книги из ГПНТБ / Куинджи А.А. Автоматическое уравновешивание роторов быстроходных машин

прогиба, что позволяет устранять неуравновешенность в системе как на докритпческих, так п на закрптпческнх скоростях. На рис. 56 схематически показаны вертикальный разрез центробежного экстрактора с АУУ Сирля н горизонтальное сечение этого уст­ ройства в плоскости А —А. В корпусе экстрактора 2 расположе­ ны отсеки 6 для помещения уравновешивающей жидкости. Экст­ рактор с неуравновешенным грузом с помощью вала 15 соединен

Рис. 56. Схема центробежного экстрактора с жидкостным А У У Сирля:

/—резервуар; 2—корпус экстрактора; 3—распределительный диск; 4, 5—ѵюпатки; 6— отсек; 7—горизонтальная перегородка: S—дно отсека; 9—тілоская пружина; /(/—коль­ цевой канал: //—питающая обойма; /2—гибкий шланг; 13—корпус; 14—упругая под-

-веска: /5—вал; 16—двигатель

сдвигателем 16, смонтированным в корпусе машины 13 на упру­ гой подвеске 14 так, что вся вращающаяся система может совер­ шать колебания около точки О. Собственная частота колебаний системы делается низкой, чтобы рабочій"! режим машины нахо­

дился в закрптнческой области.

К распределительному диску 3 на дне корпуса экстрактора с помощью плоских пружин 9 прижата неподвижная питающая обойма 11, выполненная из такого материала, чтобы трение меж­ ду ней и распределительным диском было небольшим. Пружины прикреплены к корпусу машины и являются жесткими в горизон­ тальной плоскости.

В обойме имеется кольцевой канал 10, в который по гибко­ му шлангу 12 из резервуара 1 подается уравновешивающая жид­ кость, отжатая через отверстия в корпусе экстрактора.

69

В дне распределительного диска имеются впускные отверстия (см. рис. 56) по одному на каждый балансировочный отсек. Рас­ стояние внешней кромки отверстий от центра диска приблизи­ тельно равно радиусу канала обоймы.

Если отклонение экстрактора от осп вращения равно нулю, то все впускные отверстия-закрыты. При отклонении экстрактора от осп вращения распределительный диск смещается относитель­ но питающей обоймы и открывает па этой стороне одно пли не­ сколько отверстий, через которые уравновешивающая жидкость поступает из питающей обоймы в распределительный диск. Через каналы, образованные лопатками 4 п 5, жидкость под действи­ ем центробежных сил выгоняется в балансировочные отсеки через выпускающие отверстия, сдвинутые относительно соответствую­ щих впускных отверстий в сторону, обратную направлению вра­ щения.

Каналы, образованные направляющими лопатками, разделе­ ны горизонтальной перегородкой 7 на две части.

Внутренний диаметр разделительной пластины выбирается та­ ким, чтобы уравновешивающая жидкость направлялась по верх­ нему каналу только после достижения заранее определенной ско­ рости.

Это АУУ может быть поставлено только на вертикальный ро­ тор в машинах, в которых в результате работы имеется избыток жидкости, используемой в качестве уравновешивающей. При применении специальной жидкости для уравновешивания требу­ ется ее периодическое пополнение извне, так как она после ис­ пользования обратно в резервуар не возвращается.

Необходимость обеспечения перекрытия впускных отверстий при уравновешенном роторе и трении между распределительным диском и питающей обоймой не позволяют получать полное уравновешивание и приводят к остаточной неуравновешенности.

МЕХАНИЧЕСКИЕ АУУ

1. Кольцевое АУУ. Для уравновешивания вала Ледярд по зал достаточность двух колец, свободно повешенных вблизи не­ уравновешенности.

Схематически кольцевое АУУ показано на рис. 57. На при­ водном валу в кожухе, заполненном маслом, свободно подвеше­ ны два тяжелых кольца. Масло служит для демпфирования ко­ лебаний колец и разгона их до скорости, равной скорости ротора. Кожух выполнен так, что на скоростях ниже критической центры колец попадают на ось вращения и кольца не добавляют неурав­ новешенности в систему. Кольца начинают работать только выше критической скорости.

На рис. 57 показано относительное расположение колец при вращении системы с закритнческой скоростью: здесь с — центр

70

тяжести системы; О — центр вала АУУ; О, — ось подшипников; е __ эксцентриситет; с, и Сг — центры тяжести колец.

При такой скорости центробежные силы Р\ и Ро, приложен­ ные к центрам тяжести колец, стремятся повернуть их к верх­

сближаются и сольются, что приведет к прекращению колебаний. Трение между кольцами и валом снижает эффективность АУУ и не позволяет полностью урав­ новесить систему. Кольцевое АУУ не устраняет неуравновешенность на скоростях ниже критической.

Для устранения неуравновешен­ ности значительной величины конструкция А УУ получается гро­

моздкой.

Так как кольца не расположе­ ны в одной плоскости, это приво­ дит к появлению дополнительного момента на валу, вызывающего реакции в опорах.

2. Маятниковое АУУ. Устрой­ ство представляет собой (рис.58) закрепленные на приводном валу

два диска с осями, вокруг которых могут свободно поворачи­ ваться маятники. Расстояние от осей маятников до центров дис­ ков /• принимается большим, чем наибольший эксцентриситет центра вала е, в месте установки АУУ.

Маятниковое А УУ увеличивает неуравновешенность системы ниже критической скорости и ухудшает условия перехода через критическую скорость. На скоростях выше критической умень­ шает вибрации, но недостаточно эффективно.

Маятниковое АУУ может быть установлено на роторах как с вертикальной, так и с горизонтальной осью вращения. Все ма­ ятники расположены в одной плоскости, но расположить их в плоскости неуравновешенности конструктивно трудно, это приво­ дит к появлению добавочных реакций в опорах.

3. Шаровое АУУ. Предложено Сирлем в 1930 г. Динамиче­ ская балансировочная машина с компенсирующим элементом состоит из помещенных в цилиндрическую обойму двух стальныхшаров, которые при вращении со скоростью большей, чем кри­

обозначает ось подшипников, вокруг которой происходит враще­ ние; О — центр обоймы; с — центр тяжести ротора.

71

Ниже критической скорости шары будут сближаться под дей­ ствием тангенциальных составляющих т центробежных сил, пе­ ремещаясь на тяжелую сторону п увеличивая неуравновешен­

ность.

А -А Выше критической скорости шары так­ же будут сближаться под. действием сил т, но движение их теперь направлено на

А - А

повышает емкость и чувствительность устройства. Шары разме­ щены в конической обойме. Диаметр нижней части такой, что шары, лежащие в ней на малых скоростях вращения, тесно при­

72

жаты друг к другу II равномерно распределены по всей окруж­ ности, т. е. не дают дополнительной неуравновешенности. При скорости, превышающей критическую, определяемой углом на­ клона конической части обоймы ß, шары выйдут из нижнего гнез­ да и, поднявшись по конической поверхности, попадут в верхнюю цилиндрическую часть обоймы, имеющую больший диаметр. Пе­ ремещаясь по окружности, шары автоматически займут положе­ ние, устраняющее неуравновешенность системы.

1.Все рассмотренные АУУ работают за счет стремления урав­ новешивающих грузов или жидкости, участвующих в колеба­ тельном движении ротора, занять «наинизшее» положение. Уст­ ройства не обеспечивают уравновешивание ротора на скоростях ниже критических.

Исключением являются только жидкостные А УУ Снрля и Дункан.

2.Эффективное уравновешивание роторов машин на любых скоростях вращения может быть обеспечено только АУУ с при­ нудительным перемещением уравновешивающих масс при при­ менении автоматического управления этими перемещениями. Си­ стема управления должна учитывать изменение сдвига фазы между неуравновешенностью и прогибом до и после критической скорости.

ВСЕРЕЖИМНЫЕ АВТОМАТИЧЕСКИЕ УРАВНОВЕШИВАЮЩИЕ УСТРОЙСТВА

При создании автоматических уравновешивающих устройств, эффективно работающих на всех скоростях и автоматически сле­ дящих за изменениями неуравновешенности, могут быть приме­ нены два принципиально различных метода построения системы управления исполнительным уравновешивающим механизмом.

В первой из этих систем управления используется метод слу­ чайного поиска положений элементов исполнительного механиз­ ма, при которых наступает уравновешивание ротора. Во второй системе используется метод направленного перемещения эле­ ментов исполнительного механизма с учетом динамических свойств уравновешиваемой системы.

Балансировка ротрра на ходу методом случайного поиска

Метод разработан и экспериментально проверен Л. А. Растригиным [38].

Ротор имеет вход и выход. Входом ротора следует считать его дисбаланс X, а выходом — вибрации У. Между входом и вы­ ходом существует определенная связь, т. е.

Y = L ( X ) ,

где L — оператор, устанавливающий эту связь.

Оператор L зависит от многих факторов, среди которых сле­ дует указать хотя бы на следующие:

1.Конструкция ротора и его опор.

2.Трение внешнее и внутреннее (конструкционное).

3.Материал ротора.

4.Технология изготовления.

5.Температурный режим работы.

6.Эксплуатация ротора.

Уже этот весьма неполный перечень показывает, что точное определение оператора L весьма затруднительно, если вообще возможно. Так, факторы трения материала, эксплуатации и ча­ стично температуры п технологии сами по себе носят статистиче­ ский характер и не могут быть точно определены. Поэтому са­ мым естественным будет вообще отказаться от попыток опреде­

Двух полученных соотношений достаточно, чтобы свести ба­

летворять регулируемая система. При Q = Qmin система считается настроенной.

Рассмотрим ротор как объект регулирования. Необходимым условием уравновешенного ротора является минимум вибраций его опор.

В этом случае функцию качества балансируемого ротора мож­

74

Из этого выражения видно, что функция Q достигает своего минимума при наименьшем значении вибраций и наоборот. Сле­ довательно, балансировка ротора эквивалентна минимизации функций качества Q, полученной указанным способом.

Если такой минимизации функций недостаточно и требуется устранить напряжения изгиба в роторе, то функцию качества можно представить следующим образом:

т q

Минимизация такой функции качества является необходимым и достаточным условием балансировки ротора.

Для балансировки на ходу совершенно необходимо иметь воз­ можность менять дисбаланс без остановки ротора. Для этого на роторе располагается система подвижных грузов, способных по команде изменять определенным образом свое положение на ро­ торе во время его работы.

Пусть яд, л'г, . . ., .ѵ„ — какие-то определенные координаты дис­

Очевидно, что эти координаты определяют через оператор L виб­ рацию У, т. е.

Y = L ( X ) .

Параметры вибрации ротора целиком и полностью определя­ ются расположением дисбалансов на роторе.

.Очевидно, что при сбалансированном роторе функция качест­ ва Q должна равняться нулю

Q = 0.

Таким образом показано, что задача о балансировке ротора является задачей экстремального регулирования. При этом под объектом оптимизации подразумевается система, представленная на рис. 61. На вход такой системы посылается команда об из­ менении исполнительными механизмами АТ; параметров дисба­ лансов ротора х,-. Выходом же является величина Q, построен­ ная преобразователем П на базе информации у и у2, .“.., yq о не­ сбалансированности ротора.

Существующие методы экстремального регулирования строго разделяют (по времени и функционально) две стороны регули­ рующего сигнала — настройка регулируемой системы и анализ объекта.

Для решения поставленной задачи разработан метод случай­ ного поиска [38], применение которого позволило не проводить

4 *

75

строгой черты между настройкой и анализом и смягчить жест­ кость требований дуального управления.

Метод случайного поиска является, по сути дела, методом проб и ошибок, широко применяемым в практической деятельно­ сти при встрече с неиз­ вестным объектом, кото­ рый надо проанализиро­

вать.

Применение метода случайного поиска к ба­ лансировке ротора заклю­ чается в следующем. Ре­ как гулятор «предлагает» ро­ тору совершенно случай­ ное направление измене­ ния координат дисбалан­

сов, т. е., пользуясь терминологией теории игр, регулятор делает случайный ход. Информация у, идущая по каналу (рис. 62), ука­ зывает на увеличение или уменьшение уровня вибраций. Когда уровень вибраций не меняется, его можно считать эквивалент­ ным увеличению вибраций. Таким образом, «ход» ротора явля­ ется ответом на «ход» регулятора п несет положительный пли отрицательный ответ. Если ротор увеличил уровень вибраций,то

Рис. 62. Ротор:

а—общий вид установки; б—блок-схема системы автоматического управления ба­ лансировкой ротора по методу случайного поиска; БУ—балансировочное устройст­ во; ГСС —генератор сравнения сигналов; ГС—генераторы случайностей; Д —датчи­ ки; Г—усилители; .ѵі, Лг—''сигналы амплитуд вибраций опор; г—сигнал сравнения:

Q—функция качества

регулятор немедленно предлагает ротору другой, также случайно выбранный вариант изменения координат дисбалансов, что приводит к изменению функции качества. Если A Q > 0 , то все повторяется снова до тех пор, пока на 1-м ходу АQ станет мень­ ше 0, т. е. будет найдено то направление изменения координат дисбалансов (хіи х2и . .., х пі), которое приводит к уменьшению

76

вибраций. Выбранное направление изменения дисбалансов регу­ лятор сохраняет до тех пор, пока вибрации уменьшаются. Как только вибрации начинают увеличиваться, регулятор предлагает другой случайный вариант и т. д.

Такова схема случайного поиска в применении к балансиров­

ке ротора.

Метод проверялся на экспериментальной установке, общий

'вид которой показан на рис. 62, а. Результаты экспериментов показали следующее:

а) время автоматической балансировки ротора непостоянной распределено по определенному закону в силу случайного харак­

тера поиска; б) в процессе балансировки ротор может временно увеличи­

вать вибрации; в) точность балансировки определяется разрешающей способ­

е) предложенный способ случайного поиска в применении к балансировке не требует изучения динамики ротора.

Методы направленного перемещения элементов исполнительного механизма автоматического уравновешивающего

устройства

Управление за счет отклонений уравновешиваемого ротора. Этот способ автобалансировки разработан для барабанов

больших стиральных машин.

В первом варианте предлагается на барабане установить же­ сткий кольцевой сосуд, заполненный жидкостью и распределен­ ный на отсеки. Один подшипник вала барабана установлен на мембране так, что имеется возможность бокового отклонения другого конца барабана, который через штоки с пружинами и ро­ ликами опирается на неподвижное кольцо, закрепленное концентрично с осью вращения барабана. Штоки соединены клапа­ нами, имеющимися в каждом отсеке. При неуравновешенном ро­ торе на скорости ниже критической более тяжелая его сторона смещается к неподвижному кольцу. Штоки, упирающиеся через ролики в это кольцо, смещаются и открывают необходимые кла­ пана, через которые под действием центробежных сил жидкость сливается из соответствующих отсеков. Центр тяжести барабана при этом начинает смещаться и смещается до тех пор, пока не совпадет с осью вращения. После этого ротор будет вращаться

77

без отклонений, штоки и клапана станут на места и слив жид­ кости из отсеков прекратится.

Во втором варианте подшипники вала барабана закреплены жестко, барабан же соединен с валом через систему пружин так, что он плавает относительно вала. На валу также установлено кольцо, охватывающее барабан п вращающееся вместе с валом. Между кольцом п барабаном расположена кольцевая камера из эластичного материала, заполненная жидкостью. При вращении со скоростью меньше критической неуравновешенный барабан отклонится относительно оси вала в сторону расположения неу­ равновешенности. Зазор между барабаном и кольцом с этой сто­ роны уменьшится и жидкость в кольцевой камере перетечет в противоположную сторону камеры, где зазор увеличится. Пере­ распределение масс жидкости в камере приводит общий центр тяжести системы к оси вращения и система уравновешивается.

Выполненные по этим схемам устройства для автоматической балансировки не требуют применения измерительной и управ­ ляющей электронной аппаратуры, что является их преимущест­ вом. Система управления клапанами в первом варианте может быть сконструирована так, что уравновешивание будет выпол­ няться либо на докритпческих, либо на закритпческих скоростях. Уравновешивание ротора и на тех и на других скоростях в од­ ной системе не может обеспечиваться.

Для роторов, неуравновешенность которых в процессе рабо­ ты не изменяется, система может обеспечить их уравновешива­ ние на докритпческих оборотах, спокойный переход через крити­ ческую скорость и работу в закрптической области. На задан­ ных скоростях система автоматически следит за изменением неуравновешенности во время работы н устраняет ее.

Система, построенная по второму варианту, является конст­ руктивным видоизменением устройства Дункан. Отличается она, так же как п первый вариант, тем, что может применяться для роторов с произвольной ориентацией оси вращения. Время уст­ ранения неуравновешенности этими устройствами не может быть большим, так как зависит от быстродействия исполнительного уравновешивающего механизма.

Недостатки, присущие обоим вариантам, заключаются в сле­ дующем: уравновешивание производится только в одной плоско­ сти приведения, а для полного уравновешивания твердого тела необходимо иметь две плоскости приведения. Кроме того, устрой­ ство, выполненное по первому варианту, может работать только при относительно больших отклонениях ротора, достаточных для открывания клапанов. Это обстоятельство приводит к тому, что даже на уравновешенной стороне ротора сохраняется большая остаточная неуравновешенность. В этом автоматическом устрой­ стве уравновешивание происходит за счет удаления жидкости из отсеков, поэтому рабочий ресурс такого устройства ограничен (че-

78