СПОСОБ БАЛАНСИРОВКИ РОТОРОВ Российский патент 2001 года по МПК G01M1/00 

Изобретение относится к области машино- и приборостроения и предназначено для использования в технологических процессах балансировки роторов и в балансировочном оборудовании.

Известен способ балансировки роторов [1] , в соответствии с которым технологический процесс балансировки разбивается на три основных перехода (прототип): измерение неуравновешенности, преобразование этой информации в величину подлежащей устранению неуравновешенной массы и устранение неуравновешенной массы (стр. 23-27). При этом отмечается, что такой способ (фиг. 1) даже при использовании высокочувствительной измерительной аппаратуры дает низкие показатели по точности и производительности. Указанный недостаток должен компенсироваться многократным повторением балансировочного цикла.

Параметры корректирующих воздействий по указанному способу предлагается определять по тарировочным графикам (стр. 49). В той же работе (стр. 90-93) отмечается, что при корректировке возникают изменения массово-инерционных параметров ротора, связанные с неучитываемым смещением центров масс удаляемого материала от номинальных плоскостей и радиусов коррекции ротора. Следствием является снижение точности цикла балансировки (сохранение больших остаточных дисбалансов).

Также известен аналогичный способ балансировки роторов [2], в соответствии с которым измеряют значения и углы начальных дисбалансов в каждой плоскости коррекции, рассчитывают значения корректирующих масс и проводят корректировку масс ротора (стр. 167). Если остаточные дисбалансы превышают допустимые значения, то балансировочный цикл повторяют. В примерах на стр. 179-188 приводятся методики преобразования измеренных значений дисбалансов в параметры корректирующих воздействий для разных схем корректировки масс (добавлением, перемещением и удалением массы). Общими признаками всех методик являются:
- расчет параметров корректирующих воздействий (например, глубины отверстий) из условия компенсации дисбалансов раздельно в каждой плоскости коррекции;
- приложение корректирующих воздействий в направлении векторов измеренных дисбалансов в каждой плоскости коррекции.

Главным недостатком существующих способов балансировки является несовершенство правил преобразования измеренных дисбалансов в параметры корректирующих воздействий (пренебрежение результирующим смещением центров корректирующих масс от номинальных плоскостей и иногда - радиусов коррекции ротора). На фиг. 2 приведена одна из возможных схем корректировки масс ротора, демонстрирующая механизм возникновения нескомпенсированных статических моментов массы и центробежных моментов инерции при реализации обычного балансировочного цикла. Их значения (модули) в каждой плоскости коррекции составляют:

где D₁ и D₂ - модули измеренных дисбалансов,
R₁ и R₂ - номинальные радиусы коррекции ротора,
g₁ и g₂ - смещения центров корректирующих масс от номинальных радиусов коррекции
и


где l₁ и l₂ - координаты плоскостей коррекции относительно центра масс ротора,
f₁ и f₂ - смещения центров корректирующих масс от номинальных плоскостей коррекции.

Таким образом, определение параметров корректирующих воздействий по традиционной схеме (дисбаланс ⇒ масса ⇒ объем массы ⇒ искомые параметры) сопровождается как остаточной статической, так и остаточной моментной неуравновешенностью. Имеет место методическая погрешность балансировочного цикла, принципиально ограничивающая его достижимую точность.

Целью изобретения является повышение точности балансировочного цикла за счет устранения указанной методической погрешности.

Сущность изобретения заключается в применении нового алгоритма преобразования измеренных дисбалансов в параметры корректирующих воздействий, построенного на процедуре имитационного моделирования ожидаемых последствий реализации найденных параметров при корректировке масс ротора и внесении итерационных поправок к входным данным.

Изложенная сущность изобретения поясняется фиг. 3, где изображена блок-схема предложенного способа балансировки роторов.

После измерения начальных дисбалансов определяют точные значения параметров корректирующих воздействий. Под точными значениями понимаются значения параметров корректирующих воздействий, обеспечивающие нулевые остаточные дисбалансы балансировочного цикла (при условии отсутствия инструментальных погрешностей измерения и корректировки масс ротора). Итерационный расчет по предложенному алгоритму производится следующим образом.

1. Для каждой плоскости коррекции по описанной выше методике (дисбаланс ⇒ масса ⇒ объем массы ⇒ искомые параметры) определяют параметры K₁ и K₂ корректирующих воздействий (для схемы на фиг. 2 параметрами корректирующих воздействий являются глубина H и угловое положение ϕ каждого отверстия, которое (угловое положение) совпадает с направлением вектора соответствующего дисбаланса);
2. Имитационным моделированием поочередно и независимо для каждой плоскости коррекции по формулам (1) рассчитывают значения ожидаемых остаточных дисбалансов (при входе в первый цикл итерации положено ;
3. Если значения D_r1 или D_r2 превышают допуск E итерации, то суммируют найденные остаточные дисбалансы c соответствующими исходными (текущими) дисбалансами (переход к последовательным и независимым внутренним циклам итерации);
4. Повторяют расчет с п. 1 до тех пор, пока значения ожидаемых остаточных дисбалансов Dr1 и Dr2 не будут меньше допуска E итерации. Это означает, что найденные параметры K₁ и K₂ обеспечивают выполнение условия статической балансировки ротора (центр масс C расположен на оси ротора Z).

5. Для найденных параметров K₁ и K₂ рассчитывают сначала вектор остаточного (нескомпенсированного) центробежного момента инерции (для ротора в целом):

а затем противолежащие векторы остаточных дисбалансов в каждой плоскости коррекции:

6. Если значения остаточных дисбалансов D_r превышают допуск E итерации, то суммируют эти дисбалансы с соответствующими исходными (текущими) дисбалансами (переход к внешнему циклу итерации);
7. Повторяют расчет с п. 1 до тех пор, пока и значения остаточных дисбалансов D_r не будут меньше допуска E итерации. Это означает, что найденные параметры K₁ и K₂ корректирующих воздействий обеспечивают выполнение условия как статической, так и моментной балансировки (центр масс и главная центральная ось инерции находятся на оси ротора).

После завершения итерационного расчета производят корректировку масс ротора, руководствуясь найденными точными параметрами корректирующих воздействий.

В таблице приведена распечатка итерационных циклов для одной из комбинаций со следующими значениями входных данных:
исходные дисбалансы: D₁ = 10 г·мм на угле ϕ₁ = 30^°,
D₂ = 30 г·мм на угле ϕ₂ = 60^°,
диаметр сверла стандартной геометрии (в обеих плоскостях коррекции) - 5 мм,
расстояние между плоскостями коррекции - 30 мм,
радиусы коррекции (в обеих плоскостях коррекции) - 25 мм,
плотность материала ротора - 8 г/мм³,
углы наклона отверстий (в обеих плоскостях коррекции) α = 0^o,
допуск итерации E=0,01 г·мм.

Нулевой шаг итерации (первая строка) соответствует реализации обычной схемы балансировочного цикла, не учитывающей методическую погрешность, связанную с несовершенством правила нахождения значений параметров корректирующих воздействий. Видно, что в этом случае после корректировки в каждой плоскости сохраняется остаточный дисбаланс составляющий в относительном выражении для первой плоскости коррекции - 34,6%, а для второй - 11,5% от исходных дисбалансов. Порядок этих цифр свидетельствует о том, что при реализации балансировочного цикла по обычной схеме методическая погрешность не просто велика, но и вполне может оказаться доминирующей.

Применение расчета по предложенному алгоритму принципиально сводит методическую погрешность (остаточные дисбалансы ) к нулю. При этом параметры корректирующих воздействий по сравнению с обычной схемой претерпевают существенные изменения (последняя строка в таблице). Так, в первой плоскости коррекции требуемая глубина сверления уменьшается, а во второй - увеличивается. Изменяются также и угловые координаты отверстий, причем особенно сильно - в плоскости коррекции с меньшим исходным дисбалансом (с 30^o до 4,24^o). Феномен изменения угловой координаты следует отметить специально, так как это явление свидетельствует о принципиальной ущербности измерительных балансировочных станков, представляющих результат в форме дисбалансов, а не в форме параметров корректирующих воздействий.

Существенным отличием предложенного способа балансировки является новый алгоритм преобразования измеренных дисбалансов в параметры корректирующих воздействий, использующий процедуру имитационного моделирования последствий реализации корректирующих воздействий, основанную на определении ожидаемых остаточных дисбалансов и на внесении в итерационных циклах поправок к входным данным.

Выводы и ожидаемый положительный эффект:
А. Несовершенство методики расчета параметров корректирующих воздействий, не учитывающей фактор смещения центра масс удаляемого (добавляемого) при балансировке материала от номинальных плоскостей и радиусов коррекции, принципиально ограничивает достижимую точность балансировочного цикла и в значительной степени предопределяет необходимость использования повторных циклов.

Б. Предложенный авторами способ адаптивной балансировки, построенный на принципе опережающего расчета (оперативного имитационного моделирования) обеспечивает полное устранение методической погрешности и сведение остаточных дисбалансов балансировочного цикла к уровню инструментальных ошибок измерения и корректировки.

В. Найденные авторами алгоритмические решения позволяют построить и реализовать новую концепцию измерительных балансировочных станков, повышающих эффективность балансировки за счет предоставления оператору-балансировщику информации в виде, удобном именно при корректировке масс ротора. С учетом высокой эффективности способа адаптивной балансировки его применение в автоматических балансировочных линиях (комплексах) совершенно необходимо.

Литература
1. А. К. Скворчевский, Е.В.Промыслов. Уравновешивание вращающихся масс гироприборов. Ленинград, изд. "Судостроение", 1977 г.

2. М.Е.Левит, В.М.Рыженков. Балансировка деталей и узлов. Москва, Машиностроение, 1986 г.

Использование: в технологических процессах балансировки роторов и в балансировочном оборудовании. Измеряют дисбалансы. Определяют параметры корректирующих воздействий, отвечающих условию равенства нулю остаточных дисбалансов в номинальных плоскостях коррекции с учетом смещений центров корректирующих масс от номинальных радиусов и плоскостей коррекции ротора через процедуру моделирования ожидаемых последствий корректирующих воздействий. Сначала для 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 ротора. Обеспечивается повышение точности балансировки за счет устранения методической погрешности. 3 ил., 1 табл.

Способ балансировки ротора, заключающийся в том, что измеряют дисбалансы, определяют параметры корректирующих воздействий для каждой плоскости коррекции и производят корректировку масс, отличающийся тем, что параметры корректирующих воздействий, отвечающих условию равенства нулю остаточных дисбалансов в номинальных плоскостях коррекции, определяют с учетом смещений центров корректирующих масс от номинальных радиусов и плоскостей коррекции ротора через процедуру моделирования ожидаемых последствий корректирующих воздействий, причем итерационным расчетом сначала для статической балансировки добиваются последовательно в каждой номинальной плоскости коррекции приведения к нулю ожидаемых остаточных дисбалансов, суммируя их с текущими дисбалансами в соответствующей плоскости коррекции, а затем для моментной балансировки добиваются для ротора в целом приведения к нулю ожидаемых равных по модулю и противолежащих остаточных дисбалансов, суммируя их с текущими дисбалансами в каждой номинальной плоскости коррекции, после чего производят корректировку масс ротора.