3. Exigences relatives à la construction des unités de base et des mécanismes des machines à équilibrer 3.1. Roulements 3.1.1. Fondements théoriques de la conception des paliers
Dans la section précédente, les principaux modes de conception des supports à roulements souples et à roulements rigides pour les machines d'équilibrage ont été examinés en détail. Un paramètre crucial que les concepteurs doivent prendre en compte lors de la conception et de la fabrication de ces supports est leur fréquence naturelle d'oscillation. Ceci est important car la mesure non seulement de l'amplitude des vibrations (déformation cyclique) des supports mais aussi de la phase des vibrations est nécessaire pour calculer les paramètres des poids correctifs par les systèmes de mesure et de calcul de la machine.
Si la fréquence propre d'un support coïncide avec la fréquence de rotation du rotor équilibré (résonance du support), il est pratiquement impossible de mesurer avec précision l'amplitude et la phase des vibrations. Ceci est clairement illustré dans les graphiques montrant les changements d'amplitude et de phase des oscillations du support en fonction de la fréquence de rotation du rotor équilibré (voir Fig. 3.1).
Il ressort de ces graphiques que lorsque la fréquence de rotation du rotor équilibré s'approche de la fréquence propre des oscillations du support (c'est-à-dire lorsque le rapport fp/fo est proche de 1), on observe une augmentation significative de l'amplitude associée aux oscillations de résonance du support (voir figure 3.1.a). Simultanément, le graphique 3.1.b montre que dans la zone de résonance, il y a une forte variation de l'angle de phase ∆F°, qui peut atteindre 180°.
En d'autres termes, lors de l'équilibrage d'un mécanisme dans la zone de résonance, même de petites variations de sa fréquence de rotation peuvent entraîner une instabilité significative des résultats de mesure de l'amplitude et de la phase de sa vibration, ce qui entraîne des erreurs dans le calcul des paramètres des poids correctifs et affecte négativement la qualité de l'équilibrage.
Les graphiques ci-dessus confirment les recommandations antérieures selon lesquelles, pour les machines à roulements durs, la limite supérieure des fréquences opérationnelles du rotor doit être (au moins) 2 à 3 fois inférieure à la fréquence naturelle du support, fo. Pour les machines à paliers souples, la limite inférieure des fréquences opérationnelles admissibles du rotor équilibré doit être (au moins) 2 à 3 fois supérieure à la fréquence naturelle du support.
Figure 3.1. Graphiques montrant les variations de l'amplitude relative et de la phase des vibrations du support de la machine d'équilibrage en fonction des changements de fréquence de rotation.
Compte tenu des informations présentées, il n'est pas recommandé de faire fonctionner la machine dans la zone de résonance de ses supports (surlignée en rouge sur la Fig. 3.1). Les graphiques de la Fig. 3.1 montrent également que pour les mêmes déséquilibres du rotor, les vibrations réelles des supports de machine à roulements souples sont nettement inférieures à celles qui se produisent sur les supports de machine à roulements souples.
Il s'ensuit que les capteurs utilisés pour mesurer les vibrations des supports dans les machines à coussinets durs doivent avoir une sensibilité plus élevée que ceux utilisés dans les machines à coussinets souples. Cette conclusion est bien étayée par la pratique réelle de l'utilisation des capteurs, qui montre que les capteurs de vibrations absolues (vibroaccéléromètres et/ou capteurs de vitesse vibratoire), utilisés avec succès dans les machines à paliers lisses, ne peuvent souvent pas atteindre la qualité d'équilibrage nécessaire sur les machines à paliers durs.
Sur ces machines, il est recommandé d'utiliser des capteurs de vibrations relatives, tels que des capteurs de force ou des capteurs de déplacement très sensibles.
3.1.2. Estimation des fréquences naturelles des appuis à l'aide de méthodes de calcul
Un concepteur peut effectuer un calcul approximatif (estimatif) de la fréquence propre d'un support à l'aide de la formule 3.1, en le considérant de manière simpliste comme un système vibratoire à un degré de liberté, qui (voir Fig. 2.19.a) est représenté par une masse M, oscillant sur un ressort de raideur K.
fo=2π1MK(3.1)
La masse M utilisée dans le calcul pour un rotor symétrique à paliers multiples peut être estimée par la formule 3.2.
M=Mo+nMr(3.2) où Mo est la masse de la partie mobile du support en kg ; Mr est la masse du rotor équilibré en kg ; n est le nombre de supports de machine impliqués dans l'équilibrage.
La rigidité K du support est calculée à l'aide de la formule 3.3 sur la base des résultats d'études expérimentales consistant à mesurer la déformation ΔL du support lorsqu'il est soumis à une force statique P (voir les figures 3.2.a et 3.2.b).
K=ΔLP(3.3) où ΔL est la déformation du support en mètres ; P est la force statique en newtons.
L'ampleur de la force de chargement P peut être mesurée à l'aide d'un instrument de mesure de la force (par exemple, un dynamomètre). Le déplacement du support ΔL est déterminé à l'aide d'un dispositif de mesure des déplacements linéaires (par exemple, un comparateur).
3. Exigences relatives à la construction des unités de base et des mécanismes des machines à équilibrer 3.1. Roulements 3.1.2. Calcul des fréquences naturelles des appuis par des méthodes informatiques
Les calculs des fréquences naturelles des supports à l'aide du schéma de calcul décrit ci-dessus peuvent être effectués dans deux directions :
Le calcul des fréquences propres des supports dans le sens vertical nécessite l'utilisation d'une technique de calcul plus complexe, qui (en plus des paramètres du support et du rotor équilibré lui-même) doit prendre en compte les paramètres du châssis et les spécificités de l'installation de la machine sur la fondation. Cette méthode n'est pas abordée dans cette publication. L'analyse de la formule 3.1 permet de formuler quelques recommandations simples qui devraient être prises en compte par les concepteurs de machines dans leurs activités pratiques. En particulier, la fréquence naturelle d'un support peut être modifiée en changeant sa rigidité et/ou sa masse. L'augmentation de la rigidité augmente la fréquence naturelle du support, tandis que l'augmentation de la masse la diminue. Ces changements ont une relation non linéaire, carré-inverse. Par exemple, doubler la rigidité du support n'augmente sa fréquence naturelle que d'un facteur de 1,4. De même, doubler la masse de la partie mobile du support ne réduit sa fréquence propre que d'un facteur de 1,4.
3.1.3. Méthodes expérimentales pour la détermination des fréquences naturelles des supports
Étant donné que le calcul des fréquences naturelles des supports, effectué à l'aide d'une méthode simplifiée, peut conduire à des erreurs significatives, la plupart des développeurs amateurs préfèrent déterminer ces paramètres par des méthodes expérimentales. Pour ce faire, ils utilisent les possibilités offertes par les systèmes modernes de mesure des vibrations des machines d'équilibrage, notamment les instruments de la série "Balanset".
3.1.3.1. Détermination des fréquences naturelles des appuis par la méthode d'excitation par impact
La méthode d'excitation par impact est la manière la plus simple et la plus courante de déterminer la fréquence propre des vibrations d'un support ou de tout autre composant d'une machine. Elle est basée sur le fait que lorsqu'un objet, tel qu'une cloche (voir Fig. 3.3), est excité par un choc, sa réponse se manifeste par une réponse vibratoire qui décroît progressivement. La fréquence du signal vibratoire est déterminée par les caractéristiques structurelles de l'objet et correspond à la fréquence de ses vibrations naturelles. Pour l'excitation des vibrations par impact, on peut utiliser n'importe quel outil lourd, tel qu'un maillet en caoutchouc ou un maillet ordinaire.
Figure 3.3. Diagramme d'excitation par impact utilisé pour déterminer les fréquences naturelles d'un objet
La masse du marteau doit être approximativement égale à 10% de la masse de l'objet excité. Pour capter la réponse vibratoire, un capteur de vibrations doit être installé sur l'objet examiné, son axe de mesure étant aligné sur la direction de l'excitation de l'impact. Dans certains cas, le microphone d'un appareil de mesure du bruit peut être utilisé comme capteur pour percevoir la réponse vibratoire de l'objet.
Les vibrations de l'objet sont converties en un signal électrique par le capteur, qui est ensuite envoyé à un instrument de mesure, tel que l'entrée d'un analyseur de spectre. Cet instrument enregistre la fonction temporelle et le spectre du processus vibratoire décroissant (voir Fig. 3.4), dont l'analyse permet de déterminer la (les) fréquence(s) des vibrations naturelles de l'objet.
Figure 3.4. Schéma de la mesure et de l'enregistrement des vibrations naturelles d'un objet
Comme la plupart des instruments modernes de mesure des vibrations, les systèmes de mesure de la série "Balanset" peuvent être utilisés pour déterminer les fréquences naturelles d'un objet (par exemple, les supports d'une machine d'équilibrage) lorsque ses vibrations sont excitées par un impact. Cette procédure sur les appareils de la série "Balanset" peut être effectuée soit dans le mode de fonctions supplémentaires de l'appareil "Graphs. Spectrum" ou dans un mode spécialisé "Graphs. Impact", qui est inclus dans les dernières versions du logiciel "Balanset 1".
Cette procédure permet d'afficher sur l'écran de l'ordinateur une fenêtre de travail contenant des graphiques de la fonction temporelle et du spectre des vibrations décroissantes qui se produisent dans la structure examinée lors de son excitation par impact. Un exemple de ces graphiques est présenté à la figure 3.5.
Figure 3.5. Interface du programme montrant les graphiques de la fonction temporelle et le spectre des vibrations d'impact décroissantes de la structure examinée
L'analyse du graphique du spectre présenté à la figure 3.5 (voir la partie inférieure de la fenêtre de travail) montre que la composante principale des vibrations naturelles de la structure examinée, déterminée par rapport à l'axe des abscisses du graphique, se produit à une fréquence de 9,5 Hz. Cette méthode peut être recommandée pour l'étude des vibrations naturelles des supports de machines d'équilibrage à paliers souples et à paliers rigides.
3.1.3.2. Détermination des fréquences naturelles des appuis en mode cabotage
Dans certains cas, les fréquences propres des supports peuvent être déterminées en mesurant cycliquement l'amplitude et la phase des vibrations "sur la côte". Pour mettre en œuvre cette méthode, le rotor installé sur la machine examinée est d'abord accéléré jusqu'à sa vitesse de rotation maximale, après quoi son entraînement est déconnecté, et la fréquence de la force perturbatrice associée au déséquilibre du rotor diminue progressivement du maximum jusqu'au point d'arrêt.
Dans ce cas, les fréquences naturelles des supports peuvent être déterminées par deux caractéristiques :
Dans les appareils de la série "Balanset", le mode "Vibromètre" ("Balanset 1") ou le mode "Equilibrage. Monitoring" ("Balanset 2C" et "Balanset 4") peuvent être utilisés pour détecter les fréquences naturelles des objets "sur la côte", ce qui permet de mesurer cycliquement l'amplitude et la phase des vibrations à la fréquence de rotation du rotor.
En outre, le logiciel "Balanset 1" comprend un mode spécialisé "Graphiques. Coasting", qui permet de tracer des graphiques des changements d'amplitude et de phase des vibrations du support sur la côte en fonction du changement de la fréquence de rotation, ce qui facilite considérablement le processus de diagnostic des résonances.
Il convient de noter que, pour des raisons évidentes (voir section 3.1.1), la méthode d'identification des fréquences propres des appuis sur la côte ne peut être utilisée que dans le cas de l'étude des machines à équilibrer Soft Bearing, où les fréquences de travail de la rotation du rotor dépassent sensiblement les fréquences propres des appuis dans la direction transversale.
Dans le cas des machines à roulements durs, où les fréquences de travail de la rotation du rotor qui excitent les vibrations des supports sur la côte sont nettement inférieures aux fréquences naturelles des supports, l'utilisation de cette méthode est pratiquement impossible.
3.1.4. Recommandations pratiques pour la conception et la fabrication de supports pour les machines à équilibrer 3.1.4.1. Machines à roulements souples avec ressorts à plaque plate
Plusieurs variantes de conception des supports de machines d'équilibrage fabriqués avec des ressorts plats ont été discutées ci-dessus dans la section 2.1 et illustrées dans les figures 2.7 - 2.9. D'après nos informations, ces modèles sont le plus souvent utilisés dans les machines destinées à l'équilibrage des arbres de transmission.
À titre d'exemple, considérons les paramètres des ressorts utilisés par l'un de nos clients (LLC "Rost-Service", Saint-Pétersbourg) dans la fabrication de ses propres supports de machine. Cette machine était destinée à l'équilibrage d'arbres de transmission à 2, 3 et 4 supports, d'une masse ne dépassant pas 200 kg. Les dimensions géométriques des ressorts (hauteur * largeur * épaisseur) utilisés dans les supports des broches menante et menée de la machine, choisis par le client, étaient respectivement de 3002003 mm.
La fréquence naturelle du support non chargé, déterminée expérimentalement par la méthode d'excitation par impact en utilisant le système de mesure standard de la machine "Balanset 4", s'est avérée être de 11 - 12 Hz. Avec une telle fréquence naturelle de vibration des supports, la fréquence de rotation recommandée du rotor équilibré pendant l'équilibrage ne devrait pas être inférieure à 22-24 Hz (1320 - 1440 RPM).
Les dimensions géométriques des ressorts plats utilisés par le même fabricant sur les supports intermédiaires étaient respectivement de 2002003 mm. En outre, comme l'ont montré les études, les fréquences naturelles de ces supports étaient plus élevées, atteignant 13-14 Hz.
Sur la base des résultats des tests, il a été conseillé aux fabricants de la machine d'aligner (égaliser) les fréquences naturelles de la broche et des supports intermédiaires. Cela devrait faciliter la sélection de la gamme des fréquences de rotation opérationnelles des arbres d'entraînement lors de l'équilibrage et éviter les instabilités potentielles des relevés du système de mesure dues à l'entrée des supports dans la zone de vibrations résonnantes.
Les méthodes d'ajustement des fréquences naturelles de vibration des supports sur ressorts plats sont évidentes. Ce réglage peut être réalisé en modifiant les dimensions géométriques ou la forme des ressorts plats, par exemple en fraisant des fentes longitudinales ou transversales qui réduisent leur rigidité.
Comme indiqué précédemment, la vérification des résultats de cet ajustement peut être effectuée en identifiant les fréquences naturelles de vibration des supports à l'aide des méthodes décrites aux sections 3.1.3.1 et 3.1.3.2.
Figure 3.6 présente une version classique de la conception du support sur ressorts plats, utilisée dans l'une de ses machines par A. Sinitsyn. Comme le montre la figure, le support comprend les éléments suivants :
Figure 3.6. Variation de la conception d'un support sur ressorts plats
La plaque supérieure 1 du support peut être utilisée pour monter la broche ou un palier intermédiaire. En fonction de l'utilisation du support, la plaque inférieure 4 peut être fixée de manière rigide aux guides de la machine ou installée sur des glissières mobiles, ce qui permet au support de se déplacer le long des guides. Le support 5 est utilisé pour installer un mécanisme de verrouillage du support, lui permettant d'être solidement fixé pendant l'accélération et la décélération du rotor équilibré.
Les ressorts plats pour les supports de machines Soft Bearing doivent être fabriqués en acier à lames ou en acier allié de haute qualité. L'utilisation d'aciers de construction ordinaires à faible limite d'élasticité est déconseillée, car ils peuvent développer des déformations résiduelles sous l'effet des charges statiques et dynamiques pendant le fonctionnement, ce qui entraîne une réduction de la précision géométrique de la machine, voire une perte de stabilité du support.
3.1.4.2. Supports de machines à roulements souples avec suspension par ressorts en bande
Lors de la conception des bandes élastiques utilisées pour les suspensions de support, il convient de veiller au choix de l'épaisseur et de la largeur de la bande élastique qui, d'une part, doit résister à la charge statique et dynamique du rotor sur le support et, d'autre part, doit empêcher la possibilité de vibrations de torsion de la suspension de support, qui se manifestent par un faux-rond axial.
Les figures 2.1 à 2.5 (voir section 2.1), ainsi que les figures 3.7 et 3.8 de la présente section, présentent des exemples de mise en œuvre structurelle de machines d'équilibrage utilisant des suspensions à ressorts en bande.
Figure 3.7. Machine à équilibrer les rotors de moteurs électriques, assemblée, mise au point par A. Mokhov.
Figure 3.8. Machine pour l'équilibrage des rotors de turbopompes, développée par G. Glazov (Bishkek)
3.1.4.3. Supports de machines à roulements souples fabriqués à l'aide de ressorts cylindriques
La figure 3.9 montre un exemple de machine à équilibrer Soft Bearing dans laquelle des ressorts de compression cylindriques sont utilisés dans la conception des supports. Le principal inconvénient de cette solution est lié aux différents degrés de déformation des ressorts dans les supports avant et arrière, qui se produisent si les charges sur les supports sont inégales pendant l'équilibrage de rotors asymétriques. Cela conduit naturellement à un désalignement des supports et à une inclinaison de l'axe du rotor dans le plan vertical. L'une des conséquences négatives de ce défaut peut être l'apparition de forces qui entraînent un déplacement axial du rotor pendant la rotation.
Fig. 3.9. Variante de construction d'un support de palier souple pour les machines à équilibrer utilisant des ressorts cylindriques.
3.1.4.4. Supports rigides pour les machines Comme le montre notre longue expérience avec les clients, une grande partie des fabricants d'équilibreurs auto-fabriqués ont récemment commencé à préférer les machines à roulements rigides avec des supports rigides. Dans la section 2.2, les figures 2.16 à 2.18 présentent des photographies de diverses conceptions structurelles de machines utilisant de tels supports. Un croquis typique d'un support rigide, développé par l'un de nos clients pour la construction de sa machine, est présenté à la figure 3.10. Ce support se compose d'une plaque d'acier plate avec une rainure en forme de P, divisant conventionnellement le support en parties "rigides" et "flexibles". Sous l'influence d'une force de déséquilibre, la partie "flexible" du support peut se déformer par rapport à sa partie "rigide". L'ampleur de cette déformation, déterminée par l'épaisseur du support, la profondeur des rainures et la largeur du pont reliant les parties "flexibles" et "rigides" du support, peut être mesurée à l'aide de capteurs appropriés du système de mesure de la machine. En raison de l'absence de méthode de calcul de la rigidité transversale de ces supports, prenant en compte la profondeur h de la rainure en forme de P, la largeur t du pont, ainsi que l'épaisseur du support r (voir figure 3.10), ces paramètres de conception sont généralement déterminés de manière expérimentale par les développeurs.
Fig. 3.10. Croquis d'un support de palier dur pour une machine à équilibrer
Les figures 3.11 et 3.12 présentent des photographies de différentes réalisations de ces supports, fabriquées pour les machines de nos clients. En résumant les données obtenues auprès de plusieurs de nos clients fabricants de machines, il est possible de formuler des exigences concernant l'épaisseur des supports, fixées pour des machines de différentes tailles et capacités de charge. Par exemple, pour les machines destinées à équilibrer des rotors pesant de 0,1 à 50-100 kg, l'épaisseur du support peut être de 20 mm.
Fig. 3.11. Supports de roulements durs pour machine à équilibrer, fabriqués par A. Sinitsyn
Fig. 3.12. Support de palier dur pour machine à équilibrer, fabriqué par D. Krasilnikov
Pour les machines dont la masse du rotor équilibré ne dépasse pas 300 - 500 kg, l'épaisseur du support peut être portée à 30 - 40 mm, et pour les machines conçues pour équilibrer des rotors dont la masse maximale est comprise entre 1000 et 3000 kg, l'épaisseur du support peut atteindre 50 - 60 mm ou plus. Comme le montre l'analyse des caractéristiques dynamiques des supports susmentionnés, leurs fréquences naturelles de vibration, mesurées dans le plan transversal (le plan de mesure des déformations relatives des parties "flexibles" et "rigides"), dépassent généralement 100 Hz ou plus. Les fréquences de vibration naturelle des supports Hard Bearing dans le plan frontal, mesurées dans la direction coïncidant avec l'axe de rotation du rotor équilibré, sont généralement beaucoup plus basses. Ce sont ces fréquences qu'il convient de prendre en compte en priorité pour déterminer la limite supérieure de la plage de fréquences de fonctionnement des rotors équilibrés sur la machine. Comme indiqué ci-dessus, la détermination de ces fréquences peut être effectuée par la méthode d'excitation par impact décrite à la section 3.1.
3.2. Assemblages de support des machines d'équilibrage 3.2.1. Principaux types d'assemblages de support Dans la fabrication des machines à équilibrer à palier dur et à palier souple, les types suivants d'assemblages de support bien connus, utilisés pour l'installation et la rotation des rotors équilibrés sur des supports, peuvent être recommandés :
3.13. Variante d'exécution de l'ensemble de support prismatique, utilisé sur une machine d'équilibrage pour les turbines automobiles
Des assemblages de support similaires (voir la figure 3.8 ci-dessus) sont mis en œuvre, par exemple, par G. Glazov dans sa machine, également destinée à l'équilibrage des turbines automobiles. La solution technique originale de l'assemblage de support prismatique, en plastique fluoré (voir figure 3.14), est proposée par la SARL "Technobalance".
Fig. 3.14. Assemblage du support prismatique par LLC "Technobalance"
Cet ensemble de support particulier est formé de deux manchons cylindriques 1 et 2, installés à un angle l'un par rapport à l'autre et fixés sur des axes de support. Le rotor équilibré entre en contact avec les surfaces des manchons le long des lignes génératrices des cylindres, ce qui minimise la surface de contact entre l'arbre du rotor et le support, réduisant ainsi la force de frottement dans le support. Si nécessaire, en cas d'usure ou d'endommagement de la surface du support dans la zone de contact avec l'arbre du rotor, il est possible de compenser l'usure en faisant tourner le manchon autour de son axe d'un certain angle. Il convient de noter que lors de l'utilisation d'assemblages de support en matériaux non métalliques, il est nécessaire de prévoir la possibilité structurelle de mettre à la terre le rotor équilibré par rapport au corps de la machine, ce qui élimine le risque d'apparition de puissantes charges d'électricité statique pendant le fonctionnement. Cela permet, d'une part, de réduire les interférences et les perturbations électriques susceptibles d'affecter les performances du système de mesure de la machine et, d'autre part, d'éliminer le risque que le personnel soit affecté par l'action de l'électricité statique.
3.2.1.2. Ensembles de support des rouleaux Ces assemblages sont généralement installés sur les supports des machines conçues pour équilibrer des rotors dont la masse dépasse 50 kilogrammes ou plus. Leur utilisation réduit considérablement les forces de frottement dans les supports par rapport aux supports prismatiques, ce qui facilite la rotation du rotor équilibré. À titre d'exemple, la figure 3.15 montre une variante de conception d'un assemblage de support où des rouleaux sont utilisés pour le positionnement du produit. Dans cette conception, des roulements standard sont utilisés pour les rouleaux 1 et 2, dont les anneaux extérieurs tournent sur des axes stationnaires fixés dans le corps du support 3 de la machine. La figure 3.16 présente l'esquisse d'une conception plus complexe d'un ensemble de support de rouleaux mis en œuvre dans le cadre de leur projet par l'un des fabricants de machines d'équilibrage autodidactes. Comme le montre le dessin, afin d'augmenter la capacité de charge du rouleau (et par conséquent de l'ensemble de l'assemblage de support), une paire de roulements à billes 1 et 2 est installée dans le corps du rouleau 3. La mise en œuvre pratique de cette conception, malgré tous ses avantages évidents, semble être une tâche assez complexe, associée à la nécessité d'une fabrication indépendante du corps du rouleau 3, à laquelle sont imposées des exigences très élevées en matière de précision géométrique et de caractéristiques mécaniques du matériau.
Fig. 3.15. Exemple de conception d'un assemblage de support de rouleau
Fig. 3.16. Exemple de conception d'un assemblage de support de rouleau avec deux roulements à billes
La figure 3.17 présente une variante de conception d'un assemblage de support de rouleaux à alignement automatique développé par les spécialistes de la SARL "Technobalance". Dans cette conception, la capacité d'auto-alignement des rouleaux est obtenue en leur donnant deux degrés de liberté supplémentaires, ce qui permet aux rouleaux d'effectuer de petits mouvements angulaires autour des axes X et Y. Ces ensembles de support, qui garantissent une grande précision dans l'installation des rotors équilibrés, sont généralement recommandés pour les supports des machines d'équilibrage lourdes.
Fig. 3.17. Exemple de conception d'un assemblage de support de rouleaux à alignement automatique
Comme nous l'avons déjà mentionné, les assemblages de supports de rouleaux ont généralement des exigences assez élevées en matière de précision de fabrication et de rigidité. En particulier, les tolérances fixées pour le battement radial des rouleaux ne doivent pas dépasser 3 à 5 microns.
Dans la pratique, ce n'est pas toujours le cas, même chez les fabricants renommés. Par exemple, lors des tests effectués par l'auteur sur le battement radial d'un ensemble de nouveaux supports de rouleaux, achetés comme pièces de rechange pour la machine à équilibrer modèle H8V, marque "K. Shenk", le battement radial de leurs rouleaux a atteint 10-11 microns.
3.2.1.3. Assemblages de support de broche
Lors de l'équilibrage de rotors avec fixation par bride (par exemple, arbres à cardan) sur des machines d'équilibrage, les broches sont utilisées comme ensembles de support pour le positionnement, le montage et la rotation des produits équilibrés.
Les broches sont l'un des composants les plus complexes et les plus critiques des machines d'équilibrage. Elles sont en grande partie responsables de l'obtention de la qualité d'équilibrage requise.
La théorie et la pratique de la conception et de la fabrication des broches sont assez bien développées et se reflètent dans un large éventail de publications, parmi lesquelles la monographie "Details and Mechanisms of Metal-Cutting Machine Tools" [1], éditée par Dr. Eng. D.N. Reshetov, est la plus utile et la plus accessible pour les développeurs.
Parmi les principales exigences à prendre en compte lors de la conception et de la fabrication des broches de machines à équilibrer, les suivantes sont prioritaires :
a) Assurer une rigidité élevée de la structure de l'ensemble de la broche, suffisante pour empêcher les déformations inacceptables qui peuvent se produire sous l'influence des forces de déséquilibre du rotor équilibré ;
b) Assurer la stabilité de la position de l'axe de rotation de la broche, caractérisée par des valeurs admissibles de faux-rond radial, axial et axial de la broche ;
c) Assurer une bonne résistance à l'usure des tourillons de la broche, ainsi que de son logement et des surfaces d'appui utilisées pour le montage des produits équilibrés.
La mise en œuvre pratique de ces exigences est détaillée dans la section VI "Broches et leurs supports" de l'ouvrage [1].
On y trouve notamment des méthodologies pour vérifier la rigidité et la précision de rotation des broches, des recommandations pour le choix des roulements, le choix du matériau de la broche et les méthodes de durcissement, ainsi que de nombreuses autres informations utiles sur ce sujet.
L'ouvrage [1] note que dans la conception des broches pour la plupart des types de machines-outils d'usinage des métaux, un schéma à deux roulements est principalement utilisé.
Un exemple de variante de conception d'un tel schéma à deux roulements utilisé dans les broches de fraiseuses (des détails peuvent être trouvés dans l'ouvrage [1]) est illustré à la Fig. 3.18.
Ce schéma convient parfaitement à la fabrication de broches de machines d'équilibrage, dont des exemples de variantes de conception sont présentés ci-dessous dans les figures 3.19-3.22.
La figure 3.19 montre l'une des variantes de conception de l'ensemble de la broche principale d'une machine d'équilibrage, tournant sur deux roulements à butée radiale, chacun ayant son propre logement indépendant 1 et 2. Une bride 4, destinée au montage d'un cardan, et une poulie 5, utilisée pour transmettre la rotation à la broche depuis le moteur électrique à l'aide d'une courroie trapézoïdale, sont montées sur l'arbre de la broche 3.
Fig. 3.18. Croquis d'une broche de fraiseuse à deux paliers
Figure 3.19. Exemple de conception d'une broche sur deux supports de roulements indépendants
Figures 3.20 et 3.21 montrent deux conceptions étroitement liées d'assemblages de broches de tête. Dans les deux cas, les roulements de la broche sont installés dans un boîtier commun 1, qui présente un trou axial traversant nécessaire à l'installation de l'arbre de la broche. A l'entrée et à la sortie de ce trou, le boîtier présente des alésages spéciaux (non représentés sur les figures), conçus pour recevoir des butées radiales (à rouleaux ou à billes) et des couvercles de bride spéciaux 5, utilisés pour fixer les bagues extérieures des roulements.
Comme dans la version précédente (voir Fig. 3.19), un plastron 2 est installé sur l'arbre de broche, destiné à la fixation par bride de l'arbre d'entraînement, et une poulie 3, utilisée pour transmettre la rotation à la broche à partir du moteur électrique par l'intermédiaire d'une courroie de transmission. Une branche 4 est également fixée à l'arbre de la broche, qui sert à déterminer la position angulaire de la broche, utilisée lors de l'installation de poids de test et de correction sur le rotor pendant l'équilibrage.
Figure 3.20. Exemple 1 d'une conception de broche directrice sur deux supports de roulements installés dans un logement commun
Figure 3.21. Exemple 2 de conception d'une broche directrice sur deux supports de roulements installés dans un logement commun
\
Figure 3.22. Exemple de conception d'une broche entraînée (arrière)
Figure 3.22 montre une variante de conception de l'ensemble de la broche entraînée (arrière) d'une machine, qui ne diffère de la broche principale que par l'absence de la poulie d'entraînement et de la courroie, car elles ne sont pas nécessaires.
Comme on peut le voir dans Figures 3.20 - 3.22Les ensembles de broches décrits ci-dessus sont fixés aux supports de roulements souples des machines à équilibrer à l'aide de brides spéciales (sangles) 6. D'autres méthodes de fixation peuvent également être utilisées si nécessaire, afin de garantir une rigidité et une précision adéquates dans le positionnement de l'ensemble de la broche sur le support.
Figure 3.23 illustre une conception de montage à bride similaire à cette broche, qui peut être utilisée pour son installation sur un support de roulement dur d'une machine d'équilibrage.
Figure 3.22. Exemple d'exécution de la conception d'une broche entraînée (arrière)
Figure 3.22 présente une variante de conception de l'ensemble de la broche entraînée (arrière) d'une machine, qui ne diffère de la broche principale que par l'absence de la poulie d'entraînement et de la branche, qui ne sont pas nécessaires.
Comme on peut le voir dans Figures 3.20 - 3.22Les ensembles de broches dont il est question sont fixés aux supports de roulements souples des machines à équilibrer à l'aide de brides spéciales (sangles) 6. Si nécessaire, d'autres méthodes de fixation permettant d'assurer la rigidité et la précision nécessaires au positionnement de l'ensemble de la broche sur le support peuvent également être utilisées.
Figure 3.23 montre la conception d'une bride de fixation pour une telle broche, qui peut être utilisée pour son installation sur un support de roulement dur d'une machine d'équilibrage.
3.1.4.3. Supports de machines à roulements souples fabriqués à l'aide de ressorts cylindriques
Un exemple de machine à équilibrer Soft Bearing, dans laquelle des ressorts de compression cylindriques sont utilisés dans la conception des supports, est illustré dans le document suivant Figure 3.9. Le principal inconvénient de cette solution est lié à la différence de déformation des ressorts au niveau des supports avant et arrière, qui se produit en cas de charges inégales sur les supports lors de l'équilibrage de rotors asymétriques. Cela conduit naturellement à un désalignement des supports et à une inclinaison de l'axe du rotor dans le plan vertical. L'une des conséquences négatives de ce défaut peut être l'apparition de forces qui entraînent un déplacement axial du rotor pendant la rotation.
Figure 3.24. Schéma de calcul utilisé pour déterminer la rigidité de la broche et son faux-rond radial (3.4)
Y=P∗ + 1jB * (c+g)2+jB/jAc² ], fig (3.4)
où :
En transformant la formule 3.4, on obtient la valeur calculée souhaitée de la rigidité de l'ensemble de la broche jшп peut être déterminée : jшп = P / Y, kg/cm (3.5)
Compte tenu des recommandations de l'ouvrage [1] pour les machines d'équilibrage de taille moyenne, cette valeur ne devrait pas être inférieure à 50 kg/µm.
Il a été noté précédemment que la principale influence sur la rigidité radiale de l'ensemble de la broche est exercée par le diamètre de son arbre, avec l'augmentation duquel les moments d'inertie J1 et J2 augmentent quadratiquement, et en conséquence (voir équation 3.4) l'importance du déplacement élastique Y de la broche sous la charge diminue.
Comme le montre l'équation 3.4, la rigidité de la broche est également affectée par la distance entre les supports c et la longueur de sa console gdont l'optimisation lors de la conception permet également d'améliorer considérablement la qualité de l'assemblage de la broche.
Il convient de noter que lors de la conception des broches, il faut également veiller à garantir leur rigidité axiale, qui dépend principalement de la rigidité axiale des roulements de la broche et de la rigidité de son logement.
La fréquence propre des vibrations de la broche, qui ne doit pas être inférieure à 500 - 600 Hz, est directement liée à la rigidité des assemblages de broches. Ce paramètre peut être déterminé expérimentalement à l'aide d'appareils de la série "Balanset" en utilisant la méthode d'excitation par impact discutée précédemment à la section 3.1.3.1.
Étant donné que la détermination des paramètres des assemblages de broches représente un défi important pour de nombreux développeurs, il leur est conseillé d'utiliser la méthode de calcul graphique présentée dans les ouvrages [1] et [2], basée sur l'utilisation de nomogrammes, qui simplifie considérablement la résolution de cette tâche et réduit le temps nécessaire pour la mener à bien.
3.2.1.3.4. Garantir les exigences de précision pour la rotation de la broche
La précision de rotation, tout comme la rigidité évoquée plus haut, est une caractéristique essentielle de la broche d'une machine d'équilibrage, qui peut avoir un impact significatif sur la qualité de l'équilibrage. La pratique montre que la précision de rotation d'une broche dépend directement de plusieurs facteurs, notamment :
Tout d'abord, les fabricants doivent se concentrer sur la précision des roulements qu'ils utilisent, car leur impact sur la précision de rotation (faux-rond radial) d'une broche à deux roulements (voir le schéma de calcul dans la section Figure 3.24) peut être estimée approximativement par un calcul de vérification effectué à l'aide de la formule 3.5.
Δ = ∆B + gc * (∆B + ∆A) (3.5)
où :
3.2.1.3.5. Respect des exigences en matière d'équilibre de la broche
Les ensembles de broches des machines à équilibrer doivent être bien équilibrés, car tout déséquilibre réel se répercute sur le rotor à équilibrer sous forme d'erreur supplémentaire. Lors de la définition des tolérances technologiques pour le déséquilibre résiduel de la broche, il est généralement conseillé que la classe de précision de son équilibrage soit supérieure d'au moins 1 à 2 classes à celle du produit équilibré sur la machine.
Compte tenu des caractéristiques de conception des broches évoquées ci-dessus, leur équilibrage doit être effectué sur deux plans.
3.2.1.3.6. Garantir la capacité de charge et les exigences de durabilité des roulements de broche
Lors de la conception des broches et du choix des dimensions des roulements, il est conseillé d'évaluer au préalable la durabilité et la capacité de charge des roulements. La méthodologie pour effectuer ces calculs est détaillée dans la norme ISO 18855-94 (ISO 281-89) "Roulements - Charges nominales dynamiques et durée de vie nominale" [3], ainsi que dans de nombreux manuels (y compris numériques) sur les roulements.
3.2.1.3.7. Exigences relatives à l'échauffement acceptable des roulements de broche
Selon les recommandations des travaux [1], l'échauffement maximal autorisé des bagues extérieures des roulements de broche ne doit pas dépasser 70°C. Cependant, pour assurer un équilibrage de qualité, l'échauffement recommandé des bagues extérieures ne doit pas dépasser 40 - 45°C.
3.2.1.3.8. Choix du type d'entraînement par courroie et de la conception de la poulie d'entraînement de la broche
Lors de la conception de la broche d'entraînement d'une machine à équilibrer, il est recommandé d'assurer sa rotation à l'aide d'une courroie plate. Un exemple de l'utilisation correcte d'un tel entraînement pour le fonctionnement de la broche est présenté dans le document Figures 3.20 et 3.23. L'utilisation de courroies trapézoïdales ou dentées n'est pas souhaitable, car elles peuvent appliquer des charges dynamiques supplémentaires à la broche en raison des imprécisions géométriques des courroies et des poulies, qui peuvent à leur tour entraîner des erreurs de mesure supplémentaires lors de l'équilibrage. Les exigences recommandées pour les poulies pour courroies plates sont décrites dans la norme ISO 17383-73 "Poulies pour courroies plates" [4].
La poulie d'entraînement doit être placée à l'extrémité arrière de la broche, aussi près que possible du palier (avec le moins de porte-à-faux possible). La décision de placer la poulie en porte-à-faux a été prise lors de la fabrication de l'axe illustré à la page suivante. Figure 3.19peut être considérée comme infructueuse, car elle augmente considérablement le moment de la charge d'entraînement dynamique agissant sur les supports de broche.
Un autre inconvénient important de cette conception est l'utilisation d'une courroie trapézoïdale, dont les imprécisions de fabrication et d'assemblage peuvent également être à l'origine d'une charge supplémentaire indésirable sur la broche.
3.3. Lit (cadre)
Le banc est la principale structure de support de la machine à équilibrer, sur laquelle reposent ses principaux éléments, notamment les montants de support et le moteur d'entraînement. Lors de la sélection ou de la fabrication du banc d'une machine à équilibrer, il est nécessaire de s'assurer qu'il répond à plusieurs exigences, notamment la rigidité nécessaire, la précision géométrique, la résistance aux vibrations et la résistance à l'usure de ses guides.
La pratique montre que lors de la fabrication de machines pour leurs propres besoins, les options de lit suivantes sont le plus souvent utilisées :
Figure 3.25 montre le banc d'une machine à bois qui a été utilisée avec succès pour la fabrication d'une machine destinée à l'équilibrage des cardans.
Figure 3.25. Exemple d'utilisation d'un banc de machine à bois usagé pour la fabrication d'une machine à équilibrer les cardans.
Figures 3.26 et 3.27 montrent des exemples d'utilisation de bancs de tournage, sur la base desquels ont été fabriquées une machine Hard Bearing spécialisée dans l'équilibrage des vis sans fin et une machine Soft Bearing universelle pour l'équilibrage des rotors cylindriques. Pour les fabricants bricoleurs, ces solutions permettent de créer un système de support rigide pour la machine d'équilibrage avec un minimum de temps et de coût, sur lequel des supports de différents types (Hard Bearing et Soft Bearing) peuvent être montés. Dans ce cas, la principale tâche du fabricant est de garantir (et de restaurer si nécessaire) la précision géométrique des guides de la machine sur lesquels reposeront les supports. Dans les conditions de production du bricolage, un grattage fin est généralement utilisé pour restaurer la précision géométrique requise des guides.
Figure 3.26. Exemple d'utilisation d'un banc de tour usagé pour la fabrication d'une machine à palier dur destinée à l'équilibrage des tarières.
Figure 3.27. Exemple d'utilisation d'un banc de tour usagé pour la fabrication d'une machine à paliers souples pour l'équilibrage des arbres.
Figure 3.28 montre une version d'un lit assemblé à partir de deux canaux. Dans la fabrication de ce lit, des connexions boulonnées détachables sont utilisées, ce qui permet de minimiser ou d'éliminer complètement la déformation du lit pendant l'assemblage sans opérations technologiques supplémentaires. Pour garantir la précision géométrique des guides du lit spécifié, il peut être nécessaire de procéder à un traitement mécanique (meulage, fraisage fin) des brides supérieures des canaux utilisés.
Figure 3.28. Exemple de fabrication d'un lit assemblé à partir de canaux
Figures 3.29 et 3.30 présentent des variantes de lits soudés, également constitués de deux canaux. La technologie de fabrication de ces lits peut nécessiter une série d'opérations supplémentaires, telles qu'un traitement thermique pour réduire les tensions internes qui se produisent pendant le soudage. Comme pour les lits assemblés, il convient de prévoir un traitement mécanique (meulage, fraisage fin) des brides supérieures des canaux utilisés afin de garantir la précision géométrique des guides des lits soudés.
Figure 3.29. Exemple de fabrication d'un lit soudé à partir de canaux
Figure 3.30. Exemple de fabrication d'un lit soudé à partir de canaux
Récemment, les lits fabriqués en béton polymère avec des revêtements amortissant les vibrations ont été largement utilisés. Cette technologie de fabrication de lits est bien décrite en ligne et peut être facilement mise en œuvre par des fabricants bricoleurs. En raison de leur relative simplicité et de leur faible coût de production, ces lits présentent plusieurs avantages clés par rapport à leurs homologues métalliques :
Généralement, lors de la fabrication de ces lits, leur partie supérieure est renforcée par des inserts en acier utilisés comme guides sur lesquels reposent les supports de la machine d'équilibrage. À titre d'exemple, la figure 3.31 montre une photographie d'une machine à équilibrer les cardans, fabriquée par la société LLC "Technobalance", dont le banc est en béton polymère.
Figure 3.31. Exemple d'un banc de machine à équilibrer en béton polymère
3.4. Entraînements pour machines d'équilibrage
Comme le montre l'analyse des solutions de conception utilisées par nos clients pour la fabrication de machines d'équilibrage, ils se concentrent principalement sur l'utilisation de moteurs à courant alternatif équipés de variateurs de fréquence lors de la conception des entraînements. Cette approche permet d'obtenir une large gamme de vitesses de rotation réglables pour les rotors équilibrés avec un coût minimal. La puissance des moteurs d'entraînement principaux utilisés pour faire tourner les rotors équilibrés est généralement choisie en fonction de la masse de ces rotors et peut approximativement être.. :
Ces moteurs doivent être montés de manière rigide sur le bâti de la machine ou sur ses fondations. Avant d'être installé sur la machine (ou sur le site d'installation), le moteur d'entraînement principal, ainsi que la poulie montée sur son arbre de sortie, doivent être soigneusement équilibrés. Pour réduire les interférences électromagnétiques causées par le variateur de fréquence, il est recommandé d'installer des filtres de réseau à son entrée et à sa sortie. Il peut s'agir de produits standard fournis par les fabricants des variateurs ou de filtres faits maison à l'aide d'anneaux de ferrite.