Autor do artigo : Feldman Valery Davidovich
Redação e tradução: Nikolai Andreevich Shelkovenko e chatGPT
Equilibrar máquinas com as próprias mãos
Índice
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Secção |
Página |
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1. Introdução |
3 |
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2. Tipos de máquinas de equilibrar (bancadas) e suas características de conceção |
4 |
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2.1. Máquinas e suportes de rolamentos macios |
4 |
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2.2. Máquinas de rolamentos duros |
17 |
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3. Requisitos para a construção de unidades básicas e mecanismos de máquinas de equilibrar |
26 |
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3.1. Rolamentos |
26 |
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3.2. Unidades de rolamento de máquinas de equilibrar |
41 |
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3.3. Estruturas de cama |
56 |
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3.4. Accionamentos de máquinas de equilibrar |
60 |
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4. Sistemas de medição de máquinas de equilibrar |
62 |
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4.1. Seleção dos sensores de vibrações |
62 |
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4.2. Sensores de ângulo de fase |
69 |
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4.3. Características do processamento de sinais de sensores de vibração |
71 |
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4.4. Esquema funcional do sistema de medição da máquina de equilibrar, "Balanset 2" |
76 |
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4.5. Cálculo dos parâmetros dos pesos de correção utilizados na equilibragem do rotor |
79 |
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4.5.1. Tarefa de equilibrar rotores de suporte duplo e métodos para a sua resolução |
80 |
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4.5.2. Metodologia para a equilibragem dinâmica de rotores multi-suporte |
83 |
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4.5.3. Calculadoras para equilibrar rotores multi-suporte |
92 |
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5. Recomendações para o controlo do funcionamento e da precisão das máquinas de equilibrar |
93 |
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5.1. Controlo da precisão geométrica da máquina |
93 |
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5.2. Verificação das características dinâmicas da máquina |
101 |
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5.3. Verificação da capacidade operacional do sistema de medição |
103 |
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5.4. Verificação das características de precisão da máquina de acordo com a norma ISO 20076-2007 |
112 |
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Literatura |
119 |
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Apêndice 1: Algoritmo de cálculo dos parâmetros de equilíbrio para três veios de apoio |
120 |
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Apêndice 2: Algoritmo para o cálculo dos parâmetros de equilíbrio para quatro veios de apoio |
130 |
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Apêndice 3: Guia de utilização da calculadora do equilibrador |
146 |
1. Introdução (Porque é que houve necessidade de escrever esta obra?)
Uma análise da estrutura de consumo dos dispositivos de equilibragem fabricados pela LLC "Kinematics" revela que cerca de 30% deles são comprados para uso como sistemas de medição e computação estacionários para máquinas de equilibragem e/ou suportes. É possível identificar dois grupos de consumidores (clientes) do nosso equipamento.
O primeiro grupo inclui empresas especializadas na produção em massa de máquinas de equilibragem e na sua venda a clientes externos. Estas empresas empregam especialistas altamente qualificados com profundos conhecimentos e vasta experiência na conceção, fabrico e operação de vários tipos de máquinas de equilibrar. Os desafios que surgem nas interacções com este grupo de consumidores estão, na maioria das vezes, relacionados com a adaptação dos nossos sistemas de medição e software a máquinas existentes ou recentemente desenvolvidas, sem abordar questões da sua execução estrutural.
O segundo grupo é constituído por consumidores que desenvolvem e fabricam máquinas (suportes) para as suas próprias necessidades. Esta abordagem explica-se principalmente pelo desejo dos fabricantes independentes de reduzir os seus próprios custos de produção, que, em alguns casos, podem diminuir duas a três vezes ou mais. Este grupo de consumidores carece frequentemente de experiência adequada na criação de máquinas e baseia-se normalmente na utilização do senso comum, em informações da Internet e em quaisquer análogos disponíveis no seu trabalho.
A interação com elas levanta muitas questões que, para além de informações adicionais sobre os sistemas de medição das máquinas de equilibrar, abrangem uma vasta gama de questões relacionadas com a execução estrutural das máquinas, métodos de instalação na fundação, seleção de accionamentos, obtenção de uma precisão de equilibragem adequada, etc.
Tendo em conta o interesse significativo demonstrado por um grande grupo dos nossos consumidores nas questões relacionadas com o fabrico independente de máquinas de equilibrar, os especialistas da LLC "Kinematics" prepararam uma compilação com comentários e recomendações sobre as perguntas mais frequentes.
2. Tipos de máquinas de equilibrar (bancadas) e suas características de conceção
Uma máquina de equilibrar é um dispositivo tecnológico concebido para eliminar o desequilíbrio estático ou dinâmico de rotores para diversos fins. Incorpora um mecanismo que acelera o rotor equilibrado para uma frequência de rotação especificada e um sistema especializado de medição e computação que determina as massas e a colocação de pesos correctivos necessários para compensar o desequilíbrio do rotor.
A construção da parte mecânica da máquina é normalmente constituída por uma estrutura de base sobre a qual estão instalados postes de apoio (rolamentos). Estes são utilizados para montar o produto equilibrado (rotor) e incluem um acionamento destinado a rodar o rotor. Durante o processo de equilibragem, que é realizado enquanto o produto está a rodar, os sensores do sistema de medição (cujo tipo depende da conceção da máquina) registam as vibrações nos rolamentos ou as forças nos rolamentos.
Os dados assim obtidos permitem determinar as massas e os locais de instalação dos pesos de correção necessários para compensar o desequilíbrio.
Atualmente, prevalecem dois tipos de modelos de máquinas de equilibrar (suporte):
2.1. Máquinas e suportes de rolamentos macios A caraterística fundamental das máquinas de equilibrar com rolamentos macios (suportes) é o facto de terem apoios relativamente flexíveis, feitos com base em suspensões de molas, carrinhos montados em molas, apoios de molas planas ou cilíndricas, etc. A frequência natural destes apoios é, pelo menos, 2 a 3 vezes inferior à frequência de rotação do rotor equilibrado neles montado. Um exemplo clássico da execução estrutural de apoios flexíveis Soft Bearing pode ser visto no apoio da máquina modelo DB-50, cuja fotografia é mostrada na Figura 2.1.
Figura 2.1. Suporte da máquina de balancear modelo DB-50.
Como se pode ver na figura 2.1, a estrutura móvel (cursor) 2 é fixada aos postes fixos 1 do suporte por meio de uma suspensão em molas de lâminas 3. Sob a influência da força centrífuga provocada pelo desequilíbrio do rotor instalado no suporte, o carro (cursor) 2 pode efetuar oscilações horizontais em relação ao poste fixo 1, que são medidas por um sensor de vibrações.
A execução estrutural deste suporte garante a obtenção de uma baixa frequência natural das oscilações do carro, que pode rondar os 1-2 Hz. Isto permite equilibrar o rotor numa vasta gama de frequências de rotação, a partir de 200 RPM. Esta caraterística, juntamente com a relativa simplicidade de fabrico deste tipo de suportes, torna esta conceção atractiva para muitos dos nossos consumidores que fabricam máquinas de equilibragem para as suas próprias necessidades de diversos fins.
Figura 2.2. Suporte de rolamento macio da máquina de equilibrar, fabricado por "Polymer LTD", Makhachkala
A figura 2.2 mostra uma fotografia de uma máquina de equilibragem de rolamentos macios com suportes feitos de molas de suspensão, fabricada para as necessidades internas da "Polymer LTD" em Makhachkala. A máquina foi concebida para equilibrar os rolos utilizados na produção de materiais poliméricos.
Figura 2.3 apresenta uma fotografia de uma máquina de equilibrar com uma suspensão de tiras semelhante para o carro, destinada a equilibrar ferramentas especializadas.
Figuras 2.4.a e 2.4.b mostram fotografias de uma máquina caseira de rolamentos macios para equilibrar veios de transmissão, cujos suportes também são feitos com molas de suspensão em tiras.
Figura 2.5 apresenta uma fotografia de uma máquina de rolamentos macios concebida para equilibrar turbocompressores, com os suportes dos seus carros também suspensos em molas. A máquina, fabricada para uso privado de A. Shahgunyan (São Petersburgo), está equipada com o sistema de medição "Balanset 1".
De acordo com o fabricante (ver Fig. 2.6), esta máquina tem capacidade para equilibrar turbinas com desequilíbrio residual não superior a 0,2 g*mm.
Figura 2.3. Máquina de rolamentos macios para equilibrar ferramentas com suspensão de apoio em molas de fita
Figura 2.4.a. Máquina de rolamentos macios para equilibrar veios de transmissão (máquina montada)
Figura 2.4.b. Máquina de chumaceiras macias para equilibrar veios de transmissão com suportes de carruagem suspensos em molas de fita. (Suporte do fuso dianteiro com suspensão por feixe de molas)
Figura 2.5. Máquina de chumaceiras macias para equilibrar turbocompressores com apoios em molas de fita, fabricada por A. Shahgunyan (São Petersburgo)
Figura 2.6. Cópia do ecrã do sistema de medição "Balanset 1" mostrando os resultados da equilibragem do rotor da turbina na máquina de A. Shahgunyan
Para além da versão clássica dos suportes da máquina de equilibrar rolamentos macios acima referidos, outras soluções estruturais também se tornaram comuns.
Figuras 2.7 e 2.8 apresentam fotografias de máquinas de equilibrar veios de transmissão, cujos suportes são feitos com base em molas planas (placas). Estas máquinas foram fabricadas para as necessidades próprias da empresa privada "Dergacheva" e da LLC "Tatcardan" ("Kinetics-M"), respetivamente.
As máquinas de equilibragem de rolamentos macios com estes suportes são frequentemente reproduzidas por fabricantes amadores devido à sua relativa simplicidade e facilidade de fabrico. Estes protótipos são geralmente máquinas da série VBRF da "K. Schenck" ou máquinas similares de produção nacional.
As máquinas apresentadas nas Figuras 2.7 e 2.8 foram concebidas para equilibrar veios de transmissão de dois apoios, três apoios e quatro apoios. Elas têm uma construção similar, incluindo:
Figura 2.7. Máquina de rolamentos macios para equilibrar veios de transmissão da empresa privada "Dergacheva" com apoios em molas planas (prato)
Figura 2.8. Máquina de rolamentos macios para equilibrar veios de transmissão da LLC "Tatcardan" ("Kinetics-M") com apoios em molas planas
Em todos os suportes estão instalados sensores de vibração 8, que são utilizados para medir as oscilações transversais dos suportes. O fuso principal 5, montado no suporte 2, é rodado por um motor elétrico através de uma correia de transmissão.
Figuras 2.9.a e 2.9.b mostrar fotografias do suporte da máquina de equilibrar, que se baseia em molas planas.
Figura 2.9. Suporte da máquina de equilibrar rolamentos macios com molas planas
Dado que os fabricantes amadores utilizam frequentemente estes suportes nos seus projectos, é útil examinar mais pormenorizadamente as características da sua construção. Como mostra a figura 2.9.a, este suporte é constituído por três componentes principais:
Para evitar o risco de aumento da vibração dos suportes durante o funcionamento, que pode ocorrer durante a aceleração ou desaceleração do rotor equilibrado, os suportes podem incluir um mecanismo de bloqueio (ver Fig. 2.9.b). Este mecanismo consiste num suporte rígido 5, que pode ser engatado por um fecho excêntrico 6 ligado a uma das molas planas do suporte. Quando o fecho 6 e o suporte 5 estão engatados, o suporte está bloqueado, eliminando o risco de aumento da vibração durante a aceleração e a desaceleração.
Ao projetar suportes feitos com molas planas (prato), o fabricante da máquina deve avaliar a frequência das suas oscilações naturais, que depende da rigidez das molas e da massa do rotor equilibrado. O conhecimento deste parâmetro permite ao projetista escolher conscientemente a gama de frequências de rotação operacionais do rotor, evitando o perigo de oscilações ressonantes dos apoios durante a equilibragem.
As recomendações para calcular e determinar experimentalmente as frequências naturais de oscilação dos apoios, bem como de outros componentes das máquinas de equilibrar, são discutidas na Secção 3.
Como já foi referido, a simplicidade e a facilidade de fabrico da conceção do suporte com molas planas (prato) atraem os criadores amadores de máquinas de equilibrar para vários fins, incluindo máquinas para equilibrar cambotas, rotores de turbocompressores automóveis, etc.
A título de exemplo, as Figuras 2.10.a e 2.10.b apresentam um esboço de vista geral de uma máquina concebida para equilibrar rotores de turbocompressores. Esta máquina foi fabricada e é utilizada para as necessidades internas da LLC "SuraTurbo" em Penza.
2.10.a. Máquina para equilibrar rotores de turbocompressores (vista lateral)
2.10.b. Máquina de equilibrar rotores de turbocompressores (vista do lado do suporte dianteiro)
Para além das máquinas de equilibragem de chumaceiras de rolamentos macios anteriormente referidas, são por vezes criados suportes de chumaceiras de rolamentos macios relativamente simples. Estes suportes permitem a equilibragem de alta qualidade de mecanismos rotativos para vários fins, com custos mínimos.
São a seguir analisados vários suportes deste tipo, construídos com base numa placa plana (ou quadro) assente em molas de compressão cilíndricas. Estas molas são geralmente seleccionadas de modo a que a frequência natural das oscilações da placa com o mecanismo equilibrado nela instalado seja 2 a 3 vezes inferior à frequência de rotação do rotor deste mecanismo durante a equilibragem.
Figura 2.11 mostra uma fotografia de um suporte para equilibrar discos abrasivos, fabricado para a produção interna por P. Asharin.
Figura 2.11. Suporte para equilibrar discos abrasivos
O suporte é constituído pelos seguintes componentes principais:
Uma caraterística chave deste suporte é a inclusão de um sensor de impulsos 5 para o ângulo de rotação do rotor do motor elétrico, que é utilizado como parte do sistema de medição do suporte ("Balanset 2C") para determinar a posição angular para remover a massa correctiva do disco abrasivo.
Figura 2.12 mostra uma fotografia de um suporte utilizado para equilibrar bombas de vácuo. Este suporte foi desenvolvido sob encomenda pela JSC "Measurement Plant".
Figura 2.12. Suporte para equilibrar bombas de vácuo da JSC "Measurement Plant"
A base deste suporte também utiliza Placa 1montada em molas cilíndricas 2. Na placa 1, está instalada uma bomba de vácuo 3, que tem o seu próprio acionamento elétrico capaz de variar amplamente as velocidades de 0 a 60.000 RPM. Na caixa da bomba estão montados sensores de vibração 4, que são utilizados para medir as vibrações em duas secções diferentes a alturas diferentes.
Para sincronizar o processo de medição das vibrações com o ângulo de rotação do rotor da bomba, é utilizado um sensor laser de ângulo de fase 5 no suporte. Apesar da construção externa aparentemente simplista de tais suportes, permite obter um equilíbrio de alta qualidade do rotor da bomba.
Por exemplo, a frequências de rotação subcríticas, o desequilíbrio residual do rotor da bomba cumpre os requisitos estabelecidos para a classe de qualidade de equilíbrio G0.16, de acordo com a norma ISO 1940-1-2007 "Vibração. Requisitos para a qualidade de equilíbrio de rotores rígidos. Parte 1. Determinação do desequilíbrio admissível".
A vibração residual do corpo da bomba obtida durante a equilibragem a velocidades de rotação até 8.000 RPM não excede 0,01 mm/seg.
Os suportes de equilibragem fabricados de acordo com o esquema acima descrito são igualmente eficazes para equilibrar outros mecanismos, como as ventoinhas. As figuras 2.13 e 2.14 apresentam exemplos de suportes concebidos para equilibrar ventiladores.
Figura 2.13. Suporte para equilibrar as hélices da ventoinha
A qualidade da equilibragem de ventiladores obtida em tais suportes é bastante elevada. De acordo com os especialistas da "Atlant-project" LLC, no suporte por eles concebido com base nas recomendações da "Kinematics" LLC (ver Fig. 2.14), o nível de vibração residual obtido durante a equilibragem dos ventiladores foi de 0,8 mm/seg. Este valor é mais de três vezes superior à tolerância estabelecida para ventiladores da categoria BV5 de acordo com a norma ISO 31350-2007 "Vibração. Ventiladores industriais. Requisitos para a vibração produzida e qualidade de equilíbrio".
Figura 2.14. Suporte para equilibrar as hélices dos ventiladores do equipamento à prova de explosão da "Atlant-project" LLC, Podolsk
Dados semelhantes obtidos na JSC "Lissant Fan Factory" mostram que esses suportes, utilizados na produção em série de ventiladores de condutas, asseguraram consistentemente uma vibração residual não superior a 0,1 mm/s.
2.2. Máquinas de rolamentos duros.
As máquinas de equilibrar com rolamentos rígidos diferem das máquinas com rolamentos macios anteriormente referidas na conceção dos seus suportes. Os seus apoios são feitos sob a forma de placas rígidas com ranhuras intrincadas (recortes). As frequências naturais destes suportes excedem significativamente (pelo menos 2-3 vezes) a frequência máxima de rotação do rotor equilibrado na máquina.
As máquinas de rolamentos rígidos são mais versáteis do que as máquinas de rolamentos macios, uma vez que permitem a equilibragem de alta qualidade de rotores numa gama mais alargada de características dimensionais e de massa. Uma vantagem importante destas máquinas é o facto de permitirem a equilibragem de alta precisão de rotores a velocidades de rotação relativamente baixas, que podem ser da ordem das 200-500 RPM e inferiores.
Figura 2.15 mostra uma fotografia de uma típica máquina de equilibragem de rolamentos rígidos fabricada por "K. Schenk". A partir desta figura, é evidente que as partes individuais do suporte, formadas pelas ranhuras intrincadas, têm rigidez variável. Sob a influência das forças de desbalanceamento do rotor, isto pode levar a deformações (deslocamentos) de algumas partes do suporte em relação a outras. (Na Figura 2.15, a parte mais rígida do suporte é realçada com uma linha vermelha a tracejado e a sua parte relativamente flexível está a azul).
Para medir as referidas deformações relativas, as máquinas Hard Bearing podem utilizar sensores de força ou sensores de vibração altamente sensíveis de vários tipos, incluindo sensores de deslocamento de vibração sem contacto.
Figura 2.15. Máquina de equilibrar rolamentos rígidos da "K. Schenk"
Como indicado pela análise dos pedidos recebidos de clientes para os instrumentos da série "Balanset", o interesse no fabrico de máquinas Hard Bearing para uso interno tem vindo a aumentar continuamente. Isto é facilitado pela ampla disseminação de informações publicitárias sobre as características de projeto das máquinas de balancear domésticas, que são usadas por fabricantes amadores como análogos (ou protótipos) para seus próprios desenvolvimentos.
Consideremos algumas variações de máquinas Hard Bearing fabricadas para as necessidades internas de vários consumidores dos instrumentos da série "Balanset".
Figuras 2.16.a - 2.16.d mostram fotografias de uma máquina de rolamentos rígidos concebida para equilibrar veios de transmissão, que foi fabricada por N. Obyedkov (cidade de Magnitogorsk). Como se pode ver na Fig. 2.16.a, a máquina é constituída por uma estrutura rígida 1, na qual estão instalados suportes 2 (dois de fuso e dois intermédios). O fuso principal 3 da máquina é rodado por um motor elétrico assíncrono 4 através de uma correia de transmissão. Um regulador de frequência 6 é utilizado para controlar a velocidade de rotação do motor elétrico 4. A máquina está equipada com o sistema de medição e de cálculo "Balanset 4" 5, que inclui uma unidade de medição, um computador, quatro sensores de força e um sensor de ângulo de fase (sensores não indicados na Fig. 2.16.a).
Figura 2.16.a. Máquina de rolamentos rígidos para equilibrar veios de transmissão, fabricada por N. Obyedkov (Magnitogorsk)
Figura 2.16.b mostra uma fotografia do suporte frontal da máquina com o fuso principal 3, que é acionado, como já foi referido, por uma correia de transmissão de um motor elétrico assíncrono 4. Este suporte está rigidamente montado na estrutura.
Figura 2.16.b. Suporte do veio frontal (à frente).
Figura 2.16.c apresenta uma fotografia de um dos dois suportes intermédios móveis da máquina. Este suporte assenta em corrediças 7, permitindo o seu deslocamento longitudinal ao longo das guias do chassis. Este suporte inclui um dispositivo especial 8, concebido para instalar e regular a altura da chumaceira intermédia do veio de transmissão equilibrado.
Figura 2.16.c. Suporte móvel intermédio da máquina
Figura 2.16.d mostra uma fotografia do suporte do fuso traseiro (acionado), que, tal como os suportes intermédios, permite o movimento ao longo das guias da estrutura da máquina.
Figura 2.16.d. Suporte do veio traseiro (acionado).
Todos os suportes acima referidos são placas verticais montadas em bases planas. As placas possuem ranhuras em forma de T (ver Fig. 2.16.d), que dividem o suporte numa parte interior 9 (mais rígida) e numa parte exterior 10 (menos rígida). A rigidez diferente das partes interior e exterior do suporte pode resultar numa deformação relativa destas partes sob as forças de desequilíbrio do rotor equilibrado.
Os sensores de força são normalmente utilizados para medir a deformação relativa dos suportes em máquinas de fabrico caseiro. A Figura 2.16.e mostra um exemplo da instalação de um sensor de força num suporte de uma máquina de equilibragem de rolamentos rígidos. Como se pode ver nesta figura, o sensor de força 11 é pressionado contra a superfície lateral da parte interior do suporte por um parafuso 12, que passa através de um orifício roscado na parte exterior do suporte.
Para assegurar uma pressão uniforme do parafuso 12 em todo o plano do sensor de força 11, é colocada uma anilha plana 13 entre este e o sensor.
Figura 2.16.d. Exemplo de instalação de um sensor de força num suporte.
Durante o funcionamento da máquina, as forças de desequilíbrio do rotor equilibrado actuam através das unidades de suporte (fusos ou rolamentos intermédios) sobre a parte exterior do suporte, que começa a deslocar-se ciclicamente (deformar-se) em relação à sua parte interior com a frequência de rotação do rotor. Isto resulta numa força variável que actua sobre o sensor 11, proporcional à força de desequilíbrio. Sob sua influência, um sinal elétrico proporcional à magnitude do desequilíbrio do rotor é gerado na saída do sensor de força.
Os sinais dos sensores de força, instalados em todos os suportes, são introduzidos no sistema de medição e de cálculo da máquina, onde são utilizados para determinar os parâmetros dos pesos de correção.
Figura 2.17.a. apresenta uma fotografia de uma máquina de rolamentos rígidos altamente especializada, utilizada para equilibrar veios de "parafuso". Esta máquina foi fabricada para uso interno na empresa LLC "Ufatverdosplav".
Como se pode ver na figura, o mecanismo de centrifugação da máquina tem uma construção simplificada, que consiste nos seguintes componentes principais:
Figura 2.17.a. Máquina de rolamentos rígidos para equilibrar veios de parafusos, fabricada por LLC "Ufatverdosplav"
Os suportes 2 da máquina são placas de aço instaladas verticalmente com ranhuras em forma de T. Na parte superior de cada suporte, há rolos de apoio fabricados com rolamentos, sobre os quais gira o eixo balanceado 5.
Para medir a deformação dos apoios, que ocorre sob a ação do desequilíbrio do rotor, são utilizados sensores de força 6 (ver Fig. 2.17.b), instalados nas ranhuras dos apoios. Estes sensores estão ligados ao dispositivo "Balanset 1", que é utilizado nesta máquina como sistema de medição e de cálculo.
Apesar da relativa simplicidade do mecanismo de centrifugação da máquina, este permite uma equilibragem de qualidade suficiente dos parafusos, que, como se pode ver na Fig. 2.17.a., têm uma superfície helicoidal complexa.
De acordo com a LLC "Ufatverdosplav", o desequilíbrio inicial do parafuso foi reduzido em quase 50 vezes nesta máquina durante o processo de equilíbrio.
Figura 2.17.b. Suporte de máquina com rolamento rígido para equilibrar veios de parafuso com sensor de força
O desequilíbrio residual alcançado foi de 3552 gmm (19,2 g a um raio de 185 mm) no primeiro plano do parafuso, e 2220 gmm (12,0 g a um raio de 185 mm) no segundo plano. Para um rotor com um peso de 500 kg e funcionando a uma frequência de rotação de 3500 RPM, este desequilíbrio corresponde à classe G6.3 de acordo com a norma ISO 1940-1-2007, que cumpre os requisitos estabelecidos na sua documentação técnica.
Um projeto original (ver Fig. 2.18), que envolve a utilização de uma única base para a instalação simultânea de suportes para duas máquinas de equilibragem de rolamentos rígidos de diferentes tamanhos, foi proposto por S.V. Morozov. As vantagens óbvias desta solução técnica, que permite minimizar os custos de produção do fabricante, incluem
Figura 2.18. Máquina de equilibrar rolamentos rígidos ("Tandem"), fabricada por S.V. Morozov
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