Forfatter av artikkelen : Feldman Valerij Davidovitsj
Redaktør og oversettelse : Nikolai Andreevich Shelkovenko og chatGPT
Balansere maskiner med egne hender
Innholdsfortegnelse
Avsnitt | Side |
|---|---|
1. Innledning | 3 |
2. Typer av balanseringsmaskiner (stativer) og deres konstruksjonsegenskaper | 4 |
2.1. Mykbærende maskiner og stativer | 4 |
2.2. Maskiner med harde lagre | 17 |
3. Krav til konstruksjon av grunnleggende enheter og mekanismer i balanseringsmaskiner | 26 |
3.1. Lager | 26 |
3.2. Lagerenheter i balanseringsmaskiner | 41 |
3.3. Sengerammer | 56 |
3.4. Drivverk for balanseringsmaskiner | 60 |
4. Målesystemer for balanseringsmaskiner | 62 |
4.1. Valg av vibrasjonssensorer | 62 |
4.2. Fasevinkelsensorer | 69 |
4.3. Funksjoner ved behandling av signaler fra vibrasjonssensorer | 71 |
4.4. Funksjonsskjema for målesystemet til balanseringsmaskinen "Balanset 2". | 76 |
4.5. Beregning av parametere for korreksjonsvekter som brukes i rotorbalansering | 79 |
4.5.1. Oppgaven med å balansere dobbeltbærende rotorer og metoder for å løse den | 80 |
4.5.2. Metodikk for dynamisk balansering av flerbærende rotorer | 83 |
4.5.3. Kalkulatorer for balansering av flerbærende rotorer | 92 |
5. Anbefalinger for kontroll av balanseringsmaskiners funksjon og nøyaktighet | 93 |
5.1. Kontroll av maskinens geometriske nøyaktighet | 93 |
5.2. Kontroll av maskinens dynamiske egenskaper | 101 |
5.3. Kontroll av målesystemets funksjonsdyktighet | 103 |
5.4. Kontroll av maskinens nøyaktighetsegenskaper i henhold til ISO 20076-2007 | 112 |
Litteratur | 119 |
Vedlegg 1: Algoritme for beregning av balanseringsparametere for tre støtteaksler | 120 |
Vedlegg 2: Algoritme for beregning av balanseringsparametere for fire støtteaksler | 130 |
Vedlegg 3: Veiledning i bruk av balanseringskalkulatoren | 146 |
1. Innledning (Hvorfor var det behov for å skrive dette verket?).
En analyse av forbruksstrukturen for balanseringsutstyr produsert av LLC "Kinematics" viser at ca. 30% av dem kjøpes for bruk som stasjonære måle- og beregningssystemer for balanseringsmaskiner og/eller stativer. Det er mulig å identifisere to grupper av forbrukere (kunder) av utstyret vårt.
Den første gruppen omfatter bedrifter som spesialiserer seg på masseproduksjon av balanseringsmaskiner og salg til eksterne kunder. Disse bedriftene har høyt kvalifiserte spesialister med inngående kunnskap om og lang erfaring med design, produksjon og drift av ulike typer balanseringsmaskiner. Utfordringene som oppstår i samspillet med denne kundegruppen, er som oftest knyttet til å tilpasse målesystemene og programvaren vår til eksisterende eller nyutviklede maskiner, uten å ta hensyn til problemer med den strukturelle utførelsen.
Den andre gruppen består av forbrukere som utvikler og produserer maskiner (stativer) for egne behov. Denne tilnærmingen skyldes i hovedsak uavhengige produsenters ønske om å redusere sine egne produksjonskostnader, som i noen tilfeller kan reduseres med to til tre ganger eller mer. Denne gruppen forbrukere mangler ofte erfaring med å lage maskiner og baserer seg vanligvis på sunn fornuft, informasjon fra Internett og tilgjengelige analoger.
Samspillet med dem reiser mange spørsmål, som i tillegg til tilleggsinformasjon om målesystemene til balanseringsmaskiner, dekker et bredt spekter av spørsmål knyttet til den strukturelle utførelsen av maskinene, metoder for installasjon på fundamentet, valg av drivverk, oppnåelse av riktig balanseringsnøyaktighet osv.
Med tanke på den store interessen som en stor gruppe av våre forbrukere viser for spørsmål om uavhengig produksjon av balanseringsmaskiner, har spesialister fra LLC "Kinematics" utarbeidet en samling med kommentarer og anbefalinger til de vanligste spørsmålene.
2. Typer av balanseringsmaskiner (stativer) og deres konstruksjonsegenskaper
En balanseringsmaskin er en teknologisk innretning som er utviklet for å eliminere statisk eller dynamisk ubalanse i rotorer til ulike formål. Den inneholder en mekanisme som akselererer den balanserte rotoren til en spesifisert rotasjonsfrekvens, og et spesialisert måle- og beregningssystem som bestemmer massene og plasseringen av korrigerende vekter som kreves for å kompensere for rotorens ubalanse.
Konstruksjonen av den mekaniske delen av maskinen består vanligvis av en sengeramme som det er montert støttestolper (lagre) på. Disse brukes til å montere det balanserte produktet (rotoren) og inkluderer en drivenhet beregnet på å rotere rotoren. Under balanseringsprosessen, som utføres mens produktet roterer, registrerer målesystemets sensorer (hvis type avhenger av maskinens konstruksjon) enten vibrasjoner i lagrene eller krefter i lagrene.
Dataene som innhentes på denne måten, gjør det mulig å bestemme massene og monteringsstedene for de korrigerende vektene som er nødvendige for å kompensere for ubalansen.
For tiden er det to typer balanseringsmaskiner (stativer) som er mest utbredt:
2.1. Mykbærende maskiner og stativer Den grunnleggende egenskapen til balanseringsmaskiner (stativer) med myke lagre er at de har relativt fleksible støtter, laget på grunnlag av fjæroppheng, fjærmonterte vogner, flate eller sylindriske fjærstøtter osv. Egenfrekvensen til disse støttene er minst 2-3 ganger lavere enn rotasjonsfrekvensen til den balanserte rotoren som er montert på dem. Et klassisk eksempel på den strukturelle utførelsen av fleksible Soft Bearing-støtter er støtten til maskinmodellen DB-50, som er fotografert i figur 2.1.
Figur 2.1. Støtte for balanseringsmaskinen modell DB-50.
Som vist i figur 2.1 er den bevegelige rammen (glideren) 2 festet til de stasjonære stolpene 1 på støtten ved hjelp av et oppheng på stripefjærer 3. Under påvirkning av sentrifugalkraften forårsaket av ubalansen i rotoren som er installert på støtten, kan vognen (glideren) 2 utføre horisontale svingninger i forhold til den stasjonære stolpen 1, som måles ved hjelp av en vibrasjonssensor.
Den strukturelle utførelsen av denne støtten sikrer en lav egenfrekvens for vognens svingninger, som kan ligge på rundt 1-2 Hz. Dette gjør det mulig å balansere rotoren over et bredt spekter av rotasjonsfrekvenser, fra 200 RPM. Denne egenskapen, sammen med den relativt enkle produksjonen av slike støtter, gjør denne konstruksjonen attraktiv for mange av våre kunder som produserer balanseringsmaskiner for ulike formål.
Figur 2.2. Myk lagerstøtte til balanseringsmaskinen, produsert av "Polymer LTD", Makhachkala.
Figur 2.2 viser et fotografi av en Soft Bearing-balanseringsmaskin med støtter laget av fjærer, produsert for interne behov hos "Polymer LTD" i Makhachkala. Maskinen er konstruert for balansering av valser som brukes i produksjonen av polymermaterialer.
Figur 2.3 har et fotografi av en balanseringsmaskin med et lignende båndoppheng for vognen, beregnet på balansering av spesialverktøy.
Figur 2.4.a og 2.4.b viser fotografier av en hjemmelaget Soft Bearing-maskin for balansering av drivaksler, hvis støtter også er laget av fjærbånd.
Figur 2.5 viser et fotografi av en Soft Bearing-maskin som er konstruert for balansering av turboladere, der vognene også er hengt opp på stripefjærer. Maskinen, som er laget for privat bruk av A. Shahgunyan (St. Petersburg), er utstyrt med målesystemet "Balanset 1".
Ifølge produsenten (se fig. 2.6) kan denne maskinen balansere turbiner med en gjenværende ubalanse som ikke overstiger 0,2 g*mm.
Figur 2.3. Myklagermaskin for balansering av verktøy med støtteoppheng på båndfjærer
Figur 2.4.a. Myklagermaskin for balansering av drivaksler (maskin montert)
Figur 2.4.b. Myklagermaskin for balansering av drivaksler med vognstøtter opphengt i båndfjærer. (Ledende spindelstøtte med fjærlistoppheng)
Figur 2.5. Myklagermaskin for balansering av turboladere med støtte på stripefjærer, produsert av A. Shahgunyan (St. Petersburg).
Figur 2.6. Skjermkopi av målesystemet "Balanset 1" som viser resultatene av balanseringen av turbinrotoren på A. Shahgunyans maskin.
I tillegg til den klassiske versjonen av Soft Bearing-balanserende maskinstøtter som er omtalt ovenfor, har også andre strukturelle løsninger blitt utbredt.
Figur 2.7 og 2.8 har fotografier av balanseringsmaskiner for drivaksler, hvis støtter er laget basert på flate (plate) fjærer. Disse maskinene ble produsert for de proprietære behovene til henholdsvis det private foretaket "Dergacheva" og LLC "Tatcardan" ("Kinetics-M").
Myklagerbalanseringsmaskiner med slike støtter blir ofte reprodusert av amatørprodusenter på grunn av deres relative enkelhet og produserbarhet. Disse prototypene er vanligvis enten maskiner i VBRF-serien fra "K. Schenck" eller lignende maskiner fra innenlandsk produksjon.
Maskinene som er vist i figur 2.7 og 2.8 er konstruert for balansering av drivaksler med to, tre og fire støtter. De har en lignende konstruksjon, inkludert:
Figur 2.7. Myklagermaskin for balansering av drivaksler fra det private selskapet "Dergacheva" med støtte på flate fjærer (platefjærer)
Figur 2.8. Myklagermaskin for balansering av drivaksler fra LLC "Tatcardan" ("Kinetics-M") med støtter på flate fjærer.
Det er montert vibrasjonssensorer 8 på alle støttene, som brukes til å måle de tverrgående svingningene i støttene. Den fremre spindelen 5, som er montert på støtte 2, roteres av en elektrisk motor via en remdrift.
Figur 2.9.a og 2.9.b viser fotografier av støtten til balanseringsmaskinen, som er basert på flate fjærer.
Figur 2.9. Støtte for balanseringsmaskin med myke lagre og flate fjærer
Siden amatørprodusenter ofte bruker slike støtter i sine konstruksjoner, er det nyttig å se nærmere på hvordan de er konstruert. Som vist i figur 2.9.a består denne støtten av tre hovedkomponenter:
For å forhindre risikoen for økt vibrasjon av støttene under drift, som kan oppstå under akselerasjon eller retardasjon av den balanserte rotoren, kan støttene inneholde en låsemekanisme (se fig. 2.9.b). Denne mekanismen består av en stiv brakett 5 som kan kobles til en eksentrisk lås 6 som er koblet til en av de flate fjærene på støtten. Når låsen 6 og braketten 5 er i inngrep, er støtten låst, noe som eliminerer risikoen for økt vibrasjon under akselerasjon og retardasjon.
Når maskinprodusenten konstruerer støtter med flate fjærer (platefjærer), må han eller hun vurdere frekvensen av de naturlige svingningene, som avhenger av fjærenes stivhet og massen til den balanserte rotoren. Ved å kjenne til denne parameteren kan konstruktøren bevisst velge rotorenes rotasjonsfrekvenser, og dermed unngå faren for resonanssvingninger i støttene under balansering.
Anbefalinger for beregning og eksperimentell bestemmelse av egensvingningsfrekvenser for støtter og andre komponenter i balanseringsmaskiner diskuteres i kapittel 3.
Som tidligere nevnt er det enkle og enkle å produsere støttekonstruksjonen med flate fjærer (platefjærer) noe som tiltrekker seg amatørutviklere av balanseringsmaskiner til ulike formål, inkludert maskiner for balansering av veivaksler, turboladerotorer i biler osv.
Som et eksempel viser figur 2.10.a og 2.10.b en prinsippskisse av en maskin for balansering av turboladerrotorer. Denne maskinen ble produsert og brukes for interne behov hos LLC "SuraTurbo" i Penza.
2.10.a. Maskin for balansering av turboladerrotorer (sett fra siden)
2.10.b. Maskin for balansering av turboladerrotorer (sett fra den fremre støttesiden)
I tillegg til de tidligere omtalte Soft Bearing-balanseringsmaskinene lages det noen ganger relativt enkle Soft Bearing-stativer. Disse stativene gjør det mulig å balansere roterende mekanismer av høy kvalitet for ulike formål med minimale kostnader.
Nedenfor gjennomgås flere slike stativer som er bygget på basis av en flat plate (eller ramme) på sylindriske trykkfjærer. Disse fjærene er vanligvis valgt slik at den naturlige svingningsfrekvensen til platen med den balanserte mekanismen installert på den er 2 til 3 ganger lavere enn rotasjonsfrekvensen til denne mekanismens rotor under balansering.
Figur 2.11 viser et fotografi av et stativ for balansering av slipeskiver, produsert for den interne produksjonen av P. Asharin.
Figur 2.11. Stativ for balansering av slipeskiver
Stativet består av følgende hovedkomponenter:
En viktig egenskap ved dette stativet er at det inneholder en pulssensor 5 for rotasjonsvinkelen til elektromotorens rotor, som brukes som en del av målesystemet til stativet ("Balanset 2C") for å bestemme vinkelposisjonen for fjerning av korreksjonsmassen fra slipeskiven.
Figur 2.12 viser et bilde av et stativ som brukes til balansering av vakuumpumper. Dette stativet ble utviklet på bestilling av JSC "Measurement Plant".
Figur 2.12. Stativ for balansering av vakuumpumper fra JSC "Measurement Plant".
Grunnlaget for denne standen bruker også Plate 1, montert på sylindriske fjærer 2. På plate 1 er det montert en vakuumpumpe 3, som har en egen elektrisk drivenhet som kan variere turtallet fra 0 til 60 000 o/min. På pumpehuset er det montert vibrasjonssensorer 4 som brukes til å måle vibrasjoner i to ulike seksjoner i forskjellige høyder.
For å synkronisere vibrasjonsmåleprosessen med rotasjonsvinkelen til pumperotoren, brukes en laserfasevinkelsensor 5 på stativet. Til tross for den tilsynelatende enkle ytre konstruksjonen av slike stativer, kan man oppnå balansering av pumpehjulet med svært høy kvalitet.
Ved underkritiske rotasjonsfrekvenser oppfyller for eksempel den gjenværende ubalansen i pumperotoren kravene til balansekvalitetsklasse G0.16 i henhold til ISO 1940-1-2007 "Vibration. Krav til balansekvalitet for stive rotorer. Del 1. Bestemmelse av tillatt ubalanse."
Restvibrasjonen i pumpehuset som oppnås under balansering ved rotasjonshastigheter på opptil 8 000 o/min, overstiger ikke 0,01 mm/sek.
Balanseringsstativer som er produsert i henhold til skjemaet beskrevet ovenfor, er også effektive til å balansere andre mekanismer, for eksempel vifter. Eksempler på stativer for balansering av vifter er vist i figur 2.13 og 2.14.
Figur 2.13. Stativ for balansering av viftehjul
Kvaliteten på viftebalanseringen som oppnås på slike stativer er ganske høy. Ifølge spesialister fra "Atlant-project" LLC ble det oppnådd et restvibrasjonsnivå på 0,8 mm/sek. ved balansering av vifter på det stativet de har designet basert på anbefalinger fra "Kinematics" LLC (se fig. 2.14). Dette er mer enn tre ganger bedre enn toleransen for vifter i kategori BV5 i henhold til ISO 31350-2007 "Vibration. Industrielle vifter. Krav til produsert vibrasjon og balansekvalitet."
Figur 2.14. Stativ for balansering av viftehjul på eksplosjonssikkert utstyr fra "Atlant-project" LLC, Podolsk
Lignende data innhentet ved JSC "Lissant Fan Factory" viser at slike stativer, som brukes i serieproduksjon av kanalvifter, konsekvent sikrer en restvibrasjon som ikke overstiger 0,1 mm/s.
2.2. Maskiner med harde lagre.
Balanseringsmaskiner med harde lagre skiller seg fra de tidligere omtalte maskinene med myke lagre ved utformingen av støttene. Støttene er laget i form av stive plater med intrikate spor (utskjæringer). Egenfrekvensen til disse støttene er betydelig (minst 2-3 ganger) høyere enn den maksimale rotasjonsfrekvensen til rotoren som er balansert på maskinen.
Hard Bearing-maskiner er mer allsidige enn Soft Bearing-maskiner, ettersom de vanligvis muliggjør høykvalitetsbalansering av rotorer over et bredere spekter av masse- og dimensjonsegenskaper. En viktig fordel med disse maskinene er også at de muliggjør høypresisjonsbalansering av rotorer ved relativt lave rotasjonshastigheter, som kan ligge i området 200-500 o/min og lavere.
Figur 2.15 viser et fotografi av en typisk hardlagerbalanseringsmaskin produsert av "K. Schenk". Av denne figuren fremgår det at de enkelte delene av støtten, som består av de intrikate sporene, har varierende stivhet. Under påvirkning av kreftene fra rotorens ubalanse kan dette føre til deformasjoner (forskyvninger) av enkelte deler av støtten i forhold til andre. (I figur 2.15 er den stivere delen av støtten markert med en rød stiplet linje, mens den relativt ettergivende delen er blå).
For å måle de nevnte relative deformasjonene kan Hard Bearing-maskiner bruke enten kraftsensorer eller svært følsomme vibrasjonssensorer av ulike typer, inkludert berøringsfrie vibrasjonssensorer.
Figur 2.15. Maskin for balansering av harde lagre fra "K. Schenk".
Som det fremgår av analysen av forespørsler fra kunder om instrumenter i "Balanset"-serien, har interessen for å produsere hardlagermaskiner til eget bruk vært stadig økende. Dette er muliggjort av den omfattende spredningen av reklameinformasjon om designfunksjonene til innenlandske balanseringsmaskiner, som brukes av amatørprodusenter som analoger (eller prototyper) for deres egen utvikling.
La oss se på noen varianter av Hard Bearing-maskiner som er produsert for interne behov hos en rekke forbrukere av instrumenter i "Balanset"-serien.
Figurer 2.16.a - 2.16.d viser fotografier av en hardlagermaskin designet for balansering av drivaksler, som ble produsert av N. Obyedkov (byen Magnitogorsk). Som det fremgår av fig. 2.16.a, består maskinen av en stiv ramme 1, hvorpå det er montert støtter 2 (to spindler og to mellomstøtter). Maskinens hovedspindel 3 roteres av en asynkron elektrisk motor 4 via en remdrift. En frekvensregulator 6 brukes til å styre rotasjonshastigheten til den elektriske motoren 4. Maskinen er utstyrt med måle- og beregningssystemet "Balanset 4" (5), som omfatter en måleenhet, en datamaskin, fire kraftsensorer og en fasevinkelsensor (sensorer ikke vist i fig. 2.16.a).
Figur 2.16.a. Hardlagermaskin for balansering av drivaksler, produsert av N. Obyedkov (Magnitogorsk).
Figur 2.16.b viser et fotografi av maskinens fremre støtte med den fremre spindelen 3, som, som tidligere nevnt, drives av en remdrift fra en asynkron elektrisk motor 4. Denne støtten er stivt montert på rammen.
Figur 2.16.b. Fremre (ledende) spindelstøtte.
Figur 2.16.c viser et fotografi av en av maskinens to bevegelige mellomstøtter. Denne støtten hviler på glidere 7, slik at den kan beveges i lengderetningen langs rammestyrene. Denne støtten har en spesiell anordning 8 som er utformet for å installere og justere høyden på mellomlageret til den balanserte drivakselen.
Figur 2.16.c. Bevegelig mellomstøtte på maskinen
Figur 2.16.d viser et fotografi av den bakre (drevne) spindelstøtten, som i likhet med mellomstøttene gjør det mulig å bevege seg langs maskinrammens føringer.
Figur 2.16.d. Støtte for bakre (drevet) spindel.
Alle støttene som er omtalt ovenfor, er vertikale plater montert på flate underlag. Platene har T-formede slisser (se fig. 2.16.d) som deler støtten i en indre del 9 (mer stiv) og en ytre del 10 (mindre stiv). Forskjellen i stivhet mellom den indre og den ytre delen av støtten kan føre til relativ deformasjon av disse delene under påvirkning av ubalanse fra den balanserte rotoren.
Kraftsensorer brukes vanligvis til å måle den relative deformasjonen av støttene i hjemmelagde maskiner. Et eksempel på hvordan en kraftsensor monteres på en støtte for en Hard Bearing-balanseringsmaskin er vist i figur 2.16.e. Som det fremgår av figuren, presses kraftsensoren 11 mot sideflaten på den indre delen av støtten ved hjelp av en bolt 12 som går gjennom et gjenget hull i den ytre delen av støtten.
For å sikre et jevnt trykk på bolten 12 over hele planet til kraftsensoren 11, plasseres en flat skive 13 mellom bolten og sensoren.
Figur 2.16.d. Eksempel på montering av kraftsensor på en støtte.
Under drift av maskinen virker ubalansekraften fra den balanserte rotoren gjennom støtteenhetene (spindler eller mellomlager) på den ytre delen av støtten, som begynner å bevege seg syklisk (deformeres) i forhold til den indre delen i takt med rotorens rotasjonsfrekvens. Dette resulterer i en variabel kraft som virker på sensor 11, proporsjonal med ubalansekraften. Under påvirkning av denne genereres det et elektrisk signal som er proporsjonalt med størrelsen på rotorens ubalanse ved utgangen til kraftsensoren.
Signaler fra kraftsensorer, som er montert på alle støtter, mates inn i maskinens måle- og datasystem, der de brukes til å bestemme parametrene for korrigeringsvektene.
Figur 2.17.a. inneholder et fotografi av en høyspesialisert maskin med harde lagre som brukes til å balansere "skrueaksler". Denne maskinen ble produsert for internt bruk hos LLC "Ufatverdosplav".
Som det fremgår av figuren, har maskinens spin-up-mekanisme en forenklet konstruksjon som består av følgende hovedkomponenter:
Figur 2.17.a. Hardlagermaskin for balansering av skrueaksler, produsert av LLC "Ufatverdosplav".
Maskinens støtter 2 er vertikalt monterte stålplater med T-formede spor. Øverst på hver støtte er det montert støtteruller som er produsert med rullelager, og som den balanserte akselen 5 roterer på.
For å måle deformasjonen av støttene som oppstår når rotoren er i ubalanse, brukes kraftsensorer 6 (se fig. 2.17.b) som er montert i sporene på støttene. Disse sensorene er koblet til "Balanset 1"-enheten, som brukes som måle- og beregningssystem på denne maskinen.
Til tross for at maskinens spin-up-mekanisme er relativt enkel, er det mulig å balansere skruene, som har en kompleks spiralformet overflate som vist i fig. 2.17.a., med tilstrekkelig høy kvalitet.
Ifølge LLC "Ufatverdosplav" ble den opprinnelige ubalansen i skruen redusert med nesten 50 ganger på denne maskinen under balanseringsprosessen.
Figur 2.17.b. Maskinstøtte med hardt lager for balansering av skrueaksler med kraftsensor
Den oppnådde restubalansen var 3552 g.mm (19,2 g ved en radius på 185 mm) i det første planet av skruen, og 2220 gmm (12,0 g ved en radius på 185 mm) i det andre planet. For en rotor som veier 500 kg og opererer med en rotasjonsfrekvens på 3500 o/min, tilsvarer denne ubalansen klasse G6.3 i henhold til ISO 1940-1-2007, som oppfyller kravene i den tekniske dokumentasjonen.
S.V. Morozov foreslo et originalt design (se fig. 2.18) som innebærer bruk av en enkelt base for samtidig montering av støtter for to hardlagerbalanseringsmaskiner av ulik størrelse. De åpenbare fordelene med denne tekniske løsningen, som gjør det mulig å minimere produsentens produksjonskostnader, er blant annet:
Figur 2.18. Maskin for balansering av harde lagre ("Tandem"), produsert av S.V. Morozov.