книги / Современные методы и средства балансировки машин и приборов

Рис. 3.2. Колебания cog, е, к и F*n, F\ü* Iх в течение периода Т:

а — характер колебания угловой ско­ рости (ÛQ и нормальной составляющей

F*in неуравновешенной силы ротора*.

б — характер колебания углового уско­ рения е н тангенциальной составля­

ющей Fut неуравновешенной силы ро­

тора; в — характер изменения коэф­ фициента динамичности ъ и угла ji от времени

коэффициенты, зависящие от геометрических и массовых характери­ стик балансируемого ротора, где тр — масса ротора, ea.t — эксцен­ триситет центра масс ротора, причем DCT = треС1; tg ц = = \FÛt\/FÛn = |в|/© 2 — тангенс угла отклонения неуравновешен­ ной силы от ее нормальной составляющей.

Преследуя практическую ценность полученных результатов, выяс­ ним пределы изменения третьих сомножителей в выражениях (3.3)

каждого периода. Из графиков изменения угловой скорости ротора (рис. 3.2, а) следует, что а>тах и о)тщ равны, но угловые ускорения е значительно отличаются (рис. 3.2, б).

Эти же графики в других масштабах (1 мм = 95-10_3 Н) изобра­ жают нормальную Fun и тангенциальную Fût составляющие не­ уравновешенной силы. Поэтому для оценки динамических свойств

ротора введем коэффициент динамичности и, предложенный акад. И. И. Артоболевским. Этот коэффициент представляет собой отно­

шение той части инерционного момента Л4 = / ^ г (J — момент

инерции ротора), которая вызывает угловое ускорение, к удвоенной кинетической энергии 2Т = /со| балансируемого ротора:

значение tg р достигает 0,0046. Исследования показывают, что по­ рядок указанного значения tg р не изменяется и при увеличении ô (например, при Ô = 1/25).

Из этого следует, что (tg р)2 1 и выражения (3.3), (3.4) могут быть представлены в следующем виде:

Fi,, = ®2Di; Fu„ = (à-Dn.

Таким образом, неуравновешенные силы в плоскостях коррекции неравномерно вращающегося ротора можно считать постоянными во времени и зависящими только от его геометрических и массовых характеристик. Поэтому существующие способы балансировки рото­ ров применимы и для случая непостоянства их угловой скорости.

Влияние непостоянства частоты вращения ротора на определение параметров дисбаланса. Опыт балансировки роторов показывает, что их частота вращения непостоянна во времени и в значительной мере зависит как от класса привода станка, так и от конкретных типов изделий, балансируемых при самоходном вращении.

Известно [2], что приводы балансировочных станков деляг на три класса: механический, пневматический и собственный. Механи­ ческий привод в различных модификациях (контактный — осевой, ременный, шнуровой и др.; бесконтактный— с использованием магнитной муфты и др.) широко применяется в современных балан­ сировочных станках. Пневматический привод применяется редко, если это не предопределяется самой конструкцией ротора. Индиви­ дуальный привод (собственный) используют главным образом при балансировке роторов в изделии.

В паспортах станков обычно указывают частоту вращения ротора при балансировке, а для изделий — номинальную частоту вращения.

Колебания угловой скорости ротора относительно ее среднего

на станке или номинальная частота вращения балансируемого изде­ лия, мин-1.

Коэффициент Ô— величина весьма малая, что позволяет принять среднее значение угловой скорости ротора приблизительно равным

среднему арифметическому из ее максимального и минимального значений:

шин и механизмов изменяются в пределах от V5до Vgoo и меньше [1 ]. Следовательно, амплитуда колебаний угловой скорости не превы­ шает ± 1 0 % ее среднего значения, а для большинства машин и при­ боров (электро-, турбомашины, роторы текстильного оборудования, приборы промышленной и бытовой техники, гироскопы и пр.) изме­ нение угловой скорости составляет менее ±0,5 %.

Относительная расстройка угловой скорости роторов в современ­ ных балансировочных станках с нерегулируемыми электроприво­ дами составляет не более 0,2 %. Применение в станках электриче­ ских регулируемых приводных устройств позволяет снизить неста­ бильность AQ привода до ±0,05 %. Следует отметить, что нестабиль­ ность регулируемых пневмоприводов ДП ^ 5±10 %. Такая неста­ бильность вращения ротора в процессе его балансировки в значи­ тельной мере искажает информацию о дисбалансе.

Как известно, основной составной частью любого балансировоч­ ного станка или комплекта является измерительное устройство, содержащее частотно-избирательное средство (фильтр). Его задача заключается в том, чтобы из сложных сигналов, поступающих от датчиков механической системы станка или вибродатчиков, укрепленных на изделии, выделить в контролируемой плоскости сигнал дисбаланса, возбуждаемый на частоте вращёния ротора при его балансировке.

Фильтры измерительных устройств оценивают добротностью, под которой понимают отношение

Q= (Оо/(2Дй>).

Из формул (3.6), (3.9) и (3.10) следует

Q « l/ô.

Это выражение следует понимать так: при известном коэффи­ циенте неравномерности ô угловой скорости балансируемого ротора добротность фильтра станка или комплекта не должна быть более V6. В противном случае погрешности определения параметров дисба­ ланса будут значительными (см. рис. 3.3).

Погрешности в определении значения и угла дисбаланса в зави­ симости от применяемого фильтра станка или комплекта, а также от допустимого значения коэффициента неравномерности вращения

Здесь амплитуда сигнала дисбаланса выражена в безразмерной форме

ДD = D/DQ,

где D0 — значение дисбаланса при настройке фильтра на резонанс­ ную частоту со0 = ю0.

Функции ДD = fo (б, Q) и Дер = /ф (ô, Q) показаны на рис. 3.4. Из рисунка видно, что при современных требованиях к определению параметров дисбаланса (ДD < 10 %; Дер < 4-ь5°) добротность филь­ тров измерительных устройств станков и комплектов может быть не более 10—50, при этом коэффициент неравномерности вращения ротора при балансировке должен составлять 1/100—V5oo и менее.

На практике при уравновешивании машин и приборов такая добротность фильтра иногда бывает недостаточной ввиду многооб­ разия источников помех, а поддержание постоянства частоты вра­ щения балансируемого ротора на указанном уровне путем стабили­ зации частоты вращения приводных устройств встречает значитель­ ные трудности. В этом случае точность определения параметров дисбаланса можно повысить за счет применения в измерительных устройствах станков или комплектов фильтров, обладающих свой­ ством автоматической настройки на частоту вращения ротора (векторметры, фазовые детекторы, синхронно-фазовые фильтры), или автоматически перестраиваемых по частоте (следящих фильтров).

3.2. СРЕДСТВА БАЛАНСИРОВКИ НЕРАВНОМЕРНО ВРАЩАЮЩИХСЯ РОТОРОВ

(Ю. А. Самсаев, Ю. С. Котт, И. Б. Курбатов)

Рассмотрим один из вариантов регулируемого электропривода, применяющегося при балансировке (рис. 3.5).

Программный блок ESfl формирует задающее воздействие, ко­ торое поступает на один из входов схемы сравнения ЕС. На другой вход ЕС поступает частотно-зависимый сигнал тахогенератора ETG, который сравнивается с задающим сигналом. Сигнал рассогласова-

Рис. 3.5. Функциональная схема высокочастотного приводного устройства балан­ сировочного стенда

ния ЕС отрабатывается силовым преобразователем ЕП, воздейству­ ющим на приводное устройство AM балансируемого ротора. С дат­ чиков дисбаланса В1 и|Я2Гротора через входное устройство и цепь разделения плоскостей коррекции ESIJK вибросигнал поступает на частотно-избирательный усилитель AZ, входящий в систему авто­ подстройки частоты (АПЧ) в рабочей точке поддиапазона, предва­ рительно выбираемой при настройке AZ на заданную угловую ско­ рость ротора при балансировке.

При разгоне ротора сигнал на выходе AZ будет иметь фазовый сдвиг, что отразится на выходном напряжении фазового детек­ тора Ф11. Это напряжение через фильтр низких частот и усили­ тель А поступает на схему сравнения ЕС.

В момент достижения ротором заданной частоты балансировки схема ЕС подает сигнал на программный блок ESI7, который пре­ кращает разгон балансируемого ротора.

Если частота вращения ротора по каким-либо причинам изме­ няется относительно выбранной, сигнал на выходе AZ будет полу­ чать фазовый сдвиг. Выходное напряжение Ф11, определяющееся разностью фаз поступающих на его входы напряжений, будет срав­ ниваться в блоке ЕС с напряжением тахогенератора ETG. Сигнал ошибки, поступающий с выхода ЕС, будет отрабатываться силовым преобразователем ЕП, который воздействует на приводное устрой­ ство AM и корректирует частоту вращения ротора.

По принципу действия и характеристикам структурная схема, изображенная на рис. 3.5, представляет собой систему с частотной и фазовой АПЧ.

Привод, технически реализованный по заданной структурной схеме, имеет нестабильность AQ = 0,2-^-0,5 % в зависимости от массы ротора.

В некоторых случаях роторные системы необходимо балансиро­ вать на их рабочей частоте вращения. Оптимальным приводом яв­ ляется привод, использующий самоходное вращение ротора. Если самоходное вращение ротора не используют, то любое соединение высокоскоростного ротора с приводным устройством вносит огра­ ничения на точность и производительность процесса балансировки.

При балансировке изделий в сборе на рабочих или близких к ним частотам вращения роторов требуется повышение эквивалент­

ной добротности фильтра балансировочного станка до Q0KD = 100

иболее, так как уровень и спектр помех значительно увеличиваются.

Вэтом случае возникают принципиальные трудности в технической реализации прецизионных стабилизированных приводов с неста­ бильностью Ай не более 0,05 %. Кроме того, существует категория роторов, для самоходного вращения которых требуется пневмопри­ вод. Нестабильность современных регулируемых пневмоприводов составляет Ай = 2-т-10 %. Точность измерения параметров дисба­ ланса в этом случае можно повысить с помощью фильтров, облада­ ющих свойством автоматической настройки на частоту вращения ротора в рабочем диапазоне.

Наиболее широкое применение в отечественной и, особенно, в зарубежной балансировочной технике получили измерительные устройства, использующие фильтрующие свойства электродинамиче­ ских приборов (ваттметров, векторметров), вектормерных фазовых детекторов, синхронно-фазовых фильтров.

Современные электродинамические приборы, используемые в ба­ лансировочном оборудовании, при собственной частоте подвижной системы различной модификации 1,0 и 0,3 Гц, степени успокоения г| = 0,8 позволяют получить эквивалентную добротность измери­ тельного устройства [33]

QaitB ^ (0>8 -г- 2,6)/5.

Во многих случаях балансировки, например роторов с рабочей частотой менее 15 Гц, для фильтрации помех необходима более высокая добротность фильтров. Избирательность можно повысить путем применения в этих устройствах вектормерных фазовых детек­ торов.

Эквивалентная добротность при фазовом детектировании

до любого практически разумного значения. К следящим измери­ тельным устройствам также относятся синхронно-фазовые филь­ тры [25].

Эквивалентная добротность синхронно-фазового фильтра с одно­ звенной /?С-цепыо в фильтрах низких частот описывается уравне­ нием (3.11).

Для синхронных фильтров эквивалентная добротность Q3KB прин­ ципиально не ограничена. Однако ввиду погрешностей технической реализации фэк„ < 300, а минимальное предельное значение доб­ ротности для фильтров балансировочного оборудования (при ин­ тенсивной узкополосной помехе на второй гармонике) QaKB = 13 [32].

Опорное напряжение, необходимое для работы указанных выше фильтров, обычно получают от электрических устройств, имеющих кинематическую связь с ротором. Эти устройства служат также для определения углового положения ротора и носят название генера-

торов опорного сигнала (ГОС). При высокой угловой скорости ро­ тора (соб 2000 с '1) ГОС не может быть непосредственно соединен с ним вследствие трудности сочленения и ограничения точности балансировки. В этих случаях используют бесконтактные ГОС, которые представляют собой электронное устройство, преобразую­ щее входные короткие импульсы, получаемые с помощью датчиков отметки угла от контрастной метки на роторе (фотоэлектрический способ) или каким-либо другим способом, в синфазный синусо­ идальный сигнал на выходе. Из всего многообразия следует выделить бесконтактные ГОС, выполненные на базе импульсно-фазовой авто­ подстройки частоты.

Широкое распространение в балансировочной технике в качестве активных фильтров получили избирательные усилители. Известным конструкциям таких усилителей не .присущи свойства автоматиче­ ской настройки на частоту вращения балансируемого ротора; они вносят большие фазовые погрешности при нестабильности частоты вращения. Это требует введения в схемы избирательных усилителей систем АПЧ. Усилители с АПЧ, появившиеся в отечественной ба­ лансировочной технике в начале 70-х годов, в дальнейшем получили название следящих фильтров. Эти фильтры могут быть построены по двум, принципиально отличным, вариантам.

Вкачестве первого варианта следящего фильтра применяют схемы

спереносом спектра дисбаланса. Функциональная и принципиаль­ ная схемы одного из вариантов следящего фильтра с переносом спектра подробно описаны в литературе [34].

Эквивалентная добротность следящего фильтра с переносом спек­ тра можно определить по формуле

QBKD== Qu.у/б//И. У >

где Q„. у — эквивалентная добротность активного фильтра фикси­

Для избирательных усилителей балансировочной техники с прак­ тической точки зрения рекомендуется выбирать QaKB < 120. Кроме того, отношение частоты фильтра fn, у к максимальной (верхней) частоте /б. в диапазона выбирают больше трех, причем для целей балансировки это отношение следует брать не кратным 2 или 3.

В качестве второго варианта следящего фильтра применяют схемы, в которых АПЧ непосредственно воздействует на элементы избирательного усилителя.

Следует отметить, что отечественные балансировочные комплекты как в виде штатных приборов, так и в качестве измерительных устройств к балансировочным Станкам с бесконтактными генерато­ рами на базе импульсно-фазовой АПЧ были разработаны и стали эксплуатироваться в 1965—1967 гг. В начале 70-х годов для балан­ сировки роторов были технически реализованы и начали эксплуати­

роваться первые отечественные следящие фильтры, построенные по указанным двум вариантам. Следящие фильтры, конструктивно выполненные в виде отдельных устройств, входят в состав баланси­ ровочных станков [15, 25].

Все варианты устройств при эксплуатации повысили качество балансировки за счет увеличения точности измерения параметров дисбаланса при непостоянстве частоты вращения ротора. В некото­ рых организациях имеются балансировочные стенды, которые ком­ плексно используют приводные устройства с системой стабилиза­ ции частоты вращения ротора и следящие фильтры в измерительных устройствах. Это позволяет повысить точность определения угла дисбаланса в 5—10 раз. Например, избирательный усилитель с фик­ сированной настройкой и Q3KB = 27 и штатным приводным устрой­ ством имеет погрешность определения угла дисбаланса Дф = 19°. При применении электропривода, построенного по структурной схеме, приведенной на рис. 3.1, Дф =4,5° Включение следящего фильтра в блок измерительного устройства позволяет снизить по­ грешность до 1—2° на краях выбранного диапазона частот вращения ротора.

В заключение отметим, что по рекомендациям международной организации ИСО/ТК-108 (РГ 6) измерительные устройства совре­ менного балансировочного оборудования должны иметь самона­ страивающиеся на частоту вращения ротора фильтры. Это требует от наших специалистов активизации работ в данной области балан­ сировочной техники, особенно в создании широкодиапазонных сле­ дящих фильтров.

3.3. ОСОБЕННОСТИ БАЛАНСИРОВКИ РОТОРОВ НА ПРИМЕРЕ ТУРБОХОЛОДИЛЬНИКОВ

(Е. А. Панфилов, Ю. А. Самсаев)

В современных летательных аппаратах применяются герметиче­ ские кабины с системами кондиционирования. Эти системы содержат турбохолодильники, обеспечивающие в кабинах аппарата заданные температуры и давления.

Турбохолодильник представляет собой газовую турбину, в кото­ рой внутренняя энергия газа при расширении преобразуется в ме­ ханическую работу сил, приложенных к вращающемуся ротору. Частота вращения роторов турбохолодильников составляет 20 000— 150 000 мин'1 в зависимости от типа изделия [81.

Ротор турбохолодильника в собранном виде (рис. 3.6) содержит вал 1 с дисками турбины 3 и вентилятора 4, который вращается на совмещенной опоре 2.

Для удобства подступа к плоскостям коррекции ротора входной вентиляторный и выходной турбинный патрубки сняты.

Экспериментальные исследования показали, что в течение 15— 30 ч работы турбохолодильника возрастает [неуравновешенность ротора, а затем снижается до определенного значения дисбаланса