УСТРОЙСТВО ДЛЯ БАЛАНСИРОВКИ РОТОРОВ Российский патент 2012 года по МПК G01M1/00 

Настоящее изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для определения неуравновешенности деталей вращения, имеющих две плоскости приведения неуравновешенных масс и цапфы для установки их в подшипниках.

Известно устройство для балансировки деталей вращения [1], содержащее вертикальный вал, предназначенный для установки на нем балансируемой детали, и привод круговой вибрации балансируемой детали, избыточная масса которой и ее угловая координата определяются по амплитуде и фазе вынужденных угловых колебаний.

Недостатком этого устройства является то, что оно может быть использовано лишь для балансировки деталей, имеющих одну плоскость приведения неуравновешенности. Эти детали типа дисков с посадочными отверстиями для установки их на вал и оправку балансировочного устройства, не имеющих цапфы для установки их в подшипники машины.

Аналогом настоящего изобретения является также станок для балансировки роторов, описанный в [2], взятый за прототип и содержащий вертикальный центральный вал, установленный в сферическом подшипнике. На верхний конец его посредством оправки насаживается балансируемый ротор, имеющий посадочное отверстие, а нижний конец вала посредством второго подшипника соединен с эксцентрикой вала привода, сообщающего центральному валу круговые колебания типа сферической вибрации. Недостатком этого изобретения, как и устройства [1], является невозможность его использования для балансировки роторов, имеющих две цапфы для установки их в подшипники машин, а не посадочные отверстия для насаживания их на ее вал.

Сущность изобретения.

Целями настоящего изобретения являются:

1. достижение возможности балансировки роторов с цапфами с двумя плоскостями приведения неуравновешенных масс;

2. повышение точности и производительности балансировки.

Возможность балансировки роторов с двумя плоскостями приведения неуравновешенных масс и имеющих цапфы для установки их в подшипники подтверждается патентом №2319127 «Способ балансировки роторов» [3] и достигается тем, что устройство содержит центральный наклонный вал, пропущенный сквозь отверстие в сферическом подшипнике и опертый на него, и узел базировочных рамок для установки в них балансируемых роторов, расположенных вокруг центрального наклонного вала и подвижно закрепляемого на этом валу в двух положениях так, что одна из плоскостей приведения неуравновешенных масс проходит через центр сферического подшипника, где круговая амплитуда возбуждаемой сферической вибрации равна нулю, и следовательно, действие этих неуравновешенных масс не проявляется. Вторая же плоскость приведения неуравновешенных масс лежит в плоскости траектории верхней части этого вала и вследствие этого является источником точной информации об их собственной неуравновешенности, получаемой за счет двух движений - сферической вибрации от привода в составе электродвигателя и эксцентричной муфты, связывающей вал электродвигателя с нижним концом наклонного центрального вала, и поперечных угловых колебаний вокруг продольной оси балансируемых роторов от их неуравновешенности только в этой плоскости.

Повышение же производительности балансировки достигается за счет одновременной балансировки двух и более роторов по числу рамок базировочного узла, установленного на центральном наклонном валу, например, с помощью многоканальной измерительной системы в составе датчиков величин неуравновешенных масс, усилителей сигналов этих датчиков, формирователя нулевой угловой координаты неуравновешенных масс и измерителей величины и угловых координат этих масс на основе цифровых или аналоговых приборов.

Сказанное поясняется чертежом 1, на котором изображена конструктивная схема балансировочного устройства в 2 его положениях: 1а - при балансировке в плоскости I-I и 1б - при балансировке в плоскости II-II.

Здесь под позицией 1 изображен корпус устройства, в который вмонтирован сферический подшипник 2, центральный наклонный вал 3, пропущенный в отверстие подшипника 2 и буртиком опертый на него. Нижний конец вала вставлен в отверстие внутреннего кольца двухрядного сферического шарикового подшипника 4, а его наружное кольцо насажено на промежуточное эксцентричное кольцо 5. Само же кольцо 5 установлено в эксцентричное отверстие корпуса муфты 6, названной нами эксцентричной. Поворотом промежуточного эксцентричного кольца можно менять эксцентриситет самой муфты в пределах 3-10 мм и тем самым менять амплитуду круговой вибрации а в тех же пределах, и тем самым изменять чувствительность балансировочного устройства. Благодаря этому при вращении муфты центральный наклонный вал будет совершать вокруг вертикальной оси z коническое вращательное движение с вершиной конической поверхности в точке О, совпадающей с серединой сферического подшипника 2 с углом раствора конуса 2β, угол же наклона центрального вала составит β.

Муфта 6 насажена на вал электродвигателя 7, установленного в корпусе балансировочного устройства. На верхней части центрального вала установлен узел 8 базировочных рамок 9 и 10 по числу одновременно балансируемых роторов 11 и 12, которые своими цапфами устанавливаются в поворотных центрах рамок 13, 14, 15 и 16.

Узел базировочных рамок установлен на центральном валу подвижно таким образом, что одна из плоскостей приведения неуравновешенности (на фиг.1а это плоскость II-II) лежит в плоскости, проходящей через центр сферического подшипника О и зафиксирован в этом положении, например, с помощью шарикового фиксатора 17. Очевидно, что в этой точке и в плоскости, проходящей через эту точку перпендикулярно оси наклонного центрального вала, круговая (сферическая) вибрация отсутствует, поэтому никакой информации о неуравновешенных массах m₂ и m₂', лежащих в этой плоскости, на датчиках нет.

В плоскости же I-I по фиг.1а в режиме сферической вибрации при наличии избыточных масс m₁ и m₁' имеют место малые угловые колебания вокруг продольных осей балансируемых роторов, амплитуда и фаза которых однозначно соответствуют величине и угловой координате неуравновешенных масс m₁ и m₁'. Например, φ₁=am₁sin(ωt+α₁), где а - амплитуда сферической вибрации, ω - круговая частота этой вибрации, α₁ - угловая координата массы m₁, отсчитываемая от какой-либо нулевой отметки.

Таким образом, при показанном расположении рамок и плоскости II-II не проявляется их влияние и не искажаются результаты балансировки в плоскости I-I.

При балансировке в плоскости II-II узел базировочных рамок опущен и зафиксирован на центральном валу как показано на фиг.1б и при наличии избыточных масс m₂ и m₂' с угловыми координатами α₂ и α₂' будут иметь место угловые колебания вида φ₂=аm₂sin(ωt+α₂). Для определения величины неуравновешенной массы применен фотоэлектронный датчик по схеме фиг.2 в составе светоизлучающего диода 21, закрепленного на базировочной рамке 22. На ней же закреплен светопрозрачный экран 23 в виде гипоциклоиды с четырьмя ветвями для пропускания светового потока и два сдвоенных фотодиода 24 и 25. На нижнем конце конического центра 13, насаженного на прецизионный шариковый подшипник 26 посредством рычага 28, закреплена заслонка 27 в виде узкой прямоугольной пластаны, частично перекрывающая световой поток, идущий от светодиода через окно, заслонку и на фотодиоды.

Такое расположение заслонки обеспечивает преобразование малого уровня колебаний от неуравновешенности в линейные перемещения заслонки Δ существенной величины.

Применение формы светопрозрачного экрана в виде гипоциклоиды существенно увеличивает изменение освещенности фотодиодов при угловых колебаниях заслонки по сравнению с прямоугольной формой окна. При этом световой поток на одном фотодиоде увеличивается, а на другом - на столько же уменьшается. Таким же образом изменяются и их фототоки и, наконец, использование двух сдвоенных фотодиодов, включенных дифференциально на прямой и инверсный входы операционного усилителя, дополнительно увеличивает чувствительность фотодатчика вдвое. В итоге увеличение чувствительности фотодатчика становится значительным.

На фиг.3а показана схема включения элементов фотоэлектронного датчика и графики изменения входных и выходных токов и напряжений. Электрические сигналы от фотодатчиков поступают на прямой и инверсный входы операционного усилителя DА1, благодаря чему амплитуда выходного сигнала операционного усилителя будет равна

U_вых=K(U₁+U₂),

где K - коэффициент усиления усилителя, K=R₅/R₃;

U₁ и U₂ - амплитудные значения входных напряжений первого и второго фотодиодов соответственно.

На этой схеме обозначены:

VD1 - светодпод инфракрасного излучения:

VD2, VD3 - сдвоенные фотодиоды;

R1, R2 - внутренние сопротивления фотодиодов;

С1, С2 - конденсаторы, выделяющие переменную составляющую фототоков I₁, I₂;

R3, R4 - входные сопротивления операционного усилителя;

R5 - сопротивление обратной связи;

- - инвертирующий вход;

+ - неинвертирующий вход;

U_вых - напряжение на выходе операционного усилителя;

±U_n - напряжение питания усилителя;

U_вх1, U_вх2 - входные напряжения;

I_1ф, I_2ф - токи фотодиодов VD2 и VD3.

Определитель угловой координаты избыточной массы построен на основе измерения фазы напряжения датчика величины неуравновешенной массы относительно нулевой фазы «опорного» напряжения, в качестве которого взято напряжение датчика круговой вибрации. Этот датчик также фотоэлектронный и состоит из светодиода 18 (фиг.1в), фотодиода 19, установленных на корпусе балансировочного устройства, и заслонки 20, закрепленной на нижнем конце центрального вала и перекрывающей световой поток от светодиода к фотодиоду в момент, когда в процессе круговой вибрации центральный вал займет одно из крайних положений, например правое, как показано на фиг.1.

Изменение напряжения U₀ на выходе фотодатчика опорного сигнала за один период круговой вибрации изображено на фиг.3б.

Для отсчета угловой координаты α неуравновешенной массы m используется нулевая отметка с круговой шкалой, нанесенная на верхнюю часть каждой рамки базировочного узла.

Положение нулевых отметок определяется вертикальной плоскостью, проходящей через продольные оси базировочной рамки, центрального вала и заслонки. Очевидно, что шкала диаметрально противоположной рамки должна быть повернута относительно первой на 180°. Для случаев, когда число рамок больше двух, узел базировочных рамок поворачивается на центральном валу на угол, равный 360/n, где n≥3, и фиксируется в этом положении тем же шариковым фиксатором. Вместо поворота узла базировочных рамок на угол 360/n применяется электрический фазовращатель вида 3б, построенный, например, на основе мостового RC-фильтра в составе дифференциального усилителя опорного сигнала DA2 и элементов R₆, R₇, R₈, R₉ и C₃, с помощью которого и сдвигается его фаза на этот угол.

Сам же определитель угловой координаты может быть построен по одной из известных схем измерения фазы напряжения относительно фазы опорного напряжения, например, по схеме, описанной в [4].

Работа устройства для балансировки роторов.

Работа устройства состоит в следующем. Балансируемые роторы в количестве двух и более по числу рамок базировочного узла своими цапфпами устанавливаются в конические поворотные центры рамок по схеме фиг.1а, и включается электродвигатель привода, который посредством эксцентричной муфты приводит вал и узел базировочных рамок с установленными в них балансируемыми роторами в сферическое колебательное движение. При таком движении под действием неуравновешенных масс m₁ и m₁' роторов 11, 12 и других возникают поперечные угловые колебания φ вокруг их продольных осей вида φ=m₁sin(ωt+α₁), по которым с помощью датчиков и многоканального измерительного блока определяются величины неуравновешенных масс и их угловые координаты, отсчитываемые от нулевых отметок,

Определение неуравновешенных масс m₂ и m₂' и других осуществляется аналогично по схеме фиг.1б путем перемещения узла базировочных рамок по центральному наклонному валу вниз и зафиксированному в этом положении шариковым фиксатором.

На фиг.4 изображена структурная электрическая схема балансировочного устройства, поясняющая последовательность и взаимодействие его отдельных электрических звеньев.

Здесь:

Р₁, P₂, P₃, …, P_n - балансируемые роторы;

Д₁, Д₂, Д₃, …, Д_n - фотодатчики неуравновешенных масс m₁, m₂, m₃, …, m_n;

У_1-n - многоканальный усилитель сигналов датчиков Д_1-n;

В - центральный вал, совершающий сферическую вибрацию с круговой частотой ω;

Д_on - датчик опорного напряжения;

У_on - усилитель опорного напряжения;

Ф - фазосдвигающий элемент опорного напряжения:

И_1-n - многоканальный цифровой оптоэлектронный индикатор величины и угловых координат неуравновешенных масс.

Перечень схем, чертежей, литература

1. Фиг.1 содержит конструктивную схему балансировочного устройства.

2. Фиг.2 содержит конструктивную схему устройства передачи угловых колебаний ротора от неуравновешенности и фотодатчик для их преобразования.

3. Фиг.3 содержит принципиальную электрическую схему фотодатчика и его подключения к усилителю.

4. Структурная электрическая схема балансировочного устройства.

Источники информации

1. Авторское свидетельство №396575 «Балансировочное устройство МПК G01m 1/06»; Бюллетень №36 от 29.08.1973 г. УДК 620.1.05, 531.24.

2. Патент Российской Федерации 2105962 МПК G01M 1/38. Бюллетень №6 от 27.02.98.

3. Патент Российской Федерации на изобретение №2319127 «Способ балансировки роторов».

4. Б.Бутеев. Электронный фазометр. Радио, 1990, №5.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для определения неуравновешенности деталей вращения. Устройство содержит корпус с вмонтированным в него сферическим подшипником, сквозь отверстие которого пропущен наклонный центральный вал, нижний конец которого связан с приводом посредством эксцентричной муфты на основе промежуточного эксцентричного кольца и двухрядного сферического шарикового подшипника, узел базировочных рамок, подвижно закрепленный на этом валу для установки в них балансируемых роторов таким образом, что одна из плоскостей приведения неуравновешенности проходит через центр сферического подшипника, датчики величины и угловой координаты неуравновешенных масс на роторе и многоканальный электронный измерительный блок. При этом в качестве датчиков используются светоизлучающий диод, светопрозрачный экран, очерченный по гипоциклоиде с четырьмя ветвями, два сдвоенных фотодиода, а также введена заслонка в виде узкой прямоугольной пластины, закрепленная на конце центрального вала. Технический результат заключается в возможности определения неуравновешенности роторов, имеющих цапфы с двумя плоскостями ее приведения, повышении точности и производительности балансировки. 4 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Устройство для балансировки роторов, содержащее корпус, сферический подшипник, установленный в нем центральный вал, закрепленный на нем узел базировочных рамок для установки в них балансируемых роторов, привод, связанный с валом посредством эксцентричной муфты, датчики величины и угловой координаты неуравновешеных масс на роторе и многоканальный электронный измерительный блок, отличающееся тем, что, с целью возможности балансировки роторов с цапфами и двумя плоскостями приведения неуравновешенности путем исключения их взаимовлияния, центральный вал установлен на корпусе посредством сферического подшипника наклонно, а узел базировочных рамок с установленными в них балансируемыми роторами закреплен на этом валу подвижно таким образом, что обе плоскости приведения неуравновешенности поочередно оказываются совмещенными с плоскостью, проходящей через центр сферического подшипника, являющегося центром сферической вибрации, перпендикулярно продольной оси центрального вала, а его нижний конец соединен с приводом посредством эксцентричной муфты, при этом в качестве датчиков используются светоизлучающий диод, светопрозрачный экран, два сдвоенных фотодиода, а также введена заслонка, закрепленная на конце центрального вала.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что для регулирования чувствительности в сторону ее увеличения или уменьшения путем изменения круговой амплитуды сферической вибрации муфта выполнена эксцентричной и содержит двухрядный сферический шариковый подшипник, в отверстие которого вставлен нижний конец центрального наклонного вала, и промежуточное эксцентричное кольцо, установленное также в эксцентричное отверстие в корпусе муфты, поворотом которого обеспечиваются необходимые эксцентриситет муфты и амплитуда сферической вибрации.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что для повышения чувствительности и точности измерительной части устройства последнее содержит фотоэлектронные датчики, каждый их которых закреплен на базировочных рамках и снабжен светопрозрачным экраном, очерченным по гипоциклоиде с четырьмя ветвями, а также заслонкой в виде узкой прямоугольной пластины и сдвоенным фотодиодом, подключенным к прямому и инверсному входам многоканального электронного измерительного блока.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что, с целью определения угловой координаты путем согласования нулевой фазы сигнала опорного датчика с нулевой отметкой на рамке очередного балансируемого ротора, его выход после усиления подключен ко входу управляемого фазосдвигающего элемента, выполненного, например, на основе RC-фильтра.

5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что, с целью повышения производительности балансировки и равновесия самого устройства, узел базировочных рамок содержит две и более рамки, расположенные вокруг центрального вала, благодаря чему обеспечивается выполнение одновременной балансировки двух и более роторов, например, с помощью многоканальной измерительной системы.