книги из ГПНТБ / Колесник Н.В. Устранение вибрации машин

ГЛАВА VI

БАЛАНСИРОВКА ДЕТАЛЕЙ МАШИН

34.Статическая и динамическая неуравновешенность

Впредыдущей главе рассматривался вопрос вредного влияния

неуравновешенных центробежных сил вращающихся деталей на экс­

плуатационные качества и вибрационное состояние машин и указы­

вались способы уравновешивания сил инерции непосредственно

вмашинах.

Вряде случаев осуществление процесса уравновешивания сил

инерции в машинах оказывается трудно выполнимым, а иногда

иневозможным вследствие того, что в собранной машине не всегда

удается произвести корректирование неуравновешенной массы той или иной детали.

Втаких случаях возникает необходимость в разборке машины

иоказывается более целесообразным произвести уравновешивание деталей в отдельности, применяя для этого специальные приспособ­ ления.

Если п]5и очередном ремонте или ревизии производится разборка

машины и заменяются отдельные элементы вращающихся деталей

(роторов), то, прежде чем вновь устанавливать их в машину и осу­ ществлять уравновешивание сил инерции в собранном виде, более

наиболее простые способы и устройства, позволяющие осуществить

эту операцию на месте эксплуатации машин, в ремонтных мастерских,

а также в условиях мелкосерийного производства, где отсутствует

специальное оборудование и где применение сложных и дорогих стан­ ков нецелесообразно.

Различают два вида неуравновешенности во вращающихся дета­

лях машин: статическую и динамическую.

На фиг. 103, а показана дискообразная деталь, имеющая на рас­

стоянии г от оси вращения неуравновешенную массу весом G. Эта

169

неуравновешенность при рабочей скорости вращения детали обра

стремящийся повернуть деталь в положение устойчивого равнове­

сия, при котором неуравновешенная масса занимает крайнее нижнее положение. Для того чтобы уравновесить такую деталь, вполне дос­ таточно установить с противоположной стороны относительно имею­

щейся неуравновешенности уравновешивающий груз Gy на таком

расстоянии /у от оси вращения, чтобы создаваемый им статический момент Mv был равен и противоположно направлен моменту неурав­ новешенности М.

Такая неуравновешенность называется статической. Так она назы­

вается потому, что ее наличие может быть определено в статическом

в противоположной торцовой плоскости.

170

Создаваемые этими неуравновешенностями статические моменты

В статическом состоянии они взаимно, уравновешивают друг

друга и выявлены быть не могут, но во время вращения появляются

две радиально направленные центробежные силы и С2, создающие вредные нагрузки на подшипники и вызывающие вибрацию машины.

Вредное влияние этой пары неуравновешенных центробежных

сил увеличивается пропорционально длине I между торцовыми плоскостями детали или, вернее, между местами расположения

неуравновешенных масс.

Такая неуравновешенность называется динамической в силу

того, что в статическом состоянии детали она выявлена быть не может и устранение ее производится при вращении детали-на спе­

циальных станках для динамической балансировки.

Очевидно, что наличие пары неуравновешенных центробежных

сил может иметь место и у дискообразных деталей, однако ввиду

того, что в таких деталях расстояние I между торцовыми плоскостями

невелико, то и влияние пары неуравновешенных центробежных сил оказывается незначительным и им можно пренебречь.

В цилиндрических деталях, помимо динамической неуравнове­

шенности, может иметь место также и статическая неуравновешен­ ность. Но это не имеет значения, так как при динамической баланси­

ровке устраняется одновременно и динамическая и статическая неуравновешенность.

Как видно, динамическая балансировка более универсальна

и обладает большей точностью, но она более сложна и требует нали­ чия более сложного оборудования. Поэтому во всех случаях, где ста­ тическая балансировка обеспечивает необходимую точность, следует

Статическая балансировка деталей машин наиболее просто и с достаточной точностью может быть осуществлена на приспособ­

лении, называемом параллельным стендом. Приспособление пред­

ставляет собою две горизонтальные параллельные призматические

направляющие 1 (фиг. 104), на которые устанавливается шейками вала или цапфами специальной оправки балансируемая деталь 2.

Неуравновешенная масса GH детали силою своей тяжести повер­ нет деталь в такое положение, при котором она (неуравновешенная

масса) займет крайнее нижнее положение. Противоположную верх­

нюю часть детали отмечают радиальной чертой 3 и поворачивают

деталь на приспособлении таким образом, чтобы эта черта заняла

горизонтальное положение.

171

В отмеченном месте устанавливают уравновешивающий груз Gy,

подбирая его вес с таким расчетом, чтобы создаваемый этим грузом

уравновешивающий момент Му был равен моменту неуравновешен­

ной массы

Му --= Мн, GHr = Gy^.

Затем уравновешивающий груз закрепляют в установленном

месте или с противоположной стороны детали удаляют (сверлением,

шлифованием и т. п.) эквивалентную массу материала детали.

Фиг. 104. Статическая балансировка.

Свидетельством того, что статическая балансировка произведена

правильно, может служить то обстоятельство, что в любом придан­

ном детали на стенде положении она сохраняет состояние равно­

весия.

Точность балансировки определяется величиной момента 7И0

ние не вполне характеризует степень точности балансировки дета­

лей, так как один и тот же момент остаточной неуравновешенности

может оказаться вполне допустимым для тяжелых деталей и недопус­

тимым для легких.

Поэтому целесообразнее производить оценку остаточной неурав­ новешенности не величиной момента Мо, а величиной р0, определяю­

щей остаточное смещение центра тяжести детали относительно оси вращения. Так, если деталь весом Gd кг имеет неуравновешенность

Мо кгмм, то величина смещения центра тяжести этой детали составит:

На фиг. 105, а показана установленная на параллельном стенде точно уравновешенная деталь (р0 = 0). Если прикрепить к перифе­

рии этой детали на радиусе R некоторый груз G, то этот груз вызовет

поворот детали лишь в том случае, когда создаваемый этим грузом

вращающий момент Мн превысит момент трения качения Мт, условно показанный на фигуре направленной дугой.

172

В решении технических задач для определения силы сухого тре­

ния скольжения Т принимают зависимость только от величины

нормального давления Р между трущимися поверхностями, а осталь­

ные факторы (род материала, твердость, поверхностей, шерохова­

тость и пр.) учитываются коэффициентом f:

Т = fP.

Физическую сущность трения качения можно представить себе как обычное трение скольжения. При взаимодействии круглого

цилиндра (шейки детали) с плоскостью (направляющей параллелей)

S)

Фиг. 105. Влияние трения на точность балансировки.

материал цилиндра в области местного давления на участке ab сжат

(фиг. 105, б), а материал плоскости в этой области растянут. Таким

образом, при качении цилиндра, вызывающем последовательное

нарушение контакта в одном месте и появление его в другом, точки а и b плоскости будут стремиться сблизиться, а соответствующие точки цилиндра вследствие растяжения, наоборот, будут удаляться друг

от друга. Это приводит к относительному скольжению между сопри­

касающимися поверхностями при качении.

Кулон предложил следующую формулу для определения сил

173 .

Следовательно, коэффициент р- в рассматриваемом случае будет

определять собой величину р смещения центра тяжести детали отно­ сительно ее оси О вращения. При р > р- произойдет перекатывание

детали под влиянием неуравновешенной массы.

Величина коэффициента р- применительно к параллельным стен­ дам колеблется в пределах от 0,01 до 0,04 мм. Меньшее значение

коэффициента соответствует большей твердости и более тщательной отделке поверхностей шейки вала и направляющих, а также мень­ шему поверхностному контакту между ними.

Исходя из последнего, следует стремиться применять направляю­

рабочей поверхности направляющих может быть определена из сле­ дующей формулы:

.уравновешивания деталей в пределах остаточного смещения центра

Динамическая балансировка отличается от статической тем, что

определение величины и места установки уравновешивающих грузов

производится в динамическом состоянии детали (во время вращения),

что дает ряд преимуществ и позволяет произвести уравновешивание

со значительно большей точностью.

На фиг. 106 изображена деталь цилиндрической формы, которую будем рассматривать как жесткое, недеформирующееся тело, имею­ щее неуравновешенную массу GH1, расположенную на расстоянии а

174

от одной торцовой плоскости детали, и неуравновешенную массу <?я2, расположенную на расстоянии Ь от другого торца; во время вращения

эти неуравновешенные массы создают неуравновешенные центробеж­

ными в торцовых плоскостях детали. Величина этих сил следующая:

А^А^^- А2 = А-^-, Ay + A.2 = A.

Направление векторов сил Аг и А2 то же, что и вектора А. Соот­

ветственно сила В раскладывается на две приложенные в торцовых

плоскостях силы BL и В2:

в2 = в^-\ вг + в2 = в.

Направление векторов этих сил аналогично предыдущему.

175

приложенные в торцовых плоскостях детали. Очевидно, что если бы

рассматриваемая деталь имела не две, а сколько угодно неуравно­

вешенных центробежных сил, то путем аналогичного последователь­ ного разложения и сложения их можно привести к двум результи­

рующим силам, приложенным в торцовых плоскостях детали.

Вообще любое количество центробежных сил можно рассматри­ вать как две эквивалентные силы, приложенные в несовпадающих

или освобождена (механизм закрепления опор не показан). Баланси­

ровка на станке производится следующим образом. При закреплен­

ных опорах каким-либо способом приводят во вращение деталь,

затем разъединяют ее с механизмом привода, давая возможность

свободного вращения, и освобождают одну из подшипниковых опор;

вследствие этого наступает колебание освобожденной опоры в гори­ зонтальном направлении. Размах этих колебаний зависит от вели­

чины неуравновешенной центробежной силы и от отношения частоты

вращения детали к частоте собственных колебаний опоры. Частота

собственных колебаний в данном случае зависит от жесткости пру­

жины и веса уравновешиваемой детали. Если при разгоне Детали создается частота вращения, превышающая частоту собственных

колебаний, то при выбеге произойдет, в некоторый момент, совпаде­

ние частоты вращения с частотой собственных колебаний освобожден­ ной опоры. При этом будет иметь место резонанс, при котором,

как известно, даже небольшая неуравновешенная центробежная

сила вызывает интенсивное колебание опоры.

Размах резонансного колебания может быть измерен, причем для увеличения точности измерения применяют различного рода

устройства. Простейшим типом такого устройства является, напри­ мер, рычажный ■ индикатор 2 или индикатор часового типа, обычно

применяемый для измерения боя деталей.

Определение величины и положения уравновешивающего груза

на таком станке можно производить одним из способов, описанных

176

в п. 27. Наиболее часто применяют метод обхода грузом и подбора

его величины опытным путем.

Балансировка одной стороны детали считается законченной,

когда в результате установки уравновешивающего груза резонанс­ ное колебание опоры будет сведено до пределов определенного мини­ мума. После этого производят балансировку второй стороны детали таким же способом.

Обычно после уравновешивания второй стороны детали вновь

ровку первой стороны, что

вызывает некоторую неурав­

новешенность второй сто­ роны, и если она выходит за пределы установленного допуска, то приходится еще раз произвести поправочную

операцию.

На фиг. 108 показана

ничимся описанием наиболее простых устройств, получивших приме­

нение для динамической балансировки деталей в условиях ремонта,

единичного изготовления машин и мелкосерийного производства. Наиболее широкое применение в указанных условиях у нас полу­

во вкладыше подшипника, закрепленного на качающемся корпусе 2,

имеющем в основании цилиндрическую поверхность. Ось цилиндра О находится выше оси вращения детали. Таким образом, система нахо­ дится в состоянии устойчивого равновесия и обладает определенной

частотой собственных колебаний. При совпадении частоты вращения с частотой собственных колебаний (во время выбега детали) создаются

условия резонанса. Размах резо­ нансных колебаний измеряется с

помощью индикатора 3. Процесс балансировки на таком станке ничем не отличается от ранее описанного.

Недостатком устройства являет­ ся наличие трения качения и скольжения между опорной и ци­

линдрической поверхностями, кото­

рое в значительной степени зависит от качества этих поверхностей. Ма­

лейшее загрязнение резко пони­ жает чувствительность станка и делает его работу нестабильной.

На фиг. ПО показан способ динамической балансировки на двух

стальных балках 1 нормального профиля, расположенных на под­

ставках 5. Вкладыши 6 подшипников устанавливаются непосред­

Фиг. ПО. Динамическая балансировка на свободнолежащей балке.

ственно на балках, где предусматриваются необходимые устройства

для смазки и собирания отработанного масла.

Данное устройство обладает вполне определенной частотой соб­ ственных колебаний в вертикальном направлении. Разогнав деталь,

ее отключают от привода и измеряют при помощи индикатора 4

размах резонансного колебания освобожденной опоры. Закрепление

опор при разгоне и освобождение при измерении колебаний произво­

дится с помощью специальных домкратов 2, установленных на тум­

бах 3. Такой способ балансировки аналогичен приведенному выше.

Преимущества такого устройства заключаются в следующем: все детали могут быть изготовлены в любой ремонтной мастерской;

чувствительность устройства в гораздо меньшей степени зависит

178