Устройство и принцип действия балансировочных станков

Описывается устройство, принцип действия и конструкции основных узлов станков для динамической балансировки; рассматриваются типовые узлы по принципу выполняемых функций; даются правила оценки норм точности балансировочных станков единые для заводов-изготовителей и потребителей станков.

В общем случае балансировочный станок содержит (рис. 4.1): балансировочное, приводное, измерительное и корректирующее устройства, а также дополнительные устройства, которые крепят на станине станка.

 

 

Балансировочное устройство является колебательной системой станка, в которой устанавливается и вращается неуравновешенный ротор. По колебаниям этой системы при балансировке судят о дисбалансах ротора. В современных станках применяют два типа таких устройств: зарезонансное и дорезонансное.

Зарезонансное балансировочное устройство (рис. 4.2, а) состоит из двух подвижных опор или платформы и упругих элементов, подвешивающих опоры на станине станка. Жесткость упругих элементов различна в разных направлениях. В станках с горизонтальной осью вращения упругие элементы сравнительно жестки в вертикальном направлении, тогда как в горизонтальном направлении жесткость очень мала и подвеска не препятствует колебаниям.

 

 

При проектировании и изготовлении зарезонансных станков подбирают массу опор, длину, жесткость подвески и другие параметры балансировочного устройства так, чтобы его собственная частота в горизонтальном направлении во много раз была ниже частоты вращения ротора при балансировке.

При вращении неуравновешенного ротора в зарезонансном балансировочном устройстве подвижные опоры будут колебаться в горизонтальной плоскости. Амплитуды этих колебаний пропорциональны дисбалансам в плоскостях коррекции ротора, т.е. описываются уравнениями (2).

Дорезонансное балансировочное устройство состоит из двух неподвижных опор, жестко закрепленных на станине станка. Собственные частоты колебаний опор во всех направлениях значительно превышают частоты вращения балансируемых роторов. Нижняя часть опоры представляет собой динамометр или силовой мостик. Динамические нагрузки, возникающие в опорах при вращении неуравновешенного ротора, создают малые перемещения на динамометре (рис. 4.2, б), которые усиливаются рычажной системой. Сила в опоре пропорциональна перемещению, т.е.

где к — коэффициент жесткости опоры в горизонтальном направлении.

В дорезонансном балансировочном устройстве по схеме силового мостика (рис. 4.2, в) в одном из плеч силового мостика устанавливают датчик, измеряющий непосредственно динамическую нагрузку от неуравновешенного ротора, описываемую уравнениями (1).

Балансировочные устройства разгонно-балансировочных стендов и станков для высокочастотной балансировки гибких роторов имеют одинаковую жесткость во всех направлениях — являются изотропными и имеют три или четыре опоры.

Принцип действия балансировочных устройств станков с вертикальной осью вращения аналогичен рассмотренным выше. Эти устройства часто конструктивно объединяют с приводным устройством. Балансируемую деталь закрепляют в шпиндельном узле. Шпиндель, подвеска, а иногда и приводное устройство составляют балансировочное устройство станка с вертикальной осью вращения.

Приводное устройство обеспечивает запуск, поддержание постоянной угловой скорости вращения и торможение балансируемого ротора. Основными элементами устройства (рис. 4.3) являются: электродвигатель, коробка передач, тормоз, приводное соединение, схема управления приводным устройством.

В балансировочных станках применяют электродвигатели переменного или постоянного тока различной мощности, ступенчатые и бесступенчатые передачи. Ременные передачи применяют при относительно небольших передаваемых усилиях. В этих передачах используют плоские, клинковые и круглые ремни. Зубчатые передачи обеспечивают передачу больших мощностей и ступенчатое регулирование скоростей вращения. В коробках передач станков используют цилиндрические зубчатые колеса с разным числом зубьев, вводимые последовательно в зацепление друг с другом. Изменение передаточного отношения в приводе иногда производят сменой зубчатых колес.

Приводное соединение связывает выходной вал коробки передач с балансируемым ротором. Различают осевое, ленточное и тангенциальное соединения. Осевое соединение осуществляют с помощью карданных валов (рис. 4.4) различной конструкции. В ленточном соединении применяют плоские бесконечные ремни, охватывающие балансируемую деталь (рис. 4.5). Тангенциальное (касательное) соединение создают прижимные ролики (рис. 4.6, а) и круглые ремни (рис. 4.6, б).

Приводные соединения способны передавать ограниченные крутящие моменты. Поэтому во избежание разрушения приводного устройства во время запуска и торможения ротора используют специальную электрическую схему

 

 

управления приводным устройством, обеспечивающую плавность пуска и останова ротора.

Тиристорные системы используют для управления трехфазными асинхронными электродвигателями с короткозамкнутым ротором и электродвигателями постоянного тока. Применение этих систем в балансировочных станках позволяет: управлять электродвигателем бесконтактным способом, ограничивать ударные моменты при пуске, получать широкую гамму пуско-тормозных и регулировочных режимов работы электродвигателя.

Измерительное устройство определяет значения и углы дисбалансов ротора в заданных плоскостях. Его структурная схема (рис. 4.8) состоит из датчиков, цепи разделения плоскостей коррекции или измерения, частотно-избирательных средств, индикаторов значения и угла дисбалансов.

Датчики преобразуют параметры колебаний балансировочного устройства в электрические сигналы. В балансировочных станках применяют контактные (индукционные, пьезоэлектрические) и бесконтактные (токовихревые) датчики.

Индукционный датчик представляет собой катушку индуктивности (рис. 4.9, а), которая может свободно перемещаться в магнитном поле, образованном постоянным магнитом. Катушка жестко соединяется с балансировочным устройством. При колебаниях этого устройства катушка будет также колебаться и в ней возникнет ЭДС индукции, величина которой определяется скоростью изменения магнитного потока, т.е. пропорциональна скорости колебаний балансировочного устройства. При постоянной частоте вращения ротора ЭДС пропорциональна амплитуде перемещения опор станка.

Пьезоэлектрический датчик основан на пьезоэлектрическом эффекте. При механической деформации в определенном направлении, например, кристаллов сегнетовой соли, поляризованной керамики и титаната бария в них возникает электрическое поле (рис. 4.9, б), изменяющее знаки зарядов при изменении направления деформации. Величина заряда, возникающего при пьезоэлектрическом эффекте, пропорциональна действующей силе.

Индукционные и пьезоэлектрические датчики связаны с колебательной системой станка, т.е. являются контактными датчиками.

Токовихревые датчики — бесконтактные, поэтому служат для измерения прогибов вращающихся валов. Принцип действия токовихревого датчика основан на индукционных токах (токи Фуко), возникающих в массивном проводнике, которым является ротор, помещенном в изменяющееся магнитное поле. Изменяющееся магнитное поле создается генератором высокой частоты (рис. 4.10) и колебательным контуром, состоящим из индуктивности Lи емкости С. Изменения зазора между поверхностью датчика и вала при его вращении вызывают изменение выходного напряжения.

Для отметки угла дисбаланса, частоты вращения ротора при балансировке применяют генераторы опорного сигнала, стробоскопы с газосветными лампами, фотоэлектрические и некоторые другие датчики.

Ротор генератора опорного сигнала представляет собой двухполюсный постоянный магнит, вращающийся со скоростью балансируемого ротора, и связан с ним жестко. Статор имеет две взаимно перпендикулярные обмотки и может поворачиваться в любое фиксированное положение вместе с

 

лимбом, нанесенным на корпусе статора. Выходное напряжение Генератора постоянной величины с известной фазой по отношению к отметке угла на роторе имеет частоту вращения ротора.

При освещении вращающегося ротора неоновой, импульсной или другой газосветной лампой возникает стробоскопический эффект. Этот эффект получается из-за того, что глаз человека импульсы света с частотой более 10 Гц не различает как отдельные вспышки, а воспринимает их как непрерывный поток света. Если импульсы следуют с частотой вращения, то ротор для человеческого глаза будет казаться неподвижным. На таком принципе основан стробоскоп, освещающий при балансировке шкалу (метку), нанесенную на ротор. Освещаемая цифра указывает угол дисбаланса относительно известного положения.

Фотоэлектрический датчик срабатывает от контрастной метки, нанесенной на роторе, и выдает короткие импульсы с частотой вращения ротора.

Электрическую цепь между виброизмерительными преобразователями и частотно-избирательными средствами называют цепью разделения плоскостей коррекции (ЦРПК). ЦРПК автоматически решает уравнения (1)-(5) относительно дисбалансов ротора.

Датчики зарезонансного балансировочного станка включены в ЦРПК последовательно (рис. 4.11, а) с такой полярностью, что их ЭДС действуют навстречу друг другу. В цепи

 

компенсирующего датчика включен потенциометр настройки R1 или R2. Напряжение на выходе схемы Евых складывается из полного напряжения основного датчика и части напряжения компенсирующего датчика. Цепь разделения плоскостей коррекции дополняется переключателями, реверсирующими фазу напряжения датчиков, и переключателями, коммутирующими потенциометры настройки к тому или другому датчику. Так как положения ползунков потенциометров и переключателей различны для разделения 1-й и 2-й плоскостей коррекции, то органы настройки в схеме дублируются.

В измерительных устройствах балансировочных станков применяют и другие цепи разделения плоскостей коррекции. При многоплоскостной балансировке для решения уравнений (1) в измерительное устройство вместо цепи разделения плоскостей коррекции включают аналоговые или цифровые вычислительные машины, снабженные программами расчетов. Колебания, регистрируемые вибропреобразователями, вызываются как неуравновешенностью ротора, так и погрешностями динамической балансировки. Составную часть колебаний от погрешностей называют колебаниями помех в противоположность полезным колебаниям от дисбалансов.

Корректирующие устройства входят в состав балансировочных станков, предназначенных для крупносерийного и массового производства. Они корректируют массу ротора после его остановки или во время вращения. При работе в автоматическом режиме корректирующие устройства управляются от измерительного устройства.

В балансировочных станках применяют различные дополнительные устройства, обеспечивающие его функционирование. Это пневмо- и гидросистемы, загрузочные и накопительные устройства и т.п.


Избранные главы из книги Левита М.Е., Рыженкова В.М. "Балансировка деталей и узлов". Москва, изд. "Машиностроение", 1986г.