книги / Современные методы и средства балансировки машин и приборов

Проблема балансировки роторов и уравновешивания механизмов является одной из сложнейших в современной технике.

От качества решения этой проблемы во многом зависит общий уровень вибраций и шума различных машин, а также их работо­ способность, производительность, надежность и ресурс.

Вцелом эта проблема еще не решена, и в литературе как отече­ ственной, так и иностранной пока еще нет работ, в которых бы рас­ сматривались с необходимой полнотой методы, и средства уравно­ вешивания машин, механизмов и приборных систем. В этом отно­ шении предлагаемая книга коллектива авторов во многом восполнит этот пробел.

Вкниге впервые изложены методы проектирования измеритель­ ной аппаратуры зарезонансных балансировочных станков, обеспе­ чивающие измерение дисбалансов с повышенной точностью; рассмотрены новые вопросы теории маятниковых движений цапф неуравновешенных роторов в связи с решением задачи повышения точности балансировки роторов непосредственно в собственном корпусе, что имеет весьма большое значение для многих отраслей промышленности; проанализированы также особенности баланси­

ровки поплавковых чувствительных элементов приборных систем и приведена технология балансировки приборных роторов в воздуш­ ном, магнитном и электростатическом подвесе; указаны особенности статической балансировки узлов приборов и динамической баланси­ ровки роторов на подшипниках с газовой смазкой.

Кроме того, в книге рассмотрены вопросы автоматизации и опти­ мизации электрофизических методов балансировки приборных систем и предложены способы снижения вибраций газовых крио­ генных машин; приведены решения новых задач теории и практики балансировки гибких роторов сложных многоопорных систем, име­ ющих, как известно, важное значение для развития энергетического турбостроения и авиационной промышленности; описаны новые управляемые и автоматические балансирующие устройства шлифо­ вальных станков и показано влияние дисбалансов шлифовального круга на показатели качества шлифования, к которым относятся шероховатость, волнистость, огранка, шаржирование поверхности зернами абразива и др.

В книге изложены новые результаты теоретических исследова­ ний уравновешивания плоских и пространственных механизмов с симметричными и несимметричными звеньями и доказывается, в ча­ стности, возможность приближенного моментного уравновешивания шарнирного четырехзвенника с помощью корректирующей массы, вращающейся синхронно и в противофазе с коромыслом; обосновы­ ваются важные в практическом отношении вопросы уравновешива­ ния механизмов швейных машин и зубчато-рычажных кривошипноползунных механизмов и приводятся новые результаты моментного уравновешивания пространственных механизмов.

Глава 1

ОБЩИЕ ВОПРОСЫ БАЛАНСИРОВКИ РОТОРОВ

1.1. СОСТОЯНИЕ И ЗАДАЧИ БАЛАНСИРОВОЧНОЙ ТЕХНИКИ

(В. А. Щепетильников)

Непрерывный рост частоты вращения роторов различных машин и приборов является одной из особенностей современного техниче­ ского прогресса, так как быстроходные машины и механизмы яв­ ляются более производительными, легкими и экономичными, чем тихоходные. Известно также, что быстроходные машины и механизмы могут работать надежно только при условии их хорошей сбаланси­ рованности.

Отсюда следует, что проблема балансировки машин и механизмов имеет в современном машино- и приборостроении исключительно важное значение. Это объясняется еще и тем, что от качества балан­ сировки зависит не только общий уровень вибраций и точность работы машин и приборов, но также их ресурс, надежность, качество технологических процессов, а во многих случаях и производитель­ ность. Балансировочная техника, если ее умело использовать, может способствовать экономии в стране крупных материальных и трудовых ресурсов.

Важным аспектом балансировочной техники является ее социаль­

балансировки машин и механизмов в различные сферы материаль­ ного производства позволили повысить их надежность и долговеч­ ность, снизить уровень вибраций различных изделий и повысить комфорт всех видов транспорта.

1. Особенно большие работы за годы десятой и одиннадцатой пятилеток выполнены Минстанкопромом в области дальнейшего развития теории и конструкций балансировочных станков. За эти годы предприятиями Минстанкопрома изготовлено свыше 2000 ба­ лансировочных станков различных типов; созданы 10 моделей уни­ версальных станков для динамической балансировки и специальные автоматы и автоматические линии для балансировки деталей автомо­ бильной, тракторной, приборостроительной и других отраслей про­ мышленности.

Весьма существенные работы выполнены также в некоторых вузах и отраслевых институтах. Например, во Всесоюзном заочном машиностроительном институте (ВЗМИ) под руководством

проф. Б. И. Горбунова проведены всесторонние теоретические и экс­ периментальные исследования влияния балансировочного процесса на качество шлифования и на этой основе разработаны и внедрены оригинальные конструкции автоматических балансировочных устройств, встроенных в шлифовальные станки.

В приборостроении продолжается разработка и внедрение элек­ трофизических методов и средств балансировки вращающихся масс. На практике получили применение лазерные, электрохимические и другие методы и средства балансировки. Наиболее существенные результаты получены в МАТИ им. К- Э. Циолковского, где под руководством д-ра техн. наук проф. В. М. Суминова разработан метод оптимизации динамической балансировки роторов чувствительных элементов приборов с помощью ЭВМ и создано несколько типов лазерных балансировочных установок для балансировки динами­ чески настраиваемых гироскопов. Использование этих установок в серийном производстве гироскопических систем позволило суще­ ственно повысить производительность и точность балансировочных работ.

В институте машиноведения им. А. А. Благонравова (ИМАШ) под руководством канд. техн. наук А. А. Гусарова и Л. Н. Шата­ лова решена задача лазерной автоматической балансировки, в основу которой положен принцип нанесения дискретных масс в так называ­ емое «легкое» место ротора. Доказано, что для роторов, изготовлен­ ных из сплавов на основе железа и алюминия, целесообразно при­ менять в качестве корректирующих масс медь, цинк, бронзу и латунь.

В МВТУ им. Баумана под руководством д-ра техн. наук проф. П. В. Сыроватченко разработаны и используются на практике методы и средства балансировки сферических поплавковых элемен­ тов приборов.

В Московском институте гражданской авиации (МИИГА) раз­ работаны методы и средства лазерной балансировки приборных роторов.

ВЗакавказском филиале ЭНИМСа успешно разработаны метод

исредства электрохимической балансировки роторов.

2.Весьма важное место в балансировочной технике занимает проблема балансировки роторных электрических машин непосред­ ственно в статоре или, как говорят, в сборе при холостом режиме или при номинальной нагрузке. В последнем случае во время балан­ сировочного процесса удается учесть наибольшее число факторов, действующих в машине во время ее эксплуатации. К таким факторам относятся, как известно, статические и динамические электромагнит­ ные силы, вызываемые первичными ошибками в элементах магнитной системы, в механических узлах и особенно в подшипниках якоря.

Необходимость балансировки роторных электрических машин в сборе возникает на многих предприятиях в связи с повышенными требованиями к уровню допустимых вибраций.

Исследования в этой области велись в последнее время в Москов­ ском институте инженеров железнодорожного транспорта (МИИТ), во ВНИИ электромеханики и на Савеловском машиностроительном

заводе. За рубежом аналогичными работами занималась фирма «Шенк» (Schenk, ФРГ).

Попытки создания балансировочного станка для балансировки роторных электрических машин в сборе с двухканальной измеритель­ ной аппаратурой пока не завершились успехом.

Во время проведения МИИТом исследований процесса баланси­ ровки электродвигателя в сборе канд. техн. наук доц. Т. П. Козлянинов обнаружил интересное явление, которое заключалось в том, что когда дисбалансы якоря были доведены до малых значений, амплитуды колебаний опор неожиданно стали возрастать. Появилась нелинейная зависимость между дисбалансами якоря и амплитудами колебаний статора. Попытки продолжать балансировку электро­ двигателя в сборе не давали положительных результатов. Исследова­ ние этого явления показало, что нелинейная зависимость между дисбалансами якоря и колебаниями статора вызывается маятниковым движением цапфы в зазоре подшипника.

Отсюда следует, что задача повышения точности раздельного измерения дисбалансов роторных машин в сборе должна решаться или методом уменьшения маятниковых колебаний цапф, например с помощью упругой выборки радиальных зазоров подшипников, или созданием более совершенных измерительных средств, позволяющих исключать влияние маятниковых колебаний цапф на точность изме­ рения дисбалансов в плоскостях коррекции.

3. Переходя к проблемам балансировки гибких роторов, отметим прежде всего, что в настоящее время под балансировкой гибких роторов стали понимать улучшение общего динамического состояния изделия. Это весьма емкое понятие включает снижение до заданной нормы уровня вибрации не только опор ротора, но и корпуса изде­ лия, а также уменьшение прогибов ротора в различных сечениях

иограничение напряжений по длине ротора.

Втакой постановке балансировка гибких роторов становится проблемой, не имеющей пока общего решения. Поэтому на практике рекомендуются частные решения этой проблемы в зависимости от конкретных требований, предъявляемых к изделию. Значительные работы в этом направлении выполнены в МАИ им. С. Орджони­ кидзе под руководством проф. М. Е. Левита. Разработаны методы многоплоскостной низко- и высокочастотной балансировки; развиты методы высокочастотной балансировки роторов, не требующие знания форм колебаний и использующие только статические коэффициенты влияния по прогибу, реакциям опор и т. п.; разработаны средства механизации и автоматизации операций балансировки гибких ротор­ ных систем, включающие аналоговые ЭВМ и пакеты прикладных программ; изготовлено оборудование для низко- и высокочастотной балансировки специальных роторов и изделий в сборе, включая вакуумный стенд и балансировочные станки.

Оборудование и методы МАИ позволяют обеспечивать в серийном производстве снижение виброактивности изделий.

Следует отметить, что в последнее десятилетие благодаря работам д-ра техн, наук проф. В, П. Ройзмана проблема высокочастотной

балансировки гибких роторов стала трактоваться как задача иден­ тификации гибких роторных систем. Это направление предполагает прежде всего определение дисбалансов в произвольных сечениях ротора и последующее их устранение с заданной точностью.

Вопросами балансировки многоопорных гибких валопроводов занимается Всесоюзный теплотехнический институт им. Ф. Э. Дзер­ жинского, где под руководством д-ра техн. наук Б. Т. Рунова разработай метод балансировки валопроводов сосредоточенными массами в ограниченном числе плоскостей коррекции. Этот метод широко используется на практике в энергетическом машиностроении.

4. Большое влияние на развитие балансировочной техники и на научно-технический прогресс во всех отраслях материального произ­ водства оказывают созданные в последнее время Государственные стандарты, регламентирующие классы точности балансировки роторов (ГОСТ 22061—76); терминологию и буквенные обозначения

в области балансировочной техники (ГОСТ 19534—74); требования

кконструкции и точности изготовления деталей уравновешиваемых изделий (ГОСТ 3060—75 и др.); требования к балансировочному оборудованию (ГОСТ 20075—74 и ГОСТ 20076—74). В последнее время ЭНИМСом разработаны стандарты и руководящие материалы

по балансировке ряда станочных деталей и шпиндельных узлов. 5. Уравновешивание механизмов является одной из важнейших проблем современной техники. В последние годы по этой проблеме были решены задачи уравновешивания механизмов с несимметрич­ ными звеньями, которые оставались ранее нерешенными в теории механизмов. Для решения этих задач в МИИТе были разработаны методы подобия, функциональных цепей и расчленения, которые позволяют уравновешивать плоские механизмы произвольной струк­ туры. Показано, что точно эти задачи решаются для шарнирных

механизмов и приближенно для рычажных.

В ИМАШе проф. А. П. Бессоновым решаются задачи уравновеши­

не только уравновешивать механизм, но и оптимизировать механи­ ческое воздействие звеньев на станину по условию минимума опорных реакций. Решение таких задач рассмотрено в Хабаровском институте инженеров железнодорожного транспорта проф. В. И. Дорониным.

Отметим также работы Каунасской сельскохозяйственной акаде­ мии, где каид. техн. наук доц. А. Л. Урбой решаются задачи по уравновешиванию механизмов в так называемых Lp функциональных

квадратического приближения функций. В работах А. Л. Урбы номер функционального пространства доходит до 20.

Несмотря на достигнутые успехи, еще есть ряд нерешенных вопросов как в области создания балансировочных станков, так и в области теории уравновешивания механизмов. Наибольшего внимания требуют, с нашей точки зрения, следующие задачи.

1.Разработка стандарта на классы точности балансировки гиб­ ких роторов.

2.Создание крупного производственно-конструкторского и

исследовательского объединения по разработке и выпуску баланси­ ровочного оборудования.

3. Дальнейшее развитие исследовательских и опытно-конструк­ торских работ по балансировочной технике в различных организа­ циях и прежде всего в ЭНИМСе. В качестве пожелания можно рекомендовать направить эти работы на создание балансировочных комплексов и их модулей, оснащенных робототехническими устрой­ ствами; на разработку балансировочных процессов с безлюдной технологией; на создание новых средств балансировочной техники, в частности, для балансировки электрических машин непосред­ ственно в их статоре.

4.Организация в системе Минвуза СССР специализации по балансировочной технике, которая давно уже стала межотраслевой специальностью.

5.Дальнейшее развитие и внедрение в практику новых методов низко- и высокочастотной балансировки гибких роторов, не требу­ ющих знания собственных форм изгибных колебаний и решающих задачу при сокращенном числе пусков и без вывода ротора на кри­ тические скорости.

6.Развитие методов и средств электрофизической и, в частности, лазерной, балансировки в приборостроении и в других отраслях техники.

7.Дальнейшее развитие методов статического и динамического уравновешивания плоских и пространственных механизмов с сим­ метричными и несимметричными звеньями; создание стендов для балансировки рычажных машин в сборе при холостом и номинальном режимах.

1.2.СИНТЕЗ РЕШАЮЩИХ СХЕМ ЦЕПЕЙ РАЗДЕЛЕНИЯ

ПЛОСКОСТЕЙ КОРРЕКЦИИ ЗАРЕЗОНАНСНЫХ БАЛАНСИРОВОЧНЫХ СТАНКОВ

(Т. П. Козлянинов)

В распространенных зарезонансных балансировочных станках обычно используется маятниковая подвеска подвижных опор, обес­ печивающая перемещение цапф ротора в горизонтальной плоскости.

Собственные частоты колебаний ротора в этой подвеске оказы­ ваются достаточно низкими, поэтому перемещения цапф ротора, вызываемые неуравновешенными центробежными силами, в основном определяются массово-геометрическими параметрами ротора и мало зависят от упругости подвеса. Плоское движение ротора исключает влияние гироскопических моментов, уравновешиваемых вертикаль­ ными реакциями^подвески.

Вследствие указанных причин достаточно хорошей динамической моделью ротора на зарезонансном балансировочном станке является