Способ балансировки изделия

Изобретение относится к испытательной технике. Сущность: совмещают ось вращения изделия с главной центральной осью инерции изделия. Изделие устанавливают на станок и выбирают нулевую метку угла поворота. Приводят изделие во вращение и производят измерение радиального биения каждого элемента изделия с привязкой угла поворота к выбранной нулевой метке, затем результаты измерений по каждому элементу раскладывают в ряд Фурье и для каждого элемента находят параметры - амплитуду и фазу первой гармоники, которые определяют значения полярных координат геометрических центров тяжести элементов. По значениям полярных координат, масс и значениям координат центров тяжести элементов вдоль оси вращения определяют положение главной центральной оси инерции изделия и необходимое радиальное смещение опорных поверхностей изделия. Технический результат: повышение достоверности испытаний. 1 ил.

 

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано для балансировки изделий, в том числе крупногабаритных сборных роторов газовых турбин, коленчатых валов и т.п.

Известно, что под балансировкой изделия понимают уравновешивание вращающихся машинных частей (ротора турбины или электродвигателя, коленчатого вала, шкивов и другие). Для большинства роторов машин осью вращения является ось, проходящая через центры опорных поверхностей цапф изделия. Несовпадение этой оси с главной центральной осью инерции (что может быть результатом погрешностей технологии изготовления изделия, либо его конструктивных особенностей) приводит к появлению нескомпенсированных центробежных сил и моментов, вызывающих быстрый износ подшипников, повышенные вибрации машины, изгибные колебания ее элементов и др. При балансировке совмещение осей достигают установкой уравновешивающих масс на изделие, удалением избыточных неуравновешенных масс, зацентровкой изделия в точках пересечения главной центральной оси инерции с поверхностью изделия.

Однако при балансировке таких изделий, как крупные сборные роторы (например, газовая турбина), возникают сложности, связанные с конструктивными особенностями изделия, которые заключаются в том, что основным источником дисбаланса является наличие несоосности его отдельных элементов. Величина такого дисбаланса может быть большой, а возможности по добавлению и удалению балансировочных масс ограничены этой конструкцией.

Известен способ статической балансировки изделий (Основы балансировочной техники, В.А.Щепетельников. М.: Машиностроение, т.2 с.509-510). Способ заключается в том, что изделие устанавливают на стол маятникового балансировочного стенда с центральной сферической опорой и по углам отклонения стола судят о статической неуравновешенности изделия. К недостаткам способа можно отнести низкую точность балансировки.

Более высокой точностью обладает способ статической балансировки изделий (RU №2025680, G 01 М 1/12, 1991). Сущность изобретения: шпиндель с изделием устанавливают на основание на воздушной подушке выводят в горизонтальное положение плоскость воздушной подушки, а затем проводят фотограмметрические измерения горизонтальных координат неподвижной точки вращающегося шпинделя.

К недостаткам известного способа можно отнести сложную конструктивную реализацию способа.

Известно устройство для определения центрального момента инерции и координат центра масс изделия (RU №2095773, G 01 М 1/10, 1994). Сущность изобретения: упругая опора платформы для установки изделия набрана как минимум из шести жестко завязанных между собой элементов, каждый из которых состоит из наружного с мембраной и внутреннего колец, соединенных между собой упругой лентой через мембрану, наружное кольцо снабжено устройством предварительного нагружения ленты в виде дифференциального винтового механизма, ленты элементов расположены в плоскости, перпендикулярной оси опоры, причем наружные кольца элементов жестко закреплены на основании, а на торце внутреннего кольца одного из крайних элементов опоры укреплена платформа для изделия.

Известен способ балансировки роторов (RU №2163008, G 01 М 1/00, 1999). Сущность изобретения: измеряют дисбалансы, определяют параметры корректирующих воздействий, отвечающих условию равенства нулю остаточных дисбалансов в номинальных плоскостях коррекции с учетом смещения центров корректирующих масс от номинальных радиусов и плоскостей коррекции ротора через процедуру моделирования ожидаемых последствий корректирующих воздействий. Сначала за счет статической балансировки добиваются последовательно в каждой номинальной плоскости коррекции приведения к нулю ожидаемых остаточных дисбалансов. Затем для моментной балансировки добиваются для ротора в целом приведения к нулю ожидаемых равных по модулю и противолежащих остаточных дисбалансов. Производят корректировку масс.

К недостаткам вышеописанных способов можно отнести ограниченность их применения, заключающуюся в том, что в ряде случаев имеются конструктивные ограничения на величину балансировочных грузов и удаляемых масс.

Задачи, на решение которых направлено изобретение заключаются в повышении точности и достоверности балансировки изделия при условии конструктивных ограничений на применение корректирующих масс.

Поставленные задачи решены следующим образом.

Способ балансировки изделия, преимущественно сборного ротора, основан на совмещении оси вращения изделия с главной центральной осью инерции изделия и отличается тем, что изделие устанавливают на станок и выбирают нулевую метку угла поворота, приводят изделие во вращение и производят измерения радиального биения каждого элемента изделия с привязкой угла поворота к выбранной нулевой метке, затем результаты измерений по каждому элементу раскладывают в ряд Фурье и для каждого элемента находят параметры - амплитуду и фазу первой гармоники, которые определяют значения полярных координат геометрических центров тяжести элементов, потом по значениям полярных координат, масс и значениям координат центров тяжести вдоль оси вращения определяют положение главной центральной оси инерции изделия и необходимое радиальное смещение опорных поверхностей изделия.

Изобретение поясняется чертежом (a, b, c, d), где приведена схема статической и динамической неуравновешенности изделия (сборного ротора).

Изделие представляет собой ротор 1 сборной конструкции, состоящей из нескольких тел вращения (элементов) и цапф 2. На роторе устанавливают нулевую метку угла поворота и приводят его во вращение, например, в центрах токарного станка. Далее производят измерения радиального биения каждого элемента ротора, например, датчиком 3 с привязкой угла поворота к выбранной нулевой метке. Результат измерения по каждому элементу раскладывают в ряд Фурье и для каждого элемента находят параметры - амплитуду и фазу первой гармоники.

Эти параметры первой гармоники ряда Фурье с высокой степенью точности определяют полярные координаты геометрических центров тяжести элементов - точки M₁, M₂, М₃......

Полярные координаты, вместе с координатой Z центра тяжести каждого элемента вдоль оси и массой элемента, в соответствии с приведенным ниже расчетом, определяют положение главной центральной оси инерции изделия.

Совмещение оси вращения, проходящей через центры опорных сечений поверхностей цапф, с главной центральной осью инерции изделия достигают, например, доработкой цапф.

На приведенном чертеже изображено изделие - ротор, состоящий из нескольких элементов, с осью вращения OZ. Начало координат находится на одной из цапф ротора.

Перед началом расчета известны массы элементов ротора и их координаты в системе, связанной с нулевым сечением ротора (ось вращения - ось Z). Координаты центров масс вдоль оси вращения Z_i, координаты подшипниковых шеек (опорных цапф) вдоль оси вращения Z_п1, Z_п2. Оси координат X, Y связаны с ротором и перпендикулярны оси Z. Задача сводится к тому, что нужно определить необходимые смещения подшипниковых шеек ротора для сведения к нулю расчетного динамического дисбаланса.

Определяют величины и направления эксцентриситетов подшипниковых шеек ротора: е_п1, α _п1, е_п2, α _п2.

Переход в декартову систему координат:

Определяют величины и направления эксцентриситетов центров тяжести всех элементов ротора М_i: е_i, α _i. Переход в декартову систему координат:

Определяют координаты центра тяжести ротора:

Необходимое радиальное смещение поверхности передней подшипниковой шейки (Z=Z_п1):

Необходимое радиальное смещение поверхности задней подшипниковой шейки (Z=Z_п2):

По результатам расчетов производят доработку шеек, обеспечивая необходимое радиальное смещение опорных поверхностей ротора. При необходимости, известными способами производят окончательную балансировку изделия, вызванную неоднородностью материала.

Способ балансировки изделия, преимущественно сборного ротора, основанный на совмещении оси вращения изделия с главной центральной осью инерции изделия, отличающийся тем, что изделие устанавливают на станок и выбирают нулевую метку угла поворота, приводят изделие во вращение и производят измерение радиального биения каждого элемента изделия с привязкой угла поворота к выбранной нулевой метке, затем результаты измерений по каждому элементу раскладывают в ряд Фурье и для каждого элемента находят параметры - амплитуду и фазу первой гармоники, которые определяют значения полярных координат геометрических центров тяжести элементов, потом по значениям полярных координат, масс и значениям координат центров тяжести элементов вдоль оси вращения определяют положение главной центральной оси инерции изделия и необходимое радиальное смещение опорных поверхностей изделия.