1. Wprowadzenie

(Dlaczego zaistniała potrzeba napisania tej pracy?)

Analiza struktury zużycia urządzeń wyważających produkowanych przez spółkę LLC "Kinematics" (Vibromera) pokazuje, że około 30% z nich jest kupowanych do użytku jako stacjonarne systemy pomiarowo-obliczeniowe do wyważarek i/lub stanowisk. Można wyróżnić dwie grupy odbiorców (klientów) naszego sprzętu.

Pierwsza grupa obejmuje przedsiębiorstwa specjalizujące się w masowej produkcji wyważarek i ich sprzedaży klientom zewnętrznym. Przedsiębiorstwa te zatrudniają wysoko wykwalifikowanych specjalistów posiadających głęboką wiedzę i bogate doświadczenie w projektowaniu, produkcji i obsłudze różnego rodzaju wyważarek. Wyzwania, które pojawiają się w interakcjach z tą grupą konsumentów, są najczęściej związane z dostosowaniem naszych systemów pomiarowych i oprogramowania do istniejących lub nowo opracowanych maszyn, bez zajmowania się kwestiami ich wykonania konstrukcyjnego.

Druga grupa składa się z konsumentów, którzy opracowują i produkują maszyny (stojaki) na własne potrzeby. Podejście to tłumaczy się głównie chęcią niezależnych producentów do obniżenia własnych kosztów produkcji, które w niektórych przypadkach mogą spaść od dwóch do trzech razy lub więcej. Ta grupa konsumentów często nie ma odpowiedniego doświadczenia w tworzeniu maszyn i zazwyczaj polega na zdrowym rozsądku, informacjach z Internetu i wszelkich dostępnych analogach w swojej pracy.

Interakcja z nimi rodzi wiele pytań, które oprócz dodatkowych informacji o układach pomiarowych wyważarek, obejmują szeroki zakres zagadnień związanych z wykonaniem konstrukcyjnym maszyn, sposobami ich montażu na fundamencie, doborem napędów, uzyskaniem odpowiedniej dokładności wyważania itp.

Biorąc pod uwagę duże zainteresowanie, jakim liczna grupa naszych odbiorców cieszy się tematyka samodzielnej produkcji wyważarek, specjaliści z firmy "Kinematics" (Vibromera) przygotowali zestawienie uwag i rekomendacji dotyczących najczęściej zadawanych pytań.

2. Rodzaje wyważarek (stojaków) i ich cechy konstrukcyjne

Wyważarka to urządzenie technologiczne przeznaczone do eliminacji statycznego lub dynamicznego niewyważenia wirników w różnych celach. Zawiera mechanizm, który przyspiesza wyważony wirnik do określonej częstotliwości obrotów, oraz specjalistyczny system pomiarowo-obliczeniowy, który określa masy i rozmieszczenie obciążników korekcyjnych niezbędnych do kompensacji niewyważenia wirnika.

Konstrukcja części mechanicznej maszyny zazwyczaj składa się z ramy nośnej, na której zamontowane są słupy podporowe (łożyska). Służą one do mocowania wyważanego produktu (wirnika) i zawierają napęd przeznaczony do obracania wirnika. Podczas procesu wyważania, który odbywa się podczas obrotu produktu, czujniki układu pomiarowego (ich rodzaj zależy od konstrukcji maszyny) rejestrują drgania w łożyskach lub siły występujące w łożyskach.

Uzyskane w ten sposób dane pozwalają na określenie masy i miejsc montażu obciążników korekcyjnych niezbędnych do skompensowania niewyważenia.

Obecnie najbardziej rozpowszechnione są dwa rodzaje konstrukcji wyważarek (stojaków):

• Maszyny z miękkim łożyskiem (z elastycznymi wspornikami);
• Maszyny z twardym łożyskiem (ze sztywnymi wspornikami).

2.1. Maszyny i stojaki z miękkim łożyskiem

Podstawową cechą wyważarek (stojaków) z miękkim łożyskiem jest to, że mają one stosunkowo elastyczne podpory, wykonane na bazie zawieszeń sprężynowych, wózków sprężynowych, płaskich lub cylindrycznych podpór sprężynowych itp. Częstotliwość drgań własnych tych podpór jest co najmniej 2-3 razy niższa niż częstotliwość obrotowa zamontowanego na nich wyważanego wirnika. Klasycznym przykładem konstrukcyjnego wykonania elastycznych podpór Soft Bearing jest podpora modelu maszyny DB-50, której zdjęcie pokazano na rysunku 2.1.

Rysunek 2.1. Obsługa wyważarki model DB-50.

Jak pokazano na rysunku 2.1, ruchoma rama (suwak) 2 jest przymocowana do nieruchomych słupków 1 wspornika za pomocą zawieszenia na sprężynach taśmowych 3. Pod wpływem siły odśrodkowej spowodowanej niewyważeniem wirnika zainstalowanego na wsporniku, wózek (suwak) 2 może wykonywać poziome oscylacje względem nieruchomego słupka 1, które są mierzone za pomocą czujnika drgań.

Konstrukcja tego wspornika zapewnia osiągnięcie niskiej częstotliwości drgań własnych wózka, która może wynosić około 1-2 Hz. Pozwala to na wyważanie wirnika w szerokim zakresie jego częstotliwości obrotowych, począwszy od 200 obr. Ta cecha, wraz ze względną prostotą produkcji takich wsporników, czyni tę konstrukcję atrakcyjną dla wielu naszych klientów, którzy produkują wyważarki na własne potrzeby o różnym przeznaczeniu.

Rysunek 2.2. Miękkie łożysko podporowe maszyny wyważającej, wyprodukowanej przez "Polymer LTD", Machaczkała

Rysunek 2.2 przedstawia zdjęcie wyważarki do łożysk miękkich z podporami wykonanymi ze sprężyn zawieszenia, wyprodukowanej na własne potrzeby w firmie "Polymer Sp. z o.o." w Machaczkale. Maszyna przeznaczona jest do wyważania rolek stosowanych w produkcji materiałów polimerowych.

Rysunek 2.3 zawiera zdjęcie wyważarki z podobnym zawieszeniem listwowym wózka, przeznaczonej do wyważania specjalistycznych narzędzi.

Rysunki 2.4.a i 2.4.b przedstawiają zdjęcia domowej roboty maszyny Soft Bearing do wyważania wałów napędowych, której wsporniki są również wykonane z taśmowych sprężyn zawieszenia.

Rysunek 2.5 przedstawia fotografię maszyny Soft Bearing przeznaczonej do wyważania turbosprężarek, której podpory wózków są również zawieszone na sprężynach taśmowych. Maszyna, wykonana na prywatny użytek A. Shahgunyana (Sankt Petersburg), jest wyposażona w system pomiarowy "Balanset 1".

Według producenta (patrz rys. 2.6), maszyna ta zapewnia możliwość wyważania turbin z niewyważeniem szczątkowym nieprzekraczającym 0,2 g*mm.

Rysunek 2.3. Maszyna z miękkim łożyskiem do wyważania narzędzi z zawieszeniem podporowym na sprężynach taśmowych

Rysunek 2.4.a. Maszyna z łożyskami miękkimi do wyważania wałów napędowych (maszyna zmontowana)

Rysunek 2.4.b. Maszyna z łożyskami miękkimi do wyważania wałów napędowych ze wspornikami wózka zawieszonymi na sprężynach taśmowych. (Wspornik wrzeciona prowadzącego z zawieszeniem sprężynowym)

Rysunek 2.5. Maszyna z miękkim łożyskiem do wyważania turbosprężarek z podporami na sprężynach taśmowych, wyprodukowana przez A. Shahgunyan (St. Petersburg)

Rysunek 2.6. Kopia ekranu systemu pomiarowego 'Balanset 1' przedstawiająca wyniki wyważania wirnika turbiny na maszynie A. Shahgunyana

Oprócz klasycznej wersji wsporników wyważarki Soft Bearing omówionych powyżej, rozpowszechniły się również inne rozwiązania konstrukcyjne.

Rysunek 2.7 i 2.8 Prezentujemy zdjęcia wyważarek do wałów napędowych, których podpory wykonane są na bazie sprężyn płaskich (płytkowych). Maszyny te zostały wyprodukowane na potrzeby własne przedsiębiorstwa prywatnego "Dergaczowa" i spółki z ograniczoną odpowiedzialnością "Tatkardan" ("Kinetyka-M").

Wyważarki z miękkimi łożyskami z takimi podporami są często reprodukowane przez producentów amatorskich ze względu na ich względną prostotę i łatwość produkcji. Prototypy te to zazwyczaj maszyny serii VBRF firmy K. Schenck lub podobne maszyny produkcji krajowej.

Maszyny pokazane na rysunkach 2.7 i 2.8 są przeznaczone do wyważania wałów napędowych z dwoma, trzema i czterema podporami. Mają one podobną konstrukcję, w tym:

• spawana rama łóżka 1, oparta na dwóch belkach dwuteowych połączonych żebrami poprzecznymi;
• stacjonarny (przedni) wspornik wrzeciona 2;
• ruchomy (tylny) wspornik wrzeciona 3;
• jeden lub dwa ruchome (pośrednie) wsporniki 4. Wsporniki 2 i 3 zawierają jednostki wrzeciona 5 i 6, przeznaczone do montażu wyważonego wału napędowego 7 na maszynie.

Rysunek 2.7. Maszyna z miękkimi łożyskami do wyważania wałów napędowych firmy prywatnej "Dergaczowa" z podporami na sprężynach płaskich (płytkowych)

Rysunek 2.8. Maszyna z miękkimi łożyskami do wyważania wałów napędowych firmy LLC "Tatcardan" ("Kinetics-M") z podporami na sprężynach płaskich

Na wszystkich podporach zainstalowane są czujniki drgań 8, które służą do pomiaru drgań poprzecznych podpór. Wrzeciono prowadzące 5, zamontowane na podporze 2, jest obracane przez silnik elektryczny za pośrednictwem napędu pasowego.

Rysunki 2.9.a i 2.9.b przedstawiają zdjęcia wspornika wyważarki, który jest oparty na płaskich sprężynach.

Rysunek 2.9. Wspornik maszyny do wyważania łożysk miękkich z płaskimi sprężynami

• a) Widok z boku;
• b) Widok z przodu

Biorąc pod uwagę, że amatorscy producenci często używają takich wsporników w swoich projektach, warto przyjrzeć się bardziej szczegółowo cechom ich konstrukcji. Jak pokazano na rysunku 2.9.a, wspornik ten składa się z trzech głównych elementów:

• Dolna płyta nośna 1: W przypadku przedniego wspornika wrzeciona płyta jest sztywno przymocowana do prowadnic; w przypadku wsporników pośrednich lub tylnych wsporników wrzeciona dolna płyta jest zaprojektowana jako wózek, który może poruszać się wzdłuż prowadnic ramy.
• Górna płyta nośna 2, na których zamontowane są jednostki podporowe (wsporniki rolek 4, wrzeciona, łożyska pośrednie itp.).
• Dwie płaskie sprężyny 3, łączące dolną i górną płytę łożyskową.

Aby zapobiec ryzyku zwiększonych wibracji wsporników podczas pracy, które mogą wystąpić podczas przyspieszania lub zwalniania wyważonego wirnika, wsporniki mogą zawierać mechanizm blokujący (patrz rys. 2.9.b). Mechanizm ten składa się ze sztywnego wspornika 5, który może zostać zablokowany przez mimośrodową blokadę 6 połączoną z jedną z płaskich sprężyn wspornika. Gdy blokada 6 i wspornik 5 są zatrzaśnięte, wspornik jest zablokowany, eliminując ryzyko zwiększonych wibracji podczas przyspieszania i zwalniania.

Projektując podpory wykonane ze sprężyn płaskich (płytowych), producent maszyny musi ocenić częstotliwość ich drgań własnych, która zależy od sztywności sprężyn i masy wyważanego wirnika. Znajomość tego parametru pozwala projektantowi świadomie wybrać zakres operacyjnych częstotliwości obrotowych wirnika, unikając niebezpieczeństwa oscylacji rezonansowych podpór podczas wyważania.

Zalecenia dotyczące obliczania i eksperymentalnego określania częstotliwości drgań własnych podpór, a także innych komponentów wyważarek, omówiono w rozdziale 3.

Jak wspomniano wcześniej, prostota i łatwość produkcji konstrukcji wspornika wykorzystującego płaskie (płytowe) sprężyny przyciągają amatorów konstruowania wyważarek do różnych celów, w tym maszyn do wyważania wałów korbowych, wirników turbosprężarek samochodowych itp.

Przykładowo, rysunki 2.10.a i 2.10.b przedstawiają ogólny szkic maszyny przeznaczonej do wyważania wirników turbosprężarek. Maszyna ta została wyprodukowana i jest wykorzystywana na potrzeby własne w spółce LLC "SuraTurbo" w Penzie.

2.10.a. Maszyna do wyważania wirników turbosprężarek (widok z boku)

2.10.b. Maszyna do wyważania wirników turbosprężarki (widok od strony przedniej podpory)

Oprócz wcześniej omówionych maszyn do wyważania łożysk miękkich, czasami tworzone są stosunkowo proste stanowiska do wyważania łożysk miękkich. Stanowiska te pozwalają na wysokiej jakości wyważanie mechanizmów obrotowych do różnych celów przy minimalnych kosztach.

Poniżej omówiono kilka takich stanowisk, zbudowanych na bazie płaskiej płyty (lub ramy) osadzonej na cylindrycznych sprężynach naciskowych. Sprężyny te są zazwyczaj dobierane tak, aby częstotliwość drgań własnych płyty z zamontowanym na niej mechanizmem wyważanym była 2-3 razy niższa niż częstotliwość obrotów wirnika tego mechanizmu podczas wyważania.

Rysunek 2.11 przedstawia zdjęcie stojaka do wyważania tarcz ściernych, wyprodukowanego na potrzeby własnej produkcji przez P. Asharina.

Rysunek 2.11. Stojak do wyważania ściernic

Stojak składa się z następujących głównych elementów:

• Płyta 1zamontowany na czterech cylindrycznych sprężynach 2;
• Silnik elektryczny 3którego wirnik służy również jako wrzeciono, na którym zamontowany jest trzpień 4 służący do montażu i mocowania tarczy ściernej na wrzecionie.

Kluczową cechą tego stanowiska jest obecność czujnika impulsów 5 mierzącego kąt obrotu wirnika silnika elektrycznego, który stanowi część układu pomiarowego stanowiska ("Balanset 2C") w celu określenia położenia kątowego w celu usunięcia masy korekcyjnej z tarczy ściernej.

Rysunek 2.12 Zdjęcie przedstawia stanowisko do wyważania pomp próżniowych. Stanowisko to zostało opracowane na zamówienie przez JSC "Zakład Pomiarowy".

Rysunek 2.12. Stanowisko do wyważania pomp próżniowych firmy JSC "Zakład Pomiarowy"

Podstawa tego stoiska również wykorzystuje Płyta 1zamontowane na cylindrycznych sprężynach 2. Na płycie 1 zainstalowana jest pompa próżniowa 3, która ma własny napęd elektryczny zdolny do zmiany prędkości w szerokim zakresie od 0 do 60 000 obr. Na obudowie pompy zamontowane są czujniki drgań 4, które służą do pomiaru drgań w dwóch różnych sekcjach na różnych wysokościach.

Do synchronizacji procesu pomiaru drgań z kątem obrotu wirnika pompy, na stanowisku pomiarowym zastosowano laserowy czujnik kąta fazowego 5. Pomimo pozornie prostej konstrukcji zewnętrznej takich stanowisk, pozwala on na uzyskanie bardzo wysokiej jakości wyważenia wirnika pompy.

Przykładowo, przy częstotliwościach obrotowych poniżej wartości krytycznych, niewyważenie resztkowe wirnika pompy spełnia wymagania określone dla klasy jakości wyważenia G0.16 zgodnie z normą ISO 1940-1-2007 "Drgania. Wymagania dotyczące jakości wyważenia wirników sztywnych. Część 1. Określanie dopuszczalnego niewyważenia"."

Drgania szczątkowe korpusu pompy osiągane podczas wyważania przy prędkościach obrotowych do 8000 obr/min nie przekraczają 0,01 mm/s.

Stojaki wyważające wykonane zgodnie ze schematem opisanym powyżej są również skuteczne w wyważaniu innych mechanizmów, takich jak wentylatory. Przykłady stojaków zaprojektowanych do wyważania wentylatorów pokazano na rysunkach 2.13 i 2.14.

Rysunek 2.13. Stojak do wyważania wirników wentylatorów

Jakość wyważania wentylatorów osiągana na takich stanowiskach jest dość wysoka. Według specjalistów z firmy "Atlant-project" LLC, na stanowisku zaprojektowanym przez nich w oparciu o zalecenia firmy "Kinematics" LLC (patrz rys. 2.14), poziom drgań szczątkowych uzyskany podczas wyważania wentylatorów wyniósł 0,8 mm/s. Jest to ponad trzykrotnie więcej niż tolerancja określona dla wentylatorów kategorii BV5 zgodnie z normą ISO 31350-2007 "Wibracje. Wentylatory przemysłowe. Wymagania dotyczące drgań generowanych i jakości wyważenia"."

Rysunek 2.14. Stanowisko do wyważania wirników wentylatorów urządzeń przeciwwybuchowych firmy "Atlant-projekt" Sp. z o.o. w Podolsku

Podobne dane uzyskane w JSC "Lissant Fan Factory" pokazują, że takie stanowiska stosowane w seryjnej produkcji wentylatorów kanałowych zapewniają stałą wartość drgań szczątkowych nieprzekraczającą 0,1 mm/s.

2.2. Maszyny z łożyskami twardymi

Wyważarki z łożyskami twardymi różnią się od wcześniej omawianych wyważarek z łożyskami miękkimi konstrukcją wsporników. Ich wsporniki są wykonane w postaci sztywnych płyt ze skomplikowanymi szczelinami (wycięciami). Częstotliwości drgań własnych tych podpór znacznie (co najmniej 2-3 razy) przekraczają maksymalną częstotliwość obrotową wirnika wyważanego na maszynie.

Maszyny z łożyskami twardymi są bardziej uniwersalne niż maszyny z łożyskami miękkimi, ponieważ zazwyczaj umożliwiają wysokiej jakości wyważanie wirników w szerszym zakresie ich masy i wymiarów. Ważną zaletą tych maszyn jest również to, że umożliwiają one bardzo precyzyjne wyważanie wirników przy stosunkowo niskich prędkościach obrotowych, które mogą mieścić się w zakresie 200-500 obr.

Rysunek 2.15 przedstawia zdjęcie typowej wyważarki do łożysk twardych wyprodukowanej przez firmę "K. Schenk". Z rysunku wynika, że poszczególne części podpory, utworzone przez skomplikowane rowki, mają różną sztywność. Pod wpływem sił niewyważenia wirnika może to prowadzić do odkształceń (przemieszczeń) niektórych części podpory względem innych. (Na rysunku 2.15 sztywniejsza część podpory jest zaznaczona czerwoną linią przerywaną, a jej stosunkowo podatna część jest zaznaczona na niebiesko).

Do pomiaru wspomnianych odkształceń względnych maszyny Hard Bearing mogą wykorzystywać czujniki siły lub bardzo czułe czujniki drgań różnego typu, w tym bezkontaktowe czujniki przemieszczenia drgań.

Rysunek 2.15. Wyważarka łożysk twardych firmy "K. Schenk"

Jak wynika z analizy zapytań klientów dotyczących instrumentów z serii "Balanset", zainteresowanie produkcją maszyn z twardymi łożyskami do użytku własnego stale rośnie. Sprzyja temu szerokie rozpowszechnienie informacji reklamowych o cechach konstrukcyjnych domowych wyważarek, wykorzystywanych przez producentów amatorów jako analogi (lub prototypy) we własnych projektach.

Przyjrzyjmy się kilku wariantom maszyn Hard Bearing wyprodukowanych na potrzeby wewnętrzne pewnej liczby konsumentów instrumentów z serii "Balanset".

Rysunki 2.16.a - 2.16.d Przedstawiamy zdjęcia maszyny z twardym łożyskiem przeznaczonej do wyważania wałów napędowych, wyprodukowanej przez N. Obyedkowa (Magnitogorsk). Jak widać na rys. 2.16.a, maszyna składa się ze sztywnej ramy 1, na której zamontowane są podpory 2 (dwa wrzeciona i dwa pośrednie). Wrzeciono główne 3 maszyny jest obracane przez asynchroniczny silnik elektryczny 4 za pośrednictwem napędu pasowego. Do sterowania prędkością obrotową silnika elektrycznego 4 służy przemiennik częstotliwości 6. Maszyna jest wyposażona w system pomiarowo-obliczeniowy 5 "Balanset 4", który zawiera jednostkę pomiarową, komputer, cztery czujniki siły oraz czujnik kąta fazowego (czujniki nie są pokazane na rys. 2.16.a).

Rysunek 2.16.a. Maszyna z twardym łożyskiem do wyważania wałów napędowych, wyprodukowana przez N. Obyedkova (Magnitogorsk)

Rysunek 2.16.b przedstawia zdjęcie przedniego wspornika maszyny z wrzecionem prowadzącym 3, które jest napędzane, jak wcześniej wspomniano, za pomocą napędu pasowego z asynchronicznego silnika elektrycznego 4. Wspornik ten jest sztywno zamontowany na ramie.

Rysunek 2.16.b. Przedni (czołowy) wspornik wrzeciona.

Rysunek 2.16.c przedstawia zdjęcie jednego z dwóch ruchomych wsporników pośrednich maszyny. Wspornik ten spoczywa na prowadnicach 7, umożliwiając jego wzdłużny ruch wzdłuż prowadnic ramy. Wspornik ten zawiera specjalne urządzenie 8, przeznaczone do montażu i regulacji wysokości łożyska pośredniego wyważonego wału napędowego.

Rysunek 2.16.c. Pośrednia ruchoma podpora maszyny

Rysunek 2.16.d przedstawia fotografię tylnego (napędzanego) podparcia wrzeciona, które podobnie jak podpory pośrednie umożliwia ruch wzdłuż prowadnic ramy maszyny.

Rysunek 2.16.d. Tylny (napędzany) wspornik wrzeciona.

Wszystkie omówione powyżej wsporniki to pionowe płyty zamontowane na płaskich podstawach. Płyty posiadają szczeliny w kształcie litery T (patrz rys. 2.16.d), które dzielą wspornik na część wewnętrzną 9 (bardziej sztywną) i część zewnętrzną 10 (mniej sztywną). Różna sztywność wewnętrznej i zewnętrznej części wspornika może skutkować względnym odkształceniem tych części pod wpływem sił niewyważenia z wyważonego wirnika.

Czujniki siły są zwykle używane do pomiaru względnego odkształcenia podpór w maszynach domowej roboty. Przykład montażu czujnika siły na wsporniku maszyny do wyważania łożysk twardych pokazano na rysunku 2.16.e. Jak widać na tym rysunku, czujnik siły 11 jest dociskany do bocznej powierzchni wewnętrznej części wspornika za pomocą śruby 12, która przechodzi przez gwintowany otwór w zewnętrznej części wspornika.

Aby zapewnić równomierny nacisk śruby 12 na całej płaszczyźnie czujnika siły 11, pomiędzy nią a czujnikiem umieszczona jest płaska podkładka 13.

Rysunek 2.16.d. Przykład instalacji czujnika siły na wsporniku.

Podczas pracy maszyny siły niewyważenia pochodzące z wyważonego wirnika działają poprzez jednostki podporowe (wrzeciona lub łożyska pośrednie) na zewnętrzną część podpory, która zaczyna cyklicznie poruszać się (odkształcać) względem swojej części wewnętrznej z częstotliwością obrotów wirnika. Powoduje to, że na czujnik 11 działa zmienna siła, proporcjonalna do siły niewyważenia. Pod jej wpływem na wyjściu czujnika siły generowany jest sygnał elektryczny proporcjonalny do wielkości niewyważenia wirnika.

Sygnały z czujników siły, zamontowanych na wszystkich podporach, trafiają do układu pomiarowo-obliczeniowego maszyny, gdzie na ich podstawie określane są parametry obciążników korekcyjnych.

Rysunek 2.17.a. Przedstawiono zdjęcie wysoce wyspecjalizowanej maszyny do wyważania łożysk twardych, używanej do wyważania wałów śrubowych. Maszyna ta została wyprodukowana na własny użytek w firmie LLC "Ufatverdosplav".

Jak widać na rysunku, mechanizm rozruchowy maszyny ma uproszczoną konstrukcję, która składa się z następujących głównych komponentów:

• Rama spawana 1służący jako łóżko;
• Dwie podpory stacjonarne 2, sztywno przymocowany do ramy;
• Silnik elektryczny 3który napędza wałek wyważający (śrubę) 5 za pośrednictwem przekładni pasowej 4.

Rysunek 2.17.a. Maszyna do łożyskowania twardego do wyważania wałów śrubowych, produkowana przez spółkę LLC "Ufatverdosplav"

Podpory 2 maszyny są pionowo zamontowanymi stalowymi płytami ze szczelinami w kształcie litery T. W górnej części każdej podpory znajdują się rolki nośne wykonane przy użyciu łożysk tocznych. W górnej części każdego wspornika znajdują się rolki podporowe wykonane przy użyciu łożysk tocznych, na których obraca się wyważony wał 5.

Do pomiaru odkształceń podpór, powstających pod wpływem niewyważenia wirnika, stosuje się czujniki siły 6 (patrz rys. 2.17.b), zamontowane w szczelinach podpór. Czujniki te są podłączone do urządzenia "Balanset 1", które w tej maszynie pełni funkcję układu pomiarowo-obliczeniowego.

Mimo względnej prostoty mechanizmu rozpędzania maszyny, umożliwia on wystarczająco dobre wyważanie śrub, które, jak widać na rys. 2.17.a., mają złożoną powierzchnię śrubową.

Jak podaje spółka LLC "Ufatverdosplav", w wyniku procesu wyważania na tej maszynie początkowe niewyważenie ślimaka udało się zmniejszyć prawie 50-krotnie.

Rysunek 2.17.b. Wspornik maszyny z łożyskiem twardym do wyważania wałów śrubowych z czujnikiem siły

Uzyskane niewyważenie resztkowe wyniosło 3552 g*mm (19,2 g przy promieniu 185 mm) w pierwszej płaszczyźnie śruby i 2220 g*mm (12,0 g przy promieniu 185 mm) w drugiej płaszczyźnie. Dla wirnika o masie 500 kg i prędkości obrotowej 3500 obr./min, niewyważenie to odpowiada klasie G6.3 zgodnie z normą ISO 1940-1-2007, co spełnia wymagania określone w dokumentacji technicznej.

Oryginalny projekt (patrz rys. 2.18), który zakłada wykorzystanie jednej podstawy do jednoczesnego montażu podpór dla dwóch wyważarek z twardymi łożyskami o różnych rozmiarach, został zaproponowany przez SV Morozova. Oczywiste zalety tego rozwiązania technicznego, pozwalające na minimalizację kosztów produkcji po stronie producenta, to:

• Oszczędność przestrzeni produkcyjnej;
• Wykorzystanie jednego silnika elektrycznego z napędem o zmiennej częstotliwości do obsługi dwóch różnych maszyn;
• Wykorzystanie jednego systemu pomiarowego do obsługi dwóch różnych maszyn.

Rysunek 2.18. Maszyna do wyważania łożysk twardych ("Tandem"), wyprodukowana przez SV Morozov

3. Wymagania dotyczące budowy podstawowych jednostek i mechanizmów wyważarek

3.1. Łożyska

3.1.1. Teoretyczne podstawy projektowania łożysk

W poprzedniej sekcji szczegółowo omówiono główne warianty konstrukcyjne podpór łożyskowych z miękkimi i twardymi łożyskami do wyważarek. Kluczowym parametrem, który projektanci muszą uwzględnić podczas projektowania i produkcji tych podpór, są ich własne częstotliwości drgań. Jest to istotne, ponieważ pomiar nie tylko amplitudy drgań (odkształcenia cyklicznego) podpór, ale także fazy drgań jest niezbędny do obliczenia parametrów obciążników korekcyjnych przez systemy pomiarowe i obliczeniowe maszyny.

Jeżeli częstotliwość drgań własnych podpory pokrywa się z częstotliwością obrotową wyważonego wirnika (rezonans podpory), dokładny pomiar amplitudy i fazy drgań jest praktycznie niemożliwy. Widać to wyraźnie na wykresach przedstawiających zmiany amplitudy i fazy drgań podpory w funkcji częstotliwości obrotowej wyważonego wirnika (patrz rys. 3.1).

Z wykresów tych wynika, że gdy częstotliwość obrotowa wyważonego wirnika zbliża się do częstotliwości drgań własnych podpory (tj. gdy stosunek fp/fo jest bliski 1), następuje znaczny wzrost amplitudy związany z drganiami rezonansowymi podpory (patrz rys. 3.1.a). Jednocześnie wykres 3.1.b pokazuje, że w strefie rezonansu następuje gwałtowna zmiana kąta fazowego ∆F°, który może osiągnąć nawet 180°.

Innymi słowy, podczas wyważania dowolnego mechanizmu w strefie rezonansu, nawet niewielkie zmiany jego częstotliwości obrotowej mogą prowadzić do znacznej niestabilności wyników pomiarów amplitudy i fazy jego drgań, prowadząc do błędów w obliczaniu parametrów obciążników korekcyjnych i negatywnie wpływając na jakość wyważania.

Powyższe wykresy potwierdzają wcześniejsze zalecenia, że w przypadku maszyn z twardymi łożyskami górna granica częstotliwości pracy wirnika powinna być (co najmniej) 2-3 razy niższa niż częstotliwość drgań własnych podpory. W przypadku maszyn z miękkimi łożyskami dolna granica dopuszczalnych częstotliwości pracy wyważonego wirnika powinna być (co najmniej) 2-3 razy wyższa niż częstotliwość drgań własnych podpory.

Rysunek 3.1. Wykresy przedstawiające zmiany względnej amplitudy i fazy drgań podpory wyważarki w funkcji zmian częstotliwości obrotowej.

• Ад - Amplituda drgań dynamicznych podpory;
• e = m*r / M - Specyficzne niewyważenie wyważonego wirnika;
• m - Niewyważona masa wirnika;
• M - Masa wirnika;
• r - Promień, w którym niewyważona masa znajduje się na wirniku;
• fp - Częstotliwość obrotowa wirnika;
• fo - Naturalna częstotliwość drgań podpory

Biorąc pod uwagę przedstawione informacje, eksploatacja maszyny w obszarze rezonansu jej podpór (zaznaczonym na czerwono na Rys. 3.1) nie jest zalecana. Wykresy pokazane na Rys. 3.1 pokazują również, że dla tych samych niewyważeń wirnika, rzeczywiste drgania podpór maszyny Soft Bearing są znacznie niższe niż drgania występujące na podporach maszyny Soft Bearing.

Z tego wynika, że czujniki używane do pomiaru drgań podpór w maszynach Hard Bearing muszą mieć wyższą czułość niż te w maszynach Soft Bearing. Wniosek ten jest dobrze poparty rzeczywistą praktyką stosowania czujników, która pokazuje, że czujniki drgań bezwzględnych (wibroakcelerometry i/lub czujniki prędkości drgań), z powodzeniem stosowane w wyważarkach z łożyskami miękkimi, często nie są w stanie osiągnąć wymaganej jakości wyważania w maszynach z łożyskami twardymi.

W takich maszynach zaleca się stosowanie czujników drgań względnych, takich jak czujniki siły lub bardzo czułe czujniki przemieszczenia.

3.1.2. Szacowanie naturalnych częstotliwości podpór przy użyciu metod obliczeniowych

Projektant może wykonać przybliżone (szacunkowe) obliczenie częstotliwości drgań własnych podpory fo przy użyciu wzoru 3.1, traktując ją w uproszczeniu jako układ drgający o jednym stopniu swobody, który (patrz rys. 2.19.a) jest reprezentowany przez masę M, oscylującą na sprężynie o sztywności K.

Masa M użyta w obliczeniach dla symetrycznego wirnika międzyłożyskowego może być przybliżona wzorem 3.2.

gdzie Mo​ jest masą ruchomej części podpory w kg; Mr​ jest masą wyważonego wirnika w kg; n jest liczbą podpór maszyny biorących udział w wyważaniu.

Sztywność K podpory jest obliczana za pomocą wzoru 3.3 na podstawie wyników badań eksperymentalnych, które obejmują pomiar odkształcenia ΔL podpory, gdy jest ona obciążona siłą statyczną P (patrz rys. 3.2.a i 3.2.b).

gdzie ΔL jest odkształceniem podpory w metrach; P jest siłą statyczną w niutonach.

Wielkość siły obciążającej P można zmierzyć za pomocą przyrządu do pomiaru siły (np. dynamometru). Przemieszczenie podpory ΔL jest określane za pomocą urządzenia do pomiaru przemieszczeń liniowych (np. czujnika zegarowego).

3.1.3. Eksperymentalne metody określania częstotliwości drgań własnych podpór

Biorąc pod uwagę, że opisane powyżej obliczenia częstotliwości drgań własnych podpór, wykonywane metodą uproszczoną, mogą prowadzić do znacznych błędów, większość konstruktorów-amatorów preferuje wyznaczanie tych parametrów metodami eksperymentalnymi. Wykorzystują w tym celu możliwości nowoczesnych systemów pomiaru drgań wyważarek, w tym urządzeń serii "Balanset".

3.1.3.1. Określanie częstotliwości drgań własnych podpór metodą wzbudzania udarowego

Metoda wzbudzania udarowego jest najprostszym i najbardziej powszechnym sposobem określania częstotliwości drgań własnych podpory lub dowolnego innego elementu maszyny. Opiera się ona na fakcie, że gdy jakikolwiek obiekt, taki jak dzwon (patrz rys. 3.3), jest wzbudzany udarowo, jego odpowiedź objawia się jako stopniowo zanikająca odpowiedź wibracyjna. Częstotliwość sygnału wibracyjnego jest określona przez charakterystykę strukturalną obiektu i odpowiada częstotliwości jego drgań własnych. Do udarowego wzbudzania drgań można użyć dowolnego ciężkiego narzędzia, takiego jak gumowy młotek lub zwykły młotek.

Rysunek 3.3. Schemat wzbudzenia udarowego używanego do określenia częstotliwości drgań własnych obiektu

Masa młotka powinna wynosić w przybliżeniu 10% masy wzbudzanego obiektu. Aby uchwycić reakcję wibracyjną, na badanym obiekcie należy zainstalować czujnik drgań, którego oś pomiarowa powinna być wyrównana z kierunkiem wzbudzenia uderzenia. W niektórych przypadkach mikrofon z urządzenia do pomiaru hałasu może być używany jako czujnik do odbierania odpowiedzi wibracyjnej obiektu.

Drgania obiektu są przetwarzane przez czujnik na sygnał elektryczny, który następnie jest przesyłany do instrumentu pomiarowego, takiego jak wejście analizatora widma. Instrument ten rejestruje funkcję czasową i widmo zanikającego procesu drganiowego (patrz rys. 3.4), którego analiza pozwala na określenie częstotliwości (częstotliwości) drgań własnych obiektu.

Rysunek 3.5. Interfejs programu pokazujący wykresy funkcji czasu i widmo zanikających drgań udarowych badanej konstrukcji

Z analizy wykresu widma przedstawionego na rysunku 3.5 (patrz dolna część okna roboczego) wynika, że główna składowa drgań własnych badanej konstrukcji, wyznaczona w odniesieniu do osi odciętych wykresu, występuje przy częstotliwości 9,5 Hz. Metoda ta może być zalecana do badań drgań własnych zarówno podpór wyważarek z łożyskami miękkimi, jak i twardymi.

3.1.3.2. Określanie częstotliwości drgań własnych podpór w trybie wybiegu

W niektórych przypadkach częstotliwości drgań własnych podpór można wyznaczyć poprzez cykliczny pomiar amplitudy i fazy drgań "na wybiegu". Realizując tę metodę, wirnik zamontowany w badanej maszynie jest początkowo rozpędzany do maksymalnej prędkości obrotowej, po czym jego napęd zostaje odłączony, a częstotliwość siły zakłócającej związanej z niewyważeniem wirnika stopniowo maleje od wartości maksymalnej do punktu zatrzymania.

W tym przypadku częstotliwości drgań własnych podpór można określić za pomocą dwóch charakterystyk:

• Poprzez lokalny skok amplitudy drgań obserwowany w obszarach rezonansu;
• Poprzez gwałtowną zmianę (do 180°) fazy drgań obserwowaną w strefie skoku amplitudy.

W urządzeniach z serii "Balanset" tryb "Wibrometr" ("Balanset 1") lub tryb "Wyważanie. Monitorowanie" ("Balanset 2C" i "Balanset 4") mogą być używane do wykrywania częstotliwości drgań własnych obiektów "na brzegu", umożliwiając cykliczne pomiary amplitudy i fazy drgań przy częstotliwości obrotowej wirnika.

Ponadto oprogramowanie "Balanset 1" zawiera dodatkowo specjalistyczny tryb "Wykresy. Wybieg", który umożliwia tworzenie wykresów zmian amplitudy i fazy drgań podpór na wybiegu w funkcji zmieniającej się częstotliwości obrotów, co znacznie ułatwia diagnostykę rezonansów.

Należy zauważyć, że z oczywistych powodów (patrz sekcja 3.1.1) metoda identyfikacji częstotliwości drgań własnych podpór na brzegu może być stosowana tylko w przypadku badania maszyn wyważających z miękkim łożyskiem, gdzie częstotliwości robocze obrotu wirnika znacznie przekraczają częstotliwości drgań własnych podpór w kierunku poprzecznym.

W przypadku maszyn z łożyskami twardymi, gdzie częstotliwości robocze obrotów wirnika wzbudzające drgania podpór na brzegu są znacznie poniżej częstotliwości drgań własnych podpór, zastosowanie tej metody jest praktycznie niemożliwe.

3.1.4. Praktyczne zalecenia dotyczące projektowania i produkcji wsporników dla wyważarek

3.1.2. Obliczanie częstotliwości drgań własnych podpór metodami obliczeniowymi

Obliczenia częstotliwości drgań własnych podpór przy użyciu omówionego powyżej schematu obliczeniowego mogą być wykonywane w dwóch kierunkach:

• W kierunku poprzecznym podpór, który pokrywa się z kierunkiem pomiaru ich drgań wywołanych siłami niewyważenia wirnika;
• W kierunku osiowym, pokrywającym się z osią obrotu wyważonego wirnika zamontowanego na wspornikach maszyny.

Obliczanie częstotliwości drgań własnych podpór w kierunku pionowym wymaga zastosowania bardziej złożonej techniki obliczeniowej, która (oprócz parametrów podpory i samego wyważonego wirnika) musi uwzględniać parametry ramy oraz specyfikę montażu maszyny na fundamencie. Metoda ta nie jest omawiana w niniejszej publikacji. Analiza wzoru 3.1 pozwala na sformułowanie kilku prostych zaleceń, które konstruktorzy maszyn powinni uwzględnić w swojej praktyce. W szczególności częstotliwość drgań własnych podpory można zmienić poprzez zmianę jej sztywności i/lub masy. Zwiększenie sztywności zwiększa częstotliwość drgań własnych podpory, podczas gdy zwiększenie masy ją zmniejsza. Zmiany te mają nieliniową, kwadratowo-odwrotną zależność. Na przykład, podwojenie sztywności podpory zwiększa jej częstotliwość drgań własnych tylko o współczynnik 1,4. Podobnie, podwojenie masy ruchomej części podpory zmniejsza jej częstotliwość drgań własnych tylko o współczynnik 1,4.

3.1.4.1. Maszyny z łożyskami miękkimi i sprężynami płaskimi

Kilka wariantów konstrukcyjnych podpór wyważarek wykonanych ze sprężyn płaskich omówiono powyżej w rozdziale 2.1 i zilustrowano na rysunkach 2.7–2.9. Według naszych informacji, takie konstrukcje są najczęściej stosowane w maszynach przeznaczonych do wyważania wałów napędowych.

Jako przykład rozważmy parametry sprężyn zastosowane przez jednego z klientów (sp. z o.o. "Rost-Serwis", Sankt Petersburg) do produkcji własnych podpór maszyn. Maszyna ta była przeznaczona do wyważania wałów napędowych 2-, 3- i 4-podporowych o masie nieprzekraczającej 200 kg. Wymiary geometryczne sprężyn (wysokość * szerokość * grubość) zastosowanych w podporach wrzeciona prowadzącego i napędzanego maszyny, wybrane przez klienta, wynosiły odpowiednio 300*200*3 mm.

Częstotliwość drgań własnych nieobciążonej podpory, wyznaczona doświadczalnie metodą wymuszenia udarowego z wykorzystaniem standardowego układu pomiarowego maszyny "Balanset 4", wynosi 11–12 Hz. Przy takiej częstotliwości drgań własnych podpór zalecana częstotliwość obrotowa wyważanego wirnika podczas wyważania nie powinna być niższa niż 22–24 Hz (1320–1440 obr./min).

Wymiary geometryczne sprężyn płaskich zastosowanych przez tego samego producenta w podporach pośrednich wynosiły odpowiednio 200*200*3 mm. Co więcej, jak wykazały badania, częstotliwości drgań własnych tych podpór były wyższe i sięgały 13-14 Hz.

Na podstawie wyników badań producentom maszyny zalecono wyrównanie częstotliwości drgań własnych wrzeciona i podpór pośrednich. Powinno to ułatwić dobór zakresu roboczych częstotliwości obrotowych wałów napędowych podczas wyważania oraz uniknąć potencjalnej niestabilności wskazań układu pomiarowego spowodowanej wejściem podpór w obszar drgań rezonansowych.

Metody regulacji częstotliwości drgań własnych podpór na sprężynach płaskich są oczywiste. Regulację tę można osiągnąć poprzez zmianę wymiarów geometrycznych lub kształtu płaskich sprężyn, co osiąga się na przykład poprzez frezowanie wzdłużnych lub poprzecznych szczelin, które zmniejszają ich sztywność.

Jak wspomniano wcześniej, weryfikację wyników takiej regulacji można przeprowadzić poprzez identyfikację częstotliwości drgań własnych podpór przy użyciu metod opisanych w sekcjach 3.1.3.1 i 3.1.3.2.

Rysunek 3.6 przedstawia klasyczną wersję konstrukcji wspornika na płaskich sprężynach, którą w jednej ze swoich maszyn zastosował A. Sinitsyn. Jak pokazano na rysunku, wspornik zawiera następujące elementy:

• Górna płyta 1;
• Dwie płaskie sprężyny 2 i 3;
• Płyta dolna 4;
• Wspornik ogranicznika 5.

Rysunek 3.6. Zmienność konstrukcji wspornika na płaskich sprężynach

Górna płyta 1 wspornika może być używana do mocowania wrzeciona lub łożyska pośredniego. W zależności od przeznaczenia wspornika, dolna płyta 4 może być sztywno przymocowana do prowadnic maszyny lub zainstalowana na ruchomych prowadnicach, umożliwiając przesuwanie wspornika wzdłuż prowadnic. Wspornik 5 służy do montażu mechanizmu blokującego wspornik, umożliwiając jego bezpieczne zamocowanie podczas przyspieszania i zwalniania wyważonego wirnika.

Sprężyny płaskie do podpór maszyn z łożyskami miękkimi powinny być wykonane z resorów piórowych lub wysokiej jakości stali stopowej. Nie zaleca się stosowania zwykłych stali konstrukcyjnych o niskiej granicy plastyczności, ponieważ mogą one ulegać odkształceniom resztkowym pod wpływem obciążeń statycznych i dynamicznych podczas pracy, co prowadzi do zmniejszenia dokładności geometrycznej maszyny, a nawet do utraty stabilności podpór.

W przypadku maszyn o wyważonej masie wirnika nieprzekraczającej 300–500 kg grubość podpory można zwiększyć do 30–40 mm, a w przypadku maszyn przeznaczonych do wyważania wirników o masie maksymalnej od 1000 do 3000 kg grubość podpory może sięgać 50–60 mm lub więcej. Jak pokazuje analiza charakterystyk dynamicznych wyżej wymienionych podpór, ich częstotliwości drgań własnych, mierzone w płaszczyźnie poprzecznej (płaszczyzna pomiaru względnych odkształceń części "sprężystej" i "sztywnej"), zazwyczaj przekraczają 100 Hz lub więcej. Częstotliwości drgań własnych stojaków łożyskowych o twardym łożysku w płaszczyźnie czołowej, mierzone w kierunku zgodnym z osią obrotu wyważonego wirnika, są zazwyczaj znacznie niższe. I to właśnie te częstotliwości należy brać pod uwagę przede wszystkim przy określaniu górnej granicy zakresu częstotliwości roboczych dla wirników obrotowych wyważanych na maszynie. Jak wspomniano powyżej, określenie tych częstotliwości można przeprowadzić metodą wzbudzenia udarowego opisaną w rozdziale 3.1.

Rysunek 3.7. Zmontowana maszyna do wyważania wirników silników elektrycznych, opracowana przez A. Mokhova.

Rysunek 3.8. Maszyna do wyważania wirników pomp turbinowych, opracowana przez G. Glazova (Biszkek)

3.1.4.2. Łożyskowane miękko podpory maszyn z zawieszeniem na sprężynach taśmowych

Przy projektowaniu sprężyn taśmowych stosowanych w zawieszeniach podporowych należy zwrócić uwagę na dobór grubości i szerokości taśmy sprężyny, która z jednej strony musi wytrzymać statyczne i dynamiczne obciążenie wirnika na wsporniku, a z drugiej strony musi zapobiegać możliwości wystąpienia drgań skrętnych zawieszenia podporowego, objawiających się biciem osiowym.

Przykłady realizacji konstrukcyjnej wyważarek z zastosowaniem zawieszenia sprężynowego pokazano na rysunkach 2.1 - 2.5 (patrz rozdział 2.1), a także na rysunkach 3.7 i 3.8 w niniejszym rozdziale.

3.1.4.4. Twarde podpory łożyskowe do maszyn

Jak pokazuje nasze bogate doświadczenie z klientami, znaczna część producentów wyważarek zaczęła ostatnio preferować maszyny z twardymi łożyskami i sztywnymi podporami. W rozdziale 2.2, rysunki 2.16–2.18 przedstawiają zdjęcia różnych konstrukcji maszyn wykorzystujących takie podpory. Typowy szkic sztywnej podpory, opracowanej przez jednego z naszych klientów na potrzeby budowy maszyny, przedstawiono na rys. 3.10. Podpora ta składa się z płaskiej stalowej płyty z rowkiem w kształcie litery P, konwencjonalnie dzielącym podporę na część "sztywną" i "elastyczną". Pod wpływem siły niewyważenia, "elastyczna" część podpory może odkształcić się względem części "sztywnej". Wielkość tego odkształcenia, określona przez grubość podpory, głębokość rowków i szerokość mostka łączącego "elastyczną" i "sztywną" część podpory, można zmierzyć za pomocą odpowiednich czujników układu pomiarowego maszyny. Ze względu na brak metody obliczania sztywności poprzecznej takich podparć, uwzględniającej głębokość h rowka w kształcie litery P, szerokość t mostu, a także grubość podpory r (patrz rys. 3.10), parametry projektowe te są zazwyczaj wyznaczane doświadczalnie przez deweloperów.

W przypadku maszyn o wyważonej masie wirnika nieprzekraczającej 300–500 kg grubość podpory można zwiększyć do 30–40 mm, a w przypadku maszyn przeznaczonych do wyważania wirników o masie maksymalnej od 1000 do 3000 kg grubość podpory może sięgać 50–60 mm lub więcej. Jak pokazuje analiza charakterystyk dynamicznych wyżej wymienionych podpór, ich częstotliwości drgań własnych, mierzone w płaszczyźnie poprzecznej (płaszczyzna pomiaru względnych odkształceń części "elastycznej" i "sztywnej"), zazwyczaj przekraczają 100 Hz lub więcej. Częstotliwości drgań własnych stojaków podporowych Hard Bearing w płaszczyźnie czołowej, mierzone w kierunku zgodnym z osią obrotu wyważonego wirnika, są zazwyczaj znacznie niższe. I to właśnie te częstotliwości należy brać pod uwagę przede wszystkim przy określaniu górnej granicy zakresu częstotliwości pracy dla wirujących wirników wyważanych na maszynie.

Rysunek 3.26. Przykład wykorzystania używanego łoża tokarki do produkcji maszyny z twardym łożyskiem do wyważania ślimaków.

Rysunek 3.27. Przykład wykorzystania używanego łoża tokarki do produkcji maszyny do wyważania wałów z łożyskami miękkimi.

Rysunek 3.28. Przykład wykonania złożonego łóżka z kanałów

Rysunek 3.29. Przykład wykonania spawanego łoża z ceowników

Rysunek 3.30. Przykład produkcji spawanego łoża z ceowników

Rysunek 3.31. Przykład łoża wyważarki wykonanego z betonu polimerowego

Zazwyczaj podczas produkcji takich łóżek ich górna część jest wzmacniana stalowymi wkładkami, które pełnią funkcję prowadnic, na których opierają się stojaki wyważarki. Ostatnio powszechnie stosowane są łóżka z polimerobetonu z powłokami tłumiącymi drgania. Ta technologia produkcji łóżek jest dobrze opisana w internecie i może być łatwo wdrożona przez producentów DIY. Ze względu na względną prostotę i niski koszt produkcji, łóżka te mają kilka kluczowych zalet w porównaniu z ich metalowymi odpowiednikami:

• Wyższy współczynnik tłumienia drgań wibracyjnych;
• Niższa przewodność cieplna, zapewniająca minimalną deformację termiczną złoża;
• Wyższa odporność na korozję;
• Brak naprężeń wewnętrznych.

3.1.4.3. Miękkie łożyskowane podpory maszyn wykonane przy użyciu sprężyn cylindrycznych

Przykład wyważarki z łożyskiem miękkim, w której w konstrukcji podpór zastosowano cylindryczne sprężyny dociskowe, pokazano na rysunku 3.9. Główna wada tego rozwiązania konstrukcyjnego jest związana z różnym stopniem odkształcenia sprężyn w przednich i tylnych podporach, co występuje, gdy obciążenia na podporach są nierówne podczas wyważania asymetrycznych wirników. W naturalny sposób prowadzi to do niewspółosiowości podpór i przekrzywienia osi wirnika w płaszczyźnie pionowej. Jedną z negatywnych konsekwencji tej wady może być pojawienie się sił, które powodują osiowe przesunięcie wirnika podczas obrotu.

Rys. 3.9. Wariant konstrukcji wspornika łożyska miękkiego dla wyważarek wykorzystujących sprężyny cylindryczne.

3.1.4.4. Twarde podpory łożyskowe do maszyn

Jak pokazuje nasze bogate doświadczenie z klientami, znaczna część producentów wyważarek zaczęła ostatnio preferować maszyny z twardymi łożyskami i sztywnymi podporami. W rozdziale 2.2, rysunki 2.16–2.18 przedstawiają zdjęcia różnych konstrukcji maszyn wykorzystujących takie podpory. Typowy szkic sztywnej podpory, opracowanej przez jednego z naszych klientów na potrzeby budowy maszyny, przedstawiono na rys. 3.10. Podpora ta składa się z płaskiej stalowej płyty z rowkiem w kształcie litery P, konwencjonalnie dzielącym podporę na część "sztywną" i "elastyczną". Pod wpływem siły niewyważenia, "elastyczna" część podpory może odkształcić się względem części "sztywnej". Wielkość tego odkształcenia, określona przez grubość podpory, głębokość rowków i szerokość mostka łączącego "elastyczną" i "sztywną" część podpory, można zmierzyć za pomocą odpowiednich czujników układu pomiarowego maszyny. Ze względu na brak metody obliczania sztywności poprzecznej takich podparć, uwzględniającej głębokość h rowka w kształcie litery P, szerokość t mostu, a także grubość podpory r (patrz rys. 3.10), parametry projektowe te są zazwyczaj wyznaczane doświadczalnie przez deweloperów.

Rys. 3.10. Szkic wspornika łożyska twardego dla wyważarki

Zdjęcia prezentujące różne implementacje takich podpór, wyprodukowanych dla maszyn naszych klientów, przedstawiono na rysunkach 3.11 i 3.12. Podsumowując dane uzyskane od kilku naszych klientów, producentów maszyn, można sformułować wymagania dotyczące grubości podpór, ustalanych dla maszyn o różnych gabarytach i udźwigach. Przykładowo, dla maszyn przeznaczonych do wyważania wirników o masie od 0,1 do 50-100 kg, grubość podpór może wynosić 20 mm.

Rys. 3.11. Wsporniki łożysk twardych do wyważarki, wyprodukowane przez A. Sinitsyn

Rys. 3.12. Wspornik łożyska twardego do wyważarki, wyprodukowany przez D. Krasilnikova

W przypadku maszyn o wyważonej masie wirnika nieprzekraczającej 300–500 kg grubość podpory można zwiększyć do 30–40 mm, a w przypadku maszyn przeznaczonych do wyważania wirników o masie maksymalnej od 1000 do 3000 kg grubość podpory może sięgać 50–60 mm lub więcej. Jak pokazuje analiza charakterystyk dynamicznych wyżej wymienionych podpór, ich częstotliwości drgań własnych, mierzone w płaszczyźnie poprzecznej (płaszczyzna pomiaru względnych odkształceń części "sprężystej" i "sztywnej"), zazwyczaj przekraczają 100 Hz lub więcej. Częstotliwości drgań własnych stojaków łożyskowych o twardym łożysku w płaszczyźnie czołowej, mierzone w kierunku zgodnym z osią obrotu wyważonego wirnika, są zazwyczaj znacznie niższe. I to właśnie te częstotliwości należy brać pod uwagę przede wszystkim przy określaniu górnej granicy zakresu częstotliwości roboczych dla wirników obrotowych wyważanych na maszynie. Jak wspomniano powyżej, określenie tych częstotliwości można przeprowadzić metodą wzbudzenia udarowego opisaną w rozdziale 3.1.

3.2. Zespoły wsporcze maszyn wyważających

3.2.1. Główne typy zespołów podpierających

W produkcji wyważarek zarówno z łożyskami twardymi, jak i miękkimi, można polecić następujące dobrze znane typy zespołów wsporczych, stosowane do montażu i obracania wyważonych wirników na wspornikach, w tym:

• Pryzmatyczne zespoły nośne;
• Zespoły nośne z obracającymi się rolkami;
• Zespoły podtrzymujące wrzeciono.

3.2.1.1. Pryzmatyczne zespoły nośne

Zespoły te, o różnych wariantach konstrukcyjnych, są zazwyczaj montowane na podporach małych i średnich maszyn, na których można wyważać wirniki o masie nieprzekraczającej 50–100 kg. Przykład najprostszej wersji pryzmatycznego zespołu podporowego przedstawiono na rysunku 3.13. Ten zespół podporowy jest wykonany ze stali i jest stosowany w wyważarce turbin. Wielu producentów małych i średnich wyważarek, produkując pryzmatyczne zespoły podporowe, preferuje stosowanie materiałów niemetalicznych (dielektryków), takich jak tekstolit, fluoroplast, kaprolon itp.

3.13. Wariant wykonania pryzmatycznego zespołu podpierającego stosowanego w maszynie wyważającej do turbin samochodowych

Podobne zespoły wsporcze (patrz rysunek 3.8 powyżej) zostały zastosowane na przykład przez G. Głazowa w jego maszynie, również przeznaczonej do wyważania turbin samochodowych. Oryginalne rozwiązanie techniczne pryzmatycznego zespołu wsporczego, wykonanego z fluoroplastiku (patrz rysunek 3.14), zostało zaproponowane przez firmę LLC "Technobalance".

Rys. 3.14. Zespół podpór pryzmatycznych firmy LLC "Technobalance"

Ten konkretny zespół wsporczy składa się z dwóch cylindrycznych tulei 1 i 2, zamontowanych pod kątem względem siebie i zamocowanych na osiach wsporczych. Wirnik wyważony styka się z powierzchniami tulei wzdłuż linii tworzących cylindrów, co minimalizuje powierzchnię styku między wałem wirnika a podporą, a tym samym zmniejsza siłę tarcia w podporze. W razie konieczności, w przypadku zużycia lub uszkodzenia powierzchni wsporczej w obszarze jej styku z wałem wirnika, możliwość kompensacji zużycia zapewnia się poprzez obrót tulei wokół jej osi o pewien kąt. Należy zauważyć, że w przypadku stosowania zespołów wsporczych wykonanych z materiałów niemetalowych konieczne jest zapewnienie konstrukcyjnej możliwości uziemienia wirnika wyważonego do korpusu maszyny, co eliminuje ryzyko powstawania silnych ładunków elektrostatycznych podczas pracy. Po pierwsze, pomaga to zmniejszyć zakłócenia elektryczne i zakłócenia, które mogą wpływać na działanie układu pomiarowego maszyny, a po drugie, eliminuje ryzyko narażenia personelu na działanie elektryczności statycznej.

3.2.1.2. Zespoły podtrzymujące rolki

Zespoły te są zazwyczaj instalowane na podporach maszyn przeznaczonych do wyważania wirników o masie przekraczającej 50 kilogramów. Ich zastosowanie znacznie zmniejsza siły tarcia w podporach w porównaniu z podporami pryzmatycznymi, ułatwiając obrót wyważonego wirnika. Przykładowo, rysunek 3.15 przedstawia wariant konstrukcji zespołu podporowego, w którym do pozycjonowania produktu wykorzystano rolki. W tej konstrukcji jako rolki 1 i 2 zastosowano standardowe łożyska toczne, których pierścienie zewnętrzne obracają się wokół nieruchomych osi zamocowanych w korpusie podpory 3 maszyny. Rysunek 3.16 przedstawia szkic bardziej złożonej konstrukcji zespołu podporowego rolek wdrożonego w swoim projekcie przez jednego z samodzielnych producentów wyważarek. Jak widać na rysunku, w celu zwiększenia nośności rolki (a co za tym idzie całego układu nośnego), w korpusie rolki 3 zamontowano parę łożysk tocznych 1 i 2. Praktyczna realizacja tej konstrukcji, pomimo wszystkich jej oczywistych zalet, wydaje się zadaniem dość złożonym, związanym z koniecznością samodzielnego wykonania korpusu rolki 3, któremu stawiane są bardzo wysokie wymagania dotyczące dokładności geometrycznej i właściwości mechanicznych materiału.

Rys. 3.15. Przykład konstrukcji zespołu podparcia rolki

Rys. 3.16. Przykład konstrukcji zespołu podparcia rolki z dwoma łożyskami tocznymi

Rysunek 3.17 przedstawia wariant konstrukcyjny samonastawnego zespołu wsporczego rolek, opracowany przez specjalistów z firmy LLC "Technobalance". W tej konstrukcji samonastawność rolek uzyskano poprzez zapewnienie im dwóch dodatkowych stopni swobody, umożliwiających im wykonywanie niewielkich ruchów kątowych wokół osi X i Y. Takie zespoły wsporcze, zapewniające wysoką precyzję montażu wyważonych wirników, są zazwyczaj zalecane do stosowania na podporach ciężkich maszyn wyważających.

Rys. 3.17. Przykład konstrukcji samonastawnego zespołu podparcia rolki

Jak wspomniano wcześniej, zespoły wsporników rolek mają zazwyczaj dość wysokie wymagania dotyczące precyzji wykonania i sztywności. W szczególności tolerancje ustawione dla bicia promieniowego rolek nie powinny przekraczać 3-5 mikronów.

W praktyce nie zawsze udaje się to osiągnąć nawet znanym producentom. Przykładowo, podczas testów bicia promieniowego zestawu nowych zespołów podpór rolkowych, zakupionych jako części zamienne do wyważarki H8V marki K. Shenk, bicie promieniowe ich rolek osiągnęło 10-11 mikronów.

3.2.1.3. Zespoły podpierające wrzeciono

Podczas wyważania wirników z mocowaniem kołnierzowym (na przykład wałów kardana) na maszynach wyważających, wrzeciona są używane jako zespoły wsporcze do pozycjonowania, montażu i obracania wyważanych produktów.

Wrzeciona są jednym z najbardziej złożonych i krytycznych komponentów wyważarek, w dużej mierze odpowiedzialnym za osiągnięcie wymaganej jakości wyważania.

Teoria i praktyka projektowania i wytwarzania wrzecion są dość dobrze rozwinięte i znajdują odzwierciedlenie w szerokim zakresie publikacji, spośród których najbardziej użyteczną i przystępną dla twórców jest monografia "Szczegóły i mechanizmy obrabiarek skrawających" [1] pod redakcją dr. inż. D.N. Reshetova.

Wśród głównych wymagań, które powinny być brane pod uwagę przy projektowaniu i produkcji wrzecion wyważarek, następujące powinny być traktowane priorytetowo:

a) Zapewnienie wysokiej sztywności konstrukcji zespołu wrzeciona wystarczającej do zapobiegania niedopuszczalnym odkształceniom, które mogą wystąpić pod wpływem sił niewyważenia wyważonego wirnika;

b) Zapewnienie stabilności położenia osi obrotu wrzeciona, charakteryzowanej przez dopuszczalne wartości bicia promieniowego, osiowego i osiowego wrzeciona;

c) Zapewnienie odpowiedniej odporności na zużycie czopów wrzeciona, a także jego gniazd i powierzchni nośnych wykorzystywanych do montażu wyważonych produktów.

Szczegółowy opis praktycznej realizacji tych wymagań znajduje się w rozdziale VI "Wrzeciona i ich podpory" pracy [1].

W szczególności dostępne są metodologie weryfikacji sztywności i dokładności obrotowej wrzecion, zalecenia dotyczące wyboru łożysk, wyboru materiału wrzeciona i metod jego hartowania, a także wiele innych przydatnych informacji na ten temat.

W pracy [1] zauważono, że w projektowaniu wrzecion dla większości typów obrabiarek do cięcia metalu stosuje się głównie schemat dwułożyskowy.

Przykład wariantu konstrukcyjnego takiego dwułożyskowego schematu stosowanego we wrzecionach frezarek (szczegóły można znaleźć w pracy [1]) pokazano na rys. 3.18.

Schemat ten jest całkiem odpowiedni do produkcji wrzecion wyważarek, których przykłady wariantów konstrukcyjnych pokazano poniżej na rysunkach 3.19-3.22.

Rys. 3.18. Szkic wrzeciona frezarki dwułożyskowej

Rysunek 3.19 przedstawia jeden z wariantów konstrukcyjnych zespołu wrzeciona prowadzącego wyważarki, obracającego się na dwóch łożyskach poprzecznych, z których każde ma własną niezależną obudowę 1 i 2. Kołnierz 4, przeznaczony do montażu kołnierzowego wału kardana, oraz koło pasowe 5, używane do przenoszenia obrotów na wrzeciono z silnika elektrycznego za pomocą paska klinowego, są zamontowane na wale wrzeciona 3.

Rysunek 3.19. Przykład konstrukcji wrzeciona na dwóch niezależnych podporach łożyskowych

Rysunki 3.20 i 3.21 przedstawiają dwie blisko spokrewnione konstrukcje zespołów wrzecion prowadzących. W obu przypadkach łożyska wrzeciona są zamontowane we wspólnej obudowie 1, która posiada przelotowy otwór osiowy niezbędny do zamontowania wału wrzeciona. Na wejściu i wyjściu z tego otworu, obudowa posiada specjalne otwory (nie pokazane na rysunkach), zaprojektowane tak, aby pomieścić promieniowe łożyska wzdłużne (wałeczkowe lub kulkowe) oraz specjalne pokrywy kołnierzowe 5, używane do zabezpieczenia zewnętrznych pierścieni łożysk.

Rysunek 3.20. Przykład 1 konstrukcji wrzeciona prowadzącego na dwóch podporach łożyska zainstalowanych we wspólnej obudowie

Rysunek 3.21. Przykład 2 konstrukcji wrzeciona prowadzącego na dwóch podporach łożyska zainstalowanych we wspólnej obudowie

Podobnie jak w poprzedniej wersji (patrz rys. 3.19), na wale wrzeciona zainstalowana jest płyta czołowa 2, przeznaczona do montażu kołnierzowego wału napędowego, oraz koło pasowe 3, służące do przenoszenia obrotów na wrzeciono z silnika elektrycznego za pośrednictwem napędu pasowego. Do wału wrzeciona przymocowana jest również kończyna 4, która służy do określania położenia kątowego wrzeciona, wykorzystywanego podczas instalowania obciążników testowych i korekcyjnych na wirniku podczas wyważania.

Rysunek 3.22. Przykład konstrukcji napędzanego (tylnego) wrzeciona

Rysunek 3.22 przedstawia wariant konstrukcyjny zespołu napędzanego (tylnego) wrzeciona maszyny, który różni się od wrzeciona prowadzącego jedynie brakiem koła pasowego napędowego i kończyny, ponieważ nie są one potrzebne.

Rysunek 3.23. Przykład wykonania projektu wrzeciona napędzanego (tylnego)

Jak widać w Rysunki 3.20 - 3.22Omówione powyżej zespoły wrzecion są mocowane do wsporników łożysk miękkich wyważarek za pomocą specjalnych zacisków (pasków) 6. W razie potrzeby można również zastosować inne metody mocowania, zapewniające odpowiednią sztywność i precyzję pozycjonowania zespołu wrzeciona na wsporniku.

Rysunek 3.23 ilustruje projekt mocowania kołnierzowego podobnego do tego wrzeciona, który może być użyty do jego instalacji na wsporniku łożyska twardego wyważarki.

3.2.1.3.4. Obliczanie sztywności wrzeciona i bicia promieniowego

Do określenia sztywności wrzeciona i przewidywanego bicia promieniowego można posłużyć się wzorem 3.4 (patrz schemat obliczeń na rysunku 3.24):

gdzie:

• Y - sprężyste przemieszczenie wrzeciona na końcu konsoli wrzeciona, cm;
• P - obliczeniowe obciążenie działające na konsolę wrzeciona, kg;
• A - tylne łożysko podtrzymujące wrzeciono;
• B - przednie łożysko podtrzymujące wrzeciono;
• g - długość konsoli wrzeciona, cm;
• c - odległość między podporami A i B wrzeciona, cm;
• J1 - średni moment bezwładności odcinka wrzeciona pomiędzy podporami, cm⁴;
• J2 - średni moment bezwładności przekroju konsoli wrzeciona, cm⁴;
• jB i jA - sztywność łożysk przedniego i tylnego podparcia wrzeciona, odpowiednio, kg/cm.

Przekształcając wzór 3.4, otrzymujemy pożądaną obliczoną wartość sztywności zespołu wrzeciona jшп można określić:

Biorąc pod uwagę zalecenia pracy [1] dla średniej wielkości wyważarek, wartość ta nie powinna być niższa niż 50 kg/µm.

Do obliczenia bicia promieniowego stosuje się wzór 3.5:

gdzie:

• ∆ to bicie promieniowe na końcu konsoli wrzeciona, µm;
• ∆B to bicie promieniowe łożyska wrzeciona przedniego, µm;
• ∆A to bicie promieniowe tylnego łożyska wrzeciona, µm;
• g to długość konsoli wrzeciona w cm;
• c to odległość między podporami A i B wrzeciona, cm.

3.2.1.3.5. Spełnienie wymagań dotyczących wyważenia wrzeciona

Zespoły wrzecion wyważarek muszą być dobrze wyważone, ponieważ każde rzeczywiste niewyważenie przeniesie się na wyważany wirnik jako dodatkowy błąd. Przy ustalaniu tolerancji technologicznych dla niewyważenia resztkowego wrzeciona zaleca się, aby klasa dokładności jego wyważenia była co najmniej o 1-2 klasy wyższa niż klasa dokładności produktu wyważanego na maszynie.

Biorąc pod uwagę cechy konstrukcyjne wrzecion omówione powyżej, ich wyważanie powinno odbywać się w dwóch płaszczyznach.

3.2.1.3.6. Zapewnienie nośności i trwałości łożysk wrzeciona

Podczas projektowania wrzecion i doboru rozmiarów łożysk zaleca się wstępną ocenę trwałości i nośności łożysk. Metodykę wykonywania tych obliczeń można szczegółowo opisać w normie ISO 18855-94 (ISO 281-89) "Łożyska toczne – Nośność dynamiczna i trwałość znamionowa" [3], a także w licznych (w tym cyfrowych) podręcznikach dotyczących łożysk tocznych.

3.2.1.3.7. Zapewnienie wymagań dotyczących dopuszczalnego nagrzewania łożysk wrzeciona

Zgodnie z zaleceniami z pracy [1], maksymalne dopuszczalne nagrzewanie pierścieni zewnętrznych łożysk wrzecion nie powinno przekraczać 70°C. Jednakże, aby zapewnić wysoką jakość wyważania, zalecane nagrzewanie pierścieni zewnętrznych nie powinno przekraczać 40 - 45°C.

3.2.1.3.8. Wybór typu napędu pasowego i konstrukcji koła pasowego napędu wrzeciona

Podczas projektowania wrzeciona napędowego wyważarki zaleca się zapewnienie jego obrotów za pomocą napędu z paskiem płaskim. Przykład prawidłowego zastosowania takiego napędu do pracy wrzeciona przedstawiono w artykule Rysunki 3.20 i 3.23. Stosowanie napędów pasowych z paskiem klinowym lub zębatym jest niepożądane, ponieważ mogą one powodować dodatkowe obciążenia dynamiczne wrzeciona z powodu niedokładności geometrycznych pasów i kół pasowych, co z kolei może prowadzić do dodatkowych błędów pomiarowych podczas wyważania. Zalecane wymagania dotyczące kół pasowych do płaskich pasów napędowych określono w normie ISO 17383-73 "Koła pasowe do płaskich pasów napędowych" [4].

Koło pasowe napędu powinno być umieszczone na tylnym końcu wrzeciona, jak najbliżej zespołu łożyska (z minimalnym możliwym zwisem). Decyzja projektowa dotycząca zwisającego umieszczenia koła pasowego, podjęta podczas produkcji wrzeciona pokazanego na rysunku Rysunek 3.19można uznać za nieudany, ponieważ znacznie zwiększa moment dynamicznego obciążenia napędu działającego na podpory wrzeciona.

Kolejną istotną wadą tej konstrukcji jest zastosowanie napędu z paskiem klinowym, którego niedokładności produkcyjne i montażowe mogą być również źródłem niepożądanego dodatkowego obciążenia wrzeciona.

3.3. Łóżko (rama)

Łoże jest główną konstrukcją nośną wyważarki, na której opierają się jej główne elementy, w tym słupki nośne i silnik napędowy. Wybierając lub produkując łoże wyważarki, należy upewnić się, że spełnia ono kilka wymagań, w tym niezbędną sztywność, precyzję geometryczną, odporność na wibracje i odporność na zużycie prowadnic.

Praktyka pokazuje, że podczas produkcji maszyn na własne potrzeby, najczęściej stosowane są następujące opcje łóżek:

• żeliwne łoża z używanych maszyn do cięcia metalu (tokarek, obrabiarek do drewna itp.);
• zmontowane łóżka oparte na ceownikach, montowane za pomocą połączeń śrubowych;
• spawane łóżka oparte na kanałach;
• Podłoża polimerobetonowe z powłokami pochłaniającymi drgania.

Rysunek 3.25. Przykład wykorzystania używanego łoża maszyny do obróbki drewna do produkcji maszyny do wyważania wałów Cardana.

3.4. Napędy do wyważarek

Jak pokazuje analiza rozwiązań konstrukcyjnych stosowanych przez naszych klientów w produkcji wyważarek, podczas projektowania napędów koncentrują się oni głównie na wykorzystaniu silników prądu przemiennego wyposażonych w napędy o zmiennej częstotliwości. Takie podejście pozwala na szeroki zakres regulowanych prędkości obrotowych wyważanych wirników przy minimalnych kosztach. Moc głównych silników napędowych używanych do obracania wyważanych wirników jest zwykle wybierana na podstawie masy tych wirników i może w przybliżeniu wynosić:

• 0,25 - 0,72 kW dla maszyn przeznaczonych do wyważania wirników o masie ≤ 5 kg;
• 0,72 - 1,2 kW dla maszyn przeznaczonych do wyważania wirników o masie > 5 ≤ 50 kg;
• 1,2 - 1,5 kW dla maszyn przeznaczonych do wyważania wirników o masie > 50 ≤ 100 kg;
• 1,5 - 2,2 kW dla maszyn przeznaczonych do wyważania wirników o masie > 100 ≤ 500 kg;
• 2,2 - 5 kW dla maszyn przeznaczonych do wyważania wirników o masie > 500 ≤ 1000 kg;
• 5 - 7,5 kW dla maszyn przeznaczonych do wyważania wirników o masie > 1000 ≤ 3000 kg.

Silniki te powinny być sztywno zamontowane na łożu maszyny lub jej fundamencie. Przed instalacją na maszynie (lub w miejscu instalacji), główny silnik napędowy wraz z kołem pasowym zamontowanym na jego wale wyjściowym powinien zostać dokładnie wyważony. Aby zmniejszyć zakłócenia elektromagnetyczne powodowane przez napęd o zmiennej częstotliwości, zaleca się zainstalowanie filtrów sieciowych na jego wejściu i wyjściu. Mogą to być standardowe, gotowe produkty dostarczane przez producentów napędów lub filtry domowej roboty wykonane przy użyciu pierścieni ferrytowych.

4. Systemy pomiarowe wyważarek

Większość amatorskich producentów wyważarek, którzy kontaktują się z firmą LLC "Kinematics" (Vibromera), planuje wykorzystać w swoich projektach systemy pomiarowe serii "Balanset" produkowane przez naszą firmę. Istnieją jednak również klienci, którzy planują samodzielnie produkować takie systemy pomiarowe. Dlatego warto omówić szczegółowo konstrukcję systemu pomiarowego dla wyważarki. Głównym wymaganiem stawianym tym systemom jest zapewnienie wysokiej precyzji pomiarów amplitudy i fazy składowej obrotowej sygnału drganiowego, która pojawia się przy częstotliwości obrotowej wyważonego wirnika. Cel ten osiąga się zazwyczaj poprzez zastosowanie kombinacji rozwiązań technicznych, w tym:

• Zastosowanie czujników drgań o wysokim współczynniku konwersji sygnału;
• Wykorzystanie nowoczesnych laserowych czujników kąta fazowego;
• Stworzenie (lub wykorzystanie) sprzętu, który pozwala na wzmocnienie i cyfrową konwersję sygnałów z czujników (podstawowe przetwarzanie sygnałów);
• Implementacja przetwarzania programowego sygnału drganiowego, która powinna umożliwić wysokorozdzielczą i stabilną ekstrakcję składowej obrotowej sygnału drganiowego, manifestującej się przy częstotliwości obrotowej zbalansowanego wirnika (przetwarzanie wtórne).

Poniżej rozpatrzymy znane warianty takich rozwiązań technicznych, zaimplementowane w wielu powszechnie znanych urządzeniach równoważących.

4.1. Wybór czujników drgań

W systemach pomiarowych wyważarek mogą być stosowane różne typy czujników drgań (przetworników), w tym:

• Czujniki przyspieszenia drgań (akcelerometry);
• Czujniki prędkości drgań;
• Czujniki przemieszczenia drgań;
• Czujniki siły.

4.1.1. Czujniki przyspieszenia drgań

Spośród czujników przyspieszenia drgań, najczęściej stosowane są akcelerometry piezoelektryczne i pojemnościowe (chipowe), które mogą być skutecznie stosowane w wyważarkach z miękkimi łożyskami. W praktyce dopuszczalne jest stosowanie czujników przyspieszenia drgań o współczynnikach konwersji (Kpr) w zakresie od 10 do 30 mV/(m/s²). W wyważarkach wymagających szczególnie wysokiej dokładności wyważania zaleca się stosowanie akcelerometrów o współczynniku Kpr wynoszącym 100 mV/(m/s²) i wyższym. Jako przykład akcelerometrów piezoelektrycznych, które mogą być stosowane jako czujniki drgań w wyważarkach, na rysunku 4.1 przedstawiono akcelerometry piezoelektryczne DN3M1 i DN3M1V6 produkowane przez LLC "Izmeritel".

Rysunek 4.1. Akcelerometry piezoelektryczne DN 3M1 i DN 3M1V6

Aby podłączyć takie czujniki do przyrządów i systemów pomiaru drgań, konieczne jest użycie zewnętrznych lub wbudowanych wzmacniaczy ładunku.

Rysunek 4.2. Akcelerometry pojemnościowe AD1 produkowane przez spółkę LLC "Kinematics" (Vibromera)

Należy zauważyć, że czujniki te, w tym szeroko stosowane na rynku płyty akcelerometrów pojemnościowych ADXL 345 (patrz rysunek 4.3), mają kilka istotnych zalet w porównaniu z akcelerometrami piezoelektrycznymi. W szczególności są one od 4 do 8 razy tańsze przy podobnych parametrach technicznych. Co więcej, nie wymagają stosowania kosztownych i skomplikowanych wzmacniaczy ładunku, które są niezbędne w przypadku akcelerometrów piezoelektrycznych.

W przypadkach, w których oba typy akcelerometrów są używane w systemach pomiarowych wyważarek, zwykle wykonywana jest sprzętowa integracja (lub podwójna integracja) sygnałów czujników.

Rysunek 4.2. Akcelerometry pojemnościowe AD 1, zmontowane.

Rysunek 4.2. Akcelerometry pojemnościowe AD1 produkowane przez spółkę LLC "Kinematics" (Vibromera)

Należy zauważyć, że czujniki te, w tym szeroko stosowane na rynku płyty akcelerometrów pojemnościowych ADXL 345 (patrz rysunek 4.3), mają kilka istotnych zalet w porównaniu z akcelerometrami piezoelektrycznymi. W szczególności są one od 4 do 8 razy tańsze przy podobnych parametrach technicznych. Co więcej, nie wymagają stosowania kosztownych i skomplikowanych wzmacniaczy ładunku, które są niezbędne w przypadku akcelerometrów piezoelektrycznych.

Rysunek 4.3. Płytka akcelerometru pojemnościowego ADXL 345.

W tym przypadku początkowy sygnał czujnika, proporcjonalny do przyspieszenia drgań, jest odpowiednio przekształcany w sygnał proporcjonalny do prędkości drgań lub przemieszczenia. Procedura podwójnego całkowania sygnału drgań jest szczególnie istotna w przypadku stosowania akcelerometrów jako części systemów pomiarowych wyważarek wolnoobrotowych, w których dolny zakres częstotliwości obrotów wirnika podczas wyważania może osiągnąć 120 obr. W przypadku stosowania akcelerometrów pojemnościowych w systemach pomiarowych wyważarek, należy wziąć pod uwagę, że po integracji ich sygnały mogą zawierać zakłócenia o niskiej częstotliwości, objawiające się w zakresie częstotliwości od 0,5 do 3 Hz. Może to ograniczać dolny zakres częstotliwości wyważania w maszynach przeznaczonych do korzystania z tych czujników.

4.1.2. Czujniki prędkości drgań

4.1.2.1. Indukcyjne czujniki prędkości drgań.

Czujniki te zawierają cewkę indukcyjną i rdzeń magnetyczny. Gdy cewka wibruje względem nieruchomego rdzenia (lub rdzeń względem nieruchomej cewki), w cewce indukuje się pole elektromagnetyczne, którego napięcie jest wprost proporcjonalne do prędkości wibracji ruchomego elementu czujnika. Współczynniki konwersji (Кпр) czujników indukcyjnych są zwykle dość wysokie, osiągając kilkadziesiąt lub nawet kilkaset mV/mm/sek. W szczególności współczynnik konwersji czujnika Schenck model T77 wynosi 80 mV/mm/s, a dla czujnika IRD Mechanalysis model 544M wynosi 40 mV/mm/s. W niektórych przypadkach (na przykład w wyważarkach Schenck) stosowane są specjalne bardzo czułe indukcyjne czujniki prędkości drgań ze wzmacniaczem mechanicznym, gdzie Кпр może przekraczać 1000 mV/mm/s. Jeśli indukcyjne czujniki prędkości drgań są stosowane w systemach pomiarowych wyważarek, można również przeprowadzić sprzętową integrację sygnału elektrycznego proporcjonalnego do prędkości drgań, przekształcając go w sygnał proporcjonalny do przemieszczenia drgań.

Rysunek 4.4. Czujnik Model 544M firmy IRD Mechanalysis.

Rysunek 4.5. Czujnik model T77 firmy Schenck

Należy zauważyć, że ze względu na pracochłonność ich produkcji, indukcyjne czujniki prędkości drgań są dość rzadkimi i drogimi przedmiotami. Dlatego też, pomimo oczywistych zalet tych czujników, amatorscy producenci wyważarek stosują je bardzo rzadko.

4.2. Czujniki kąta fazowego

Do synchronizacji procesu pomiaru drgań z kątem obrotu wyważonego wirnika stosuje się czujniki kąta fazowego, takie jak czujniki laserowe (fotoelektryczne) lub indukcyjne. Czujniki te są produkowane w różnych wersjach przez producentów krajowych i zagranicznych. Przedział cenowy tych czujników może się znacznie różnić i wahać od około 40 do 200 dolarów. Przykładem takiego urządzenia jest czujnik kąta fazowego firmy "Diamex", pokazany na rysunku 4.11.

Rysunek 4.11: Czujnik kąta fazowego firmy "Diamex"

Jako inny przykład, na rysunku 4.12 pokazano model wdrożony przez spółkę LLC "Kinematics" (Vibromera), w którym jako czujniki kąta fazowego zastosowano tachometry laserowe modelu DT 2234C produkcji chińskiej. Oczywiste zalety tego czujnika obejmują:

• Szeroki zakres pracy, umożliwiający pomiar częstotliwości obrotów wirnika od 2,5 do 99 999 obrotów na minutę, z rozdzielczością nie mniejszą niż jeden obrót;
• Wyświetlacz cyfrowy;
• Łatwość konfiguracji tachometru do pomiarów;
• Przystępność i niskie koszty rynkowe;
• Względna prostota modyfikacji w celu integracji z systemem pomiarowym wyważarki.

Rysunek 4.12: Tachometr laserowy model DT 2234C

W niektórych przypadkach, gdy użycie optycznych czujników laserowych jest niepożądane z jakiegokolwiek powodu, można je zastąpić indukcyjnymi bezkontaktowymi czujnikami przemieszczenia, takimi jak wspomniany wcześniej model ISAN E41A lub podobne produkty innych producentów.

4.3. Funkcje przetwarzania sygnału w czujnikach drgań

Do precyzyjnego pomiaru amplitudy i fazy składowej obrotowej sygnału drgań w urządzeniach wyważających zwykle stosuje się kombinację narzędzi sprzętowych i programowych. Narzędzia te umożliwiają:

• Szerokopasmowa filtracja sprzętowa sygnału analogowego czujnika;
• Wzmocnienie sygnału analogowego czujnika;
• Całkowanie i/lub podwójne całkowanie (w razie potrzeby) sygnału analogowego;
• Filtrowanie wąskopasmowe sygnału analogowego przy użyciu filtra śledzącego;
• Konwersja analogowo-cyfrowa sygnału;
• Synchroniczne filtrowanie sygnału cyfrowego;
• Analiza harmoniczna sygnału cyfrowego.

4.3.1. Filtrowanie sygnału szerokopasmowego

Ta procedura jest niezbędna do oczyszczenia sygnału czujnika drgań z potencjalnych zakłóceń, które mogą występować zarówno w dolnej, jak i górnej granicy zakresu częstotliwości urządzenia. Zaleca się, aby urządzenie pomiarowe wyważarki ustawiło dolną granicę filtru pasmowo-przepustowego na 2-3 Hz, a górną na 50 (100) Hz. Filtrowanie "dolne" pomaga tłumić szumy o niskiej częstotliwości, które mogą pojawiać się na wyjściu różnego typu wzmacniaczy pomiarowych czujników. Filtrowanie "górne" eliminuje możliwość zakłóceń spowodowanych częstotliwościami kombinowanymi i potencjalnymi drganiami rezonansowymi poszczególnych elementów mechanicznych maszyny.

4.3.2. Wzmocnienie sygnału analogowego z czujnika

W przypadku konieczności zwiększenia czułości układu pomiarowego wyważarki, sygnały z czujników drgań podawane na wejście układu pomiarowego mogą zostać wzmocnione. Można zastosować zarówno standardowe wzmacniacze o stałym wzmocnieniu, jak i wzmacniacze wielostopniowe, których wzmocnienie można programowo zmieniać w zależności od rzeczywistego poziomu sygnału z czujnika. Przykładem programowalnego wzmacniacza wielostopniowego są wzmacniacze zaimplementowane w przetwornikach pomiaru napięcia, takich jak E154 lub E14-140 firmy LLC "L-Card".

4.3.3. Integracja

Jak wspomniano wcześniej, w systemach pomiarowych wyważarek zalecana jest sprzętowa integracja i/lub podwójna integracja sygnałów czujników drgań. Tak więc, początkowy sygnał akcelerometru, proporcjonalny do przyspieszenia drgań, może być przekształcony w sygnał proporcjonalny do prędkości drgań (całkowanie) lub przemieszczenia drgań (podwójne całkowanie). Podobnie, sygnał z czujnika prędkości drgań po całkowaniu można przekształcić w sygnał proporcjonalny do przemieszczenia drgań.

4.3.4. Filtrowanie wąskopasmowe sygnału analogowego przy użyciu filtra śledzącego

Aby zredukować zakłócenia i poprawić jakość przetwarzania sygnałów drganiowych w układach pomiarowych wyważarek, można zastosować wąskopasmowe filtry śledzące. Częstotliwość środkowa tych filtrów jest automatycznie dostrajana do częstotliwości obrotowej wyważanego wirnika za pomocą sygnału czujnika obrotów wirnika. Do tworzenia takich filtrów można wykorzystać nowoczesne układy scalone, takie jak MAX263, MAX264, MAX267, MAX268 firmy "MAXIM".

4.3.5. Konwersja analogowo-cyfrowa sygnałów

Konwersja analogowo-cyfrowa to kluczowa procedura, która zapewnia możliwość poprawy jakości przetwarzania sygnału drganiowego podczas pomiaru amplitudy i fazy. Procedura ta jest stosowana we wszystkich nowoczesnych systemach pomiarowych wyważarek. Przykładem efektywnej implementacji takich przetworników ADC są przetworniki pomiaru napięcia typu E154 lub E14-140 firmy LLC "L-Card", stosowane w kilku systemach pomiarowych wyważarek produkowanych przez LLC "Kinematics" (Vibromera). Ponadto LLC "Kinematics" (Vibromera) ma doświadczenie w stosowaniu tańszych systemów mikroprocesorowych opartych na sterownikach "Arduino", mikrokontrolerze PIC18F4620 firmy "Microchip" i podobnych układach.

4.1.2.2. Czujniki prędkości drgań oparte na akcelerometrach piezoelektrycznych

Czujnik tego typu różni się od standardowego akcelerometru piezoelektrycznego tym, że posiada wbudowany wzmacniacz ładunku i integrator w obudowie, co pozwala mu na generowanie sygnału proporcjonalnego do prędkości drgań. Przykładowo, piezoelektryczne czujniki prędkości drgań produkowane przez krajowych producentów (firmę ZETLAB i spółkę LLC "Vibropribor") przedstawiono na rysunkach 4.6 i 4.7.

Rysunek 4.6. Model czujnika AV02 firmy ZETLAB (Rosja)

Rysunek 4.7. Czujnik DVST 2 firmy LLC "Vibropribor"

Takie czujniki są produkowane przez różnych producentów (zarówno krajowych, jak i zagranicznych) i są obecnie szeroko stosowane, zwłaszcza w przenośnym sprzęcie wibracyjnym. Koszt tych czujników jest dość wysoki i może osiągnąć od 20 000 do 30 000 rubli za sztukę, nawet od krajowych producentów.

4.1.3. Czujniki przemieszczenia

W systemach pomiarowych wyważarek można również stosować bezkontaktowe czujniki przemieszczenia – pojemnościowe lub indukcyjne. Czujniki te mogą pracować w trybie statycznym, umożliwiając rejestrację procesów drganiowych od 0 Hz. Ich zastosowanie może być szczególnie efektywne w przypadku wyważania wirników wolnoobrotowych o prędkościach obrotowych 120 obr./min i niższych. Współczynniki konwersji tych czujników mogą sięgać 1000 mV/mm i więcej, co zapewnia wysoką dokładność i rozdzielczość pomiaru przemieszczenia, nawet bez dodatkowego wzmocnienia. Oczywistą zaletą tych czujników jest ich stosunkowo niski koszt, który u niektórych krajowych producentów nie przekracza 1000 rubli. Podczas stosowania tych czujników w wyważarkach należy pamiętać, że nominalna szczelina robocza między elementem czułym czujnika a powierzchnią drgającego obiektu jest ograniczona średnicą cewki czujnika. Na przykład w przypadku czujnika pokazanego na rysunku 4.8, model ISAN E41A firmy "TEKO", określona szczelina robocza wynosi zazwyczaj od 3,8 do 4 mm, co pozwala na pomiar przemieszczenia drgającego obiektu w zakresie ±2,5 mm.

Rysunek 4.8. Indukcyjny czujnik przemieszczenia model ISAN E41A firmy TEKO (Rosja)

4.1.4. Czujniki siły

Jak wcześniej wspomniano, czujniki siły są wykorzystywane w systemach pomiarowych zainstalowanych na wyważarkach do łożysk twardych. Czujniki te, szczególnie ze względu na ich prostotę produkcji i stosunkowo niski koszt, są zwykle piezoelektrycznymi czujnikami siły. Przykłady takich czujników pokazano na rysunkach 4.9 i 4.10.

Rysunek 4.9. Czujnik siły SD 1 firmy Kinematika LLC

Rysunek 4.10: Czujnik siły do wyważarek samochodowych, sprzedawany przez "STO Market"

Tensometryczne czujniki siły, które są produkowane przez szeroką gamę producentów krajowych i zagranicznych, mogą być również wykorzystywane do pomiaru względnych odkształceń w podporach wyważarek do łożysk twardych.

4.4. Schemat funkcjonalny układu pomiarowego wyważarki "Balanset 2"

System pomiarowy "Balanset 2" reprezentuje nowoczesne podejście do integracji funkcji pomiarowych i obliczeniowych w wyważarkach. System ten zapewnia automatyczne obliczanie ciężarów korekcyjnych metodą współczynnika wpływu i może być dostosowany do różnych konfiguracji maszyny.

Schemat funkcjonalny obejmuje kondycjonowanie sygnału, konwersję analogowo-cyfrową, cyfrowe przetwarzanie sygnału oraz automatyczne algorytmy obliczeniowe. System może obsługiwać scenariusze równoważenia zarówno dwupłaszczyznowego, jak i wielopłaszczyznowego z wysoką precyzją.

4.5. Obliczanie parametrów obciążników korekcyjnych stosowanych w wyważaniu wirnika

Obliczanie ciężarków korekcyjnych opiera się na metodzie współczynnika wpływu, która określa reakcję wirnika na obciążenia testowe w różnych płaszczyznach. Metoda ta jest podstawą wszystkich nowoczesnych systemów wyważania i zapewnia dokładne wyniki zarówno dla wirników sztywnych, jak i elastycznych.

4.5.1. Zadanie wyważania wirników dwupodporowych i metody jego rozwiązania

W przypadku wirników z podwójnym podparciem (najczęstsza konfiguracja) zadanie wyważania obejmuje wyznaczenie dwóch ciężarków korekcyjnych – po jednym dla każdej płaszczyzny korekcji. Metoda współczynnika wpływu wykorzystuje następujące podejście:

1. Pomiar początkowy (bieg 0): Pomiar drgań bez użycia ciężarków próbnych
2. Pierwszy przebieg próbny (Przebieg 1): Dodaj znaną masę próbną do Płaszczyzny 1, zmierz reakcję
3. Drugi przebieg próbny (Przebieg 2): Przenieś ciężarek próbny na płaszczyznę 2, zmierz reakcję
4. Obliczenie: Oprogramowanie oblicza stałe wagi korekcyjne na podstawie zmierzonych odpowiedzi

Podstawy matematyczne polegają na rozwiązaniu układu równań liniowych wiążących wpływy ciężaru próbnego z wymaganymi poprawkami w obu płaszczyznach jednocześnie.

Rysunki 3.26 i 3.27 pokazano przykłady zastosowania łoża tokarskiego, na bazie którego wyprodukowano specjalistyczną wyważarkę Hard Bearing do wyważania ślimaków oraz uniwersalną wyważarkę Soft Bearing do wirników cylindrycznych. Dla producentów DIY takie rozwiązania pozwalają na stworzenie sztywnego systemu nośnego dla wyważarki przy minimalnym nakładzie czasu i kosztów, na którym można zamontować stojaki nośne różnego typu (zarówno Hard Bearing, jak i Soft Bearing). Głównym zadaniem producenta w tym przypadku jest zapewnienie (i w razie potrzeby przywrócenie) geometrycznej precyzji prowadnic maszyny, na których oparte będą podpory. W warunkach produkcji DIY, w celu przywrócenia wymaganej dokładności geometrycznej prowadnic, zwykle stosuje się dokładne skrobanie.

Rysunek 3.28 przedstawia wersję zmontowanego łóżka wykonanego z dwóch ceowników. W produkcji tego łóżka zastosowano rozłączne połączenia śrubowe, co pozwala na zminimalizowanie lub całkowite wyeliminowanie deformacji łóżka podczas montażu bez dodatkowych operacji technologicznych. Aby zapewnić odpowiednią dokładność geometryczną prowadnic określonego łóżka, może być wymagana obróbka mechaniczna (szlifowanie, dokładne frezowanie) górnych kołnierzy zastosowanych kanałów.

Rysunki 3.29 i 3.30 przedstawiają odmiany łóżek spawanych, również wykonanych z dwóch kanałów. Technologia produkcji takich łóżek może wymagać szeregu dodatkowych operacji, takich jak obróbka cieplna w celu zmniejszenia naprężeń wewnętrznych występujących podczas spawania. Podobnie jak w przypadku łóżek zmontowanych, aby zapewnić odpowiednią dokładność geometryczną prowadnic łóżek spawanych, należy zaplanować obróbkę mechaniczną (szlifowanie, dokładne frezowanie) górnych kołnierzy zastosowanych kanałów.

4.5.2. Metodologia wyważania dynamicznego wirników wielopodporowych

Wirniki wielopunktowe (trzy lub cztery punkty podparcia) wymagają bardziej złożonych procedur wyważania. Każdy punkt podparcia ma wpływ na ogólną dynamikę, a korekta musi uwzględniać interakcje między wszystkimi płaszczyznami.

Metodologia rozszerza podejście dwupłaszczyznowe o:

• Pomiar drgań we wszystkich punktach podparcia
• Korzystanie z wielu pozycji ciężaru próbnego
• Rozwiązywanie większych układów równań liniowych
• Optymalizacja rozkładu masy korekcyjnej

W przypadku wałów Cardana i podobnych długich wirników takie podejście pozwala zwykle uzyskać poziom niewyważenia resztkowego odpowiadający klasie jakości ISO G6.3 lub wyższej.

4.5.3. Kalkulatory do wyważania wirników wielopodporowych

Opracowano specjalistyczne algorytmy obliczeniowe dla konfiguracji wirników trój- i cztero-podporowych. Kalkulatory te są zaimplementowane w oprogramowaniu Balanset-4 i mogą automatycznie obsługiwać złożone geometrie wirników.

Kalkulatory uwzględniają:

• Zmienna sztywność podparcia
• Sprzęganie krzyżowe między płaszczyznami korekcji
• Optymalizacja rozmieszczenia ciężaru w celu zapewnienia dostępności
• Weryfikacja wyników obliczeniowych

5. Zalecenia dotyczące sprawdzania działania i dokładności wyważarek

Dokładność i niezawodność wyważarki zależą od wielu czynników, w tym od dokładności geometrycznej jej elementów mechanicznych, charakterystyki dynamicznej podpór oraz sprawności operacyjnej systemu pomiarowego. Regularna weryfikacja tych parametrów zapewnia stałą jakość wyważania i pomaga zidentyfikować potencjalne problemy, zanim wpłyną one na produkcję.

5.1. Sprawdzanie dokładności geometrycznej maszyny

Weryfikacja dokładności geometrycznej obejmuje sprawdzenie współosiowości podpór, równoległości prowadnic i współosiowości zespołów wrzecion. Kontrole te należy przeprowadzać podczas początkowej konfiguracji oraz okresowo w trakcie eksploatacji, aby zapewnić utrzymanie dokładności.

5.2. Sprawdzanie charakterystyki dynamicznej urządzenia

Weryfikacja charakterystyk dynamicznych obejmuje pomiar częstotliwości własnych podpór i elementów ramy, aby upewnić się, że są one prawidłowo oddzielone od częstotliwości roboczych. Zapobiega to problemom z rezonansem, które mogą wpływać na dokładność wyważenia.

5.3. Sprawdzanie zdolności operacyjnej systemu pomiarowego

Weryfikacja systemu pomiarowego obejmuje kalibrację czujników, weryfikację wyrównania fazowego oraz kontrolę dokładności przetwarzania sygnału. Zapewnia to wiarygodny pomiar amplitudy i fazy drgań przy wszystkich prędkościach roboczych.

5.4. Sprawdzanie charakterystyk dokładności zgodnie z normą ISO 20076-2007

Norma ISO 20076-2007 określa znormalizowane procedury weryfikacji dokładności wyważarki z wykorzystaniem skalibrowanych wirników testowych. Procedury te pomagają weryfikować wydajność maszyny zgodnie z międzynarodowymi normami.

Literatura

1. Reshetov DN (red.). "Szczegóły i mechanizmy obrabiarek do obróbki skrawaniem metali". Moskwa: Mashinostroenie, 1972.
2. Kellenberger W. "Szlifowanie spiralne powierzchni walcowych". Machinery, 1963.
3. ISO 18855-94 (ISO 281-89) "Łożyska toczne – Nośność dynamiczna i trwałość znamionowa"."
4. ISO 17383-73 "Koła pasowe do płaskich pasów napędowych"."
5. ISO 1940-1-2007 "Drgania. Wymagania dotyczące jakości wyważenia wirników sztywnych"."
6. ISO 20076-2007 "Procedury weryfikacji dokładności wyważarek"."