Самостійна робота – 13

Тема: Динамічне та статичне балансування деталей та вузлів.

1. Параметри динамічного та статичного балансування

2.Випробувальні стенди

1. Метою та завданням цієї роботи є вивчення процесу статичного урівноваження. Відомо, що з розвитком науково-технічного прогресу, швидкості обертання деталей машин зросли до декількох десятків, а в деяких умовах, сотень тисяч обертів на хв. При таких швидкостях навіть незначна неврівноважена маса може призвести до виходу з ладу і навіть аварії механізму або апарату. Але тут мова йде вже про динамічну балансування. Як проміжна стадія динамічного балансування є статична. Вона дозволяє виявити явну неврівноваженість ротора.

У цій роботі також метою є підвищення точності статичного балансування, і її автоматизація. Це вдалося завдяки широким патентних досліджень. Була розроблена оптимальна модель лабораторного стенда для статичного балансування роторів. Тут нам вдалося вирішити питання зниження коефіцієнта тертя в опорах. Оригінальність рішення полягає в тому, що ще в процесі проектування була закладена база для подальшої модернізації і поліпшення роботи окремих вузлів стенду.

Для універсальності виготовлення використовуються промислові вузли та деталі. Результатом роботи має стати готова лабораторна установка, на якій можна проводити експерименти.

Теорія балансування техніки являє собою комплекс дуже складних і важливих для сучасного технічного прогресу розділів, до яких відносяться:

I. Теоретичні основи балансування жорстких роторів і верстатів для їх врівноваження.

II. Теорія і засоби балансування гнучких роторів.

III. Теорія та урівноваження механізмів.

IV. Теорія допустимих дисбалансів роторів.

Як відомо, при конструюванні кожного ротора повинні виконуватися дві умови. По-перше, ротор повинен являти собою збалансоване тіло у випадку точного його виготовлення. По-друге, у ротора повинні бути передбачені площині корекції, в яких він може бути врівноважений після виготовлення і при ремонті.

Балансування обертових мас є одним з основних засобів зменшення вібрацій і збільшення надійності та довговічності машин і приладів.

Спочатку завдання урівноваження вирішувалася розрахунковим та експериментальним шляхом. Точне інструментальне урівноваження обертових мас виявилося можливим тільки до кінця XIX ст. у зв'язку з впровадженням високооборотних парових турбін. Спеціально сконструйовані для динамічного врівноваження роторів балансувальні верстати з'явилися на початку XX ст.

Збільшення швидкостей обертання і мас роторів викликало постійно зростаючу необхідність у збільшенні точності урівноваження і продуктивності балансувань верстатів. Це створило сприятливі умови для розширення фронту робіт з удосконалення балансування обладнання та вишукування нових принципів його роботи.

Наприкінці 30-х років найбільшого поширення знайшли верстати з маятникової рамою і різними конструкціями механічних та електромеханічних вимірювальних приладів для визначення дисбалансів ротора в площині корекції.

Балансувальні верстати цього класу дозволяють балансувати ротори з високою точністю. Їх використовують в даний час на таких ділянках виробництва, де не потрібна велика продуктивність.

У наступні роки завдяки успіхам в області електроніки з'явилася можливість створення чутливих балансувань верстатів з рухомими опорами без використання явища резонансу механічної системи. Це дозволило зберегти одночасну рухливість обох опор ротора під час балансування, застосувати електричну схему для усунення взаємного впливу площин корекції і виключити операцію переустановки ротора в процесі врівноваження. З'єднання цієї переваги з легкістю і зручністю відліку величини і місця корегуючих мас на електронних вимірниках помітно зменшило час балансування роторів. Підвищена продуктивність таких верстатів забезпечила їм швидке і широке поширення в різних галузях промисловості.

Перше фундаментальне дослідження динаміки балансувань верстатів, зроблене видатним російським вченим акад. А. Н. Крилов, збігається з поширенням балансувань верстатів і методів статичного і динамічного врівноваження роторів.

Теорія балансувань верстатів продовжує вдосконалюватися і в даний час.

Прагнення до збільшення швидкості обертання роторів у сучасних машинах і приладах призводить до необхідності збільшення її до значень, що перевищують перших, а іноді другого і третього критичні швидкості.

За таких швидкостях обертання ротори стають гнучкими, внаслідок чого балансування їх у двох площинах корекції виявляється недостатньою. Це пояснюється тим, що урівноваження гнучкого ротора в двох площинах корекції може бути виконано тільки для певної швидкості обертання. При будь-якій іншій швидкості ротор знову стає неврівноваженим. З цієї причини ротори, повністю врівноважені на балансувальному верстаті при порівняно малій швидкості, знову виходять неврівноваженими при експлуатаційних швидкостях.

В даний час гнучкі ротори врівноважуються в трьох і більшій кількості площин корекції на спеціальних верстатах і стендах або безпосередньо у власному корпусі на місці їх встановлення. Специфіка урівноваження гнучких роторів була помічена ще А. Стодоля і розроблялася В. Блессом. Проте цій проблемі було приділено достатньо уваги тільки в середині 50-х років.

Великий вплив на теорію і практику балансування гнучких роторів справила робота А. Мільдаля, в якій обгрунтований принцип незалежного врівноваження кожної гармоніки функції розподіленого дисбалансу, яке слід здійснювати при обертанні ротора на відповідних критичних швидкостях.

Теорія урівноваження гнучких роторів по власних форм коливань була розвинена в роботах радянських вчених та інше. Ця теорія є вихідним напрямком у практиці урівноваження. Проте її застосування обмежується складністю операцій.

Слід вказати на розвиток та інших методів урівноваження гнучких роторів, що не вимагають знання форм власних коливань. Це експериментально-розрахункові методи визначення ексцентриситетом по зміні деформації ротора, реакцій опор та інше.

Використання цих нових методів в даний час стало можливим завдяки застосуванню ЕОМ.

Теорія урівноваження гнучких роторів стосовно турбогенератора отримала практичне застосування на заводі "Електросила". В авіаційній промисловості розроблені і побудовані вібровимірювальні балансувальні стенди з вакуумної камерою, що дозволяють виробляти балансування гнучких роторів турбомашин в умовах, близьких до експлуатаційних.

Зрівноважування механізмів має в даний час дуже велике значення в техніці, в зв'язку з необхідністю створення більш потужних і більш продуктивних поршневих машин і різних механізмів для реалізації високошвидкісних технологічних процесів в текстильної, взуттєвої, харчової, металообробної та інших галузях промисловості.

Основи теорії механізмів урівноваження були закладені в роботах акад. І. І. Артоболевський і потім успішно розвивалися в області урівноваження:

Плоских механізмів;

Просторових механізмів;

Механізмів з несиметричними ланками;

Механізмами із змінними масами ланок;

Механізмів багатоциліндрових машин з однаковими і неоднаковими шатунно-поршневими групами.

1) Найбільш повно вирішені задачі статичного врівноваження як плоских, так і просторових механізмів з постійними масами і з симетричними ланками. Ці завдання вирішуються методом наведених точкових мас або методом векторів головних точок ланок.

Однак у зв'язку з безперервним зростанням швидкостей ланок зниження рівня вібрацій і збільшення продуктивності механізмів за рахунок тільки статичної урівноваження стає неможливим. Тому доводиться застосовувати на практиці методи динамічного врівноваження механізмів. Повне вирішення цього завдання зустрічає великі конструктивні труднощі. Проте точне урівноваження в будь-якому плоскому механізмі з симетричними ланками і з постійними масами головного вектора і перші гармоніки головного моменту системи неврівноважених сил досягається простими конструктивними засобами.

2) Зрівноважування просторових механізмів має в даний час важливе значення для багатьох галузей народного господарства. Такі механізми зустрічаються в літаках, автомобілях, у приладах різного призначення, а також в сільськогосподарських текстильних, взуттєвих, харчових та інших машинах. Визначення моменту неврівноважених сил і знаходження умов, за яких ці сили будуть відсутні, представляє незрівнянно більш складну задачу, ніж у випадку плоских механізмів, і вимагає для свого рішення спеціального математичного апарату.

В даний час теорія просторових механізмів розроблена недостатньо і вимагає подальшого розвитку.

3) Механізми з несиметричними ланками часто зустрічаються в техніці. Зрівноважування їх має ряд особливостей.

Рішення завдання урівноваження плоских механізмів з несиметричними ланками вперше було отримано в роботі методом лінійно-незалежних векторів, що дозволяють знаходити величину і координати корегуючих мас. Цей метод є перспективним, але й дещо складним при врівноважені багатоланкових механізмів. Тому методика урівноваження механізмів з несиметричними ланками за допомогою векторів головних точок ланок і відрізків механізму, що відрізняється простотою та наочністю, що дозволяє використовувати її для статичного і динамічного врівноваження шарнірних механізмів різних класів і порядків.

4) Завдання аналізу неврівноважених сил, що діють в багатоциліндрових машинах, і їх урівноваження вирішена в даний час найбільш повно. Але і тут існує цілий комплекс різних завдань, що потребують додаткового дослідження. Наприклад, практичний інтерес викликають особливості балансування колінчастих валів з технологічними втулками або без них; явище стаціонарного вигину колінчастого вала, що виникає при деяких умовах в багатоциліндрових машинах навіть у тому випадку, коли виконані умови зовнішнього урівноваження сил першого, другого і більш високих порядків; вимагають дозволу деякі завдання з врівноваження багатоциліндрових машин з неоднаковими шатунно-поршневими групами і ряд інших завдань.

5) Зрівноважування механізмів із змінними масами ланок становить інтерес для багатьох галузей промисловості, сільського господарства і транспорту.

Прикладами механізмів зі змінною масою можуть служити різні грохоти, хитні конвеєри, віброзагрузочне пристрої.

Точне урівноваження механізмів із змінними масами досягається противагами зі змінними дисбалансами. На практиці часто застосовується наближене урівноваження таких механізмів простими противагами.

У механізмах із змінними масами діють, як відомо, крім активних, реактивних і коріолісових сил, ще так звані варіаційні сили, що виникають при нестаціонарному відносному русі мас в системі, і імпульсивні сили, що виникають при відділенні або при додаванні мас у кінематичного ланцюга механізму.

Дослідженню динаміки таких механізмів із змінними масами присвячені роботи Артоболевський И. И., Бессонова А. П. Та ін..

2. Умовимося також позначати устаткування (верстати, стенди, і т.д.) для статичного балансування, що працюють в режимі статики, літерами СБС, а обладнання, що працює в режимі динаміки, літерами СБД. Далі до позначення виду устаткування будемо приписувати порядковий номер групи устаткування у відповідності з розбивкою, наведеної вище.

Кожна група устаткування ділиться, в залежності від конструктивних особливостей, на типи, що позначаються малими літерами алфавіту і приписуються до шифру, що означає цієї групи. При такому позначенні повний шифр обладнання буде відображати вид, групу та тип обладнання, тобто характеризувати дане балансувальне пристрій за його основних властивостях.

Зауважимо, що п'ята група балансувань пристроїв, що працюють в режимі статики, перспективна для поплавкові приладів, для яких визначення статичної неврівноваженості може побуть грунтується на положенні осі ротора в просторі, якщо ротор знаходиться в підвішеному стані у відповідній рідини.

Обладнання для статичного балансування в динамічному режимі охоплює 4 системи балансувань машин, до яких входять сім відомих типів обладнання.

Найбільше застосування на практиці знайшли балансувальні верстати типу СБД-1а, СБД-4а, СБД-4б, СБД-4в і СБД-5а.

Слід зауважити, що балансувальне обладнання, що працює в режимі динаміки, залежно від величини відносини частоти балансування w до власної частоті рухомої системи балансування пристрої w 0 може працювати в трьох режимах:

в дорезонансном режимі при w / w 0 < 1;

в резонансному режимі при w / w 0 = 1;

в зарезонансном режимі при w / w 0> 1.

Однак залежність між статичної неврівноваженістю ротора і переміщенням рухомої частини балансування машини визначається загальними для трьох режимів математичними залежностями, приватні значення яких знаходяться шляхом підстановки числових значень, властивих конкретному режиму. Тому введення цієї ознаки в класифікацію не вносить чого-небудь нового. Слід зауважити, що поряд з верстатами, що працюють у динамічному режимі при безперервному обертанні ротора, сюди треба віднести пристрої, у яких ротор знаходиться в режимі кутових коливань.

Практично найбільш поширеним режимом роботи обладнання другого виду є зарезонансний режим, рідше використовується дорезонансний режим і в рідких випадках резонансний режим. Область роботи окремих типів балансування обладнання другого виду показана на рис.1, де графічно представлена залежність амплітуди x коливань рухомої системи верстата від відносної швидкості обертання ротора w / w 0.

Обладнання першого виду, тобто що працює в статичному режимі, просто в експлуатації, але вимагає високої кваліфікації оператора. Однак даний вид обладнання має обмежену точність, тому що вона повинна задовольняти двом суперечливим вимогам: опори стенду повинні сприймати всю масу ротора і в той же час бути чутливими до малих зміщенням центру маси ротора.

На стендах типу СБС-1 і СБС-4 при зміні неврівноваженості ротора зазвичай використовують метод "обходу вантажем" або метод "пробних вантажів", що не дає високої продуктивності, а тому їх застосовувати в масовому виробництві недоцільно. Вимірювання величини і кутової координати неврівноваженості на балансувань верстатах типу СБС-2 і СБС-3 виконується більш досконалим способом. Зокрема, на стендах типу СБС-2 величина і кутова координата неврівноваженості ротора прочитуються безпосередньо за відповідними шкалами. На стендах типу СБС-3 вимірювання параметрів неврівноваженості ротора можна виконувати методом "обходу вантажем", але зазвичай віддають перевагу більш прогресивний метод "двох вимірів". Метод зводиться до вимірювань неврівноваженості ротора в двох взаємно перпендикулярних положеннях безпосередньо на стенді, з наступним визначенням сумарної неврівноваженості за допомогою спеціального пристрою. Ці стенди іноді комплектуються пристроєм для видалення неврівноваженості, що значно підвищує продуктивність статичного балансування. Обладнання другого виду, тобто що працює в динамічному режимі, використовується в промисловості порівняно недавно і є новим. Верстати такого виду володіють підвищеною точністю і продуктивністю. Часто процес виміру та усунення неврівноваженості виконується в одному агрегаті. Вимірювання величини і кутової координати статичної неврівноваженості на балансувань верстатах, які працюють у динамічному режимі, здійснюється електричним методом, шляхом вимірювання величини і фази електричного сигналу, що відображає коливання рухомої системи верстата при русі неврівноваженого ротора. Іноді величини і фази електричних сигналів характеризують реакції в опорах ротора при його русі на балансувальне верстаті. Для отримання електричних сигналів користуються електродинамічними або п'єзоелектричними датчиками того чи іншого типу. В окремих випадках для визначення параметрів неврівноваженості користуються методами механіки, тобто вимірюють амплітуди коливань рухомої системи верстата в момент резонансу.

Повинен знати і розуміти:

1. Параметри динамічного та статичного балансування

2. Випробувальні стенди

Контрольні питання:

1. Теорія балансування техніки ?

Література:

1. С.К. Полянський, В.М. Коваленко „Експлуатаційні матеріали”: Підручник. - К.: Либідь, 2003 р.

2. Навчальний посібник/ Упор. В.Я. Чабанний. - Кіровоград: Центрально-Українське видавництво, 2007. - 348 с.