CC BY
41
Ключников А.В.
СПОСОБ КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ СТЕНДА ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК АСИММЕТРИИ МАСС ОСЕСИММЕТРИЧНЫХ РОТОРОВ
Современная технология изготовления осесимметричных тел вращения (роторов), как правило, требует не только с высокой точностью знать массо-центровочные и инерционные характеристики (МЦИХ) -массу, положение центра масс и моменты инерции - после изготовления и сборки ротора, но также и выполнить его качественное уравновешивание, т.е. обеспечить приведение значений параметров массоинерционной асимметрии ротора, к которым в соответствии с рисунком 1 относятся радиус-вектор смещения центра масс ест и вектор-угол ОСх отклонения продольной главной центральной оси инерции (ГЦОИ) от его геометрической оси, к значениям, не превышающим заданных в конструкторской документации значений. Такая задача возникает, например, при создании силовых установок морских, воздушных, наземных и др. скоростных транспортных средств. Следует отметить, что, как и любой вектор, каждый из указанных параметров характеризуется значением и углом в связанной с контролируемым ротором системе координат.
Рис. 1. Параметры асимметрии масс вертикального ротора
Из литературы [1, 2] и других источников известно, что применение динамических балансировочных станков обеспечивает повышение точности уравновешивания роторов в 5-10 раз по сравнению с устройствами статической балансировки. Как правило, для получения высокой точности балансировки используют высокие скорости вращения. Однако динамическая балансировка сложных роторов, имеющих в своём составе отсеки, рамы, нежёсткие элементы, а также обладающие большими массой, габаритами по диаметру и другими конструктивными особенностями, ограничивающими частоту вращения до 1-2 Гц (при таких частотах вращения точность балансировки резко падает) и требующими (с целью устранения нагрузок от массы тела) вертикального расположения оси вращения, должна производиться на специализированных низкочастотных вертикальных балансировочных стендах.
Близость к нулю номинальных значений параметров, характеризующих асимметрию масс осесимметричных роторов обуславливает специфику и трудности процесса экспериментального определения указанных параметров по сравнению с контролем всех других МЦИХ.
В [3, 4] описаны конструкция динамического низкочастотного вертикального балансировочного
стенда с коническими газостатическими подшипниками и способ балансировки в динамическом режиме «длинного» ротора с одной действительной плоскостью коррекции, обеспечивающие определение смещения центра масс и угла перекоса продольной ГЦОИ изделия с погрешностями, не превышающими соответственно 0,01 мм в диапазоне измерений от 0,03 до 0,2 мм и 1 угловой минуты в диапазоне измерений от 1 до 10 угловых минут для роторов массой от 90 до 210 кг [5, 6]. При этом контролируемый ротор
устанавливается и фиксируется внутри специализированного технологического переходника и балансируется как отдельная деталь в составе сборного ротора [4, 7]. Технологический переходник пред-
ставляет собой жёсткий полый ротор, наружные поверхности которого соответствуют рабочим поверхностям газостатических подшипников, и обеспечивающего материализацию второй плоскости коррекции и исключение возможности механического контакта контролируемого ротора с балансировочным оборудованием в процессе выполнения измерений. После определения действительных значений параметров асимметрии масс контролируемого ротора, в соответствии с технологией балансировки, в случае если значение какого-либо из указанных параметров превышает предельно-допустимое значение, то далее по специальной методике рассчитывают массу и угловое положение балансировочного груза и путём прикрепления его к ротору обеспечивают приведение параметров асимметрии к заданным значениям [8].
Очевидно, что точность определения параметров массо-инерционной асимметрии контролируемых на балансировочном стенде роторов, при прочих равных условиях, зависит от качества функционирования стенда, т.е., в первую очередь, определяется его метрологическими характеристиками. Поэтому разработка простого и информативного способа, обеспечивающего надёжный контроль качества функционирования стенда в заданных диапазонах измерений указанных параметров является актуальной технической задачей.
Поставленная задача решается тем, что для проверки качества функционирования балансировочного стенда, используемого для определения характеристик асимметрии масс роторов, применяются эталонный ротор, имеющий две, расположенные на его торцах плоскости коррекции, и набор калиброванных контрольных грузов. При этом габаритные, геометрические, массо-центровочные и инерционные характеристики, а также базовые посадочные поверхности эталонного ротора известны с высокой точностью и соответствуют указанным характеристикам и поверхностям контролируемого ротора. Согласно предложенному способу каждый диапазон измерений параметров массовой асимметрии равномерно разбивают на 3-5 интервалов. Затем в каждой проверяемой точке соответствующего диапазона измерений контролируемого параметра моделируют (задают) в статических условиях эталонное значение параметра путём прикрепления в известном угловом положении к плоскостям коррекции эталонного ротора контрольных грузов известной массы, выбираемых из набора калиброванных грузов, и выполняют небольшое количество измерений параметров массовой асимметрии (достаточно провести не более пяти измерений, что даст вполне достоверную информацию о качестве функционирования стенда). Определяют значения контролируемого параметра массо-инерционой асимметрии. Модуль абсолютной погрешности каждого 1-го измерения значения контролируемого параметра | А П| в соответствии с рис. 2 определяется как геометрическая разность между двухмерным измеренным (с учётом погрешностей изготовления эталонного ротора и контрольных грузов, погрешностей установки этих грузов на плоскости коррекции [б]) значением контролируемого параметра массовой асимметрии Пизш , а также соответствующим двухмерным
заданным (эталонным) значением того же параметра Пэ и двухмерным значением параметра Прот , характеризующим собственную массо-инерционную асимметрию используемого эталонного ротора, по формуле
\ш\ = п1
измі {Пэ + Прот
)'
рии
Рис. 2. Схема определения абсолютных погрешностей контролируемых параметров массовой асиммет-
4
Расчёт эталонных параметров
вдр и СС$ производится с учётом угловых положений контрольных
грузов, устанавливаемых на верхней (обозначаемой индексом «в») и нижней (обозначаемой индексом «н») плоскостях коррекции эталонного ротора - в соответствии с расчётной схемой, приведённоё на рис. 3, - в системе координат, связанной с эталонным ротором, балансируемым на стенде в верти-
кальном положении, по формулам:
шкв • гв + ткн • гн Мрот + ткв + ткн
(2)
1 . 2 (ткв -гВ'Хв- ткн • гн • хн )
ткв
,в ■ гв-лв- ,шУЯ • гн ■ Хн )
1 аРОТ ~ 1эРОТ тк - контрольные грузы,
(3)
установленные соответственно на углы
ФкБ
Фк1
ерх-
ней и (или) нижней плоскости коррекции; М}
РОТ
масса эталонного ротора; г
в
расстояние от цен-
тра верхней плоскости коррекции до центра масс контрольного груза ткв с учётом его углового положения в системе координат эталонного ротора; гн - расстояние от центра нижней плоскости кор-
рекции до центра масс контрольного груза
тк,
с учётом его углового положения в системе координат
эталонного ротора;
расстояние от центра нижней плоскости коррекции до центра масс контроль-
ного груза
тк,
Н
с учётом его углового положения в системе координат эталонного ротора; х
в
лн
расстояния от центра масс эталонного ротора до соответственно верхней и нижней плоскости кор-
рекции после установки контрольных грузов
тки и (или) тки ; I
- соответственно акси-
альныи и экваториальный моменты инерции эталонного ротора.
Рис. 3. Расчётная схема
По результатам испытаний стенд признаётся годным к эксплуатации, если во всех проверяемых точках отклонения между эталонным значением и результатом измерений для каждого контролируемого параметра асимметрии не выходит из допускаемых границ. Если хотя бы в одной из проверяемых точек погрешность измерений ДП1 превышает пределы допускаемых значений Пдоп для каждого контролируемого параметра, то стенд признается несоответствующим заданным требованиям и должен быть направлен в ремонт.
Предлагаемый способ информативен, нагляден и прост в реализации. Способ с достаточной для практики степенью точности и надёжности обеспечивает контроль качества функционирования стенда для определения параметров массо-инерционной асимметрии осесимметричных роторов в заданных диапазонах измерений с помощью одного эталонного ротора и набора калиброванных контрольных грузов, что очень важно, например, на этапе серийного производства продукции.
Способ экспериментально опробован на вертикальном низкочастотном динамическом балансировочном стенде с коническими газостатическими подшипниками. Подтверждена высокая точность и эффективность способа.
ЛИТЕРАТУРА
1. Основы балансировочной техники. Т.1. Уравновешивание жестких роторов и механизмов / Под ред. В.А. Щепетильникова. - М.: Машиностроение, 1975. - 527 с.
2. ГОСТ 22061-76. Машины и технологическое оборудование. Система классов точности балансировки.
2
где
и
и
в
г
и
3. Балансировочный стенд с вертикальной осью вращения: Патент РФ №2292533 МПК G01M 1/02 / Л.М. Глазырина, М.С. Карповицкий, А.В. Ключников, А.И. Мальгин, Г.Г. Смирнов, Ю.П. Фомин // Бюллетень изобретений. 2007. №3.
4. Способ балансировки ротора: Патент РФ №2292534 МПК G01M 1/04 / Л.М. Глазырина, М.С. Карпо-вицкий, А.В. Ключников, А.И. Мальгин, Г.Г. Смирнов, Ю.П. Фомин // Бюллетень изобретений. 2007. №3.
5. Ключников А.В. Разработка интеллектуального измерителя МЦИХ роторов / А.В. Ключников, Л.М.
Глазырина, А.И. Мальгин, Ю.П. Фомин // Труды междунар. научно-техн. конф. «Проблемы автоматизации и управления в технических системах» (12-14 мая 2004 г.) - Пенза: Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2004.
- С. 46-49.
6. Ключников А.В. Определение точностных характеристик системы измерения параметров массоинерционной асимметрии роторов // Труды междунар. симпозиума «Надёжность и качество» (25-31 мая 2006 г.) в 2-х томах. - Пенза: Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2006. - Т.1. - С. 354-356.
7. Ключников А.В. Математическая модель и способ динамической одноплоскостной модульной балансировки ротора / А.В. Ключников, Л.М. Глазырина, А.И. Мальгин // Датчики систем измерения, контроля и управления: Межвуз. сб. науч. тр. - Вып. 23. - Пенза: Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2003. - С. 143-149.
8. Ключников А.В. Расчётно-экспериментальный метод одноплоскостной балансировки «длинного» жёсткого ротора / А.В. Ключников, Л.М. Глазырина, А.И. Мальгин, А.М. Пелевин // Труды междунар. научно-техн. конф. «Методы и средства измерения в системах контроля и управления» (9-10 мая 2002 г.) - Пенза: Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2002. - С. 184-187.
