تکیه گاه های ساخته شده از فنرهای تعلیق را نشان می دهد که برای نیازهای داخلی در "Polymer LTD" در ماخاچکالا ساخته شده است. این دستگاه برای متعادل کردن غلتک های مورد استفاده در تولید مواد پلیمری طراحی شده است.

شکل 2.3 دارای عکسی از یک ماشین متعادل کننده با یک نوار تعلیق مشابه برای کالسکه است که برای متعادل کردن ابزارهای تخصصی در نظر گرفته شده است.

شکل های 2.4.a و 2.4.b عکس‌هایی از یک دستگاه Soft Bearing خانگی برای متعادل کردن شفت‌های محرک را نشان می‌دهد که تکیه‌گاه‌های آن نیز با استفاده از فنرهای تعلیق نواری ساخته می‌شوند.

شکل 2.5 عکسی از یک دستگاه Soft Bearing را ارائه می دهد که برای متعادل کردن توربوشارژرها طراحی شده است و تکیه گاه های کالسکه آن نیز روی فنرهای نواری آویزان شده است. این دستگاه که برای استفاده خصوصی A. Shahgunyan (سن پترزبورگ) ساخته شده است، مجهز به سیستم اندازه گیری Balanset 1 است.

طبق گفته سازنده (نگاه کنید به شکل 2.6)، این دستگاه قابلیت تعادل توربین هایی با عدم تعادل باقیمانده بیش از 0.2 گرم * میلی متر را فراهم می کند.

.

.

                          

.

          شکل 2.3. دستگاه یاتاقان نرم برای ابزارهای متعادل کننده با تعلیق پشتیبانی روی فنرهای نواری

.                           

                      

.

     شکل 2.4.a. دستگاه یاتاقان نرم برای متعادل کردن محورهای محرک (مجموعه ماشینی)

.                        

.

    شکل 2.4.b. دستگاه یاتاقان نرم برای متعادل کردن شفت های محرک با تکیه گاه های کالسکه معلق روی فنرهای نواری. (پشتیبانی اسپیندل پیشرو با تعلیق نوار فنری)

.

                      

.

شکل 2.5. دستگاه یاتاقان نرم برای متعادل کردن توربوشارژرها با تکیه گاه روی فنرهای نواری، ساخت A. Shahgunyan (سن پترزبورگ)                                         

                                     

.

شکل 2.6. کپی صفحه نمایش سیستم اندازه گیری 'بالانست 1' که نتایج تعادل روتور توربین را در ماشین A. Shahgunyan نشان می دهد.

علاوه بر نسخه کلاسیک دستگاه های متعادل کننده Soft Bearing که در بالا مورد بحث قرار گرفت، سایر راه حل های ساختاری نیز گسترده شده اند.

شکل 2.7 و 2.8 عکس‌هایی از ماشین‌های متعادل کننده برای محورهای محرک که تکیه‌گاه‌های آن‌ها بر اساس فنرهای تخت (صفحه‌ای) ساخته شده‌اند. این ماشین ها به ترتیب برای نیازهای اختصاصی شرکت خصوصی "Dergacheva" و LLC "Tatcardan" ("Kinetics-M") تولید شدند.

ماشین‌های متعادل کننده یاتاقان‌های نرم با چنین تکیه‌گاه‌هایی به دلیل سادگی نسبی و قابلیت ساخت، اغلب توسط سازندگان آماتور تولید می‌شوند. این نمونه های اولیه عموماً ماشین های سری VBRF از "K. Schenck” یا ماشین آلات تولید داخلی مشابه.

ماشین‌های نشان‌داده‌شده در شکل‌های 2.7 و 2.8 برای متعادل کردن محورهای محرک دو تکیه‌گاه، سه تکیه‌گاه و چهار تکیه‌گاه طراحی شده‌اند. آنها ساختار مشابهی دارند، از جمله:

.

    

......                                          

.

            شکل 2.7. دستگاه یاتاقان نرم برای متعادل کردن محورهای محرک توسط شرکت خصوصی "درگاچوا" با تکیه گاه روی فنرهای تخت (صفحه ای)                                     

               

.

..

....                                  

.

             شکل 2.8. ماشین یاتاقان نرم برای متعادل کردن محورهای محرک توسط LLC "Tatcardan" ("Kinetics-M") با پشتیبانی از فنرهای تخت

بر روی تمامی تکیه گاه ها سنسور ارتعاش 8 تعبیه شده است که برای اندازه گیری نوسانات عرضی تکیه گاه ها استفاده می شود. دوک پیشرو 5، که بر روی تکیه گاه 2 نصب شده است، توسط یک موتور الکتریکی از طریق یک درایو تسمه می چرخد.

شکل های 2.9.a و 2.9.b عکس هایی از تکیه گاه ماشین متعادل کننده که بر اساس فنرهای تخت است را نشان دهید.

.

..

...                                   

.

.

.

..                         

.

                  شکل 2.9. پشتیبانی دستگاه متعادل کننده بلبرینگ نرم با فنرهای تخت

.

.

.

.

        2.10.a. ماشین متعادل کننده روتورهای توربوشارژر (نمای جانبی)

.

                        

.

          2.10.b. ماشین برای متعادل کردن روتورهای توربوشارژر (نمایش از سمت پشتیبانی جلو)

.

      علاوه بر ماشین های متعادل کننده Soft Bearing که قبلاً مورد بحث قرار گرفت، گاهی اوقات پایه های نسبتاً ساده Soft Bearing ایجاد می شود. این پایه ها امکان تعادل مکانیزم های چرخشی با کیفیت بالا را برای اهداف مختلف با حداقل هزینه فراهم می کند.

چندین پایه از این قبیل در زیر بررسی می شوند که بر اساس یک صفحه (یا قاب) مسطح بر روی فنرهای فشاری استوانه ای ساخته شده اند. این فنرها معمولاً به گونه ای انتخاب می شوند که فرکانس طبیعی نوسانات صفحه با مکانیزم متعادل نصب شده بر روی آن 2 تا 3 برابر کمتر از فرکانس چرخش روتور این مکانیزم در هنگام بالانس کردن باشد.

شکل 2.11 shows a photograph of a stand for balancing abrasive wheels, manufactured for the in-house production by P. Asharin.

.

.

      

.....            

.

                    Figure 2.11. Stand for Balancing Abrasive Wheels

The stand consists of the following main components:

.

.

....          

.

                   Figure 2.12. Stand for Balancing Vacuum Pumps by JSC “Measurement Plant”

The basis of this stand also uses Plate 1, mounted on cylindrical springs 2. On Plate 1, a vacuum pump 3 is installed, which has its own electric drive capable of varying speeds widely from 0 to 60,000 RPM. Vibration sensors 4 are mounted on the pump casing, which are used to measure vibrations in two different sections at different heights.

For synchronization of the vibration measurement process with the rotational angle of the pump rotor, a laser phase angle sensor 5 is used on the stand. Despite the seemingly simplistic external construction of such stands, it allows achieving very high-quality balancing of the pump’s impeller.

For example, at sub-critical rotational frequencies, the residual imbalance of the pump rotor meets the requirements set for balance quality class G0.16 according to ISO 1940-1-2007 “Vibration. Requirements for the balance quality of rigid rotors. Part 1. Determination of permissible imbalance.”

The residual vibration of the pump casing achieved during balancing at rotational speeds up to 8,000 RPM does not exceed 0.01 mm/sec.

Balancing stands manufactured according to the scheme described above are also effective in balancing other mechanisms, such as fans. Examples of stands designed for balancing fans are shown in Figures 2.13 and 2.14.

.

.

                 

.

           Figure 2.13. Stand for Balancing Fan Impellers

The quality of fan balancing achieved on such stands is quite high. According to specialists from “Atlant-project” LLC, on the stand designed by them based on recommendations from “Kinematics” LLC (see Fig. 2.14), the level of residual vibration achieved when balancing fans was 0.8 mm/sec. This is more than three times better than the tolerance set for fans in category BV5 according to ISO 31350-2007 “Vibration. Industrial fans. Requirements for produced vibration and balance quality.”

.

.

      

.

         Figure 2.14. Stand for Balancing Fan Impellers of Explosion-Proof Equipment by “Atlant-project” LLC, Podolsk

Similar data obtained at JSC “Lissant Fan Factory” show that such stands, used in the serial production of duct fans, consistently ensured a residual vibration not exceeding 0.1 mm/s.

2.2. Hard Bearing Machines.

Hard Bearing balancing machines differ from the previously discussed Soft Bearing machines in the design of their supports. Their supports are made in the form of rigid plates with intricate slots (cut-outs). The natural frequencies of these supports significantly (at least 2-3 times) exceed the maximum rotational frequency of the rotor balanced on the machine.

Hard Bearing machines are more versatile than Soft Bearing ones, as they typically allow for high-quality balancing of rotors over a wider range of their mass and dimensional characteristics. An important advantage of these machines is also that they enable high-precision balancing of rotors at relatively low rotational speeds, which can be within the range of 200-500 RPM and lower.

Figure 2.15 shows a photograph of a typical Hard Bearing balancing machine manufactured by “K. Schenk.” From this figure, it is evident that individual parts of the support, formed by the intricate slots, have varying stiffness. Under the influence of the forces of rotor unbalance, this can lead to deformations (displacements) of some parts of the support relative to others. (In Figure 2.15, the stiffer part of the support is highlighted with a red dotted line, and its relatively compliant part is in blue).

To measure the said relative deformations, Hard Bearing machines can use either force sensors or highly sensitive vibration sensors of various types, including non-contact vibration displacement sensors.

.

.

                        

.

          Figure 2.15. Hard Bearing Balancing Machine by “K. Schenk”

As indicated by the analysis of requests received from customers for the “Balanset” series instruments, interest in manufacturing Hard Bearing machines for in-house use has been continuously increasing. This is facilitated by the widespread dissemination of advertising information about the design features of domestic balancing machines, which are used by amateur manufacturers as analogs (or prototypes) for their own developments.

Let’s consider some variations of Hard Bearing machines manufactured for the in-house needs of a number of consumers of the “Balanset” series instruments.

Figures 2.16.a – 2.16.d show photographs of a Hard Bearing machine designed for balancing drive shafts, which was manufactured by N. Obyedkov (city of Magnitogorsk). As seen in Fig. 2.16.a, the machine consists of a rigid frame 1, on which supports 2 (two spindle and two intermediate) are installed. The main spindle 3 of the machine is rotated by an asynchronous electric motor 4 via a belt drive. A frequency controller 6 is used to control the rotation speed of the electric motor 4. The machine is equipped with the “Balanset 4” measuring and computing system 5, which includes a measuring unit, a computer, four force sensors, and a phase angle sensor (sensors not shown in Fig. 2.16.a).

.

.

.

.....        

.

   Figure 2.16.a. Hard Bearing Machine for Balancing Drive Shafts, Manufactured by N. Obyedkov (Magnitogorsk)

Figure 2.16.b shows a photograph of the front support of the machine with the leading spindle 3, which is driven, as previously noted, by a belt drive from an asynchronous electric motor 4. This support is rigidly mounted on the frame.

.

.

.                              

.

               Figure 2.16.b. Front (Leading) Spindle Support.

Figure 2.16.c features a photograph of one of the two movable intermediate supports of the machine. This support rests on slides 7, allowing for its longitudinal movement along the frame guides. This support includes a special device 8, designed for installing and adjusting the height of the intermediate bearing of the balanced drive shaft.

.

.

..                             

.

              Figure 2.16.c. Intermediate Movable Support of the Machine

Figure 2.16.d shows a photograph of the rear (driven) spindle support, which, like the intermediate supports, allows for movement along the machine frame’s guides.

.

.

..                            

.

                   Figure 2.16.d. Rear (Driven) Spindle Support.

All the supports discussed above are vertical plates mounted on flat bases. The plates feature T-shaped slots (see Fig. 2.16.d), which divide the support into an inner part 9 (more rigid) and an outer part 10 (less rigid). The differing stiffness of the inner and outer parts of the support may result in relative deformation of these parts under the forces of unbalance from the balanced rotor.

Force sensors are typically used to measure the relative deformation of the supports in homemade machines. An example of how a force sensor is installed on a Hard Bearing balancing machine support is shown in Figure 2.16.e. As seen in this figure, the force sensor 11 is pressed against the side surface of the inner part of the support by a bolt 12, which passes through a threaded hole in the outer part of the support.

To ensure even pressure of bolt 12 across the entire plane of the force sensor 11, a flat washer 13 is placed between it and the sensor.

.

.

.

.

...                     

                                            .

                        Figure 2.16.d. Example of Force Sensor Installation on a Support.

During the operation of the machine, the forces of imbalance from the balanced rotor act through the support units (spindles or intermediate bearings) on the outer part of the support, which begins to cyclically move (deform) relative to its inner part at the frequency of rotor rotation. This results in a variable force acting on sensor 11, proportional to the imbalance force. Under its influence, an electrical signal proportional to the magnitude of the rotor’s imbalance is generated at the output of the force sensor.

Signals from force sensors, installed on all supports, are fed into the machine’s measuring and computing system, where they are used to determine the parameters of the corrective weights.

Figure 2.17.a. features a photograph of a highly specialized Hard Bearing machine used for balancing “screw” shafts. This machine was manufactured for in-house use at LLC “Ufatverdosplav”.

همانطور که در شکل مشاهده می شود، مکانیسم چرخش دستگاه دارای ساختار ساده شده ای است که از اجزای اصلی زیر تشکیل شده است:

.

.

.

....                   

.

شکل 2.17.a. ماشین بلبرینگ سخت برای متعادل کننده شفت های پیچی، تولید شده توسط LLC "Ufatverdosplav"

تکیه گاه های 2 دستگاه، صفحات فولادی عمودی با شکاف های T شکل نصب شده است. در بالای هر تکیه گاه، غلتک های پشتیبانی وجود دارد که با استفاده از یاتاقان های نورد ساخته شده اند که شفت متعادل 5 روی آن می چرخد.

برای اندازه گیری تغییر شکل تکیه گاه ها، که در اثر عدم تعادل روتور رخ می دهد، از سنسورهای نیرو 6 استفاده می شود (شکل 2.17.b را ببینید)، که در شکاف های تکیه گاه ها نصب می شوند. این سنسورها به دستگاه Balanset 1 متصل می شوند که در این دستگاه به عنوان یک سیستم اندازه گیری و محاسباتی استفاده می شود.

علیرغم سادگی نسبی مکانیسم چرخش ماشین، تعادل باکیفیت کافی پیچ ها را امکان پذیر می کند، همانطور که در شکل 2.17.a مشاهده می شود، سطح مارپیچ پیچیده ای دارند.

با توجه به LLC "Ufatverdosplav"، عدم تعادل اولیه پیچ تقریباً 50 برابر در این دستگاه در طول فرآیند تعادل کاهش یافت.

.

.

.                           

.

              شکل 2.17.b. پشتیبانی ماشین بلبرینگ سخت برای متعادل کردن شفت های پیچ با سنسور نیرو

عدم تعادل باقی مانده به دست آمده 3552 گرم بودمیلی متر (19.2 گرم در شعاع 185 میلی متر) در صفحه اول پیچ، و 2220 گرممیلی متر (12.0 گرم در شعاع 185 میلی متر) در صفحه دوم. برای روتوری با وزن 500 کیلوگرم و کارکرد با فرکانس چرخشی 3500 RPM، این عدم تعادل مطابق با کلاس G6.3 مطابق ISO 1940-1-2007 است که الزامات مندرج در مستندات فنی آن را برآورده می کند.

یک طرح اصلی (نگاه کنید به شکل 2.18)، که شامل استفاده از یک پایه واحد برای نصب همزمان تکیه گاه ها برای دو ماشین متعادل کننده Hard Bearing با اندازه های مختلف است، توسط SV Morozov پیشنهاد شد. مزایای بارز این راه حل فنی، که امکان به حداقل رساندن هزینه های تولید سازنده را فراهم می کند، عبارتند از:

.

      

.

           شکل 2.18. ماشین متعادل کننده بلبرینگ سخت ("Tandem")، ساخت SV Morozov

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

Devices

Portable balancer & Vibration analyzer Balanset-1A

€1,751.00

Parts

Vibration sensor

€90.00

Parts

Optical Sensor (Laser Tachometer)

€124.00

Devices

Balanset-4

€6,803.00

Parts

Magnetic Stand Insize-60-kgf

€46.00

Parts

Reflective tape

€10.00

Devices

Dynamic balancer “Balanset-1A” OEM

€1,561.00

.

.