CC BY
36
УДК 681.5.32
Абышев Н.А., Ключников А.В., Михайлов Е.Ф., Чертков М.С.
ФГУП «Российскмй Федеральный ядерный центр - Всероссийский научно-исследовательский институт технической физики имени академика Е .И.Забабахина», Снежинск, Россия
СТЕНД ДЛЯ ПРЕЦИЗИОННОЙ БЕСКОНТАКТНОЙ БАЛАНСИРОВКИ КОНИЧЕСКИХ РОТОРОВ В ДИНАМИЧЕСКОМ РЕЖИМЕ
С развитием техники возрастают требования к надёжности и точности работы при эксплуатации автономных динамических объектов, например, скоростных транспортных средств, движущихся безопорно и в процессе движения характеризуемых вращательной симметрией. Это, в свою очередь, приводит к повышению требований по точности определения и обеспечения параметров массо-инерционной асимметрии относительно оси симметрии наружной поверхности или геометрической оси (обычно при компоновке объекта принимаемой в качестве строительной), как правило, сильно сказывающихся на характере эксплуатации. Такая задача возникает, например, при компоновке воздушных или морских транспортных средств, силовая установка которых представляет собой длинномерное тело вращения конической формы (конический ротор). К контролируемым параметрам массо-инерционной асимметрии относятся радиусвектор смещения центра масс относительно геометрической оси и углы перекоса осей главного эллипсоида инерции относительно связанной с ротором системы координат, в частности, угол отклонения продольной главной центральной оси инерции (ГЦОИ) от геометрической оси ротора [1].
Наиболее достоверным способом определения указанных параметров является их измерение, а их приведение к значениям, не превышающим указанных в эксплуатационной документации на ротор предельно-допустимых значений, обычно выполняют путём корректировки массы с помощью балансировочных грузов, прикрепляемых к штатной плоскости коррекции, конструктивно располагаемой вблизи торца ротора. Используемое при этом стендовое оборудование должно учитывать характерные конструктивные особенности контролируемых роторов, таких как коническая форма и тонкие стенки корпуса, отсутствие удобной технологической базы для установки в измерительное устройство, наличие нежёстких элементов, выступающих за пределы корпуса, наличие единственной плоскости коррекции и ряд других, а также обеспечивать искро- и взрывобезопасность балансировочных работ. Это делает практически невозможным использование стандартных, промышленно выпускаемых балансировочных станков и требует применения специализированных контрольно-измерительных стендов. Эффективность использования специализированных стендов для контроля параметров массо-инерционной асимметрии существенно зависит от их инструментальной точности и производительности, которые определяются принципами построения механической и измерительных систем, применяемыми методами измерений.
Сегодня, как правило, параметры массо-инерционной асимметрии рассчитывают по специальным методикам с использованием результатов измерений координат центра масс на центровочных стендах, реализующих весовой метод измерений, и моментов инерции на стендах, реализующих метод опрокинутого унифилярного подвеса [2]. Однако точность лучших образцов такого контрольно-измерительного оборудования не превышает 0,03-0,05 мм при определении поперечных координат центра масс и 3-5 угловых минут при определении угла перекоса продольной ГЦОИ. Повышению точности, например, с использованием метода многократных измерений препятствует низкая производительность стендов и, как следствие, большая длительность и трудоёмкость процесса измерений.
Применение методов динамической балансировки, позволяющей с высокой точностью совместить геометрическую ось контролируемого ротора с осью вращения, имеющейся на балансировочном стенде, позволяет измерить характеристики асимметрии масс непосредственно относительно этой оси симметрии с точностью в 3-5 и более раз превышающей точность измерений тех же характеристик на устройствах, реализующих методы статической балансировки [3] . Для прецизионного бесконтактного определения параметров массо-инерционной асимметрии длинномерных конических роторов в динамическом режиме в РФЯЦ-ВНИИТФ выполнена разработка и изготовлен опытный образец автоматизированной системы контроля на базе вертикального низкочастотного динамического балансировочного стенда с газовыми опорами, реализованными в виде соосных конических газостатических подшипников [4] . Использование вертикальной оси вращения исключает прогибы корпуса ротора под действием силы тяжести.
Конструктивная схема балансировочного стенда приведена на рисунке 1. Стенд содержит установленную на фундаменте 1 вертикальную стойку 2, на которой консольно закреплены две - нижняя 3 и верхняя 4 - идентичные по конструкции колебательные подвески, каждая из которых выполнена в виде пары упругих плоскопараллельных пластин, удерживающих соответственно нижний 5 и верхний 6 газостатические подшипники. Соосность газостатических подшипников обеспечивается конструкцией стенда. Также на вертикальной стойке закреплён оптоволоконный световодный жгут 7 датчика угловой скорости (не показан), выполненный в виде дискретной оптоэлектронной схемы и включающий в свой состав светодиодный излучатель и фотоприёмник. Световодный жгут обеспечивает передачу генерируемого излучателем светового пучка в направлении, технологического переходника 8, вращающегося в опорах с угловой скоростью о, перпендикулярно световому отражателю 9, закреплённому на цилиндрической части боковой поверхности переходника, а также передачу отражённого светового пучка к фотоприёмнику. Датчик угловой скорости также используется в качестве отметчика фазы дисбаланса. С верхним подшипником совмещён пневматический механизм раскрутки 10 (пневмопривод вращения), а с нижним -
пневматический механизм торможения 11 (пневмотормоз) ротора. Пневмопривод и пневмотормоз обеспе-
чивают расход подаваемого в них соответственно при раскрутке или торможении ротора сжатого воздуха (используемого в качестве рабочего тела) в противоположных направлениях по касательной к наружной поверхности переходника.
Контролируемый ротор 12 устанавливается на внутренние опоры технологического переходника торцом верх, обеспечивая удобный доступ к штатной плоскости коррекции, и фиксируется в осевом направлении с помощью профилированной крышки 13 и трёх резьбовых фиксирующих шпилек 14, расположенных равномерно по окружности. Профилированная крышка после установки ротора прикрепляется к верхнему торцу технологического переходника посредством винтов (не показаны).
Ей . 1. Балан ир е чнып т^нд
н е виде тонкостенного металлического кожуха и имеет форму еченн г к н а, нар жная б к Еая п 'верхность которого соответствует рабочим поверхностям газо-. переходника, исключает возможность механического контакта
ным оборудованием в процессе выполнения измерений, а также материали еТ ет р ю (нижнюю ) пл к ть коррекции, необходимую для настройки измерительной системы стенда в двух плоскостях коррекции.
заводской сети низкого давления (до 0,6 МПа) непрерывно посту____ в ____р ___ду ____р__________-верхностями идентичных по конструкции и принципу действия и
различающихся только своими габаритными размерами газостатических подшипников и технологического переходника через кольцевые щелевые питатели (в каждом подшипнике, имеются два питателя) . В результате поддува воздуха через кольцевые щели питателей сборный ротор, загруженный на стенд, занимает центральное положение, совмещая ось симметрии наружной поверхности переходника с осью вращения. Конструкция нижнего газостатического подшипника показана на рисунке 2.
Во время работы сжатый воздух под давлением Ps через отверстия поступает в кольцевую камеру, образуемую плитой 1, переходником 2 и плитой 3, откуда направляется к двум кольцевым щелям, ширина которых лежит в пределах от 0,02 до 0,04 мм. Из щелей воздух проходит в зазор между поверхностями подшипника и ротора и далее течёт по направлению к торцам газостатического подшипника, где выходит в окружающую среду под давлением Ра. При этом воздух, проходящий через кольцевой питатель, испытывает действие двух последовательно соединённых гидравлических сопротивлений - сопротивление самого питателя и участка в зазоре между ротором и подшипником. Образующаяся разность давлений вызывает появление подъёмной силы или несущей способности газостатического подшипника. Использование газовой смазки исключает сухое трение между сопрягаемыми наружными поверхностями переходника и рабочими поверхностями газостатических подшипников, чем обеспечивается минимальная скорость изменения частоты вращения на выбеге сборного ротора, образованного технологическим переходником и контролируемым ротором. В кольце 5 реализован пневматический механизм торможения.
Рис. 2. Конструкция нижнего газостатического подшипника
В ходе балансировочного эксперимента все измерения выполняют на выбеге сборного ротора при постоянной рабочей частоте вращения (не более 2 Гц). Перед балансировкой на другом оборудовании и с
использованием других средств измерений определяют массу, продольное положение центра масс относительно штатной плоскости коррекции, а также моменты инерции контролируемого ротора, которые затем используются для проведения расчётов при определении параметров массо-инерционной асимметрии ротора, а также (при необходимости) массу и угловое положение балансировочного груза. С целью исключения паразитных дисбалансов, вызванных использованием технологического переходника в ходе балансировочного эксперимента, измерения для сборного ротора в исходном состоянии выполняют дважды - для двух фиксированных угловых положений контролируемого ротора относительно переходника, отличающихся друг от друга на 180 градусов, с последующим усреднением результатов измерений [5] . Это обеспечивает совмещение оси симметрии наружной поверхности контролируемого ротора с осью симметрии наружной поверхности технологического переходника, в свою очередь, совпадающей с осью вращения переходника на балансировочном стенде. Настройку стенда на контролируемый ротор выполняют непосредственно в ходе балансировочного эксперимента с использованием пробных грузов известной массы [б]. Измерение дисбалансов сборного ротора выполняют с помощью датчиков силы, установленных в упругих элементах опор [4].
По результатам опытной эксплуатации системы, созданной на базе рассмотренного балансировочного стенда, достигнутые погрешности определения величины поперечного смещения центра масс и угла перекоса продольной ГЦОИ относительно геометрической оси детали не превысили соответственно 0,01 мм в диапазоне измерений от 0,03 до 0,20 мм и 1 угловой минуты в диапазоне измерений от 1 до 10 минут. Высокая точность измерений обеспечивается вертикальным расположением оси вращения, использованием газовой смазки для разделения сопрягаемых поверхностей, прецизионным центрированием сборного ротора в газостатических подшипниках по наружной поверхности, индивидуальной настройкой стенда на контролируемый ротор в ходе каждого балансировочного эксперимента.
ЛИТЕРАТУРА
1. Правдин В.М., Шанин А.П. Баллистика неуправляемых летательных аппаратов. - Снежинск: Изд-во РФЯЦ-ВНИИТФ, 1999. - 496 с.
2. Матвеев Е.В., Крылов В.В., Кочкин Е.В. Оборудование для определения характеристик геометрии масс и массы космических летательных аппаратов // Научно-технические достижения. - 1992. - №5. -С. 40-44.
3. ГОСТ 22061-76. Машины и технологическое оборудование. Система классов точности балансировки. - М.: Издательство стандартов, 1977. - 139 с.
4. Патент РФ на изобретение №2292533. Балансировочный стенд с вертикальной осью вращения / Л.М. Глазырина, М.С. Карповицкий, А.В. Ключников, А.И. Мальгин, Г.Г. Смирнов, Ю.П. Фомин // БИ, 2007. - №3.
5. 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. унта, 2012. - Т. 1. - С. 224-227.
6. Андреев С.В., Ключников А.В., Лысых А.В., Михайлов Е.Ф. Калибровочные операции в процессе модульной балансировки детали на ненастроенном динамическом балансировочном стенде // Труды международного симпозиума «Надежность и качество 2013»: в 2-х томах / Под ред. проф. Н.К. Юркова. -Пенза: Изд-во ПГУ, 2013. - Т. 2. - С. 129-131.
