СПОСОБ ВЕРТИКАЛЬНОЙ ДИНАМИЧЕСКОЙ БАЛАНСИРОВКИ ИЗДЕЛИЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2015 года по МПК G01M1/16 

Группа изобретений относится к машиностроению и может быть использована для вертикальной динамической балансировки с низкой частотой вращения различных изделий, например, космических аппаратов.

Известен способ вертикальной динамической балансировки изделия с низкой частотой вращения (см. «Справочник по балансировке», М.Е. Левит и др. - М., «Машиностроение», 1992. стр.210-211), при котором изделие приводят во вращение на шпинделе колебательного стола и измеряют динамические реакции между столом и неподвижным корпусом.

Известно устройство, реализующее приведенный способ вертикальной динамической балансировки изделия с низкой частотой вращения, содержащее вращающийся относительно вертикальной оси шпиндель для установки изделия, размещенный на столе, стол связан с неподвижным основанием упругими элементами - стержнями, образующими колебательную механическую систему дорезонансного типа, между столом и неподвижным основанием установлены датчики динамических реакций, возникающих при вращении шпинделя с установленным изделием, с помощью которых определяются величины дисбалансов.

Недостатком приведенного способа и реализующего его устройства является сравнительно низкая точность динамической балансировки. Причина низкой точности обусловлена принципиальной необходимостью измерений динамических реакций колебательной системы «стол + шпиндель + изделие», которая имеет сравнительно большую собственную инерционность, существенно влияющую на точность измеряемых параметров колебательного движения под действием малых центробежных сил, возникающих при вращении изделия с низкой частотой.

Наиболее близкими по технической сущности к предлагаемому техническому решению аналогами являются способ и реализующее его устройство (см. «Технология сборки и испытаний космических аппаратов», И.Т. Беляков и др. - М., «Машиностроение», 1990. стр.212).

В известном наиболее близком способе вертикальной динамической балансировки с низкой частотой вращения изделие приводят во вращение на платформе, установленной на центральной шарнирной опоре на вращающемся столе, и измеряют динамические реакции между платформой и столом.

Недостатком приведенного известного способа, наиболее близкого по технической сущности к предлагаемому способу, являются ограниченные технические возможности, обусловленные тем, что в динамическом режиме он не позволяет разделять статическую и динамическую неуравновешенности изделия, а предназначен только для определения моментной составляющей дисбаланса и моментного уравновешивания изделия.

Известное наиболее близкое устройство для вертикальной динамической балансировки с низкой частотой вращения изделия содержит корпус, установленный в нем вращающийся на подшипниках относительно вертикальной оси стол, размещенную на столе центральную шарнирную опору, на которую опирается платформа для установки изделия, платформа связана со столом посредством датчиков динамических реакций, возникающих при вращении стола с установленным изделием.

Недостатком приведенного известного устройства, наиболее близкого по технической сущности предлагаемому устройству, является недостаточная точность устранения динамического дисбаланса, так как оно не позволяет определять в динамическом режиме и устранять статическую составляющую динамического дисбаланса.

Техническим результатом настоящей группы изобретений является расширение технических возможностей за счет дополнительной возможности определения статической составляющей динамического дисбаланса и повышение точности балансировки изделия за счет дополнительного учета статической неуравновешенности, измеренной в динамическом режиме.

Для достижения этого технического результата в способе вертикальной динамической балансировки изделия с низкой частотой вращения, при котором изделие приводят во вращение на платформе, установленной на центральной шарнирной опоре на вращающемся столе, и измеряют динамические реакции между платформой и столом, дополнительно измеряют динамические реакции между платформой и столом при измененном вертикальном взаимном положении шарнира центральной опоры и изделия.

Отличительным признаком предлагаемого способа от наиболее близкого аналога являются операции изменения взаимного вертикального положения шарнира центральной опоры и изделия и последующего дополнительного измерения динамических реакций между платформой и столом.

В устройстве для вертикальной динамической балансировки изделия с низкой частотой вращения, реализующем предлагаемое техническое решение, содержащем корпус, установленный в нем вращающийся на подшипниках относительно вертикальной оси стол, размещенную на столе центральную шарнирную опору, на которую опирается платформа для установки изделия, платформа связана со столом посредством датчиков динамических реакций, возникающих при вращении стола с установленным изделием, центральная шарнирная опора выполнена в виде карданового подвеса со скрещивающимися горизонтальными осями, пересекающими ось вращения, а платформа выполнена поворотной относительно вертикальной оси.

Отличительным признаком предлагаемого устройства от наиболее близкого аналога является выполнение центральной шарнирной опоры, которая выполнена в виде карданового подвеса со скрещивающимися горизонтальными осями, пересекающими ось вращения, а платформа выполнена поворотной относительно вертикальной оси.

Благодаря наличию отличительных признаков в предлагаемом техническом решении в динамическом режиме дополнительно определяется статическая составляющая дисбаланса, которая вместе с моментной составляющей позволяет наиболее полно учесть и устранить динамический дисбаланс балансируемого изделия.

Предлагаемое техническое решение иллюстрируется чертежами, представленными на фиг.1, фиг.2 и фиг.3.

На фиг.1 показано устройство для вертикальной динамической балансировки изделия с низкой частотой вращения, реализующее предлагаемое техническое решение.

На фиг.2 показан разрез по А-А.

На фиг.3 показан разрез по Б-Б.

Предлагаемое устройство для вертикальной динамической балансировки изделия содержит корпус 1, установленный в нем подшипниковый узел 2, например, аэростатический, вращающийся на подшипниках узла 2 относительно вертикальной оси Ox стол 3, размещенную на столе 3 центральную шарнирную опору, состоящую из нижней 4 и верхней 5 частей, на которую опирается платформа 6 для установки изделия 7, платформа 6 связана со столом 3 посредством двух пар датчиков 8, 8′ и 9, 9′ динамических реакций, например, тензорезисторных, отстоящих от оси вращения Ox на одинаковом расстоянии r. Центральная шарнирная опора, состоящая из нижней 4 и верхней 5 частей, выполнена в виде карданового подвеса со скрещивающимися горизонтальными осями 10 и 11, проходящими через центры подшипников вращения 12 и 13 и пересекающими ось Ox вращения. Расстояние h между скрещивающимися осями выбирается возможно большим с учетом габаритных и прочностных ограничений, накладываемых на конструктивные параметры устройства. Платформа 6 выполнена с поворотной относительно вертикальной оси частью 14. Геометрическая определенность положения изделия задана базовой системой координат Oxyz изделия. В процессе измерений изделие на платформе устанавливается в положении, показанном на фиг.1, и в положении после поворота платформы с изделием вокруг вертикальной оси Ox на 90°.

Датчики 8, 8′ и 9, 9′ установлены с предварительным сжатием P_o деформирующим на половину величины линейной деформации d при максимально допустимом нагружении датчиков.

Зазоры Δ между нижней 4 и верхней 5 частями шарнирной опоры выбираются из условий производительности и точности балансировки - при меньших зазорах меньше отклонения изделия от вертикальности, что увеличивает точность балансировки, при больших зазорах уменьшается количество циклов балансировки, так как имеется возможность измерений при больших скоростях вращения изделия. Поэтому рекомендуется начальные циклы балансировки производить при больших зазорах, а конечные циклы - при меньших зазорах. Для установки величин зазоров могут быть использованы, например, регулируемые винтовые опоры с микрометрическим нониусом. Величины зазоров Δ находятся в интервале:

δ<Δ<d/2,

где δ - минимальная деформация датчиков, соответствующая их чувствительности.

Во вращение с частотой ω на подшипниковом узле 2 стол 3 приводится приводом 15, связанным с валом 16 подшипникового узла муфтой 17, например, сильфонной. Вся подвижная часть устройства, включающая стол 3, нижнюю 4 и верхнюю 5 части шарнирной опоры и платформа 6 с поворотной частью 14 динамически сбалансированы относительно вертикальной оси Ox.

Заявленный способ посредством описанного выше устройства осуществляют следующим образом.

Изделие 7 устанавливают на поворотную часть 14 платформы 6 в вертикальном положении и в статическом режиме, не приводя во вращение, измеряют и устраняют статический дисбаланс в пределах точностных возможностей датчиков 8, 8′ и 9, 9′. Для этого по показаниям датчиков определяют координаты центра масс изделия ρ_y и ρ_z по формулам:

ρ_y=(P′₉-P₉)r/mg;

ρ_z=(Р′₈-P₈)r/mg,

где: Р′₈, P₈, P′₉, P₉ - показания датчиков с соответствующими индексами;

r - одинаковые расстояния отдатчиков до оси вращения;

m - масса изделия;

g - ускорение свободного падения.

Величину радиуса ρ центра масс, тангенс угла α между радиусом ρ и осью Oy и величину статического дисбаланса S_ст, определенного в статическом режиме, рассчитывают по формулам:

$$\begin{array}{l}\rho =\sqrt{{\rho }_y^2+{\rho }_z^2};\\ tg\alpha ={\rho }_z/{\rho }_y;\left(1\right)\\ S_{ст}=\rho \cdot m.\end{array}$$

Устранение статического дисбаланса может производиться традиционными методами, например добавлением, удалением или перемещением балансировочных грузов в плоскостях коррекции. После устранения статического дисбаланса в статическом режиме производят измерения и устранение моментной неуравновешенности и неустраненного в статическом режиме статического дисбаланса. Для этого стол с изделием приводят во вращение с постоянной угловой скоростью ω и производят с помощью датчиков 8, 8′ и 9, 9′ измерение реакций P′_8-1, P_8-1, P′_9-1, P_9-1. Затем производят поворот верхней части 14 относительно нижней части 6 платформы на 90° и, соответственно, относительно датчиков и снова стол с изделием приводят во вращение с той же угловой скоростью ω и повторно производят с помощью датчиков 8, 8′ и 9, 9′ измерение реакций P′_8-2, P_8-2, P′_9-2, P_9-2. Уравнения равновесия моментов при вращениях в обоих случаях имеют вид:

$$\begin{array}{l}\left(P_{8-1}^{\text{'}}-P_{8-1}\right)r-{\omega }^2{\rho }_{y}mH-J_{xy}{\omega }^2=0;\\ \left(P_{9-1}^{\text{'}}-P_{9-1}\right)r-{\omega }^2{\rho }_{z}m\left(H-h\right)-J_{xz}{\omega }^2=0;\left(2\right)\\ \left(P_{8-2}^{\text{'}}-P_{8-2}\right)r-{\omega }^2{\rho }_{z}mH-J_{xz}{\omega }^2=0;\\ \left(P_{9-2}^{\text{'}}-P_{9-2}\right)r-{\omega }^2{\rho }_{y}m\left(H-h\right)-J_{xy}{\omega }^2=0,\end{array}$$

где: H - расстояние от центра масс изделия до оси 10 подшипников 12;

h - расстояние между осями 10 и 11;

J_xy и J_xz - центробежный моменты инерции изделия;

ρ_y и ρ_z - координаты смещения от оси вращения центра масс изделия, оставшегося в результате неустраненного в статическом режиме статического дисбаланса.

Из полученной системы уравнений (2) определяют координаты центра масс изделия ρ_y и ρ_z по формулам:

ρ_y=[(P′_8-1-P_8-1)-(P′_9-2-P_9-2)]r/ω²mH;

ρ_z=[(P′_8-2-P_8-2)-(P′_9-1-P_9-1)]r/ω²mH;

Величину радиуса ρ центра масс, тангенс угла α между радиусом ρ и осью Oy и величину статического дисбаланса S_ст, определенного в динамическом режиме, рассчитывают по формулам (1). После устранения рассчитанного статического дисбаланса снова стол с изделием приводят во вращение и производят с помощью датчиков 8, 8′ и 9, 9′ измерение реакций P′₈, P₈, P′₉, P₉. Уравнения равновесия моментов при равномерном вращении при положении системы координат, как показано на фиг 1, имеют вид:

$$\begin{array}{l}\left(P_8^{\text{'}}-P_8\right)r-J_{xy}{\omega }^2=0;\left(3\right)\\ \left(P_9^{\text{'}}-P_9\right)r-J_{xz}{\omega }^2=0.\end{array}$$

Из этих уравнений определяют центробежные моменты инерции:

J_xy=(P′₈-P₈)r/ω²;

J_xz=(P′₉-P₉)r/ω².

Устранение моментной неуравновешенности изделия может производиться традиционными методами, например добавлением, удалением или перемещением пары балансировочных грузов массой m, устанавливаемых в двух плоскостях коррекции. Масса m и тангенс угла α между плоскостью установки грузов и плоскостью xOy рассчитывается по формулам:

$$m=\sqrt{{\left(P_8^{\text{'}}-P_8\right)}^2+{\left(P_9^{\text{'}}-P_9\right)}^2}/{\omega }^{2}RL$$ ;

tgα=(P′₈-P₈)/(P′₉-P₉),

где: R - расстояние от оси Ox до центров масс балансировочных грузов;

L - расстояние между плоскостями коррекции.

Если начальные дисбалансы изделия велики и при допустимой угловой скорости вращения изделия динамические реакции превышают допустимый диапазон измерений датчиков 8, 8′ и 9, 9′ при максимально допустимой величине зазоров Δ, начальные циклы измерений дисбалансов, описываемые уравнениями (2) и (3), и балансировки следует производить при меньших угловых скоростях ω и больших зазорах Δ, достаточных для нормальной работы датчиков 8, 8′ и 9, 9′. Для повышения точности балансировки в последующих циклах следует увеличивать частоту вращения изделия вплоть до максимально допустимой и уменьшать зазоры Δ вплоть до порога чувствительности датчиков.

Практические параметры устройства для вертикальной динамической балансировки изделия с низкой частотой вращения, например, для изделия массой 1000 кг при использовании тензометрических силоизмерительных датчиков с диапазоном измерений 1,0 кг и погрешностью измерений не более 0,5 г: частота вращения - 10-100 об/мин, минимально достижимый остаточный удельный дисбаланс - 10 г·мм/кг.

Электропитание оборудования, находящегося на вращающемся столе (датчиков, преобразователей), осуществляется с помощью автономных источников электропитания - аккумуляторов. Возможна подача электропитания, например, с помощью вращающихся трансформаторов или контактных кольцевых коллекторов. Считывание измерительной информации от датчиков на вращающемся столе производится по беспроводной радиосвязи. Для передачи измерительной информации возможно также применение вращающихся трансформаторов и контактных кольцевых коллекторов.

Таким образом, предлагаемый способ вертикальной динамической балансировки изделия с низкой частотой вращения благодаря дополнительным измерениям динамических реакций между платформой и столом при измененном взаимном вертикальном положении шарнира центральной опоры и изделия позволяет расширить технологические возможности за счет дополнительной возможности определения в динамическом режиме статической составляющей дисбаланса, а предлагаемое устройство, в котором центральная шарнирная опора выполнена в виде карданового подвеса со скрещивающимися горизонтальными осями, пересекающими ось вращения, а платформа выполнена поворотной относительно вертикальной оси, позволяет наиболее полно учесть и устранить динамический дисбаланс балансируемого изделия за счет устранения вместе с моментной составляющей дисбаланса и статической составляющей, определенной в динамическом режиме.

Заявленные изобретения относятся к машиностроению и могут использоваться для динамической балансировки различных изделий. Способ заключается в том, что изделие приводят во вращение на платформе, установленной на центральной шарнирной опоре на вращающемся столе, и измеряют динамические реакции между платформой и столом. Дополнительно измеряют динамические реакции между платформой и столом при измененном взаимном вертикальном положении шарнира центральной опоры и изделия. Устройство содержит корпус, установленный в нем вращающийся на подшипниках относительно вертикальной оси стол, размещенную на столе центральную шарнирную опору, на которую опирается платформа для установки изделия, платформа связана со столом посредством датчиков динамических реакций, возникающих при вращении стола с установленным изделием. Центральная шарнирная опора выполнена в виде карданового подвеса со скрещивающимися горизонтальными осями, пересекающими ось вращения, а платформа выполнена поворотной относительно вертикальной оси. Технический результат заключается в повышении точности балансировки. 2 н.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ вертикальной динамической балансировки изделия, при котором изделие приводят во вращение на платформе, установленной на центральной шарнирной опоре на вращающемся столе, и измеряют динамические реакции между платформой и столом, отличающийся тем, что дополнительно измеряют динамические реакции между платформой и столом при измененном взаимном вертикальном положении шарнира центральной опоры и изделия.

2. Устройство для вертикальной динамической балансировки изделия, содержащее корпус, установленный в нем с возможностью вращения на подшипниках относительно вертикальной оси стол, размещенную на столе центральную шарнирную опору, на которую опирается платформа для установки изделия, платформа связана со столом посредством датчиков динамических реакций, возникающих при вращении стола с установленным изделием, отличающееся тем, что центральная шарнирная опора выполнена в виде карданового подвеса со скрещивающимися горизонтальными осями, пересекающими ось вращения стола, а платформа выполнена поворотной относительно вертикальной оси.