1. הקדמה

(מדוע היה צורך לכתוב את העבודה הזו?)

ניתוח מבנה הצריכה של מכשירי איזון המיוצרים על ידי חברת LLC "Kinematics" (Vibromera) מגלה כי כ-30% מהם נרכשים לשימוש כמערכות מדידה וחישוב נייחות למכונות איזון ו/או מעמדים. ניתן לזהות שתי קבוצות של צרכנים (לקוחות) של הציוד שלנו.

הקבוצה הראשונה כוללת מפעלים המתמחים בייצור המוני של מכונות איזון ומכירתן ללקוחות חיצוניים. מפעלים אלו מעסיקים מומחים מוסמכים בעלי ידע עמוק וניסיון רב בתכנון, ייצור והפעלה של סוגים שונים של מכונות איזון. האתגרים המתעוררים באינטראקציות עם קבוצת צרכנים זו קשורים לרוב להתאמת מערכות המדידה והתוכנות שלנו למכונות קיימות או חדשות שפותחו, מבלי להתייחס לבעיות של ביצוען המבני.

הקבוצה השנייה מורכבת מצרכנים המפתחים ומייצרים מכונות (סטנדים) לצרכיהם. גישה זו מוסברת בעיקר על ידי הרצון של יצרנים עצמאיים להפחית את עלויות הייצור שלהם, שבמקרים מסוימים עשויות לרדת פי שניים עד שלושה או יותר. לקבוצה זו של צרכנים אין לעתים קרובות ניסיון מתאים ביצירת מכונות ובדרך כלל מסתמכת על שימוש בשכל הישר, מידע מהאינטרנט וכל אנלוגי זמין בעבודתם.

האינטראקציה עמם מעלה שאלות רבות, אשר, בנוסף למידע נוסף על מערכות המדידה של מכונות איזון, מכסות מגוון רחב של נושאים הקשורים לביצוע המבני של המכונות, דרכי התקנתן על הבסיס, בחירת כוננים ועוד. השגת דיוק איזון נכון וכו'.

בהתחשב בעניין הרב שגילה קבוצה גדולה של צרכנים שלנו בנושאים של ייצור עצמאי של מכונות איזון, מומחים מחברת LLC "Kinematics" (Vibromera) הכינו אוסף עם הערות והמלצות לשאלות הנפוצות ביותר.

2. סוגי מכונות איזון (מעמדים) ותכונות העיצוב שלהן

מכונת איזון היא מכשיר טכנולוגי שנועד לבטל את חוסר האיזון הסטטי או הדינמי של רוטורים למטרות שונות. היא משלבת מנגנון המאיץ את הרוטור המאוזן לתדר סיבוב מוגדר ומערכת מדידה ומחשוב מיוחדת הקובעת את המסות ואת מיקום המשקולות הנדרשות כדי לפצות על חוסר האיזון של הרוטור.

מבנה החלק המכני של המכונה מורכב בדרך כלל ממסגרת מצע שעליה מותקנים עמודי תמיכה (מיסבים). אלה משמשים להרכבת המוצר המאוזן (רוטור) וכוללים הנעה המיועד לסיבוב הרוטור. במהלך תהליך האיזון, המתבצע בזמן שהמוצר מסתובב, חיישני מערכת המדידה (שסוגם תלוי בתכנון המכונה) רושמים רעידות במיסבים או כוחות במיסבים.

הנתונים המתקבלים באופן זה מאפשרים לקבוע את המסות ואת מיקומי ההתקנה של המשקולות המתקנות הנחוצות לפיצוי על חוסר האיזון.

נכון לעכשיו, שני סוגים של עיצובים של מכונות איזון (מעמד) נפוצים ביותר:

• מכונות מיסבים רכים (עם תמיכות גמישות);
• מכונות מיסבים קשיחים (עם תומכים קשיחים).

2.1. מכונות ומעמדים עם מיסבים רכים

המאפיין הבסיסי של מכונות איזון נושאים רכים הוא שיש להן תמיכות גמישות יחסית, העשויות על בסיס מתלים קפיציים, קרונות קפיציים, תומכי קפיצים שטוחים או גליליים וכו'. התדירות הטבעית של תמיכות אלו היא לפחות 2 נמוך פי 3 מתדירות הסיבוב של הרוטור המאוזן המותקן עליהם. דוגמה קלאסית לביצוע המבני של תומכי מיסבים רכים גמישים ניתן לראות בתמיכה של המכונה מדגם DB-50, שתצלום שלה מוצג באיור 2.1.

איור 2.1. תמיכה במכונת האיזון מדגם DB-50.

כפי שמוצג באיור 2.1, המסגרת הניידת (מחוון) 2 מחוברת לעמודים הנייחים 1 של התומך באמצעות מתלה על קפיצי רצועה 3. בהשפעת הכוח הצנטריפוגלי הנגרם מחוסר האיזון של הרוטור המותקן על התומך, הכרכרה (המחוון) 2 יכולה לבצע תנודות אופקיות ביחס לעמוד הנייח 1, הנמדדות באמצעות חיישן רטט.

הביצוע המבני של תמיכה זו מבטיח השגת תדר טבעי נמוך של תנודות כרכרה, שיכול להיות סביב 1-2 הרץ. זה מאפשר איזון של הרוטור על פני טווח רחב של תדרי הסיבוב שלו, החל מ-200 סל"ד. תכונה זו, יחד עם הפשטות היחסית של ייצור תומכים כאלה, הופכת את העיצוב הזה לאטרקטיבי עבור רבים מהצרכנים שלנו המייצרים מכונות איזון לצרכים שלהם למטרות שונות.

איור 2.2. תמיכת מיסב רכה של מכונת האיזון, מיוצר על ידי "Polymer LTD", מחצ'קלה

איור 2.2 מציג תצלום של מכונת איזון מיסבים רכים עם תומכים עשויים מקפיצי תלייה, שיוצרה לצרכים פנימיים בחברת "Polymer LTD" במחצ'קלה. המכונה מיועדת לאיזון גלילים המשמשים לייצור חומרים פולימריים.

איור 2.3 כולל צילום של מכונת איזון עם מתלה רצועה דומה לכרכרה, המיועדת לאיזון כלים מיוחדים.

איורים 2.4.א ו-2.4.ב מציגים תצלומים של מכונת מיסבים רכים תוצרת בית לאיזון פירי הינע, שתומכותיה נעשות גם באמצעות קפיצי מתלה רצועה.

איור 2.5 מציג תצלום של מכונה בעלת מיסבים רכים המיועדת לאיזון מגדשי טורבו, כאשר תומכי הגררות שלה תלויים גם הם על קפיצי רצועה. המכונה, שיוצרה לשימושו הפרטי של א. שהגוניאן (סנט פטרסבורג), מצוידת במערכת המדידה "Balanset 1".

על פי היצרן (ראה איור 2.6), מכונה זו מספקת את היכולת לאזן טורבינות עם חוסר איזון שיורי שאינו עולה על 0.2 גרם* מ"מ.

איור 2.3. מכונת מיסבים רכים לאיזון כלים עם מתלה תמיכה על קפיצי רצועה

איור 2.4.א. מכונת מיסבים רכים לאיזון פירי הנעה (מכונה מורכבת)

איור 2.4.ב. מכונת מיסבים רכים לאיזון פירי הנעה עם תומכי כרכרה תלויים על קפיצי רצועה. (תמיכת ציר מובילה עם מתלה רצועת קפיצים)

איור 2.5. מכונת מיסבים רכים לאיזון מגדשי טורבו עם תומכים על קפיצי רצועה, מיוצרת על ידי A. Shahgunyan (סנט פטרסבורג)

איור 2.6. עותק מסך של מערכת המדידה 'Balanset 1' המציגה את תוצאות איזון רוטור הטורבינה במכונה של א. שהגוניאן.

בנוסף לגרסה הקלאסית של תומכי מכונת איזון המיסבים הרכים שנדונו לעיל, גם פתרונות מבניים אחרים הפכו נפוצים.

איור 2.7 ו-2.8 תמונות של מכונות איזון לצירי הנעה, שתומכן עשוי מקפיצים שטוחים (פלטה). מכונות אלו יוצרו לצרכים קנייניים של המיזם הפרטי "Dergacheva" ו- LLC "Tatcardan" ("Kinetics-M"), בהתאמה.

מכונות איזון מיסבים רכים עם תומכים כאלה משוחזרות לעתים קרובות על ידי יצרנים חובבים בשל פשטותן היחסית ויכולת הייצור שלהן. אבות טיפוס אלה הם בדרך כלל מכונות מסדרת VBRF של "K. Schenck" או מכונות ייצור מקומיות דומות.

המכונות המוצגות באיורים 2.7 ו-2.8 מיועדות לאיזון פירי הנעה של שני תומכים, שלושה תומכים וארבעה תומכים. יש להם מבנה דומה, כולל:

• מסגרת מיטה מרותכת 1, המבוססת על שתי קורות I המחוברות בצלעות צולבות;
• תומך ציר נייח (קדמי) 2;
• תומך ציר מתנועע (אחורי) 3;
• תומך אחד או שניים ניידים (ביניים) 4. תומך ב-2 ו-3 יחידות ציר בית 5 ו-6, המיועדות להרכבת גל ההינע המאוזן 7 על המכונה.

איור 2.7. מכונת מיסבים רכים לאיזון צירי הנעה של חברת "Dergacheva" עם תומכים על קפיצים שטוחים (פלטה)

איור 2.8. מכונת מיסבים רכים לאיזון צירי הנעה של חברת LLC "Tatcardan" ("Kinetics-M") עם תומכים על קפיצים שטוחים

על כל התומכים מותקנים חיישני רעידות 8, המשמשים למדידת התנודות הרוחביות של התומכים. הציר המוביל 5, המותקן על תומך 2, מסובב על ידי מנוע חשמלי באמצעות כונן רצועה.

איורים 2.9.א ו-2.9.ב מציגים צילומים של תמיכת מכונת האיזון, המבוססת על קפיצים שטוחים.

איור 2.9. תמיכת מכונת איזון נושאת רכה עם קפיצים שטוחים

• א) מבט מהצד;
• ב) מבט קדמי

בהתחשב בכך שיצרנים חובבים משתמשים לעתים קרובות בתומכים כאלה בעיצובים שלהם, כדאי לבחון את תכונות הבנייה שלהם ביתר פירוט. כפי שמוצג באיור 2.9.א, תמיכה זו מורכבת משלושה מרכיבים עיקריים:

• צלחת תמיכה תחתונה 1: עבור תמיכת הציר הקדמי, הצלחת מחוברת בצורה נוקשה למדריכים; לתמיכות ביניים או לתמיכות ציר אחורי, הצלחת התחתונה מעוצבת ככרכרה שיכולה לנוע לאורך מובילי המסגרת.
• צלחת תמיכה עליונה 2, עליהם מותקנות יחידות התמיכה (תומכי רולר 4, צירים, מיסבי ביניים וכו').
• שני קפיצים שטוחים 3, חיבור לוחות המיסבים התחתונים והעליונים.

כדי למנוע את הסיכון לרטט מוגבר של התומכים במהלך הפעולה, שיכול להתרחש במהלך האצה או האטה של הרוטור המאוזן, התומכים עשויים לכלול מנגנון נעילה (ראה איור 2.9.ב). מנגנון זה מורכב מתושבת קשיחה 5, אותה ניתן להפעיל מנעול אקסצנטרי 6 המחובר לאחד הקפיצים השטוחים של התמיכה. כאשר המנעול 6 והתושבת 5 מחוברים, התמיכה ננעלת, ומבטלת את הסיכון לרטט מוגבר במהלך האצה והאטה.

בעת תכנון תומכים העשויים עם קפיצים שטוחים (פלטה), על יצרן המכונה להעריך את תדירות התנודות הטבעיות שלהם, התלויה בקשיחות הקפיצים ובמסה של הרוטור המאוזן. ידיעת פרמטר זה מאפשרת למעצב לבחור במודע את טווח תדרי הסיבוב המבצעיים של הרוטור, תוך הימנעות מהסכנה של תנודות תהודה של התומכים במהלך האיזון.

המלצות לחישוב ולקביעה ניסיונית של התדרים הטבעיים של תנודות של תומכים, כמו גם רכיבים אחרים של מכונות איזון, נדונות בסעיף 3.

כפי שצוין קודם לכן, הפשטות והייצור של עיצוב התמיכה באמצעות קפיצים שטוחים (פלטה) מושכים מפתחים חובבים של מכונות איזון למטרות שונות, לרבות מכונות לאיזון גל ארכובה, רוטורים של מגדשי טורבו לרכב וכו'.

כדוגמה, איורים 2.10.א' ו-2.10.ב' מציגים סקיצה כללית של מכונה המיועדת לאיזון רוטורים של מגדש טורבו. מכונה זו יוצרה ומשמשת לצרכים פנימיים בחברת LLC "SuraTurbo" בפנזה.

2.10.א. מכונה לאיזון רוטורי מגדשי טורבו (מבט צד)

2.10.ב. מכונה לאיזון רוטורי מגדש טורבו (מבט מצד התמיכה הקדמי)

בנוסף למכונות איזון המיסבים הרכים שנידונו קודם לכן, נוצרים לפעמים מעמדים פשוטים יחסית למיסבים רכים. סטנדים אלו מאפשרים איזון איכותי של מנגנונים סיבוביים למטרות שונות בעלויות מינימליות.

להלן נסקרים מספר מעמדים כאלה, הבנויים על בסיס פלטה שטוחה (או מסגרת) המותקנת על קפיצי דחיסה גליליים. קפיצים אלה נבחרים בדרך כלל כך שהתדירות הטבעית של התנודות של הפלטה כאשר המנגנון המאוזן מותקן עליה נמוכה פי 2 עד 3 מתדירות הסיבוב של הרוטור של מנגנון זה במהלך האיזון.

Figure 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:

• Plate 1, mounted on four cylindrical springs 2;
• Electric motor 3, whose rotor also serves as the spindle, on which a mandrel 4 is mounted, used for installing and securing the abrasive wheel on the spindle.

מאפיין מרכזי של מעמד זה הוא הכללת חיישן דופק 5 לזווית הסיבוב של הרוטור של המנוע החשמלי, המשמש כחלק ממערכת המדידה של המעמד ("Balanset 2C") לקביעת המיקום הזוויתי להסרת המסה המתקנת מגלגל השפשוף.

Figure 2.12 מציג תצלום של מעמד המשמש לאיזון משאבות ואקום. מעמד זה פותח לפי הזמנה על ידי JSC "מפעל המדידה".

איור 2.12. מעמד לאיזון משאבות ואקום של חברת "מפעל מדידה" JSC"

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.

לסנכרון תהליך מדידת הרטט עם זווית הסיבוב של רוטור המשאבה, נעשה שימוש בחיישן זווית פאזה לייזר 5 על המעמד. למרות המבנה החיצוני הפשוט לכאורה של מעמדים כאלה, הוא מאפשר להשיג איזון באיכות גבוהה מאוד של אימפלר המשאבה.

לדוגמה, בתדרים סיבוביים תת-קריטיים, חוסר האיזון השיורי של רוטור המשאבה עומד בדרישות שנקבעו עבור דרגת איכות איזון G0.16 לפי תקן ISO 1940-1-2007 "רטט. דרישות לאיכות האיזון של רוטורים קשיחים. חלק 1. קביעת חוסר איזון מותר"."

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

איכות איזון המאווררים המושגת במעמדים כאלה היא גבוהה למדי. לדברי מומחים מחברת "Atlant-project" LLC, במעמד שתוכנן על ידם בהתבסס על המלצות של חברת "Kinematics" LLC (ראה איור 2.14), רמת הרטט השיורי שהושגה בעת איזון המאווררים הייתה 0.8 מ"מ/שנייה. זהו קצב טוב יותר מפי שלושה מהסבולת שנקבעה למאווררים בקטגוריה BV5 לפי תקן ISO 31350-2007 "רטט. מאווררים תעשייתיים. דרישות לרטט המופק ואיכות איזון"."

איור 2.14. מעמד לאיזון אימפלרים של מאוורר של ציוד חסין פיצוץ מתוצרת "Atlant-project" LLC, פודולסק

נתונים דומים שהתקבלו במפעל המאווררים ליסנט של JSC מראים כי מעמדים כאלה, המשמשים בייצור סדרתי של מאווררי תעלה, הבטיחו באופן עקבי רעידות שיוריות שלא יעלו על 0.1 מ"מ/שנייה.

2.2. מכונות מיסבים קשיחים

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 מציג תצלום של מכונת איזון טיפוסית של מיסבים קשים מתוצרת "K. Schenk". מאיור זה ניתן לראות כי חלקים בודדים של התמיכה, הנוצרים על ידי החריצים המורכבים, בעלי קשיחות משתנה. תחת השפעת כוחות חוסר האיזון של הרוטור, הדבר יכול להוביל לעיוותים (תזוזות) של חלקים מסוימים של התמיכה יחסית לאחרים. (באיור 2.15, החלק הנוקשה יותר של התמיכה מסומן בקו מקווקו אדום, וחלקו הגמיש יחסית מסומן בכחול).

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.

איור 2.15. מכונת איזון מיסבים קשים מתוצרת "ק. שנק""

כפי שצוין מניתוח הבקשות שהתקבלו מלקוחות עבור מכשירי סדרת "Balanset", העניין בייצור מכונות מיסבים קשים לשימוש ביתי הולך וגדל. הדבר מתאפשר על ידי הפצה נרחבת של מידע פרסומי על מאפייני העיצוב של מכונות איזון ביתיות, המשמשות יצרנים חובבים כאנלוגים (או אבות טיפוס) לפיתוחים שלהם.

בואו נבחן כמה וריאציות של מכונות מיסבים קשיחים המיוצרות עבור הצרכים הפנימיים של מספר צרכנים של מכשירי סדרת "Balanset".

Figures 2.16.a – 2.16.d מציגים תצלומים של מכונת מיסבים קשים המיועדת לאיזון צירי הנעה, אשר יוצרה על ידי נ. אוביידקוב (העיר מגניטוגורסק). כפי שניתן לראות באיור 2.16.א, המכונה מורכבת ממסגרת קשיחה 1, עליה מותקנים תומכים 2 (שני צירים ושניים ביניים). הציר הראשי 3 של המכונה מסובב על ידי מנוע חשמלי אסינכרוני 4 באמצעות הנעת רצועה. בקר תדר 6 משמש לשליטה על מהירות הסיבוב של המנוע החשמלי 4. המכונה מצוידת במערכת המדידה והמחשוב "Balanset 4" 5, הכוללת יחידת מדידה, מחשב, ארבעה חיישני כוח וחיישן זווית פאזה (חיישנים שלא מוצגים באיור 2.16.א).

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 מציג תצלום של תומך הציר האחורי (המונע), אשר, בדומה לתומכים הביניים, מאפשר תנועה לאורך מובילי מסגרת המכונה.

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.

במהלך פעולת המכונה, כוחות חוסר האיזון מהרוטור המאוזן פועלים דרך יחידות התמיכה (צירים או מיסבים ביניים) על החלק החיצוני של התמיכה, אשר מתחילה לנוע (לעוות) באופן מחזורי יחסית לחלקה הפנימי בתדירות סיבוב הרוטור. כתוצאה מכך נוצר כוח משתנה הפועל על חיישן 11, ביחס לכוח חוסר האיזון. תחת השפעתו, נוצר אות חשמלי ביחס לגודל חוסר האיזון של הרוטור ביציאה של חיישן הכוח.

אותות מחיישני כוח, המותקנים על כל התומכים, מוזנים למערכת המדידה והמחשוב של המכונה, שם הם משמשים לקביעת הפרמטרים של המשקולות התיקוניות.

Figure 2.17.a. מציג תצלום של מכונת מיסבים קשים מיוחדת המשמשת לאיזון צירי "בורג". מכונה זו יוצרה לשימוש פנימי בחברת LLC "Ufatverdosplav".

כפי שניתן לראות באיור, למנגנון הספין-אפ של המכונה יש מבנה פשוט, המורכב מהמרכיבים העיקריים הבאים:

• מסגרת מרותכת 1, משמש כמיטה;
• שני תומכים נייחים 2, קבוע בצורה נוקשה למסגרת;
• Electric motor 3, המניע את הציר המאוזן (בורג) 5 באמצעות כונן רצועה 4.

איור 2.17.א. מכונת מיסבים קשים לאיזון צירי בורג, מתוצרת חברת LLC "Ufatverdosplav""

התומכים 2 של המכונה הם לוחות פלדה מותקנות אנכית עם חריצים בצורת T. בחלק העליון של כל תומך יש גלילי תמיכה המיוצרים באמצעות מיסבים מתגלגלים, עליהם מסתובב הציר המאוזן 5.

כדי למדוד את עיוות התומכים, המתרחש תחת פעולת חוסר איזון ברוטור, משתמשים בחיישני כוח 6 (ראה איור 2.17.b), המותקנים בחריצי התומכים. חיישנים אלה מחוברים למכשיר "Balanset 1", המשמש במכונה זו כמערכת מדידה ומחשוב.

למרות הפשטות היחסית של מנגנון הסיבוב של המכונה, הוא מאפשר איזון באיכות גבוהה מספיק של ברגים, אשר, כפי שניתן לראות באיור 2.17.א., בעלי משטח סלילי מורכב.

לפי חברת LLC "Ufatverdosplav", חוסר האיזון הראשוני של הבורג הופחת כמעט פי 50 במכונה זו במהלך תהליך האיזון.

איור 2.17.ב. תמיכת מכונות מיסבים קשיחים לאיזון פירי בורג עם חיישן כוח

חוסר האיזון השיורי שהושג היה 3552 גרם*מ"מ (19.2 גרם ברדיוס של 185 מ"מ) במישור הראשון של הבורג, ו-2220 גרם*מ"מ (12.0 גרם ברדיוס של 185 מ"מ) במישור השני. עבור רוטור במשקל 500 ק"ג ופועל בתדר סיבוב של 3500 סל"ד, חוסר איזון זה תואם לדרגה G6.3 לפי ISO 1940-1-2007, העומד בדרישות המפורטות בתיעוד הטכני שלו.

עיצוב מקורי (ראה איור 2.18), הכולל שימוש בבסיס יחיד להתקנה בו זמנית של תומכים עבור שתי מכונות איזון מיסבים קשים בגדלים שונים, הוצע על ידי ס.וו. מורוזוב. היתרונות הברורים של פתרון טכני זה, המאפשרים למזער את עלויות הייצור של היצרן, כוללים:

• חיסכון בשטח ייצור;
• שימוש במנוע חשמלי אחד עם כונן תדר משתנה להפעלת שתי מכונות שונות;
• שימוש במערכת מדידה אחת להפעלת שתי מכונות שונות.

איור 2.18. מכונת איזון מיסבים קשים ("טנדם"), מתוצרת SV מורוזוב

3. דרישות לבניית יחידות ומנגנונים בסיסיים של מכונות איזון

3.1. מיסבים

3.1.1. Theoretical Foundations of Bearing Design

בסעיף הקודם, נדונו בפירוט שיטות התכנון העיקריות של תומכי מיסבים רכים ומיסבים קשים עבור מכונות איזון. פרמטר מכריע שעל המתכננים לקחת בחשבון בעת תכנון וייצור תומכים אלה הוא התדרים הטבעיים של התנודה שלהם. זה חשוב מכיוון שמדידת לא רק משרעת הרטט (עיוות מחזורי) של התומכים, אלא גם פאזת הרטט נדרשת לחישוב פרמטרי המשקולות התיקוניות על ידי מערכות המדידה והמחשוב של המכונה.

אם התדר הטבעי של תומך תואם את תדר הסיבוב של הרוטור המאוזן (תהודה של התומך), מדידה מדויקת של משרעת ופאזה של התנודה היא כמעט בלתי אפשרית. הדבר מודגם בבירור בגרפים המציגים שינויים במשרעת ובפאזה של תנודות התומך כפונקציה של תדר הסיבוב של הרוטור המאוזן (ראה איור 3.1).

From these graphs, it follows that as the rotational frequency of the balanced rotor approaches the natural frequency of the support oscillations (i.e., when the ratio fp/fo is close to 1), there is a significant increase in amplitude associated with the resonance oscillations of the support (see Fig. 3.1.a). Simultaneously, graph 3.1.b shows that in the resonance zone, there is a sharp change in the phase angle ∆F°, which can reach up to 180°.

In other words, when balancing any mechanism in the resonance zone, even small changes in its rotation frequency can lead to significant instability in the measurement results of amplitude and phase of its vibration, leading to errors in calculating the parameters of corrective weights and negatively affecting the quality of balancing.

הגרפים לעיל מאשרים המלצות קודמות לפיהן עבור מכונות עם מיסבים קשים, הגבול העליון של תדרי הפעולה של הרוטור צריך להיות נמוך (לפחות) פי 2-3 מהתדר הטבעי של התמיכה, fo. עבור מכונות עם מיסבים רכים, הגבול התחתון של תדרי הפעולה המותרים של הרוטור המאוזן צריך להיות גבוה (לפחות) פי 2-3 מהתדר הטבעי של התמיכה.

Figure 3.1. Graphs showing changes in relative amplitude and phase of vibrations of the balancing machine support as a function of rotational frequency changes.

• Ад – Amplitude of dynamic vibrations of the support;
• e = m*r / M - חוסר איזון ספציפי של הרוטור המאוזן;
• m – Unbalanced mass of the rotor;
• M – Mass of the rotor;
• r – Radius at which the unbalanced mass is located on the rotor;
• fp – Rotational frequency of the rotor;
• fo – Natural frequency of vibrations of the support

Given the information presented, operating the machine in the resonance area of its supports (highlighted in red in Fig. 3.1) is not recommended. The graphs shown in Fig. 3.1 also demonstrate that for the same imbalances of the rotor, the actual vibrations of the Soft Bearing machine supports are significantly lower than those occurring on the Soft Bearing machine supports.

From this, it follows that sensors used to measure vibrations of supports in Hard Bearing machines must have higher sensitivity than those in Soft Bearing machines. This conclusion is well supported by the actual practice of using sensors, which shows that absolute vibration sensors (vibro-accelerometers and/or vibro-velocity sensors), successfully used in Soft Bearing balancing machines, often cannot achieve the necessary balancing quality on Hard Bearing machines.

On these machines, it is recommended to use relative vibration sensors, such as force sensors or highly sensitive displacement sensors.

3.1.2. Estimating Natural Frequencies of Supports Using Calculation Methods

A designer can perform an approximate (estimative) calculation of the natural frequency of a support fo​ using formula 3.1, by simplistically treating it as a vibrational system with one degree of freedom, which (see Fig. 2.19.a) is represented by a mass M, oscillating on a spring with stiffness K.

The mass M used in the calculation for a symmetric inter-bearing rotor can be approximated by formula 3.2.

כאשר Mo​ הוא המסה של החלק הנע של התומך בק"ג; Mr​ הוא המסה של הרוטור המאוזן בק"ג; n הוא מספר תומכי המכונה המעורבים באיזון.

The stiffness K of the support is calculated using formula 3.3 based on the results of experimental studies that involve measuring the deformation ΔL of the support when it is loaded with a static force P (see Figs. 3.2.a and 3.2.b).

כאשר ΔL הוא עיוות התמיכה במטרים; P הוא הכוח הסטטי בניוטונים.

The magnitude of the loading force P can be measured using a force-measuring instrument (e.g., a dynamometer). The displacement of the support ΔL is determined using a device for measuring linear displacements (e.g., a dial indicator).

3.1.3. Experimental Methods for Determining Natural Frequencies of Supports

בהינתן שחישוב התדרים הטבעיים של התמיכות שנדון לעיל, המבוצע בשיטה פשוטה, עלול להוביל לשגיאות משמעותיות, רוב המפתחים החובבים מעדיפים לקבוע פרמטרים אלה בשיטות ניסיוניות. לשם כך, הם משתמשים ביכולות המסופקות על ידי מערכות מדידת רעידות מודרניות של מכונות איזון, כולל מכשירי סדרת "Balanset".

3.1.3.1. Determining Natural Frequencies of Supports by Impact Excitation Method

The impact excitation method is the simplest and most common way to determine the natural frequency of vibrations of a support or any other machine component. It is based on the fact that when any object, such as a bell (see Fig. 3.3), is impact-excited, its response manifests as a gradually decaying vibrational response. The frequency of the vibrational signal is determined by the structural characteristics of the object and corresponds to the frequency of its natural vibrations. For impact excitation of vibrations, any heavy tool can be used, such as a rubber mallet or a regular mallet.

Figure 3.3. Diagram of Impact Excitation Used to Determine the Natural Frequencies of an Object

The mass of the hammer should approximately be 10% of the mass of the object being excited. To capture the vibrational response, a vibration sensor should be installed on the object under examination, with its measuring axis aligned with the direction of impact excitation. In some cases, a microphone from a noise measuring device may be used as a sensor to perceive the vibrational response of the object.

התנודות של העצם מומרות לאות חשמלי על ידי החיישן, אשר נשלח לאחר מכן למכשיר מדידה, כגון קלט של מנתח ספקטרום. מכשיר זה רושם את פונקציית הזמן ואת הספקטרום של תהליך התנודה הדועך (ראה איור 3.4), ניתוח אשר מאפשר קביעת התדירות (התדרים) של התנודות הטבעיות של העצם.

Figure 3.5. Program Interface Showing Time Function Graphs and Spectrum of Decaying Impact Vibrations of the Examined Structure

The analysis of the spectrum graph presented in Figure 3.5 (see the lower part of the work window) shows that the main component of the natural vibrations of the examined structure, determined with reference to the abscissa axis of the graph, occurs at a frequency of 9.5 Hz. This method can be recommended for studies of the natural vibrations of both Soft Bearing and Hard Bearing balancing machine supports.

3.1.3.2. Determining Natural Frequencies of Supports in Coasting Mode

במקרים מסוימים, ניתן לקבוע את התדרים הטבעיים של התומכים על ידי מדידה מחזורית של משרעת ופאזה של רטט "על החוף". ביישום שיטה זו, הרוטור המותקן על המכונה הנבדקת מואץ בתחילה למהירות הסיבוב המקסימלית שלו, לאחר מכן ההינע שלו מנותק, ותדירות הכוח המפריע הקשור לחוסר האיזון של הרוטור יורדת בהדרגה מהמקסימום עד לנקודת העצירה.

In this case, the natural frequencies of supports can be determined by two characteristics:

• By a local jump in vibration amplitude observed in the resonance areas;
• By a sharp change (up to 180°) in the vibration phase observed in the zone of the amplitude jump.

במכשירי סדרת "Balanset", ניתן להשתמש במצב "ויברמטר" ("Balanset 1") או במצב "איזון. ניטור" ("Balanset 2C" ו-"Balanset 4") כדי לזהות את התדרים הטבעיים של עצמים "על החוף", מה שמאפשר מדידות מחזוריות של משרעת ופאזה של רעידות בתדר הסיבוב של הרוטור.

יתר על כן, תוכנת "Balanset 1" כוללת בנוסף מצב ייעודי של "גרפים. גלישה", המאפשר שרטוט גרפים של שינויים באמפליטודה ובפאזה של תנודות תמיכה על החוף כפונקציה של שינוי תדירות הסיבוב, ובכך מקל משמעותית על תהליך אבחון התהודות.

It should be noted that, for obvious reasons (see section 3.1.1), the method of identifying natural frequencies of supports on the coast can only be used in the case of studying Soft Bearing balancing machines, where the working frequencies of rotor rotation significantly exceed the natural frequencies of supports in the transverse direction.

In the case of Hard Bearing machines, where the working frequencies of rotor rotation exciting the vibrations of supports on the coast are significantly below the natural frequencies of the supports, the use of this method is practically impossible.

3.1.4. Practical Recommendations for Designing and Manufacturing Supports for Balancing Machines

3.1.2. Calculating Natural Frequencies of Supports by Computational Methods

Calculations of the natural frequencies of supports using the above-discussed calculation scheme can be performed in two directions:

• In the transverse direction of the supports, which coincides with the direction of measuring their vibrations caused by the forces of rotor unbalance;
• In the axial direction, coinciding with the axis of rotation of the balanced rotor mounted on the machine supports.

חישוב התדרים הטבעיים של תומכים בכיוון אנכי דורש שימוש בטכניקת חישוב מורכבת יותר, אשר (בנוסף לפרמטרים של התומך והרוטור המאוזן עצמו) חייבת לקחת בחשבון את פרמטרי המסגרת ואת המאפיינים הספציפיים של התקנת המכונה על היסוד. שיטה זו אינה נדונה בפרסום זה. ניתוח נוסחה 3.1 מאפשר כמה המלצות פשוטות שמתכנני מכונות צריכים לשקול בפעילותם המעשית. בפרט, ניתן לשנות את התדר הטבעי של תומך על ידי שינוי קשיחותו ו/או מסתו. הגדלת הקשיחות מגדילה את התדר הטבעי של התומך, בעוד שהגדלת המסה מקטינה אותו. לשינויים אלה יש קשר לא ליניארי, ריבועי-הפוך. לדוגמה, הכפלת קשיחות התומך מגדילה את התדר הטבעי שלו רק בגורם של 1.4. באופן דומה, הכפלת המסה של החלק הנע של התומך מקטינה את התדר הטבעי שלו רק בגורם של 1.4.

3.1.4.1. Soft Bearing Machines with Flat Plate Springs

מספר וריאציות עיצוביות של תומכי מכונות איזון העשויים מקפיצים שטוחים נדונו לעיל בסעיף 2.1 ומוצגות באיורים 2.7 - 2.9. על פי המידע שבידינו, עיצובים כאלה נמצאים בשימוש הנפוצים ביותר במכונות המיועדות לאיזון צירי הנעה.

כדוגמה, הבה ניקח בחשבון את פרמטרי הקפיץ בהם השתמש אחד הלקוחות (חברת LLC "Rost-Service", סנט פטרסבורג) בייצור תומכי המכונה שלהם. מכונה זו נועדה לאיזון צירי הנעה בעלי 2, 3 ו-4 תומכים, בעלי מסה שאינה עולה על 200 ק"ג. המידות הגיאומטריות של הקפיצים (גובה * רוחב * עובי) ששימשו בתומכי הצירים המובילים והמונעים של המכונה, שנבחרו על ידי הלקוח, היו בהתאמה 300*200*3 מ"מ.

התדר הטבעי של התמיכה הלא עמוסה, שנקבע בניסוי על ידי שיטת עירור פגיעה באמצעות מערכת המדידה הסטנדרטית של מכונת "Balanset 4", נמצא כ-11 - 12 הרץ. בתדר טבעי כזה של תנודות התומכות, תדר הסיבוב המומלץ של הרוטור המאוזן במהלך איזון לא צריך להיות נמוך מ-22-24 הרץ (1320 - 1440 סל"ד).

המידות הגיאומטריות של הקפיצים השטוחים בהם השתמש אותו יצרן בתומכים הביניים היו בהתאמה 200*200*3 מ"מ. יתר על כן, כפי שהראו המחקרים, התדרים הטבעיים של תומכים אלה היו גבוהים יותר, והגיעו ל-13-14 הרץ.

בהתבסס על תוצאות הבדיקה, יצרני המכונה קיבלו ייעוץ ליישר (להשוות) את התדרים הטבעיים של הציר והתומכים הביניים. זה אמור להקל על בחירת טווח תדרי הסיבוב התפעוליים של צירי ההינע במהלך האיזון ולמנוע חוסר יציבות אפשרי בקריאות מערכת המדידה עקב כניסת התומכים לאזור התנודות התהודה.

The methods for adjusting the natural frequencies of vibrations of supports on flat springs are obvious. This adjustment can be achieved by changing the geometric dimensions or shape of the flat springs, which is achieved, for example, by milling longitudinal or transverse slots that reduce their stiffness.

As previously mentioned, verification of the results of such adjustment can be conducted by identifying the natural frequencies of vibrations of the supports using the methods described in sections 3.1.3.1 and 3.1.3.2.

Figure 3.6 presents a classic version of the support design on flat springs, used in one of his machines by A. Sinitsyn. As shown in the figure, the support includes the following components:

• Upper plate 1;
• Two flat springs 2 and 3;
• Lower plate 4;
• Stop bracket 5.

Figure 3.6. Design Variation of a Support on Flat Springs

The upper plate 1 of the support can be used to mount the spindle or an intermediate bearing. Depending on the purpose of the support, the lower plate 4 can be rigidly attached to the machine guides or installed on movable slides, allowing the support to move along the guides. Bracket 5 is used to install a locking mechanism for the support, enabling it to be securely fixed during the acceleration and deceleration of the balanced rotor.

קפיצים שטוחים לתמיכות מכונות בעלות מיסבים רכים צריכים להיות עשויים מקפיצי עלים או מפלדת סגסוגת איכותית. השימוש בפלדות מבניות רגילות בעלות חוזק כניעה נמוך אינו מומלץ, מכיוון שהן עלולות לפתח עיוות שיורי תחת עומסים סטטיים ודינמיים במהלך הפעולה, מה שיוביל לירידה בדיוק הגיאומטרי של המכונה ואף לאובדן יציבות התמיכה.

עבור מכונות עם מסת רוטור מאוזנת שאינה עולה על 300 - 500 ק"ג, ניתן להגדיל את עובי התמיכה ל-30 - 40 מ"מ, ועבור מכונות המיועדות לאיזון רוטורים עם מסות מקסימליות הנעות בין 1000 ל-3000 ק"ג, עובי התמיכה יכול להגיע ל-50 - 60 מ"מ או יותר. כפי שמראה ניתוח המאפיינים הדינמיים של התומכים שהוזכרו לעיל, תדרי הרטט הטבעיים שלהם, הנמדדים במישור הרוחבי (מישור המדידה של עיוותים יחסיים של החלקים "הגמישים" וה"נוקשים"), בדרך כלל עולים על 100 הרץ או יותר. תדרי הרטט הטבעיים של מעמדי תמיכה של מיסבים קשים במישור הקדמי, הנמדדים בכיוון החופף לציר הסיבוב של הרוטור המאוזן, בדרך כלל נמוכים משמעותית. ותדרים אלה הם שיש לקחת בחשבון בעיקר בעת קביעת הגבול העליון של טווח תדרי הפעולה עבור רוטורים מסתובבים מאוזנים על המכונה. כפי שצוין לעיל, ניתן לבצע את קביעת התדרים הללו בשיטת עירור הפגיעה המתוארת בסעיף 3.1.

Figure 3.7. Machine for Balancing Electric Motor Rotors, Assembled, Developed by A. Mokhov.

Figure 3.8. Machine for Balancing Turbopump Rotors, Developed by G. Glazov (Bishkek)

3.1.4.2. Soft Bearing Machine Supports with Suspension on Strip Springs

In designing strip springs used for supporting suspensions, attention should be paid to selecting the thickness and width of the spring strip, which on one hand must withstand the static and dynamic load of the rotor on the support, and on the other hand, must prevent the possibility of torsional vibrations of the support suspension, manifesting as axial run-out.

דוגמאות ליישום מבני של מכונות איזון באמצעות מתלי קפיצי רצועה מוצגות באיורים 2.1 - 2.5 (ראה סעיף 2.1), וכן באיורים 3.7 ו-3.8 של סעיף זה.

3.1.4.4. תומכי מיסבים קשים למכונות

כפי שמראה ניסיוננו הרב עם לקוחות, חלק ניכר מיצרני מאזנים מתוצרת בית החלו לאחרונה להעדיף מכונות מיסבים קשיחים עם תומכים נוקשים. בסעיף 2.2, איורים 2.16 - 2.18 מציגים תצלומים של עיצובים מבניים שונים של מכונות המשתמשות בתמיכות כאלה. סקיצה אופיינית של תומך נוקשה, שפותחה על ידי אחד מלקוחותינו עבור בניית המכונה שלו, מוצגת באיור 3.10. תומך זה מורכב מלוח פלדה שטוח עם חריץ בצורת P, המחלק את התומך באופן קונבנציונלי לחלקים "נוקשים" ו"גמישים". תחת השפעת כוח חוסר איזון, החלק "הגמיש" של התומך יכול להתעוות יחסית לחלקו "הנוקשה". ניתן למדוד את גודל העיוות הזה, שנקבע על ידי עובי התומך, עומק החריצים ורוחב הגשר המחבר את החלקים "הגמישים" וה"נוקשים" של התומך, באמצעות חיישנים מתאימים של מערכת המדידה של המכונה. בשל היעדר שיטה לחישוב הנוקשות הרוחבית של תומכים כאלה, תוך התחשבות בעומק h של החריץ בצורת P, רוחב t של הגשר, וכן בעובי התומך r (ראה איור 3.10), פרמטרי תכנון אלה נקבעים בדרך כלל באופן ניסיוני על ידי מפתחים.

עבור מכונות עם מסת רוטור מאוזנת שאינה עולה על 300 - 500 ק"ג, ניתן להגדיל את עובי התמיכה ל-30 - 40 מ"מ, ועבור מכונות המיועדות לאיזון רוטורים עם מסות מקסימליות הנעות בין 1000 ל-3000 ק"ג, עובי התמיכה יכול להגיע ל-50 - 60 מ"מ או יותר. כפי שמראה ניתוח המאפיינים הדינמיים של התומכים שהוזכרו לעיל, תדרי הרטט הטבעיים שלהם, הנמדדים במישור הרוחבי (מישור המדידה של עיוותים יחסיים של החלקים ה"גמישים" וה"נוקשים"), בדרך כלל עולים על 100 הרץ או יותר. תדרי הרטט הטבעיים של מעמדי תמיכה מיסבים קשים במישור הקדמי, הנמדדים בכיוון החופף לציר הסיבוב של הרוטור המאוזן, בדרך כלל נמוכים משמעותית. ותדרים אלה הם שיש לקחת בחשבון בעיקר בעת קביעת הגבול העליון של טווח תדרי הפעולה עבור רוטורים מסתובבים המאוזנים על המכונה.

איור 3.26. דוגמה לשימוש במיטת מחרטה משומשת לייצור מכונת מיסבים קשיחים לאיזון מקצפים.

איור 3.27. דוגמה לשימוש במיטת מחרטה משומשת לייצור מכונת מיסבים רכים לאיזון פירים.

איור 3.28. דוגמה לייצור מיטה מורכבת מתעלות

איור 3.29. דוגמה לייצור מיטה מרותכת מתעלות

איור 3.30. דוגמה לייצור מיטה מרותכת מתעלות

איור 3.31. דוגמה למיטת מכונת איזון עשויה מבטון פולימרי

בדרך כלל, בעת ייצור מיטות כאלה, החלק העליון שלהן מחוזק בתוספות פלדה המשמשות כמדריכים שעליהן מבוססות מעמדי התמיכה של מכונת האיזון. לאחרונה, מיטות העשויות מבטון פולימרי עם ציפויים לבלימת רעידות הפכו לשימוש נרחב. טכנולוגיה זו לייצור מיטות מתוארת היטב באינטרנט וניתנת ליישום בקלות על ידי יצרנים שעושים זאת בעצמך. בשל הפשטות היחסית ועלות הייצור הנמוכה, למיטות אלו מספר יתרונות עיקריים על פני עמיתותיהן ממתכת:

• מקדם שיכוך גבוה יותר עבור תנודות רטט;
• מוליכות תרמית נמוכה יותר, מה שמבטיח דפורמציה תרמית מינימלית של המיטה;
• עמידות גבוהה יותר בפני קורוזיה;
• היעדר מתחים פנימיים.

3.1.4.3. Soft Bearing Machine Supports Made Using Cylindrical Springs

An example of a Soft Bearing balancing machine, in which cylindrical compression springs are used in the design of the supports, is shown in Figure 3.9. The main drawback of this design solution is related to the varying degrees of spring deformation in the front and rear supports, which occurs if the loads on the supports are unequal during the balancing of asymmetrical rotors. This naturally leads to misalignment of the supports and skewing of the rotor axis in the vertical plane. One of the negative consequences of this defect may be the emergence of forces that cause the rotor to shift axially during rotation.

Fig. 3.9. Soft Bearing Support Construction Variant for Balancing Machines Using Cylindrical Springs.

3.1.4.4. תומכי מיסבים קשים למכונות

כפי שמראה ניסיוננו הרב עם לקוחות, חלק ניכר מיצרני מאזנים מתוצרת בית החלו לאחרונה להעדיף מכונות מיסבים קשיחים עם תומכים נוקשים. בסעיף 2.2, איורים 2.16 - 2.18 מציגים תצלומים של עיצובים מבניים שונים של מכונות המשתמשות בתמיכות כאלה. סקיצה אופיינית של תומך נוקשה, שפותחה על ידי אחד מלקוחותינו עבור בניית המכונה שלו, מוצגת באיור 3.10. תומך זה מורכב מלוח פלדה שטוח עם חריץ בצורת P, המחלק את התומך באופן קונבנציונלי לחלקים "נוקשים" ו"גמישים". תחת השפעת כוח חוסר איזון, החלק "הגמיש" של התומך יכול להתעוות יחסית לחלקו "הנוקשה". ניתן למדוד את גודל העיוות הזה, שנקבע על ידי עובי התומך, עומק החריצים ורוחב הגשר המחבר את החלקים "הגמישים" וה"נוקשים" של התומך, באמצעות חיישנים מתאימים של מערכת המדידה של המכונה. בשל היעדר שיטה לחישוב הנוקשות הרוחבית של תומכים כאלה, תוך התחשבות בעומק h של החריץ בצורת P, רוחב t של הגשר, וכן בעובי התומך r (ראה איור 3.10), פרמטרי תכנון אלה נקבעים בדרך כלל באופן ניסיוני על ידי מפתחים.

Fig. 3.10. Sketch of Hard Bearing Support for Balancing Machine

תצלומים המציגים יישומים שונים של תומכים כאלה, המיוצרים עבור המכונות של לקוחותינו עצמם, מוצגים באיורים 3.11 ו-3.12. בסיכום הנתונים שהתקבלו מכמה מלקוחותינו שהם יצרני מכונות, ניתן לנסח דרישות לעובי התומכים, שנקבעו עבור מכונות בגדלים שונים ויכולות עומס שונות. לדוגמה, עבור מכונות המיועדות לאזן רוטורים במשקל של 0.1 עד 50-100 ק"ג, עובי התומכים עשוי להיות 20 מ"מ.

Fig. 3.11. Hard Bearing Supports for Balancing Machine, Manufactured by A. Sinitsyn

Fig. 3.12. Hard Bearing Support for Balancing Machine, Manufactured by D. Krasilnikov

עבור מכונות עם מסת רוטור מאוזנת שאינה עולה על 300 - 500 ק"ג, ניתן להגדיל את עובי התמיכה ל-30 - 40 מ"מ, ועבור מכונות המיועדות לאיזון רוטורים עם מסות מקסימליות הנעות בין 1000 ל-3000 ק"ג, עובי התמיכה יכול להגיע ל-50 - 60 מ"מ או יותר. כפי שמראה ניתוח המאפיינים הדינמיים של התומכים שהוזכרו לעיל, תדרי הרטט הטבעיים שלהם, הנמדדים במישור הרוחבי (מישור המדידה של עיוותים יחסיים של החלקים "הגמישים" וה"נוקשים"), בדרך כלל עולים על 100 הרץ או יותר. תדרי הרטט הטבעיים של מעמדי תמיכה של מיסבים קשים במישור הקדמי, הנמדדים בכיוון החופף לציר הסיבוב של הרוטור המאוזן, בדרך כלל נמוכים משמעותית. ותדרים אלה הם שיש לקחת בחשבון בעיקר בעת קביעת הגבול העליון של טווח תדרי הפעולה עבור רוטורים מסתובבים מאוזנים על המכונה. כפי שצוין לעיל, ניתן לבצע את קביעת התדרים הללו בשיטת עירור הפגיעה המתוארת בסעיף 3.1.

3.2. Supporting Assemblies of Balancing Machines

3.2.1. Main Types of Supporting Assemblies

In the manufacture of both Hard Bearing and Soft Bearing balancing machines, the following well-known types of supporting assemblies, used for the installation and rotation of balanced rotors on supports, can be recommended, including:

• Prismatic supporting assemblies;
• Supporting assemblies with rotating rollers;
• Spindle supporting assemblies.

3.2.1.1. Prismatic Supporting Assemblies

מכלולים אלה, בעלי אפשרויות עיצוב שונות, מותקנים בדרך כלל על תומכים של מכונות קטנות ובינוניות, עליהן ניתן לאזן רוטורים בעלי מסה שאינה עולה על 50 - 100 ק"ג. דוגמה לגרסה הפשוטה ביותר של מכלול תמיכה פריזמטי מוצגת באיור 3.13. מכלול תמיכה זה עשוי מפלדה ומשמש במכונת איזון טורבינה. מספר יצרנים של מכונות איזון קטנות ובינוניות, בעת ייצור מכלולי תמיכה פריזמטיים, מעדיפים להשתמש בחומרים לא מתכתיים (דיאלקטריים), כגון טקסטוליט, פלואורופלסטיקה, קפרולון וכו'.

3.13. Execution Variant of Prismatic Supporting Assembly, Used on a Balancing Machine for Automobile Turbines

מכלולי תמיכה דומים (ראה איור 3.8 לעיל) מיושמים, למשל, על ידי ג. גלזוב במכונה שלו, המיועדת גם היא לאיזון טורבינות רכב. הפתרון הטכני המקורי של מכלול תמיכה פריזמטי, העשוי מפלואורפלסטיק (ראה איור 3.14), מוצע על ידי חברת LLC "Technobalance".

איור 3.14. מכלול תמיכה פריזמטי של חברת LLC "Technobalance""

מכלול תמיכה זה נוצר באמצעות שני שרוולים גליליים 1 ו-2, המותקנים בזווית זה לזה ומקובעים על צירי תמיכה. הרוטור המאוזן נוגע במשטחי השרוולים לאורך קווי הייצור של הצילינדרים, מה שממזער את שטח המגע בין ציר הרוטור לתמיכה, וכתוצאה מכך מפחית את כוח החיכוך בתמיכה. במידת הצורך, במקרה של שחיקה או נזק למשטח התמיכה באזור המגע שלו עם ציר הרוטור, ניתנת אפשרות לפיצוי שחיקה על ידי סיבוב השרוול סביב צירו בזווית מסוימת. יש לציין כי בעת שימוש במכלולי תמיכה העשויים מחומרים לא מתכתיים, יש צורך לאפשר את האפשרות המבנית של הארקה של הרוטור המאוזן לגוף המכונה, מה שמבטל את הסיכון למטענים סטטיים חזקים המתרחשים במהלך הפעולה. זה, ראשית, מסייע בהפחתת הפרעות חשמליות והפרעות שעלולות להשפיע על ביצועי מערכת המדידה של המכונה, ושנית, מבטל את הסיכון שאנשים יושפעו מפעולת החשמל הסטטי.

3.2.1.2. Roller Supporting Assemblies

מכלולים אלה מותקנים בדרך כלל על תומכים של מכונות המיועדות לאיזון רוטורים בעלי מסות העולות על 50 קילוגרם ומעלה. השימוש בהם מפחית משמעותית את כוחות החיכוך בתומכים בהשוואה לתומכים מנסרתיים, ומקל על סיבוב הרוטור המאוזן. כדוגמה, איור 3.15 מציג גרסת עיצוב של מכלול תמיכה שבו משתמשים בגלילים למיקום המוצר. בתכנון זה, משתמשים במיסבים סטנדרטיים כגלילים 1 ו-2, שהטבעות החיצוניות שלהם מסתובבות על צירים נייחים הקבועים בגוף תומך המכונה 3. איור 3.16 מתאר סקיצה של עיצוב מורכב יותר של מכלול תמיכה בגלילים, שיושם בפרויקט שלהם על ידי אחד מיצרני מכונות האיזון המתוצרת הביתית. כפי שניתן לראות מהציור, על מנת להגדיל את כושר העומס של הגליל (וכתוצאה מכך את מכלול התמיכה בכללותו), זוג מיסבים מתגלגלים 1 ו-2 מותקן בגוף הגליל 3. היישום המעשי של עיצוב זה, למרות כל יתרונותיו הברורים, נראה כמשימה מורכבת למדי, הקשורה לצורך בייצור עצמאי של גוף הגליל 3, אשר מוטלות עליה דרישות גבוהות מאוד לדיוק גיאומטרי ומאפיינים מכניים של החומר.

Fig. 3.15. Example of Roller Supporting Assembly Design

Fig. 3.16. Example of Roller Supporting Assembly Design with Two Rolling Bearings

איור 3.17 מציג גרסת עיצוב של מכלול תמיכה לגלילים בעל יישור עצמי שפותח על ידי מומחי חברת LLC "Technobalance". בתכנון זה, יכולת היישור העצמי של הגלילים מושגת על ידי מתן שתי דרגות חופש נוספות, המאפשרות לגלילים לבצע תנועות זוויתיות קטנות סביב צירי X ו-Y. מכלולי תמיכה כאלה, המבטיחים דיוק גבוה בהתקנת רוטורים מאוזנים, מומלצים בדרך כלל לשימוש על תומכים של מכונות איזון כבדות.

Fig. 3.17. Example of Self-Aligning Roller Supporting Assembly Design

As mentioned earlier, roller support assemblies typically have fairly high requirements for precision manufacturing and rigidity. In particular, the tolerances set for radial runout of the rollers should not exceed 3-5 microns.

בפועל, זה לא תמיד מושג אפילו על ידי יצרנים ידועים. לדוגמה, במהלך בדיקת המחבר של המסלול הרדיאלי של סט של מכלולי תמיכה חדשים לגלילים, שנרכשו כחלקי חילוף עבור מכונת האיזון מדגם H8V, המותג "K. Shenk", המסלול הרדיאלי של הגלילים שלהם הגיע ל-10-11 מיקרון.

3.2.1.3. Spindle Supporting Assemblies

When balancing rotors with flange mounting (for example, cardan shafts) on balancing machines, spindles are used as supporting assemblies for positioning, mounting, and rotation of the balanced products.

Spindles are one of the most complex and critical components of balancing machines, largely responsible for achieving the required balancing quality.

התיאוריה והפרקטיקה של תכנון וייצור צירים מפותחות היטב ומשתקפות במגוון רחב של פרסומים, ביניהם המונוגרפיה "פרטים ומנגנונים של מכונות חיתוך מתכת" [1], בעריכת ד"ר אינג' ד.נ. רשטוב, בולטת כשימושית והנגישה ביותר עבור מפתחים.

Among the main requirements that should be considered in the design and manufacturing of balancing machine spindles, the following should be prioritized:

a) Providing high rigidity of the spindle assembly structure sufficient to prevent unacceptable deformations that may occur under the influence of unbalance forces of the balanced rotor;

b) Ensuring the stability of the spindle rotation axis position, characterized by permissible values of radial, axial, and axial runouts of the spindle;

c) Ensuring proper wear resistance of the spindle journals, as well as its seating and supporting surfaces used for mounting balanced products.

היישום המעשי של דרישות אלו מפורט בסעיף ו' "צירים ותומכיהם" בעבודה [1].

In particular, there are methodologies for verifying the rigidity and rotational accuracy of spindles, recommendations for selecting bearings, choosing spindle material and methods of its hardening, as well as much other useful information on this topic.

Work [1] notes that in the design of spindles for most types of metal-cutting machine tools, a two-bearing scheme is mainly used.

An example of the design variant of such a two-bearing scheme used in milling machine spindles (details can be found in work [1]) is shown in Fig. 3.18.

This scheme is quite suitable for the manufacture of balancing machine spindles, examples of design variants of which are shown below in Figures 3.19-3.22.

Fig. 3.18. Sketch of a Two-Bearing Milling Machine Spindle

Figure 3.19 shows one of the design variants of the leading spindle assembly of a balancing machine, rotating on two radial-thrust bearings, each of which has its own independent housing 1 and 2. A flange 4, intended for flange mounting of a cardan shaft, and a pulley 5, used to transmit rotation to the spindle from the electric motor using a V-belt drive, are mounted on the spindle shaft 3.

Figure 3.19. Example of Spindle Design on Two Independent Bearing Supports

Figures 3.20 and 3.21 show two closely related designs of leading spindle assemblies. In both cases, the spindle bearings are installed in a common housing 1, which has a through axial hole necessary for installing the spindle shaft. At the entrance and exit of this hole, the housing has special bores (not shown in the figures), designed to accommodate radial thrust bearings (roller or ball) and special flange covers 5, used to secure the outer rings of the bearings.

Figure 3.20. Example 1 of a Leading Spindle Design on Two Bearing Supports Installed in a Common Housing

Figure 3.21. Example 2 of a Leading Spindle Design on Two Bearing Supports Installed in a Common Housing

As in the previous version (see Fig. 3.19), a faceplate 2 is installed on the spindle shaft, intended for flange mounting of the drive shaft, and a pulley 3, used to transmit rotation to the spindle from the electric motor via a belt drive. A limb 4 is also fixed to the spindle shaft, which is used to determine the angular position of the spindle, utilized when installing test and corrective weights on the rotor during balancing.

Figure 3.22. Example of a Design of a Driven (Rear) Spindle

Figure 3.22 shows a design variant of the driven (rear) spindle assembly of a machine, which differs from the leading spindle only by the absence of the drive pulley and limb, as they are not needed.

איור 3.23. דוגמה לביצוע תכנון של ציר מונע (אחורי)

As seen in Figures 3.20 – 3.22, the spindle assemblies discussed above are attached to the Soft Bearing supports of balancing machines using special clamps (straps) 6. Other methods of attachment can also be used if necessary, ensuring proper rigidity and precision in positioning the spindle assembly on the support.

Figure 3.23 illustrates a design of flange mounting similar to that spindle, which can be used for its installation on a Hard Bearing support of a balancing machine.

3.2.1.3.4. חישוב קשיחות הציר וסיבוב רדיאלי

לקביעת קשיחות הציר והריצה הרדיאלית הצפויה, ניתן להשתמש בנוסחה 3.4 (ראה סכמת חישוב באיור 3.24):

איפה:

• Y - תזוזה אלסטית של הציר בקצה קונסולת הציר, ס"מ;
• P - עומס מחושב הפועל על קונסולת הציר, ק"ג;
• א - תמיכה אחורית של הציר;
• ב - תמיכת מיסב קדמית של הציר;
• ז - אורך קונסולת הציר, ס"מ;
• ג - מרחק בין תומכים A ו-B של הציר, ס"מ;
• J1 - רגע אינרציה ממוצע של קטע הציר בין התומכים, ס"מ⁴;
• J2 - מומנט אינרציה ממוצע של קטע קונסולת הציר, cm⁴;
• ג'יי.בי. וג'יי.איי. - קשיחות מיסבים לתומכים הקדמיים והאחוריים של הציר, בהתאמה, ק"ג/ס"מ.

על ידי שינוי נוסחה 3.4, הערך המחושב הרצוי של קשיחות מכלול הציר jшп ניתן לקבוע:

בהתחשב בהמלצות העבודה [1] עבור מכונות איזון בגודל בינוני, ערך זה לא צריך להיות מתחת ל-50 ק"ג/מיקרומטר.

לחישוב מסלול רדיאלי, נעשה שימוש בנוסחה 3.5:

איפה:

• ∆ הוא היציאה הרדיאלית בקצה קונסולת הציר, מיקרומטר;
• ∆B הוא היציאה הרדיאלית של מיסב הציר הקדמי, מיקרומטר;
• ∆A הוא היציאה הרדיאלית של מיסב הציר האחורי, מיקרומטר;
• g הוא אורך קונסולת הציר, ס"מ;
• c הוא המרחק בין התומכים A ו-B של הציר, ס"מ.

3.2.1.3.5. הבטחת דרישות איזון ציר

מכלולי הציר של מכונות איזון חייבים להיות מאוזנים היטב, שכן כל חוסר איזון בפועל יועבר לרוטור המאוזן כשגיאה נוספת. בעת קביעת סבולות טכנולוגיות לחוסר איזון שיורי של הציר, מומלץ בדרך כלל שדרגת הדיוק של האיזון שלו תהיה גבוהה לפחות ב-1-2 דרגות מזו של המוצר המאוזן במכונה.

בהתחשב בתכונות העיצוב של הצירים שנדונו לעיל, האיזון שלהם צריך להתבצע בשני מישורים.

3.2.1.3.6. הבטחת קיבולת עומס מיסבים ועמידות עבור מיסבי ציר

בעת תכנון צירים ובחירת גדלי מיסבים, מומלץ להעריך מראש את העמידות וקיבולת העומס של המיסבים. המתודולוגיה לביצוע חישובים אלה מפורטת בתקן ISO 18855-94 (ISO 281-89) "מיסבים מתגלגלים - דירוגי עומס דינמיים ואורך חיים דירוגי" [3], וכן בספרי הדרכה רבים (כולל דיגיטליים) למיסבים מתגלגלים.

3.2.1.3.7. הבטחת דרישות לחימום מקובל של מיסבי ציר

על פי המלצות מהעבודה [1], החימום המרבי המותר של הטבעות החיצוניות של מיסבי הציר לא יעלה על 70 מעלות צלזיוס. עם זאת, כדי להבטיח איזון איכותי, החימום המומלץ של הטבעות החיצוניות לא יעלה על 40 - 45 מעלות צלזיוס.

3.2.1.3.8. בחירת סוג הנעת הרצועה והעיצוב של גלגלת ההנעה לציר

בעת תכנון ציר ההנעה של מכונת איזון, מומלץ להבטיח את סיבובו באמצעות הנעת רצועה שטוחה. דוגמה לשימוש נכון בכונן כזה להפעלת ציר מוצגת ב איורים 3.20 ו-3.23. שימוש בהנעות עם רצועות V או רצועות שיניים אינו רצוי, מכיוון שהן עלולות להפעיל עומסים דינמיים נוספים על הציר עקב אי דיוקים גיאומטריים ברצועות ובגלגלות, אשר בתורן עלולים להוביל לשגיאות מדידה נוספות במהלך האיזון. דרישות מומלצות לגלגלות עבור רצועות הנעה שטוחות מפורטות בתקן ISO 17383-73 "גלגלות עבור רצועות הנעה שטוחות" [4].

גלגלת ההנעה צריכה להיות ממוקמת בקצה האחורי של הציר, קרוב ככל האפשר למכלול המיסבים (עם התלייה המינימלית האפשרית). החלטת העיצוב למיקום התלוי של הגלגלת, שנעשתה בייצור הציר המוצג ב איור 3.19, יכול להיחשב כלא מוצלח, מכיוון שהוא מגדיל באופן משמעותי את הרגע של עומס כונן דינמי הפועל על תומכי הציר.

חיסרון משמעותי נוסף של עיצוב זה הוא השימוש בהנעת חגורת V, שאי דיוקים בייצור ובהרכבה יכולים להוות גם מקור לעומס נוסף לא רצוי על הציר.

3.3. מסגרת המיטה)

המיטה היא המבנה התומך העיקרי של מכונת האיזון, עליו מבוססים האלמנטים העיקריים שלה, לרבות עמודי התמיכה ומנוע ההנעה. בעת בחירת או ייצור המיטה של מכונת איזון, יש צורך לוודא שהיא עומדת במספר דרישות, כולל קשיחות הכרחית, דיוק גיאומטרי, עמידות בפני רעידות ועמידות בפני שחיקה של המדריכים שלה.

התרגול מראה שכאשר מייצרים מכונות לצרכיהם, משתמשים בדרך כלל באפשרויות המיטה הבאות:

• מיטות ברזל יצוק ממכונות משומשות לחיתוך מתכת (מחרטות, עיבוד עץ וכו');
• מיטות מורכבות על בסיס תעלות, המורכבות באמצעות חיבורי בריח;
• מיטות מרותכות על בסיס ערוצים;
• מיטות בטון פולימרי עם ציפויים בולמי רעידות.

איור 3.25. דוגמה לשימוש במיטה משומשת למכונת עיבוד עץ לייצור מכונה לאיזון פירי קרדן.

3.4. כוננים למכונות איזון

כפי שמראה ניתוח פתרונות התכנון המשמשים את לקוחותינו בייצור מכונות איזון, הם מתמקדים בעיקר בשימוש במנועי AC המצוידים בכוננים בתדר משתנה במהלך תכנון הכוננים. גישה זו מאפשרת מגוון רחב של מהירויות סיבוב מתכווננות עבור הרוטורים המאוזנים בעלות מינימלית. ההספק של מנועי ההנעה הראשיים המשמשים לסובב את הרוטורים המאוזנים נבחר בדרך כלל על סמך המסה של הרוטורים הללו ויכול להיות בערך:

• 0.25 - 0.72 קילוואט עבור מכונות המיועדות לאיזון רוטורים בעלי מסה של ≤ 5 ק"ג;
• 0.72 - 1.2 קילוואט עבור מכונות המיועדות לאיזון רוטורים בעלי מסה > 5 ≤ 50 ק"ג;
• 1.2 - 1.5 קילוואט עבור מכונות המיועדות לאיזון רוטורים בעלי מסה > 50 ≤ 100 ק"ג;
• 1.5 - 2.2 קילוואט עבור מכונות המיועדות לאיזון רוטורים בעלי מסה > 100 ≤ 500 ק"ג;
• 2.2 - 5 קילוואט עבור מכונות המיועדות לאיזון רוטורים בעלי מסה > 500 ≤ 1000 ק"ג;
• 5 - 7.5 קילוואט עבור מכונות המיועדות לאיזון רוטורים בעלי מסה > 1000 ≤ 3000 ק"ג.

מנועים אלה צריכים להיות מורכבים בקשיחות על מצע המכונה או על הבסיס שלה. לפני ההתקנה על המכונה (או באתר ההתקנה), יש לאזן בקפידה את מנוע ההנעה הראשי, יחד עם הגלגלת המותקנת על פיר הפלט שלו. כדי להפחית הפרעות אלקטרומגנטיות הנגרמות על ידי כונן התדרים המשתנה, מומלץ להתקין מסנני רשת בכניסה וביציאה שלו. אלה יכולים להיות מוצרי מדף סטנדרטיים המסופקים על ידי יצרני הכוננים או מסננים תוצרת בית המיוצרים באמצעות טבעות פריט.

4. מערכות מדידה של מכונות איזון

רוב יצרני מכונות האיזון החובבים, הפונים לחברת LLC "Kinematics" (Vibromera), מתכננים להשתמש במערכות המדידה מסדרת "Balanset" המיוצרות על ידי חברתנו בעיצוביהם. עם זאת, ישנם גם לקוחות המתכננים לייצר מערכות מדידה כאלה באופן עצמאי. לכן, הגיוני לדון בבניית מערכת מדידה למכונת איזון ביתר פירוט. הדרישה העיקרית למערכות אלו היא הצורך לספק מדידות מדויקות של האמפליטודה והפאזה של הרכיב הסיבובי של אות התנודה, המופיע בתדר הסיבוב של הרוטור המאוזן. מטרה זו מושגת בדרך כלל באמצעות שילוב של פתרונות טכניים, כולל:

• Use of vibration sensors with a high signal conversion coefficient;
• Use of modern laser phase angle sensors;
• Creation (or use) of hardware that allows for the amplification and digital conversion of sensor signals (primary signal processing);
• יישום עיבוד תוכנה של אות התנודה, אשר אמור לאפשר חילוץ ברזולוציה גבוהה ויציב של הרכיב הסיבובי של אות התנודה, המתבטא בתדר הסיבוב של הרוטור המאוזן (עיבוד משני).

להלן, נבחן וריאנטים ידועים של פתרונות טכניים כאלה, המיושמים במספר מכשירי איזון ידועים.

4.1. מבחר חיישני רטט

In the measurement systems of balancing machines, various types of vibration sensors (transducers) can be used, including:

• Vibration acceleration sensors (accelerometers);
• Vibration velocity sensors;
• Vibration displacement sensors;
• Force sensors.

4.1.1. Vibration Acceleration Sensors

מבין חיישני תאוצה של רטט, מדי תאוצה פיאזו וקיבוליים (שבב) הם הנפוצים ביותר, וניתן להשתמש בהם ביעילות במכונות איזון מסוג Soft Bearing. בפועל, בדרך כלל מותר להשתמש בחיישני תאוצה של רטט עם מקדמי המרה (Kpr) הנעים בין 10 ל-30 mV/(m/s²). במכונות איזון הדורשות דיוק איזון גבוה במיוחד, מומלץ להשתמש במדי תאוצה עם Kpr המגיע לרמות של 100 mV/(m/s²) ומעלה. כדוגמה למדי תאוצה פיאזו שניתן להשתמש בהם כחיישני רטט למכונות איזון, איור 4.1 מציג את מדי התאוצה פיאזו DN3M1 ו-DN3M1V6 המיוצרים על ידי חברת LLC "Izmeritel".

Figure 4.1. Piezo Accelerometers DN 3M1 and DN 3M1V6

To connect such sensors to vibration measuring instruments and systems, it is necessary to use external or built-in charge amplifiers.

איור 4.2. מדי תאוצה קיבוליים AD1 מיוצר על ידי LLC "Kinematics" (Vibromera)

It should be noted that these sensors, which include widely used market boards of capacitive accelerometers ADXL 345 (see Figure 4.3), have several significant advantages over piezo accelerometers. Specifically, they are 4 to 8 times cheaper with similar technical characteristics. Moreover, they do not require the use of costly and finicky charge amplifiers needed for piezo accelerometers.

In cases where both types of accelerometers are used in the measurement systems of balancing machines, hardware integration (or double integration) of the sensor signals is usually performed.

Figure 4.2. Capacitive Accelerometers AD 1, assembled.

איור 4.2. מדי תאוצה קיבוליים AD1 מיוצר על ידי LLC "Kinematics" (Vibromera)

It should be noted that these sensors, which include widely used market boards of capacitive accelerometers ADXL 345 (see Figure 4.3), have several significant advantages over piezo accelerometers. Specifically, they are 4 to 8 times cheaper with similar technical characteristics. Moreover, they do not require the use of costly and finicky charge amplifiers needed for piezo accelerometers.

Figure 4.3. Capacitive accelerometer board ADXL 345.

In this case, the initial sensor signal, proportional to vibrational acceleration, is accordingly transformed into a signal proportional to vibrational velocity or displacement. The procedure of double integration of the vibration signal is particularly relevant when using accelerometers as part of the measuring systems for low-speed balancing machines, where the lower rotor rotation frequency range during balancing can reach 120 rpm and below. When using capacitive accelerometers in the measuring systems of balancing machines, it should be considered that after integration, their signals may contain low-frequency interference, manifesting in the frequency range from 0.5 to 3 Hz. This may limit the lower frequency range of balancing on machines intended to use these sensors.

4.1.2. Vibration Velocity Sensors

4.1.2.1. Inductive Vibration Velocity Sensors.

These sensors include an inductive coil and a magnetic core. When the coil vibrates relative to a stationary core (or the core relative to a stationary coil), an EMF is induced in the coil, the voltage of which is directly proportional to the vibration velocity of the movable element of the sensor. The conversion coefficients (Кпр) of inductive sensors are usually quite high, reaching several tens or even hundreds of mV/mm/sec. In particular, the conversion coefficient of the Schenck model T77 sensor is 80 mV/mm/sec, and for the IRD Mechanalysis model 544M sensor, it is 40 mV/mm/sec. In some cases (for example, in Schenck balancing machines), special highly sensitive inductive vibration velocity sensors with a mechanical amplifier are used, where Кпр can exceed 1000 mV/mm/sec. If inductive vibration velocity sensors are used in the measuring systems of balancing machines, hardware integration of the electrical signal proportional to vibration velocity can also be performed, converting it into a signal proportional to vibration displacement.

Figure 4.4. Model 544M sensor by IRD Mechanalysis.

Figure 4.5. Model T77 sensor by Schenck

It should be noted that due to the labor intensity of their production, inductive vibration velocity sensors are quite scarce and expensive items. Therefore, despite the obvious advantages of these sensors, amateur manufacturers of balancing machines use them very rarely.

4.2. חיישני זווית פאזה

לסנכרון תהליך מדידת הרטט עם זווית הסיבוב של הרוטור המאוזן, משתמשים בחיישני זווית פאזה, כגון חיישני לייזר (פוטואלקטריים) או אינדוקטיביים. חיישנים אלה מיוצרים בעיצובים שונים על ידי יצרנים מקומיים ובינלאומיים כאחד. טווח המחירים עבור חיישנים אלה יכול להשתנות באופן משמעותי, בין כ-40 ל-200 דולר. דוגמה למכשיר כזה הוא חיישן זווית הפאזה המיוצר על ידי "Diamex", המוצג באיור 4.11.

איור 4.11: חיישן זווית פאזה של "Diamex""

כדוגמה נוספת, איור 4.12 מציג מודל המיושם על ידי חברת LLC "Kinematics" (Vibromera), המשתמש בטכומטרים לייזר מדגם DT 2234C המיוצר בסין כחיישני זווית פאזה. The obvious advantages of this sensor include:

• A wide operating range, allowing measurement of rotor rotation frequency from 2.5 to 99,999 revolutions per minute, with a resolution of no less than one revolution;
• Digital display;
• Ease of setting up the tachometer for measurements;
• Affordability and low market cost;
• Relative simplicity of modification for integration into the measuring system of a balancing machine.

Figure 4.12: Laser Tachometer Model DT 2234C

במקרים מסוימים, כאשר השימוש בחיישני לייזר אופטיים אינו רצוי מכל סיבה שהיא, ניתן להחליף אותם בחיישני תזוזה אינדוקטיביים ללא מגע, כגון דגם ISAN E41A שהוזכר קודם לכן או מוצרים דומים מיצרנים אחרים.

4.3. תכונות עיבוד אותות בחיישני רטט

למדידה מדויקת של משרעת ופאזה של הרכיב הסיבובי של אות הרטט בציוד איזון, נעשה בדרך כלל שימוש בשילוב של כלי עיבוד חומרה ותוכנה. כלים אלה מאפשרים:

• סינון חומרה בפס רחב של האות האנלוגי של החיישן;
• הגברת האות האנלוגי של החיישן;
• אינטגרציה ו/או אינטגרציה כפולה (במידת הצורך) של האות האנלוגי;
• סינון פס צר של האות האנלוגי באמצעות מסנן מעקב;
• המרה אנלוגית לדיגיטלית של האות;
• סינון סינכרוני של האות הדיגיטלי;
• ניתוח הרמוני של האות הדיגיטלי.

4.3.1. סינון אותות בפס רחב

הליך זה חיוני לניקוי אות חיישן הרטט מהפרעות פוטנציאליות שעלולות להתרחש הן בגבול התחתון והן בגבול העליון של טווח התדרים של המכשיר. מומלץ שמכשיר המדידה של מכונת איזון יכוונן את הגבול התחתון של מסנן מעביר הפס ל-2-3 הרץ ואת הגבול העליון ל-50 (100) הרץ. סינון "תחתון" מסייע בדיכוי רעשים בתדר נמוך שעשויים להופיע ביציאה של סוגים שונים של מגברי מדידה של חיישנים. סינון "עליון" מבטל את האפשרות של הפרעות עקב שילוב תדרים ורעידות תהודה פוטנציאליות של רכיבים מכניים בודדים של המכונה.

4.3.2. הגברה של האות האנלוגי מהחיישן

אם יש צורך להגביר את הרגישות של מערכת המדידה של מכונת האיזון, ניתן להגביר את האותות מחיישני הרטט לכניסה של יחידת המדידה. ניתן להשתמש הן במגברים סטנדרטיים בעלי הגבר קבוע והן במגברים רב-שלביים, שאת הגברתם ניתן לשנות באופן תכנותי בהתאם לרמת האות האמיתית מהחיישן. דוגמה למגבר רב-שלבי הניתן לתכנות כוללת מגברים הממומשים בממירי מדידת מתח כמו E154 או E14-140 של חברת LLC "L-Card".

4.3.3. שילוב

כפי שצוין קודם לכן, שילוב חומרה ו/או שילוב כפול של אותות חיישני רטט מומלצים במערכות המדידה של מכונות איזון. לפיכך, ניתן להפוך את אות מד התאוצה הראשוני, פרופורציונלי להאצת רטט, לאות פרופורציונלי למהירות הוויברו (אינטגרציה) או ל-Vibro-displacement (אינטגרציה כפולה). באופן דומה, ניתן להפוך את אות חיישן מהירות הוויברו לאחר האינטגרציה לאות פרופורציונלי ל-Vibro-displacement.

4.3.4. סינון פס צר של האות האנלוגי באמצעות מסנן מעקב

כדי להפחית הפרעות ולשפר את איכות עיבוד אותות הרטט במערכות המדידה של מכונות איזון, ניתן להשתמש במסנני מעקב בעלי פס צר. התדר המרכזי של מסננים אלה מכוון אוטומטית לתדר הסיבוב של הרוטור המאוזן באמצעות אות חיישן הסיבוב של הרוטור. ניתן להשתמש במעגלים משולבים מודרניים, כגון MAX263, MAX264, MAX267, MAX268 של "MAXIM", כדי ליצור מסננים כאלה.

4.3.5. המרה אנלוגית לדיגיטלית של אותות

המרה אנלוגית לדיגיטלית היא הליך מכריע המבטיח את האפשרות לשפר את איכות עיבוד אותות הרטט במהלך מדידת אמפליטודה ופאזה. הליך זה מיושם בכל מערכות המדידה המודרניות של מכונות איזון. דוגמה ליישום יעיל של ADCs כאלה כוללת את ממירי מדידת המתח מסוג E154 או E14-140 של חברת LLC "L-Card", המשמשים במספר מערכות מדידה של מכונות איזון המיוצרות על ידי LLC "Kinematics" (Vibromera). בנוסף, ל- LLC "Kinematics" (Vibromera) יש ניסיון בשימוש במערכות מיקרו-מעבד זולות יותר המבוססות על בקרי "Arduino", מיקרו-בקר PIC18F4620 של חברת "Microchip" ומכשירים דומים.

4.1.2.2. חיישני מהירות רטט המבוססים על מדי תאוצה פיזואלקטריים

חיישן מסוג זה שונה ממד תאוצה פיזואלקטרי סטנדרטי בכך שיש לו מגבר מטען ואינטגרטור מובנים בתוך המארז שלו, המאפשרים לו להפיק אות פרופורציונלי למהירות הרטט. לדוגמה, חיישני מהירות רטט פיזואלקטריים המיוצרים על ידי יצרנים מקומיים (חברת ZETLAB וחברת LLC "Vibropribor") מוצגים באיורים 4.6 ו-4.7.

Figure 4.6. Model AV02 sensor by ZETLAB (Russia)

איור 4.7. חיישן דגם DVST 2 מתוצרת LLC "Vibropribor""

Such sensors are manufactured by various producers (both domestic and foreign) and are currently widely used, especially in portable vibration equipment. The cost of these sensors is quite high and can reach 20,000 to 30,000 rubles each, even from domestic manufacturers.

4.1.3. Displacement Sensors

במערכות מדידה של מכונות איזון, ניתן להשתמש גם בחיישני תזוזה ללא מגע - קיבוליים או אינדוקטיביים. חיישנים אלה יכולים לפעול במצב סטטי, מה שמאפשר רישום של תהליכי רטט החל מ-0 הרץ. השימוש בהם יכול להיות יעיל במיוחד במקרה של איזון רוטורים בעלי מהירות נמוכה עם מהירויות סיבוב של 120 סל"ד ומטה. מקדמי ההמרה של חיישנים אלה יכולים להגיע ל-1000 mV/mm ומעלה, מה שמספק דיוק ורזולוציה גבוהים במדידת תזוזה, גם ללא הגברה נוספת. יתרון ברור של חיישנים אלה הוא עלותם הנמוכה יחסית, אשר עבור חלק מהיצרנים המקומיים אינה עולה על 1000 רובל. בעת שימוש בחיישנים אלה במכונות איזון, חשוב לקחת בחשבון כי פער העבודה הנומינלי בין הרכיב הרגיש של החיישן לבין פני השטח של העצם הרוטט מוגבל על ידי קוטר סליל החיישן. לדוגמה, עבור החיישן המוצג באיור 4.8, דגם ISAN E41A של "TEKO", פער העבודה המצוין הוא בדרך כלל 3.8 עד 4 מ"מ, מה שמאפשר מדידת תזוזה של העצם הרוטט בטווח של ±2.5 מ"מ.

Figure 4.8. Inductive Displacement Sensor Model ISAN E41A by TEKO (Russia)

4.1.4. Force Sensors

As previously noted, force sensors are used in the measurement systems installed on Hard Bearing balancing machines. These sensors, particularly due to their simplicity of manufacture and relatively low cost, are commonly piezoelectric force sensors. Examples of such sensors are shown in Figures 4.9 and 4.10.

Figure 4.9. Force Sensor SD 1 by Kinematika LLC

איור 4.10: חיישן כוח למכונות איזון לרכב, נמכר על ידי "STO Market""

Strain gauge force sensors, which are manufactured by a wide range of domestic and foreign producers, can also be used to measure relative deformations in the supports of Hard Bearing balancing machines.

4.4. סכמה תפקודית של מערכת המדידה של מכונת האיזון, "Balanset 2""

מערכת המדידה "Balanset 2" מייצגת גישה מודרנית לשילוב פונקציות מדידה וחישוב במכונות איזון. מערכת זו מספקת חישוב אוטומטי של משקלים מתקנים באמצעות שיטת מקדם ההשפעה וניתן להתאים אותה לתצורות מכונה שונות.

הסכימה הפונקציונלית כוללת התאמת אותות, המרה אנלוגית-לדיגיטלית, עיבוד אותות דיגיטלי ואלגוריתמי חישוב אוטומטיים. המערכת יכולה להתמודד עם תרחישי איזון דו-מישוריים ורב-מישוריים בדיוק גבוה.

4.5. חישוב פרמטרים של משקולות תיקון המשמשים באיזון הרוטור

חישוב המשקולות התיקוניות מבוסס על שיטת מקדם ההשפעה, הקובעת כיצד הרוטור מגיב למשקולות בדיקה במישורים שונים. שיטה זו היא בסיסית בכל מערכות האיזון המודרניות ומספקת תוצאות מדויקות עבור רוטורים קשיחים וגמישים כאחד.

4.5.1. משימה של איזון רוטורים עם תמיכה כפולה ושיטות הפתרון שלה

עבור רוטורים בעלי תמיכה כפולה (התצורה הנפוצה ביותר), משימת האיזון כרוכה בקביעת שני משקלים מתקנים - אחד לכל מישור תיקון. שיטת מקדם ההשפעה משתמשת בגישה הבאה:

1. מדידה ראשונית (ריצה 0): מדידת רעידות ללא משקולות ניסיון
2. ניסוי ראשון (סיבוב 1): הוסף משקל ניסיון ידוע למישור 1, מדוד תגובה
3. ניסוי שני (סיבוב 2): הזז את משקולת הניסיון למישור 2, מדוד את התגובה
4. תַחשִׁיב: התוכנה מחשבת משקלי תיקון קבועים על סמך תגובות שנמדדו

הבסיס המתמטי כרוך בפתרון מערכת של משוואות לינאריות המקשרות בין השפעות משקל הניסיון לתיקונים הנדרשים בשני המישורים בו זמנית.

איורים 3.26 ו-3.27 הצג דוגמאות לשימוש במיטות מחרטות, שעל בסיסן יוצרו מכונת מיסבים קשיחים לאיזון מקמחים ומכונת איזון מיסבים רכים אוניברסלית לרוטורים גליליים. עבור יצרני עשה זאת בעצמך, פתרונות כאלה מאפשרים ליצור מערכת תמיכה קשיחה למכונת האיזון במינימום זמן ועלות, עליה ניתן להרכיב מעמדי תמיכה מסוגים שונים (הן קשיחים והן מיסבים רכים). המשימה העיקרית של היצרן במקרה זה היא להבטיח (ולהחזיר במידת הצורך) את הדיוק הגיאומטרי של מדריכי המכונה עליהם יתבססו מעמדי התמיכה. בתנאי ייצור עשה זאת בעצמך, בדרך כלל משתמשים בגרד עדין כדי להחזיר את הדיוק הגיאומטרי הנדרש של המדריכים.

איור 3.28 מציג גרסה של מיטה מורכבת משני ערוצים. בייצור מיטה זו, נעשה שימוש בחיבורי ברגים ניתנים להסרה, המאפשרים למזער או לבטל את העיוות של המיטה במהלך ההרכבה ללא פעולות טכנולוגיות נוספות. כדי להבטיח דיוק גיאומטרי תקין של המדריכים של המיטה שצוינה, ייתכן שיידרש עיבוד מכני (שחזה, כרסום עדין) של האוגנים העליונים של התעלות המשמשות.

איורים 3.29 ו-3.30 מציגים וריאציות של מיטות מרותכות, גם עשויות משני ערוצים. טכנולוגיית הייצור של מיטות כאלה עשויה לדרוש סדרה של פעולות נוספות, כגון טיפול בחום כדי להקל על מתחים פנימיים המתרחשים במהלך הריתוך. כמו במיטות מורכבות, כדי להבטיח דיוק גיאומטרי תקין של המדריכים של מיטות מרותכות, יש לתכנן עיבוד מכני (שחזה, כרסום עדין) של האוגנים העליונים של התעלות המשמשות.

4.5.2. מתודולוגיה לאיזון דינמי של רוטורים מרובי תמיכה

רוטורים מרובי תמיכה (שלוש או ארבע נקודות מיסב) דורשים הליכי איזון מורכבים יותר. כל נקודת תמיכה תורמת להתנהגות הדינמית הכוללת, והתיקון חייב להתחשב באינטראקציות בין כל המישורים.

המתודולוגיה מרחיבה את הגישה הדו-מישורית על ידי:

• מדידת רעידות בכל נקודות התמיכה
• שימוש במספר עמדות משקולות ניסיון
• פתרון מערכות גדולות יותר של משוואות לינאריות
• אופטימיזציה של פיזור משקל תיקון

עבור צירי קרדן ורוטורים ארוכים דומים, גישה זו משיגה בדרך כלל רמות חוסר איזון שיורי התואמות לדירוג איכות ISO G6.3 או טוב יותר.

4.5.3. מחשבונים לאיזון רוטורים מרובי תמיכה

אלגוריתמי חישוב ייעודיים פותחו עבור תצורות רוטור בעלות שלושה וארבעה תומכים. מחשבונים אלה מיושמים בתוכנת Balanset-4 ויכולים להתמודד עם גיאומטריות מורכבות של הרוטור באופן אוטומטי.

המחשבונים לוקחים בחשבון:

• קשיחות תמיכה משתנה
• צימוד צולב בין מישורי תיקון
• אופטימיזציה של מיקום משקלים לצורך נגישות
• אימות התוצאות המחושבות

5. המלצות לבדיקת תפעול ודיוק מכונות איזון

הדיוק והאמינות של מכונת איזון תלויים בגורמים רבים, כולל הדיוק הגיאומטרי של הרכיבים המכניים שלה, המאפיינים הדינמיים של התומכים ויכולת התפעול של מערכת המדידה. אימות קבוע של פרמטרים אלה מבטיח איכות איזון עקבית ומסייע בזיהוי בעיות פוטנציאליות לפני שהן משפיעות על הייצור.

5.1. בדיקת הדיוק הגיאומטרי של המכונה

אימות דיוק גיאומטרי כולל בדיקת יישור התומכים, מקבילות המדריכים וקונצנטריות של מכלולי הציר. יש לבצע בדיקות אלו במהלך ההתקנה הראשונית ומעת לעת במהלך הפעולה כדי להבטיח דיוק שנשמר.

5.2. בדיקת המאפיינים הדינמיים של המכונה

אימות מאפיינים דינמיים כרוך במדידת תדרים טבעיים של תומכים ורכיבי שלדה כדי להבטיח שהם מופרדים כראוי מתדרי ההפעלה. זה מונע בעיות תהודה שעלולות לפגוע בדיוק האיזון.

5.3. בדיקת יכולת תפעולית של מערכת המדידה

אימות מערכת המדידה כולל כיול חיישנים, אימות יישור פאזה ובדיקות דיוק של עיבוד אותות. זה מבטיח מדידה אמינה של משרעת הרטט והפאזה בכל מהירויות הפעולה.

5.4. בדיקת מאפייני הדיוק לפי תקן ISO 20076-2007

תקן ISO 20076-2007 מספק נהלים סטנדרטיים לאימות דיוק מכונת איזון באמצעות רוטורי בדיקה מכוילים. נהלים אלה מסייעים באימות ביצועי המכונה מול תקנים בינלאומיים מוכרים.

סִפְרוּת

1. רשטוב ד.נ. (עורך). "פרטים ומנגנונים של מכונות חיתוך מתכת." מוסקבה: הוצאת מכונות, 1972.
2. קלנברגר וו. "ליטוש ספירלי של משטחים גליליים." מכונות, 1963.
3. ISO 18855-94 (ISO 281-89) "מיסבים מתגלגלים - דירוגי עומס דינמי ואורך חיים דירוגי.""
4. ISO 17383-73 "גלגלות לרצועות הנעה שטוחות"."
5. ISO 1940-1-2007 "רטט. דרישות לאיכות האיזון של רוטורים קשיחים.""
6. ISO 20076-2007 "נהלי אימות דיוק של מכונות איזון"."