CC BY
31
УДК 621.317
Н. Н. Вершинин, О. Е. Безбородова, Д. П. Грузин
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ АВТОМАТИЧЕСКОЙ ПОДАЧИ УРАВНОВЕШИВАЮЩЕЙ МАССЫ ПРИ БАЛАНСИРОВКЕ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ТЕЛ ВРАЩЕНИЯ
N. N. Vershinin, O. E. Bezborodova, D. P. Gruzin
USING AUTOMATIC BALANCING IN PROCESSING CYLINDRICAL BODIES OF REVOLUTION
Аннотация. Предложены конструкция и схема действия автоматизированного устройства по устранению динамической неуравновешенности цилиндрических тел вращения. Рассмотрено применение специального дозатора для автоматической балансировки, который позволяет с одной установки производить балансировку цилиндрических тел вращения в двух плоскостях.
Abstract. A design of the scheme and automated device action to address the dynamic unbalance cylindrical bodies of revolution. The application of a special dispenser for automatic balancing, which allows one installation to produce cylindrical bodies balancing rotation in two planes.
Ключевые слова: автоматическая балансировка, тело вращения, противовес, электродвигатель, дозатор, датчик, дисбаланс, ось колебаний.
Key words: automatic trim, body of revolution, counterbalance, electric motor, batcher, sensor, imbalance, axis of oscillation.
Уравновешивание механизмов имеет в настоящее время весьма большое значение в технике в связи с необходимостью создания более мощных и более производительных машин и механизмов для реализации высокоскоростных технологических процессов в различных отраслях промышленности.
Основы теории уравновешивания механизмов были заложены в работах академика И. И. Артоболевского и затем успешно развивались в области уравновешивания [1]:
- плоских механизмов;
- пространственных механизмов;
- механизмов с несимметричными звеньями;
- механизмов с переменными массами звеньев;
- механизмов многоцилиндровых машин.
Наиболее полно разрешены задачи статического уравновешивания как плоских, так и пространственных механизмов с постоянными массами и с симметричными звеньями. Эти задачи решаются методом приведенных точечных масс или методом векторов главных точек звеньев.
Однако в связи с непрерывным ростом скоростей звеньев снижение уровня вибраций и увеличение производительности механизмов за счет только статического уравновешивания становятся невозможными. Поэтому приходится применять на практике методы динамического уравновешивания механизмов. Полное решение этой задачи встречает большие конструктивные трудности. Однако точное уравновешивание в любом плоском механизме с симметричными
32
Измерение. Мониторинг. Управление. Контроль
звеньями и с постоянными массами главного вектора и первой гармоники главного момента системы неуравновешенных сил достигается простыми конструктивными средствами.
Определение момента неуравновешенных сил и нахождение условий, при которых эти силы будут отсутствовать, представляют несравненно более сложную задачу и требуют для своего решения специального математического аппарата.
В настоящее время теория пространственных механизмов разработана недостаточно и требует дальнейшего развития.
Задача анализа неуравновешенных сил, действующих в многоцилиндровых машинах, и их уравновешивания решена в настоящее время наиболее полно. Но и здесь существует целый комплекс различных проблем, требующих дополнительного исследования. Например, практический интерес представляют особенности балансировки цилиндрических тел вращения (ЦТВ) методом малых угловых колебаний.
На практике устранение неуравновешенности ЦТВ осуществляется обычно добавлением или удалением массы в двух плоскостях коррекции, перпендикулярных к оси вращения. В этих же плоскостях указывается и неуравновешенность ЦТВ в виде дисбалансов масс.
Переход к этой системе можно осуществить, основываясь на установленных понятиях векторов статического дисбаланса массы ЦТВ и центробежного момента инерции Joz ЦТВ относительно точки на оси вращения и их свойствах, аналогичных свойствам силовых факторов.
Представим эти геометрически массовые характеристики через эквивалентные составляющие в плоскостях коррекции I и II с аппликатами ^ и гп.
Эквивалентная замена вектора дисбаланса двумя векторами Дс1 и Дс11 в плоскостях коррекции будет справедливой, если, во-первых, сумма этих дисбалансов останется равной первоначальному вектору ; во-вторых, момент этих дисбалансов относительно точки приложения должен остаться равным нулю, т.е.
+ = Д; (( + = о. (!)
Учитывая, что дисбалансы , Дс1 и Дс11 лежат в одной осевой плоскости, система векторных уравнений может быть заменена для этой плоскости системой алгебраических уравнений, откуда, с учетом ориентации вектора , получим
АС! = — Д-; = —Д, (2)
21 -п -1 -п
где г1 и г11 - аппликаты плоскостей коррекции.
Таким образом, дисбалансы в плоскостях I и II от статической неуравновешенности обратно пропорциональны расстояниям плоскостей коррекции от центра массы ЦТВ. При расчетах их числовые значения должны подставляться с учетом знаков. Поэтому при расположении центра массы между плоскостями коррекции аппликата гп имеет отрицательное значение, составляющая Дс1 получит знак «плюс», следовательно, она будет иметь ту же угловую координату, что и А- . Вектор Дс11 по причине положительного значения аппликаты также будет иметь такую же угловую координату, что и А .
Тогда, подставляя значения аппликат = Д , гп = —12 и - гп = Д + 12 = 112 в формулы (2), получим
Д = ^Д; АН=^ А. (3)
'12 '12
Составляющие вектора центробежного момента Joz в виде пары дисбалансов АД и АдП в плоскости, перпендикулярной к вектору Joz , найдем, учитывая их равенство друг другу по моду-
лю
АДП
АД
исходя из условия Joz = ( - zII )АД, т.е. = |адп| = ДД = .
'12
Таким образом, в каждой из плоскостей коррекции имеется по два вектора дисбалансов, которые можно заменить равнодействующими: а) для плоскости I:
б) для плоскости II:
Ал + Я* = Аь
Ап + АдП = Ад.
(4)
Следовательно, дисбалансы Аг1 и Аг11 в плоскостях коррекции эквивалентно заменяют
совокупностью векторов А и Joz, определяющих статическую и моментную неуравновешенности ЦТВ, при заданном расположении плоскостей коррекции I и II.
Известны способ и устройство для автоматической балансировки ЦТВ [2], по которым процесс балансировки нанесением противовеса на наружную поверхность детали управляется сигнальным датчиком дисбаланса, а механизм устранения неуравновешенности выполнен в виде резервуара с размещенным в них червячным винтом, вращаемым электродвигателем и игольчатой заслонкой, управляемой электромагнитом, и предназначенным для управления открытием выходного отверстия резервуара в процессе нанесения противовеса. Однако наличие заслонки и электромагнита усложняет конструкцию устройства, что не всегда может быть использовано практике.
На зависимостях (1)-(4) основаны предлагаемый способ и устройство для автоматической балансировки ЦТВ.
Предлагаемые способ и устройство отличаются от известных тем, что компенсирующая масса наносится на внутреннюю поверхность ЦТВ посредством двухканального дозатора, вводимого в полость ЦТВ, а управление подачей компенсирующей массы в первый и второй каналы, соответствующие балансировке в первой и второй плоскостях приведения дисбалансов, осуществляется не электромагнитной заслонкой, а реверсированием вращения червячного винта.
Блок-схема автоматизированной системы устранения динамической неуравновешенности ЦТВ представлена на рис. 1. В ее состав входят система программного управления 1, состоящая из блока питания, датчика, усилителя и блока автоматики; комплекс технологического оборудования 2, состоящий из электропривода вибрации, механизма дозирования и механизма разворота ЦТВ; транспортно-питающий манипулятор 3.
Рис. 1. Блок-схема автоматизированной системы устранения динамической неуравновешенности ЦТВ: 1 - система программного управления; 2 - технологическое оборудование; 3 - транспортно-питающий манипулятор
Измерение. Мониторинг. Управление. Контроль
Схема автоматизированной системы устранения динамической неуравновешенности ЦТВ приведена на рис. 2.
Схема включает электроустановку угловых колебаний 1, пружинные амортизаторы 2, вибрирующую платформу 3, пружинные растяжки 4, поворотную базировочную рамку 5, дозирующее устройство, с электродвигателем 6 [3], резервуар 7, червячный винт 8, зонд 9 с двумя каналами 10 и 11, датчик дисбаланса 12 [4], усилитель сигналов датчика 13, блок управления электродвигателем дозатора 14.
Электропривод 1 сообщает платформе 2, платформе 3 и установленному на ней ЦТВ угловые колебания. Для определения дисбаланса ЦТВ в плоскостях I и II используется датчик дисбаланса 12, сигнал с которого поступает на усилитель сигналов датчика (амплитуда колебаний и частота) 13.
Для определения и компенсации дисбаланса в плоскости I ЦТВ устанавливается таким образом, чтобы плоскость II была совмещена с осью колебаний О1, и ось колебаний О2 электропривода 1 не влияла на процесс балансировки в плоскости I.
12
ю7 гь_______
Рис. 2. Схема автоматической балансировки ЦТВ с использованием червячной подачи уравновешивающей массы
При наличии дисбаланса в плоскости I возникают колебания ЦТВ а вокруг его продольной оси, пропорциональные величине и угловой координате дисбаланса. Далее ЦТВ с помощью специального механизма, не показанного на схеме, принудительно разворачивают более легким местом, что отмечается по максимальным сигналам датчика, которые усиливаются усилителем 13 и передаются на вход блока управления 14 электродвигателем дозатора 6. Последний управляет вращением электродвигателя в направлении, соответствующем поступлению управляющей массы 16 в канал 10 зонда 9. В качестве уравнивающей массы могут быть использованы массы на основе смолы, состоящей из наполнителя и отвердителя. По мере нанесения уравнивающей массы в легком месте ЦТВ его колебания а уменьшаются и при достижении допустимого остаточного дисбаланса двигатель 6 останавливается и процесс балансировки в плоскости I заканчивается.
Для балансировки в плоскости II базировочная рамка 5 вместе с ЦТВ и дозатором поворачивается на 180° вокруг оси О2, расположенной посередине между плоскостями I и II. Тем
34
самым плоскости I и II меняются местами, и осуществляется процесс балансировки в плоскости II. При этом электродвигатель 6 вращается в противоположном направлении, что обеспечивает поступление уравновешивающей массы в канал 11 зонда 9 и нанесение ее в более легком месте плоскости II.
Таким образом, решается задача автоматической балансировки ЦТВ с использованием реверсивного вращения червячного винта для подачи компенсирующей массы.
Список литературы
1. Основы балансировочной техники. Т. 1. Уравновешивание жестких роторов и механизмов / под ред. д-ра техн. наук, проф. В. А. Щепетильникова. - М. : Машиностроение, 1975. - 528 с.
2. Мячин, В. Е. Опыт создания и применения автоматических систем уравновешивания деталей и узлов для условий гибкого автоматического производства // Гибкие автоматические производства в радио- и приборостроении / В. Е. Мячин, Н. Н. Вершинин, В. В. Пузарин ; под ред. Б. Н. Деньдоб-ренко. - М. : Знание, 1984. - С. 57-61.
3. Чуфистов, Е. А. Конструкторско-технологическое повышение надежности подшипниковых узлов коленчатых валов среднеоборотных дизельных двигателей / Е. А. Чуфистов, Н. В. Родайкин, О. Е. Чуфистов // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. -2009. - № 2. - С. 156-165.
4. Брякин, А. Л. Двухкоординатный датчик положения / А. Л. Брякин, В. В. Кожевников, С. В. Кочкин // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. - 2011. - № 4. -С. 225-236.
Вершинин Николай Николаевич
доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой техносферной безопасности,
Пензенский государственный университет E-mail: nvershinin@yndex.ru
Безбородова Оксана Евгеньевна
кандидат технических наук, доцент, заместитель заведующего кафедрой техносферной безопасности, Пензенский государственный университет E-mail: ot@pnzgu.ru
Грузин Дмитрий Павлович
доцент,
заместитель заведующего кафедрой техносферной безопасности, Пензенский государственный университет E-mail: ot@pnzgu.ru
Vershinin Nikolay Nikolaevich
doctor of technical sciences, professor,
head of sub-department of technospheric security,
Penza State University
Bezborodova Oksana Evgen'evna
candidate of technical sciences, associate professor, deputy head of sub-department of technospheric security, Penza State University
Gruzin Dmitriy Pavlovich
associate professor, deputy head of sub-department of technospheric security, Penza State University
УДК 621.317 Вершинин, Н. Н.
Использование автоматической подачи уравновешивающей массы при балансировке цилиндрических тел вращения / Н. Н. Вершинин, О. Е. Безбородова, Д. П. Грузин // Измерение. Мониторинг. Управление. Контроль. - 2014. - № 2 (8). - С. 31-35.
