מכונות איזון במו ידיכם

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 מעבר למידע נוסף על מערכות המדידה של מכונות איזון, מכסות גם מגוון רחב של נושאים הקשורים למבנה המכונות, לשיטות התקנתן על היסוד, לבחירת כוננים ולהשגת דיוק איזון נאות, 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 היסודי של מכונות איזון Soft Bearing (מעמדים) הוא שיש להן תומכים גמישים יחסית, הבנויים על בסיס מתלים קפיציים, עגלות המותקנות על קפיצים, תומכי קפיץ שטוחים או גליליים וכו'. התדר הטבעי של תומכים אלה נמוך לפחות פי 2-3 מתדר הסיבוב של הרוטור המאוזן המותקן עליהם. דוגמה קלאסית למבנה של תומכי Soft Bearing גמישים ניתן לראות בתומך של מכונת DB-50, שתצלומו 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 (ראו איור 2.6), מכונה זו מספקת אפשרות לאזן טורבינות עם חוסר איזון שיורי שאינו עולה על 0.2 g*mm.

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 ביניים נע אחד או שניים 4. בתומכים 2 ו-3 מותקנות יחידות הציר 5 ו-6, המיועדות להתקנת פיר 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.

איור 2.11 מציגה תמונה של מעמד לאיזון גלגלי ליטוש, שיוצר עבור הייצור הפנימי על ידי פ. אשרין.

איור 2.11. מעמד לאיזון גלגלי ליטוש

המעמד מורכב מהרכיבים העיקריים הבאים:

• לוח 1, המותקן על ארבעה קפיצים גליליים 2;
• מנוע חשמלי 3, שרוטורו משמש גם כציר, שעליו מותקן מנדל 4, המשמש להתקנה ולקיבוע גלגל השחזה על הציר.

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.

איור 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"

בבסיס הדוכן הזה נעשה שימוש גם ב- לוח 1, המותקנים על קפיצים גליליים 2. בלוח 1 מותקנת משאבת ואקום 3, המצוידת במנוע חשמלי משלה המסוגל לשנות את מהירות הסיבוב בטווח רחב שבין 0 ל-60,000 סיבובים לדקה. על גוף המשאבה מותקנים חיישני רטט 4, המשמשים למדידת הרטט בשני מקטעים שונים בגבהים שונים.

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, בתדרי סיבוב תת-קריטיים, חוסר האיזון השיורי של רוטור המשאבה נמוך מסבילות דרגת איכות האיזון העדינה ביותר המוגדרת ב-ISO 21940-11 (לשעבר ISO 1940-1), G0.4 — תוצאת ספסל פנימית השקולה ל-G0.16 נומינלי, המחמיר יותר מכל דרגה המופיעה בתקן.

הרטט השיורי של גוף המשאבה, שנמדד במהלך האיזון במהירויות סיבוב של עד 8,000 סל"ד, אינו עולה על 0.01 מ"מ/שנייה.

מעמדים לאיזון המיוצרים על פי התוכנית שתוארה לעיל יעילים גם לאיזון מנגנונים אחרים, כגון מאווררים. דוגמאות למעמדים המיועדים לאיזון מאווררים מוצגות באיורים 2.13 ו-2.14.

איור 2.13. מעמד לאיזון אימפלרים של מאווררים

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 עם מיסבים קשיחים

מכונות איזון עם מיסבים קשיחים נבדלות ממכונות האיזון עם מיסבים רכים שנדונו קודם לכן בעיצוב התומכים שלהן. התומכים שלהן בנויים בצורת לוחות קשיחים עם חריצים (חתכים) מורכבים. התדרים הטבעיים של תומכים אלה עולים באופן משמעותי (לפחות פי 2-3) על תדר הסיבוב המרבי של הרוטור המואזן במכונה.

מכונות עם מיסבים קשיחים הן רב-תכליתיות יותר ממכונות עם מיסבים רכים, שכן הן מאפשרות בדרך כלל איזון באיכות גבוהה של רוטורים בטווח רחב יותר של מאפייני המסה והממדים שלהם. יתרון חשוב נוסף של מכונות אלה הוא שהן מאפשרות איזון מדויק ביותר של רוטורים במהירויות סיבוב נמוכות יחסית, שיכולות לנוע בטווח של 200–500 סל"ד ומטה.

איור 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).

כדי למדוד את העיוותים היחסיים האמורים, מכונות עם מיסבים קשיחים יכולות להשתמש בחיישני כוח או בחיישני רטט רגישים ביותר מסוגים שונים, לרבות חיישני תזוזה לרטט ללא מגע.

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".

איורים 2.16.א – 2.16.ד 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).

איור 2.16.א. מכונה עם מיסבים קשיחים לאיזון צירים מונעים, מתוצרת N. Obyedkov (מגניטוגורסק)

איור 2.16.ב מציגה תמונה של התומך הקדמי של המכונה עם הציר הקדמי 3, המונע, כפי שצוין קודם, באמצעות רצועת הנעה ממנוע חשמלי א-סינכרוני 4. תומך זה מותקן באופן קשיח על המסגרת.

איור 2.16.ב. תומך ציר קדמי (מוביל).

איור 2.16.ג מציג תמונה של אחד משני התומכים הביניים הניתנים להזזה של המכונה. תומך זה מונח על מסילות 7, מה שמאפשר את תנועתו האורכית לאורך מכווני המסגרת. תומך זה כולל מתקן מיוחד 8, שנועד להתקנה ולכוונון גובהו של המיסב הביניים של ציר ההנעה המאוזן.

איור 2.16.ג. תמיכה נעה ביניים של המכונה

איור 2.16.ד מציג תצלום של תומך הציר האחורי (המונע), אשר, בדומה לתומכים הביניים, מאפשר תנועה לאורך מובילי מסגרת המכונה.

איור 2.16.ד. תומך ציר אחורי (מונע).

כל התומכים שהוזכרו לעיל הם לוחות אנכיים המותקנים על בסיסים שטוחים. בלוחות יש חריצים בצורת T (ראו איור 2.16.ד), המפרידים את התומך לחלק פנימי 9 (קשיח יותר) ולחלק חיצוני 10 (קשיח פחות). ההבדל בקשיחות בין החלק הפנימי לחלק החיצוני של התומך עלול לגרום לעיוות יחסי של חלקים אלה תחת כוחות חוסר האיזון הנובעים מהרוטור המאוזן.

חיישני כוח משמשים בדרך כלל למדידת העיוות היחסי של התומכים במכונות תוצרת בית. דוגמה לאופן התקנת חיישן כוח על תומך של מכונת איזון עם מיסב קשיח מוצגת באיור 2.16.ה. כפי שנראה באיור זה, חיישן הכוח 11 נלחץ כנגד המשטח הצדדי של החלק הפנימי של התומך באמצעות בורג 12, העובר דרך חור הברגה בחלקו החיצוני של התומך.

כדי להבטיח לחץ אחיד של הברגה 12 על פני כל משטח חיישן הכוח 11, מונחת דיסקית שטוחה 13 בינה לבין החיישן.

איור 2.16.ד. דוגמה להתקנת חיישן כוח על תומך.

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.

איור 2.17.א. 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;
• מנוע חשמלי 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 המותקנים אנכית, עם חריצים בצורת T. בחלק העליון של כל תומך יש גלילי תמיכה המיוצרים באמצעות מיסבים מתגלגלים, שעליהם מסתובב הפיר 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. תומך של מכונת Hard Bearing לאיזון פירי בורג עם חיישן כוח

חוסר האיזון השיורי שהושג היה 3552 g*mm (19.2 g ברדיוס של 185 mm) במישור הראשון של הבורג, ו-2220 g*mm (12.0 g ברדיוס של 185 mm) במישור השני. עבור רוטור במשקל 500 kg הפועל בתדירות סיבוב של 3500 RPM, חוסר איזון זה מתאים לדרגה G6.3 לפי ISO 21940-11 (לשעבר ISO 1940-1), העומדת בדרישות שנקבעו 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. יסודות תיאורטיים בתכנון מיסבים

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).

מגרפים אלה עולה כי ככל שתדר הסיבוב של הרוטור המאוזן מתקרב לתדר הטבעי של תנודות התומך (כלומר, כאשר היחס fp/fo קרוב ל-1), חלה עלייה משמעותית במשרעת הקשורה לתנודות התהודה של התומך (ראו איור 3.1.א). במקביל, גרף 3.1.ב מראה שבאזור התהודה, יש שינוי חד בזווית הפאזה ∆F°, שיכולה להגיע עד 180°.

במילים אחרות, בעת איזון כל מנגנון באזור התהודה, אפילו שינויים קלים בתדר הסיבוב שלו עלולים לגרום לחוסר יציבות משמעותי בתוצאות המדידה של משרעת ופאזה של התנודה שלו, מה שמוביל לשגיאות בחישוב הפרמטרים של משקלי התיקון ומשפיע לרעה על איכות האיזון.

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.

איור 3.1. גרפים המציגים את השינויים במשרעת ובפאזה היחסיות של תנודות תומך מכונת האיזון כפונקציה של שינויים בתדר הסיבוב.

• Ад – משרעת התנודות הדינמיות של התומך;
• e = m*r / M - חוסר איזון ספציפי של הרוטור המאוזן;
• m – חוסר איזון במסת הרוטור;
• M – מסת הרוטור;
• r – הרדיוס שבו ממוקמת המסה הלא מאוזנת על הרוטור;
• fp – תדירות הסיבוב של הרוטור;
• fo – תדר התנודות הטבעי של התומך

לאור המידע שהוצג, לא מומלץ להפעיל את המכונה באזור התהודה של תומכיה (המסומן באדום באיור 3.1). הגרפים המוצגים באיור 3.1 מראים גם כי עבור אותם חוסר איזון של הרוטור, הרטט בפועל בתומכי המכונה עם מיסבים רכים נמוך משמעותית מזה המופיע בתומכי המכונה עם מיסבים קשיחים.

מכאן נובע כי חיישנים המשמשים למדידת תנודות בתומכים במכונות לאיזון עם מיסבים קשיחים חייבים להיות בעלי רגישות גבוהה יותר מאלה המשמשים במכונות לאיזון עם מיסבים רכים. מסקנה זו נתמכת היטב על ידי הפרקטיקה בפועל של השימוש בחיישנים, המראה כי חיישני תנודה מוחלטים (מד-תאוצות ו/או חיישני מהירות תנודה), המשמשים בהצלחה במכונות לאיזון עם מיסבים רכים, לעיתים קרובות אינם מצליחים להשיג את איכות האיזון הנדרשת במכונות לאיזון עם מיסבים קשיחים.

במכונות אלה מומלץ להשתמש בחיישני רטט יחסיים, כגון חיישני כוח או חיישני תזוזה רגישים במיוחד.

3.1.2. הערכת התדרים הטבעיים של תומכים באמצעות שיטות חישוב

מתכנן יכול לבצע חישוב משוער (אומדן) של תדר התהודה הטבעי של תומך באמצעות הנוסחה 3.1, על ידי התייחסות אליו, באופן פשטני, כאל מערכת תנודה בעלת דרגת חופש אחת, אשר (ראו איור 2.19.א) מיוצגת על ידי מסה M, המתנודדת על קפיץ בעל קשיחות K.

ניתן לאמוד את המסה M המשמשת בחישוב עבור רוטור סימטרי בין-מיסבים באמצעות הנוסחה 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.

קשיחות K של התומך מחושבת באמצעות הנוסחה 3.3, בהתבסס על תוצאות מחקרים ניסויים הכוללים מדידת העיוות ΔL של התומך כאשר הוא נתון לעומס כוח סטטי P (ראו איורים 3.2.א ו-3.2.ב).

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

ניתן למדוד את עוצמת כוח העומס P באמצעות מכשיר למדידת כוח (למשל, דינמומטר). תזוזה התומך ΔL נקבעת באמצעות מכשיר למדידת תזוזות ליניאריות (למשל, מד מחוג).

3.1.3. שיטות ניסוייות לקביעת תדרי התהודה הטבעיים של תומכים

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. קביעת התדרים הטבעיים של תומכים בשיטת עירור באמצעות פגיעה

שיטת ההפעלה באמצעות פגיעה היא הדרך הפשוטה והנפוצה ביותר לקביעת תדר התנודה הטבעי של תומך או של כל רכיב מכונה אחר. שיטה זו מבוססת על העובדה שכאשר מפעילים באמצעות פגיעה כל עצם, כגון פעמון (ראו איור 3.3), התגובה שלו מתבטאת בתגובת תנודה הדועכת בהדרגה. תדר האות התנודתי נקבע על ידי המאפיינים המבניים של האובייקט ותואם לתדר התנודות הטבעיות שלו. לצורך עירור תנודות באמצעות פגיעה, ניתן להשתמש בכל כלי כבד, כגון פטיש גומי או פטיש רגיל.

איור 3.3. תרשים של עירור באמצעות פגיעה המשמש לקביעת התדרים הטבעיים של עצם

מסת הפטיש צריכה להיות כ-10% ממסת האובייקט שעובר את הבדיקה. כדי ללכוד את תגובת הרטט, יש להתקין חיישן רטט על האובייקט הנבדק, כאשר ציר המדידה שלו מכוון בכיוון של גירוי הפגיעה. במקרים מסוימים, ניתן להשתמש במיקרופון ממכשיר למדידת רעש כחיישן לקליטת תגובת הרטט של האובייקט.

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.

איור 3.5. ממשק התוכנה המציג גרפים של פונקציות זמן וספקטרום של תנודות פגיעה דועכות במבנה הנבדק

ניתוח גרף הספקטרום המוצג באיור 3.5 (ראו החלק התחתון של חלון העבודה) מראה כי המרכיב העיקרי בתנודות הטבעיות של המבנה הנבדק, שנקבע ביחס לציר ה-x של הגרף, מתרחש בתדר של 9.5 הרץ. ניתן להמליץ על שיטה זו למחקרים העוסקים בתנודות הטבעיות של תומכי מכונות איזון הן עם מיסבים רכים והן עם מיסבים קשיחים.

3.1.3.2. קביעת תדרי התנודה הטבעיים של התומכים במצב נסיעה בהילוך סרק

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.

במקרה זה, ניתן לקבוע את תדרי התהודה של התומכים על סמך שני מאפיינים:

• על ידי עלייה מקומית במשרעת התנודה שנצפתה באזורי התהודה;
• על ידי שינוי חד (עד 180°) בשלב התנודה שנצפה באזור קפיצת המשרעת.

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.

יש לציין כי, מסיבות מובנות (ראו סעיף 3.1.1), ניתן להשתמש בשיטה לזיהוי התדרים הטבעיים של התומכים בהרצה חופשית רק במקרה של מחקר מכונות איזון עם מיסבים רכים, שבהן תדרי העבודה של סיבוב הרוטור עולים באופן משמעותי על התדרים הטבעיים של התומכים בכיוון הרוחבי.

במקרה של מכונות עם מיסבים קשיחים, שבהן תדרי העבודה של סיבוב הרוטור המעוררים את תנודות התומכים בהרצה חופשית נמוכים משמעותית מהתדרים הטבעיים של התומכים, השימוש בשיטה זו הוא כמעט בלתי אפשרי.

3.1.4. המלצות מעשיות לתכנון וייצור תומכים למכונות איזון

3.1.2. חישוב תדרי התהודה הטבעיים של תומכים בשיטות חישוביות

ניתן לבצע חישובים של תדרי התהודה של תומכים באמצעות שיטת החישוב שנדונה לעיל בשני כיוונים:

• בכיוון הרוחבי של התומכים, המשתלב עם כיוון המדידה של תנודותיהם הנגרמות מכוחות חוסר האיזון של הרוטור;
• בכיוון הציר, המקביל לציר הסיבוב של הרוטור המאוזן המותקן על תומכי המכונה.

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. מכונות עם מיסבים רכים וקפיצי לוח שטוחים

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.

השיטות להתאמת תדרי התנודה הטבעיים של תומכים המותקנים על קפיצים שטוחים הן ברורות. התאמה זו ניתנת להשגה באמצעות שינוי הממדים הגיאומטריים או הצורה של הקפיצים השטוחים, למשל על ידי כרסום חריצים אורכיים או רוחביים המפחיתים את קשיחותם.

כפי שצוין לעיל, ניתן לאמת את תוצאות ההתאמה הזו על ידי זיהוי תדרי התנודה הטבעיים של התומכים, באמצעות השיטות המתוארות בסעיפים 3.1.3.1 ו-3.1.3.2.

איור 3.6 מציג גרסה קלאסית של עיצוב התומך על קפיצים שטוחים, ששימש באחת המכונות של א. סיניצין. כפי שמוצג באיור, התומך כולל את הרכיבים הבאים:

• לוח עליון 1;
• שני קפיצים שטוחים 2 ו-3;
• הלוח התחתון 4;
• תושבת עצירה 5.

איור 3.6. וריאציות בתכנון תומך על קפיצים שטוחים

ניתן להשתמש בלוח העליון 1 של התומך כדי להרכיב את הציר או מיסב ביניים. בהתאם לייעוד התומך, ניתן לחבר את הלוח התחתון 4 באופן קשיח למסילות המכונה או להתקין אותו על מגלשים נעים, דבר המאפשר לתומך לנוע לאורך המסילות. התושבת 5 משמשת להתקנת מנגנון נעילה לתומך, המאפשר לקבע אותו בבטחה במהלך ההאצה וההאטה של הרוטור המאוזן.

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.

איור 3.7. מכונה לאיזון רוטורים של מנועים חשמליים, במצב מורכב, שפותחה על ידי א. מוקוב.

איור 3.8. מכונה לאיזון רוטורים של משאבות טורבו, שפותחה על ידי ג. גלאזוב (בישקק)

3.1.4.2. תומכי מכונות עם מיסבים רכים ומתלים על קפיצי רצועה

בעת תכנון קפיצי רצועה המשמשים לתמיכת מתלים, יש להקפיד על בחירת העובי והרוחב של רצועת הקפיץ, אשר מצד אחד חייבת לעמוד בעומס הסטטי והדינמי של הרוטור על התומך, ומצד שני, חייבת למנוע את האפשרות של תנודות פיתול במתלה התומך, המתבטאות בסטייה צירית.

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 Hard Bearing לאיזון אוגרים.

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. תומכי מכונה בעלי תמיכה רכה המיוצרים באמצעות קפיצים גליליים

דוגמה למכונת איזון עם תמוכות רכות, שבה נעשה שימוש בקפיצי דחיסה גליליים בתכנון התמוכות, מוצגת באיור 3.9. החיסרון העיקרי של פתרון תכנוני זה קשור לדרגות השונות של עיוות הקפיצים בתמוכות הקדמית והאחורית, המתרחש כאשר העומסים על התמוכות אינם שווים במהלך איזון רוטורים א-סימטריים. זה מוביל באופן טבעי לחוסר יישור של התומכים ולעיוות ציר הרוטור במישור האנכי. אחת התוצאות השליליות של פגם זה עשויה להיות הופעת כוחות הגורמים לרוטור לזוז צירית במהלך הסיבוב.

איור 3.9. גרסת מבנה תמיכה עם מיסבים רכים למכונות איזון המשתמשות בקפיצים גליליים.

3.1.4.4. תומכי מיסבים קשים למכונות

איור 3.10. שרטוט של תומך מיסב קשיח למכונת איזון

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.

איור 3.11. תומכי מיסבים קשיחים למכונת איזון, מתוצרת A. Sinitsyn

איור 3.12. תומך מיסב קשיח למכונת איזון, מתוצרת 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. מכלולים תומכים של מכונות איזון

3.2.1. סוגי המכלולים התומכים העיקריים

בתהליך הייצור של מכונות איזון למסבים קשיחים ולמסבים רכים כאחד, ניתן להמליץ על סוגי מתקני התמיכה הידועים הבאים, המשמשים להתקנה ולסיבוב של רוטורים מאוזנים על גבי תומכים, ובכללם:

• מכלולי תמיכה פריזמטיים;
• מכלולים תומכים עם גלילים מסתובבים;
• מכלולים לתמיכת ציר.

3.2.1.1. מכלולי תמיכה פריזמטיים

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. גרסת ביצוע של מכלול תמיכה פריזמטי, המשמש במכונת איזון לטורבינות לרכב

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. מכלולי תמיכה עם גלילים

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.

איור 3.15. דוגמה לתכנון מכלול תמיכה לגלגלים

איור 3.16. דוגמה לתכנון מכלול תמיכה בגלגלים עם שני מיסבים מתגלגלים

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.

איור 3.17. דוגמה לתכנון מכלול תמיכה עם גלילים בעלי יישור עצמי

כפי שצוין קודם, למכלולי תמיכת הגלילים יש בדרך כלל דרישות גבוהות למדי בכל הנוגע לדיוק הייצור ולקשיחות. בפרט, הסטיות המותרות שנקבעו עבור הסטייה הרדיאלית של הגלילים אינן אמורות לעלות על 3–5 מיקרון.

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. מכלולי תמיכה בציר

בעת איזון רוטורים עם חיבור אוגן (למשל, צירים קרדניים) במכונות איזון, נעשה שימוש בצירים כמכלולים תומכים לצורך מיקום, הרכבה וסיבוב של המוצרים המאוזנים.

צירים הם אחד המרכיבים המורכבים והחשובים ביותר במכונות איזון, והם אחראים במידה רבה להשגת איכות האיזון הנדרשת.

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.

בין הדרישות העיקריות שיש לקחת בחשבון בתכנון ובייצור צירים למכונות איזון, יש לתת עדיפות לדרישות הבאות:

א) מתן קשיחות גבוהה למבנה מכלול הציר, שתספיק למניעת עיוותים בלתי מקובלים העלולים להתרחש תחת השפעת כוחות חוסר האיזון של הרוטור המאוזן;

ב) הבטחת יציבות מיקום ציר הסיבוב של הציר, המתאפיינת בערכים המותרים של סטיות רדיאליות, ציריות וציריות של הציר;

ג) הבטחת עמידות נאותה בפני שחיקה של צווארי הציר, וכן של משטחי ההושבה והתמיכה המשמשים להרכבת מוצרים מאוזנים.

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

בפרט, קיימות מתודולוגיות לבדיקת הקשיחות ודיוק הסיבוב של צירים, המלצות לבחירת מיסבים, בחירת חומר הציר ושיטות להקשחתו, וכן מידע שימושי רב נוסף בנושא זה.

בעבודה [1] מצוין כי בתכנון צירים עבור רוב סוגי מכונות החיתוך למתכת נעשה בעיקר שימוש בסכמה דו-מיסבית.

דוגמה לגרסת תכנון של מערך בעל שני מיסבים כזה, המשמש בצירים של מכונות כרסום (פרטים ניתן למצוא בעבודה [1]), מוצגת באיור 3.18.

תכנית זו מתאימה מאוד לייצור צירים למכונות איזון, ודוגמאות לגרסאות עיצוב שונות מוצגות להלן באיורים 3.19–3.22.

איור 3.18. שרטוט של ציר מכונת כרסום בעל שני מיסבים

איור 3.19 מציג אחת מגרסאות התכנון של מכלול הציר הקדמי של מכונת איזון, המסתובב על שני מיסבים רדיאליים-דחיפה, שלכל אחד מהם בית נפרד משלו 1 ו-2. על ציר הציר 3 מותקנים אוגן 4, המיועד להרכבה באמצעות אוגן של פיר קרדן, וגלגלת 5, המשמשת להעברת סיבוב למנוע הציר מהמנוע החשמלי באמצעות הנעה באמצעות רצועת V.

איור 3.19. דוגמה לתכנון ציר על שני תומכי מיסבים נפרדים

איורים 3.20 ו-3.21 מציגים שני עיצובים דומים מאוד של מכלולי ציר מוביל. בשני המקרים, מיסבי הציר מותקנים בתוך בית משותף 1, הכולל חור צירי עובר הדרוש להתקנת פיר הציר. בכניסה וביציאה של חור זה, הבית כולל חורים מיוחדים (שאינם מופיעים באיורים), שנועדו לאכלס מיסבי דחיפה רדיאליים (גלגלים או כדורים) ומכסי אוגן מיוחדים 5, המשמשים לאבטחת הטבעות החיצוניות של המיסבים.

איור 3.20. דוגמה 1 לתכנון ציר מוביל על שני תומכי מיסבים המותקנים בתוך בית משותף

איור 3.21. דוגמה 2 לתכנון ציר מוביל על שני תומכי מיסבים המותקנים בתוך בית משותף

כמו בגרסה הקודמת (ראו איור 3.19), מותקנים על ציר הציר לוחית פנים 2, המיועדת להרכבה באמצעות אוגן של פיר ההינע, וגלגלת 3, המשמשת להעברת סיבוב לציר מהמנוע החשמלי באמצעות הנעת רצועה. כמו כן מקובע על ציר הציר לימב 4, המשמש לקביעת המיקום הזוויתי של הציר בעת התקנת משקולות בדיקה ותיקון על הרוטור במהלך האיזון.

איור 3.22. דוגמה לתכנון ציר מונע (אחורי)

איור 3.22 מציג גרסת תכנון של מכלול הציר המונע (האחורי) של מכונה, הנבדלת מהציר הקדמי אך ורק בהיעדר גלגל ההנעה והזרוע, שכן אין בהם צורך.

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

כפי שנראה ב- איורים 3.20 – 3.22, מכלולי הציר שהוזכרו לעיל מחוברים לתומכי ה-Soft Bearing של מכונות האיזון באמצעות מהדקים מיוחדים (רצועות) 6. ניתן להשתמש גם בשיטות חיבור אחרות במידת הצורך, תוך הקפדה על קשיחות נאותה ודיוק במיקום מכלול הציר על התומך.

איור 3.23 ממחיש עיצוב של הרכבה באמצעות אוגן הדומה לזה של הציר, אשר ניתן להשתמש בו לצורך התקנתו על תומך בעל מיסב קשיח במכונת איזון.

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):

כאשר:

• Y - תזוזה אלסטית של הציר בקצה קונסולת הציר, ס"מ;
• P - עומס מחושב הפועל על קונסולת הציר, ק"ג;
• א - תמיכה אחורית של הציר;
• B - תמיכת מיסב קדמית של הציר;
• g - אורך קונסולת הציר, ס"מ;
• c - 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:

כאשר:

• ∆ 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 spindle ובחירת גדלי מסבים, מומלץ להעריך מראש את העמידות ואת כושר העומס של המסבים. ניתן לפרט את המתודולוגיה לביצוע חישובים אלה ב-ISO 281 "Rolling Bearings - Dynamic Load Ratings and Rating Life" [3], וכן במספר רב של ספרי עזר למסבים מתגלגלים (כולל דיגיטליים).

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 רצועת V או רצועה משוננת אינו רצוי, משום שהן עלולות להפעיל עומסים דינמיים נוספים על ה-spindle בשל אי-דיוקים גיאומטריים ברצועות ובגלגלות, מה שעלול בתורו לגרום לשגיאות מדידה נוספות במהלך האיזון. הדרישות המומלצות לגלגלות עבור רצועות הנעה שטוחות מפורטות בתקן הלאומי GOST 17383-73 "Pulleys for flat drive belts" [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:

• שימוש בחיישני רטט בעלי מקדם המרה גבוה של האות;
• שימוש בחיישני זווית פאזה לייזר מודרניים;
• פיתוח (או שימוש) בחומרה המאפשרת הגברה והמרה דיגיטלית של אותות חיישנים (עיבוד אותות ראשוני);
• 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. בחירת חיישני רטט

במערכות המדידה של מכונות איזון ניתן להשתמש בסוגים שונים של חיישני רטט (מתמרים), ביניהם:

• חיישני תאוצת רטט (אקסלרומטרים);
• חיישני מהירות רטט;
• חיישני תזוזה ותנודה;
• חיישני כוח.

4.1.1. חיישני תאוצת רטט

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".

איור 4.1. מדי תאוצה פיזואלקטריים DN 3M1 ו-DN 3M1V6

כדי לחבר חיישנים מסוג זה למכשירי מדידה ולמערכות למדידת רעידות, יש להשתמש במגברי טעינה חיצוניים או מובנים.

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

יש לציין כי חיישנים אלה, הכוללים את לוחות השוק הנפוצים של מד-תאוצה קיבולי ADXL 345 (ראו איור 4.3), מציעים מספר יתרונות משמעותיים על פני מד-תאוצה פיזואלקטריים. באופן ספציפי, הם זולים פי 4 עד 8, תוך שמירה על מאפיינים טכניים דומים. יתר על כן, הם אינם מצריכים שימוש במגברי טעינה יקרים ומורכבים, הנדרשים עבור מד-תאוצה פיזואלקטריים.

במקרים שבהם נעשה שימוש בשני סוגי האקסלרומטרים במערכות המדידה של מכונות האיזון, מתבצע בדרך כלל שילוב חומרה (או שילוב כפול) של אותות החיישנים.

איור 4.2. מד-תאוצה קיבולי AD 1, מורכב.

איור 4.3. לוח מד תאוצה קיבולי ADXL 345.

במקרה זה, האות הראשוני מהחיישן, שהוא פרופורציונלי לתאוצת הרטט, מומר בהתאם לאות שהוא פרופורציונלי למהירות הרטט או לתזוזה. תהליך האינטגרציה הכפולה של אות הרטט רלוונטי במיוחד בעת שימוש במאיצים כחלק ממערכות המדידה של מכונות איזון במהירות נמוכה, שבהן טווח תדרי הסיבוב הנמוך של הרוטור במהלך האיזון עשוי להגיע ל-120 סל"ד ומטה. בעת שימוש במאיצים קיבוליים במערכות המדידה של מכונות איזון, יש לקחת בחשבון כי לאחר האינטגרציה, האותות שלהם עשויים להכיל הפרעות בתדר נמוך, המתבטאות בטווח התדרים שבין 0.5 ל-3 הרץ. דבר זה עלול להגביל את טווח התדרים הנמוך של האיזון במכונות המיועדות לשימוש בחיישנים אלה.

4.1.2. חיישני מהירות רטט

4.1.2.1. חיישני מהירות רטט אינדוקטיביים.

חיישנים אלה כוללים סליל אינדוקטיבי וליבה מגנטית. כאשר הסליל רוטט ביחס לליבה נייחת (או הליבה ביחס לסליל נייח), נוצר כוח אלקטרומגנטי (EMF) בסליל, שהמתח שלו עומד ביחס ישר למהירות התנודה של האלמנט הנע של החיישן. מקדמי ההמרה (Кпр) של חיישנים אינדוקטיביים הם בדרך כלל גבוהים למדי, ומגיעים לעשרות או אפילו מאות mV/mm/sec. בפרט, מקדם ההמרה של חיישן Schenck דגם T77 הוא 80 mV/mm/sec, ואילו עבור חיישן IRD Mechanalysis דגם 544M, הוא 40 mV/mm/sec. במקרים מסוימים (למשל, במכונות איזון של Schenck), נעשה שימוש בחיישני מהירות רטט אינדוקטיביים מיוחדים ורגישים ביותר עם מגבר מכני, שבהם Кпр יכול לעלות על 1000 mV/mm/sec. אם נעשה שימוש בחיישני מהירות רטט אינדוקטיביים במערכות המדידה של מכונות איזון, ניתן לבצע גם שילוב חומרה של האות החשמלי הפרופורציונלי למהירות הרטט, ולהמיר אותו לאות פרופורציונלי לתזוזה הרטטית.

איור 4.4. חיישן מדגם 544M מתוצרת IRD Mechanalysis.

איור 4.5. חיישן מדגם T77 מתוצרת Schenck

יש לציין כי בשל העלות הגבוהה של ייצורם, חיישני מהירות תנודה אינדוקטיביים הם מוצרים נדירים ויקרים למדי. לפיכך, למרות היתרונות הברורים של חיישנים אלה, יצרנים חובבים של מכונות איזון משתמשים בהם לעיתים רחוקות מאוד.

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. היתרונות הברורים של חיישן זה כוללים:

• טווח פעולה רחב, המאפשר מדידת תדר סיבוב הרוטור בין 2.5 ל-99,999 סיבובים לדקה, ברזולוציה של לא פחות מסיבוב אחד;
• תצוגה דיגיטלית;
• קלות ההכנה של מד הסל"ד למדידות;
• מחיר סביר ועלות שוק נמוכה;
• הפשטות היחסית של השינוי הנדרש לשילוב במערכת המדידה של מכונת איזון.

איור 4.12: מד מהירות לייזר דגם 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. אינטגרציה

כפי שצוין קודם לכן, אינטגרציית חומרה ו/או אינטגרציה כפולה של אותות חיישני רטט מומלצות במערכות המדידה של מכונות איזון. כך ניתן להפוך את אות מד התאוצה הראשוני, הפרופורציונלי לתאוצת הרטט, לאות הפרופורציונלי למהירות הרטט (אינטגרציה) או להעתק הרטט (אינטגרציה כפולה). באופן דומה, ניתן להפוך לאחר אינטגרציה גם את אות חיישן מהירות הרטט לאות הפרופורציונלי להעתק הרטט.

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.

איור 4.6. חיישן מדגם AV02 מתוצרת ZETLAB (רוסיה)

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

חיישנים מסוג זה מיוצרים על ידי יצרנים שונים (מקומיים וזרים כאחד) ונמצאים כיום בשימוש נרחב, במיוחד בציוד נייד לניטור רעידות. עלותם של חיישנים אלה גבוהה למדי, ויכולה להגיע ל-20,000 עד 30,000 רובל ליחידה, אפילו אצל יצרנים מקומיים.

4.1.3. חיישני תזוזה

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.

איור 4.8. חיישן תזוזה אינדוקטיבי מדגם ISAN E41A מתוצרת TEKO (רוסיה)

4.1.4. חיישני כוח

כפי שצוין לעיל, חיישני כוח משמשים במערכות המדידה המותקנות במכונות איזון עם מיסבים קשיחים. חיישנים אלה, בעיקר בשל פשטות ייצורם ועלותם הנמוכה יחסית, הם לרוב חיישני כוח פיזואלקטריים. דוגמאות לחיישנים מסוג זה מוצגות באיורים 4.9 ו-4.10.

איור 4.9. חיישן כוח SD 1 מתוצרת Kinematika LLC

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

חיישני כוח מסוג מד-מאמץ, המיוצרים על ידי מגוון רחב של יצרנים מקומיים וזרים, יכולים לשמש גם למדידת עיוותים יחסיים בתומכים של מכונות איזון מסוג Hard Bearing.

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 מציגים דוגמאות לשימוש במיטות מחרטה, שעל בסיסן יוצרו מכונת Hard Bearing ייעודית לאיזון אוגרים ומכונת איזון Soft Bearing אוניברסלית לרוטורים גליליים. עבור יצרני עשה זאת בעצמך, פתרונות כאלה מאפשרים ליצור מערכת תמיכה קשיחה למכונת האיזון במינימום זמן ועלות, שעליה ניתן להרכיב מעמדי תמיכה מסוגים שונים (הן Hard Bearing והן Soft Bearing). המשימה העיקרית של היצרן במקרה זה היא להבטיח (ולהשיב במידת הצורך) את הדיוק הגיאומטרי של מדריכי המכונה שעליהם יתבססו מעמדי התמיכה. בתנאי ייצור של עשה זאת בעצמך, משתמשים בדרך כלל בגירוד עדין כדי להשיב 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 ISO 21940-21 (לשעבר ISO 2953)

ISO 21940-21 (לשעבר ISO 2953) מספק נהלים סטנדרטיים לאימות הדיוק של מכונת איזון באמצעות רוטורי בדיקה מכוילים. נהלים אלה מסייעים לאמת את 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 281 "Rolling Bearings - Dynamic Load Ratings and Rating Life."
4. GOST 17383-73 (תקן לאומי) "Pulleys for flat drive belts."
5. ISO 21940-11 (לשעבר ISO 1940-1) "Mechanical vibration - Rotor balancing - Part 11: Procedures and tolerances for rotors with rigid behaviour."
6. ISO 21940-21 (לשעבר ISO 2953) "Mechanical vibration - Rotor balancing - Part 21: Description and evaluation of balancing machines."