СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ УГЛА И МАССЫ ПРОТИВОВЕСА (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2003 года по МПК G01M1/36 F16F15/28 

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано для балансировки деталей машин.

Известен способ статического определения угла противовеса, заключающийся в установке вала на призмы с низким трением, и определения массы противовеса путем подбора, описанный в кн. Баранова Г.В. Курс теории механизмов и машин. - М.: Машиностроение, 1967.

Недостатком статической балансировки является низкая точность при балансировке в собственных подшипниках из-за трения в подшипниках.

Наиболее близким способом к предложенному (прототипом) является способ динамического измерения угла установки противовеса и массы противовеса, основанный на вращении объекта балансировки в собственных подшипниках и измерении величины вибрации (обычно виброскорости) в подшипниковых опорах.

Способ измерения угла и массы противовеса - "легкого места" - используется, например, в балансировочном приборе К-4102.П фирмы НПО "Ресурс", 198260, Санкт-Петербург, а/я 191.

Способ измерения угла противовеса на вращающемся объекте, например круге, заключается в следующем.

На круге в произвольной точке на расстоянии R от оси вращения устанавливают фотометку. Круг вращают, через фотометку пропускают сигнал от фотоизлучателя, принимают фотоприемником и фиксируют угол ϕ от фотометки. Измеряют частоту вращения круга с помощью датчика оборотов. Этот сигнал используется для вычисления периода вращения. Измеряют также виброскорость V_о виброметром на подшипниковой опоре. Этот сигнал используют для вычисления фазы виброскорости.

Эти сигналы синхронизируют по сигналу с фотоизлучателя-фотоприемника и вычисляют угол противовеса ϕ_п.
Затем на круге устанавливают пробный груз массой M₁, измеряют виброскорость V₁ и угол ϕ₁, и по полученным данным вычисляют массу противовеса М_п из векторного уравнения
M_п = M₁V_о/(V_о-V₁).

Основные недостатки приведенного способа:
Сложность измерений за счет необходимости выполнения операций измерения и синхронизации сигнала числа оборотов, сигнала фотоизлучателя-фотоприемника и операции синхронизации сигнала вибрации.

Присутствует операция подбора по контрастности фотометки и объекта. Светоотражающие металлические объекты фонируют сигнал от фотометки. Фотометки быстровращающихся объектов смещаются, слетают, происходят сбои измерений.

Существуют отказы работы датчика оборотов из-за непостоянной скорости вращения объектов, приводимых через ременные передачи с проскальзыванием. Для стабилизации частоты таких объектов приходится использовать специальные балансировочные стенды и станки.

Операции установки и согласования датчика оборотов, фотоизлучателя-фотоприемника с фотометкой часто бывают затруднены из-за сложности и насыщенности конструкции или удаленности балансируемого объекта.

Высокая стоимость приборов: датчика оборотов, фотоизлучателя-фотоприемника, синхронизатора сигналов, процессора.

Снижение точности измерения за счет погрешностей, вызванных операциями измерения и синхронизации сигнала числа оборотов, сигнала фотоизлучателя-фотоприемника и операции синхронизации сигнала вибрации.

Снижение точности происходит за счет погрешности измерения угла по датчику оборотов. Величина этой погрешности часто выше приведенной в паспорте на прибор из-за непостоянства частоты вращения объектов, приводимых во вращение через ременную передачу при проскальзываниях ремней, при переменной нагрузке двигателей.

Снижение точности определения угла фотометки из-за углового размера фотометки. Этот эффект тем существеннее, чем меньше диаметр балансируемого объекта. Например, при диаметре объекта 50 мм трудно обеспечить точность установки фотометки 10 град.

Снижение точности происходит из-за неточности измерения угла установки фотометки.

Снижение точности происходит из-за неточности измерения радиусов от оси до точки установки фотометки и от оси до точки установки противовеса.

Предлагаемый способ заключается в следующем.

1. С целью упрощения и удешевления измерений за счет исключения операций измерения и синхронизации сигнала числа оборотов, сигнала фотоизлучателя-фотоприемника и исключения операции синхронизации сигнала вибрации, исключения операции установки фотометки, с целью повышения точности за счет исключения погрешностей, вызванных этими операциями, пробные грузы массами M_i и M_j с результирующей массой М поочередно устанавливают в опорные точки на объекте таким образом, что результирующая масса М перемещается в плоскости балансировки до любого угла ϕ_к с шагом Δϕ, виброметром измеряют виброскорости V_к при каждом шаге, строят зависимость V_к от ϕ_к в виде таблицы или в виде "фигуры балансировки" в полярной системе координат - V=V(ϕ) и по полученной зависимости измеряют угол противовеса ϕ_п в точке минимума виброскорости V_мин.

2. Способ измерения угла ϕ_п и массы М_п противовеса по п.1 отличающийся тем, что с целью уменьшения числа измерений и упрощения операции вычисления производят измерение виброскорости V_о без пробного груза и два измерения виброскорости V₁ и V₂ с результирующим пробным грузом массой М в точках ϕ₁ и ϕ₂ и определяют массу противовеса М_п и угол противовеса ϕ_п из уравнений
V_о ²=KM_п ²;
V21

= K(M²+M2п-2M_пMcos(ϕ₁-ϕ_п));
V22 = K(M²+M2п-2M_пMcos(ϕ₂-ϕ_п)).
На фиг. 1 показан балансируемый круг 1 с опорными точками А, В, С и D и дисбалансом 2.

На фиг. 2 показана зависимость виброскорости V от угла ϕ установки пробного груза массой М в попарных координатах V=V(ϕ) - "фигура балансировки".

На фиг.3 приведены направления действия центробежных сил, вызванных массой М, установленной под углами ϕ₁ и ϕ₂ и массой дисбаланса М_д, находящейся под углом ϕ_д = ϕ_п+180 град.
На фиг. 1 приведен сплошной объект-круг 1 с неизвестной массой М_п и неизвестным углом ϕ_п противовеса. Напротив противовеса расположен дисбаланс 2 массой М_д. В круге имеются четыре опорных точки-отверстия А, В, С и D. Массы M_i и М_j могут устанавливаться в четыре пары точек: А и В, В и С, С и D, D и А. Круг разбивается точками на четыре четверти: АВ, ВС, CD и DA.

Для удобства угол между соседними опорными точками в круге выбираем 90 град и точки-отверстия под пробные грузы располагаем на одинаковом расстоянии от оси вращения.

Пусть в точки А и В помещены пробные грузы массами M_i и М_j. Отчет углов договоримся отсчитывать относительно опорной точки А.

Под воздействием центробежных сил, действующих на ось круга, создаваемых массами M_i и М_j, вектор результирующей центробежной силы и пропорциональную ей результирующую виртуальную пробную массу М находим по правилу параллелограмма, в данном случае прямоугольного

Угол ϕ между точкой А и результирующей массой М находим из соотношения
tgϕ = M_j/М_i.

Пример "вращения" результирующей виртуальной пробной массы М = 10 г на угол ϕ с шагом Δϕ = 5 град в зависимости от масс пробных грузов M_i и М_j приведен в табл.1.

Из табл.1 следует, что для "вращения" виртуальной массы М = 10 г с шагом 5 град в секторе 90 град необходимо изготовить 10 пар пробных грузов.

Пример определения угла противовеса для шкива двигателя приведен в табл. 2.

Из табл. 2 следует, что минимальной виброскорости V = 6,6 мм/с соответствует угол противовеса ϕ_п, равный 11 град. Точность определения угла равна 1 град.

На фиг.2 приведена типичная зависимость виброскорости V от угла ϕ установки пробного груза в полярных координатах (V, ϕ) - "фигура балансировки": V=V(ϕ).
Из "фигуры балансировки" находим угол противовеса ϕ_п при V_мин или угол дисбаланса ϕ_д при V_макс.

Нет необходимости производить множество экспериментов и полностью заполнять табл. 2 или подробно строить "фигуру балансировки". Количество измерений сокращается, если использовать свойство симметрии фигуры, можно "обойти" только часть фигуры, можно применить математические методы поиска минимума функции V=V(ϕ) - метод вилки, метод скорейшего спуска. Эти методы позволяют существенно сократить число установок пробных грузов и число измерений виброскорости. Для поиска угла противовеса с точностью 5 град достаточно произвести 6-8 измерений. Для измерения угла противовеса с точностью 1 град необходимо произвести еще 2-3 измерения.

Точность измерения угла предлагаемым способом превосходит точность по прототипу. Она определяется точностью подбора массы пробных грузов M_i и М_j и эта точность может быть практически любой из-за высокой точности измерения массы. Кроме того, исключаются инструментальные погрешности приборов: датчика оборотов, фотоизлучателя-фотоприемника, синхронизатора сигналов.

Исключаются погрешности установки радиуса и угла фотометки, размера фотометки.

Исключаются и погрешности установки угла, так как прямое измерение угла в предложенном способе не производится, а экспериментально подбираются массы M_i и М_j, при которых достигается минимум виброскорости. Поэтому погрешности установки угла опорных точек, погрешности установки радиуса опорных точек в данном способе исключаются. Ибо измеряются не углы и не радиус, а ищется главная величина - минимальная виброскорость и соответствующее ей соотношение масс M_iп и M_jп.

Для несплошного объекта, например для трехлопастного пропеллера, угол между опорными точками равен 120 град, число опорных точек равно 3. Расчеты углов ϕ и масс М, M_i и М_j производятся по правилу параллелограмма.

Для измерения масс противовесов M_iп и М_jп необходимо произвести измерения виброскорости при нескольких массах М и найти минимальную виброскорость V_мин (M_iп и М_jп), используя математические методы поиска минимума. Число измерений 3-4.

Пары пробных грузов устанавливаются в опорные точки с сохранением соотношения масс M_i и М_j, обеспечивающим сохранение найденного угла противовеса.

Неудобство предложенного способа измерения угла и массы противовеса заключается в большом числе измерений, обычно 10-12.

2. С целью улучшения способа по п.1 за счет уменьшения числа измерений производят измерение виброскорости V_о без пробного груза и два измерения виброскорости V₁ и V₂ с результирующим пробным грузом массой М в точках ϕ₁ и ϕ₂ и определяют массу противовеса М_п и угол противовеса ϕ_п из уравнений:
V_о ² = KM_п ²;
V21

= K(M²+M2п-2M_пMcos(ϕ₁-ϕ_п));
V22 = K(M²+M2п-2M_пMcos(ϕ₂-ϕ_п)).

На фиг. 3 приведены направления действия центробежных сил, вызванных массой М, установленной под углами ϕ₁ и ϕ₂, и массы дисбаланса M_д, находящегося под углом ϕ_д = ϕ_п+180 град. Масса дисбаланса равна массе противовеса M_д = М_п.

Для удобства вместо центробежных сил будем раскладывать массы-векторы, полученные умножением масс на единичный радиус-вектор в направлении действия центробежных сил.

Виброскорость на подшипниковой опоре V пропорциональна массе противовеса
V_о ² = KM_п ²,
где К - коэффициент пропорциональности виброскорости и массы противовеса.

Из фиг.3 по правилу параллелограмма получаем еще два уравнения:
V21

= K(M²+M2п-2M_пMcos(ϕ₁-ϕ_п));

Из этих уравнений находим M_п и ϕ_п.
Новизна предлагаемого способа измерения заключается:
- в упрощении и удешевлении измерений за счет исключения операций измерения и синхронизации сигнала числа оборотов, сигнала фотоизлучателя-фотоприемника, сигнала вибрации,
- исключении операции установки фотометки,
- в повышении точности измерения за счет исключения погрешностей, вызванных этими операциями,
- в уменьшении числа операций измерений до трех и упрощении операции вычисления.

Новизна способа измерения достигается за счет новых операций:
1. Пробные грузы массами M_i и М_j с результирующей массой М поочередно устанавливают в опорные точки на объекте таким образом, что результирующая масса М перемещается в плоскости балансировки до любого угла ϕ_к с шагом Δϕ, виброметром измеряют виброскорости V_к при каждом шаге, строят зависимость V_к от ϕ_к в виде таблицы или в виде "фигуры балансировки" в полярной системе координат - V=V(ϕ) и по полученной зависимости измеряют угол противовеса ϕ_п в точке минимума виброскорости V_мин.

2. С целью уменьшения числа измерений производят измерение виброскорости V_о без пробного груза и два измерения виброскорости V₁ и V₂ с результирующим пробным грузом массой М в точках ϕ₁ и ϕ₂ и определяют массу противовеса М_п и угол противовеса ϕ_п из уравнений
V_о ² = KM_п ²;
V21

= K(M²+M2п-2M_пMcos(ϕ₁-ϕ_п));
V22 = K(M²+M2п-2M_пMcos(ϕ₂-ϕ_п)).
Технико-экономический эффект применения предлагаемого изобретения:
1. Простота измерений, отсутствие сложной компьютерной техники.

2. Более высокая точность установки массы и угла противовеса позволяют уменьшить виброскорость на подшипниковых опорах, снизить динамические нагрузки и увеличить ресурс машин.

3. Предлагаемый способ исключает приборы измерения фотосигналов, числа оборотов, синхронизатора сигналов и компьютер и существенно снижает затраты на их приобретение.

Для измерения угла и массы противовеса по предлагаемому способу требуются виброметр и набор пробных грузов.

Изобретение относится к машиностроению, в частности к динамической балансировке. В способе измерения угла ϕ_п и массы противовеса М_п ("легкого места") для несбалансированного объекта пробные грузы массами M_i и M_j с результирующей массой М поочередно устанавливают в опорные точки на объекте таким образом, что результирующая масса М перемещается в плоскости балансировки до любого угла ϕ с шагом Δϕ, виброметром измеряют виброскорости V_к при каждом шаге, строят зависимость V_к от ϕ в виде таблицы или в виде "фигуры балансировки" в полярной системе координат - V = V(ϕ) и по полученной зависимости измеряют угол противовеса ϕ_п в точке минимума виброскорости V_мин. Вариантом способа является измерение виброскорости V_o без пробного груза, включающее два измерения виброскорости V₁ и V₂ с результирующим пробным грузом массой М в точках ϕ₁ и ϕ₂ и определение массы противовеса М_п и угла противовеса ϕ_п из уравнений:
V_о ²=KM_п ²,
V₁ ²=K(M²+M_п ²-2M_пMcos(ϕ₁-ϕ_п),
V₂ ²=K(M²+M_п ²-2M_пMcos(ϕ₂-ϕ_п).
Техническим результатом является упрощение и удешевление измерений, а также повышение точности. 2 с.п.ф-лы, 3 ил., 2 табл.

1. Способ измерения угла и массы противовеса ("легкого места") для несбалансированного сплошного вращающегося объекта, например круга, или несплошного, например пропеллера, заключающийся в измерении вибрации по подшипниковой опоре, отличающийся тем, что пары пробных грузов массами M_i и M_j с результирующей массой М поочередно устанавливают в опорные точки на объекте таким образом, что результирующая масса М перемещается в плоскости балансировки до любого угла ϕ с шагом Δϕ, виброметром измеряют виброскорости V при каждом шаге, строят зависимость V от ϕ в виде таблицы или в виде "фигуры балансировки" в полярной системе координат - V= V(ϕ) и по полученной зависимости измеряют угол противовеса ϕ_п в точке минимума виброскорости V_мин; затем в опорных точках поочередно устанавливают пары пробных грузов M_i и M_j с неизменным соотношением M_i и M_j, измеряют виброскорости и по полученной зависимости V= V(M_i, M_j) в точке минимума виброскорости находят массы противовесов M_iп, M_jп. 2. Способ измерения угла и массы противовеса ("легкого места") для несбалансированного сплошного вращающегося объекта, например круга, или несплошного, например пропеллера, заключающийся в измерении вибрации на подшипниковой опоре, отличающийся тем, что производят измерение виброскорости V_o без пробного груза и два измерения виброскорости V₁ и V₂ с результирующим пробным грузом массой М в точках ϕ₁ и ϕ₂ и определяют массу противовеса М_п и угол противовеса ϕ_п из уравнений:
V² _o= K М² _п;
V21

= K(M²+M2п-2M_пMcos(ϕ₁-ϕ_п);
V22 = K(M²+M2п-2M_пMcos(ϕ₂-ϕ_п),
где К - коэффициент пропорциональности виброскорости и массы противовеса.