УСТРОЙСТВО ДЛЯ БАЛАНСИРОВКИ РОТОРОВ
ROTOR BALANCING DEVICE

Настоящее изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для определения неуравновешенности деталей вращения, имеющих две плоскости приведения неуравновешенных масс и цапфы для установки их в подшипниках.
Известно устройство для балансировки деталей вращения [1], содержащее вертикальный вал, предназначенный для установки на нем балансируемой детали, и привод круговой вибрации балансируемой детали, избыточная масса которой и ее угловая координата определяются по амплитуде и фазе вынужденных угловых колебаний.
Недостатком этого устройства является то, что оно может быть использовано лишь для балансировки деталей, имеющих одну плоскость приведения неуравновешенности. Эти детали типа дисков с посадочными отверстиями для установки их на вал и оправку балансировочного устройства, не имеющих цапфы для установки их в подшипники машины.
Аналогом настоящего изобретения является также станок для балансировки роторов, описанный в [2], взятый за прототип и содержащий вертикальный центральный вал, установленный в сферическом подшипнике. На верхний конец его посредством оправки насаживается балансируемый ротор, имеющий посадочное отверстие, а нижний конец вала посредством второго подшипника соединен с эксцентрикой вала привода, сообщающего центральному валу круговые колебания типа сферической вибрации. Недостатком этого изобретения, как и устройства [1], является невозможность его использования для балансировки роторов, имеющих две цапфы для установки их в подшипники машин, а не посадочные отверстия для насаживания их на ее вал.
Сущность изобретения.
Целями настоящего изобретения являются:
1. достижение возможности балансировки роторов с цапфами с двумя плоскостями приведения неуравновешенных масс;
2. повышение точности и производительности балансировки.
Возможность балансировки роторов с двумя плоскостями приведения неуравновешенных масс и имеющих цапфы для установки их в подшипники подтверждается патентом №2319127 «Способ балансировки роторов» [3] и достигается тем, что устройство содержит центральный наклонный вал, пропущенный сквозь отверстие в сферическом подшипнике и опертый на него, и узел базировочных рамок для установки в них балансируемых роторов, расположенных вокруг центрального наклонного вала и подвижно закрепляемого на этом валу в двух положениях так, что одна из плоскостей приведения неуравновешенных масс проходит через центр сферического подшипника, где круговая амплитуда возбуждаемой сферической вибрации равна нулю, и следовательно, действие этих неуравновешенных масс не проявляется. Вторая же плоскость приведения неуравновешенных масс лежит в плоскости траектории верхней части этого вала и вследствие этого является источником точной информации об их собственной неуравновешенности, получаемой за счет двух движений - сферической вибрации от привода в составе электродвигателя и эксцентричной муфты, связывающей вал электродвигателя с нижним концом наклонного центрального вала, и поперечных угловых колебаний вокруг продольной оси балансируемых роторов от их неуравновешенности только в этой плоскости.
Повышение же производительности балансировки достигается за счет одновременной балансировки двух и более роторов по числу рамок базировочного узла, установленного на центральном наклонном валу, например, с помощью многоканальной измерительной системы в составе датчиков величин неуравновешенных масс, усилителей сигналов этих датчиков, формирователя нулевой угловой координаты неуравновешенных масс и измерителей величины и угловых координат этих масс на основе цифровых или аналоговых приборов.
Сказанное поясняется чертежом 1, на котором изображена конструктивная схема балансировочного устройства в 2 его положениях: 1а - при балансировке в плоскости I-I и 1б - при балансировке в плоскости II-II.
а
Здесь под позицией 1 изображен корпус устройства, в который вмонтирован сферический подшипник 2, центральный наклонный вал 3, пропущенный в отверстие подшипника 2 и буртиком опертый на него. Нижний конец вала вставлен в отверстие внутреннего кольца двухрядного сферического шарикового подшипника 4, а его наружное кольцо насажено на промежуточное эксцентричное кольцо 5. Само же кольцо 5 установлено в эксцентричное отверстие корпуса муфты 6, названной нами эксцентричной. Поворотом промежуточного эксцентричного кольца можно менять эксцентриситет самой муфты в пределах 3-10 мм и тем самым менять амплитуду круговой вибрации  в тех же пределах, и тем самым изменять чувствительность балансировочного устройства. Благодаря этому при вращении муфты центральный наклонный вал будет совершать вокруг вертикальной оси z коническое вращательное движение с вершиной конической поверхности в точке О, совпадающей с серединой сферического подшипника 2 с углом раствора конуса 2β, угол же наклона центрального вала составит β.
Муфта 6 насажена на вал электродвигателя 7, установленного в корпусе балансировочного устройства. На верхней части центрального вала установлен узел 8 базировочных рамок 9 и 10 по числу одновременно балансируемых роторов 11 и 12, которые своими цапфами устанавливаются в поворотных центрах рамок 13, 14, 15 и 16.
2
2
Узел базировочных рамок установлен на центральном валу подвижно таким образом, что одна из плоскостей приведения неуравновешенности (на фиг.1а это плоскость II-II) лежит в плоскости, проходящей через центр сферического подшипника О и зафиксирован в этом положении, например, с помощью шарикового фиксатора 17. Очевидно, что в этой точке и в плоскости, проходящей через эту точку перпендикулярно оси наклонного центрального вала, круговая (сферическая) вибрация отсутствует, поэтому никакой информации о неуравновешенных массах m и m', лежащих в этой плоскости, на датчиках нет.
1
1
1
1
1
1
1
1
1
а
В плоскости же I-I по фиг.1а в режиме сферической вибрации при наличии избыточных масс m и m' имеют место малые угловые колебания вокруг продольных осей балансируемых роторов, амплитуда и фаза которых однозначно соответствуют величине и угловой координате неуравновешенных масс m и m'. Например, φ=amsin(ωt+α), где  - амплитуда сферической вибрации, ω - круговая частота этой вибрации, α - угловая координата массы m, отсчитываемая от какой-либо нулевой отметки.
Таким образом, при показанном расположении рамок и плоскости II-II не проявляется их влияние и не искажаются результаты балансировки в плоскости I-I.
2
2
2
2
2
2
2
При балансировке в плоскости II-II узел базировочных рамок опущен и зафиксирован на центральном валу как показано на фиг.1б и при наличии избыточных масс m и m' с угловыми координатами α и α' будут иметь место угловые колебания вида φ=аmsin(ωt+α). Для определения величины неуравновешенной массы применен фотоэлектронный датчик по схеме фиг.2 в составе светоизлучающего диода 21, закрепленного на базировочной рамке 22. На ней же закреплен светопрозрачный экран 23 в виде гипоциклоиды с четырьмя ветвями для пропускания светового потока и два сдвоенных фотодиода 24 и 25. На нижнем конце конического центра 13, насаженного на прецизионный шариковый подшипник 26 посредством рычага 28, закреплена заслонка 27 в виде узкой прямоугольной пластаны, частично перекрывающая световой поток, идущий от светодиода через окно, заслонку и на фотодиоды.
Такое расположение заслонки обеспечивает преобразование малого уровня колебаний от неуравновешенности в линейные перемещения заслонки Δ существенной величины.
Применение формы светопрозрачного экрана в виде гипоциклоиды существенно увеличивает изменение освещенности фотодиодов при угловых колебаниях заслонки по сравнению с прямоугольной формой окна. При этом световой поток на одном фотодиоде увеличивается, а на другом - на столько же уменьшается. Таким же образом изменяются и их фототоки и, наконец, использование двух сдвоенных фотодиодов, включенных дифференциально на прямой и инверсный входы операционного усилителя, дополнительно увеличивает чувствительность фотодатчика вдвое. В итоге увеличение чувствительности фотодатчика становится значительным.
На фиг.3а показана схема включения элементов фотоэлектронного датчика и графики изменения входных и выходных токов и напряжений. Электрические сигналы от фотодатчиков поступают на прямой и инверсный входы операционного усилителя DА1, благодаря чему амплитуда выходного сигнала операционного усилителя будет равна
вых
1
2
U=K(U+U),
5
3
где K - коэффициент усиления усилителя, K=R/R;
1
2
U и U - амплитудные значения входных напряжений первого и второго фотодиодов соответственно.
На этой схеме обозначены:
VD1 - светодпод инфракрасного излучения:
VD2, VD3 - сдвоенные фотодиоды;
R1, R2 - внутренние сопротивления фотодиодов;
1
2
С1, С2 - конденсаторы, выделяющие переменную составляющую фототоков I, I;
R3, R4 - входные сопротивления операционного усилителя;
R5 - сопротивление обратной связи;
- - инвертирующий вход;
+ - неинвертирующий вход;
вых
U - напряжение на выходе операционного усилителя;
n
±U - напряжение питания усилителя;
вх1
вх2
U, U - входные напряжения;
1ф
2ф
I, I - токи фотодиодов VD2 и VD3.
Определитель угловой координаты избыточной массы построен на основе измерения фазы напряжения датчика величины неуравновешенной массы относительно нулевой фазы «опорного» напряжения, в качестве которого взято напряжение датчика круговой вибрации. Этот датчик также фотоэлектронный и состоит из светодиода 18 (фиг.1в), фотодиода 19, установленных на корпусе балансировочного устройства, и заслонки 20, закрепленной на нижнем конце центрального вала и перекрывающей световой поток от светодиода к фотодиоду в момент, когда в процессе круговой вибрации центральный вал займет одно из крайних положений, например правое, как показано на фиг.1.
0
Изменение напряжения U на выходе фотодатчика опорного сигнала за один период круговой вибрации изображено на фиг.3б.
Для отсчета угловой координаты α неуравновешенной массы m используется нулевая отметка с круговой шкалой, нанесенная на верхнюю часть каждой рамки базировочного узла.
6
7
8
9
3
Положение нулевых отметок определяется вертикальной плоскостью, проходящей через продольные оси базировочной рамки, центрального вала и заслонки. Очевидно, что шкала диаметрально противоположной рамки должна быть повернута относительно первой на 180°. Для случаев, когда число рамок больше двух, узел базировочных рамок поворачивается на центральном валу на угол, равный 360/n, где n≥3, и фиксируется в этом положении тем же шариковым фиксатором. Вместо поворота узла базировочных рамок на угол 360/n применяется электрический фазовращатель вида 3б, построенный, например, на основе мостового RC-фильтра в составе дифференциального усилителя опорного сигнала DA2 и элементов R, R, R, R и C, с помощью которого и сдвигается его фаза на этот угол.
Сам же определитель угловой координаты может быть построен по одной из известных схем измерения фазы напряжения относительно фазы опорного напряжения, например, по схеме, описанной в [4].
Работа устройства для балансировки роторов.
1
1
1
1
Работа устройства состоит в следующем. Балансируемые роторы в количестве двух и более по числу рамок базировочного узла своими цапфпами устанавливаются в конические поворотные центры рамок по схеме фиг.1а, и включается электродвигатель привода, который посредством эксцентричной муфты приводит вал и узел базировочных рамок с установленными в них балансируемыми роторами в сферическое колебательное движение. При таком движении под действием неуравновешенных масс m и m' роторов 11, 12 и других возникают поперечные угловые колебания φ вокруг их продольных осей вида φ=msin(ωt+α), по которым с помощью датчиков и многоканального измерительного блока определяются величины неуравновешенных масс и их угловые координаты, отсчитываемые от нулевых отметок,
2
2
Определение неуравновешенных масс m и m' и других осуществляется аналогично по схеме фиг.1б путем перемещения узла базировочных рамок по центральному наклонному валу вниз и зафиксированному в этом положении шариковым фиксатором.
На фиг.4 изображена структурная электрическая схема балансировочного устройства, поясняющая последовательность и взаимодействие его отдельных электрических звеньев.
Здесь:
1
2
3
n
Р, P, P, …, P - балансируемые роторы;
1
2
3
n
1
2
3
n
Д, Д, Д, …, Д - фотодатчики неуравновешенных масс m, m, m, …, m;
1-n
1-n
У - многоканальный усилитель сигналов датчиков Д;
В - центральный вал, совершающий сферическую вибрацию с круговой частотой ω;
on
Д - датчик опорного напряжения;
on
У - усилитель опорного напряжения;
Ф - фазосдвигающий элемент опорного напряжения:
1-n
И - многоканальный цифровой оптоэлектронный индикатор величины и угловых координат неуравновешенных масс.
Перечень схем, чертежей, литература
1. Фиг.1 содержит конструктивную схему балансировочного устройства.
2. Фиг.2 содержит конструктивную схему устройства передачи угловых колебаний ротора от неуравновешенности и фотодатчик для их преобразования.
3. Фиг.3 содержит принципиальную электрическую схему фотодатчика и его подключения к усилителю.
4. Структурная электрическая схема балансировочного устройства.
Источники информации
1. Авторское свидетельство №396575 «Балансировочное устройство МПК G01m 1/06»; Бюллетень №36 от 29.08.1973 г. УДК 620.1.05, 531.24.
2. Патент Российской Федерации 2105962 МПК G01M 1/38. Бюллетень №6 от 27.02.98.
3. Патент Российской Федерации на изобретение №2319127 «Способ балансировки роторов».
4. Б.Бутеев. Электронный фазометр. Радио, 1990, №5.