Artikelns författare : Feldman Valerij Davidovitj
Redaktör och översättning: Nikolai Andreevich Shelkovenko och chatGPT
Balansera maskiner med dina egna händer
Innehållsförteckning
Sektion | Sida |
|---|---|
1. Inledning | 3 |
2. Typer av balanseringsmaskiner (stativ) och deras konstruktionsegenskaper | 4 |
2.1. Maskiner och stativ för mjuka lager | 4 |
2.2. Maskiner med hårda lager | 17 |
3. Krav för konstruktion av grundläggande enheter och mekanismer för balanseringsmaskiner | 26 |
3.1. Lager | 26 |
3.2. Lagerenheter för balanseringsmaskiner | 41 |
3.3. Bedframes | 56 |
3.4. Drivning av balanseringsmaskiner | 60 |
4. Mätsystem för balanseringsmaskiner | 62 |
4.1. Val av vibrationssensorer | 62 |
4.2. Sensorer för fasvinkel | 69 |
4.3. Funktioner för bearbetning av signaler från vibrationssensorer | 71 |
4.4. Funktionsschema för mätsystemet i balanseringsmaskinen, "Balanset 2" | 76 |
4.5. Beräkning av parametrar för korrektionsvikter som används vid rotorbalansering | 79 |
4.5.1. Uppgiften att balansera dubbelstödda rotorer och metoder för att lösa den | 80 |
4.5.2. Metodik för dynamisk balansering av flerbärande rotorer | 83 |
4.5.3. Kalkylatorer för balansering av flerbärande rotorer | 92 |
5. Rekommendationer för kontroll av balanseringsmaskiners funktion och noggrannhet | 93 |
5.1. Kontroll av maskinens geometriska noggrannhet | 93 |
5.2. Kontroll av maskinens dynamiska egenskaper | 101 |
5.3. Kontroll av mätsystemets funktionsduglighet | 103 |
5.4. Kontroll av maskinens noggrannhetsegenskaper enligt ISO 20076-2007 | 112 |
Litteratur | 119 |
Bilaga 1: Algoritm för beräkning av balanseringsparametrar för tre stödaxlar | 120 |
Bilaga 2: Algoritm för beräkning av balanseringsparametrar för fyra stödaxlar | 130 |
Bilaga 3: Guide till användning av Balancer Calculator | 146 |
1. Inledning (Varför fanns det ett behov av att skriva detta arbete?)
En analys av konsumtionsstrukturen för balanseringsanordningar tillverkade av LLC "Kinematics" visar att cirka 30% av dem köps för användning som stationära mät- och beräkningssystem för balanseringsmaskiner och/eller stativ. Det är möjligt att identifiera två grupper av konsumenter (kunder) av vår utrustning.
Den första gruppen omfattar företag som specialiserat sig på massproduktion av balanseringsmaskiner och säljer dem till externa kunder. Dessa företag anställer högt kvalificerade specialister med djup kunskap och omfattande erfarenhet av konstruktion, tillverkning och drift av olika typer av balanseringsmaskiner. De utmaningar som uppstår i interaktionen med denna grupp av konsumenter är oftast relaterade till att anpassa våra mätsystem och programvara till befintliga eller nyutvecklade maskiner, utan att ta itu med frågor om deras strukturella utförande.
Den andra gruppen består av konsumenter som utvecklar och tillverkar maskiner (stativ) för sina egna behov. Detta tillvägagångssätt förklaras främst av att oberoende tillverkare vill minska sina egna produktionskostnader, som i vissa fall kan minska med två till tre gånger eller mer. Denna grupp av konsumenter saknar ofta ordentlig erfarenhet av att skapa maskiner och förlitar sig vanligtvis på sunt förnuft, information från internet och alla tillgängliga analoger i sitt arbete.
Att interagera med dem väcker många frågor, som förutom ytterligare information om mätsystemen för balanseringsmaskiner, täcker ett brett spektrum av frågor relaterade till maskinernas strukturella utförande, metoder för deras installation på grunden, val av drivenheter och uppnå korrekt balanseringsnoggrannhet etc.
Med tanke på det betydande intresse som en stor grupp av våra konsumenter visar i frågorna om oberoende tillverkning av balanseringsmaskiner, har specialister från LLC "Kinematics" utarbetat en sammanställning med kommentarer och rekommendationer om de vanligaste frågorna.
2. Typer av balanseringsmaskiner (stativ) och deras konstruktionsegenskaper
En balanseringsmaskin är en teknisk anordning som är konstruerad för att eliminera statisk eller dynamisk obalans hos rotorer för olika ändamål. Den innehåller en mekanism som accelererar den balanserade rotorn till en specificerad rotationsfrekvens och ett specialiserat mät- och beräkningssystem som fastställer massorna och placeringen av de korrigeringsvikter som krävs för att kompensera för rotorns obalans.
Konstruktionen av den mekaniska delen av maskinen består vanligtvis av en bottenram på vilken stödstolpar (lager) är installerade. Dessa används för att montera den balanserade produkten (rotorn) och inkluderar en drivning avsedd för att rotera rotorn. Under balanseringsprocessen, som utförs medan produkten roterar, registrerar mätsystemets sensorer (vars typ beror på maskinens konstruktion) antingen vibrationer i lagren eller krafter i lagren.
De data som erhålls på detta sätt gör det möjligt att bestämma massor och installationsplatser för de korrigeringsvikter som krävs för att kompensera för obalansen.
För närvarande är två typer av konstruktioner av balanseringsmaskiner (stativ) vanligast förekommande:
2.1. Maskiner och stativ för mjuka lager Den grundläggande egenskapen hos balanseringsmaskiner (stativ) med mjuka lager är att de har relativt flexibla stöd, tillverkade på grundval av fjäderupphängningar, fjädermonterade vagnar, platta eller cylindriska fjäderstöd etc. Egenfrekvensen för dessa stöd är minst 2-3 gånger lägre än rotationsfrekvensen för den balanserade rotorn som är monterad på dem. Ett klassiskt exempel på det strukturella utförandet av flexibla Soft Bearing-stöd kan ses i stödet för maskinmodellen DB-50, ett fotografi av vilket visas i figur 2.1.
Figur 2.1. Stöd för balanseringsmaskin modell DB-50.
Såsom visas i figur 2.1 är den rörliga ramen (slider) 2 fäst vid stödets stationära stolpar 1 med hjälp av en upphängning på bandfjädrar 3. Under inverkan av den centrifugalkraft som orsakas av obalansen i den rotor som är installerad på stödet, kan vagnen (slider) 2 utföra horisontella svängningar i förhållande till den stationära stolpen 1, som mäts med en vibrationssensor.
Det strukturella utförandet av detta stöd säkerställer en låg egenfrekvens för vagnens svängningar, som kan ligga runt 1-2 Hz. Detta möjliggör balansering av rotorn över ett brett spektrum av rotationsfrekvenser, från 200 RPM. Denna egenskap, tillsammans med den relativa enkelheten att tillverka sådana stöd, gör denna konstruktion attraktiv för många av våra kunder som tillverkar balanseringsmaskiner för sina egna behov och för olika ändamål.
Figur 2.2. Mjukt lagerstöd för balanseringsmaskinen, tillverkad av "Polymer LTD", Makhachkala
Figur 2.2 visar ett fotografi av en Soft Bearing-balanseringsmaskin med stöd gjorda av fjädrar, tillverkad för interna behov hos "Polymer LTD" i Makhachkala. Maskinen är konstruerad för balansering av rullar som används vid tillverkning av polymera material.
Figur 2.3 innehåller ett fotografi av en balanseringsmaskin med en liknande bandupphängning för vagnen, avsedd för balansering av specialverktyg.
Figurerna 2.4.a och 2.4.b visar fotografier av en hemmagjord Soft Bearing-maskin för balansering av drivaxlar, vars stöd också tillverkas av bandfjädrar.
Figur 2.5 visar ett fotografi av en mjuklagermaskin avsedd för balansering av turboladdare, med stöden på dess vagnar också upphängda på bandfjädrar. Maskinen, som tillverkats för privat bruk av A. Shahgunyan (St. Petersburg), är utrustad med mätsystemet "Balanset 1".
Enligt tillverkaren (se fig. 2.6) har denna maskin kapacitet att balansera turbiner med en kvarvarande obalans som inte överstiger 0,2 g*mm.
Figur 2.3. Mjuklagermaskin för balansering av verktyg med stödupphängning på bandfjädrar
Figur 2.4.a. Mjuklagermaskin för balansering av drivaxlar (maskin monterad)
Figur 2.4.b. Mjuklagermaskin för balansering av drivaxlar med vagnsstöd upphängda i bandfjädrar. (Ledande spindelstöd med fjäderbandsupphängning)
Figur 2.5. Mjuklagringsmaskin för balansering av turboladdare. Mjuklagermaskin för balansering av turboladdare med stöd på bandfjädrar, tillverkad av A. Shahgunyan (St. Petersburg)
Bild 2.6. Skärmkopia av mätsystemet "Balanset 1" som visar resultaten av balanseringen av turbinrotorn på A. Shahgunyans maskin
Förutom den klassiska versionen av Soft Bearing-balanserande maskinstöd som diskuterats ovan, har även andra strukturella lösningar blivit allt vanligare.
Figur 2.7 och 2.8 har fotografier av balanseringsmaskiner för drivaxlar, vars stöd är gjorda baserade på platta (platt) fjädrar. Dessa maskiner tillverkades för det privata företaget "Dergacheva" respektive LLC "Tatcardan" ("Kinetics-M") proprietära behov.
Balanseringsmaskiner för mjuklager med sådana stöd reproduceras ofta av amatörtillverkare på grund av deras relativa enkelhet och tillverkningsbarhet. Dessa prototyper är i allmänhet antingen maskiner i VBRF-serien från "K. Schenck" eller liknande maskiner från inhemsk produktion.
Maskinerna som visas i figurerna 2.7 och 2.8 är konstruerade för balansering av två-, tre- och fyrstödiga drivaxlar. De har en liknande konstruktion, inklusive:
Figur 2.7. Mjuklagermaskin för balansering av drivaxlar från det privata företaget "Dergacheva" med stöd på plana (platt) fjädrar
Bild 2.8. Mjuklagermaskin för balansering av drivaxlar av LLC "Tatcardan" ("Kinetics-M") med stöd på platta fjädrar
Vibrationsgivare 8 är installerade på alla stöd, vilka används för att mäta de tvärgående svängningarna i stöden. Den ledande spindeln 5, som är monterad på stöd 2, roteras av en elmotor via en remdrift.
Figurerna 2.9.a och 2.9.b visa fotografier av balanseringsmaskinens stöd, som är baserat på platta fjädrar.
Figur 2.9. Stöd för balanseringsmaskin med mjuka lager och plana fjädrar
Eftersom amatörtillverkare ofta använder sådana stöd i sina konstruktioner, är det lämpligt att undersöka deras konstruktion mer i detalj. Som framgår av figur 2.9.a består detta stöd av tre huvudkomponenter:
För att förhindra risken för ökad vibration av stöden under drift, vilket kan inträffa under acceleration eller inbromsning av den balanserade rotorn, kan stöden innehålla en låsmekanism (se fig. 2.9.b). Denna mekanism består av ett styvt fäste 5, som kan kopplas till ett excentriskt lås 6 kopplat till en av stödets platta fjädrar. När låset 6 och fästet 5 är i ingrepp är stödet låst, vilket eliminerar risken för ökade vibrationer vid acceleration och inbromsning.
Vid konstruktion av stöd med platta fjädrar måste maskintillverkaren bedöma frekvensen för deras naturliga svängningar, som beror på fjädrarnas styvhet och massan hos den balanserade rotorn. Genom att känna till denna parameter kan konstruktören medvetet välja området för rotorns operativa rotationsfrekvenser och undvika risken för resonanssvängningar i stöden under balanseringen.
Rekommendationer för beräkning och experimentell bestämning av naturliga svängningsfrekvenser för stöd, liksom för andra komponenter i balanseringsmaskiner, diskuteras i avsnitt 3.
Som tidigare nämnts lockar enkelheten och tillverkningsbarheten hos stödkonstruktionen med platta fjädrar amatörutvecklare av balanseringsmaskiner för olika ändamål, inklusive maskiner för balansering av vevaxlar, rotorer till turboladdare för bilar etc.
Figurerna 2.10.a och 2.10.b visar en översiktsskiss av en maskin avsedd för balansering av turboladdares rotorer. Denna maskin tillverkades och används för interna behov vid LLC "SuraTurbo" i Penza.
2.10.a. Maskin för balansering av turboladdningsrotorer (sidovy)
2.10.b. Maskin för balansering av turboladdningsrotorer (vy från främre stödsidan)
Förutom de tidigare diskuterade balanseringsmaskinerna för mjuka kullager tillverkas ibland relativt enkla stativ för mjuka kullager. Dessa stativ möjliggör högkvalitativ balansering av roterande mekanismer för olika ändamål med minimala kostnader.
Flera sådana stativ beskrivs nedan, byggda på en platt platta (eller ram) som är upphängd på cylindriska tryckfjädrar. Dessa fjädrar väljs vanligtvis så att den naturliga svängningsfrekvensen för plattan med den balanserade mekanismen installerad på den är 2 till 3 gånger lägre än rotationsfrekvensen för denna mekanisms rotor under balanseringen.
Figur 2.11 visar ett fotografi av ett stativ för balansering av slipskivor, tillverkat av P. Asharin för den egna produktionen.
Bild 2.11. Stativ för balansering av slipskivor
Montern består av följande huvudkomponenter:
En viktig egenskap hos detta stativ är att det innehåller en pulssensor 5 för rotationsvinkeln hos elmotorns rotor, som används som en del av stativets mätsystem ("Balanset 2C") för att bestämma vinkelpositionen för att ta bort korrigeringsmassan från slipskivan.
Figur 2.12 visar ett fotografi av ett stativ som används för balansering av vakuumpumpar. Detta stativ utvecklades på beställning av JSC "Measurement Plant".
Figur 2.12. Stativ för balansering av vakuumpumpar från JSC "Measurement Plant"
Grunden för denna monter använder också Plåt 1, monterade på cylindriska fjädrar 2. På platta 1 är en vakuumpump 3 installerad, som har sin egen elektriska drivenhet som kan variera hastigheter från 0 till 60.000 varv per minut. Vibrationsgivare 4 är monterade på pumphuset och används för att mäta vibrationer i två olika sektioner på olika höjder.
För att synkronisera vibrationsmätningen med pumprotorns rotationsvinkel används en laserfasvinkelsensor 5 på stativet. Trots den till synes enkla yttre konstruktionen av sådana stativ kan man uppnå en mycket högkvalitativ balansering av pumpens impeller.
Vid underkritiska rotationsfrekvenser uppfyller t.ex. pumprotorns kvarvarande obalans kraven för balanskvalitetsklass G0.16 enligt ISO 1940-1-2007 "Vibration. Krav på balanskvalitet för styva rotorer. Del 1. Bestämning av tillåten obalans."
Den kvarvarande vibrationen i pumphuset som uppnås vid balansering vid rotationshastigheter upp till 8.000 RPM överstiger inte 0,01 mm/sek.
Balanseringsstativ som tillverkats enligt det system som beskrivs ovan är också effektiva för balansering av andra mekanismer, t.ex. fläktar. Exempel på stativ avsedda för balansering av fläktar visas i figurerna 2.13 och 2.14.
Figur 2.13. Stativ för balansering av fläkthjul
Kvaliteten på fläktbalansering som uppnås på sådana ställningar är ganska hög. Enligt specialister från "Atlant-project" LLC, på det stativ som de konstruerat baserat på rekommendationer från "Kinematics" LLC (se fig. 2.14), var den nivå av restvibrationer som uppnåddes vid balansering av fläktar 0,8 mm/sek. Detta är mer än tre gånger bättre än den tolerans som fastställts för fläktar i kategori BV5 enligt ISO 31350-2007 "Vibration. Industrifläktar. Krav på producerad vibration och balanseringskvalitet."
Figur 2.14. Stativ för balansering av fläkthjul i explosionssäker utrustning av "Atlant-project" LLC, Podolsk
Liknande uppgifter från JSC "Lissant Fan Factory" visar att sådana ställningar, som används vid serietillverkning av kanalfläktar, konsekvent säkerställde en kvarstående vibration som inte översteg 0,1 mm/s.
2.2. Maskiner med hårda lager.
Balanseringsmaskiner med hårda lager skiljer sig från de tidigare diskuterade maskinerna med mjuka lager genom utformningen av sina stöd. Deras stöd är tillverkade i form av styva plattor med intrikata slitsar (utskärningar). Egenfrekvenserna för dessa stöd överstiger avsevärt (minst 2-3 gånger) den maximala rotationsfrekvensen för den rotor som balanseras på maskinen.
Maskiner med hårda lager är mer mångsidiga än maskiner med mjuka lager, eftersom de vanligtvis möjliggör högkvalitativ balansering av rotorer över ett bredare intervall av deras mass- och dimensionsegenskaper. En viktig fördel med dessa maskiner är också att de möjliggör högprecisionsbalansering av rotorer vid relativt låga rotationshastigheter, som kan ligga inom intervallet 200-500 RPM och lägre.
Figur 2.15 visar ett fotografi av en typisk balanseringsmaskin för hårda lager tillverkad av "K. Schenk". Av bilden framgår att de enskilda delarna av stödet, som utgörs av de invecklade slitsarna, har varierande styvhet. Under påverkan av krafterna från rotorobalansen kan detta leda till deformationer (förskjutningar) av vissa delar av stödet i förhållande till andra. (I figur 2.15 är den styvare delen av stödet markerad med en röd streckad linje, och den relativt eftergivliga delen är blå).
För att mäta dessa relativa deformationer kan maskiner med hårda lager använda antingen kraftsensorer eller mycket känsliga vibrationssensorer av olika slag, inklusive beröringsfria vibrationsförskjutningssensorer.
Figur 2.15 Balanseringsmaskin för hårda lager av "K. Schenk"
Som framgår av analysen av förfrågningar från kunder om instrument i serien "Balanset" har intresset för att tillverka maskiner med hårda lager för internt bruk ökat kontinuerligt. Detta underlättas av den omfattande spridningen av reklaminformation om konstruktionsegenskaperna hos inhemska balanseringsmaskiner, som används av amatörtillverkare som analoger (eller prototyper) för deras egen utveckling.
Låt oss titta på några varianter av maskiner med hårda lager som tillverkats för de interna behoven hos ett antal konsumenter av instrument i "Balanset"-serien.
Figurerna 2.16.a - 2.16.d visar fotografier av en hårdlagermaskin avsedd för balansering av drivaxlar, som tillverkades av N. Obyedkov (staden Magnitogorsk). Som framgår av fig. 2.16.a består maskinen av en stel ram 1, på vilken stöd 2 (två spindel- och två mellanstöd) är installerade. Maskinens huvudspindel 3 roteras av en asynkron elmotor 4 via en remdrift. En frekvensregulator 6 används för att styra rotationshastigheten hos elmotorn 4. Maskinen är utrustad med mät- och beräkningssystemet 5 "Balanset 4", som innehåller en mätenhet, en dator, fyra kraftsensorer och en fasvinkelgivare (sensorerna visas inte i fig. 2.16.a).
Figur 2.16.a. Maskin med hårda lager för balansering av drivaxlar, tillverkad av N. Obyedkov (Magnitogorsk)
Bild 2.16.b visar ett fotografi av maskinens främre stöd med den ledande spindeln 3, vilken, som tidigare nämnts, drivs av en rem från en asynkron elmotor 4. Detta stöd är fast monterat på ramen.
Figur 2.16.b. Främre (ledande) spindelstöd.
Bild 2.16.c visar ett fotografi av ett av maskinens två rörliga mellanstöd. Detta stöd vilar på glidskenor 7, vilket möjliggör förflyttning i längdriktningen längs ramstyrningarna. Detta stöd inkluderar en speciell anordning 8, konstruerad för att installera och justera höjden på mellanlagret på den balanserade drivaxeln.
Figur 2.16.c. Mellanliggande rörligt stöd för maskinen
Bild 2.16.d visar ett fotografi av det bakre (drivna) spindelstödet, som i likhet med mellanstöden möjliggör förflyttning längs maskinramens styrningar.
Figur 2.16.d. Stöd för bakre (driven) spindel.
Alla de stöd som diskuterats ovan är vertikala plattor monterade på plana baser. Plattorna har T-formade slitsar (se fig. 2.16.d), som delar upp stödet i en inre del 9 (styvare) och en yttre del 10 (mindre styv). Den olika styvheten hos de inre och yttre delarna av stödet kan resultera i en relativ deformation av dessa delar under påverkan av obalansen från den balanserade rotorn.
Kraftsensorer används vanligtvis för att mäta den relativa deformationen av stöden i hemmagjorda maskiner. Ett exempel på hur en kraftgivare installeras på ett stöd för en balanseringsmaskin för hårda lager visas i figur 2.16.e. Som framgår av denna figur pressas kraftgivaren 11 mot sidoytan på stödets inre del av en bult 12, som passerar genom ett gängat hål i stödets yttre del.
För att säkerställa ett jämnt tryck av bulten 12 över hela planet på kraftgivaren 11, placeras en platt bricka 13 mellan den och givaren.
Figur 2.16.d. Exempel på installation av kraftsensor på ett stöd.
Under maskinens drift verkar obalansen från den balanserade rotorn genom stödenheterna (spindlar eller mellanlager) på den yttre delen av stödet, som börjar röra sig cykliskt (deformeras) i förhållande till sin inre del vid rotorns rotationsfrekvens. Detta resulterar i en variabel kraft som verkar på sensor 11, proportionell mot obalanskraften. Under dess påverkan genereras en elektrisk signal som är proportionell mot storleken på rotorns obalans vid kraftsensorns utgång.
Signalerna från kraftgivarna, som är monterade på alla stöd, matas in i maskinens mät- och datorsystem, där de används för att bestämma parametrarna för korrigeringsvikterna.
Figur 2.17.a. innehåller ett fotografi av en högspecialiserad maskin med hårda lager som används för balansering av "skruv"-axlar. Denna maskin tillverkades för internt bruk vid LLC "Ufatverdosplav".
Som framgår av figuren har maskinens spin-up-mekanism en förenklad konstruktion, som består av följande huvudkomponenter:
Figur 2.17.a. Maskin med hårda lager för balansering av skruvaxlar, tillverkad av LLC "Ufatverdosplav"
Maskinens stöd 2 är vertikalt monterade stålplattor med T-formade slitsar. Överst på varje stöd finns stödrullar som är tillverkade med rullningslager, på vilka den balanserade axeln 5 roterar.
För att mäta deformationen av stöden, som uppstår under inverkan av rotorobalans, används kraftsensorer 6 (se fig. 2.17.b), som är installerade i stödens spår. Dessa givare är anslutna till "Balanset 1"-enheten, som används på denna maskin som ett mät- och beräkningssystem.
Trots den relativa enkelheten i maskinens spin-up-mekanism möjliggör den en tillräckligt högkvalitativ balansering av skruvar, som, vilket framgår av fig. 2.17.a., har en komplex spiralformad yta.
Enligt LLC "Ufatverdosplav" reducerades den initiala obalansen i skruven med nästan 50 gånger på denna maskin under balanseringsprocessen.
Figur 2.17.b. Maskinstöd med hårda lager för balansering av skruvaxlar med kraftsensor
Den uppnådda återstående obalansen var 3552 gmm (19,2 g vid en radie på 185 mm) i skruvens första plan, och 2220 gmm (12,0 g vid en radie på 185 mm) i det andra planet. För en rotor som väger 500 kg och arbetar med en rotationsfrekvens på 3500 RPM motsvarar denna obalans klass G6.3 enligt ISO 1940-1-2007, som uppfyller de krav som anges i dess tekniska dokumentation.
En originell konstruktion (se fig. 2.18), som innebär att man använder en enda bas för samtidig installation av stöd för två balanseringsmaskiner med hårda lager av olika storlek, föreslogs av S.V. Morozov. De uppenbara fördelarna med denna tekniska lösning, som gör det möjligt att minimera tillverkarens produktionskostnader, inkluderar:
Figur 2.18. Balanseringsmaskin för hårda lager ("Tandem"), tillverkad av S.V. Morozov