Autor do artigo : Feldman Valery Davidovich
Editor e tradução: Nikolai Andreevich Shelkovenko e chatGPT
Balanceamento de máquinas com suas próprias mãos
Índice
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Seção |
Página |
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1. Introdução |
3 |
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2. Tipos de máquinas de balanceamento (bancadas) e suas características de projeto |
4 |
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2.1. Máquinas e suportes de rolamentos macios |
4 |
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2.2. Máquinas de rolamento rígido |
17 |
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3. Requisitos para a construção de unidades básicas e mecanismos de máquinas de balanceamento |
26 |
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3.1. Rolamentos |
26 |
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3.2. Unidades de rolamento das máquinas de balanceamento |
41 |
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3.3. Estruturas de cama |
56 |
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3.4. Acionamentos de máquinas de balanceamento |
60 |
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4. Sistemas de medição de máquinas de balancear |
62 |
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4.1. Seleção de sensores de vibração |
62 |
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4.2. Sensores de ângulo de fase |
69 |
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4.3. Recursos de processamento de sinais de sensores de vibração |
71 |
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4.4. Esquema funcional do sistema de medição da máquina de balancear, "Balanset 2" |
76 |
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4.5. Cálculo dos parâmetros dos pesos de correção usados no balanceamento do rotor |
79 |
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4.5.1. Tarefa de balanceamento de rotores de suporte duplo e métodos de resolução |
80 |
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4.5.2. Metodologia para balanceamento dinâmico de rotores com vários suportes |
83 |
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4.5.3. Calculadoras para balanceamento de rotores com vários suportes |
92 |
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5. Recomendações para verificar a operação e a precisão das máquinas de balanceamento |
93 |
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5.1. Verificação 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 ISO 20076-2007 |
112 |
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Literatura |
119 |
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Apêndice 1: Algoritmo para cálculo de parâmetros de balanceamento para três eixos de apoio |
120 |
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Apêndice 2: Algoritmo para cálculo de parâmetros de balanceamento para quatro eixos de apoio |
130 |
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Apêndice 3: Guia de uso da calculadora do balanceador |
146 |
1. Introdução (Por que houve a necessidade de escrever essa obra?)
Uma análise da estrutura de consumo dos dispositivos de balanceamento fabricados pela LLC "Kinematics" revela que cerca de 30% deles são comprados para uso como sistemas estacionários de medição e computação para máquinas e/ou suportes de balanceamento. É possível identificar dois grupos de consumidores (clientes) de nossos equipamentos.
O primeiro grupo inclui empresas especializadas na produção em massa de máquinas de balanceamento e na venda para clientes externos. Essas empresas empregam especialistas altamente qualificados com profundo conhecimento e ampla experiência em projeto, fabricação e operação de vários tipos de máquinas de balancear. Os desafios que surgem nas interações com esse grupo de consumidores estão, na maioria das vezes, relacionados à adaptação de nossos sistemas de medição e software a máquinas existentes ou recém-desenvolvidas, sem abordar questões de sua execução estrutural.
O segundo grupo é formado por consumidores que desenvolvem e fabricam máquinas (estandes) para suas próprias necessidades. Essa abordagem é explicada principalmente pelo desejo dos fabricantes independentes de reduzir seus próprios custos de produção, que, em alguns casos, podem diminuir de duas a três vezes ou mais. Esse grupo de consumidores geralmente não tem experiência adequada na criação de máquinas e, em geral, depende do uso do bom senso, de informações da Internet e de quaisquer análogos disponíveis em seu trabalho.
A interação com eles gera muitas perguntas que, além de informações adicionais sobre os sistemas de medição das máquinas de balanceamento, abrangem uma ampla gama de questões relacionadas à execução estrutural das máquinas, aos métodos de instalação na fundação, à seleção de acionamentos e à obtenção da precisão adequada do balanceamento etc.
Considerando o interesse significativo demonstrado por um grande grupo de nossos consumidores nas questões de fabricação independente de máquinas de balanceamento, os especialistas da LLC "Kinematics" prepararam uma compilação com comentários e recomendações sobre as perguntas mais frequentes.
2. Tipos de máquinas de balanceamento (bancadas) e suas características de projeto
Uma máquina de balanceamento é um dispositivo tecnológico projetado para eliminar o desequilíbrio estático ou dinâmico de rotores para diversas finalidades. Ela incorpora um mecanismo que acelera o rotor balanceado até uma frequência de rotação especificada e um sistema especializado de medição e computação que determina as massas e o posicionamento dos pesos corretivos necessários para compensar o desequilíbrio do rotor.
A construção da parte mecânica da máquina geralmente consiste em uma estrutura de base na qual são instalados postes de suporte (rolamentos). Eles são usados para montar o produto balanceado (rotor) e incluem um acionamento destinado a girar o rotor. Durante o processo de balanceamento, que é realizado enquanto o produto está girando, os sensores do sistema de medição (cujo tipo depende do projeto da máquina) registram as vibrações nos rolamentos ou as forças nos rolamentos.
Os dados obtidos dessa maneira permitem determinar as massas e os locais de instalação dos pesos corretivos necessários para compensar o desequilíbrio.
Atualmente, dois tipos de projetos de máquina de balanceamento (suporte) são os mais predominantes:
2.1. Máquinas e suportes de rolamentos macios A característica fundamental das máquinas de balancear com rolamentos macios (suportes) é que elas têm suportes relativamente flexíveis, feitos com base em suspensões de molas, carrinhos montados em molas, suportes de molas planas ou cilíndricas etc. A frequência natural desses suportes é pelo menos 2 a 3 vezes menor do que a frequência de rotação do rotor balanceado montado neles. Um exemplo clássico da execução estrutural de suportes flexíveis de rolamentos macios pode ser visto no suporte do modelo de máquina DB-50, cuja fotografia é mostrada na Figura 2.1.
Figura 2.1. Suporte da máquina de balanceamento modelo DB-50.
Conforme mostrado na Figura 2.1, a estrutura móvel (controle deslizante) 2 é fixada aos postes estacionários 1 do suporte usando uma suspensão em molas de fita 3. Sob a influência da força centrífuga causada pelo desequilíbrio do rotor instalado no suporte, o carro (controle deslizante) 2 pode realizar oscilações horizontais em relação ao poste estacionário 1, que são medidas usando um sensor de vibração.
A execução estrutural desse suporte garante a obtenção de uma baixa frequência natural das oscilações do carro, que pode ficar em torno de 1 a 2 Hz. Isso permite o balanceamento do rotor em uma ampla faixa de frequências de rotação, a partir de 200 RPM. Esse recurso, juntamente com a relativa simplicidade de fabricação desses suportes, torna esse projeto atraente para muitos de nossos consumidores que fabricam máquinas de balanceamento para suas próprias necessidades de diversas finalidades.
Figura 2.2. Suporte de rolamento macio da máquina de balanceamento, fabricado pela "Polymer LTD", Makhachkala
A Figura 2.2 mostra uma fotografia de uma máquina de balanceamento de rolamentos macios com suportes feitos de molas de suspensão, fabricada para atender às necessidades internas da "Polymer LTD" em Makhachkala. A máquina foi projetada para balancear rolos usados na produção de materiais poliméricos.
Figura 2.3 apresenta uma fotografia de uma máquina de balanceamento com uma suspensão de tira semelhante para o carro, destinada ao balanceamento de ferramentas especializadas.
Figuras 2.4.a e 2.4.b mostram fotografias de uma máquina caseira de rolamentos macios para balancear eixos de transmissão, cujos suportes também são feitos com molas de suspensão.
Figura 2.5 apresenta uma fotografia de uma máquina de rolamento macio projetada para balancear turbocompressores, com os suportes de seus carros também suspensos em molas. A máquina, fabricada para uso particular de A. Shahgunyan (São Petersburgo), é equipada com o sistema de medição "Balanset 1".
De acordo com o fabricante (veja a Fig. 2.6), essa máquina oferece a capacidade de equilibrar turbinas com desbalanceamento residual não superior a 0,2 g*mm.
Figura 2.3. Máquina de rolamento macio para ferramentas de balanceamento com suspensão de suporte em molas de tira
Figura 2.4.a. Máquina de rolamentos macios para balanceamento de eixos de transmissão (máquina montada)
Figura 2.4.b. Máquina de rolamento macio para balanceamento de eixos de transmissão com suportes de carro suspensos em molas de tira. (Suporte do fuso principal com suspensão de tira de mola)
Figura 2.5. Máquina de rolamento macio para balanceamento de turbocompressores com suportes em molas de tiras, fabricada por A. Shahgunyan (São Petersburgo)
Figura 2.6. Cópia da tela do sistema de medição "Balanset 1" mostrando os resultados do balanceamento do rotor da turbina na máquina de A. Shahgunyan
Além da versão clássica dos suportes da máquina de balanceamento Soft Bearing discutida acima, outras soluções estruturais também se tornaram comuns.
Figuras 2.7 e 2.8 Apresentamos fotografias de máquinas de balanceamento para eixos de transmissão, cujos suportes são feitos com base em molas planas (placas). Essas máquinas foram fabricadas para atender às necessidades proprietárias da empresa privada "Dergacheva" e da LLC "Tatcardan" ("Kinetics-M"), respectivamente.
As máquinas de balanceamento de rolamentos macios com esses suportes são frequentemente reproduzidas por fabricantes amadores devido à sua relativa simplicidade e capacidade de fabricação. Esses protótipos geralmente são máquinas da série VBRF da "K. Schenck" ou máquinas similares de produção nacional.
As máquinas mostradas nas Figuras 2.7 e 2.8 foram projetadas para balancear eixos de transmissão de dois, três e quatro apoios. Elas têm uma construção semelhante, incluindo:
Figura 2.7. Máquina de rolamentos macios para balanceamento de eixos de transmissão da empresa privada "Dergacheva" com suportes em molas planas (placas)
Figura 2.8. Máquina de rolamentos macios para balanceamento de eixos de transmissão da LLC "Tatcardan" ("Kinetics-M") com suportes em molas planas
Sensores de vibração 8 são instalados em todos os suportes, usados para medir as oscilações transversais dos suportes. O fuso principal 5, montado no suporte 2, é girado por um motor elétrico por meio de um acionamento por correia.
Figuras 2.9.a e 2.9.b mostram fotografias do suporte da máquina de balanceamento, que é baseado em molas planas.
Figura 2.9. Suporte da máquina de balancear rolamentos macios com molas planas
Como os fabricantes amadores frequentemente usam esses suportes em seus projetos, é útil examinar mais detalhadamente as características de sua construção. Conforme mostrado na Figura 2.9.a, esse suporte consiste em três componentes principais:
Para evitar o risco de aumento da vibração dos suportes durante a operação, que pode ocorrer durante a aceleração ou desaceleração do rotor balanceado, os suportes podem incluir um mecanismo de travamento (consulte a Fig. 2.9.b). Esse mecanismo consiste em um suporte rígido 5, que pode ser engatado por uma trava excêntrica 6 conectada a uma das molas planas do suporte. Quando a trava 6 e o suporte 5 são engatados, o suporte é travado, eliminando o risco de aumento da vibração durante a aceleração e a desaceleração.
Ao projetar suportes feitos com molas planas (placas), o fabricante da máquina deve avaliar a frequência de suas oscilações naturais, que depende da rigidez das molas e da massa do rotor balanceado. O conhecimento desse parâmetro permite que o projetista escolha conscientemente a faixa de frequências rotacionais operacionais do rotor, evitando o perigo de oscilações ressonantes dos suportes durante o balanceamento.
As recomendações para calcular e determinar experimentalmente as frequências naturais de oscilação dos suportes, bem como de outros componentes das máquinas de balanceamento, são discutidas na Seção 3.
Conforme observado anteriormente, a simplicidade e a capacidade de fabricação do projeto do suporte usando molas planas (prato) atraem desenvolvedores amadores de máquinas de balanceamento para várias finalidades, incluindo máquinas para balancear virabrequins, rotores de turbocompressores automotivos etc.
Como exemplo, as Figuras 2.10.a e 2.10.b apresentam um esboço da visão geral de uma máquina projetada para balancear rotores de turbocompressores. Essa máquina foi fabricada e é usada para as necessidades internas da LLC "SuraTurbo" em Penza.
2.10.a. Máquina para balancear rotores de turbocompressor (vista lateral)
2.10.b. Máquina para balancear rotores de turbocompressor (vista do lado do suporte frontal)
Além das máquinas de balanceamento de rolamentos macios discutidas anteriormente, às vezes são criados suportes de rolamentos macios relativamente simples. Esses suportes permitem o balanceamento de alta qualidade de mecanismos rotativos para várias finalidades com custos mínimos.
Vários desses suportes são analisados a seguir, construídos com base em uma placa plana (ou estrutura) fixada em molas de compressão cilíndricas. Essas molas geralmente são selecionadas de modo que a frequência natural das oscilações da placa com o mecanismo balanceado instalado nela seja de 2 a 3 vezes menor do que a frequência de rotação do rotor desse mecanismo durante o balanceamento.
Figura 2.11 mostra uma fotografia de um suporte para balanceamento de discos abrasivos, fabricado para a produção interna por P. Asharin.
Figura 2.11. Suporte para balanceamento de rebolos abrasivos
O estande consiste nos seguintes componentes principais:
Uma característica importante desse suporte é a inclusão de um sensor de pulso 5 para o ângulo de rotação do rotor do motor elétrico, que é usado como parte do sistema de medição do suporte ("Balanset 2C") para determinar a posição angular para remover a massa corretiva do rebolo abrasivo.
Figura 2.12 mostra uma fotografia de um suporte usado para balancear bombas de vácuo. Esse suporte foi desenvolvido sob encomenda pela JSC "Measurement Plant".
Figura 2.12. Suporte para balanceamento de bombas de vácuo da JSC "Measurement Plant"
A base desse estande também usa Placa 1montada em molas cilíndricas 2. Na placa 1, está instalada uma bomba de vácuo 3, que tem seu próprio acionamento elétrico capaz de variar amplamente as velocidades de 0 a 60.000 RPM. Os sensores de vibração 4 estão montados na carcaça da bomba e são usados para medir as vibrações em duas seções diferentes em alturas diferentes.
Para sincronizar o processo de medição da vibração com o ângulo de rotação do rotor da bomba, um sensor de ângulo de fase a laser 5 é usado no suporte. Apesar da construção externa aparentemente simplista de tais suportes, ela permite obter um balanceamento de alta qualidade do rotor da bomba.
Por exemplo, em frequências rotacionais subcríticas, o desequilíbrio residual do rotor da bomba atende aos requisitos definidos para a classe de qualidade de equilíbrio G0.16 de acordo com a norma ISO 1940-1-2007 "Vibration. Requisitos para a qualidade do equilíbrio de rotores rígidos. Parte 1. Determinação do desequilíbrio permissível".
A vibração residual da carcaça da bomba obtida durante o balanceamento em velocidades de rotação de até 8.000 RPM não excede 0,01 mm/s.
Os suportes de balanceamento fabricados de acordo com o esquema descrito acima também são eficazes no balanceamento de outros mecanismos, como ventiladores. Exemplos de suportes projetados para balancear ventiladores são mostrados nas Figuras 2.13 e 2.14.
Figura 2.13. Suporte para balanceamento das hélices do ventilador
A qualidade do balanceamento de ventiladores obtido em tais estandes é bastante alta. De acordo com especialistas da "Atlant-project" LLC, no estande projetado por eles com base nas recomendações da "Kinematics" LLC (consulte a Fig. 2.14), o nível de vibração residual obtido durante o balanceamento de ventiladores foi de 0,8 mm/s. Isso é três vezes melhor do que a tolerância definida para ventiladores na categoria BV5 de acordo com a ISO 31350-2007 "Vibration. Isso é mais de três vezes melhor do que a tolerância definida para ventiladores na categoria BV5 de acordo com a ISO 31350-2007 "Vibration. Ventiladores industriais. Requisitos para vibração produzida e qualidade de balanceamento".
Figura 2.14. Suporte para balanceamento de rotores de ventiladores de equipamentos à prova de explosão da "Atlant-project" LLC, Podolsk
Dados semelhantes obtidos na JSC "Lissant Fan Factory" mostram que esses suportes, usados na produção em série de ventiladores de dutos, garantiram consistentemente uma vibração residual que não excedeu 0,1 mm/s.
2.2. Máquinas de rolamento rígido.
As máquinas de balancear com rolamento rígido diferem das máquinas com rolamento macio discutidas anteriormente no projeto de seus suportes. Seus suportes são feitos na forma de placas rígidas com ranhuras (recortes) complexas. As frequências naturais desses suportes excedem significativamente (pelo menos 2 a 3 vezes) a frequência rotacional máxima do rotor balanceado na máquina.
As máquinas de rolamento rígido são mais versáteis do que as de rolamento macio, pois normalmente permitem o balanceamento de alta qualidade de rotores em uma faixa mais ampla de suas características dimensionais e de massa. Uma vantagem importante dessas máquinas é que elas também permitem o balanceamento de alta precisão de rotores em velocidades de rotação relativamente baixas, que podem estar na faixa de 200 a 500 RPM ou menos.
Figura 2.15 mostra uma fotografia de uma típica máquina de balanceamento Hard Bearing fabricada pela "K. Schenk". A partir dessa figura, fica evidente que as partes individuais do suporte, formadas pelas ranhuras complexas, têm rigidez variável. Sob a influência das forças de desbalanceamento do rotor, isso pode levar a deformações (deslocamentos) de algumas partes do suporte em relação a outras. (Na Figura 2.15, a parte mais rígida do suporte está destacada com uma linha pontilhada vermelha, e sua parte relativamente compatível está em azul).
Para medir as referidas deformações relativas, as máquinas Hard Bearing podem usar sensores de força ou sensores de vibração altamente sensíveis de vários tipos, incluindo sensores de deslocamento de vibração sem contato.
Figura 2.15. Máquina de balanceamento de rolamentos rígidos da "K. Schenk"
Conforme indicado pela análise das solicitações recebidas de clientes para os instrumentos da série "Balanset", o interesse na fabricação de máquinas Hard Bearing para uso interno tem aumentado continuamente. Isso é facilitado pela ampla divulgação de informações publicitárias sobre as características de projeto das máquinas de balanceamento domésticas, que são usadas por fabricantes amadores como análogos (ou protótipos) para seus próprios desenvolvimentos.
Vamos considerar algumas variações de máquinas Hard Bearing fabricadas para atender às necessidades internas de vários consumidores dos instrumentos da série "Balanset".
Figuras 2.16.a - 2.16.d mostram fotografias de uma máquina de rolamento rígido projetada para balancear eixos de transmissão, fabricada por N. Obyedkov (cidade de Magnitogorsk). Como se vê na Fig. 2.16.a, a máquina consiste em uma estrutura rígida 1, na qual estão instalados os suportes 2 (dois de eixo e dois intermediários). O fuso principal 3 da máquina é girado por um motor elétrico assíncrono 4 por meio de uma correia de transmissão. Um controlador de frequência 6 é usado para controlar a velocidade de rotação do motor elétrico 4. A máquina é equipada com o sistema de medição e computação "Balanset 4" 5, que inclui uma unidade de medição, um computador, quatro sensores de força e um sensor de ângulo de fase (sensores não mostrados na Fig. 2.16.a).
Figura 2.16.a. Máquina de rolamento rígido para balanceamento de eixos 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, conforme observado anteriormente, por uma correia de transmissão de um motor elétrico assíncrono 4. Esse suporte é montado rigidamente na estrutura.
Figura 2.16.b. Suporte do fuso frontal (dianteiro).
Figura 2.16.c apresenta uma fotografia de um dos dois suportes intermediários móveis da máquina. Esse suporte se apóia em corrediças 7, permitindo seu movimento longitudinal ao longo das guias da estrutura. Esse suporte inclui um dispositivo especial 8, projetado para instalar e ajustar a altura do rolamento intermediário do eixo de acionamento balanceado.
Figura 2.16.c. Suporte móvel intermediário da máquina
Figura 2.16.d mostra uma fotografia do suporte do fuso traseiro (acionado), que, assim como os suportes intermediários, permite o movimento ao longo das guias da estrutura da máquina.
Figura 2.16.d. Suporte do eixo traseiro (acionado).
Todos os suportes discutidos acima são placas verticais montadas em bases planas. As placas apresentam ranhuras em forma de T (consulte a Fig. 2.16.d), que dividem o suporte em uma parte interna 9 (mais rígida) e uma parte externa 10 (menos rígida). A rigidez diferente das partes interna e externa do suporte pode resultar em deformação relativa dessas partes sob as forças de desequilíbrio do rotor balanceado.
Os sensores de força são normalmente usados para medir a deformação relativa dos suportes em máquinas caseiras. Um exemplo de como um sensor de força é instalado em um suporte de máquina de balanceamento de rolamento rígido é mostrado na Figura 2.16.e. Como visto nessa figura, o sensor de força 11 é pressionado contra a superfície lateral da parte interna do suporte por um parafuso 12, que passa por um orifício rosqueado na parte externa do suporte.
Para garantir uma pressão uniforme do parafuso 12 em todo o plano do sensor de força 11, uma arruela plana 13 é colocada entre ele e o sensor.
Figura 2.16.d. Exemplo de instalação de sensor de força em um suporte.
Durante a operação da máquina, as forças de desequilíbrio do rotor balanceado atuam por meio das unidades de suporte (fusos ou rolamentos intermediários) na parte externa do suporte, que começa a se mover ciclicamente (deformar) em relação à sua parte interna na frequência de rotação do rotor. Isso resulta em uma força variável atuando no 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 alimentados no sistema de medição e computação da máquina, onde são usados para determinar os parâmetros dos pesos corretivos.
Figura 2.17.a. apresenta uma fotografia de uma máquina de rolamento rígido altamente especializada usada para balancear eixos de "parafuso". Essa máquina foi fabricada para uso interno na LLC "Ufatverdosplav".
Como visto na figura, o mecanismo de rotação da máquina tem uma construção simplificada, que consiste nos seguintes componentes principais:
Figura 2.17.a. Máquina de rolamento rígido para balanceamento de eixos de parafuso, fabricada pela 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 suporte fabricados com rolamentos, sobre os quais gira o eixo balanceado 5.
Para medir a deformação dos suportes, que ocorre sob a ação do desequilíbrio do rotor, são usados sensores de força 6 (consulte a Fig. 2.17.b), que são instalados nas ranhuras dos suportes. Esses sensores são conectados ao dispositivo "Balanset 1", que é usado nessa máquina como um sistema de medição e computação.
Apesar da relativa simplicidade do mecanismo de rotação da máquina, ele permite um balanceamento de alta qualidade dos parafusos, que, como visto na Fig. 2.17.a., têm uma superfície helicoidal complexa.
De acordo com a LLC "Ufatverdosplav", o desbalanceamento inicial do parafuso foi reduzido em quase 50 vezes nessa máquina durante o processo de balanceamento.
Figura 2.17.b. Suporte de máquina de rolamento rígido para balanceamento de eixos de parafuso com sensor de força
O desequilíbrio residual obtido foi de 3552 gmm (19,2 g em um raio de 185 mm) no primeiro plano do parafuso, e 2220 gmm (12,0 g em um raio de 185 mm) no segundo plano. Para um rotor que pesa 500 kg e opera em uma frequência de rotação de 3.500 RPM, esse desequilíbrio corresponde à classe G6.3 de acordo com a norma ISO 1940-1-2007, que atende aos requisitos estabelecidos em sua documentação técnica.
Um projeto original (veja a Fig. 2.18), que envolve o uso de uma única base para a instalação simultânea de suportes para duas máquinas de balanceamento de rolamentos rígidos de tamanhos diferentes, foi proposto por S.V. Morozov. As vantagens óbvias dessa solução técnica, que permite minimizar os custos de produção do fabricante, incluem:
Figura 2.18. Máquina de balancear rolamentos rígidos ("Tandem"), fabricada por S.V. Morozov
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