330 / ЗаданКурсЖурналПолныйМПУСУ / 2БалансировкаРотора

Дмитрий Егоров, Любовь Глазырина, Петр Жиганов, Александр Ключников,

Александр Пелевин

В статье описывается автоматизированная система для выполнения работ

по динамической балансировке роторов на вертикальном балансировочном стенде

с газостатическими подшипниками.

ВВЕДЕНИЕ

стей коррекции. Для устранения дейст

нижняя измерительные опоры. Опоры

Современная техника предъявляет

вия нагрузок от массы тела баланси

представляют собой плоскопараллель

всё возрастающие требования к точно

ровка ротора выполняется при верти

ные подвески, к упругим пластинам

сти балансировки и определению мас

кальном положении оси вращения.

которых крепятся соответственно

со центровочных и инерционных ха

Использование газостатических под

верхний и нижний конические газо

рактеристик (МЦИХ) жёстких меж

шипников обеспечивает отсутствие

статические подшипники. Нижняя

опорных роторов, в частности, главных

механического контакта между поверх

опора с помощью механизма регули

моментов инерции, смещения центра

ностью ротора и поверхностями под

ровки радиальных зазоров имеет воз

масс, угла отклонения главной про

шипников и исключает износ поверх

можность продольного (вдоль оси ро

дольной центральной оси инерции ро

ности ротора в процессе его баланси

тора) перемещения. Установочные ба

тора от оси вращения и других.

ровки (что может быть полезно, напри

зы подшипников соответствуют уста

Мерой неуравновешенности тела яв

мер, при балансировке роторов лета

новочным базам ротора. Подшипники

ляется дисбаланс — векторная величи

тельных аппаратов и в ряде других от

оборудованы пневматическими приво

на, равная произведению неуравнове

ветственных приложений).

дами для разгона и торможения рото

шенной массы на ее эксцентриситет.

ра, воздух в которые от пневмосети по

Дисбаланс полностью определяется

ОБЪЕКТ БАЛАНСИРОВКИ

сле очистки и осушки поступает через

значением и углом в системе коорди

Объект представляет собой тело вра

электромагнитные пневмораспредели

нат, связанной с осью ротора. Процесс

щения (жёсткий ротор) с двумя плос

тели (клапаны), входящие в состав

определения значения и угла дисба

костями коррекции. В каждой плоско

ПРС стенда.

ланса ротора и уменьшения их величин

сти имеются равномерно расположен

В упругих подвесках каждого из под

корректировкой масс называют балан

ные по окружности резьбовые отвер

шипников установлены включенные

сировкой ротора. При статической ба

стия, угловые положения которых из

по дифференциальной схеме датчики

лансировке определяют и уменьшают

вестны и связаны с системой коорди

силы, измеряющие реакции опор на

главный вектор дисбалансов обычно в

нат ротора, для установки контроль

проявления динамической неуравно

одной плоскости. Статическую неурав

ных и балансировочных грузов.

вешенности ротора при его вращении.

новешенность можно определить без

На рис. 1 показаны только датчики

вращения ротора с помощью силы тя

ОПИСАНИЕ КОНСТРУКЦИИ

верхнего подшипника, датчики в под

жести. При этом статическая баланси

СТЕНДА

весках нижнего подшипника установ

ровка не позволяет выявить и устра

Работы по динамической баланси

лены аналогично.

нить динамическую неуравновешен

ровке роторов и определению их

Для определения частоты вращения

ность ротора [1].

МЦИХ выполняются на вертикальном

ротора используется световодный фото

Однако в процессе эксплуатации для

низкочастотном

балансировочном

датчик. Светоотражающее зеркало на

функционирования ротора с заданной

стенде с «жесткими» измерительными

цилиндрической части боковой поверх

точностью его ось вращения должна

опорами в виде двух конических газо

ности ротора с помощью клея закрепля

совпадать с его главной продольной

статических подшипников. Стенд так

ется на уровне свободного торца свето

центральной осью инерции. Решение

же оборудован пневмо распредели

вода, и его угловое положение однознач

этой задачи может быть выполнено

тельной системой (ПРС), предназна

но связано с системой координат ротора.

только методом моментного уравнове

ченной для очистки воздуха и стабили

шивания ротора после его сборки. Ди

зации его давления.

ЗАДАЧИ, РЕШАЕМЫЕ

намическая балансировка уменьшает

Конструктивно

балансировочный

АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ

как главный вектор, так и момент дис

стенд (рис. 1) выполнен в виде массив

СИСТЕМОЙ

48

балансов ротора. Она требует враще

ного фундамента,

на вертикальной

Автоматизированная система кон

ния ротора и обязательно двух плоско

стойке которого закреплены верхняя и

троля и управления (СКУ) процессом

www.cta.ru

СТА 4/2001

Светоотражающее зеркало

A

Вид A

Световод

Датчик силы

Верхняя

измерительная

опора

Ротор

Верхний

и нижний

Вертикальная

конические

стойка

газостатические

подшипники

Нижняя

измерительная

опора

Механизм

регулировки

радиальных

Датчик силы

Рис. 2. Вид типового сигнала с датчика силы (жёлтый цвет)

зазоров

Фундамент

и того же сигнала после усиления, фильтрации и цифровой

Рис. 1. Конструкция балансировочного стенда

обработки (белый цвет)

балансировки роторов создана на базе

● модуль дискретного ввода вывода

питающими напряжениями посто

персонального компьютера и модулей

PCL 725 для управления клапанами

янного тока +5, +12, –12 и +24 В фо

аналогового и дискретного ввода вы

разгона, торможения и ввода сигна

тодатчика, устройства связи, а также

вода производства фирмы Advantech.

лов от фотодатчика и аварийного ре

клапанов и реле давления. Питание

СКУ предназначена для

ле давления;

тактового генератора осуществляет

● контроля сетевого давления воздуха

● модуль ввода аналоговых сигналов

ся

непосредственно

от

модуля

на входе в ПРС с помощью реле дав

PCL 818L, один из счетчиков тайме

PCL 818L;

ления;

ров которого используется также для

● программное обеспечение.

● управления исполнительными меха

счета количества импульсов, посту

Модули PCL 725 и PCL 818L произ

низмами (клапанами);

пающих на его вход от тактового ге

водятся фирмой Advantech, источник

● измерения скорости вращения ротора;

нератора за время одного полного

питания NFS80 — фирмой Artesyn

● ввода аналоговых сигналов от датчи

оборота ротора;

Technologies; датчики силы АС20 и уси

ков силы;

● источник питания

NFS80 7602K,

лители АВ02 также являются покупны

● выделения полезной информации из

предназначенный для обеспечения

ми изделиями.

смеси сигнала и помехи, вызываемой

в основном движениями воздуха,

Шина ISA системного блока ПК

электромагнитными наводками, не

АЦП

Плата дискретного ввода вывода

равномерностью воздушных зазоров

PCL 818L

PCL 725

и другими причинами (на рис. 2 по

казаны типовой сигнал, снимаемый

с датчика силы при вращении ротора

Тактовый

~220 В

ИВЭП

Фотодатчик

в подшипниках стенда, и тот же сиг

генератор

NFS80*7602K

нал после его усиления, фильтрации

и цифровой обработки);

Устройство связи

+5 В

+12 В

–12 В

+24 В

● определения значений и углов дис

балансов в системе координат, свя

занной с осью ротора;

АВ02

АВ02

АВ02

АВ02

Световод

● расчета массы и мест установки ба

лансировочных грузов в плоскостях

АС20

АС20

АС20

АС20

коррекции ротора.

Датчики силы

Зеркало

СТРУКТУРНАЯ СХЕМА СКУ

СКУ представляет собой одноуров

Реле

Блок

Верхний

невую систему на базе IBM PC совмес

давления

очистки

+24 В

воздуха

подшипник

тимого персонального компьютера.

Структурная схема системы показана

Механизм

Клапан «Разгон»

на рис. 3. Система содержит:

раскрутки

● датчики силы АС20 с блоками согла

Сжатый

воздух

Блок

сования аналоговых сигналов (уси

Нижний

очистки

подшипник

лителями) АВ02;

воздуха

● двухканальное устройство связи с из

К пневмосети

Механизм

мерительными усилителями и фильт

Клапан «Тормоз»

торможения

рами низких частот в каждом канале;

● световодный фотодатчик;

● тактовый генератор с частотой 10 кГц;

Рис. 3. Структурная схема системы

49

СТА 4/2001

www.cta.ru

Р А З Р А Б О Т К И / М А Ш И Н О С Т Р О Е Н И Е

Модули PCL 725 и PCL 818L

висит от частоты вращения ро

установлены в системном блоке

тора. Поэтому при каждом пус

компьютера. Фотодатчик,

со

ке запись сигналов от датчиков

держащий в своем составе гене

силы проводится в процессе

ратор инфракрасного излуче

выбега ротора на постоянной

ния, световод и фотоприемник,

частоте вращения.

выполнен в

виде отдельного

После регистрации сигналов

блока. Для прохождения по све

начального

неизвестного дис

товоду прямого и отраженного

баланса ротора выполняются

пучков света стеклянные волок

несколько дополнительных пу

на на одном конце световода

сков для определения баланси

разделены на два отдельных све

ровочной

чувствительности

товода, закрепленных в корпусе

стенда по массе и углу в верх

фотодатчика. Тактовый генера

ней и нижней плоскостях кор

тор, устройство связи, усилите

рекции ротора. Для этого кон

ли, а также источник питания

Рис. 4. Вид экрана оператора после регистрации вибросигналов

трольные грузы известной мас

смонтированы в металлическом

сы устанавливаются в соответ

корпусе,

имеющем

габариты

МЕТОДИКА БАЛАНСИРОВКИ

ствующие известным углам резьбовые

270× 270× 85 мм и расположенном ря

РОТОРА

отверстия обеих плоскостей коррек

дом с системным блоком компьютера

После подачи в газостатические под

ции. В каждом пуске после усиления и

на рабочем месте оператора.

шипники рабочего давления воздуха и

фильтрации, выполняемой с целью ус

установки ротора на рабочие поверх

транения шума производственного ха

ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ

ности подшипников с воздушным за

рактера, сигналы оцифровываются и

В процессе функционирования сис

зором выполняется регулировка этих

регистрируются в памяти компьютера

темы участвует оператор. Для удобства

зазоров между ротором и рабочими по

в течение заданного времени. Начало

восприятия информация о процессе

верхностями подшипников перемеще

регистрации осуществляется по сигна

балансировки ротора представляется

нием нижнего подшипника вдоль оси

лу от фотодатчика при достижении ро

графически в виде нескольких кадров,

ротора. В программу вводятся началь

тором заданной частоты вращения. На

позволяющих оператору вводить на

ные данные, необходимые для после

рис. 4 показан вид экрана оператора с

чальные данные, управлять исполни

дующих расчетов МЦИХ ротора (масса

графиками сигналов по окончании их

тельными механизмами, корректиро

ротора, массы балансировочных грузов

регистрации: красный цвет соответст

вать диапазоны измерения АЦП, про

и элементов крепления, радиусы уста

вует сигналу от датчиков, установлен

сматривать промежуточные результаты

новки грузов в плоскостях коррекции и

ных в верхней измерительной плоско

измерений, а также содержащих сред

др.).

сти, зеленый — сигналу от датчиков в

ства визуализации процессов раскрут

Пуск ротора включает в себя следую

нижней измерительной плоскости; по

ки и торможения ротора, регистрации

щие фазы: разгон, свободное вращение

оси абсцисс отложено время регистра

сигналов от датчиков силы.

под действием сил инерции и сил тре

ции в секундах, по оси ординат — амп

Пилотная версия функционального

ния (выбег), регистрация сигналов от

литуда сигналов в единицах младшего

программного обеспечения СКУ напи

датчиков силы, установленных в верх

значащего разряда АЦП. Спектр типо

сана на языке Pascal и исполняется под

ней и нижней измерительных плоско

вого регистрируемого сигнала приве

управлением

операционной системы

стях стенда, торможение до полного

ден на рис. 5.

Windows NT. Программа контролирует

останова ротора.

Как видно из рис. 4 и 5, зарегистри

рабочее давление воздуха и частоту

При неизменности в процессе балан

рованные процессы изменения силы в

вращения ротора, обеспечивает рас

сировки давления сжатого воздуха, а

опорах

подшипников представляют

крутку и торможение ротора, ввод, ци

также таких параметров ротора и опор,

собой сумму нескольких гармоничес

фровую обработку и графическое пред

как расстояния от плоскостей коррек

ких составляющих. Кроме дисбалан

ставление данных в режимах реального

ции до опор, массы, жесткости и т.п.,

сов, вибрации на кратных частотах мо

времени и их накопление на жестком

балансировочная чувствительность за

гут вызывать несоосность подшипни

диске, определяет значения и

ков, овальность ротора в плос

углы дисбалансов в двух плоско

костях подшипников и другие

стях измерения, выводит на мо

причины.

нитор промежуточные результа

Дальнейшая обработка сиг

ты измерения и обработки сиг

налов с применением цифро

налов, рассчитывает массы и

вой фильтрации производится с

места установки балансировоч

целью выделения гармоничес

ных грузов в двух плоскостях

ких составляющих зарегистри

коррекции, рассчитывает вели

рованных сигналов с частотой,

чину смещения центра масс ро

равной частоте вращения рото

тора и угол отклонения главной

ра (рис. 2), то есть чувствитель

продольной

центральной

оси

ных к дисбалансу ротора. По

50

инерции, печатает протокол ба

значениям амплитуды этих гар

лансировки ротора.

Рис. 5. Спектр зарегистрированного вибросигнала

монических

составляющих и

www.cta.ru

СТА 4/2001