Устройство для балансировки ротора
ROTOR BALANCING DEVICE

Изобретение относится к балансировочной технике и может быть использовано для определения параметров дисбаланса ротора в динамическом режиме.
Традиционно для определения параметров неуравновешенности ротора в качестве рабочего используют вращательное движение. При этом для определения величины неуравновешенности регистрируют колебания вала балансируемого ротора, совершающие в поперечном валу направлении и возникающие вследствие влияния радиальных составляющих сил инерции, действующих на ротор с дисбалансом. Однако, в ряде случаев использование подобного способа затруднено. Так, приведение во вращение ротора с большим осевым моментом инерции затруднительно, а, например, приведение во вращение такого легкоразрушающегося ротора, как заготовка абразивного шлифовального круга крайне опасно. В таких и некоторых других случаях удобно использовать иной способ определения дисбаланса - вибрационные способы балансировки. При реализации таких способов балансировки в качестве информационных параметров регистрируют колебания вала балансируемого ротора, возникающие вследствие влияния тангенциальных (направленных по касательным к траектории движения) сил инерции, действующих на ротор с дисбалансом. Использование вибрационных способов ведет к кардинальному изменению конструкций балансировочных устройств.
Предлагаемое балансировочное устройство (устройство) относится к устройствам, работающим в режиме сферического циркуляционного движения. [1]
-5
Известен патент RU 2105962 C1 МПК G01M 1/38 опубл.27.02.1998 «Станок для балансировки роторов». [2] Станок содержит обойму, в которой на подшипниках установлен вал, на котором закреплен балансируемый ротор. Обойма подвешена на сферическом подшипнике и удерживается от проворота вокруг главной оси пружинами, прикрепленными к станине. Обойма приводится в сферическое циркуляционное (колебательное) движение посредством эксцентрикового привода. Из-за наличия дисбаланса на роторе вследствие воздействия неуравновешенных сил инерции ротор начинает совершать малые крутильные колебания относительно оси закрепления. Величина этих колебаний пропорциональна величине неуравновешенности ротора. Принципиальным недостатком этого устройства является возможность возникновения паразитных низкочастотных крутильных колебаний обоймы относительно собственной оси, которые неблагоприятно влияют на качество полезного сигнала. Кроме этого, применение подшипников при закреплении вала в обойме приводит к тому, что на полезный сигнал (угловые колебания вала относительно обоймы) влияет сила трения в подшипниках. В колебательной системе этого балансировочного станка амплитудные значения величин полезного сигнала имеют порядок 10 радиан. Примененные в этом станке подшипники качения не рассчитаны на работу в условиях таких малых углов поворота. Это обусловлено тем, что при таком режиме работы в подшипнике качения не происходит нормального процесса перекатывания шаров или роликов по обойме подшипника, а происходит их разнонаправленное качание относительно точки покоя, что в свою очередь приводит к тому, что в подшипнике работает не сила трения качения, а сила трения скольжения, величина которой значительно превышает значение трения качения. Вследствие этого вал испытывает повышенное сопротивление, которое действует против полезного сигнала, что отрицательно влияет на точность измерения.
Применение сферического циркуляционного движения вместо вращения в качестве рабочего движения в балансировочном устройстве ведет к снижению времени определения величины неуравновешенности, к снижению энергетических затрат, к появлению возможности безопасной балансировки легкоразрушающих роторов, к упрощению балансировки несплошных роторов, таких как винты, пропеллеры и пр.
Предлагаемая конструкция [2] балансировочного станка избыточно сложна и не способна обеспечить высокую точность измерений дисбаланса.
Проблема простоты конструкции и реализации точных и быстрых изменений дисбаланса решается с помощью предлагаемого устройства для балансировки ротора согласно пункту 1 формулы изобретения. Предпочтительные варианты исполнения изобретения являются предметом зависимых пунктов формулы изобретения.
-5
Наиболее близким аналогом предлагаемого решения является изобретение «Способ и устройства для балансировки ротора» патент RU 2270985 C1 G01M 1/16, опубл. 27.02.2006. [3] Это устройство отличается от балансировочного устройства по патенту [2] тем, что вал и закрепленный на нем балансируемый ротор балансировочного устройства совершает рабочее сферическое движение вместе с присоединенной к валу обоймой, а возникающие его малые крутильные колебания из-за наличия неуравновешенности ротора измеряются относительно этой обоймы. Предотвращение проворота обоймы относительно своей оси обеспечивается тем, что к ней по касательной прикладываются силы, противодействующим ее угловым колебаниям. Технически это осуществляется применением плоской мембраны в плоскости сферического подвеса, на котором подвешена обойма с валом. Внешняя часть мембраны прикреплена к станине балансировочного устройства, а внутренняя - к обойме. Кроме этого в данном балансировочном устройстве вал закреплен на обойме не подшипниками, а посредством упругих элементов специальной конструкции, которые обеспечивают высокую жесткость в осевом и ортогонально осевом направлениях, но относительно низкую крутильную жесткость относительно оси вала. Применение мембранного узла и упругих элементов особой конструкции благоприятно влияет на результаты измерений величины неуравновешенности. Так что с метрологической стороны это балансировочное устройство обеспечивает более качественные результаты определения величины неуравновешенности, чем устройство по патенту [2]. Однако это балансировочное устройство имеет ряд недостатков. Применение предложенных упругих элементов минимизирует, но не предотвращает поперечные и осевые колебания вала относительно своей оси. А наличие даже малых таких колебаний при амплитуде величины полезного сигнала порядка 10 радиан вносит серьезные искажения в полезный сигнал, что в свою очередь ведет к снижению точности определения величины и места расположения неуравновешенности. Основная мощность паразитных помех, возникающих из-за наличия дефектов конструкции такого балансировочного устройства расположена в районе частот, совпадающих с частотой полезного сигнала, что затрудняет его выявление в общей картине вибраций. Кроме того, конструкция этого балансировочного устройства громоздкая и очень сложная, как в конструкторском, так и в технологическом плане.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение является повышение точности определения дисбаланса с одновременным снижением сложности конструкции балансировочного устройства.
Данная задача решается за счет того, что в аналоге измерения величины и фазы полезного сигнала от неуравновешенности проводятся в относительной, подвижной системе отсчета, а в предлагаемом балансировочном устройстве измерения проводятся в неподвижной системе отсчета, что благоприятно влияет на их точность.
На чертеже схематично изображено предлагаемое балансировочное устройство.
Устройство состоит из внешней обоймы 6, которая подвешена на подшипниках 9 на внутренней обойме 11, неподвижно закрепленной на основании 12. Внешняя обойма имеет в вертикальной плоскости сечение в форме трапеции. На валу 3 установлен балансируемый ротор 1, имеющий статический дисбаланс 2. Верхняя часть вала перпендикулярна плоскости установки подшипников 4, которые установлены между валом и внешней обоймой. Вал имеет гибкий участок 5, установленный в районе подшипника 4. Этот гибкий участок имеет высокую крутильную жесткость, но допускает изгиб вала. Нижняя часть вала 3 неподвижно закреплена на основании 12. Верхняя и нижняя части вала соединены упругим элементом 10, который имеет высокую жесткость в направлении, перпендикулярном оси вала и в тоже время низкую крутильную жесткость относительно его продольной оси. При работе балансировочного устройства внешняя обойма 6 приводится во вращательное движение 8 внешним приводным устройством вокруг своей оси. Амплитуда возникающего сферического циркуляционного движения балансируемого ротора 1 задается углом наклона вала 3. При таком движении из-за наличия на балансируемом роторе 1 дисбаланса 2 возникают малые крутильные колебания вала 7 относительно своей оси. Амплитуда этих колебаний на определенном участке АЧХ колебательной системы балансировочного устройства пропорциональна величине неуравновешенности, а фазовый сдвиг относительно начальной фазы приводного устройства указывает на угловую координату расположения неуравновешенности.
Повышение точности предлагаемого балансировочного устройства относительно аналогов происходит из-за того, что измерения полезного сигнала - малых угловых колебаний вала 7 относительно своей оси происходит относительно внутренней обоймы 9, то есть в неподвижной системе отсчета. Это благоприятно влияет на общий уровень шумов, что в свою очередь дает возможность выделения полезного сигнала низкого уровня, что повышает точность определения величины и угловой координаты расположения неуравновешенности.
Предлагаемое балансировочное устройство имеет простую конструкцию и не предъявляет высоких требований к технологии его изготовления.
Параметры колебательной системы балансировочного устройства в частности определяются крутильной жесткостью вала 3. Поэтому на нижнем участке вала имеется упругий элемент 10. Конструктивно он имеет высокую жесткость в осевом и ортогональном ему направлениях, но управляемую достаточно низкую крутильную жесткость. Собственная крутильная частота колебательной системы вал-ротор, задаваемая крутильной жесткостью этого упругого элемента, определяет рабочий диапазон масс и типоразмеров роторов, которые можно балансировать на этом устройстве.
Одним из вариантов исполнения гибкого участка ротора 5 является его исполнение в виде сильфона. Применение сильфона позволяет просто решить проблему наклона верхней части вала.
Список литературных источников
1. Кочкин С.В. Технология балансировки роторов в режиме сферического циркуляционного движения. [Текст]: дис. канд. техн. наук: 05.02.08 / С.В. Кочкин. - Пенза, 2008. - 194 с.
2. Патент RU 2105962 C1, МПК G01M 1/38. «Станок для балансировки роторов» Малев Б.А. (RU), Николаев А.Н. (RU), Брякин Л.А. (RU), Климухин Ю.И. (RU) опубл.27.02.1998.
3. Патент RU 2270985 C1, G01M 1/16. «Способ и устройства для балансировки ротора» Малев Б.А. (RU), Николаев А.Н. (RU), Брякин Л.А. (RU), Кочкин С.В. (RU), Щербаков М.А. (RU) опубл. 27.02.2006.