1. Úvod

(Prečo bolo potrebné napísať toto dielo?)

Analýza štruktúry spotreby vyvažovacích zariadení vyrábaných spoločnosťou LLC "Kinematics" (Vibromera) ukazuje, že približne 30% z nich sa nakupuje na použitie ako stacionárne meracie a výpočtové systémy pre vyvažovacie stroje a/alebo stojany. Je možné identifikovať dve skupiny spotrebiteľov (zákazníkov) našich zariadení.

Do prvej skupiny patria podniky, ktoré sa špecializujú na hromadnú výrobu vyvažovacích strojov a ich predaj externým zákazníkom. Tieto podniky zamestnávajú vysokokvalifikovaných odborníkov s hlbokými znalosťami a rozsiahlymi skúsenosťami v oblasti navrhovania, výroby a prevádzky rôznych typov vyvažovacích strojov. Problémy, ktoré vznikajú pri interakcii s touto skupinou zákazníkov, sa najčastejšie týkajú prispôsobenia našich meracích systémov a softvéru existujúcim alebo novo vyvinutým strojom bez toho, aby sa riešili otázky ich konštrukčného vyhotovenia.

Druhú skupinu tvoria spotrebitelia, ktorí vyvíjajú a vyrábajú stroje (stojany) pre svoje vlastné potreby. Tento prístup sa väčšinou vysvetľuje snahou nezávislých výrobcov znížiť vlastné výrobné náklady, ktoré sa v niektorých prípadoch môžu znížiť dvoj- až trojnásobne a viac. Táto skupina spotrebiteľov často nemá náležité skúsenosti s tvorbou strojov a pri svojej práci sa zvyčajne spolieha na používanie zdravého rozumu, informácií z internetu a akýchkoľvek dostupných analógov.

Pri interakcii s nimi vzniká množstvo otázok, ktoré okrem ďalších informácií o meracích systémoch vyvažovacích strojov zahŕňajú širokú škálu otázok súvisiacich s konštrukčným vyhotovením strojov, spôsobmi ich inštalácie na základoch, výberom pohonov a dosiahnutím správnej presnosti vyvažovania atď.

Vzhľadom na značný záujem veľkej skupiny našich spotrebiteľov o problematiku samostatnej výroby vyvažovacích strojov, špecialisti spoločnosti LLC "Kinematics" (Vibromera) pripravili kompiláciu s komentármi a odporúčaniami k najčastejšie kladeným otázkam.

2. Typy vyvažovacích strojov (stojanov) a ich konštrukčné vlastnosti

Vyvažovací stroj je technologické zariadenie určené na elimináciu statickej alebo dynamickej nevyváženosti rotorov na rôzne účely. Obsahuje mechanizmus, ktorý zrýchľuje vyvážený rotor na stanovenú frekvenciu otáčania, a špecializovaný merací a výpočtový systém, ktorý určuje hmotnosti a umiestnenie korekčných závaží potrebných na kompenzáciu nevyváženosti rotora.

Konštrukcia mechanickej časti stroja sa zvyčajne skladá z rámu ložnej plochy, na ktorom sú nainštalované nosné stĺpiky (ložiská). Tieto slúžia na upevnenie vyváženého produktu (rotora) a obsahujú pohon určený na otáčanie rotora. Počas procesu vyvažovania, ktorý sa vykonáva za rotácie produktu, senzory meracieho systému (ktorých typ závisí od konštrukcie stroja) registrujú buď vibrácie v ložiskách, alebo sily v ložiskách.

Takto získané údaje umožňujú určiť hmotnosti a miesta inštalácie korekčných závaží potrebných na vyrovnanie nerovnováhy.

V súčasnosti prevládajú dva typy konštrukcií vyvažovacích strojov (stojanov):

• Stroje s mäkkými ložiskami (s flexibilnými podperami);
• Stroje s tvrdými ložiskami (s pevnými podperami).

2.1. Stroje a stojany s mäkkými ložiskami

Základným znakom vyvažovacích strojov (stojanov) s mäkkými ložiskami je, že majú relatívne pružné podpery, ktoré sú vyrobené na základe pružinových závesov, pružinových vozíkov, plochých alebo valcových pružinových podper atď. Vlastná frekvencia týchto podpier je minimálne 2 až 3-krát nižšia ako frekvencia otáčania vyvažovaného rotora, ktorý je na nich namontovaný. Klasický príklad konštrukčného vyhotovenia pružných podpier Soft Bearing možno vidieť na podpere stroja modelu DB-50, ktorého fotografia je na obrázku 2.1.

Obrázok 2.1. Podpora vyvažovacieho stroja modelu DB-50.

Ako je znázornené na obrázku 2.1, pohyblivý rám (jazdec) 2 je pripevnený k nepohyblivým stĺpikom 1 podpery pomocou zavesenia na pásových pružinách 3. Pod vplyvom odstredivej sily spôsobenej nevyváženosťou rotora inštalovaného na podpere môže vozík (jazdec) 2 vykonávať horizontálne oscilácie vzhľadom na stacionárny stĺpik 1, ktoré sa merajú pomocou snímača vibrácií.

Konštrukčné vyhotovenie tejto podpery zabezpečuje dosiahnutie nízkej vlastnej frekvencie kmitania vozňa, ktorá sa môže pohybovať okolo 1 - 2 Hz. To umožňuje vyvážiť rotor v širokom rozsahu jeho frekvencií otáčania, počnúc 200 otáčkami za minútu. Táto vlastnosť spolu s relatívnou jednoduchosťou výroby takýchto podpier robí túto konštrukciu atraktívnou pre mnohých našich spotrebiteľov, ktorí vyrábajú vyvažovacie stroje pre vlastné potreby rôzneho účelu.

Obrázok 2.2. Mäkké ložisko vyvažovacieho stroja, vyrobené spoločnosťou "Polymer LTD", Machačkala

Obrázok 2.2 zobrazuje fotografiu vyvažovacieho stroja s mäkkými ložiskami s podperami z pružín, vyrobeného pre interné potreby v spoločnosti "Polymer LTD" v Machačkale. Stroj je určený na vyvažovanie valčekov používaných pri výrobe polymérnych materiálov.

Obrázok 2.3 obsahuje fotografiu vyvažovačky s podobným pásovým zavesením vozíka, určenej na vyvažovanie špecializovaných nástrojov.

Obrázky 2.4.a a 2.4.b ukazujú fotografie podomácky vyrobeného stroja Soft Bearing na vyvažovanie hnacích hriadeľov, ktorého podpery sú tiež vyrobené pomocou pružín.

Obrázok 2.5 predstavuje fotografiu stroja s mäkkými ložiskami určeného na vyvažovanie turbodúchadiel, ktorého podpery sú tiež zavesené na pásových pružinách. Stroj, vyrobený pre súkromné použitie A. Šahgunjana (Petrohrad), je vybavený meracím systémom "Balanset 1".

Podľa výrobcu (pozri obr. 2.6) je tento stroj schopný vyvážiť turbíny so zvyškovou nevyváženosťou nepresahujúcou 0,2 g*mm.

Obrázok 2.3. Mäkký ložiskový stroj na vyvažovanie nástrojov s podperným zavesením na pásových pružinách

Obrázok 2.4.a. Stroj s mäkkými ložiskami na vyvažovanie hnacích hriadeľov (stroj je zostavený)

Obrázok 2.4.b. Mäkký ložiskový stroj na vyvažovanie hnacích hriadeľov s podperami vozíka zavesenými na pásových pružinách. (Vedúca podpera vretena so zavesením pružinového pásu)

Obrázok 2.5. Mäkký ložiskový stroj na vyvažovanie turbodúchadiel s podperami na pásových pružinách, výrobca A. Shahgunyan (Petrohrad)

Obrázok 2.6. Kópia obrazovky meracieho systému 'Balanset 1' zobrazujúca výsledky vyváženia rotora turbíny na stroji A. Shahgunyana

Okrem klasickej verzie vyvažovacích strojových podpier Soft Bearing, o ktorej sa hovorí vyššie, sa rozšírili aj iné konštrukčné riešenia.

Obrázky 2.7 a 2.8 sú zobrazené fotografie vyvažovacích strojov pre hnacie hriadele, ktorých podpery sú vyrobené na báze plochých (tanierových) pružín. Tieto stroje boli vyrobené pre vlastné potreby súkromného podniku "Dergačeva" a LLC "Tatcardan" ("Kinetika-M").

Vyvažovacie stroje s mäkkými ložiskami s takýmito podperami sú často reprodukované amatérskymi výrobcami kvôli ich relatívnej jednoduchosti a vyrobiteľnosti. Tieto prototypy sú vo všeobecnosti buď stroje série VBRF od spoločnosti "K. Schenck", alebo podobné stroje domácej výroby.

Stroje znázornené na obrázkoch 2.7 a 2.8 sú určené na vyvažovanie hnacích hriadeľov s dvoma, tromi a štyrmi podperami. Majú podobnú konštrukciu vrátane:

• zváraný rám lôžka 1 založený na dvoch I-nosníkoch spojených priečnymi rebrami;
• stacionárna (predná) podpera vretena 2;
• pohyblivá (zadná) podpera vretena 3;
• jedna alebo dve pohyblivé (medziľahlé) podpery 4. Na podperách 2 a 3 sú umiestnené jednotky vretena 5 a 6, ktoré sú určené na montáž vyváženého hnacieho hriadeľa 7 na stroji.

Obrázok 2.7. Stroj s mäkkými ložiskami na vyvažovanie hnacích hriadeľov od súkromného podniku "Dergačeva" s podperami na plochých (tanierových) pružinách

Obrázok 2.8. Stroj s mäkkými ložiskami na vyvažovanie hnacích hriadeľov od spoločnosti LLC "Tatcardan" ("Kinetics-M") s podperami na plochých pružinách

Na všetkých podperách sú nainštalované snímače vibrácií 8, ktoré sa používajú na meranie priečnych kmitov podpier. Vedúce vreteno 5, namontované na podpere 2, sa otáča elektromotorom prostredníctvom remeňového pohonu.

Obrázky 2.9.a a 2.9.b zobrazujú fotografie podpery vyvažovacieho stroja, ktorá je založená na plochých pružinách.

Obrázok 2.9. Mäkká ložisková podpera vyvažovacieho stroja s plochými pružinami

• a) Pohľad zboku;
• b) Pohľad spredu

Vzhľadom na to, že amatérski výrobcovia často používajú takéto podpery vo svojich konštrukciách, je užitočné podrobnejšie preskúmať vlastnosti ich konštrukcie. Ako je znázornené na obrázku 2.9.a, táto podpera sa skladá z troch hlavných komponentov:

• Spodná nosná doska 1: V prípade prednej podpery vretena je doska pevne spojená s vodidlami; v prípade medzipodpery alebo zadnej podpery vretena je spodná doska navrhnutá ako vozík, ktorý sa môže pohybovať pozdĺž vodidiel rámu.
• Horná nosná doska 2, na ktorých sú namontované nosné jednotky (valčekové podpery 4, vretená, medzinápravové ložiská atď.).
• Dve ploché pružiny 3, spojenie spodnej a hornej ložiskovej dosky.

Aby sa zabránilo riziku zvýšených vibrácií podpier počas prevádzky, ktoré môžu vzniknúť pri zrýchľovaní alebo spomaľovaní vyváženého rotora, môžu byť podpery vybavené blokovacím mechanizmom (pozri obr. 2.9.b). Tento mechanizmus pozostáva z pevnej konzoly 5, ktorú možno zaaretovať excentrickým zámkom 6 pripojeným k jednej z plochých pružín podpery. Keď sú zámok 6 a konzola 5 zacvaknuté, podpera je uzamknutá, čím sa eliminuje riziko zvýšených vibrácií počas zrýchľovania a spomaľovania.

Pri navrhovaní podpier s plochými (tanierovými) pružinami musí výrobca stroja posúdiť frekvenciu ich vlastných kmitov, ktorá závisí od tuhosti pružín a hmotnosti vyváženého rotora. Znalosť tohto parametra umožňuje konštruktérovi vedome zvoliť rozsah prevádzkových frekvencií otáčania rotora a vyhnúť sa tak nebezpečenstvu rezonančného kmitania podpier počas vyvažovania.

Odporúčania na výpočet a experimentálne určenie vlastných frekvencií kmitania podpier, ako aj iných komponentov vyvažovacích strojov, sú uvedené v časti 3.

Ako už bolo uvedené, jednoduchosť a vyrobiteľnosť konštrukcie podpery s použitím plochých (tanierových) pružín priťahuje amatérskych vývojárov vyvažovacích strojov na rôzne účely vrátane strojov na vyvažovanie kľukových hriadeľov, rotorov automobilových turbodúchadiel atď.

Ako príklad, obrázky 2.10.a a 2.10.b znázorňujú celkový náčrt stroja určeného na vyvažovanie rotorov turbodúchadla. Tento stroj bol vyrobený a používa sa pre interné potreby v spoločnosti LLC "SuraTurbo" v Penze.

2.10.a. Stroj na vyvažovanie rotorov turbodúchadla (bočný pohľad)

2.10.b. Stroj na vyvažovanie rotorov turbodúchadla (pohľad z prednej strany podpery)

Okrem už spomínaných vyvažovacích strojov Soft Bearing sa niekedy vytvárajú aj pomerne jednoduché stojany Soft Bearing. Tieto stojany umožňujú kvalitné vyvažovanie rotačných mechanizmov na rôzne účely s minimálnymi nákladmi.

Nižšie je uvedených niekoľko takýchto stojanov, ktoré sú postavené na základe plochej dosky (alebo rámu) uloženej na valcových tlačných pružinách. Tieto pružiny sa zvyčajne volia tak, aby vlastná frekvencia kmitov dosky s vyváženým mechanizmom nainštalovaným na nej bola 2 až 3-krát nižšia ako frekvencia otáčania rotora tohto mechanizmu počas vyvažovania.

Obrázok 2.11 zobrazuje fotografiu stojana na vyvažovanie brúsnych kotúčov, ktorý pre vlastnú výrobu vyrobil P. Asharin.

Obrázok 2.11. Stojan na vyvažovanie brúsnych kotúčov

Stojan sa skladá z týchto hlavných komponentov:

• Doska 1, namontované na štyroch valcových pružinách 2;
• Elektrický motor 3, ktorého rotor slúži aj ako vreteno, na ktorom je namontovaný tŕň 4, ktorý sa používa na inštaláciu a upevnenie brúsneho kotúča na vretene.

Kľúčovou vlastnosťou tohto stojana je zabudovanie impulzného snímača 5 pre uhol natočenia rotora elektromotora, ktorý sa používa ako súčasť meracieho systému stojana ("Balanset 2C") na určenie uhlovej polohy pre odstránenie korekčnej hmoty z brúsneho kotúča.

Obrázok 2.12 zobrazuje fotografiu stojana používaného na vyvažovanie vákuových vývev. Tento stojan bol vyvinutý na objednávku spoločnosťou JSC "Measurement Plant".

Obrázok 2.12. Stojan na vyvažovanie vákuových vývev od spoločnosti JSC "Measurement Plant""

Základom tohto stojana je aj použitie Doska 1, namontované na valcových pružinách 2. Na doske 1 je nainštalovaná výveva 3, ktorá má vlastný elektrický pohon schopný meniť otáčky v širokom rozsahu od 0 do 60 000 ot/min. Na skrini čerpadla sú namontované snímače vibrácií 4, ktoré sa používajú na meranie vibrácií v dvoch rôznych sekciách v rôznych výškach.

Na synchronizáciu procesu merania vibrácií s uhlom natočenia rotora čerpadla sa na stojane používa laserový fázový uhlový snímač 5. Napriek zdanlivo jednoduchej vonkajšej konštrukcii takýchto stojanov umožňuje dosiahnuť veľmi kvalitné vyváženie obežného kolesa čerpadla.

Napríklad pri podkritických frekvenciách otáčania spĺňa zvyšková nevyváženosť rotora čerpadla požiadavky stanovené pre triedu kvality vyváženia G0.16 podľa normy ISO 1940-1-2007 "Vibrácie. Požiadavky na kvalitu vyváženia tuhých rotorov. Časť 1. Stanovenie prípustnej nevyváženosti."

Zvyškové vibrácie skrine čerpadla dosiahnuté počas vyvažovania pri otáčkach do 8 000 ot/min nepresiahnu 0,01 mm/s.

Vyvažovacie stojany vyrobené podľa vyššie opísanej schémy sú účinné aj pri vyvažovaní iných mechanizmov, napríklad ventilátorov. Príklady stojanov určených na vyvažovanie ventilátorov sú znázornené na obrázkoch 2.13 a 2.14.

Obrázok 2.13. Stojan na vyvažovanie obežných kolies ventilátora

Kvalita vyváženia ventilátorov dosiahnutá na takýchto stojanoch je pomerne vysoká. Podľa špecialistov spoločnosti Atlant-project LLC na stojane, ktorý navrhli na základe odporúčaní spoločnosti Kinematics LLC (pozri obr. 2.14), bola úroveň zvyškových vibrácií dosiahnutá pri vyvažovaní ventilátorov 0,8 mm/s. To je viac ako trikrát lepšie ako tolerancia stanovená pre ventilátory v kategórii BV5 podľa normy ISO 31350-2007 "Vibrácie. Priemyselné ventilátory. Požiadavky na vytvárané vibrácie a kvalitu vyváženia"."

Obrázok 2.14. Stojan na vyvažovanie obežných kolies ventilátorov zariadení odolných voči výbuchu od spoločnosti "Atlant-project" LLC, Podolsk

Podobné údaje získané v spoločnosti JSC "Lissant Fan Factory" ukazujú, že takéto stojany, používané pri sériovej výrobe potrubných ventilátorov, trvalo zabezpečovali zvyškové vibrácie nepresahujúce 0,1 mm/s.

2.2. Stroje s tvrdými ložiskami

Vyvažovacie stroje s tvrdými ložiskami sa od predchádzajúcich strojov s mäkkými ložiskami líšia konštrukciou svojich podpier. Ich podpery majú podobu pevných dosiek so zložitými drážkami (výrezmi). Vlastné frekvencie týchto podpier výrazne (minimálne 2 až 3-krát) prevyšujú maximálnu frekvenciu otáčania rotora vyvažovaného na stroji.

Stroje s tvrdými ložiskami sú univerzálnejšie ako stroje s mäkkými ložiskami, pretože zvyčajne umožňujú vysokokvalitné vyvažovanie rotorov v širšom rozsahu ich hmotnostných a rozmerových charakteristík. Dôležitou výhodou týchto strojov je aj to, že umožňujú vysoko presné vyvažovanie rotorov pri relatívne nízkych otáčkach, ktoré sa môžu pohybovať v rozmedzí 200 - 500 ot/min a nižších.

Obrázok 2.15 znázorňuje fotografiu typického vyvažovacieho stroja na tvrdé ložiská vyrobeného spoločnosťou "K. Schenk". Z tohto obrázku je zrejmé, že jednotlivé časti podpery, tvorené zložitými drážkami, majú rôznu tuhosť. Pod vplyvom síl nevyváženosti rotora to môže viesť k deformáciám (posunom) niektorých častí podpery voči iným. (Na obrázku 2.15 je tuhšia časť podpery zvýraznená červenou bodkovanou čiarou a jej relatívne poddajná časť je modrou farbou).

Na meranie uvedených relatívnych deformácií môžu stroje Hard Bearing používať buď snímače sily, alebo vysoko citlivé snímače vibrácií rôznych typov vrátane bezkontaktných snímačov posunu vibrácií.

Obrázok 2.15. Vyvažovací stroj na tvrdé ložiská od firmy "K. Schenk"

Ako ukazuje analýza požiadaviek zákazníkov na nástroje série "Balanset", záujem o výrobu strojov na vyvažovanie tvrdých ložísk pre vlastnú potrebu neustále rastie. Tomu napomáha aj rozsiahle šírenie reklamných informácií o konštrukčných vlastnostiach domácich vyvažovacích strojov, ktoré amatérski výrobcovia používajú ako analógy (alebo prototypy) pre svoj vlastný vývoj.

Pozrime sa na niektoré variácie strojov s tvrdými ložiskami vyrobených pre interné potreby viacerých spotrebiteľov nástrojov série "Balanset".

Obrázky 2.16.a - 2.16.d zobrazujú fotografie stroja s tvrdými ložiskami určeného na vyvažovanie hnacích hriadeľov, ktorý vyrobila spoločnosť N. Obyedkov (mesto Magnitogorsk). Ako je vidieť na obr. 2.16.a, stroj pozostáva z pevného rámu 1, na ktorom sú nainštalované podpery 2 (dve vretená a dve medziľahlé). Hlavné vreteno 3 stroja je otáčané asynchrónnym elektromotorom 4 prostredníctvom remeňového pohonu. Na riadenie rýchlosti otáčania elektromotora 4 sa používa frekvenčný regulátor 6. Stroj je vybavený meracím a výpočtovým systémom 5 "Balanset 4", ktorý obsahuje meraciu jednotku, počítač, štyri snímače sily a snímač fázového uhla (snímače nie sú znázornené na obr. 2.16.a).

Obrázok 2.16.a. Stroj s tvrdými ložiskami na vyvažovanie hnacích hriadeľov, vyrobený spoločnosťou N. Obyedkov (Magnitogorsk)

Obrázok 2.16.b zobrazuje fotografiu prednej podpery stroja s vedúcim vretenom 3, ktoré je poháňané, ako už bolo uvedené, remeňovým pohonom od asynchrónneho elektromotora 4. Táto podpera je pevne namontovaná na ráme.

Obrázok 2.16.b. Predná (vedúca) podpera vretena.

Obrázok 2.16.c obsahuje fotografiu jednej z dvoch pohyblivých medzipodstavcov stroja. Táto podpera spočíva na klzákoch 7, ktoré umožňujú jej pozdĺžny pohyb pozdĺž vodiacich líšt rámu. Táto podpera obsahuje špeciálne zariadenie 8, určené na inštaláciu a nastavenie výšky medziľahlého ložiska vyváženého hnacieho hriadeľa.

Obrázok 2.16.c. Medziľahlá pohyblivá podpera stroja

Obrázok 2.16.d zobrazuje fotografiu zadnej (poháňanej) podpery vretena, ktorá rovnako ako medziľahlé podpery umožňuje pohyb pozdĺž vodiacich líšt rámu stroja.

Obrázok 2.16.d. Podpera zadného (hnaného) vretena.

Všetky uvedené podpery sú zvislé dosky namontované na plochých základniach. Dosky majú drážky v tvare písmena T (pozri obr. 2.16.d), ktoré rozdeľujú podperu na vnútornú časť 9 (tuhšiu) a vonkajšiu časť 10 (menej tuhú). Rozdielna tuhosť vnútornej a vonkajšej časti podpery môže mať za následok relatívnu deformáciu týchto častí pod vplyvom síl nevyváženosti od vyváženého rotora.

Snímače sily sa zvyčajne používajú na meranie relatívnej deformácie podpier v domácich strojoch. Príklad inštalácie snímača sily na podperu vyvažovacieho stroja Hard Bearing je znázornený na obrázku 2.16.e. Ako je vidieť na tomto obrázku, snímač sily 11 je pritlačený k bočnému povrchu vnútornej časti podpery skrutkou 12, ktorá prechádza cez otvor so závitom vo vonkajšej časti podpery.

Na zabezpečenie rovnomerného tlaku skrutky 12 v celej rovine snímača sily 11 je medzi ňou a snímačom umiestnená plochá podložka 13.

Obrázok 2.16.d. Príklad inštalácie snímača sily na podperu.

Počas prevádzky stroja pôsobia sily nevyváženosti z vyváženého rotora cez nosné jednotky (vretená alebo medziľahlé ložiská) na vonkajšiu časť podpery, ktorá sa začne cyklicky pohybovať (deformovať) vzhľadom na svoju vnútornú časť pri frekvencii otáčania rotora. Výsledkom je premenlivá sila pôsobiaca na snímač 11, úmerná sile nevyváženosti. Pod jej vplyvom sa na výstupe snímača sily generuje elektrický signál úmerný veľkosti nevyváženosti rotora.

Signály zo snímačov sily, ktoré sú nainštalované na všetkých podperách, sa privádzajú do meracieho a výpočtového systému stroja, kde sa používajú na určenie parametrov korekčných závaží.

Obrázok 2.17.a. zobrazuje fotografiu vysoko špecializovaného stroja na vyvažovanie "skrutkových" hriadeľov. Tento stroj bol vyrobený pre interné použitie v spoločnosti LLC "Ufatverdosplav".

Ako je vidieť na obrázku, roztokový mechanizmus stroja má zjednodušenú konštrukciu, ktorá pozostáva z týchto hlavných komponentov:

• Zváraný rám 1, ktorý slúži ako posteľ;
• Dve stacionárne podpery 2, pevne pripevnené k rámu;
• Elektrický motor 3, ktorý prostredníctvom remeňového pohonu 4 poháňa vyvážený hriadeľ (skrutku) 5.

Obrázok 2.17.a. Stroj s tvrdými ložiskami na vyvažovanie hriadeľov skrutiek, vyrobený spoločnosťou LLC "Ufatverdosplav""

Podpery 2 stroja sú vertikálne inštalované oceľové dosky s drážkami v tvare T. V hornej časti každej podpery sa nachádzajú podperné valčeky vyrobené pomocou valivých ložísk, na ktorých sa otáča vyvážený hriadeľ 5.

Na meranie deformácie podpier, ku ktorej dochádza pôsobením nevyváženosti rotora, sa používajú snímače sily 6 (pozri obr. 2.17.b), ktoré sú inštalované v drážkach podpier. Tieto snímače sú pripojené k zariadeniu "Balanset 1", ktoré sa na tomto stroji používa ako merací a výpočtový systém.

Napriek relatívnej jednoduchosti roztočovacieho mechanizmu stroja umožňuje dostatočne kvalitné vyváženie skrutiek, ktoré, ako je vidieť na obr. 2.17.a., majú zložitý špirálový povrch.

Podľa spoločnosti LLC "Ufatverdosplav" sa počiatočná nevyváženosť skrutky na tomto stroji počas procesu vyvažovania znížila takmer 50-krát.

Obrázok 2.17.b. Tvrdá ložisková podpera stroja pre vyvažovacie skrutkové hriadele so snímačom sily

Dosiahnutá zvyšková nevyváženosť bola 3552 g*mm (19,2 g pri polomere 185 mm) v prvej rovine skrutky a 2220 g*mm (12,0 g pri polomere 185 mm) v druhej rovine. Pre rotor s hmotnosťou 500 kg a frekvenciou otáčania 3500 ot./min zodpovedá táto nevyváženosť triede G6.3 podľa normy ISO 1940-1-2007, čo spĺňa požiadavky stanovené v jej technickej dokumentácii.

Originálny návrh (pozri obr. 2.18), ktorý zahŕňa použitie jednej základne na súčasnú inštaláciu podpier pre dva vyvažovacie stroje s tvrdými ložiskami rôznych veľkostí, navrhol SV Morozov. Medzi zjavné výhody tohto technického riešenia, ktoré umožňujú minimalizovať výrobné náklady výrobcu, patria:

• Úspora výrobného priestoru;
• Použitie jedného elektromotora s frekvenčným meničom na prevádzku dvoch rôznych strojov;
• Používanie jedného meracieho systému na obsluhu dvoch rôznych strojov.

Obrázok 2.18. Vyvažovací stroj s tvrdými ložiskami ("Tandem"), vyrobený spoločnosťou SV Morozov

3. Požiadavky na konštrukciu základných jednotiek a mechanizmov vyvažovacích strojov

3.1. Ložiská

3.1.1. Teoretické základy navrhovania ložísk

V predchádzajúcej časti boli podrobne rozobraté hlavné konštrukčné prevedenia mäkkých a tvrdých ložísk pre vyvažovacie stroje. Kľúčovým parametrom, ktorý musia konštruktéri zvážiť pri navrhovaní a výrobe týchto ložísk, sú ich vlastné frekvencie kmitania. To je dôležité, pretože na výpočet parametrov korekčných závaží meracími a výpočtovými systémami stroja je potrebné meranie nielen amplitúdy vibrácií (cyklickej deformácie) ložísk, ale aj fázy vibrácií.

Ak sa vlastná frekvencia podpery zhoduje s frekvenciou otáčania vyváženého rotora (rezonancia podpery), presné meranie amplitúdy a fázy vibrácií je prakticky nemožné. Toto je jasne znázornené na grafoch znázorňujúcich zmeny amplitúdy a fázy kmitov podpery ako funkciu frekvencie otáčania vyváženého rotora (pozri obr. 3.1).

Z týchto grafov vyplýva, že keď sa frekvencia otáčania vyváženého rotora blíži k vlastnej frekvencii kmitania podpery (t. j. keď sa pomer fp/fo blíži k 1), dochádza k výraznému nárastu amplitúdy spojenej s rezonančným kmitaním podpery (pozri obr. 3.1.a). Súčasne z grafu 3.1.b vyplýva, že v rezonančnej zóne dochádza k prudkej zmene fázového uhla ∆F°, ktorý môže dosiahnuť až 180°.

Inými slovami, pri vyvažovaní akéhokoľvek mechanizmu v rezonančnej zóne môžu aj malé zmeny jeho frekvencie otáčania viesť k výraznej nestabilite výsledkov merania amplitúdy a fázy jeho kmitania, čo vedie k chybám pri výpočte parametrov korekčných závaží a negatívne ovplyvňuje kvalitu vyvažovania.

Vyššie uvedené grafy potvrdzujú skoršie odporúčania, že pre stroje s tvrdými ložiskami by horná hranica prevádzkových frekvencií rotora mala byť (aspoň) 2-3-krát nižšia ako vlastná frekvencia podpery. Pre stroje s mäkkými ložiskami by dolná hranica prípustných prevádzkových frekvencií vyváženého rotora mala byť (aspoň) 2-3-krát vyššia ako vlastná frekvencia podpery.

Obrázok 3.1. Grafy zobrazujúce zmeny relatívnej amplitúdy a fázy vibrácií podpery vyvažovacieho stroja v závislosti od zmien frekvencie otáčania.

• Ad - Amplitúda dynamických vibrácií podpery;
• e = m*r / M - Špecifická nevyváženosť vyváženého rotora;
• m - Nevyvážená hmotnosť rotora;
• M - Hmotnosť rotora;
• r - Polomer, v ktorom sa nevyvážená hmotnosť nachádza na rotore;
• fp - Frekvencia otáčania rotora;
• fo - Vlastná frekvencia vibrácií podpery

Vzhľadom na uvedené informácie sa neodporúča prevádzkovať stroj v rezonančnej oblasti jeho podpier (na obr. 3.1 zvýraznené červenou farbou). Z grafov uvedených na obr. 3.1 tiež vyplýva, že pri rovnakých nerovnováhach rotora sú skutočné vibrácie podpier stroja s mäkkými ložiskami výrazne nižšie ako vibrácie vyskytujúce sa na podperách stroja s mäkkými ložiskami.

Z toho vyplýva, že snímače používané na meranie vibrácií podpier v strojoch s tvrdými ložiskami musia mať vyššiu citlivosť ako snímače v strojoch s mäkkými ložiskami. Tento záver dobre potvrdzuje skutočná prax používania snímačov, ktorá ukazuje, že absolútne snímače vibrácií (vibroakcelerometre a/alebo snímače rýchlosti vibrácií), ktoré sa úspešne používajú vo vyvažovacích strojoch Soft Bearing, často nedokážu dosiahnuť potrebnú kvalitu vyvažovania v strojoch Hard Bearing.

Na týchto strojoch sa odporúča používať snímače relatívnych vibrácií, ako sú snímače sily alebo vysoko citlivé snímače posunutia.

3.1.2. Odhad prirodzených frekvencií podpier pomocou výpočtových metód

Konštruktér môže vykonať približný (odhadovaný) výpočet vlastnej frekvencie podpery fo pomocou vzorca 3.1, ak ju zjednodušene považuje za kmitajúci systém s jedným stupňom voľnosti, ktorý (pozri obr. 2.19.a) predstavuje hmotnosť M kmitajúca na pružine s tuhosťou K.

Hmotnosť M použitú vo výpočte pre symetrický rotor s medzinápravovým ložiskom možno aproximovať vzorcom 3.2.

kde Mo je hmotnosť pohyblivej časti podpery v kg; Mr je hmotnosť vyváženého rotora v kg; n je počet podpier stroja zapojených do vyvažovania.

Tuhosť K podpery sa vypočíta pomocou vzorca 3.3 na základe výsledkov experimentálnych štúdií, ktoré zahŕňajú meranie deformácie ΔL podpery pri jej zaťažení statickou silou P (pozri obr. 3.2.a a 3.2.b).

kde ΔL je deformácia podpery v metroch; P je statická sila v Newtonoch.

Veľkosť zaťažujúcej sily P možno merať pomocou prístroja na meranie sily (napr. dynamometra). Posunutie podpery ΔL sa určí pomocou prístroja na meranie lineárnych posunutí (napr. číselníkového ukazovateľa).

3.1.3. Experimentálne metódy na určenie vlastných frekvencií podpier

Vzhľadom na to, že vyššie uvedený výpočet vlastných frekvencií podpier, vykonaný zjednodušenou metódou, môže viesť k významným chybám, väčšina amatérskych vývojárov uprednostňuje určenie týchto parametrov experimentálnymi metódami. Na to využívajú možnosti moderných systémov merania vibrácií vyvažovacích strojov vrátane prístrojov série "Balanset".

3.1.3.1. Určenie vlastných frekvencií podpier metódou rázového budenia

Metóda rázového budenia je najjednoduchším a najbežnejším spôsobom určenia vlastnej frekvencie vibrácií podpery alebo iného komponentu stroja. Je založená na skutočnosti, že keď je akýkoľvek objekt, napríklad zvon (pozri obr. 3.3), rázovo budený, jeho odozva sa prejaví ako postupne sa znižujúca vibračná odozva. Frekvencia vibračného signálu je určená konštrukčnými charakteristikami objektu a zodpovedá frekvencii jeho vlastných vibrácií. Na nárazové budenie vibrácií sa môže použiť akýkoľvek ťažký nástroj, napríklad gumená palička alebo obyčajná palička.

Obrázok 3.3. Schéma nárazového budenia používaná na určenie vlastných frekvencií objektu

Hmotnosť kladiva by mala byť približne 10% hmotnosti budeného objektu. Na zachytenie vibračnej odozvy by sa mal na skúmaný objekt nainštalovať snímač vibrácií, ktorého meracia os by mala byť zarovnaná so smerom budenia nárazom. V niektorých prípadoch sa môže ako snímač na vnímanie vibračnej odozvy objektu použiť mikrofón zo zariadenia na meranie hluku.

Vibrácie objektu sú senzorom prevedené na elektrický signál, ktorý je potom odoslaný do meracieho prístroja, napríklad na vstup spektrálneho analyzátora. Tento prístroj zaznamenáva časovú funkciu a spektrum doznievajúceho vibračného procesu (pozri obr. 3.4), ktorého analýza umožňuje určiť frekvenciu (frekvencie) vlastných vibrácií objektu.

Obrázok 3.5. Rozhranie programu zobrazujúce grafy časových funkcií a spektrum doznievajúcich nárazových vibrácií skúmanej konštrukcie

Z analýzy grafu spektra uvedeného na obrázku 3.5 (pozri spodnú časť pracovného okna) vyplýva, že hlavná zložka vlastných kmitov skúmanej konštrukcie, určená vzhľadom na abscisovú os grafu, sa vyskytuje pri frekvencii 9,5 Hz. Túto metódu možno odporučiť na štúdium vlastných vibrácií nosičov vyvažovacích strojov s mäkkým aj tvrdým ložiskom.

3.1.3.2. Určenie prirodzených frekvencií podpier v režime vybočenia

V niektorých prípadoch je možné určiť vlastné frekvencie podpier cyklickým meraním amplitúdy a fázy vibrácií "na brehu". Pri implementácii tejto metódy sa rotor nainštalovaný na skúmanom stroji najprv zrýchli na maximálnu rýchlosť otáčania, potom sa jeho pohon odpojí a frekvencia rušivej sily spojenej s nerovnováhou rotora sa postupne znižuje z maxima do bodu zastavenia.

V tomto prípade možno vlastné frekvencie podpier určiť pomocou dvoch charakteristík:

• Lokálnym skokom amplitúdy vibrácií pozorovaným v rezonančných oblastiach;
• Prudkou zmenou (až do 180°) fázy vibrácií pozorovanou v oblasti skokovej amplitúdy.

V zariadeniach série "Balanset" je možné na detekciu vlastných frekvencií objektov "na pobreží" použiť režim "Vibrometer" ("Balanset 1") alebo režim "Vyvažovanie. Monitorovanie" ("Balanset 2C" a "Balanset 4"), čo umožňuje cyklické merania amplitúdy a fázy vibrácií pri rotačnej frekvencii rotora.

Softvér "Balanset 1" navyše obsahuje špecializovaný režim "Grafy. Dobeh", ktorý umožňuje vykresľovanie grafov zmien amplitúdy a fázy vibrácií podpery na dobehu ako funkcie meniacej sa frekvencie otáčania, čo výrazne uľahčuje proces diagnostikovania rezonancií.

Treba poznamenať, že zo zrejmých dôvodov (pozri časť 3.1.1) možno metódu určenia vlastných frekvencií podpier na pobreží použiť len v prípade skúmania strojov s mäkkým vyvažovaním ložiska, kde pracovné frekvencie otáčania rotora výrazne prevyšujú vlastné frekvencie podpier v priečnom smere.

V prípade strojov s tvrdými ložiskami, kde sú pracovné frekvencie otáčania rotora vyvolávajúce vibrácie podpier na pobreží výrazne nižšie ako vlastné frekvencie podpier, je použitie tejto metódy prakticky nemožné.

3.1.4. Praktické odporúčania pre navrhovanie a výrobu podpier pre vyvažovacie stroje

3.1.2. Výpočet vlastných frekvencií podpier výpočtovými metódami

Výpočty vlastných frekvencií podpier pomocou vyššie diskutovanej výpočtovej schémy možno vykonať v dvoch smeroch:

• V priečnom smere podpier, ktorý sa zhoduje so smerom merania ich vibrácií spôsobených silami nevyváženosti rotora;
• V axiálnom smere, ktorý sa zhoduje s osou otáčania vyváženého rotora namontovaného na podperách stroja.

Výpočet vlastných frekvencií podpier vo vertikálnom smere si vyžaduje použitie zložitejšej výpočtovej techniky, ktorá (okrem parametrov samotnej podpery a vyváženého rotora) musí zohľadňovať parametre rámu a špecifiká inštalácie stroja na základoch. Táto metóda nie je v tejto publikácii rozobratá. Analýza vzorca 3.1 umožňuje niekoľko jednoduchých odporúčaní, ktoré by mali konštruktéri strojov zohľadniť pri svojej praktickej činnosti. Vlastnú frekvenciu podpery možno meniť najmä zmenou jej tuhosti a/alebo hmotnosti. Zvýšenie tuhosti zvyšuje vlastnú frekvenciu podpery, zatiaľ čo zvýšenie hmotnosti ju znižuje. Tieto zmeny majú nelineárny, štvorcovo-inverzný vzťah. Napríklad zdvojnásobenie tuhosti podpery zvyšuje jej vlastnú frekvenciu iba faktorom 1,4. Podobne zdvojnásobenie hmotnosti pohyblivej časti podpery znižuje jej vlastnú frekvenciu iba faktorom 1,4.

3.1.4.1. Mäkké ložiskové stroje s plochými pružinami

Niekoľko konštrukčných variantov podpier vyvažovacích strojov vyrobených s plochými pružinami bolo diskutovaných vyššie v časti 2.1 a znázornených na obrázkoch 2.7 - 2.9. Podľa našich informácií sa takéto konštrukcie najčastejšie používajú v strojoch určených na vyvažovanie hnacích hriadeľov.

Ako príklad si uveďme parametre pružín, ktoré použil jeden z klientov (LLC "Rost-Service", Petrohrad) pri výrobe vlastných podpier stroja. Tento stroj bol určený na vyvažovanie 2-, 3- a 4-podperných hnacích hriadeľov s hmotnosťou nepresahujúcou 200 kg. Geometrické rozmery pružín (výška * šírka * hrúbka) použitých v podperách hnacieho a hnaného vretena stroja, ktoré si vybral klient, boli 300*200*3 mm.

Vlastná frekvencia nezaťaženej podpery, stanovená experimentálne metódou nárazového budenia s použitím štandardného meracieho systému stroja "Balanset 4", bola 11 – 12 Hz. Pri takejto vlastnej frekvencii vibrácií podpier by odporúčaná frekvencia otáčania vyváženého rotora počas vyvažovania nemala byť nižšia ako 22 – 24 Hz (1320 – 1440 ot./min).

Geometrické rozmery plochých pružín použitých tým istým výrobcom na medziľahlých podperách boli 200 x 200 x 3 mm. Navyše, ako ukázali štúdie, vlastné frekvencie týchto podpier boli vyššie a dosahovali 13 – 14 Hz.

Na základe výsledkov testov bolo výrobcom stroja odporúčané zosúladiť (vyrovnať) vlastné frekvencie vretena a medziľahlých podpier. To by malo uľahčiť výber rozsahu prevádzkových frekvencií otáčania hnacích hriadeľov počas vyvažovania a zabrániť potenciálnej nestabilite údajov meracieho systému v dôsledku vstupu podpier do oblasti rezonančných vibrácií.

Metódy úpravy vlastných frekvencií kmitania podpier na plochých pružinách sú zrejmé. Túto úpravu možno dosiahnuť zmenou geometrických rozmerov alebo tvaru plochých pružín, čo sa dosiahne napríklad vyfrézovaním pozdĺžnych alebo priečnych drážok, ktoré znížia ich tuhosť.

Ako už bolo uvedené, overenie výsledkov takéhoto nastavenia sa môže vykonať určením vlastných frekvencií kmitania podpier pomocou metód opísaných v oddieloch 3.1.3.1 a 3.1.3.2.

Obrázok 3.6 predstavuje klasickú verziu konštrukcie podpery na plochých pružinách, ktorú v jednom zo svojich strojov použil A. Sinicyn. Ako je znázornené na obrázku, podpera obsahuje tieto komponenty:

• Horná doska 1;
• Dve ploché pružiny 2 a 3;
• Spodná doska 4;
• Zastavovací držiak 5.

Obrázok 3.6. Konštrukčná zmena podpery na plochých pružinách

Horná doska 1 podpery sa môže použiť na upevnenie vretena alebo medzinápravového ložiska. V závislosti od účelu podpery môže byť spodná doska 4 pevne pripevnená k vedeniam stroja alebo nainštalovaná na pohyblivých klzákoch, ktoré umožňujú pohyb podpery pozdĺž vedení. Konzola 5 sa používa na inštaláciu blokovacieho mechanizmu pre podperu, ktorý umožňuje jej bezpečné upevnenie počas zrýchľovania a spomaľovania vyváženého rotora.

Ploché pružiny pre podpery strojov s mäkkými ložiskami by mali byť vyrobené z listových pružín alebo vysoko kvalitnej legovanej ocele. Použitie bežných konštrukčných ocelí s nízkou medzou klzu sa neodporúča, pretože počas prevádzky môžu pri statickom a dynamickom zaťažení vyvinúť zvyškovú deformáciu, čo vedie k zníženiu geometrickej presnosti stroja a dokonca k strate stability podpery.

Pri strojoch s hmotnosťou vyváženého rotora nepresahujúcou 300 – 500 kg sa hrúbka podpery môže zväčšiť na 30 – 40 mm a pri strojoch určených na vyvažovanie rotorov s maximálnymi hmotnosťami od 1 000 do 3 000 kg môže hrúbka podpery dosiahnuť 50 – 60 mm alebo viac. Ako ukazuje analýza dynamických charakteristík vyššie uvedených podpier, ich vlastné frekvencie vibrácií, merané v priečnej rovine (rovina merania relatívnych deformácií "pružných" a "tuhých" častí), zvyčajne presahujú 100 Hz alebo viac. Vlastné frekvencie vibrácií stojanov s tvrdými ložiskami v čelnej rovine, merané v smere zhodujúcom sa s osou otáčania vyváženého rotora, sú zvyčajne výrazne nižšie. A práve tieto frekvencie by sa mali primárne zohľadniť pri určovaní hornej hranice rozsahu prevádzkových frekvencií pre rotujúce rotory vyvážené na stroji. Ako je uvedené vyššie, stanovenie týchto frekvencií je možné vykonať metódou budenia nárazom opísanou v časti 3.1.

Obrázok 3.7. Stroj na vyvažovanie rotorov elektromotorov, zostavený, vyvinutý A. Mochovom.

Obrázok 3.8. Stroj na vyvažovanie rotorov turbopumpy, vyvinutý G. Glazovom (Biškek)

3.1.4.2. Mäkké ložiskové podpery strojov so zavesením na pásových pružinách

Pri navrhovaní pásových pružín používaných na podperné zavesenie je potrebné venovať pozornosť výberu hrúbky a šírky pásu pružiny, ktorý musí na jednej strane odolávať statickému a dynamickému zaťaženiu rotora na podperu a na druhej strane musí zabrániť možnosti vzniku torzných vibrácií podperného zavesenia, ktoré sa prejavujú ako axiálne vybiehanie.

Príklady konštrukčnej realizácie vyvažovacích strojov s použitím pružín sú znázornené na obrázkoch 2.1 - 2.5 (pozri časť 2.1), ako aj na obrázkoch 3.7 a 3.8 tejto časti.

3.1.4.4. Tvrdé ložiskové podpery pre stroje

Ako ukazujú naše rozsiahle skúsenosti s klientmi, značná časť výrobcov vlastnoručne vyrobených vyvažovačov v poslednej dobe začala uprednostňovať stroje s tvrdými ložiskami a tuhými podperami. V časti 2.2, obrázky 2.16 – 2.18 znázorňujú fotografie rôznych konštrukčných riešení strojov využívajúcich takéto podpery. Typický náčrt tuhej podpery, ktorý vyvinul jeden z našich klientov pre svoju konštrukciu stroja, je znázornený na obr. 3.10. Táto podpera pozostáva z plochého oceľového plechu s drážkou v tvare P, ktorá konvenčne delí podperu na "tuhú" a "pružnú" časť. Pod vplyvom sily nevyváženosti sa "pružná" časť podpery môže deformovať vzhľadom na svoju "tuhú" časť. Veľkosť tejto deformácie, určená hrúbkou podpery, hĺbkou drážok a šírkou mostíka spájajúceho "pružnú" a "tuhú" časť podpery, je možné merať pomocou vhodných snímačov meracieho systému stroja. Vzhľadom na nedostatok metódy na výpočet priečnej tuhosti takýchto podpier, berúc do úvahy hĺbku h drážky v tvare P, šírku t mostíka, ako aj hrúbku podpery r (pozri obr. 3.10), tieto konštrukčné parametre zvyčajne určujú vývojári experimentálne.

Pri strojoch s hmotnosťou vyváženého rotora nepresahujúcou 300 – 500 kg sa hrúbka podpery môže zväčšiť na 30 – 40 mm a pri strojoch určených na vyvažovanie rotorov s maximálnymi hmotnosťami od 1 000 do 3 000 kg môže hrúbka podpery dosiahnuť 50 – 60 mm alebo viac. Ako ukazuje analýza dynamických charakteristík vyššie uvedených podpier, ich vlastné frekvencie vibrácií, merané v priečnej rovine (rovina merania relatívnych deformácií "pružných" a "tuhých" častí), zvyčajne presahujú 100 Hz alebo viac. Vlastné frekvencie vibrácií stojanov s tvrdými ložiskami v čelnej rovine, merané v smere zhodujúcom sa s osou otáčania vyváženého rotora, sú zvyčajne výrazne nižšie. A práve tieto frekvencie by sa mali primárne zohľadniť pri určovaní hornej hranice rozsahu prevádzkových frekvencií pre rotujúce rotory vyvážené na stroji.

Obrázok 3.26. Príklad použitia použitého lôžka sústruhu na výrobu tvrdého ložiskového stroja na vyvažovanie šnekov.

Obrázok 3.27. Príklad použitia použitého lôžka sústruhu na výrobu mäkkého ložiskového stroja na vyvažovanie hriadeľov.

Obrázok 3.28. Príklad výroby zostaveného lôžka z kanálov

Obrázok 3.29. Príklad výroby zváraného lôžka z kanálov

Obrázok 3.30. Príklad výroby zváraného lôžka z kanálov

Obrázok 3.31. Príklad lôžka vyvažovacieho stroja z polymérbetónu

Pri výrobe takýchto lôžok je ich horná časť zvyčajne vystužená oceľovými vložkami, ktoré slúžia ako vodiace lišty, na ktorých sú založené nosné stojany vyvažovacieho stroja. V poslednej dobe sa hojne používajú lôžka vyrobené z polymérbetónu s tlmiacimi povlakmi. Táto technológia výroby lôžok je dobre opísaná online a výrobcovia ju môžu ľahko implementovať. Vďaka relatívnej jednoduchosti a nízkym výrobným nákladom majú tieto lôžka oproti svojim kovovým náprotivkom niekoľko kľúčových výhod:

• Vyšší koeficient tlmenia vibračných kmitov;
• Nižšia tepelná vodivosť, ktorá zabezpečuje minimálnu tepelnú deformáciu lôžka;
• Vyššia odolnosť proti korózii;
• Absencia vnútorného napätia.

3.1.4.3. Mäkké ložiskové podpery strojov vyrobené pomocou valcových pružín

Príklad vyvažovacieho stroja s mäkkými ložiskami, v ktorom sa pri konštrukcii podpier používajú valcové tlačné pružiny, je znázornený na obrázku 3.9. Hlavná nevýhoda tohto konštrukčného riešenia súvisí s rôznym stupňom deformácie pružín v predných a zadných podperách, ku ktorej dochádza, ak sú zaťaženia na podpery počas vyvažovania asymetrických rotorov nerovnaké. To prirodzene vedie k nesúososti podpier a vychýleniu osi rotora vo vertikálnej rovine. Jedným z negatívnych dôsledkov tejto chyby môže byť vznik síl, ktoré spôsobujú axiálny posun rotora počas otáčania.

Obr. 3.9. Variant konštrukcie mäkkej ložiskovej opory pre vyvažovacie stroje s použitím valcových pružín.

3.1.4.4. Tvrdé ložiskové podpery pre stroje

Ako ukazujú naše rozsiahle skúsenosti s klientmi, značná časť výrobcov vlastnoručne vyrobených vyvažovačov v poslednej dobe začala uprednostňovať stroje s tvrdými ložiskami a tuhými podperami. V časti 2.2, obrázky 2.16 – 2.18 znázorňujú fotografie rôznych konštrukčných riešení strojov využívajúcich takéto podpery. Typický náčrt tuhej podpery, ktorý vyvinul jeden z našich klientov pre svoju konštrukciu stroja, je znázornený na obr. 3.10. Táto podpera pozostáva z plochého oceľového plechu s drážkou v tvare P, ktorá konvenčne delí podperu na "tuhú" a "pružnú" časť. Pod vplyvom sily nevyváženosti sa "pružná" časť podpery môže deformovať vzhľadom na svoju "tuhú" časť. Veľkosť tejto deformácie, určená hrúbkou podpery, hĺbkou drážok a šírkou mostíka spájajúceho "pružnú" a "tuhú" časť podpery, je možné merať pomocou vhodných snímačov meracieho systému stroja. Vzhľadom na nedostatok metódy na výpočet priečnej tuhosti takýchto podpier, berúc do úvahy hĺbku h drážky v tvare P, šírku t mostíka, ako aj hrúbku podpery r (pozri obr. 3.10), tieto konštrukčné parametre zvyčajne určujú vývojári experimentálne.

Obr. 3.10. Náčrt tvrdej ložiskovej podpery pre vyvažovací stroj

Fotografie zobrazujúce rôzne realizácie takýchto podpier, vyrobených pre vlastné stroje našich klientov, sú uvedené na obrázkoch 3.11 a 3.12. Zhrnutím údajov získaných od niekoľkých našich klientov, ktorí sú výrobcami strojov, možno sformulovať požiadavky na hrúbku podpier, stanovené pre stroje rôznych veľkostí a nosností. Napríklad pre stroje určené na vyvažovanie rotorov s hmotnosťou od 0,1 do 50-100 kg môže byť hrúbka podpier 20 mm.

Obr. 3.11. Tvrdé ložiskové podpery pre vyvažovací stroj, výrobca A. Sinitsyn

Obr. 3.12. Tvrdá ložisková opora pre vyvažovací stroj, výrobca D. Krasilnikov

Pri strojoch s hmotnosťou vyváženého rotora nepresahujúcou 300 – 500 kg sa hrúbka podpery môže zväčšiť na 30 – 40 mm a pri strojoch určených na vyvažovanie rotorov s maximálnymi hmotnosťami od 1 000 do 3 000 kg môže hrúbka podpery dosiahnuť 50 – 60 mm alebo viac. Ako ukazuje analýza dynamických charakteristík vyššie uvedených podpier, ich vlastné frekvencie vibrácií, merané v priečnej rovine (rovina merania relatívnych deformácií "pružných" a "tuhých" častí), zvyčajne presahujú 100 Hz alebo viac. Vlastné frekvencie vibrácií stojanov s tvrdými ložiskami v čelnej rovine, merané v smere zhodujúcom sa s osou otáčania vyváženého rotora, sú zvyčajne výrazne nižšie. A práve tieto frekvencie by sa mali primárne zohľadniť pri určovaní hornej hranice rozsahu prevádzkových frekvencií pre rotujúce rotory vyvážené na stroji. Ako je uvedené vyššie, stanovenie týchto frekvencií je možné vykonať metódou budenia nárazom opísanou v časti 3.1.

3.2. Nosné zostavy vyvažovacích strojov

3.2.1. Hlavné typy nosných zostáv

Pri výrobe vyvažovacích strojov s tvrdými aj mäkkými ložiskami možno odporučiť nasledujúce známe typy nosných zostáv, ktoré sa používajú na inštaláciu a otáčanie vyvážených rotorov na podperách, vrátane:

• Prizmatické nosné zostavy;
• Podperné zostavy s rotujúcimi valcami;
• Nosné zostavy vretena.

3.2.1.1. Prizmatické nosné zostavy

Tieto zostavy s rôznymi konštrukčnými možnosťami sa zvyčajne inštalujú na podpery malých a stredných strojov, na ktorých je možné vyvažovať rotory s hmotnosťou nepresahujúcou 50 - 100 kg. Príklad najjednoduchšej verzie prizmatickej nosnej zostavy je znázornený na obrázku 3.13. Táto nosná zostava je vyrobená z ocele a používa sa na vyvažovacom stroji turbín. Množstvo výrobcov malých a stredných vyvažovacích strojov pri výrobe prizmatických nosných zostáv uprednostňuje použitie nekovových materiálov (dielektrík), ako je textolit, fluoroplast, kaprolón atď.

3.13. Variant vyhotovenia prizmatickej nosnej zostavy používanej na vyvažovacom stroji pre automobilové turbíny

Podobné nosné zostavy (pozri obrázok 3.8 vyššie) implementoval napríklad G. Glazov vo svojom stroji, tiež určenom na vyvažovanie automobilových turbín. Pôvodné technické riešenie prizmatickej nosnej zostavy, vyrobené z fluoroplastu (pozri obrázok 3.14), navrhuje spoločnosť LLC "Technobalance".

Obr. 3.14. Zostava prizmatickej podpery od spoločnosti LLC "Technobalance""

Táto konkrétna nosná zostava je vytvorená pomocou dvoch valcových puzdier 1 a 2, ktoré sú navzájom namontované pod uhlom a upevnené na nosných osiach. Vyvážený rotor sa dotýka povrchov puzdier pozdĺž vytvárajúcich čiar valcov, čo minimalizuje kontaktnú plochu medzi hriadeľom rotora a podperou, a tým znižuje treciu silu v podpere. V prípade potreby, v prípade opotrebenia alebo poškodenia nosnej plochy v oblasti jej kontaktu s hriadeľom rotora, je zabezpečená možnosť kompenzácie opotrebenia otočením puzdra okolo jeho osi o určitý uhol. Treba poznamenať, že pri použití nosných zostáv vyrobených z nekovových materiálov je potrebné zabezpečiť konštrukčnú možnosť uzemnenia vyváženého rotora k telu stroja, čo eliminuje riziko vzniku silných nábojov statickej elektriny počas prevádzky. To po prvé pomáha znížiť elektrické rušenie a poruchy, ktoré môžu ovplyvniť výkon meracieho systému stroja, a po druhé eliminuje riziko ovplyvnenia personálu pôsobením statickej elektriny.

3.2.1.2. Nosné valčeky

Tieto zostavy sa typicky inštalujú na podpery strojov určených na vyvažovanie rotorov s hmotnosťou presahujúcou 50 kilogramov a viac. Ich použitie výrazne znižuje trecie sily v podperách v porovnaní s prizmatickými podperami, čo uľahčuje otáčanie vyváženého rotora. Ako príklad je na obrázku 3.15 znázornený variant konštrukcie podpernej zostavy, kde sa na polohovanie výrobku používajú valčeky. V tomto prevedení sa ako valčeky 1 a 2 používajú štandardné valivé ložiská, ktorých vonkajšie krúžky sa otáčajú na stacionárnych osiach upevnených v tele podpery stroja 3. Obrázok 3.16 znázorňuje náčrt zložitejšej konštrukcie podpernej zostavy valčekov, ktorú v projekte realizoval jeden z vlastných výrobcov vyvažovacích strojov. Ako je zrejmé z výkresu, za účelom zvýšenia nosnosti valca (a následne aj nosnej zostavy ako celku) je v telese valca 3 nainštalovaná dvojica valivých ložísk 1 a 2. Praktická realizácia tejto konštrukcie sa napriek všetkým jej zjavným výhodám javí ako pomerne zložitá úloha spojená s potrebou samostatnej výroby telesa valca 3, na ktoré sú kladené veľmi vysoké požiadavky na geometrickú presnosť a mechanické vlastnosti materiálu.

Obr. 3.15. Príklad konštrukcie valčekovej nosnej zostavy

Obr. 3.16. Príklad konštrukcie valčekovej nosnej zostavy s dvoma valivými ložiskami

Obrázok 3.17 predstavuje konštrukčný variant samovyrovnávacej zostavy podpery valčekov, ktorý vyvinuli špecialisti spoločnosti LLC "Technobalance". V tomto dizajne sa samovyrovnávacia schopnosť valčekov dosahuje poskytnutím dvoch ďalších stupňov voľnosti, čo umožňuje valčekom vykonávať malé uhlové pohyby okolo osí X a Y. Takéto podperné zostavy, ktoré zabezpečujú vysokú presnosť pri inštalácii vyvážených rotorov, sa zvyčajne odporúčajú na použitie na podperách ťažkých vyvažovacích strojov.

Obr. 3.17. Príklad konštrukcie samonastavovacej valčekovej podpernej zostavy

Ako už bolo spomenuté, na valčekové podpery sa zvyčajne kladú pomerne vysoké požiadavky na presnosť výroby a tuhosť. Najmä tolerancie stanovené pre radiálne hádzanie valčekov by nemali prekročiť 3 - 5 mikrónov.

V praxi to nie vždy dosiahnu ani známi výrobcovia. Napríklad počas autorovho testovania radiálneho hádzania sady nových zostáv valčekových podpier, zakúpených ako náhradné diely pre vyvažovací stroj model H8V, značky "K. Shenk", dosiahlo radiálne hádzanie ich valčekov 10 – 11 mikrónov.

3.2.1.3. Nosné zostavy vretena

Pri vyvažovaní rotorov s prírubovou montážou (napríklad kardanové hriadele) na vyvažovacích strojoch sa vretená používajú ako podporné zostavy na polohovanie, montáž a otáčanie vyvažovaných výrobkov.

Vretená sú jednou z najzložitejších a najkritickejších súčastí vyvažovacích strojov, ktoré sú do veľkej miery zodpovedné za dosiahnutie požadovanej kvality vyvažovania.

Teória a prax navrhovania a výroby vretien sú pomerne dobre rozvinuté a odrážajú sa v širokej škále publikácií, medzi ktorými vyniká ako najužitočnejšia a najprístupnejšia pre vývojárov monografia "Detaily a mechanizmy obrábacích strojov na kov" [1], ktorú editoval Dr. Ing. DN Reshetov.

Spomedzi hlavných požiadaviek, ktoré by sa mali zohľadniť pri návrhu a výrobe vyvažovacích vretien, by sa mali uprednostniť tieto:

a) Zabezpečenie vysokej tuhosti konštrukcie zostavy vretena, ktorá je dostatočná na to, aby sa zabránilo neprijateľným deformáciám, ku ktorým môže dôjsť vplyvom nevyvážených síl vyváženého rotora;

b) Zabezpečenie stability polohy osi otáčania vretena charakterizovanej prípustnými hodnotami radiálnych, axiálnych a axiálnych hádzaní vretena;

c) Zabezpečenie správnej odolnosti čapov vretena proti opotrebovaniu, ako aj jeho dosadacích a oporných plôch používaných na montáž vyvážených výrobkov.

Praktická implementácia týchto požiadaviek je podrobne opísaná v časti VI "Vretená a ich podpery" práce [1].

Nájdete tu najmä metodiky overovania tuhosti a presnosti otáčania vretien, odporúčania pre výber ložísk, výber materiálu vretien a spôsoby ich kalenia, ako aj mnoho ďalších užitočných informácií na túto tému.

V práci [1] sa uvádza, že pri konštrukcii vretien pre väčšinu typov obrábacích strojov na rezanie kovov sa používa najmä schéma s dvoma ložiskami.

Príklad konštrukčného variantu takejto dvojnosníkovej schémy používanej vo vretenách frézovacích strojov (podrobnosti možno nájsť v práci [1]) je znázornený na obr. 3.18.

Táto schéma je celkom vhodná na výrobu vretien vyvažovacích strojov, ktorých príklady konštrukčných variantov sú uvedené na obrázkoch 3.19 až 3.22.

Obr. 3.18. Náčrt vretena dvojnosníkovej frézky

Na obrázku 3.19 je znázornený jeden z konštrukčných variantov zostavy vodiaceho vretena vyvažovacieho stroja, ktoré sa otáča na dvoch radiálnych axiálnych ložiskách, z ktorých každé má vlastné nezávislé puzdro 1 a 2. Na hriadeli vretena 3 je namontovaná príruba 4, určená na prírubovú montáž kardanového hriadeľa, a remenica 5, ktorá sa používa na prenos otáčok na vreteno z elektromotora pomocou pohonu klinovým remeňom.

Obrázok 3.19. Príklad konštrukcie vretena na dvoch nezávislých ložiskových podperách

Obrázky 3.20 a 3.21 Zobrazujú dve úzko súvisiace konštrukcie zostáv vedúcich vretien. V oboch prípadoch sú ložiská vretena inštalované v spoločnej skrini 1, ktorá má priechodný axiálny otvor potrebný na inštaláciu hriadeľa vretena. Na vstupe a výstupe z tohto otvoru má puzdro špeciálne otvory (na obrázkoch nie sú znázornené) určené na uloženie radiálnych axiálnych ložísk (valčekových alebo guľôčkových) a špeciálne prírubové kryty 5, ktoré sa používajú na upevnenie vonkajších krúžkov ložísk.

Obrázok 3.20. Príklad 1 konštrukcie vedúceho vretena na dvoch ložiskových podperách inštalovaných v spoločnom puzdre

Obrázok 3.21. Príklad 2 konštrukcie vedúceho vretena na dvoch ložiskových podperách inštalovaných v spoločnom puzdre

Rovnako ako v predchádzajúcej verzii (pozri obr. 3.19) je na hriadeli vretena nainštalovaná čelná doska 2, určená na montáž hnacieho hriadeľa na prírubu, a remenica 3, ktorá sa používa na prenos otáčok na vreteno z elektromotora prostredníctvom remeňového pohonu. Na hriadeli vretena je upevnená aj koncovka 4, ktorá sa používa na určenie uhlovej polohy vretena, využívaná pri inštalácii skúšobných a korekčných závaží na rotor počas vyvažovania.

Obrázok 3.22. Príklad konštrukcie poháňaného (zadného) vretena

Obrázok 3.22 znázorňuje konštrukčný variant zostavy poháňaného (zadného) vretena stroja, ktorý sa od vedúceho vretena líši len tým, že neobsahuje hnaciu remenicu a končatinu, pretože nie sú potrebné.

Obrázok 3.23. Príklad konštrukčného vyhotovenia poháňaného (zadného) vretena

Ako je vidieť v Obrázky 3.20 - 3.22, sú vyššie uvedené zostavy vretien pripevnené k mäkkým ložiskovým podperám vyvažovacích strojov pomocou špeciálnych svoriek (popruhov) 6. V prípade potreby sa môžu použiť aj iné spôsoby upevnenia, ktoré zabezpečia správnu tuhosť a presnosť umiestnenia zostavy vretena na podperu.

Obrázok 3.23 znázorňuje konštrukciu upevnenia príruby podobnú tomuto vretenu, ktorá sa môže použiť na jeho inštaláciu na podperu tvrdého ložiska vyvažovacieho stroja.

3.2.1.3.4. Výpočet tuhosti vretena a radiálneho hádzania

Na určenie tuhosti vretena a očakávaného radiálneho hádzania je možné použiť vzorec 3.4 (pozri schému výpočtu na obrázku 3.24):

kde:

• Y - elastický posun vretena na konci konzoly vretena, cm;
• P - vypočítané zaťaženie pôsobiace na konzolu vretena, kg;
• A - zadná ložisková podpera vretena;
• B - predná podpera ložiska vretena;
• g - dĺžka konzoly vretena, cm;
• c - vzdialenosť medzi podperami A a B vretena, cm;
• J1 - priemerný moment zotrvačnosti vretenovej časti medzi podperami, cm⁴;
• J2 - priemerný moment zotrvačnosti konzolovej časti vretena, cm⁴;
• jB a jA - tuhosť ložísk pre predné a zadné podpery vretena, kg/cm.

Transformáciou vzorca 3.4 získame požadovanú vypočítanú hodnotu tuhosti vretena jшп možno určiť:

Vzhľadom na odporúčania práce [1] pre stredne veľké vyvažovacie stroje by táto hodnota nemala byť nižšia ako 50 kg/µm.

Na výpočet radiálneho hádzania sa používa vzorec 3.5:

kde:

• ∆ je radiálna hádzavosť na konci konzoly vretena, µm;
• ∆B je radiálna hádzavosť predného ložiska vretena, µm;
• ∆A je radiálna hádzavosť zadného ložiska vretena, µm;
• g je dĺžka konzoly vretena v cm;
• c je vzdialenosť medzi podperami A a B vretena, cm.

3.2.1.3.5. Zabezpečenie požiadaviek na vyváženie vretena

Vretenové zostavy vyvažovacích strojov musia byť dobre vyvážené, pretože akákoľvek skutočná nevyváženosť sa prenesie na vyvažovaný rotor ako dodatočná chyba. Pri nastavovaní technologických tolerancií pre zvyškovú nevyváženosť vretena sa všeobecne odporúča, aby trieda presnosti jeho vyváženia bola aspoň o 1 - 2 triedy vyššia ako trieda presnosti vyvažovaného výrobku na stroji.

Vzhľadom na vyššie uvedené konštrukčné vlastnosti vretien by sa ich vyvažovanie malo vykonávať v dvoch rovinách.

3.2.1.3.6. Zabezpečenie požiadaviek na nosnosť a trvanlivosť ložísk vretena

Pri navrhovaní vretien a výbere veľkostí ložísk je vhodné predbežne posúdiť trvanlivosť a nosnosť ložísk. Metodika vykonávania týchto výpočtov je podrobne opísaná v norme ISO 18855-94 (ISO 281-89) "Valivé ložiská – Dynamické menovité únosnosti a životnosť" [3], ako aj v mnohých (vrátane digitálnych) príručkách o valivých ložiskách.

3.2.1.3.7. Zabezpečenie požiadaviek na prijateľný ohrev ložísk vretena

Podľa odporúčaní z práce [1] by maximálne prípustné zahrievanie vonkajších krúžkov ložísk vretena nemalo presiahnuť 70 °C. Na zabezpečenie kvalitného vyváženia by však odporúčané zahrievanie vonkajších krúžkov nemalo prekročiť 40 - 45 °C.

3.2.1.3.8. Výber typu remeňového pohonu a konštrukcia hnacej remenice pre vreteno

Pri návrhu hnacieho vretena vyvažovačky sa odporúča zabezpečiť jeho otáčanie pomocou plochého remeňového pohonu. Príklad správneho použitia takéhoto pohonu na prevádzku vretena je uvedený v Obrázky 3.20 a 3.23. Použitie pohonov s klinovými remeňmi alebo ozubenými remeňmi je nežiaduce, pretože môžu pôsobiť na vreteno dodatočným dynamickým zaťažením v dôsledku geometrických nepresností remeňov a remeníc, čo môže viesť k ďalším chybám merania počas vyvažovania. Odporúčané požiadavky na remenice pre ploché hnacie remene sú uvedené v norme ISO 17383-73 "Remenice pre ploché hnacie remene" [4].

Hnacia remenica by mala byť umiestnená na zadnom konci vretena, čo najbližšie k ložiskovej súprave (s čo najmenším presahom). Konštrukčné rozhodnutie o umiestnení remenice s presahom, prijaté pri výrobe vretena zobrazeného na obrázku Obrázok 3.19, možno považovať za neúspešný, pretože výrazne zvyšuje moment dynamického zaťaženia pohonu pôsobiaci na podpery vretena.

Ďalšou významnou nevýhodou tejto konštrukcie je použitie pohonu klinovým remeňom, ktorého výrobné a montážne nepresnosti môžu byť tiež zdrojom nežiaduceho dodatočného zaťaženia vretena.

3.3. Posteľ (rám)

Lôžko je hlavnou nosnou konštrukciou vyvažovačky, na ktorej sú založené jej hlavné prvky vrátane nosných stĺpikov a hnacieho motora. Pri výbere alebo výrobe lôžka vyvažovačky je potrebné zabezpečiť, aby spĺňalo niekoľko požiadaviek vrátane potrebnej tuhosti, geometrickej presnosti, odolnosti proti vibráciám a odolnosti jeho vedení proti opotrebovaniu.

Prax ukazuje, že pri výrobe strojov pre vlastné potreby sa najčastejšie používajú tieto možnosti lôžka:

• liatinové lôžka z použitých kovoobrábacích strojov (sústruhy, drevoobrábacie stroje atď.);
• montované postele na báze kanálov, montované pomocou skrutkových spojov;
• zvárané lôžka na báze kanálov;
• polymérové betónové lôžka s povlakmi pohlcujúcimi vibrácie.

Obrázok 3.25. Príklad použitia použitého lôžka drevárskeho stroja na výrobu stroja na vyvažovanie kardanových hriadeľov.

3.4. Pohony pre vyvažovacie stroje

Ako ukazuje analýza konštrukčných riešení, ktoré naši klienti používajú pri výrobe vyvažovacích strojov, pri návrhu pohonov sa zameriavajú najmä na použitie striedavých motorov vybavených frekvenčnými meničmi. Tento prístup umožňuje široký rozsah nastaviteľných rýchlostí otáčania vyvažovaných rotorov s minimálnymi nákladmi. Výkon hlavných hnacích motorov používaných na roztočenie vyvážených rotorov sa zvyčajne volí na základe hmotnosti týchto rotorov a môže byť približne:

• 0,25 – 0,72 kW pre stroje určené na vyvažovanie rotorov s hmotnosťou ≤ 5 kg;
• 0,72 – 1,2 kW pre stroje určené na vyvažovanie rotorov s hmotnosťou > 5 ≤ 50 kg;
• 1,2 – 1,5 kW pre stroje určené na vyvažovanie rotorov s hmotnosťou > 50 ≤ 100 kg;
• 1,5 – 2,2 kW pre stroje určené na vyvažovanie rotorov s hmotnosťou > 100 ≤ 500 kg;
• 2,2 – 5 kW pre stroje určené na vyvažovanie rotorov s hmotnosťou > 500 ≤ 1 000 kg;
• 5 – 7,5 kW pre stroje určené na vyvažovanie rotorov s hmotnosťou > 1000 ≤ 3000 kg.

Tieto motory by mali byť pevne namontované na lôžku stroja alebo na jeho základoch. Pred inštaláciou na stroj (alebo na mieste inštalácie) by sa mal hlavný hnací motor spolu s remenicou namontovanou na jeho výstupnom hriadeli starostlivo vyvážiť. Na zníženie elektromagnetického rušenia spôsobeného frekvenčným meničom sa odporúča nainštalovať na jeho vstup a výstup sieťové filtre. Môžu to byť štandardné hotové výrobky dodávané výrobcami pohonov alebo podomácky vyrobené filtre s použitím feritových krúžkov.

4. Meracie systémy vyvažovacích strojov

Väčšina amatérskych výrobcov vyvažovacích strojov, ktorí kontaktujú spoločnosť LLC "Kinematics" (Vibromera), plánuje vo svojich návrhoch použiť meracie systémy série "Balanset" vyrábané našou spoločnosťou. Existujú však aj zákazníci, ktorí plánujú vyrábať takéto meracie systémy samostatne. Preto je rozumné podrobnejšie sa zaoberať konštrukciou meracieho systému pre vyvažovací stroj. Hlavnou požiadavkou na tieto systémy je potreba zabezpečiť vysoko presné merania amplitúdy a fázy rotačnej zložky vibračného signálu, ktorá sa objavuje pri frekvencii otáčania vyváženého rotora. Tento cieľ sa zvyčajne dosahuje kombináciou technických riešení, medzi ktoré patria:

• Použitie snímačov vibrácií s vysokým koeficientom premeny signálu;
• Používanie moderných laserových snímačov fázového uhla;
• Vytvorenie (alebo použitie) hardvéru, ktorý umožňuje zosilnenie a digitálnu konverziu signálov zo senzorov (primárne spracovanie signálov);
• Implementácia softvérového spracovania vibračného signálu, ktoré by malo umožniť vysokorozlišovaciu a stabilnú extrakciu rotačnej zložky vibračného signálu, prejavujúcej sa na frekvencii otáčania vyváženého rotora (sekundárne spracovanie).

Nižšie uvádzame známe varianty takýchto technických riešení, implementované v mnohých známych vyvažovacích prístrojoch.

4.1. Výber snímačov vibrácií

V meracích systémoch vyvažovacích strojov sa môžu používať rôzne typy snímačov vibrácií (snímače) vrátane:

• Snímače zrýchlenia vibrácií (akcelerometre);
• Snímače rýchlosti vibrácií;
• Snímače posunu vibrácií;
• Senzory sily.

4.1.1. Snímače zrýchlenia vibrácií

Medzi senzormi vibračného zrýchlenia sú najpoužívanejšie piezoelektrické a kapacitné (čipové) akcelerometre, ktoré možno efektívne použiť vo vyvažovacích strojoch typu mäkké ložiská. V praxi je všeobecne povolené používať senzory vibračného zrýchlenia s prepočítavacími koeficientmi (Kpr) v rozsahu od 10 do 30 mV/(m/s²). Vo vyvažovacích strojoch, ktoré vyžadujú obzvlášť vysokú presnosť vyváženia, sa odporúča používať akcelerometre s Kpr dosahujúcim úrovne 100 mV/(m/s²) a vyššie. Ako príklad piezoelektrických akcelerometrov, ktoré možno použiť ako vibračné senzory pre vyvažovacie stroje, sú na obrázku 4.1 znázornené piezoelektrické akcelerometre DN3M1 a DN3M1V6 vyrobené spoločnosťou LLC "Izmeritel".

Obrázok 4.1. Piezoakcelerometre DN 3M1 a DN 3M1V6

Na pripojenie takýchto snímačov k prístrojom a systémom na meranie vibrácií je potrebné použiť externé alebo zabudované zosilňovače náboja.

Obrázok 4.2. Kapacitné akcelerometre AD1 vyrobené spoločnosťou LLC "Kinematics" (Vibromera)

Treba poznamenať, že tieto snímače, medzi ktoré patria aj na trhu široko používané dosky kapacitných akcelerometrov ADXL 345 (pozri obrázok 4.3), majú oproti piezoelektrickým akcelerometrom niekoľko významných výhod. Konkrétne sú 4 až 8-krát lacnejšie pri podobných technických vlastnostiach. Okrem toho nevyžadujú použitie nákladných a náročných zosilňovačov náboja, ktoré sú potrebné pre piezoelektrické akcelerometre.

V prípadoch, keď sa v meracích systémoch vyvažovacích strojov používajú oba typy akcelerometrov, sa zvyčajne vykonáva hardvérová integrácia (alebo dvojitá integrácia) signálov snímačov.

Obrázok 4.2. Kapacitné akcelerometre AD 1, zmontované.

Obrázok 4.2. Kapacitné akcelerometre AD1 vyrobené spoločnosťou LLC "Kinematics" (Vibromera)

Treba poznamenať, že tieto snímače, medzi ktoré patria aj na trhu široko používané dosky kapacitných akcelerometrov ADXL 345 (pozri obrázok 4.3), majú oproti piezoelektrickým akcelerometrom niekoľko významných výhod. Konkrétne sú 4 až 8-krát lacnejšie pri podobných technických vlastnostiach. Okrem toho nevyžadujú použitie nákladných a náročných zosilňovačov náboja, ktoré sú potrebné pre piezoelektrické akcelerometre.

Obrázok 4.3. Kapacitný akcelerometer ADXL 345.

V tomto prípade sa pôvodný signál snímača, úmerný vibračnému zrýchleniu, transformuje na signál úmerný vibračnej rýchlosti alebo posunu. Postup dvojitej integrácie vibračného signálu má význam najmä pri použití akcelerometrov ako súčasti meracích systémov nízkootáčkových vyvažovacích strojov, kde dolný rozsah frekvencie otáčania rotora počas vyvažovania môže dosahovať 120 otáčok za minútu a menej. Pri používaní kapacitných akcelerometrov v meracích systémoch vyvažovacích strojov treba vziať do úvahy, že po integrácii môžu ich signály obsahovať nízkofrekvenčné rušenie, ktoré sa prejavuje vo frekvenčnom rozsahu od 0,5 do 3 Hz. To môže obmedziť dolný frekvenčný rozsah vyvažovania na strojoch určených na používanie týchto snímačov.

4.1.2. Snímače rýchlosti vibrácií

4.1.2.1. Indukčné snímače rýchlosti vibrácií.

Tieto snímače obsahujú indukčnú cievku a magnetické jadro. Keď cievka vibruje vzhľadom na nehybné jadro (alebo jadro vzhľadom na nehybnú cievku), v cievke sa indukuje EMP, ktorého napätie je priamo úmerné rýchlosti vibrácií pohyblivého prvku snímača. Prevodné koeficienty (Кпр) indukčných snímačov sú zvyčajne pomerne vysoké a dosahujú niekoľko desiatok alebo dokonca stoviek mV/mm/s. Konkrétne prevodový koeficient snímača Schenck model T77 je 80 mV/mm/s a v prípade snímača IRD Mechanalysis model 544M je to 40 mV/mm/s. V niektorých prípadoch (napríklad vo vyvažovacích strojoch Schenck) sa používajú špeciálne vysoko citlivé indukčné snímače rýchlosti kmitania s mechanickým zosilňovačom, kde Kпр môže presiahnuť 1000 mV/mm/sec. Ak sa v meracích systémoch vyvažovacích strojov používajú indukčné snímače rýchlosti vibrácií, môže sa vykonať aj hardvérová integrácia elektrického signálu úmerného rýchlosti vibrácií, čím sa tento signál premení na signál úmerný posunu vibrácií.

Obrázok 4.4. Model 544M snímača IRD Mechanalysis.

Obrázok 4.5. Senzor model T77 od spoločnosti Schenck

Treba poznamenať, že vzhľadom na prácnosť ich výroby sú indukčné snímače rýchlosti vibrácií pomerne vzácnym a drahým tovarom. Preto napriek zjavným výhodám týchto snímačov ich amatérski výrobcovia vyvažovacích strojov používajú len veľmi zriedkavo.

4.2. Snímače fázového uhla

Na synchronizáciu procesu merania vibrácií s uhlom natočenia vyváženého rotora sa používajú snímače fázového uhla, ako sú laserové (fotoelektrické) alebo indukčné snímače. Tieto snímače vyrábajú v rôznych prevedeniach domáci aj zahraniční výrobcovia. Cenové rozpätie týchto snímačov sa môže výrazne líšiť, približne od 40 do 200 dolárov. Príkladom takéhoto zariadenia je snímač fázového uhla vyrobený spoločnosťou "Diamex", ktorý je znázornený na obrázku 4.11.

Obrázok 4.11: Snímač fázového uhla od spoločnosti "Diamex"

Ako ďalší príklad, obrázok 4.12 zobrazuje model implementovaný spoločnosťou LLC "Kinematics" (Vibromera), ktorá ako snímače fázového uhla používa laserové tachometre modelu DT 2234C vyrobené v Číne. Medzi zjavné výhody tohto snímača patria:

• Široký pracovný rozsah, ktorý umožňuje meranie frekvencie otáčania rotora od 2,5 do 99 999 otáčok za minútu s rozlíšením najmenej jednej otáčky;
• Digitálny displej;
• Jednoduché nastavenie tachometra na meranie;
• Cenová dostupnosť a nízke trhové náklady;
• Relatívne jednoduchá úprava na integráciu do meracieho systému vyvažovačky.

Obrázok 4.12: Laserový tachometer model DT 2234C

V niektorých prípadoch, keď je použitie optických laserových snímačov z nejakého dôvodu nežiaduce, možno ich nahradiť indukčnými bezkontaktnými snímačmi posunu, ako je napríklad už spomínaný model ISAN E41A alebo podobné výrobky od iných výrobcov.

4.3. Funkcie spracovania signálu v snímačoch vibrácií

Na presné meranie amplitúdy a fázy rotačnej zložky vibračného signálu vo vyvažovacích zariadeniach sa zvyčajne používa kombinácia hardvérových a softvérových nástrojov na spracovanie. Tieto nástroje umožňujú:

• Širokopásmové hardvérové filtrovanie analógového signálu senzora;
• Zosilnenie analógového signálu snímača;
• Integrácia a/alebo dvojitá integrácia (ak je to potrebné) analógového signálu;
• Úzkopásmová filtrácia analógového signálu pomocou sledovacieho filtra;
• Analógovo-digitálna konverzia signálu;
• Synchrónne filtrovanie digitálneho signálu;
• Harmonická analýza digitálneho signálu.

4.3.1. Filtrovanie širokopásmového signálu

Tento postup je nevyhnutný na vyčistenie signálu vibračného senzora od potenciálneho rušenia, ktoré sa môže vyskytnúť na dolnej aj hornej hranici frekvenčného rozsahu zariadenia. Pre meracie zariadenie vyvažovacieho stroja sa odporúča nastaviť dolnú hranicu pásmovej priepuste na 2 – 3 Hz a hornú hranicu na 50 (100) Hz. "Dolné" filtrovanie pomáha potlačiť nízkofrekvenčné šumy, ktoré sa môžu objaviť na výstupe rôznych typov meracích zosilňovačov senzorov. "Horné" filtrovanie eliminuje možnosť rušenia v dôsledku kombinovaných frekvencií a potenciálnych rezonančných vibrácií jednotlivých mechanických komponentov stroja.

4.3.2. Zosilnenie analógového signálu zo snímača

Ak je potrebné zvýšiť citlivosť meracieho systému vyvažovacieho stroja, je možné zosilniť signály zo snímačov vibrácií na vstup meracej jednotky. Môžu sa použiť štandardné zosilňovače s konštantným zosilnením aj viacstupňové zosilňovače, ktorých zosilnenie je možné programovo meniť v závislosti od skutočnej úrovne signálu zo snímača. Príkladom programovateľného viacstupňového zosilňovača sú zosilňovače implementované v prevodníkoch merania napätia, ako sú E154 alebo E14-140 od spoločnosti LLC "L-Card".

4.3.3. Integrácia

Ako už bolo uvedené, v meracích systémoch vyvažovacích strojov sa odporúča hardvérová integrácia a/alebo dvojitá integrácia signálov zo snímačov vibrácií. Pôvodný signál akcelerometra, úmerný vibračnému zrýchleniu, sa tak môže transformovať na signál úmerný vibračnej rýchlosti (integrácia) alebo vibračnému posunutiu (dvojitá integrácia). Podobne možno signál snímača vibrootáčok po integrácii transformovať na signál úmerný vibrorozsahu.

4.3.4. Filtrovanie úzkopásmového analógového signálu pomocou sledovacieho filtra

Na zníženie rušenia a zlepšenie kvality spracovania vibračných signálov v meracích systémoch vyvažovacích strojov je možné použiť úzkopásmové sledovacie filtre. Centrálna frekvencia týchto filtrov sa automaticky ladí na frekvenciu otáčania vyváženého rotora pomocou signálu zo snímača otáčok rotora. Na vytvorenie takýchto filtrov je možné použiť moderné integrované obvody, ako napríklad MAX263, MAX264, MAX267, MAX268 od spoločnosti "MAXIM".

4.3.5. Analógovo-digitálna konverzia signálov

Analógovo-digitálny prevod je kľúčový postup, ktorý zabezpečuje možnosť zlepšenia kvality spracovania vibračného signálu počas merania amplitúdy a fázy. Tento postup je implementovaný vo všetkých moderných meracích systémoch vyvažovacích strojov. Príkladom efektívnej implementácie takýchto ADC sú prevodníky merania napätia typu E154 alebo E14-140 od spoločnosti LLC "L-Card", používané vo viacerých meracích systémoch vyvažovacích strojov vyrábaných spoločnosťou LLC "Kinematics" (Vibromera). Okrem toho má spoločnosť LLC "Kinematics" (Vibromera) skúsenosti s používaním lacnejších mikroprocesorových systémov založených na ovládačoch "Arduino", mikrokontroléri PIC18F4620 od spoločnosti "Microchip" a podobných zariadeniach.

4.1.2.2. Senzory rýchlosti vibrácií založené na piezoelektrických akcelerometroch

Senzor tohto typu sa líši od štandardného piezoelektrického akcelerometra tým, že má v puzdre zabudovaný zosilňovač náboja a integrátor, čo mu umožňuje generovať signál úmerný rýchlosti vibrácií. Napríklad piezoelektrické senzory rýchlosti vibrácií vyrábané domácimi výrobcami (spoločnosť ZETLAB a LLC "Vibropribor") sú znázornené na obrázkoch 4.6 a 4.7.

Obrázok 4.6. Model snímača AV02 od spoločnosti ZETLAB (Rusko)

Obrázok 4.7. Model senzora DVST 2 od spoločnosti LLC "Vibropribor""

Takéto snímače vyrábajú rôzni výrobcovia (domáci aj zahraniční) a v súčasnosti sa široko používajú najmä v prenosných vibračných zariadeniach. Cena týchto snímačov je pomerne vysoká a môže dosiahnuť 20 000 až 30 000 rubľov za kus, a to aj od domácich výrobcov.

4.1.3. Snímače posunutia

V meracích systémoch vyvažovacích strojov sa môžu použiť aj bezkontaktné snímače posunutia – kapacitné alebo indukčné. Tieto snímače môžu pracovať v statickom režime, čo umožňuje registráciu vibračných procesov od 0 Hz. Ich použitie môže byť obzvlášť efektívne v prípade vyvažovania nízkorýchlostných rotorov s rýchlosťami otáčania 120 ot./min a menej. Prevodné koeficienty týchto snímačov môžu dosiahnuť 1000 mV/mm a viac, čo poskytuje vysokú presnosť a rozlíšenie pri meraní posunutia, a to aj bez dodatočného zosilnenia. Zjavnou výhodou týchto snímačov sú ich relatívne nízke náklady, ktoré u niektorých domácich výrobcov nepresahujú 1000 rubľov. Pri použití týchto snímačov vo vyvažovacích strojoch je dôležité zvážiť, že nominálna pracovná medzera medzi citlivým prvkom snímača a povrchom vibrujúceho objektu je obmedzená priemerom cievky snímača. Napríklad pre snímač znázornený na obrázku 4.8, model ISAN E41A od spoločnosti "TEKO", je špecifikovaná pracovná medzera typicky 3,8 až 4 mm, čo umožňuje meranie posunutia vibrujúceho objektu v rozsahu ±2,5 mm.

Obrázok 4.8. Indukčný snímač posunutia model ISAN E41A od spoločnosti TEKO (Rusko)

4.1.4. Snímače sily

Ako už bolo uvedené, snímače sily sa používajú v meracích systémoch inštalovaných na vyvažovacích strojoch Hard Bearing. Tieto snímače, najmä vzhľadom na ich jednoduchú výrobu a relatívne nízke náklady, sú bežne piezoelektrické snímače sily. Príklady takýchto snímačov sú znázornené na obrázkoch 4.9 a 4.10.

Obrázok 4.9. Snímač sily SD 1 od spoločnosti Kinematika LLC

Obrázok 4.10: Snímač sily pre vyvažovacie stroje pre automobily, predávaný spoločnosťou "STO Market"

Tenzometrické snímače sily, ktoré vyrába široká škála domácich a zahraničných výrobcov, možno použiť aj na meranie relatívnych deformácií v podperách vyvažovacích strojov Hard Bearing.

4.4. Funkčná schéma meracieho systému vyvažovacieho stroja "Balanset 2"

Merací systém "Balanset 2" predstavuje moderný prístup k integrácii meracích a výpočtových funkcií vo vyvažovacích strojoch. Tento systém umožňuje automatický výpočet korekčných závaží pomocou metódy koeficientov vplyvu a je možné ho prispôsobiť pre rôzne konfigurácie strojov.

Funkčná schéma zahŕňa úpravu signálu, analógovo-digitálnu konverziu, digitálne spracovanie signálu a automatické výpočtové algoritmy. Systém dokáže s vysokou presnosťou spracovať scenáre vyvažovania v dvoch aj viacerých rovinách.

4.5. Výpočet parametrov korekčných závaží používaných pri vyvažovaní rotora

Výpočet korekčných závaží je založený na metóde koeficientu vplyvu, ktorá určuje, ako rotor reaguje na testovacie závažia v rôznych rovinách. Táto metóda je základom všetkých moderných vyvažovacích systémov a poskytuje presné výsledky pre tuhé aj flexibilné rotory.

4.5.1. Úloha vyvažovania rotorov s dvojitou podporou a spôsoby jej riešenia

Pre rotory s dvojitou oporou (najbežnejšia konfigurácia) úloha vyvažovania zahŕňa určenie dvoch korekčných závaží - jedného pre každú korekčnú rovinu. Metóda koeficientu vplyvu používa nasledujúci prístup:

1. Počiatočné meranie (Beh 0): Meranie vibrácií bez skúšobných závaží
2. Prvá skúšobná jazda (Beh 1): Pridajte známu skúšobnú hmotnosť k rovine 1 a zmerajte odozvu
3. Druhá skúšobná jazda (Beh 2): Presunúť skúšobné závažie do roviny 2, zmerať odozvu
4. Výpočet: Softvér vypočítava trvalé korekčné váhy na základe nameraných odoziev

Matematický základ zahŕňa riešenie sústavy lineárnych rovníc, ktoré spájajú vplyvy skúšobnej hmotnosti s požadovanými korekciami v oboch rovinách súčasne.

Obrázky 3.26 a 3.27 ukazujú príklady použitia sústružníckych lôžok, na základe ktorých bol vyrobený špecializovaný stroj Hard Bearing na vyvažovanie šnekov a univerzálny stroj Soft Bearing na vyvažovanie valcových rotorov. Pre domácich výrobcov takéto riešenia umožňujú s minimálnymi časovými a finančnými nákladmi vytvoriť pevný nosný systém vyvažovačky, na ktorý možno namontovať nosné stojany rôznych typov (Hard Bearing aj Soft Bearing). Hlavnou úlohou výrobcu je v tomto prípade zabezpečiť (a v prípade potreby obnoviť) geometrickú presnosť vodiacich líšt stroja, na ktorých budú podperné stojany založené. V podmienkach kutilskej výroby sa na obnovenie požadovanej geometrickej presnosti vodidiel zvyčajne používa jemné škrabanie.

Obrázok 3.28 zobrazuje verziu zostavenej postele z dvoch kanálov. Pri výrobe tohto lôžka sa používajú rozoberateľné skrutkové spoje, ktoré umožňujú minimalizovať alebo úplne eliminovať deformácie lôžka počas montáže bez ďalších technologických operácií. Na zabezpečenie správnej geometrickej presnosti vodiacich líšt uvedeného lôžka môže byť potrebné mechanické opracovanie (brúsenie, jemné frézovanie) horných prírub použitých kanálov.

Obrázky 3.29 a 3.30 predstavujú varianty zváraných lôžok, ktoré sú tiež vyrobené z dvoch kanálov. Technológia výroby takýchto lôžok si môže vyžadovať sériu ďalších operácií, napríklad tepelné spracovanie na zmiernenie vnútorných napätí, ktoré vznikajú pri zváraní. Podobne ako pri montovaných lôžkach, na zabezpečenie správnej geometrickej presnosti vedení zváraných lôžok by sa malo naplánovať mechanické spracovanie (brúsenie, jemné frézovanie) horných prírub použitých kanálov.

4.5.2. Metodika dynamického vyvažovania rotorov s viacerými oporami

Viacnásobne podopreté rotory (tri alebo štyri oporné body) vyžadujú zložitejšie vyvažovacie postupy. Každý oporný bod prispieva k celkovému dynamickému správaniu a korekcia musí zohľadňovať interakcie medzi všetkými rovinami.

Metodika rozširuje dvojrovinný prístup o:

• Meranie vibrácií vo všetkých oporných bodoch
• Použitie viacerých polôh skúšobnej záťaže
• Riešenie väčších sústav lineárnych rovníc
• Optimalizácia rozloženia korekčnej hmotnosti

Pri kardanových hriadeľoch a podobných dlhých rotoroch sa týmto prístupom zvyčajne dosahujú úrovne zostatkovej nevyváženosti zodpovedajúce stupňom kvality ISO G6.3 alebo lepším.

4.5.3. Kalkulačky na vyvažovanie viacpodlažných rotorov

Pre konfigurácie rotorov s tromi a štyrmi oporami boli vyvinuté špecializované výpočtové algoritmy. Tieto kalkulačky sú implementované v softvéri Balanset-4 a dokážu automaticky spracovať zložité geometrie rotorov.

Kalkulačky zohľadňujú:

• Variabilná tuhosť podpery
• Krížové prepojenie medzi korekčnými rovinami
• Optimalizácia umiestnenia závažia pre prístupnosť
• Overenie vypočítaných výsledkov

5. Odporúčania na kontrolu činnosti a presnosti vyvažovacích strojov

Presnosť a spoľahlivosť vyvažovacieho stroja závisí od mnohých faktorov vrátane geometrickej presnosti jeho mechanických komponentov, dynamických charakteristík podpier a prevádzkovej schopnosti meracieho systému. Pravidelné overovanie týchto parametrov zabezpečuje konzistentnú kvalitu vyvažovania a pomáha identifikovať potenciálne problémy skôr, ako ovplyvnia výrobu.

5.1. Kontrola geometrickej presnosti stroja

Overenie geometrickej presnosti zahŕňa kontrolu zarovnania podpier, rovnobežnosti vodiacich líšt a sústrednosti vretenových zostáv. Tieto kontroly by sa mali vykonávať počas počiatočného nastavenia a pravidelne počas prevádzky, aby sa zabezpečila zachovaná presnosť.

5.2. Kontrola dynamických charakteristík stroja

Overenie dynamických charakteristík zahŕňa meranie vlastných frekvencií podpier a komponentov rámu, aby sa zabezpečilo ich správne oddelenie od prevádzkových frekvencií. Tým sa predchádza problémom s rezonanciou, ktoré môžu ohroziť presnosť vyváženia.

5.3. Kontrola prevádzkovej spôsobilosti meracieho systému

Overenie meracieho systému zahŕňa kalibráciu snímačov, overenie fázového zarovnania a kontrolu presnosti spracovania signálu. To zaisťuje spoľahlivé meranie amplitúdy a fázy vibrácií pri všetkých prevádzkových rýchlostiach.

5.4. Kontrola charakteristík presnosti podľa normy ISO 20076-2007

Norma ISO 20076-2007 poskytuje štandardizované postupy na overovanie presnosti vyvažovacích strojov pomocou kalibrovaných testovacích rotorov. Tieto postupy pomáhajú overiť výkon stroja v porovnaní s medzinárodne uznávanými normami.

Literatúra

1. Reshetov DN (editor). "Detaily a mechanizmy obrábacích strojov na kov." Moskva: Mašinostrojenie, 1972.
2. Kellenberger W. "Špirálové brúsenie valcových plôch." Stroje, 1963.
3. ISO 18855-94 (ISO 281-89) "Valivé ložiská – dynamické únosnosti a životnosť."
4. ISO 17383-73 "Remenice pre ploché hnacie remene."
5. ISO 1940-1-2007 "Vibrácie. Požiadavky na kvalitu vyváženia pevných rotorov."
6. ISO 20076-2007 "Postupy overovania presnosti vyvažovacích strojov."