Справочник технолога-машиностроителя 2

Единицы измерения дисбалансов и основные понятия технологии балансировки предусматри­ваются ГОСТ 19534-74, Дисбалансом назы­вают векторную величину, равную произведе­нию неуравновешенной массы на ее расстоя­ние до оси ротора е (эксцентриситет), Рото­ром называют любую деталь или сборочную единицу, которая при вращении удерживается своими несущими поверхностями в опорах. Единицей дисбаланса являются грамм-милли­метр (г·мм) и градус (...°), служащие для из­мерения соответственно значения дисбаланса и угла дисбаланса. Отношение модуля глав­ного вектора дисбалансов к массе ротора характеризует удельный дисбаланс [(г · мм)/кг = мкм]. Все дисбалансы ротора приводятся к двум векторам - главному век­тору D_ст и главному моменту М_D дисбалансов независимо от причин, вызвавших смещение центра масс с оси вращения: погрешностей получения заготовки, погрешностей механо­сборочного производства или изменения усло­вий эксплуатации.

Главный вектор дисбалансов D_ст проходит через центр масс и равен произведению массы неуравновешенного ротора на ее эксцентриси­тет е. Главный момент дисбалансов М_D равен геометрической сумме моментов всех дисбалансов ротора относительно его центра масс. Главный момент дисбалансов перпендикуля­рен главной центральной оси инерции и оси ротора и вращается вместе с ротором.

Главный вектор дисбалансов в плоскостях опор может быть заменен его составляющими (симметричными дисбалансами).

Главный момент дисбалансов в тех же пло­скостях опор может быть заменен парой сил (кососимметричными дисбалансами).

Дисбаланс является векторной величиной и полностью определяется на роторе в вы­бранной плоскости углом дисбаланса, а также числовым значением дисбаланса D_i = m_ie_i т. е. произведением неуравновешенной массы m_i на модуль ее эксцентриситета е_i относительно оси вращения. Эта плоскость может служить для задания дисбаланса (плоскость приведения дисбаланса), корректировки масс ротора (пло­скость коррекции), измерения дисбаланса (плоскость измерения дисбаланса). Дисба­лансы в различных двух плоскостях вдоль оси данного ротора различны, и их углы и значе­ния могут быть найдены расчетом, а также с помощью балансировочного оборудования.

Структура технологического процесса балан­сировки определяется назначением баланси­ровки, типом производства, размером детали или сборочной единицы, точностью баланси­ровки, технологическим оборудованием и ос­насткой и т. п.

Балансировка состоит из определения зна­чений и углов дисбалансов ротора и уменьше­ния их корректировкой массы ротора.

Выявление и определение главного вектора можно осуществлять как в статическом (т. е. под действием силы тяжести), так и в динами­ческом (т. е. при принудительном вращении) режиме, а главный момент дисбалансов – только в динамическом режиме.

Действие дисбалансов на ротор можно сни­жать или устранять путем добавления, умень­шения или перемещения одной корректирую­щей массы (или более), создающей дисбаланс такого же значения, что и у неуравновешенно­го ротора, но с углом дисбаланса 180º относи­тельно дисбаланса ротора.

Различают дисбалансы начальный — до корректировки масс, остаточный — после кор­ректировки масс, допустимый — приемлемый по условиям эксплуатации машин, удель­ный — отношение модуля главного вектора к массе ротора.

Различают балансировку статическую (си­ловую), моментную и динамическую (моментно-силовую). При статической балансировке определяют и уменьшают главный вектор дис­балансов, т. е. центр масс ротора приводится на ось вращения размещением соответствую­щей корректирующей массы (масс). При моментной балансировке определяют и умень­шают главный момент дисбалансов путем образования пары сил размещением корректи­рующих масс в двух плоскостях коррекции. При этом главная центральная ось инерции ротора в результате поворота совмещается с осью вращения. При динамической баланси­ровке определяют и уменьшают главный мо­мент и главный вектор. Это достигается раз­мещением корректирующих масс в двух (жест­кие роторы) плоскостях коррекции или более (гибкие роторы). При этом главная централь­ная ось инерции смещается, поворачивается в пространстве и совмещается с осью вращения ротора.

Ротор может быть уравновешен за одну или несколько операций, состоящих из ти­повых переходов; выявление и определение значения и угла дисбалансов (измерительный), преобразование полученных данных в пара­метры технологического метода, принятого для корректировки масс дисбалансов (переход преобразования), и корректировка (устране­ние) дисбалансов до заданных значений. В пол­ностью автоматизированном процессе все три перехода осуществляются последовательно в одной машине, линии, агрегате. Баланси­ровочные операции могут выполняться на всех стадиях производственного процесса: в начале обработки заготовки, после завершения всех операций механообработки детали, в процессе сборки любых сборочных единиц, включая из­делие. В ряде случаев само изделие содержит УБУ (управляемое балансирующее устрой­ство) или даже АБУ (автоматическое баланси­рующее устройство), позволяющее периодиче­ски корректировать дисбалансы, возникающие по мере эксплуатации изделия (износ, нагрев и т. п.).

Способы и средства выявления и определе­ния статической неуравновешенности сборочных единиц. Главный вектор дисбалансов ротора, находящегося в покое, под действием силы тя­жести создает момент относительно оси или точки подвеса ротора и стремится повернуть ротор так, чтобы так называемое «тяжелое» место (центр его масс) заняло самое низкое положение. На этом принципе основано дей­ствие различных средств для выявления и определения статической неуравновешенно­сти в поле силы тяжести; стендов с роликовы­ми (рис. 72, а) и дисковыми (рис. 72,б) опорами или горизонтальными параллельными при­змами (рис. 73). Ротор, имеющий отверстие, надевается на базовую поверхность сбаланси­рованной оправки без зазора. Базовая поверх­ность оправки выполняется концентрично с ее поверхностями, перекатывающимися по роли­кам или дискам. Точность определения «тяже­лого» места зависит и от массы ротора и от трения между оправкой и опорами. Для сни­жения трения и повышения точности исполь­зуют наложение на опоры вибрации (рис. 74) или подачу струи воздуха под шейки оправки (рис. 75).

Другой принцип, на котором основано дей­ствие устройств для выявления статической неуравновешенности, заключается в изменении положения центра масс ротора в горизонталь­ной плоскости при принудительном повороте ротора. Для этого применяют так называемые балансировочные весы (рис. 76). Положение равновесия находят путем перемещения груза 4 при различных угловых положениях ротора, т, е. смещениях центра массы S ротора на ве­личину ±е_ст (изменения длины рычага).

Для тяжелых роторов с большим диаме­тром, обычно не имеющих собственных опор, нахождение эксцентриситета масс заключается в следующем. Ось ротора располагается вер­тикально, а под действием момента от главно­го вектора дисбалансов на плече эксцентриси­тета е_ст происходит поворот или качание ротора на пяте или шарике (рис. 77, а), острие, подвесе (рис. 77,б) или платформе-поплавке. По отклонению базовых поверхностей ротора от горизонта судят о его дисбалансе.

Один из способов нахождения статической неуравновешенности заключается в принуди­тельном вращении ротора с регистрацией да­вления или колебаний (статическая баланси­ровка в динамическом режиме). Применяют специальные балансировочные, станки (рис. 78), чаще с вертикальной осью вращения. Си­ла, вызывающая давление на опоры или коле­бание системы, Р = m_pе_cтω², где m_р — масса ротора; ω — угловая скорость.

Ротор 1 (см. рис. 78), насаженный на оправ­ку шпинделя 2, вращающегося от электродви­гателя 3, вызывает колебания системы относи­тельно фиксированной оси (рис. 78, а), плоско­сти (рис. 78,б), или свободные от связи со станиной 4 станка (рис. 78, в), которые фикси­руются вибропреобразователем 5. В схеме с неподвижными опорами (рис. 78, г) регистри­руется давление. Система ротор — шпин­дель — электродвигатель связана со станиной жестко или пружинами 6. Вибропреобразова­тель 5 является первым звеном системы изме­рения угла и значения дисбаланса. Характери­стика оборудования для статической баланси­ровки приведена в табл. 30.

Способ и средства выявления и определения динамической неуравновешенности сборочных единиц. Отклонение от параллельности оси вращения ротора его главной центральной оси инерции может быть выявлено при вращении сборочной единицы или детали на специаль­ном балансировочном станке. Обычно дей­ствие на ротор главного момента и главного вектора заменяют действием эквивалентных систем. При вращении неуравновешенных масс, находящихся от оси на расстоянии е, возникают центробежные силы, пропорцио­нальные  дисбалансам  в  плоскостях  опор: F_A = m_Ae_Aω², F_B = m_Be_Bω².

Эти силы вызывают давление или вибра­ции в опорах ротора станка и через вибропреобразователи различных типов фиксируют­ся соответствующей измерительной системой.

Данный способ выявления дисбалансов не является единственным, но практически для всех балансировочных станков используют именно его.

Балансировочные измерительные приборы, позволяющие получать информацию о дисба­лансах ротора при балансировке на месте (в собственных подшипниках), действуют так же.

Балансировку на месте осуществляют ба­лансировочным комплектом, который может включать (по ИСО 2371—72) измерительный вибропреобразователь, фильтр, индикатор ам­плитуды колебаний, индикатор частоты и дру­гие специализированные приборы.

Балансировочные станки различают по ви­ду балансировки (для статической и динамиче­ской балансировки), по режиму балансировки (в статике и в динамическом режиме, т. е. с вращением ротора), по рабочей частоте вра­щения ротора (дорезонансные, резонансные, зарезонансные), по типу роторов (горизонтальные и вертикальные), по степени автома­тизации (неавтоматические, полуавтоматиче­ские, автоматические), по числу и специализа­ции рабочих позиций (станки и линии) и др. Общий вид горизонтального станка ДБ-10 для динамической балансировки приведен на рис. 79. Ротор с 1 оправкой устанавливается на опорах 2 станка и приводится во вращение ременным приводом 3 от электродвигателя 4. Колебания ротора на опорах дают измери­тельной системе информацию о величине угла и значении дисбаланса. Технические данные серийных балансировочных станков приведены в табл. 31.

Техническая характеристика балансировоч­ного станка для жестких роторов по ИСО 2953 содержит характеристику типа, массы и размеров балансируемого ротора, диапазон показаний балансировочного станка, указания о приводе станка и другие параметры.

Предельные габариты ротора для горизон­тальных станков характеризуются диаметрами (наибольшим над станиной, наибольшими и наименьшими диаметрами вала для привод­ного ремня), а также осевыми размерами (на­ибольшим и наименьшим расстояниями ме­жду цапфами, наибольшим расстоянием от соединительной муфты до середины наиболее удаленного подшипника и наименьшим рас­стоянием от этой муфты до середины ближай­шего подшипника).

Возможности вертикальных станков харак­теризуются предельными габаритами ротора, включая габариты шпинделя или планшайбы, а также максимальной высотой центра масс ротора.

Для всех станков важными показателями являются диапазон масс балансируемых рото­ров и максимальный момент инерции ротора относительно оси вала. Наибольшее произве­дение массы на квадрат радиуса вращения влияет на число включений и остановок (ци­клов) станка в час, на время разгона ротора до заданной частоты вращения.

Возможности станка характеризуются наи­большим измеряемым на нем дисбалансом для данного ротора и наименьшим дости­гаемым остаточным дисбалансом - порогом чувствительности станка.

Мерой общей эффективности балансировки на стайке служит коэффициент уменьшения дисбаланса (%)

k = (D₁-D₂)/D₁ = 1 – D₂/D₁

где D₁ начальный дисбаланс в данной пло­скости; D₂—дисбаланс после одной корректи­ровки масс в этой же плоскости коррекции.

Относительно привода станка, выбираемо­го для выполнения операции, должны быть известны: частота вращения при балансировке (об/мин) или диапазон бесступенчатого регу­лирования, номинальный при трогании и мак­симальный вращающий моменты на роторе (Н • м), тип привода ротора (торцовый привод от муфты или ленты, ременный привод, при­вод магнитным полем, роликом, струей возду­ха и т. п.), мощность, тип, частоты вращения, напряжение, сила тока, частота и фазы пере­менного тока двигателя, способ торможения двигателя и детали и т. п.

Станки с двумя плоскостями измерения дисбаланса и более имеют специальные си­стемы, исключающие взаимное влияние этих плоскостей. Сигнал в измеряемой плоскости должен идти только от дисбаланса, находяще­гося в данной плоскости.

Механические системы станков, обеспечи­вающие необходимое число степеней свободы, приведены в табл. 32. Класс системы соответ­ствует числу степеней свободы (I - VII). А - машины с колеблющейся рамой; Б -машина с независимыми опорами.

Способы устранения дисбалансов ротора. Для уменьшения дисбалансов ротора исполь­зуются так называемые корректирующие массы, которые могут удаляться из тела рото­ра, добавляться к нему, а также перемещаться по ротору.

Корректирующую массу удаляют по пока­заниям балансировочного оборудования раз­личными технологическими методами: опили­ванием, отламыванием специальных приливов, точением, фрезерованием, шабрением, шлифо­ванием, сверлением. В приборостроении ис­пользуют также электроискровую, электрохи­мическую, лазерную, электронно-лучевую и другие обработки с малым съемом материала в единицу времени.

Корректирующую массу в противофазу дисбаланса ротора добавляют приваркой, клепкой, пайкой, привертыванием специальных элементов определенной массы и на опреде­ленном радиусе. Материал корректирующей массы может наноситься на ротор также на­пылением, наставлением и другими методами.

Бели в процессе эксплуатации сборочных единиц наблюдается непрерывное режимное изменение дисбаланса под действием износа, переменных нагрузок, применяют упра­вляемые балансирующие устройства (УБУ) и автоматические балансирующие устройства (ЛБУ), позволяющие в заданный момент про­водить корректировку масс. УБУ имеют спе­циальные конструктивные элементы (втулки, секторы, сухари, шары, винты), перемещаемые в нужное место ротора.

Точность балансировки. Точность баланси­ровки характеризуется произведением удель­ного дисбаланса е_ст на наибольшую частоту вращения ротора в эксплуатационных усло­виях ω_эmax.

На основании этого критерия ГОСТ 22061 — 76 предусматривает 13 классов точно­сти (от 0 до 12). При назначении класса точности сборочных единиц можно использовать данные, приведенные в табл. 33.

Точность технологической операции зави­сит и от выбранного метода корректировки масс, и от конструкции ротора и от других факторов. Эффективность выполнения i-гo перехода устранения дисбаланса можно оце­нить степенью уменьшения дисбаланса

где δ_N - погрешность перехода по значению дисбаланса; Δ_φ - погрешность перехода по углу дисбаланса. На графике (рис. 80) выделена область рационального процесса, т. е. тако­го, при котором δ_i < 1 при любых погрешно­стях по углу и значению дисбаланса на данном переходе.

В случае корректировки дисбаланса сверле­нием глухого отверстия вдоль оси ротора эле­ментарные производственные погрешности могут сводиться к трем: погрешности вели­чины высверливаемой массы материала Δm, погрешности положения центра массы на ра­диусе R ротора ΔR и погрешности положения центра массы вдоль оси ротора Δ_о.

Момент от расчетной высверливаемой массы

M_э = F₁L= mRω²L,

где F₁ - центробежная сила; L - расстояние между плоскостями корректировки масс при динамической балансировке; m - масса выс­верливаемого материала; R — расчетный ра­диус корректировки ротора; ω — угловая ско­рость ротора.

В реальных условиях величины в этой фор­муле выдерживаются с некоторыми погрешностями Δm, ΔR, Δω и ΔL. При достаточно малых значениях этих погрешностей можно определить степень влияния их на максималь­ную относительную погрешность δ_МЭ:

Исследование реального технологического процесса и конструкции ротора позволяет определить значения величин, входящих в эту формулу, и оценить реальное влияние каждой из погрешностей.

Требования к оформлению чертежей балан­сируемых объектов содержатся в ГОСТ 22061 — 76. При выборе положения плоскости коррекции вдоль оси ротора расстояние от торца ротора до плоскости коррекции а_р = kh, где h — полная расчетная глубина сверления параллельно оси ротора. Коэффициент k опре­деляют по графику (рис. 81, а) или исходя из минимума моментной погрешности Δ_м (рис 81,б), возникающей от сверления отверстий на глубину, меньшую чем h.

При фактической глубине сверления х < 0,578r, где r — радиус сверла,

и при х > 0,578r

где С₁ — коэффициент, учитывающий плот­ность материала ротора и частоту его враще­ния.

Если известен закон распределения глу­бин сверления, то можно воспользоваться кривыми: при равновероятном законе распре­деления (рис. 81,б) исходя из равенства момен­тов с плюсом и минусом, а при нормаль­ном – из равенства площадей (рис. 81,в).

Управляемые   балансирующие   устройства (УБУ) находят все более широкое применение для корректировки режимных дисбалансов ро­торов, позволяя повышать производитель­ность машин и технологического оборудова­ния. Из табл. 34 видны преимущества УБУ при ежедневной потребности в корректировке масс. УБУ разделяют на четыре группы в за­висимости от траектории перемещения центра корректирующих масс: по спирали; отрезкам прямой; по окружностям; по радиусу и дугам окружности.

УБУ (рис. 82) состоит из четырех попарно кинематически связанных корректирующих масс (2 и 3, 4 и 5). Движение к корректирую­щим массам от электродвигателей 8, 9 идет по

Корректирующие массы попарно имеют дисбалансы, сдвинутые на 180°, а каждая пара повернута относительно другой на 90°, что приводит, во-первых, к перемещению центра каждой корректирующей массы по окружно­сти, во-вторых, к перемещению общего центра масс пары (2 и 3, 4 и 5) по прямой и, в-треть­их, к перемещению центра масс каждой пары по взаимно перпендикулярным прямым.