ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ........................................................4
1. СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ БАЛАНСИРОВКИ. ОБЗОР ЖИДКОСТНЫХ АВТОБАЛАНСИРОВОЧНЫХ УСТРОЙСТВ. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ 9
1.1. Причины, методы и средства балансировки роторов..........9
1.2. Основные требования к АБУ...............................14
1.3. Краткий обзор основных видов АБУ........................16
1.4. Обзор жидкостных автобалансирующих устройств............22
1.5. Выводы по главе и постановка задачи.....................47
2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА АВТОМАТИЧЕСКОЙ БАЛАНСИРОВКИ РОТОРА ЖИДКОСТНЫМ АБУ 49
2.1. Стационарное вращение неуравновешенного ротора, частично заполненного жидкостью при действии сил внешнего трения...49
2.2. Стационарное вращение неуравновешенного ротора с жидкостным
автобалансирующим устройством при действии сил внешнего трения и
<
внешнего момента.............................................54
2.3. Исследование устойчивости стационарного вращения неуравновешенного ротора с жидкостным автобалансирующим устройством на гибком валу................................58
2.4. Нестационарное движение неуравновешенного ротора с жидкостным автобалансирующим устройством при скачкообразном изменении угловой скорости..........................................62
2.5. Исследование движения неуравновешенного ротора с жидкостным автобалансирующим устройством при его равноускоренном вращении ..68
3. ФАКТОРЫ ВЛИЯЮЩИЕ НА ТОЧНОСТЬ БАЛАНСИРОВКИ ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ ЖИДКОСТИ В КАЧЕСТВЕ КОРРЕКТИРУЮЩЕЙ МАССЫ...........................................................74
3.1. Исследование эффективности автоматической балансировки жидкостным АБУ...............................................75
2
3.2. Эффективность автоматической балансировки при применении нескольких резервуаров.....................................81
3.3. Влияние прогиба стенки камеры жидкостного автобалансирующего устройства на процесс балансировки ротора..................84
3.4. Оценка деформации стенок камеры жидкостного балансирующего
устройства....................................................88
3.5 Влияние эллипсности и эксцентриситета резервуара на точность
автоматической балансировки...................................91
3.6. Оценка влияния силы тяжести на процессы уравновешивания в жидкостных автоматических балансировочных устройствах.........96
4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА АВТОМАТИЧЕСКОЙ БАЛАНСИРОВКИ РОТОРА..............................100
4.1. Цель экспериментальных исследований.....................100
4.2. Экспериментальный стенд. Экспериментальные модели ротора 101
4.3. Определение влияния силы тяжести на форму свободной поверхности жидкости..................................................104
4.4. Исследования экспериментальной модели ротора с жидкостными автобалансирующими устройствами...........................108
4.5. Выводы но главе.........................................115
ЗАКЛЮЧЕНИЕ......................................................116
ЛИТЕРАТУРА......................................................118
ПРИЛОЖЕНИЕ......................................................131
з
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность работы.
Наличие вибрации приводит к интенсивному износу подшипников, а в некоторых случаях и к авариям, кроме того снижается точность исполнения функций, возложенных на прибор или машину. Вибрация оказывает непосредственное влияние на здоровье человека, снижая его работоспособность. Длительное действие вибрации может привести к поражению отдельных систем организма человека и явиться причиной вибрационной болезни. Чаще всего источниками вибрации машин и приборов являются вращающиеся неуравновешенные тела, которые в дальнейшем будем называть роторами. Современные методы и средства балансировки вращающихся роторов позволяют уравновешивать их по высокому классу точности. Но в некоторых случаях первоначальная балансировка в процессе работы прибора или машины нарушается и не удовлетворяет поставленным требованиям.
При возникновении вредных явлений, обычно рабочий процесс останавливают 4 и производят добалансировку или замену ротора. В некоторых случаях требуется производить балансировку без остановки ротора. В настоящее время в технике применяются автобалансирующие устройства (АБУ) вращающихся роторов. Они позволяют снизить уровни вибраций, уменьшить износ подшипников и других вращающихся частей, что в конечном итоге приводит к увеличению срока службы приборов и машин. Их разработка и применение имеет не только важное техническое и экономическое значение, а впоследнее время в связи с увеличением рабочих часот вращения машин, весьма значимое социальное.
Автобалансирующие устройства делятся на два типа: пассивные и активные. В пассивных АБУ корректирующие массы перемещаются свободно под действием внутренних сил, а в активных они перемещаются принудительно. Как первый, так и второй тип АБУ имеют свои преимущества и не-
достатки. Основное достоинство пассивных АБУ — их простота. Они не требуют подвода внешней энергии и сложной схемы управления, поэтому получаются достаточно компактными и простыми в изготовлении. Активные АБУ работают на всех скоростях вращения ротора, но сложны по конструкции и требуют сложной системы управления.
Наиболее изученными из пассивных устройств, являются механические АБУ, они так же имеют широкое применение. В данной работе рассматриваются жидкостные АБУ, которые изучены в меньшей степени и применяются реже, хотя они имеют и некоторые свои достоинства. Механические АБУ для достаточно точной балансировки предъявляют довольно высокие требования к качеству изготовления, а именно: к шероховатости и твердости поверхности, овальности и эксцентриситету беговой дорожки шаров, что в конечном итоге способствует удорожанию их изготовления. Жидкостные АБУ лишены некоторых из этих недостатков, они не требуют столь высокого качества изготовления, дешевы в производстве. Гак же достоинствами данного типа устройств являются искробезопасность и бесшумность работы. Поэтому изучение и применение в промышленности таких устройств является перспективным направлением развития теории автоматической балансировки.
Цель работы.
Исследовать плоское движение системы ротора с жидкостным автобалансирующим устройством. Определить области значений частот вращения ротора, где имеет место автоматическая балансировка ротора жидкостью. Рассмотреть влияние различных факторов на точность балансировки. Разработать на основе полученных теоретических выкладок устройства, позволяющие снижать уровень вибрации неуравновешенных роторов, до уровня рекомендуемых ГОСТ санитарно-гигиенических норм. Провести экспериментальные исследования работы жидкостного АБУ.
Для достижения поставленных целей предполагается решить ряд задач: • разработать математические модели движения неуравновешенного ротора с жидкостным АБУ;
5
I
• определить факторы, влияющие на точность балансировки роторов жидкостными АБУ и разработать рекомендации для их конструирования, обеспечивающие снижение влияния этих факторов;
• экспериментально проверить полученные теоретические результаты.
Методы исследований основывается на научных положениях динамики машин и теории колебаний, математического моделирования с применением аналитических и численных методов. Проведение экспериментальных исследований для подтверждения эффекта снижения колебаний.
Научная новизна работы.
1. Проведено теоретическое обобщение задачи о влиянии жидкостного автобалансирующего устройства на уровни вибрации для неуравновешенных роторов.
2. Решены задачи автоматического устранения динамической неуравновешенности ротора при помощи жидкостного АБУ.
3. Теоретически определены значения частот вращения ротора, при которых происходит снижение вибрации.
4. Получены экспериментальные материалы подтверждающие теорию о распределении жидкости по внутренней поверхности резервуара.
5. Экспериментально подтверждена эффективность работы автобалансирующего устройства жидкостного типа для устранения неуравновешенности ротора.
Практическая ценность.
• Разработана методика расчета диапазонов частот вращения неуравновешенного ротора, где осуществляется его автоматическая балансировка жидкостью.
• Применение методики расчета необходимого и достаточного количества камер для жидкостного АБУ позволяет рассчитать эффективность снижения неуравновешенности и получить устройство для реального ротора.
• Получены аналитические зависимости для определения динамической неуравновешеннос ти ротора.
6
• Применение математической модели движения ротора с жидкостным АБУ позволяет рассчитывать время уравновешивания при различных характеристиках жидкости.
• Разработан и описан принцип действия жидкостного автобалансирующего устройства для уменьшения неуравновешенности ротора.
Реализация результатов работы.
Результаты работы использованы при создании автобалансирующего устройства для шлифовальной машины. Методика расчета данного жидкостного автобалансирующего устройства применена при разработке технического проекта шлифовальной машины.
Основные положения работы, выдвигаемые на защиту.
• Математическая модель плоской механической системы, в которую входит ротор, имеющий статическую неуравновешенность, с установленным на нем жидкостным автобалансирующим устройством.
• Численная реализация предложенной модели позволяет найти требуемую эффективность автобалансирующего устройства, области частот вращения ротора, где имеет место автоматическая балансировка, а также остаточную неуравновешенность системы ротор-жидкость ввиду технологических несовершенств и сил трения.
• Результаты экспериментальных исследований снижения вибрации неуравновешенных роторов с помощью жидкостных АБУ.
Апробация работы.
Основные результаты и положения диссертационной работы были доложены на: на научно-практических конференциях «Прогрессивные технологии и экономика в машиностроении» (Филиал ТПУ в г. Юрга, 2001- 2002 г.), на научно-практических конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные техника и технологии» (ТПУ, г.Томск, 2001 - 2006 г.), на международной научно-практической конференции «Современные материалы и технологии» (г.Пенза, 2002 г.), на международной научно-технической конференции «К(Жи8-2001», на международной научно-
технической конференции, (ОМГТУ, г. Омск 2002 г.). Полное содержание работы доложено на научном семинаре кафедры «Теоретической и прикладной механики», ИПР НИ ТПУ.
Публикации. Всего по теме диссертаций опубликовано 19 печатных работ. По результатам исследований получены 3 патента на полезную модель. Получен акт внедрения результатов работы.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка из 124 наименований и приложения. Общий объем работы: 131 - страниц, 1 - таблица, 47 - рисунков.
8
1. СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ БАЛАНСИРОВКИ. ОБЗОР ЖИДКОСТНЫХ АВТОБАЛАНСИРОВОЧНЫХ УСТРОЙСТВ.
ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ
1.1. Причины, методы и средства балансировки роторов
В процессе изготовления машин в результате неточности обработки и сборки деталей, неоднородности плотности материала и других факторов практически невозможно избежать возникновения неуравновешенности роторов, то есть состояния, характеризующегося таким распределением масс, которое во время вращения вызывает дополнительные нагрузки на опоры ротора, а в случае возникновения динамической неуравновешенности изгиб его оси [75].
Дисбаланс ротора любой конструкции в каждой из плоскостей коррекции представляет векторную сумму трех составляющих: конструкционной, технологической и эксплуатационной. Две первые из них являются следствием неправильных конструирования деталей и процессов их изготовления, а так же сборки в узлы. Сумма этих составляющих определяет начальный дисбаланс ротора и успешно может быть сведена к допустимым для данного класса машин величинам с помощью современных методов и средств балансировки.
Эксплуатационная составляющая дисбаланса, обусловленная различными причинами, может устраняться без остановки машины только с помощью устройств автоматической балансировки. Изменение положения центра масс ротора может быть обусловлено структурными превращениями в материале, приводящими к изменению размеров и формы деталей, упругими и термическими деформациями элементов из-за различия упругих свойств и коэффициентов теплового расширения сопрягаемых элементов и т.п. Такие же последствия вызывают неравномерные нагрев и остывание ротора, ослабление соединений, коррозия и износ подшипников и контактирующих дета-
лей, неравномерное обжатие обмотки и ряд других причин. Эти изменения дисбаланса происходят с относительно малой скоростью и имеют, как правило, случайный характер. При этом предельное значение дисбаланса в 3-5 раз превышает значение наименьшего предельного дисбаланса.
К машинам, у которых эксплуатационное изменение дисбаланса является следствием выполняемого ими технологического процесса, относятся центрифуги, экстракторы отжимочных машин, роторы канатовыощих и землеройных машин, барабаны рулонно-ротационных печатных машин, моталки прокатных станов холодной прокатки, пескометные головки формовочных машин, шлифовальные станки, горно-шахтные вентиляторы, искусственные спутники Земли и многие другие. В этих машинах изменение или перераспределение массы и изменение геометрии роторов происходит относительно быстро и может быть как детерминированной функцией времени, положения и скорости, так и случайной функцией, не зависящей от характера движения. Предельное значение дисбаланса в этих машинах может быть значительным.
В аварийных случаях (трещины в роторе, разрушение подшипника, отрыв лопатки и т.п.) изменение дисбаланса происходит стремительно и носит случайный характер по времени, величине и положению [4, 33, 34].
Устраняется неуравновешенность либо в процессе технологической операции балансировки, либо с помощью специальных устройств, обеспечивающих автоматическую балансировку.
Эффективным способом устранения вибрации является балансировка роторов, выполняемая при их изготовлении и монтаже, для чего устанавливают или удаляют корректирующие массы так, чтобы главная центральная ось инерции приближалась к оси ротора. Корректировку масс производят различными способами: сверлением, наплавкой, наваркой, напылением завинчиванием винтов, выжиганием электрической искрой, лазером и так далее. Для автоматизации данных процессов необходимо очень сложное и дорогостоящее оборудование.
ю
В связи с этим применяют еще один способ, позволяющий производить балансировку роторов, а именно, совместить ось ротора с главной центральной осью инерции с помощью перемещения или специальной обработки цапф. Этот способ хорошо согласуется с требованием, предъявляемым к технологии изготовления приборов, где избегают появления стружки, пыли, пропусканию больших токов через опоры двигателя, при этом операция балансировки за счет применения различных устройств [37, 14] может быть включена в процесс изготовления ротора и может быть полностью автоматизирована. Указанной цели служит автобалансирующсс устройство [21], предназначенное для балансировки роторов в собственных подшипниках.
Технологическая операция балансировки проводится с использованием балансировочных станков, наиболее простые по конструкции — станки для статической балансировки, где для определения главного вектора дисбалансов используется сила тяжести ротора и не требуется при этом приводить его во вращение. Эти станки имеют большие габариты и вес, но по сравнению со станками других типов обеспечивают меньшую точность балансировки за счет влияния трения в месте контакта опорных поверхностей балансируемого ротора с установочными элементами станка. С целью повышения точности балансировки создаются жидкостные или газовые потоки под поверхностями цапф ротора или вводят поперечную или осевую вибрацию опор [68].
Для устранения динамической неуравновешенности ротора используются станки для динамической балансировки [23, 34], в которых для определения дисбаланса ротора вал приводят во вращение. После чего на основе полученных от преобразователей сигналов, пропорциональных вибрации опор, определяется дисбаланс роторов с помощью специальных приборов.
В качестве чувствительного элемента используются автобалансирующие элементы со свободным перемещением малых масс, однако, чувствительный механический элемент [36, 37, 74] не позволяет получить высокую точность вследствие релейности своей характеристики.
11
- Київ+380960830922