|
Балансировочные станки Основные сведения, классификация и устройство.
1. Общие сведения о балансировке.
Единицы измерения дисбалансов и основные понятия технологии балансировки определяются в ГОСТ 19534-74
"Балансировка вращающихся тел. Термины".
Дисбалансом называют векторную величину, равную произведению неуравновешенной массы на ее расстояние до оси ротора е
(эксцентриситет).
Ротором называют любую деталь или сборочную единицу, которая при вращении удерживается своими несущими поверхностями в опорах.
Под несущими поверхностями подразумеваются поверхности цапф или поверхности их заменяющие.
Несущие поверхности ротора передают нагрузки на опоры через подшипники качения или скольжения.
Роторы бывают следующих видов
Межопорный ротор - Двухопорный ротор, существенная часть массы которого расположена между опорами.
Консольный ротор - Ротор, существенная часть массы которого расположена за одной из крайних опор.
Двухконсольный ротор - Ротор, существенная часть массы которого расположена за крайними опорами.
Рис.1 Межопорный ротор
Рис.2 Консольный ротор
Рис.3 Двухконсольный ротор
Для того, чтобы ротор был уравновешен, необходимо и достаточно, чтобы ось вращения ротора проходила через его
центр масс (ecт = 0). (статическая уравновешенность)
и чтобы ось вращения ротора совпадала с одной из его главных осей инерции, т. е. чтобы были равны нулю его
центробежные моменты инерции (моментная уравновешенность).
Статическая уравновешенность + моментная уравновешенность= динамическая уравновешенность.
Неуравновешенность—это состояние ротора, характеризующееся таким
распределением масс, которое во время вращения вызывает переменные нагрузки на опорах ротора и его изгиб.
Мерой неуравновешенности считают дисбаланс D.
Для сопоставления роторов различных масс вводят удельный дисбаланс, численно равный
ecт= D / mp.
где D - дисбаланс, mp - масса ротора.
Таким образом дисбаланс D измеряют в г*мм (неуравновешенная масса х радиус), а удельный дисбаланс измеряют в микронах -
г*мм/кг= мм/1000= мкм.
Рис.4 Главный вектор и главный момент дисбаланса ротора.
Единицей дисбаланса являются грамм-миллиметр (г·мм) и градус (...°), служащие для измерения соответственно значения дисбаланса и угла дисбаланса.
Отношение модуля главного вектора дисбалансов к массе ротора характеризует удельный дисбаланс [(г · мм)/кг = мкм].
Все дисбалансы ротора приводятся к
двум векторам - главному вектору Dст и главному моменту Мd дисбалансов независимо от
причин, вызвавших смещение центра масс с оси вращения: погрешностей получения заготовки,
погрешностей механосборочного производства или изменения условий эксплуатации.
Главный вектор дисбалансов Dст проходит через центр масс и равен произведению массы неуравновешенного ротора на ее эксцентриситет е.
Главный момент
дисбалансов Мd равен геометрической сумме моментов всех дисбалансов ротора относительно его центра масс.
Главный момент дисбалансов перпендикулярен главной центральной оси инерции и оси ротора и вращается вместе с ротором.
Главный вектор дисбалансов в плоскостях опор может быть заменен его составляющими (симметричными дисбалансами).
Главный момент дисбалансов в тех же плоскостях опор может быть заменен парой сил (кососимметричными дисбалансами).
Дисбаланс является векторной величиной и полностью определяется на роторе в выбранной плоскости углом дисбаланса,
а также числовым значением
дисбаланса Di = miei т. е. произведением неуравновешенной массы mi на модуль ее эксцентриситета еi относительно оси вращения. Эта плоскость может служить
для задания дисбаланса (плоскость приведения дисбаланса), корректировки масс ротора (плоскость коррекции), измерения дисбаланса (плоскость измерения
дисбаланса). Дисбалансы в различных двух плоскостях вдоль оси данного ротора различны, и их углы и значения могут быть найдены расчетом, а также с
помощью балансировочного оборудования.
Структура технологического процесса балансировки определяется назначением балансировки, типом производства, размером детали или сборочной единицы,
точностью балансировки, технологическим оборудованием и оснасткой и т. п.
Балансировка заключается в определении значений и углов дисбалансов ротора и их уменьшения путем корректировки массы ротора.
Действие дисбалансов на ротор можно снижать или устранять путем добавления, уменьшения или перемещения
одной или более корректирующей массы, создающей дисбаланс такого же значения, что и у неуравновешенного ротора,
но с углом дисбаланса 180° относительно дисбаланса ротора.
Способы устранения дисбалансов ротора.
Для уменьшения дисбалансов ротора используются так называемые корректирующие массы, которые могут удаляться из
тела ротора или добавляться к нему.
Корректирующую массу в противофазу дисбаланса ротора добавляют приваркой, клепкой, пайкой, привертыванием
специальных элементов определенной массы и на определенном радиусе.
Различают дисбалансы начальный — до корректировки масс, остаточный — после корректировки масс,
допустимый — приемлемый по условиям эксплуатации машин, удельный — отношение модуля главного вектора к
массе ротора.
Различают балансировку статическую (силовую), моментную и динамическую (моментно-силовую).
При статической балансировке определяют и уменьшают главный вектор дисбалансов, т. е. центр масс ротора
приводится на ось вращения размещением соответствующей корректирующей массы (масс).
При моментной
балансировке определяют и уменьшают главный момент дисбалансов путем образования пары сил размещением
корректирующих масс в двух плоскостях коррекции.
При этом главная центральная ось инерции ротора в результате поворота совмещается с осью вращения.
При динамической балансировке определяют и уменьшают
главный момент и главный вектор. Это достигается размещением корректирующих масс в двух (жесткие роторы) плоскостях коррекции или более (гибкие роторы).
При этом главная центральная ось инерции смещается, поворачивается в пространстве и совмещается с осью вращения ротора.
Ротор может быть уравновешен за одну или несколько операций, состоящих из типовых шагов;
выявление и определение значения и угла дисбалансов (измерительный), и корректировка (устранение)
дисбалансов до заданных значений.
2. Балансировочные станки.
Балансировочный станок представляет собой механическое устройство предназначенное для определения и устранения дисбаланса отдельно взятых роторов.
Он обычно состоит из опор, в которые помещается балансируемый ротор, привода для его вращения и измерительного устройства с показывающими приборами.
В отличие от балансировки ротора на штатном месте установки, ротор устанавливается на опоры, являющиеся частью конструкции балансировочного станка,
и для приведения ротора во вращение используется привод балансировочного станка.
Возникающие при вращении несбалансированного ротора силы вызывают колебания механической системы ротор-опоры, которые измеряются встроенной
измерительной системой станка.
По характеру режима работы и конструктивному исполнению наиболее широко распространены балансировочные станки
дорезонансного и зарезонансного типа.
У дорезонансного балансировочного станка частота вращения ниже собственной частоты колебаний системы, состоящей
из балансируемого ротора и части массы станка, участвующей в колебаниях.
Рис.5 Балансировочный станок дорезонансного типа ТБ-500 позволяет балансировать роторы весом до 500 кг и максимальным расстоянием между шейками до 2000 мм.
В зарезонансном балансировочном станке частота вращения ротора при балансировке значительно выше
наибольшей собственной частоты колебаний роторной системы.
В зависимости от типа станка они комплектуются податливыми или жесткими опорами.
Податливые опоры применяются в зарезонансных станках, а жесткие - в дорезонансных.
Податливые опоры под воздействием неуравновешенного вращающегося ротора совершают колебания. Амплитуды и фазы колебаний опор и являются информацией о
неуравновешенности. Для измерения вибрации в этом случае применяют датчики вибрации - акселерометры
(датчики ускорения) или датчики виброскорости.
Жёсткие опоры препятствуют колебанию ротора и вследствие этого испытывают давление.
В этом случае для получения информации о неуравновешенности испльзуют датчики силы и измеряют давление ротора на опоры и его фазу.
Итак, опоры балансировочного станка снабжены датчиками,
преобразующими их колебания (вибрацию) или давление от центробежных сил в электрические сигналы.
Электрические сигналы датчиков поступают в измерительное устройство.
Структура измерительного устройства и форма информации о неуравновешенности зависят от назначения
балансировочного станка. В современных балансировочных
станках применяют микропроцессорные измерительно-вычислительные устройства, позволяющие производить измерения
одновременно на всех опорах, автоматически
вводить данные измерений в вычислитель, который по заданной программе вычисляет места (угол) и массу корректирующих грузов.
Рис.6
Для вращения ротора в балансировочных станках применяют привод от двухшарнирного вала, от накидного ремня,
воздушной струей и т. п. Исправление неуравновешенности, т. е.
установка грузов или съём материала (сверление, фрезерование и т. п.), выполняют вручную или используя сверлильный
или фрезерный портал, смонтированный на станке.
Рис.7 Станок для балансировки роторов весом до 100 кг и расстоянием между шейками до 950 мм ТБ-100. Сверлильный портал дает возможность осуществлять корректировку масс не снимая вал со стоек станка.
Механические системы балансировочных станков классифицируют по числу степеней свободы ротора, а также по числу степеней свободы оси ротора вместе с
подвижной частью станка. В классификации по числу степеней свободы ротора механические системы распределены по
семи классам (рис. 1, а).
Номер класса (римская цифра) соответствует числу степеней свободы жесткого ротора. Кроме того, введен дополнительный признак разделения механических
систем на две группы: буквой А обозначены станки, имеющие раму, на которой размещены опоры ротора,
а буквой В - станки с отдельными опорами,
установленными на неподвижном основании. Это подразделение характеризует не только конструктивные особенности
системы, но и особенности балансировочного
процесса, так как в станках группы А выбор точек для измерения колебаний менее ограничен, чем в группе В.
Одним из признаков технологической классификации балансировочных станков служат степень их универсальности, т.е.
то разнообразие роторов, для которых они
могут быть использованы. Чем больше это разнообразие, тем шире технологические возможности станка.
Балансировочные станки разделяют на четыре типа:
универсальные, определенного назначения, специальные и балансировочные комплекты.
Универсальные балансировочные станки используют в серийном производстве для определения дисбалансов роторов
различных конструкций. К этому типу относятся
зарезонансные и дорезонансные станки с осевым или ленточным приводом, обладающие высокой точностью и быстрой переналадкой на новый тип роторов.
На них можно балансировать роторы, отличающиеся по массе, длине и диаметру в 10..40 раз.
Универсальные балансировочные станки характеризуются допустимой
массой и диаметром ротора, расстоянием между опорами станка, диапазоном частот вращения ротора, мощностью привода и точностью станка.
Минимально допустимая масса ротора — масса балансируемого ротора, при которой обеспечивается заданная точность станка. Максимально допустимая масса
ограничена прочностью подвески опор. В нее входит масса ротора, его подшипников и корпуса, оснастки, т.е. вся масса, устанавливаемая на опоры станка.
Допустимый диаметр ротора зависит от расстояния от центров опор до станины (пола) станка. Максимальное расстояние между опорами станка ограничено длиной
направляющих станины, а минимальное — толщиной стоек.
У станков, опоры которых имеют гнездо для установки подшипника, указывают его диаметр или наибольший диаметр цапф ротора.
Диапазон частот вращения ротора при балансировке соответствует частотному диапазону измерительного устройства, частоте вращения и мощности приводного устройства.
Универсальные балансировочные станки изготавливают нормальной и повышенной точности.
Для балансировки роторов массой от нескольких граммов до десятков килограммов применяют зарезонансные станки с ленточным приводным соединением.
Балансировку роторов массой до 1000 кг выполняют на зарезонансных и дорезонансных станках как с осевым, так и с ленточным приводом с разнообразными
измерительными устройствами.
Универсальные балансировочные станки для роторов массой более 1000 кг изготавливают с осевым приводом. Опоры станков для тяжелых роторов делают дорезонансными.
Рис.8 Балансировочный станок дорезонансного типа ТБ-6000 для промышленной балансировки тяжелых роторов весом до 6000 кг, диаметром до 2000 мм и максимальным расстоянием между шейками 4600 мм.
Вертикальные балансировочные станки предназначены для статической балансировки в динамическом режиме деталей, не имеющих собственных несущих поверхностей.
Принцип действия и конструкция основных узлов станка аналогичны горизонтальным станкам. Отличительной особенностью вертикальных станков является наличие
шпинделя с вертикальной осью вращения, на конце которого находится зажимное устройство. Эти станки характеризуются допустимой массой и диаметром
балансируемой детали, диапазоном частот вращения, мощностью привода и точностью станка.
По вертикальным направляющим станка перемещается двухшпиндельная сверлильная головка, с помощью которой производится корректировка масс детали
высверливанием необходимого количества металла. Станок может работать в полуавтоматическом режиме.
Рис.9 Вертикальный станок ТБ Верт 100 для балансировки дискообразных роторов весом до 100 кг и диаметром до 650 мм.
Станки для высокочастотной балансировки гибких роторов имеют дорезонансные опоры, осевой привод с широким
диапазоном частот вращения, измерительное
устройство с токовихревыми датчиками. На высоких частотах балансируют роторы массой до 300 т.
Поэтому с целью уменьшения потерь мощности на трение о воздух баласировочное устройство с ротором помещают в
герметичную камеру, в которой с помощью
вакуумного насоса создается разрежение до 100 Па. Станки для высокочастотной балансировки являются сложными
устройствами с дополнительными системами,
обеспечивающими транспортировку ротора, смазку его опор, разрежение в камере и т.п.
Специальные балансировочные станки используют в крупносерийном и массовом производстве для балансировки роторов
определенной массы и геометрии.
Специальный станок изготавливают в нескольких экземплярах. Для повышения производительности балансировки
специальные станки оснащают средствами
механизации и автоматизации. Степень автоматизации станка зависит от условий производства и может быть различной.
В простейшем случае она включает только определение дисбалансов, в более сложном — установку корректирующих масс
и транспортировку роторов.
Рис.10 Станок (стенд) для балансировки ускорителей дробилок.
Стенд рассчитан на предварительную балансировку ускорителей 1
дробилок с массами от 50 до 1000 кг и более и диаметрами от 500 до 2000 мм.
Стенд включает в себя вертикальный шпиндель 2, установленный в подшипниках в станине 3.
Шпиндель с установленным на нём ускорителем 1 приводится во вращение электродвигателем 4, соединённым со шпинделем с помощью муфты (на
схеме не показана).Электродвигатель подключен в сеть с использование частотного регулятора,
позволяющего изменять частоту вращения шпинделя в широком диапазоне.
Конструкция станины обеспечивает возможность реализации двух вариантов
её установки фундаменте, в том числе:
- жёсткое крепление с помощью фундаментных болтов;
- установка с использованием пружинных амортизаторов 5.
Жёсткое крепление обычно используется в случае балансировки тяжёлых крупногабаритных ускорителей, имеющих значительный исходный дисбаланс.
Пружинные амортизаторы применяются при балансировке относительно небольших и лёгких ускорителей с целью повышения чувствительности стенда к
колебаниям от сил неуравновешенности, следствием чего является повышение качества балансировки.
Измерительная система стенда включает в себя два датчика вибрации 6 и 7, датчик фазового угла 8 и
измерительно-вычислительный блок 9.
С её помощью производится измерение вибрации станины стенда на частоте вращения шпинделя, по результатам которого в автоматическом режиме выполняется расчет
параметров корректирующих грузов (их массы и угла съёма), обеспечивающих необходимое качество балансировки ускорителей дробилок.
На данном стенде производится в основном черновая (предварительная) балансировка ускорителей.
Окончательная (чистовая) балансировка ускорителей выполняется уже после их установки в дробилки, что обеспечивает возможность достижения минимального
уровня вибрации дробилок в процессе эксплуатации.
Для измерения вибрации и расчета массы и угла установки корректирующих масс используется система Балком2С. Также с помощью данной системы осуществляется пуск
и остановка двигателя прибода и управление скоростью ео вращения. При необходимости стенд может быть оснащен системой измерения углового положения
балансируемого ротора и доворота на заданный угол для автоматизации процесса установки\съема корректирующих масс.
Рис.11 Специализированный станок ТБ Вент 100 для балансировки крыльчаток вентиляторов большого диаметра, весом до 100 кг.
Станок для балансировки роторов большого диаметра, весом до 100 кг. Был разработан специально для балансировки крыльчаток вентиляторов больших размеров.
Станину из полимербетона на виброоппорах можно перемещать с помощью обычной роклы, что значительно расширяет возможности станка и дает возможность работать
с крыльчатками диаметром значительно превышающим габариты самого станка.
Балансируемый ротор располагается консольно на технологическом валу. Технологический вал может крепиться к стойкам станка (в корпусных подшипниках)
постоянно для роторов небольшого веса (установка вручную) или ставиться вместе с ротором для более тяжелых роторов (установка с помощью грузоподъемных
устройств).
3. Основные характеристики балансировочных станков
Предельные значения дисбаланса.
Для зарезонансного балансировочного станка предельные значения дисбаланса устанавливают обычно в единицах удельного дисбаланса - грамм-миллиметрах на
килограмм (г · мм/кг), поскольку эта величина представляет собой меру смещения ротора и, следовательно, характеризует движение опор балансировочного
станка. Для дорезонансного балансировочного станка предельные значения дисбаланса устанавливают обычно в грамм-миллиметрах (г · мм) в соответствии с
принятой практикой калибровки таких машин на предприятиях-изготовителях.
Производительность балансировочного станка описывают через следующие характеристики:
Продолжительность измерительного цикла, включающую в себя:
a) время настройки балансировочного станка, с;
b) время настройки индикатора дисбаланса, с;
c) время подготовки ротора к балансировке, с;
d) среднее время разгона, с;
e) время считывания показаний (с учетом времени их стабилизации), с;
f) среднее время выбега, с;
g) время привязки полученных результатов измерений к данному ротору, с;
h) время выполнения других необходимых операций, с;
i) общее время операций на один пуск [как сумму времени выполнения вышеперечисленных операций а) - h)], с.
Коэффициент уменьшения дисбаланса при балансировке межопорного ротора, %.
Коэффициент уменьшения дисбаланса при балансировке консольного ротора, %.
Размеры ротора
Для того чтобы заказчик мог оценить допустимые габаритные размеры ротора, который может быть установлен на данном балансировочном станке, а также
определить необходимую оснастку, должен быть представлен габаритный чертеж балансировочного станка с указанием границ опор, на которые устанавливают ротор,
а также таких элементов конструкции станка, как механизм ременного привода, поверхность для установки защитного кожуха, ограничитель движения в осевом
направлении, поворотная рама.
Сочетание таких факторов, как большой диаметр цапфы и высокая частота вращения при балансировке приводит к большим значениям тангенциальной скорости
движения поверхности цапфы. Предельные значения такой скорости должны быть определены.
При использовании ременного привода необходимо установить значения скорости балансировочного станка для максимального и минимального диаметров
(или других характерных размеров), допускаемых данным приводом.
Изготовитель должен указывать, возможна ли регулировка привода в осевом направлении.
Привод
Указывают номинальные значения передаваемых крутящих моментов [в ньютон-метрах (Н·м)] для каждой скорости балансировочного станка [в
минутах в минус первой степени (мин)].
Указывают следующие характеристики крутящего момента:
a) момент на нулевой скорости (в процентах номинального крутящего момента);
b) диапазон регулируемого момента при разгоне (в процентах номинального крутящего момента);
c) пиковое значение крутящего момента.
Примечание - В большинстве случаев максимальный крутящий момент необходим при разгоне ротора. Однако для роторов, обладающих большим аэродинамическим
сопротивлением или значительными потерями на трение, максимальный крутящий момент может потребоваться для поддержания частоты вращения ротора при
балансировке. При определении крутящего момента следует учитывать усилие, действующее в осевом направлении.
Указывают тип первичного двигателя и его характеристики:
a) номинальную мощность, кВт;
b) скорость, мин ;
c) потребляемую энергию (напряжение, частоту, число фаз).
Указывают характеристики тормозного устройства:
a) тип;
b) диапазон регулируемого тормозящего момента (в процентах номинального значения);
c) может ли тормозное устройство быть использовано в качестве зажимного приспособления.
Указывают, каким стандартам удовлетворяют двигатель и система управления.
Указывают, с какой точностью поддерживается установленная частота вращения при балансировке.
Использованные материалы.
1. Левит М.Е., Рыженков В.М. "Балансировка деталей и узлов". Москва, изд. "Машиностроение", 1986г.
2. Справочник технолога-машиностроителя,том 2.
3. ГОСТ 20076-2007 Вибрация. Станки балансировочные. Характеристики и методы их проверки
|
