CC BY
39
УДК 621.828.3
Андреев С.В., Ключников А.В. , Лысых. А.В. , Михайлов Е.Ф.
ФГУП «РФЯЦ-ВНИИТФ им. академ. Е.И.Забабахина»
КАЛИБРОВОЧНЫЕ ОПЕРАЦИИ В ПРОЦЕССЕ МОДУЛЬНОЙ БАЛАНСИРОВКИ ДЕТАЛИ НА НЕНАСТРОЕННОМ ДИНАМИЧЕСКОМ БАЛАНСИРОВОЧНОМ СТЕНДЕ
Аннотация: Рассмотрен способ калибровки измерительной системы балансировочного стенда, вы-
полняемой в процессе уравновешивания детали в составе сборного ротора. Деталь устанавливается внутри специального технологического переходника, загружаемого на опоры стенда. Способ позволяет выполнить индивидуальную настройку измерительной системы на контролируемую деталь, обеспечивая максимальную точность балансировки. Способ опробован на вертикальном динамическом балансировочном стенде с двумя коническими газовыми опорами.
Ключевые слова: ротор, балансировочный стенд, газовые опоры, массо-инерционная асимметрия, вибрация, сигнал, измерение, плоскость коррекции, пробный груз
При изготовлении деталей, характеризуемых вращательной симметрией, в частности, крупногабаритных «длинных» роторов - цилиндров, конусов, усечённых конусов и т.п. - часто возникает необходимость точно знать параметры, характеризующих несимметричность распределения масс детали относительно её оси симметрии - величину поперечного смещения центра масс и угол отклонения продольной главной центральной оси инерции (ГЦОИ) от геометрической оси детали (как правило, одновременно являющейся и осью симметрии), и существенно влияющих на поведение детали в процессе эксплуатации. Близость к нулю номинальных значений параметров указанных массоинерционной асимметрии осесимметричных роторов определяет специфику и сложность выполнения их измерений. Из технической литературы [1, 2] и других источников известно, что одним из наиболее эффективных подходов к решению задачи прецизионного определения параметров массоинерционной асимметрии является применение методов и средств динамической балансировки. Для жёстких роторов параметры массо-инерционной асимметрии определяют расчётным путём - по результатам измерений дисбалансов ротора, выполняемых в двух плоскостях коррекции, и с использованием априорно полученной информации о массе, продольном положении центра масс и моментах инерции ротора. Для измерения параметров дисбалансов используют датчики, чувствительные к вибрациям опор, и датчик-отметчик фазы дисбалансов (оптический, магнитный и др.) [2].
Существуют длинномерные детали роторного типа, не имеющие удобных опорных поверхностей, или не обладающие жёсткими базовыми поверхностями, что требует применения бесконтактных методов балансировки, вертикального расположения оси вращения (с целью исключения погрешностей, связанных с прогибом ротора под действием сил тяжести), низкой частоты вращения. Балансировка таких объектов, как правило, выполняется в так называемых «собственных опорах» с применением дорезонансных низкочастотных вертикальных балансировочных стендов. Использование опор сложной формы, когда невозможно заранее определить с требуемой для практики точностью расстояние между опорами балансировочного стенда, расстояния от опор до плоскостей коррекции, не позволяет использовать известную схему настройки по геометрическим размерам [1], а требует индивидуальной калибровки измерительной системы непосредственно в каждом балансировочном эксперименте. Как правило, калибровку выполняют с использованием контрольных (калибровочных) грузов известной массы, устанавливаемых в известные угловые положения на плоскостях коррекции, тем самым создавая известные (контрольные) дисбалансы, действующие в указанных плоскостях при вращении контролируемой детали в опорах с заданной (рабочей) угловой скоростью. Дополнительная сложность при проведении калибровочных операций нередко бывает обусловлена необходимостью использования специальной технологической оснастки для установки контролируемой детали в опоры. Следует отметить, что ошибка в настройке стенда практически сводит к нулю все результаты последующего балансировочного эксперимента. Это делает разработку простых, надёжных и информативных способов экспериментальной настройки (калибровки) балансировочного стенда, применяемого для определения параметров массо-инерционной асимметрии и прецизионной модульной балансировки деталей, актуальной технической задачей.
Для прецизионной балансировки в динамическом режиме деталей, выполненных в виде «длинного» ротора конической формы, разработана автоматизированная система, реализованная на базе вертикального низкочастотного динамического балансировочного стенда с жёсткими опорами, выполненными в виде соосных конических газостатических подшипников. Деталь на стенде балансируется в качестве отдельного модуля в составе так называемого сборного ротора, образованного собственно балансируемой деталью и защитным технологическим переходником, внутри которого деталь устанавливается носком вниз и фиксируется (с использованием специальной оснастки) с гарантированными натягами всех посадок в стыках внутренних опор переходника и базовых поверхностей детали [3, 4]. Переходник выполнен в виде полого сбалансированного ротора, выполнен из алюминиевого сплава и имеет форму усеченного конуса, наружная боковая поверхность которого соответствует рабочим поверхностям газостатических подшипников, а внутренняя - базовым посадочным поверхностям контролируемой детали. Переходник загружается на стенд - основанием большего диаметра вверх. Переходник исключает возможность механического контакта контролируемой детали с опорами в процессе выполнения измерений, обеспечивая таким образом защиту наружной поверхности детали от повреждений. Также переходник материализует вторую плоскость коррекции при балансировке конического роторного объекта: в качестве второй, так называемой нижней плоскости коррекции (в
дальнейшем обозначаемой индексом «н») используется нижний торец переходника, тогда как в качестве первой, так называемой верхней плоскости коррекции, в дальнейшем обозначаемой индексом «в», используют штатную плоскость коррекции контролируемой детали, как правило, конструктивно расположенную на её торце или вблизи торца. Следует отметить, что перед проведением балансировочного эксперимента должны быть на другом оборудовании и с применением других средств измерений определены масса, продольное положение центра масс и моменты инерции контролируемой детали [3, 5].
С целью калибровки стенда и определения начальных значений параметров массо-инерционной асимметрии в процессе эксперимента выполняют серию пусков сборного ротора - для детали, находящейся в исходном состоянии, и с применением пробных грузов известной массы. В каждом пуске на выбеге сборного ротора при достижении рабочей угловой скорости вращения & - постоянной в течение всего балансировочного эксперимента - регистрируют вибросигналы от силоизмерительных датчиков [3]. Зарегистрированные вибросигналы подвергают математической обработке с целью вы-
деления из смеси с помехой сигналов, несущих в себе информацию о дисбалансах ротора и определяют амплитуды (А) и фазы (^) сигналов дисбалансов в системе координат сборного ротора. По результатам измерений, выполненных с использованием пробных грузами определяют коэффициенты балансировочной чувствительности измерительной системы балансировочного стенда к дисбалансам в каждой плоскости коррекции, а также коэффициенты взаимного влияния плоскостей коррекции.
Пробный груз в каждой плоскости коррекции устанавливают на известном радиусе в двух известных угловых положениях, отличающихся друг от друга на 180 градусов, с учётом разрешённых в технической документации на ротор зонах коррекции в соответствии с рисунком 1. В ходе последующей обработки экспериментальных данных полученные балансировочные коэффициенты усредняют [5]. Это позволяет нивелировать возможные погрешности изготовления плоскостей коррекции и погрешности установки детали внутри технологического переходника, например, таких как смещение центров плоскостей коррекции относительно геометрической оси детали, «негоризонтальность» плоскостей коррекции и т.п.
а) б)
а - при установке пробного груза массой тв на верхнюю плоскость коррекции радиусом Гв; б -при установке пробного груза массой тн на нижнюю плоскость коррекции радиусом Гв; 1 - сборный ротор; 2 - центр масс контролируемой детали; 3 - верхняя опора; 4 - нижняя опора; 5 - верхняя плоскость коррекции; 6 - пробный груз тв; 7 - нижняя плоскость коррекции; 8 - пробный груз тн
Калибровочные операции при настройке балансировочного стенда после загрузки технологического переходника на опоры и установки контролируемой детали внутри переходника выполняют в следующей последовательности:
1) в первом пуске определяют амплитуды и фазы вибраций опор при вращении ротора в исходном состоянии;
2) во втором пуске определяют амплитуды и фазы вибраций опор при вращении ротора с пробным грузом тв, установленным на радиусе Гв в верхней плоскости коррекции на произвольно выбираемый угол;
3) в третьем пуске определяют амплитуды и фазы вибраций опор при вращении ротора с пробным грузом тв, установленным на радиусе Гв в верхней плоскости коррекции на угол, отличающийся от первоначального угла установки на 180 градусов;
4) в четвёртом пуске определяют амплитуды и фазы вибраций опор при вращении ротора с пробным грузом тн, установленным на радиусе Гн в нижней плоскости коррекции на произвольно выбираемый угол;
5) в пятом пуске определяют амплитуды и фазы вибраций опор при вращении ротора с пробным грузом тн, установленным на радиусе Гн в нижней плоскости коррекции на угол, отличающийся от первоначального угла установки на 180 градусов.
Далее, исключив расчётным путём, с использованием операций векторной алгебры [6, 7] влияние вибраций опор, вызванных действием начальных дисбалансов сборного ротора, на результаты измерений, выполненных в пусках с пробными грузами, определяют векторные параметры (амплитуды и фазы) составляющих вибраций верхней и нижней опоры, сначала обусловленных установкой на верхнюю плоскость коррекции пробного груза тв, а затем обусловленных установкой на нижнюю плоскость коррекции пробного груза тн - для каждого углового положения каждого из используемых пробных грузов. После чего вычисляют усреднённые балансировочные коэффициенты, используемые в дальнейшем для определения искомых значений параметров массо-инерционной асимметрии контролируемой детали и (при необходимости) рассчитывают массу и угол установки балансировочного груза в штатной плоскости коррекции детали для корректировки её массы [3, 8].
Рассмотренный способ калибровки стенда обеспечивает повышение точности и информативности балансировочного эксперимента. Точность определения коэффициентов балансировочной чувствительности и коэффициентов взаимовлияния плоскостей коррекции, получаемая путём их двукратного определения с последующим усреднением, как правило, достаточна для настройки стенда на балансируемую деталь и для точного определения параметров её массо-инерционной асимметрии. В особо ответственных случаях точность определения указанных параметров асимметрии может быть повышена за счёт использования более точных коэффициентов, полученных путём увеличения пусков ротора с пробными грузами - например, трижды или четырежды последовательно прикрепляя пробный груз в каждой из плоскостей коррекции, в угловых положениях, равномерно расположенных по окружности, с последующим определением и усреднением получаемых коэффициентов балансировочной чувствительности и взаимовлияния плоскостей коррекции. Дальнейшее увеличение количества пусков ротора с пробными грузами, установленными в плоскостях коррекции(более четырёх), с целью усреднения большего числа результатов измерений и, тем самым, повышения точности настройки стенда, представляется нецелесообразным, так как сопровождается соответствующим кратным увеличением времени, затрачиваемого на настройку, что вносит дополнительную погрешность в результаты измерений, обусловленную неизбежным изменением во времени внешних условий, и, практически, нивелирует эффект от увеличения числа измерений.
Рассмотренный способ защищён патентом РФ на изобретение №2453818 (опубликовано 20.06.2012). Способ прост в реализации, обладает достаточной для практики степенью точности и информативности и с помощью простых и надёжных технических средств, без применения эталонного ротора позволяет проводить настройку (калибровку) стенда на балансируемую деталь непосредственно в процессе модульной балансировки, в частности, предполагающей размещение детали внутри технологической оснастки - переходника. Способ обеспечивает если и не полное исключение, то, по крайней мере, существенное уменьшение - до уровня, приемлемого для практического применения при контроле параметров массо-инерционной асимметрии балансируемых деталей, - погрешностей определения балансировочных коэффициентов, обусловленных, например, возможной «негоризонтальностью» и погрешностями изготовления плоскостей коррекции, погрешностями в сборке детали с технологическим переходником и т.д. В свою очередь, это приводит к повышению точности определения искомых параметров массо-инерционной асимметрии. Достигнутые погрешности определения величины поперечного смещения центра масс и угла перекоса продольной ГЦОИ относительно геометрической оси детали не превышают 0,01 мм в диапазоне измерений от 0,03 до 0,2 мм и 1 угловой минуты в диапазоне измерений от 1 до 10 минут [3, 9] соответственно.
ЛИТЕРАТУРА
1. Основы балансировочной техники. Т.1. Уравновешивание жестких роторов и механизмов / Под ред. В.А. Щепетильникова. - М.: Машиностроение, 1975. - 527 с.
2. Левит М.Е., Рыженков В.М. Балансировка деталей и узлов. - М.: Машиностроение, 1986. -
248 с.
3. Ключников А.В., Сидоров А.В. Применение метода динамической балансировки для прецизионного контроля параметров массо-инерционной асимметрии роторных объектов // Приборы и системы. Управление, Контроль, Диагностика - 2011. - №3. - С. 48-53.
4. Ключников А.В. Испытательное оборудование для диагностики симметричности распределения масс сложных роторных деталей // Материалы IX международной научно-практической конференции «ИНФО-2012: Инновации на основе инновационных и коммуникационных технологий» / Под ред. проф. С.У. Увайсова. - М.: Изд-во МИЭМ НИУ ВШЭ, 2012. - С. 362-364.
5. Патент РФ на изобретение №2292534. Способ балансировки ротора / Л.М. Глазырина, М.С. Карповицкий, А.В. Ключников, А.И. Мальгин, Г.Г. Смирнов, Ю.П. Фомин // БИ, 2007. - №3.
6. Арно А. Математика для электро- и радиоинженеров. Пер. с франц. - М.: Наука, 1964. - 772 с.
7. Глазырина Л.М., Ключников А.В., Мальгин А.И. Математическая модель и способ динамической одноплоскостной модульной балансировки ротора // Датчики систем измерения, контроля и управления: Межвузовский сборник научных трудов - Вып. 23. - Пенза: Изд-во ПГУ, 2003. - С. 143-149.
8. Ключников А.В. Уточнённая математическая модель оценки и обеспечения параметров массоинерционной асимметрии длинномерного роторного модуля» // Труды международного симпозиума «Надежность и качество 2012»: в 2-х томах / Под ред. проф. Н.К. Юркова. - Пенза: Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2012. - Т. 1. - С. 224-227.
9. Ключников А.В. Способ контроля качества функционирования стенда для определения характеристик асимметрии масс осесимметричных роторов // Труды международного симпозиума «Надежность и качество 2010» в 2-х томах. / Под ред. проф. Н.К. Юркова. - Пенза: Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2010. - Т. 2. - С. 12-14.
