4. ДИНАМИЧЕСКАЯ БАЛАНСИРОВКА РОТОРОВ

Классификация механических систем балансировочных станков. Балансировочный станок по существу является измерителем колебаний механической системы, связанной с ротором, по характеристикам которых можно судить о

неуравновешенности ротора. Механические системы балансировочных станков делят на группы по общности функциональных зависимостей колебаний от неуравновешенности ротора.

В классификации по числу степеней свободы механические системы распределены по семи классам (табл. 9). Номер класса (римская цифра) соответствует числу степеней свободы жесткого ротора; буквой А дополнительно обозначена группа станков, имеющих раму, на которой размещены опоры ротора, а буквой группа станков с опорами, установленными на неподвижном основании.

Системы классов и промышленного применения не получили. Системы классов имеют ограниченное применение в балансировочных станках, выпускаемых фирмами Hofmann - Kunze (ФРГ) - IIIA, General Motors Corporation (Англия) - ШБ и General Electrik Со (США) - IVA.

Широкое применение получили системы классов: IA - в устройствах для статической балансировки в статическом режиме: 1Б - в стайках типа МДУ, ДБН, МДУС и в стайках фирмы Losenhausenwerk (ФРГ) типа UA, ИА, ИАГ; 1IA - в стайках М-40, М-48, МДБГ-1, УУГ-3 и в БС фирм Tinius - Olsen (США) и Glesler (Англия) типа G2: ПБ - в стайках конструкции МИИТа, фирм Bear (США), Bentrath (Англия) и Losenhausenwerk; VB - в станках типа БД, МС, МДБ, 9703, 9710, 9739 разных модификаций, серий ВНЕ (ВНР) и АМ(ГДР) и фирм К. Schenck (ФРГ) серии R, Reltlinger (ФРГ) серии YGW и Hofmann (ФРГ) серии Е, Gisholt типа HS и Dynagraph типа М (США), Erikson (Швеция) типа URB, Jackson Bradwell Ltd, Dawe Instum Ltd и EMJ (Аиглня); VIIA - в ряде стаиков конструкции МВТУ, а также в станках фнрм Sperry - Strobodyn (США) и Heiman (ФРГ).

Рис. 14. Классификация механических систем балансировочных станков по числу степеней свободы оси вращающегося ротора

В классификации по числу степеней свободы оси ротора (рис. 14) группа 1 с не подвижной осью ротора (рис. 14, а) соответствует классам и группа 2 (одиа степень свободы) с фиксированной осью колебаний оси ротора (рис. 14, б) — классу группа 3 (три степени свободы) с фиксированной плоскостью колебаний оси ротора (рис. 14, в) — классу группа 4 (шесть степеней свободы) с пространственным движением оси ротора (рис. 14, г) — классу

Балансировочные станки группы имеют жесткую связь оси ротора массы через неподвижные подшипники с несоизмеримо большой массой Дисбалансы ротора определяют по измерениям динамических реакций подшипников, распределение которых обусловлено только положением центра масс относительно подшипников или точек измерения.

Стаики группы 2 (М-40, МДБГ-1) имеют жесткую связь колеблющейся системы с основанием в направлении перпендикулярном фиксированной оси колебаний системы и обычно эксплуатируются при резонансном режиме с большими угловыми колебаниями рамы, что удобно для измерений.

В станках группы дисбалансы ротора определяют в двух плоскостях коррекции за одии пуск ротора. Для обеспечения линейности колебаний системы, дающей возможность их суммирования, эти станки работают в зарезонансном режиме. Малые колебания опор преобразуются в электрические сигналы, в измерительной системе вырабатывается разностный сигнал, отражающий дисбаланс в конкретной плоскости коррекции.

В станках группы 4 (МВТУ-772, ВМТУ-775) ротор опирается на подшипники, жестко связанные с колеблющейся рамой, которая соединена с неподвижным основанием через упругие связи и демпферы, О дисбалансах ротора судят по колебаниям

(см. скан)

любой точки рамы. Можно найти точки, движение которых зависит или от статической, или от моментиой неуравновешенности, что повышает точность измерения. Отсутствие жестких связей с полом делает систему мало чувствительной к воздействию внешних вибраций.

Технические характеристики ряда отечественных и зарубежных универсальных балансировочных станков приведены в табл. 10—13, где соответственно масса, наибольший диаметр, расстояние между опорами и диаметр цапф балансируемого ротора; балансировочная скорость; мощность привода; масса станка.

В последнее время разработаны балансировочные станки-автоматы, в которых совмещены операции по определению и устраневию неуравновешенности. Технические характеристики таких станков приведены в табл. 14 и 15.

10. Балансировочные станки советского производства

(см. скан)

11. Балансировочные станки предприятий ВНР и ГДР

(см. скан)

12. Балансировочные станки фирм ФРГ

(см. скан)

Разделение дисбалансов ротора. Измерительную аппаратуру балансировочных станков обычно выполняют для раздельного измерения дисбалансов в двух плоскостях коррекции. В результате исключения влияния одной из плоскостей коррекции в измерительной цепи действуют только сигналы, пропорциональные дисбалансам в контролируемой плоскости коррекции.

Рис. 15. Схема разделения дисбалансов двух плоскостей коррекции на рамном балансировочном станке; устраняется дисбаланс в плоскости I

Механическое разделение дисбалансов двух плоскостей коррекции на рамных балансировочных станках. Ротор устанавливают в раме станка так, чтобы исключаемая плоскость коррекции II совместилась с плоскостью подвеса рамы (рис. 15). При этом неуравновешенная центробежная сила создает момент относительно подвеса рамы, а момент от силы равен нулю. Амплитуда линейных перемещений рамы с вращающимся в ней неуравновешенным ротором в точке измерения (показания индикатора) при резонансной частоте равна где дисбаланс в плоскости момент инерции рамы с ротором в первом положении относительно шарнира - масштабный

(см. скан)

коэффициент дисбаланса в плоскости коррекции

Для балансировки в ранее исключавшейся плоскости II ротор переставляют так, чтобы плоскости I и II поменялись местами относительно шарнира О (на рис. 15 это положение показано штриховыми линиями). При этом причем где -момент инерции рамы с ротором во втором положении.

14. Балансировочные станкн-автоматы конструкции ЭНИМС

(см. скан)

15. Автоматические балансировочные станки с использованием лазера (тип )

(см. скан)

Разделение дисбалансов двух плоскостей коррекции в электрической цепи. Электрическим аналогом ротора в цепях измерения дисбалансов является потенциометр с двумя источниками ЭДС, развиваемых датчиками станка и пропорциональных действующим в опорах силам. В соответствующих точках решающей электросхемы действуют напряжения, пропорциональные неуравновешенным центробежным силам в плоскостях коррекции. Для исключения влияния одной из плоскостей коррекции ползунок потенциометра устанавливают так, что напряжение на нем от составляющих ЭДС, вызванных дисбалансом исключаемой плоскости, равно нулю, а от составляющих ЭДС, вызванных дисбалансом другой плоскости, отлично от нуля. Это положение ползунка моделирует положение узла колебаний ротора между опорами балансировочного станка от дисбаланса исключаемой плоскости коррекции. Напряжение сигнала дисбаланса пропорционально амплитуде колебаний ротора в плоскости, пересекающей этот узел.

Рис. 16. Схемы роторов: а — о внутренним расположением плоскостей коррекции; б - с одной плоскостью коррекции, расположенной на консоли; в — о двумя плоскостями коррекции, расположенными на одной консоли; г - с расположением плоскостей коррекции на двух консолях

Для дорезонансного балансировочного станка в плоскости измерения можно составить пять уравнений статики: одно — равновесия сил и четыре — равновесия моментов относительно опор и точек (рис. 16). При этом вместо сил можно записать пропорциональные им напряжения электрической цепи разделения плоскостей коррекции:

Сочетания из уравнений (3) — (7) по два дают пять различных схем цепей разделения, приведенных на рис. 17,

Схема на рис. 17, а, составленная по уравнениям (3) и (4), характерна возможностью настройки по размерам ротора . Схема, составленная по уравнениям (3) и (5), отличается от предыдущей возможностью настройки двумя потенциометрами вместо трех (рис. 17, б).

На рис. 17, в приведен один из четырех вариантов схемы, составленной по уравнениям (4) и (6). Схемы различаются отсутствием кольцевой обратной связи, охватывающей оба канала измерения, и разделением функций потенциометров, два Из которых служат для разделения плоскостей коррекции, а два — для установления масштабов. Схема на рис. 17, г составлена по уравнениям (5) и (6). Суммирующие усилители в ней играют роль масштабных усилителей.

Симметричная схема с суммирующими усилителями (рис. 17, д, вариант 1) представляет уравнения (4) и (7). Она содержит два потенциометра для разделения плоскостей коррекции и два — для установления масштабов. Масштабные потенциометры

можно исключить, подавая в цепь обратной связи разность выходного напряжения и напряжения с потенциометра разделения плоскостей коррекции, так как эта разность равна напряжениям, снимаемым с масштабных потенциометров в цепях обратных связей. Такое вычитание можно осуществить (рис. 17, д, вариант 2), подавая в цепь суммирования полное выходное напряжение суммирующего усилителя, а на противофазный вход этого же усилителя — напряженнее ползунка потенциометра разделения плоскостей коррекции, В такой схеме одновременно с настройкой на разделение плоскостей коррекции устанавливается и масштаб измерения значения дисбаланса.

Для зарезоиансного балансировочного станка можно составить шесть уравнений равновесия, группируя которые попарно получают восемь основных вариантов цепей разделения плоскостей коррекции, построенных аналогично приведенным.

Рис. 17. Схемы цепи разделения плоскостей коррекции дорезонансных балансировочных станков

Каждая из схем имеет свои преимущества и недостатки в отношении устойчивости, удобства настройки на конкретный тип ротора, точности измерения дисбалансов, что обусловливает выбор схем.

Измерение углов дисбаланса. Регистрацию угла дисбаланса можно получать как на самом роторе, так и отсчетом показаний специальных приборов.

Перо, оставляющее на закопченной поверхности ротора метки резонансных колебаний рамы балансировочного станка во время выбега ротора, является простейшим регистратором угла дисбаланса. Средняя точка между двумя метками, полученными при вращении ротора в прямом и обратном направлениях, соответствует истинному углу.

Для получения физической отметки «тяжелого места» ротора можно использовать метку от искры, проскакивающей между иглой и поверхностью ротора, во время резонансных колебаний рамы станка, при которых с помощью установленных на раме контактов игла подключается к батарее конденсаторов. Отметку угла дисбаланса можно получать также на станках для автоматической балансировки с помощью лазера или направленного взрыва проволочки,

В ряде отечественных (типа БС, ДБН, 9703, 9710 и др.) и зарубежных балансировочных станков с двумя подвижными опорами применяется отметка угда дисбаланса с помощью стробоскопа путем наблюдения меток на вращающемся роторе, освещаемом один раз за оборот короткими вспышками света от неоновых и специальных импульсных ламп или строботронов. Момент вспышки связан с определенной фазой колебаний. Замечая положение меток на роторе относительно визира стробоскопа, ставят остановленный ротор в такое же положение и против визира находят угол дисбаланса. На станках типа и угол дисбаланса определяют не по меткам на роторе, а по специальной шкале на шпинделе привода балансировочного стайка.

Для определения угла дисбаланса на электронном осциллографе с синхронизацией хода развертки индукционный датчик начальных импульсов включают в цепь синхронизации развертки, так что момент начала линейной развертки совпадает с моментом прохождения перед катушкой датчика, установленного на роторе магнита. Фаза синусоиды дисбаланса находится по положению максимума синусоиды относительно начала или конца линии развертки. Угол дисбаланса отсчитывается от магнита на роторе.

В балансировочном станке и некоторых зарубежных моделях применена схема с яркостной модуляцией электронного луча при линейной развертке. Фотодатчик начальных импульсов подключен к сетке электронно-лучевой трубки, в результате чего на синусоиде дисбаланса появляется светлая или темная точка, положение которой относительно максимума синусоиды определяет ее фазу или угол дисбаланса.

В станке «Луна» для балансировки гироскопов [147] на входы х и у осциллографа подаются два квадратурных синусоидальных напряжения, отличающихся по фазе на 90°. По радиусу круговой развертки на экране определяют значение дисбаланса, а по уголовому расположению фазовой отметки начального импульса — угол дисбаланса,

В векторметре П. В. Грязева [147], в индикаторах некоторых отечественных и в балансировочных станках фирмы Schenck применен принцип взаимодействия напряжения опорного сигнала вращающегося магнитного поля, получаемого с помощью квадратурных составляющих с одной или двумя подвижными катушками, питаемыми током, пропорциональным дисбалансу.

Пропорциональность угла дисбаланса времени поворота ротора от начальной метки до направления вектора дисбаланса положена в основу устройств, регистрирующих это время на базе интегральной или цифровой схемы [147]. Первый измеритель реализован в станке и некоторых зарубежных моделях, второй — в станке

В балансировочных станках с подвижными опорами и осевым приводом распространена ваттметрическая схема. Работа ваттметра основана на электромагнитном взаимодействии двух катушек, обтекаемых током. При измерении значения и угла дисбаланса неподвижная катушка ваттметра питается током генератора опорного сигнала, а подвижная — током сигнала дисбаланса. Ротор генератора представляет собой постоянный магнит, вращающийся со скоростью балансируемого ротора. Статор имеет две взаимно перпендикулярные обмотки и может поворачиваться вместе с лимбом отсчета угла дисбаланса. Индикатором совладения фаз обоих сигналов является ваттметр.

Методы динамической балансировки основаны на предположении линейности системы. При этом амплитуды колебаний считаются пропорциональными значению дисбаланса, а фазы — независимыми от его величины.

Существуют одноплоскостная и двухплоскостная балансировки. В первом случае расчет корректирующих масс производится последовательно для каждой плоскости коррекции, во втором — одновременно.

По параметрам, измеряемым при динамической балансировке, различают методы амплитуд и фаз, применяемые как при одноплоскостной балансировке, так и при двухплоскостной балансировке с использованием балансировочных станков или без установки роторов на стаики.

Методы одноплоскостной балансировки. Методы амплитуд требуют измерения амплитуд начальной вибрации при пуске ротора без пробной массы

н амплитуд при пусках с пробными массами, устанавливаемыми в определенных положениях на роторе.

Метод кругового обхода аналогичен применяемому При статической балансировке, при динамической балансировке измеряют амплитуды вибрации опор и при пусках ротора с пробной массой переставляемой последовательно на равные углы. По данным измерений строят зависимость от положения пробной массы аналогично рис. 13. Корректирующая масса ставится в положение, соответствующее а ее величина

или

Для балансировки двух сторон ротора необходимо 13—17 пусков, если не потребуется исправления компенсирующей массы в первой плоскости из-за влияния второй.

Рис. 18. Схема балансировки по методу четырех пусков

Рис. 19. Схемы балансировки по методу трех пусков: а — построение методом подбора; с использованием специальной лннейки

Метод четырех пробных пусков заключается в измерении величин Доз и при четырех пусках с одинаковой пробной массой последовательно переставляемой по одному и тому же радиусу под углом 90°. Относительные величины вибраций располагают в убывающий ряд Искомая величина корректирующей массы а угол ее установки

При расхождениях величин подкоренных выражений берут среднее значение Угол отсчитывают от положения пробной массы, при котором была наименьшая вибрация в направлении установки пробной массы с вибрацией

Другой вариант метода четырех пробных пусков заключается в измерении амплитуд (с пробной массой та, переставляемой последовательно под углом 120°) и при четвертом пуске с пробной массой установленной в найденной плоскости дисбаланса на стороне «легкого места» ротора. По величинам в полярных координатах с началом О строят треугольник (рис. 18), для которого находят центр описанной окружности Отрезок 001 лежит в плоскости дисбаланса, причем «легкое место» расположено со стороны точки О,

Корректирующая масса

При методе трех пробных пусков измеряют амплитуды при пусках с пробной массой переставляемой под углом 120°. Величина корректирующей массы и угол между плоскостью дисбаланса и первым положением пробной массы соответственно будут

где амплитуду колебаний от действия только пробной массы определяют из уравнения

Для графического решения этой задачи из центра описывают три окружности с радиусами, соответствующими (рис. 19, а). На этих окружностях путем подбора располагают вершины равностороннего треугольника вписанного в окружность о центром радиус которой в масштабе изображает Величина корректирующей массы Угол дисбаланса относительно первого положения пробной массы находится по чертежу. Построения облегчаются при использовании специальной прозрачной линейки (рис. 19, б).

Рис. 20. Схемы определении дисбаланса по методу двух пусков

Метод двух пробных пусков состоит в измерении амплитуд при двух положениях пробной массы расположенных под углом 180 Затем строят треугольник длины сторон которого Длина медианы равна амплитуде колебаний, вызванных пробной массой, т. е. пропорциональна величине Корректирующая масса Положение корректирующей массы неопределенно, так как по трем сторонам можно построить два треугольника и и получить два значения угла дисбаланса Эта неопределенность снимается контрольным пуском с корректирующей массой, установленной по одному из углов или при этом проверяется и ее величина.

II. Методы фаз требуют нахождения положений бьющих точек (при бьющая точка соответствует тяжелому месту) при начальном и пробных пусках для разных положений пробной массы и для определения углов сдвига фазы колебаний сравнению с пуском без

Метод двух пусков с перестановкой пробной массы под углом 180° состоит в определении углов сдвига фаз по сравнению а начальным пуском. Первое положение пробной массы расположено под углом а к положению бьющей точки. На окружности центром отмечают положения пробной массы бьющих точек еоответствующих колебаниям при начальном и пробных пусках, и проводят прямые Затем подбирают секущую так, чтобы она разделилааь прямой пополам. Отрезки и соответствуют векторам пробных масс, а вектору, дисбаланса. Угол определяет место Установки корректирующей массы

Метод трех пусков в перестановкой пробной массы под углом 120° (рис. 21, б) требует отметки на окружности с центром О трех положений пробной массы ) и точек соответствующих значениям фазовых углов относительно прямой соответствующей фазе начальных колебаний. Первое положение пробной массы расположено под углом а к прямой На прямых, проведенных из центра О через точки путем подбора строят равносторонний треугольник вписанный в окружность с центром Радиус окружностн в масштабе соответствует величине пробной массы, отрезок корректирующей массе

а положение (угол б) отсчитывается от точки 3. Построения обле чаются с помощью линейки (см. рис, 19).

III. Метод одновременного измерения амплитуд фаз вибраций требует двух пусков: с начальным дисбалансом и с пробной массой , во время которых измеряют амплитуды и относительное изменение угла сдвига фазы колебаний а. По этим данным строят векторный треугольник вибраций, из которого находят амплитуду соответствующую вибрациям от действия одной массы Корректирующая масса а угол между векторами определяет место ее установки относительно пробной массы.

Двухплоскостная балансировка [256]. Принимают, что система позволяет зовать принцип суперпозиции и выражать векторы колебаний опор вызванных дисбалансами в выбранных плоскостях коррекции нениями

где коэффициенты влияния, представляющие векторы колебани опор вызванных единичными массами или в плоскости или и зависящие от частоты вращения ротора.

Рис. 21. Схема определения дисбаланса по методу. а — двух фаз; трех фаз

Метод единичных масс требует для балансировки три пуска: начальный и пробрые с пробными массами устанавливаемыми последовательно в плоскостях коррекции I и II. Измерения проводятся на одной частоте вращения

Пробная масса где масса ротора, приходящая на опору радиус установки пробной массы, частота вращения об/мин. При известной величине коэффициента чувствительности под шипиика к грузу, установленному в ближайшей плоскости коррекции пробная массе где начальная вибрация подшипника,

При пусках измеряют амплитуды и фазы колебаний опор: Фон По измеренным величинам определяют коэффи циенты влияния

Корректирующие массы определяют из решения системы уравнений (8);

где радиусы установки пробных и корректирующих масс.

Практическое определение коэффициентов влияния и корректирующих масс достаточно сложно, поэтому ниже приведен пример числового расчета с применением графоаналитического метода. При этом для упрощения принято, что пробные

и корректирующие массы устанавливают на одинаковом радиусе, как это обычно делают на практике.

Пример. Измеренные при пусках амплитуды и фазы вибраций опор

начальные

с пробной массой в плоскости коррекции

с пробной массой в плоскости коррекции

На векторной диаграмме (рис 22) в определенном масштабе строим векторы измеренных амплитуд вибрации опор и векторы коэффициентов влияния

Измеряя полученные векторы, находим их модули и углы

В результате расчета получаем

Рис. 22. Диаграмма для двух плоскостной балансировки

Графически (рис. 22) находим векторы (где ) и их модули и углы (масштаб векторов и принят

В результате расчета находим

Параметры корректирующие масс

Метод групповых масс или нулевых приращений заключается в том, что при балансировке оперируют одновременно двумя пробными массами [256]: основной, устанавливаемой в ближайшей к рассматриваемой опоре плоскости коррекции, и дополнительной, устанавливаемой в другой плоскости для компенсации действия основной массы на удаленную опору.

Первые три пуска и определение коэффициентов влияния а проводят так же, как в предыдущем методе. Составляют две группы пробных масс: первая из которых не вызывает колебаний опоры а вторая — опоры а. С установленной первой группой пробных масс проводят пуск ротора и измеряют амплитуду и фазу колебаний подшипника а. При этом вектор колебаний опоры должен остаться таким же, как при втором пуске:

При пятом пуске со второй группой пробных масс измеряют вектор вибрации опоры и проверяют вектор вибрации опоры а. По измеренным величинам

графоаналитическим способом определяют корректирующие массы:

где

Корректирующие массы в каждой плоскости коррекции складывают, получая по одной массе в плоскости.

Балансировка многоопорных роторов. В этом случае число плоскостей коррекции принимают равным числу опор. Для -опориого ротора аналогично формулам (8) получают

где — искомые корректирующие массы, устанавливаемые в плоскостях коррекции; ректоры амплитуд вибраций опор при начальном пуске; коэффициенты влияния (балансировочные чувствительности); здесь

Для определения коэффициентов проводят пусков с устанавливаемой в каждой плоскости коррекции массой и определяют приращения векторов амплитуд вибраций каждой опоры от установки массы в данную плоскость. Значения находят по описанному выше методу. Общее число пусков для решения системы уравнений (11) равно Решение этой векторной системы уравнений целесообразно находить с помощью ЭЦВМ.